鄂爾多斯盆地晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻

摘 要

摘要：鄂爾多斯盆地中部大氣田的部分氣源來自于上覆晚古生代煤層，為評價晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻，以盆地晚古生代原煤樣和顯微單組分熱模擬實驗結果為基礎，利用盆地內29
摘要：鄂爾多斯盆地中部大氣田的部分氣源來自于上覆晚古生代煤層，為評價晚古生代煤層作為氣源巖的成烴貢獻，以盆地晚古生代原煤樣和顯微單組分熱模擬實驗結果為基礎，利用盆地內292組顯微組分含量數據參與計算煤的生烴強度，估算出全盆地晚古生代煤成氣原生成量為(328.82～579.48)×1012m3，中間值為463.20×1012m3，其中邊淺部中間值為61.49×1012m3，中深部為401.71×1012m3；在討論該盆地晚古生代煤的成烴貢獻時，重點論述了吸附于煤儲層本身、未納入常規天然氣貢獻之列的理論吸附氣量。結果表明，鄂爾多斯盆地晚古生代煤源巖的排烴系數為82%～90%，煤對氣體的吸附容納能力非常有限，絕大部分煤成氣在形成之后都運移到了圍巖中。
關鍵詞：晚古生代；煤成氣；氣源巖；吸附氣；有機質類型；生氣強度；排烴系數；鄂爾多斯盆地
    鄂爾多斯盆地是我國第一個天然氣探明地質儲量上萬億立方米的大氣區，遠景天然氣蘊藏量占全國總資源量的26.3%。盆地中部大氣田天然氣同位素測試結果表明，其部分氣源來自于上覆晚古生代煤系，為腐殖型煤成氣[1～6]。本文主要討論了鄂爾多斯盆地晚古生代煤作為氣源巖對常規天然氣的成烴貢獻。烴源巖生氣強度評價一般是基于烴源巖熱模擬實驗結果得到的烴源巖產氣率，結合烴源巖熱成熟度、厚度分布特征來進行的[7～12]。煤作為一種特殊的有機巖石，主要是由鏡質組、惰質組和殼質組3大顯微組分組成，單組分的成烴潛力有很大差異，故在評價煤的生氣強度時，應考慮不同組分在煤中的含量比例。另外，煤儲層的儲氣機理以氣體分子吸附在煤的孔隙內表面為主[13]，這一點不同于常規天然氣在儲層中的游離態存在方式。煤作為烴源巖，生成的煤成氣部分吸附于自身的孔隙內表面上，剩余氣體逸散到圍巖中，成為常規天然氣的重要氣源，顯然，吸附氣不能包括在煤源巖對常規天然氣的貢獻氣量之內。在評價煤的成烴貢獻時，煤的生氣強度和儲層自身吸附氣量是需要考慮的關鍵參數。
1 有機質類型及氣態烴生成量
1.1 有機質類型
    鄂爾多斯盆地晚古生代含煤巖系在全盆地均有分布，以石炭-二疊系山西組和太原組為主要含煤層段。下二疊統山西組含目標煤層1～2層，累計厚度和最大單層厚度均低于太原組；上石炭統太原組含目標煤層2～5層，最大累計厚度達30m[14]。在盆地邊淺部，晚古生代煤以煙煤為主，從盆地東北部向西部、南部煤的熱演化程度隨埋深增大而增加，煤種從氣煤到無煙煤均有分布。
    鄂爾多斯盆地晚古生代煤巖系形成于海陸過渡環境，原始沉積物主要來源于陸生植物，有機質類型屬于腐殖型干酪根，有機碳含量達65.05%。全盆地煤的宏觀煤巖類型以半亮煤為主，顯微組分以鏡質組居多，以含礦物基計算，鏡質組一般超過60%，惰質組占20%左右，殼質組的含量很低(見圖1)，河東煤田中段的鏡質組含量超過70%，準格爾煤田鏡質組含量最低，為46%左右，鏡質組是本區煤成氣態烴的主要貢獻者。據劉煥杰等(1998)采用顯微組分三角圖解法評價煤的生氣潛力方法，統計表明，全盆地292個數據點都落在中等-弱生氣區域內。韓德馨等[15]提出顯微單組分的產烴指數及產油指數，筆者據此對盆地晚古生代煤的這2項指標進行了計算，從圖2-a、b可以看出，產烴指數主要分布在120～130mg/g，而產油指數為0者居多，說明本區煤以產氣態烴為主，所以筆者的討論不涉及煤生成液態烴部分。
  
1.2 生氣強度
    為了便于研究和論述，考慮煤田地理位置、構造、煤變質程度、煤層厚度等因素將全盆地分為23個區塊，邊淺部采用原有煤田、煤礦區的分區，中深部將內蒙古分為杭錦旗-東勝和鄂托克-烏審旗2個區塊；將陜西省分為靖邊彬縣和榆林-綏德2個區塊，將甘肅省分為環縣-慶陽和華亭-慶陽2個區塊及寧夏的碎石井-鹽池區塊。筆者共收集了292組顯微組分數據，根據盆地邊淺部山西蒲縣、偏關、寧夏石溝驛等地煤的3大顯微單組分在相應熱成熟階段的煤氣發生率[16～17]乘以某一區塊實測的顯微組分含量，然后相加得到該區塊的煤氣發生率區間值，結合厚度等值線圖、容重依次計算出邊淺部各煤田煤的生氣強度；盆地中深部缺乏實測顯微組分數據，依據原煤熱模擬實驗結果、煤的熱成熟度及厚度等值線、容重計算得到生氣強度，其分布狀況如圖3所示。
 
    盆地東北部由于抬升幅度較大，煤系的熱演化后來處于停滯狀態，準格爾煤的生氣強度在10×108m3/km2左右；府谷-韓城北在20×108m3/km2左右；西緣逆沖帶上盤煤的熱演化程度只達到長焰煤-氣煤階段，烏海-橫城煤的生氣強度在20×108m3/km2左右，而下盤因長期的深埋，煤的變質程度達到貧煤和無煙煤階段，存在一個局部高值區(30×108～40×108m3/km2)；石嘴山、石炭井、沙巴臺-正誼關煤的生氣強度超過30×108m3/km2，由東向西增大，馬連灘-蘇峪口達40×108m3/km2。在盆地中深部，杭錦旗-東勝煤的生氣強度多為15×108m3/km2，鄂托克烏審旗為(25～35)×108m3/km2；鹽池-環縣一帶存在一個煤層厚度大于10m的富煤帶，Rmax為2.5%左右，生氣強度為(30～45)×108m3/km2；靖邊-彬縣煤層厚度小于5m，生氣強度為20×108m3/km2左右，榆林-綏德煤層厚度超過10m，生氣強度約為30×108m3/km2。
1.3 烴類生成量
    在生氣強度等值線圖上劃網格均勻布點讀數，分別計算了各區塊原始氣態烴生成量。全盆地晚古生代煤成氣生成量估算為(328.82～579.48)×1012m3，中間值為463.20×1012m3，其中邊淺部中間值為61.49×1012m3，中深部為401.71×1012m3。分析結果表明，由于煤炭資源分布的不均衡，鄂爾多斯盆地邊淺部晚古生代煤成氣原始生成量的84%集中在盆地東緣的河東煤田、準格爾煤田和東南緣的渭北煤田，盆地西緣的桌子山-韋州一帶總共只占到16%。中深部煤成氣原始生成量的80%來自于杭錦旗-東勝、鄂托克-烏審旗、靖邊-彬縣和榆林-綏德，而環縣-慶陽和華亭慶陽及碎石井-鹽池區塊加起來占20%。
2 最大理論吸附氣量
    鄂爾多斯盆地邊淺部晚古生代煤對甲烷的最大吸附量(蘭氏體積VL)分布在13～26m3/t區間內，蘭氏壓力(pL)在2～5MPa之間，大體上太原組的煤對甲烷吸附能力強于山西組。全盆地邊淺部理論吸附氣量為8.35×1012m3。
    煤階是影響煤對甲烷吸附能力最為重要的因素。Kaiser等[18]認為，在煤化作用階段早期，煤中發育的孔隙主要為原生大孔隙且含有大量的羥基和羧基官能團，此時煤親水而疏甲烷，造成平衡水分含量非常高，但吸附能力較低，隨煤階增高，原生大孔隙急劇減少，熱變氣孔逐漸增多，羥基和羧基官能團大量脫落，使得煤的親甲烷能力顯著增加，同時熱變氣孔的大量形成，為甲烷吸附提供了空間[18～19]，所以高煤級煤對甲烷的吸附能力一般強于低煤級煤。盆地晚古生代煤的VL隨熱成熟度提高呈“U”型趨勢變化(見圖4)，當0.40%＜Rmax＜0.80%時，隨煤階增大，煤對甲烷的吸附能力迅速下降，以Rmax=0.8%為臨界點，在0.8%＜Rmax＜4.0%時，最大吸附氣量隨煤階增大而增加。由于盆地中深部目前沒有實測的VL數據，參考盆地邊淺部煤的U在0.8%＜Rmax＜4.0%區間內隨煤階的變化規律，筆者根據中深部煤的熱成熟度分布特點對煤的最大吸附能力進行了推測，并結合現存煤炭資源量推算出全盆地中深部晚古生代煤對甲烷的理論吸附氣量為51.92×1012m3。
3 對常規天然氣的成烴貢獻
    根據全盆地晚古生代煤成氣原始生成量和理論吸附氣量差值，估算煤作為氣源巖對天然氣的成烴貢獻量為(268.56～519.21)×1012m3，中間值為402.93×1012m3，分布情況見圖5。由貢獻量和原始生成量的比值計算出盆地晚古生代煤源巖的排烴系數為82%～90%，平均87%。也就是說，原始生成量中只有不到13%的氣體現今仍保存在煤儲層中，絕大部分烴類氣體都在生成之后，經過漫長的地質時間，解吸并脫離煤儲層運移到了圍巖中，煤成氣成為常規天然氣藏的重要氣源。
 
4 結束語
    1) 煤中不同顯微組分的成烴潛力差異很大，估算不同煤田煤的生氣強度應結合顯微組分含量數據。
    2) 煤儲層與常規儲層的儲氣機理不同，吸附氣量不能包括在煤源巖對常規天然氣的貢獻量之內。
    3) 鄂爾多斯盆地晚古生代煤成氣是天然氣的重要氣源，煤系烴源巖的排烴系數介于82%～90%之間，理論吸附氣量占生成量的比例很低，也就是說，絕大部分煤成氣都在形成之后運移到了圍巖中。
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(本文作者：李貴紅 張泓 煤炭科學研究總院西安研究院)