煤層氣的形成

1、煤怎么形成的？煤是由植物殘骸經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的。這個轉(zhuǎn)變過程叫做植物的成煤作用。一般認(rèn)為，成煤過程分為兩個階段泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物化學(xué)過程，后者是物理化學(xué)過程。在泥炭化階段，植物殘骸既分解又化合，最后形成泥炭或腐泥。泥炭和腐泥都含有大量的腐植酸，其組成和植物的組成已經(jīng)有很大的不同。煤化階段包含兩個連續(xù)的過程：第一個過程，在地?zé)岷蛪毫Φ淖饔孟?，泥炭層發(fā)生壓實(shí)、失水、肢體老化、硬結(jié)等各種變化而成為褐煤。褐煤的密度比泥炭大，在組成上也發(fā)生了顯著的變化，碳含量相對增加，腐植酸含量減少，氧含量也減少。因?yàn)槊菏且环N有機(jī)巖，所以這個過程又叫做成巖作用。第二個過程，

2、是褐煤轉(zhuǎn)變?yōu)闊熋汉蜔o煙煤的過程。在這個過程中煤的性質(zhì)發(fā)生變化，所以這個過程又叫做變質(zhì)作用。地殼繼續(xù)下沉，褐煤的覆蓋層也隨之加厚。在地?zé)岷挽o壓力的作用下，褐煤繼續(xù)經(jīng)受著物理化學(xué)變化而被壓實(shí)、失水。其內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都進(jìn)一步發(fā)生變化。這個過程就是褐煤變成煙煤的變質(zhì)作用。煙煤比褐煤碳含量增高，氧含量減少，腐植酸在煙煤中已經(jīng)不存在了。煙煤繼續(xù)進(jìn)行著變質(zhì)作用。由低變質(zhì)程度向高變質(zhì)程度變化。從而出現(xiàn)了低變質(zhì)程度的長焰煙、氣煤，中等變質(zhì)程度的肥煤、焦煤和高變質(zhì)程度的瘦煤、貧煤。它們之間的碳含量也隨著變質(zhì)程度的加深而增大。溫度對于在成煤過程中的化學(xué)反應(yīng)有決定性的作用。隨著地層加深，地溫升高，煤的變質(zhì)程度就

3、逐漸加深。高溫作用的時間愈長，煤的變質(zhì)程度愈高，反之亦然。在溫度和時間的同時作用下，煤的變質(zhì)過程基本上是化學(xué)變化過程。在其變化過程中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)是多種多樣的，包括脫水、脫羧、脫甲烷、脫氧和縮聚等。壓力也是煤形成過程中的一個重要因素。隨著煤化過程中氣體的析出和壓力的增高，反應(yīng)速度會愈來愈饅，但卻能促成煤化過程中煤質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的變化，能夠減少低變質(zhì)程度煤的孔隙率、水分和增加密度。5 / 12當(dāng)?shù)厍蛱幱诓煌刭|(zhì)年代，隨著氣候和地理環(huán)境的改變，生物也在不斷地發(fā)展和演化。就植物而言，從無生命一直發(fā)展到被子植物。這些植物在相應(yīng)的地質(zhì)年代中造成了大量的煤。在整個地質(zhì)年代中，全球范圍內(nèi)有三個大的成煤期：(1

4、)古生代的石炭紀(jì)和二迭紀(jì)，成煤植物主要是袍子植物。主要煤種為煙煤和無煙煤。(2)中生代的株羅紀(jì)和白堊紀(jì)，成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。(3)新生代的第三紀(jì)，成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤，其次為泥炭，也有部分年輕煙煤。天然氣的成因天然氣與石油生成過程既有聯(lián)系又有區(qū)別：石油主要形成于深成作用階段，由催化裂解作用引起，而天然氣的形成則貫穿于成巖、深成、后成直至變質(zhì)作用的始終；與石油的生成相比，無論是原始物質(zhì)還是生成環(huán)境，天然氣的生成都更廣泛、更迅速、更容易，各種類型的有機(jī)質(zhì)都可形成天然氣腐泥型有機(jī)質(zhì)則既生油又生氣，腐植形有機(jī)質(zhì)主要生成氣態(tài)烴。因此天然氣的成因是多種多樣的。歸

5、納起來，天然氣的成因可分為生物成因氣、油型氣和煤型氣。近年來無機(jī)成因氣尤其是非烴氣受到高度重視，這里一并簡要介紹，最后還了解各種成因氣的判別方法。天然氣形成一、生物成因氣1 .概念生物成因氣一指成巖作用（階段）早期，在淺層生物化學(xué)作用帶內(nèi)，沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物的群體發(fā)酵和合成作用形成的天然氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣出現(xiàn)在埋藏淺、時代新和演化程度低的巖層中，以含甲烷氣為主。2 .形成條件生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機(jī)質(zhì)和強(qiáng)還原環(huán)境。最有利于生氣的有機(jī)母質(zhì)是草本腐植型一腐泥腐植型，這些有機(jī)質(zhì)多分布于陸源物質(zhì)供應(yīng)豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸源有機(jī)質(zhì)的砂泥巖系列最

6、有利。硫酸巖層中難以形成大量生物成因氣的原因，是因?yàn)榱蛩釋Ξa(chǎn)甲烷菌有明顯的抵制作用，H2優(yōu)先還原SO42"S2形成金屬硫化物或H2s等，因此CO2不能被H2還原為CH4甲烷菌的生長需要合適的地化環(huán)境，首先是足夠強(qiáng)的還原條件，一般EhK-300mV為宜（即地層水中的氧和SO42依次全部被還原以后，才會大量繁殖）；其次對pH值要求以靠近中性為宜，一般6.08.0,最佳值7.27.6;再者，甲烷菌生長溫度。75C,最佳值3742C。沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣。3 .化學(xué)組成生物成因氣的化學(xué)組成幾乎全是甲烷，其含量一般98%,高的可達(dá)99%以上，重炫含量很

7、少，一般1%,其余是少量的N2和CO2因此生物成因氣的干燥系數(shù)（Cl/EC2+一般在數(shù)百數(shù)千以上，為典型的干氣，甲烷的黑3C1值一般-85-55?,最低可達(dá)-100?。世界上許多國家與地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了生物成因氣藏，如在西西伯利亞683-1300米白堊系地層中，發(fā)現(xiàn)了可采儲量達(dá)10.5萬億m3的氣藏。我國柴達(dá)木盆地（有些單井日產(chǎn)達(dá)1百多萬方）和上海地區(qū)（長江三角洲）也發(fā)現(xiàn)了這類氣二.油型氣1 .概念油型氣包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。它們是沉積有機(jī)質(zhì)特別是腐泥型有機(jī)質(zhì)在熱降解成油過程中，與石油一起形成的，或者是在后成作用階段由有機(jī)質(zhì)和早期形成的液態(tài)石油熱裂解形成的。2 .形成與分布與石油經(jīng)

8、有機(jī)質(zhì)熱解逐步形成一樣，天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。在剖面最上部（成巖階段）是生物成因氣，在深成階段后期是低分子量氣態(tài)炫（C2C4）即濕氣，以及由于高溫高壓使輕質(zhì)液態(tài)炫逆蒸發(fā)形成的凝析氣。在剖面下部，由于溫度上升，生成的石油裂解為小分子的輕炫直至甲烷，有機(jī)質(zhì)亦進(jìn)一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解氣是生氣序列的最后產(chǎn)物，通常將這一階段稱為干氣帶。由石油伴生氣一凝析氣-干氣，甲烷含量逐漸增多，故干燥系數(shù)升高，甲烷黑3C1值隨有機(jī)質(zhì)演化程度增大而增大。對我國四川盆地氣田的研究（包茨，1988）認(rèn)為，該盆地的古生代氣田是高溫甲烷生氣期形成的，從三疊系一震旦系，干燥系數(shù)由小到大（T:35.5-P:7

9、3.1f387.1）,重?zé)啥嗟缴?。川南氣田中，天然氣與熱變?yōu)r青共生，說明天然氣是由石油熱變質(zhì)而成的。三.煤型氣1 .概述煤型氣是指煤系有機(jī)質(zhì)（包括煤層和煤系地層中的分散有機(jī)質(zhì)）熱演化生成的天然氣。煤田開采中，經(jīng)常出現(xiàn)大量瓦斯涌出的現(xiàn)象，如四川合川縣一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高達(dá)140萬立方米，這說明，煤系地層確實(shí)能生成天然氣。煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中炫類氣體以甲烷為主，重炫氣含量少，一般為干氣，但也可能有濕氣，甚至凝析氣。有時可含較多Hg蒸氣和N2等。煤型氣也可形成特大氣田，1960s以來在西西伯利亞北部K2、荷蘭東部盆地和北海盆地南部P等地層發(fā)現(xiàn)了特大的煤型氣田，這三個氣區(qū)探

10、明儲量22萬億m3,占世界探明天然氣總儲量的弱。據(jù)統(tǒng)計(jì)（M.T哈爾布蒂，1970）,在世界已發(fā)現(xiàn)的26個大氣田中，有16個屬煤型氣田，數(shù)量占60%,儲量占72.2%,由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構(gòu)成中占有重要地位。我國煤炭資源豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)有6千億噸，居世界第三位，聚煤盆地發(fā)育，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有煤型氣聚集的有華北、鄂爾多斯、四川、臺灣一東海、鶯歌海瓊東南、以及吐哈等盆地。經(jīng)研究，鄂爾多斯盆地中部大氣區(qū)的氣多半來自上古生界C-P煤系地層（上古：下古氣源二7：3或6：4）,可見煤系地層生成天然氣的潛力很大。2 .成煤作用與煤型氣的形成成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖

11、泊或淺海環(huán)境下的植物遺體和碎片，經(jīng)生化作用形成煤的前身一一泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓力增高，由泥炭化階段進(jìn)入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經(jīng)過微生物酶解、壓實(shí)、脫水等作用變?yōu)楹置?；?dāng)埋藏逐步加深，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長焰煤-氣煤-肥煤一焦煤-瘦煤-貧煤一無煙煤的序列轉(zhuǎn)化。實(shí)測表明，煤的揮發(fā)分隨煤化作用增強(qiáng)明顯降低，由褐煤-煙煤一無煙煤，揮發(fā)分大約由50%降到5%。這些揮發(fā)分主要以CH3 、CO4 、H2O、N5 、NH3等氣態(tài)產(chǎn)物的形式逸出，是形成煤型氣的基礎(chǔ)，煤化作用中析出的主要揮發(fā)性產(chǎn)物見圖5-9。1.煤化作用中揮發(fā)性產(chǎn)物總量2.CO23.H2O4.CH

12、45.NH36.H2S從形成煤型氣的角度出發(fā)，應(yīng)該注意在煤化作用過程中成煤物質(zhì)的四次較為明顯變化（煤巖學(xué)上稱之為煤化躍變）：第一次躍變發(fā)生于長焰煤開始階段，碳含量Cr=75-80%揮發(fā)分Vr=43%,Ro=0.6%第二次躍變發(fā)生于肥煤階段，Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%第三次躍變發(fā)生煙煤一無煙煤階段，Cr=91%Vr=8%,Ro=2.5%第四次躍變發(fā)生于無煙煤一變質(zhì)無煙煤階段，Cr=93.5%,Vr=4%Ro=3.7%芳香族稠環(huán)縮合程度大大提高。在這四次躍變中，導(dǎo)致煤質(zhì)變化最為明顯的是第一、二次躍變。煤化躍變不僅表現(xiàn)為煤的質(zhì)變，而且每次躍變都相應(yīng)地為一次成氣（甲烷）高峰。煤型氣的形

13、成及產(chǎn)率不僅與煤階有關(guān)，而且還與煤的煤巖組成有關(guān)，腐殖煤在顯微鏡下可分為鏡質(zhì)組、類脂組和惰性組三種顯微組分，我國大多數(shù)煤田的腐殖煤中，各組分的含量以鏡質(zhì)組最高，約占5080%,惰性組占1020%（高者達(dá)3050%）,類脂組含量最低，一般不超過5%。在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻(xiàn)是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984）在成功地分離提純煤的有機(jī)顯微組分基礎(chǔ)上，開展了低階煤有機(jī)顯微組分熱演化模擬實(shí)驗(yàn)，并探討了不同顯微組分的成炫貢和成炫機(jī)理。發(fā)現(xiàn)三種顯微組分的最終成炫效率比約為類脂組：鏡質(zhì)組：惰性組=3:1:0.71,產(chǎn)氣能力比約為331:0.8,說明惰性組也具一定生氣能力。四.無機(jī)成因氣

14、地球深部巖漿活動、變質(zhì)巖和宇宙空間分布的可燃?xì)怏w，以及巖石無機(jī)鹽類分解產(chǎn)生的氣體，都屬于無機(jī)成因氣或非生物成因氣。它屬于干氣，以甲烷為主，有時含CO2、N2、He及H2sHg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業(yè)意義的非炫氣藏。1 .甲烷無機(jī)合成：CO2+H2fCH4+H2條件：高溫（250c）、鐵族元素地球原始大氣中甲烷：吸收于地幔，沿xx斷裂、火山活動等排出板塊俯沖帶甲烷：大洋板塊俯沖高溫高壓下脫水，分解產(chǎn)生的H、C、CO/CO2CH42 .CO2天然氣中高含CO2與高含炫類氣一樣，同樣具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，對于CO2氣藏來說，有經(jīng)濟(jì)價(jià)值者是CO2含量80%（體積濃度）的天然氣，可廣泛

15、用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療、飲食業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域。我國廣東省三水盆地沙頭用水深9井天然氣中CO2含量高達(dá)3 9.55%,日產(chǎn)氣量500萬方，成為有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣藏。目前世界上已發(fā)現(xiàn)的CO2氣田藏主要分布在中一新生代火山區(qū)、斷裂活動區(qū)、油氣富集區(qū)和煤田區(qū)。從成因上看，共有以下幾種：無機(jī)成因：上地幔巖漿中富含CO2氣體當(dāng)巖漿沿地殼薄弱帶上升、壓力減小，其中CO2逸出。碳酸鹽巖受高溫烘烤或深成變質(zhì)可成大量CO2當(dāng)有地下水參與或含有Al、Mg、Fe雜質(zhì)，98200c也能生成相當(dāng)量CO2,這種成因CO2特征：CO2含量>35%,S13CCO28?。碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成CO2,如白云

16、石與高嶺石作用即可。另外，有機(jī)成因有：生化作用熱化學(xué)作用油田遭氧化煤氧化作用3.N2N2是大氣中的主要成分，據(jù)研究，分子氮的最大濃度和逸度出現(xiàn)在古地臺邊緣的含氮地層中，特別是蒸發(fā)鹽巖層分布區(qū)的邊界內(nèi)。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來，其先體是NH4+。N2含量大于15%者為富氮?dú)獠?，天然氣中N2的成因類型主要有：有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的N2:100-130C達(dá)高峰，生成的N2量占總生氣量的2.0%,含量較低；（有機(jī)）地殼巖石熱解脫氣：如輝綠巖熱解析出氣量，N2可高達(dá)52%,此類N2可富集；地下鹵水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經(jīng)生化作用生成N2O+N2;地幔源的N2:如鐵隕石含氮數(shù)十?dāng)?shù)百個ppm

17、;大氣源的N2:大氣中N2隨地下水循環(huán)向深處運(yùn)移，混入最多的主要是溫泉?dú)?。從同位素特征看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽巖中，較重的氮集中在芳香煌化合物中，而較輕的氮則集中在鏤鹽和氨基酸中。4 .H2S全球已發(fā)現(xiàn)氣藏中，幾乎都存在有H2s氣體，H2s含量1%的氣藏為富H2s的氣藏，具有商業(yè)意義者須5%。據(jù)研究（Zhabrew等，1988）,具有商業(yè)意義的H2s富集區(qū)主要是大型的含油氣沉積盆地，在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽巖系。自然界中的H2s生成主要有以下兩類：生物成因（有機(jī)）：包括生物降解和生物化學(xué)作用；1熱化學(xué)成因（無機(jī)）：有熱降解、熱化學(xué)還原、高溫合成等。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，

18、自然環(huán)境中石膏（CasO4被炫類還原成H2s的需求溫度高達(dá)150C,因此自然界發(fā)現(xiàn)的高含H2s氣藏均產(chǎn)于深部的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽層系中，并且碳酸鹽巖儲集性好。5 .稀有氣體（He、Ar、，）這些氣體盡管在地下含量稀少，但由于其特殊的地球化學(xué)行為，科學(xué)家們常把它們作為地球化學(xué)過程的示蹤劑。He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣-殼源一殼、幔源混合一幔源，二者不斷增大，前者由1.39X10-6f10-5,后者則由295.6f2000。止匕外，根據(jù)圍巖與氣藏中Ar同位素放射性成因，還可計(jì)算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。五.各種成因氣識別標(biāo)志自

19、然界中天然氣分布很廣，成因類型繁多且熱演化程度不同，其地化特征亦多種多樣，因此很難用統(tǒng)一的指標(biāo)加以識別。實(shí)踐表明，用多項(xiàng)指標(biāo)綜合判別比用單一的指標(biāo)更為可靠（戴金星，1993）。天然氣成因判別所涉及的項(xiàng)目看，主要有同位素、氣組分、輕烴以及生物標(biāo)志化合物等四項(xiàng)，其中有些內(nèi)容判別標(biāo)準(zhǔn)截然，具有絕對意義，有些內(nèi)容則在三種成因氣上有些重疊，只具有一定的相對意義。石油怎么形成的石油的原料是生物的尸體，生物的細(xì)胞含有脂肪和油脂，脂肪和油脂則是由碳、氫、氧等3種元素組成的。生物遺體沉降于海底或湖底并被淤泥覆蓋之后，氧元素分離，碳和氫則組成碳?xì)浠衔铩Ｎ覀円呀?jīng)在地球上發(fā)現(xiàn)3000種以上的碳?xì)浠衔?，石油是由其?/p>

20、350種左右的碳?xì)浠衔镄纬傻?，比石油更輕的碳?xì)浠衔飫t成為天然氣。煤礦與石油的成因很類似，但煤是植物的化石，又是固態(tài)。大量產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏膸r石即稱為“石油源巖”。埋沒于地中的石油源巖受到地?zé)岷蛪毫Φ挠绊?，再加上其他多種化學(xué)反應(yīng)之后就產(chǎn)生石油，而石油積存于巖石間隙之間便形成油田。地殼變動而石油生成我們最近逐漸了解地球內(nèi)部的變化與石油的生成有十分密切的關(guān)系，在描述此種關(guān)系之前,讓我們先來了解一下地球內(nèi)部的狀況。地球的半徑大約是6400公里，覆蓋地球表面的地殼下方是由巖石形成厚達(dá)2900公里的“地慢”，其下方則是由金屬形成的“地核”，并以大約5100公里深處分界，分為“外核”與“內(nèi)核”。外核主要是

21、由液態(tài)金屬鐵組成，內(nèi)核則主要是固態(tài)鐵。地球表面鋪滿堅(jiān)硬的“板塊”，厚度約有100公里，是由向上噴出的“洋脊”產(chǎn)生的，在緩緩移動到“海溝”后就沉降于另一板塊下方。80年代后期，人們學(xué)會捕捉地震波傳遞到地球內(nèi)部時的立體圖，于是發(fā)現(xiàn)令人驚訝的地慢活動狀況。高溫又巨型的上升流“超級卷流”由地底涌上后，以蘑菇形態(tài)分別存在于夏威夷和非洲大陸正下方。此外，低溫的巨型下降流“冷卷流”則以水滴形態(tài)占據(jù)亞洲大陸及南美洲大陸正下方的冷卷流似乎是沉降到地函底部。我們現(xiàn)在的知道的是，地幔內(nèi)部落熱對流是以冷卷流向超級卷注移動的形態(tài)而形成的。此種運(yùn)動不僅影響板塊運(yùn)動，似乎也對整個地球的地質(zhì)和環(huán)境的變化產(chǎn)生很大的影響。超級卷

22、流是石油制造者？現(xiàn)在全球生產(chǎn)的石沒之中，有60%是產(chǎn)生了恐龍稱霸地球時期所形成的石油源巖，所形成的“黑色頁巖”則遍布世界各地。黑色頁巖主要是由未經(jīng)氧化的藻類等浮游植物遺骸堆積而成。由此可知當(dāng)時必須有可讓浮游植物繁殖又不會產(chǎn)生氧化的缺氧環(huán)境條件，大量的黑色頁巖才會形成。最近發(fā)現(xiàn)，石油源巖在此時代的形成似乎與超級卷流運(yùn)動的活化可以促使由地下涌出的地幔物質(zhì)所形成的洋脊體積增大，海面因而上升，使得較低的陸地變成淺海，而淺海則具有可當(dāng)石油原料的藻類等浮游植物極易繁殖的環(huán)境。淺海地區(qū)的藻類等浮游植物因而出現(xiàn)大幅增加和大量死亡的現(xiàn)象，周圍的細(xì)菌為分解其殘骸而消耗氧氣，于是出現(xiàn)了缺氧環(huán)境。地球溫暖化也會改變深層海水的流動狀況，由于高緯度地區(qū)與低緯度地區(qū)海水的溫度高