煤與煤巖組分及聚煤特征對煤成氣的影響

煤與煤巖組分及聚煤特征對煤成氣的影響

中國有40多個(gè)煤炭盆地，煤炭資源豐富。根據(jù)天然氣勘探結(jié)果。我國60%以上的大中型氣田的氣源與煤和煤系源巖有關(guān),近年來鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)的蘇里格大氣田、陜141大氣田和塔里木盆地庫車坳陷發(fā)現(xiàn)的克拉2大氣田,以及吐哈盆地發(fā)現(xiàn)的油氣田,其形成都與煤系烴源巖有關(guān)。各類含煤巖系的煤巖組成、熱演化階段和有機(jī)地球化學(xué)特征控制了煤成氣態(tài)烴和液態(tài)烴的產(chǎn)率和分布。在煤巖組成與煤成烴機(jī)理、煤成烴判識(shí)和煤成油氣的評價(jià)等方面已進(jìn)行了較多研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22],但對我國煤成烴的勘探前景尚有不同認(rèn)識(shí)。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)將共聚焦激光掃描顯微鏡和13CNMR(13C核磁共振)等觀測分析結(jié)果與煤巖顯微組分的熱演化生烴模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相結(jié)合,進(jìn)一步討論煤成烴的成因與評價(jià)。1巖和煤形成的組成1.1均質(zhì)鏡質(zhì)體在熱演化實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)率我國主要大型含煤盆地中,西北侏羅系煤、華北石炭-二疊系煤和第三系煤均以富含鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組的腐殖煤為主,東北第三系煤鏡質(zhì)組含量一般達(dá)67.7%～98.2%,遼寧、吉林第三系煤的鏡質(zhì)組含量更高(見表1)。據(jù)吐哈盆地侏羅系煤鏡質(zhì)組的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,熱演化過程中主要產(chǎn)氣態(tài)烴。鏡質(zhì)組中均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體的生烴性能有一定差別,Ro值達(dá)2%的均質(zhì)鏡質(zhì)體在熱演化實(shí)驗(yàn)中氣態(tài)烴產(chǎn)率為77.41mg/g,輕烴產(chǎn)率為6.73mg/g(見圖1a),氣態(tài)烴和輕烴共占總產(chǎn)烴率(84.7mg/g)的91.4%。在煤成液態(tài)烴最主要的中等演化段(Ro值為1.0%),氣態(tài)烴+輕烴的產(chǎn)率為33.53mg/g,占總烴產(chǎn)率的95.5%,其中輕烴產(chǎn)率占34%,液態(tài)烴產(chǎn)率為1.57mg/g,僅占總烴產(chǎn)率的4.5%。煤中均質(zhì)鏡質(zhì)體在熱演化過程中基本是生氣,特別是高成熟的含煤盆地,勘探方向主要為煤成氣?；|(zhì)鏡質(zhì)體在熱演化實(shí)驗(yàn)中氣態(tài)烴產(chǎn)率為141.9mg/g,輕烴產(chǎn)率為6.17mg/g(見圖1b),氣態(tài)烴+輕烴占總烴產(chǎn)率(143mg/g)的99.2%,在液態(tài)烴最主要生成的中等熱演化階段的氣態(tài)烴+輕烴的產(chǎn)率為22.14mg/g,占總烴產(chǎn)率的71.4%,其中輕烴產(chǎn)率占56.7%,液態(tài)烴產(chǎn)率為8.86mg/g,占總烴產(chǎn)率的28.6%。吐哈盆地侏羅系煤中基質(zhì)鏡質(zhì)體比均質(zhì)鏡質(zhì)體的總產(chǎn)烴率高0.7倍,液態(tài)烴產(chǎn)率高4.6倍,在中等演化程度階段有部分液態(tài)烴產(chǎn)出。1.2煤中殼質(zhì)組含量已有研究結(jié)果表明,煤中H/C原子比高的殼質(zhì)組是有利的生油組分。根據(jù)澳大利亞吉普斯蘭盆地和庫珀盆地煤成烴的產(chǎn)出規(guī)律,煤中富氫組分要達(dá)到20%～30%,或煤和含煤巖石中每克有機(jī)碳的液態(tài)烴產(chǎn)率要達(dá)到30～80mg/g,才能排烴運(yùn)移,形成有工業(yè)價(jià)值的煤成油田。我國多數(shù)含煤盆地煤中殼質(zhì)組含量不高,一般達(dá)不到以上標(biāo)準(zhǔn),并且殼質(zhì)組在煤中的分布有很大的不均勻性,僅在少數(shù)地區(qū)或含煤巖系的個(gè)別層段殼質(zhì)組比較富集。我國著名的江西樂平和浙江長廣一帶分布的二疊系樹皮殘殖煤中的樹皮體含量高達(dá)70%～80%,甚至更高,河北蘇橋、山東兗州等地均有含殼質(zhì)組比較富集的煤分層,南方第三系也有部分富含殼質(zhì)組的層段。在已發(fā)現(xiàn)煤成油產(chǎn)出的吐哈盆地,侏羅系西山窯組(J2x)和八道灣組(J1b)煤中殼質(zhì)組含量一般不太高,據(jù)大量樣品常規(guī)煤巖顯微組分的定量資料[11,12,13,14,15,16,17,18,19],西山窯組煤中殼質(zhì)組平均含量為9.45%,八道灣組煤中殼質(zhì)組平均含量為6.46%。但西山窯組和八道灣組都見有煤中殼質(zhì)組含量較高的分層。在西山窯組39件樣品中,殼質(zhì)組含量大于10%的占45%,其中個(gè)別樣品殼質(zhì)組含量高達(dá)38%,八道灣組殼質(zhì)組含量相對低一些,57件樣品中殼質(zhì)組含量大于10%的占22.3%,其中個(gè)別樣品的殼質(zhì)組的最高含量為27.5%,常規(guī)煤巖顯微組分的定量結(jié)果見表2。據(jù)樣品觀察,吐哈盆地存在煤成油,除了煤中有殼質(zhì)組含量相對較高的分層以外,另一個(gè)重要因素是煤中廣泛存在多種類型的微殼質(zhì)體和發(fā)棕褐色熒光的基質(zhì)鏡質(zhì)體。用分辨率較高的共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)觀察,發(fā)現(xiàn)基質(zhì)鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中常包含較多微米級—亞微米級的的微殼質(zhì)體。例如結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體中的微樹脂體(見圖2a、圖2b)、分布在結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體邊緣的微熒光質(zhì)體(見圖2c、圖2d)、微滲出體(見圖2e)、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中分布有網(wǎng)絡(luò)狀熒光瀝青體(見圖2f),以及零星分散于基質(zhì)鏡質(zhì)體質(zhì)中的微殼屑體、微藻屑體等,微殼質(zhì)體含量可達(dá)10%～20%。吐哈盆地侏羅系煤中比較常見的殼質(zhì)組主要包括細(xì)角質(zhì)體、木栓質(zhì)體、孢子體和分散與溶散在基質(zhì)鏡質(zhì)體質(zhì)中的各種微殼質(zhì)體,它們都是煤成液態(tài)烴的重要物源。由于煤中富含微殼質(zhì)體的熒光基質(zhì)鏡質(zhì)體比較豐富,可能對煤成油的貢獻(xiàn)也較大。煤中H/C原子比比較高的富氫顯微組分主要包括角質(zhì)體、孢子體、樹脂體、木栓質(zhì)體、樹皮體、藻質(zhì)體、瀝青質(zhì)體和瀝青滲出體等。它們在一般腐殖煤中含量不高,但一些多水的湖、沼沉積和水流比較通暢的沼澤沉積中常存在富含以上殼質(zhì)組的煤分層。由圖3可見,藻質(zhì)體和角質(zhì)體液態(tài)烴產(chǎn)率最高,在液態(tài)烴的主要生烴階段,藻質(zhì)體液態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)377.4mg/g,角質(zhì)體液態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)276.9mg/g,孢子體液態(tài)烴產(chǎn)率為69.8mg/g,樹皮體的液態(tài)烴產(chǎn)率為40.3mg/g,氣態(tài)烴產(chǎn)率為98.4mg/g,這主要與樹皮體煤源巖的鏡質(zhì)組反射率稍高有關(guān)。殼質(zhì)組中各種殼質(zhì)體的生烴性能也有一定差別,據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,在中等熱演化階段(Ro值為0.7%～1.0%),不同殼質(zhì)體的液態(tài)烴產(chǎn)率為40.3～377.4mg/g,約占總烴產(chǎn)率的45%～85%,最高可達(dá)89%。2煤的熱演化及脂鏈碳等元素含量與煤的碳化指標(biāo)的關(guān)系煤和煤巖組分的分析測定結(jié)果(見表3)表明,不同熱演化程度和不同顯微組分的結(jié)構(gòu)參數(shù)差別很大。生烴量大和生油性能好的殼質(zhì)組,H/C原子比的值高,芳碳率低,脂碳率高,甲基、α亞甲基、亞甲基和次甲基含量較高;而生烴性能相對較差并以生氣為主的富鏡質(zhì)組—惰質(zhì)組的腐殖煤的H/C原子比的值較低,芳碳率高,脂碳率低,甲基、α亞甲基、亞甲基和次甲基含量低。隨著煤的熱演化程度增高,H/C原子比的值降低,芳碳率增高,脂碳率降低,甲基、α亞甲基、亞甲基和次甲基含量降低,芳香碳縮聚程度增加,向石墨化方向發(fā)展。煤的Ro值由0.59%增高到4.68%(長煙煤—無煙煤),H/C原子比由0.83降低到0.37,芳碳率(faTOSS)由0.68增高到0.93,脂碳率(fA1)由0.21降至0.01,脂碳中對液態(tài)烴產(chǎn)出意義最大的脂鏈碳fAH(亞甲基、α甲基、次甲基)含量很低。與相同熱演化程度的煙煤和鏡質(zhì)組相對比,各種殼質(zhì)組都明顯富氫(見表3),殼質(zhì)組的H/C原子比一般大于1,最高達(dá)1.5,fa均較低,一般小于0.5,而且脂碳中對液態(tài)烴產(chǎn)出意義最大的fAH高達(dá)0.31～0.52,比相同熱演化階段的全煤樣鏡質(zhì)組高了3～5倍,說明煤成液態(tài)烴能力主要與殼質(zhì)組和煤大分子結(jié)構(gòu)中的亞甲基、α甲基、次甲基的含量有關(guān)。據(jù)煤熱演化樣品的核磁共振分析,在300～350℃時(shí)TDDH(質(zhì)子偶極去相)和T1H(質(zhì)子自旋晶格馳豫時(shí)間)出現(xiàn)雙指數(shù),表明有流動(dòng)相產(chǎn)生。3熱演化對煤生烴性能的影響在國內(nèi)外煤成烴的勘探實(shí)踐中,很多學(xué)者已針對不同含煤盆地和不同的實(shí)驗(yàn)研究方法,提出過多種煤成烴的評價(jià)方法和指標(biāo)。煤成烴評價(jià)的思路與石油地質(zhì)中烴源巖的評價(jià)相比,其主要特點(diǎn)是由于煤和含煤巖石是有機(jī)質(zhì)高度富集的沉積巖,一般不存在有機(jī)碳的下限指標(biāo)問題,有機(jī)碳含量僅在煤成烴資源計(jì)算中十分重要。此外,由于煤在不同熱演化階段都有天然氣產(chǎn)出,煤在不同熱演化階段的物理化學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)烴性能差別很大,各種生烴性能的測定指標(biāo)受熱演化程度影響很大。本文討論煤成烴的評價(jià)指標(biāo),主要是針對低成熟煙煤生氣和生油性能的評價(jià)指標(biāo),特別是有利于反映含煤盆地煤成油勘探前景的指標(biāo)。分析實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,能反映煤生烴性能的指標(biāo)很多,例如:煤巖組分中的殼質(zhì)組類型和含量,元素組成中H/C原子比的高低,熱解分析中S1、S1+S2、TOC、IH指數(shù)、有機(jī)碳和有效碳的含量,13CNMR測定中的芳碳率和脂碳率以及甲基、亞甲基、次甲基的含量,以及可溶有機(jī)質(zhì)氯仿瀝青“A”含量等。其中比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的主要指標(biāo)是Rock-Eval熱解分析中的S1、S2、TOC、IH指數(shù)