淮南潘集矿区二叠系煤层瓦斯成因类型分析

胡宝林，王博文，徐宏杰

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤层气在漫长的演化过程中，其地球化学特征受内因和外因的影响而发生变化，因此不同地区煤层气成因类型差异显著[1]。1982a，美国对煤层气的地面勘探开发取得重大突破，拉开了煤层气研究领域的序幕。20世纪90年代，在美国的圣胡安盆地煤层气勘探开发中，专家首次揭示出次生生物成因气的存在，认为次生生物气是由有机物经细菌作用形成[2]。

淮南煤田主要含煤岩系为石炭-二叠纪煤系，区内煤炭资源与煤层气资源量丰富[3]。文献[4-9]以淮南潘集深部石盒子组煤系地层为研究对象，分析了煤系页岩气储集空间特征，探讨了孔隙结构对甲烷吸附能力的影响以及深部煤层气含量估算方法。对于煤层气成因方面的研究主要有两方面：一是从矿井安全和环境保护考虑，探究瓦斯突出来源的问题；二是从资源储量和评价方面，研究煤层气的成因类型为其资源评价提供依据。以往对淮南煤层气的研究主要还是停留在为煤炭的安全开采作铺垫的阶段，在煤层气来源和成因类型方面的研究处于起步阶段。煤层的内在属性与形成条件会直接影响煤层气的成因。一般认为煤层气为热成因气，但也有次生生物成因[10-11]。采用甲烷碳同位素是对其判识的有效方法[12-13]。文献[14]于2005a在淮南新集煤矿发现了次生生物气，同时还伴随有少量热成因的混合气，并对其同位素地球化学特征进行了的研究，但对研究区煤层瓦斯成因尚缺乏更多的探讨。为此，本文以淮南潘集二叠系煤层气为研究对象，实验与理论相结合，系统地分析了矿区煤层气来源及成因类型。

1 研究区地质背景

研究区位于淮南煤田复向斜的东段，陈桥—潘集背斜转折端的深部(见图1)。背斜轴向NWW，由转折端向两翼延伸地层倾角逐渐变小，两翼走向变化明显，南翼走向呈EW～NWW向，北翼由于受断层影响，走向近SN向。研究区内主要含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组和石盒子组。石炭系煤层发育极不稳定，煤层厚度薄，开采价值不大；而二叠系煤层发育相对比较稳定，煤层层数多并且厚度大。本次研究主要涉及煤层有1、3、4、5、6、7、8、11、13等主采煤层，也是煤层气资源储量丰富的主要煤层。

图1 淮南煤田构造纲要图

区内孔隙、砂岩裂隙和岩溶裂隙发育，主要含水层由第四系松散层孔隙含水层组、二叠系砂岩裂隙含水层组、太原组和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层组组成。它们彼此之间层序分明，构成水力联系密切的含水系统[15]。尤其是第四系松散层孔隙含水层，在构造抬升过程中，煤系含水层与第四系松散层孔隙含水层发生水力联系，而第四系含水层直接接受大气降水和地表水的补给[16-17]。第四系松散层孔隙含水层将煤系含水层和地表水联系起来，为大气降水和地表水向煤系含水层补给提供了通道，为水中微生物进入煤层提供了载体。

2 地球化学特征分析

(1)样品采集与测试

本次研究所用到的瓦斯样来自于潘集外围钻孔煤心的解吸气样、潘集煤矿内部矿井井下工作面钻孔及地面钻孔气样，其中，工作面钻孔逸出气样直接用气样袋封装。本次研究共采集袋装气样47件，从潘一矿、潘二矿、潘三矿普查和勘探阶段地面钻孔及潘集外围详查钻孔采集了共计70余件煤样。所采集到瓦斯煤样重量一般在200～300g之间，为了防止煤样受大气污染，应尽快将煤样装入密封罐内。

瓦斯组分含量测试按照中国国家标准GB/T 19559-2004，在中国科学院广州地化研究所进行，实验仪器采用气相色谱仪-气体全组分测试仪(仪器型号为HP6890/Wasson- ECE Gas Analyzer，由美国安捷伦公司生产)，实验精度为1%。瓦斯甲烷同位素测试在中国科技大学进行，瓦斯甲烷碳同位素采用气相色谱-稳定同位素比值质谱仪(型号为Isoprime，由英国GV Instrumentsr公司生产)，实验误差在0.05%内；瓦斯甲烷氢同位素采用生产的气相色谱稳定同位素比值质谱仪(型号为Delta Plus XL，由美国ThermoFinigan热电公司生产)进行，实验结果的测试精度可达到0.05%。

(2)瓦斯组分特征

瓦斯气体的组分特征是鉴别成因类型的重要依据。煤样解吸气经气相色谱仪测试分析，所得数据归一化处理后，获得其相应瓦斯组份，数据如表1所示。

表1 潘集矿区煤样瓦斯样组份分析结果汇总表

数据结果表明，潘集矿煤样解吸瓦斯中烃类组分主要为CH4，含量介于50%～93%之间，平均为83.43%；重烃含量在0.35%～10%，而在深部部分含量可达10%以上。文献[18]研究发现，煤层瓦斯重烃含量在煤化作用过程中呈现周期性变化，重烃含量由低到高再降低。根据重烃含量变化特征可以判断煤层总体处于低变质烟煤阶段。非烃类气体以N2和CO2为主，N2含量在0.13%～29.40%之间，平均为13.90%，深部煤样解吸瓦斯中CO2含量介于1.62%～27.26%之间，平均为7.30%。经过比较分析，潘集深部煤样解吸瓦斯气体中非烃类气体含量高于浅部，重烃含量高于浅部，而CH4含量低于浅部。

根据相关数据对比分析同煤层内重烃含量和同钻孔不同煤层内重烃含量与深度的关系(见图2～图3)，来探讨烃类组分与深度之间的关系。

图2 同煤层内重烃含量与深度的关系 图3 同钻孔不同煤层内重烃含量与深度的关系

文献[19]实验研究表明，煤岩显微组分与煤层的生烃能力密切相关，生烃能力以壳质组最强，镜质组次之，惰性组最差，在焦煤至无烟煤阶段三者产出总烃气的比值大致为1.5∶1.0∶0.7。分析图2和图3可知，在同一煤层内煤岩显微组分基本相同，因此在同煤层内重烃含量变化不大；在同钻孔下跨越不同煤层，煤岩显微组分发生变化，随着深度的增加，具有产油倾向的壳质组含量增多，导致重烃含量随深度增多。17-1钻孔988m附近重烃含量异常可能是因为重烃被微生物分解成了甲烷。综上所得，在一定深度下范围内重烃含量随深度增加而增加，在同一煤层内重烃含量随深度变化不明显。根据重烃含量的分布规律，在煤层开采过程中，可以通过重烃含量来判别在掘进过程中是否发生串层。

(3)甲烷碳同位素分布特征

煤变质阶段的划分一般用煤的镜质组最大反射率来表征。各煤层煤层气的δ13C1值与煤的最大镜质组反射率的关系如下(见表2)。根据表2可知，研究区煤岩镜质组最大反射率范围在0.71%～1.00%；根据变质阶段划分依据可知，研究区内煤的变质程度主要属于低变质烟煤和中变质烟煤阶段[20]。研究区煤层瓦斯甲烷碳同位素波动范围不显著，变化范围在-4.472%～-3.246%，与同时代波恩盆地[21]煤层甲烷碳同位素相比明显偏重。

表2 煤层气的δ13C1值与煤的最大镜质组反射率的对比关系表

据表2和图4可知，在潘集浅部各煤层中，甲烷碳同位素含量范围在-3.372%～-3.247%之间，对应煤层有机碳同位素含量在-2.452%～-2.334%之间； 浅部埋藏瓦斯煤样中甲烷碳同位素与对应煤层有机碳同位素的变化总体具有较密切的相似性。潘集深部各煤层甲烷碳同位素含量范围在 -4.472%～-3.654%之间，深部煤样解吸瓦斯中甲烷碳同位素的变化与对应煤层中有机碳同位素的变化并不同步，可能是由于浅部煤层受构造热演化、水文条件及储层结构影响，导致煤层中有机碳同位素即瓦斯中甲烷同位素发生分馏的同步性较强[22]。潘集深部煤层埋深较深，相比于浅部受构造变动幅度影响所发生的煤层瓦斯碳同位素分馏程度要轻。

为了分析煤层瓦斯甲烷碳同位素的分布特征，先求各煤层瓦斯甲烷碳同位素的平均值，对比各主要煤层瓦斯中甲烷碳同位素及煤层中原始有机碳同位素的值(见图4)。根据图4不难发现，无论是浅部煤样解吸的瓦斯还是深部煤样解吸的瓦斯，其甲烷碳同位素与煤中有机碳同位素相比，均呈现明显的偏轻状态，说明研究区煤层吸附瓦斯在形成过程中随深度的变化发生了明显的分馏变化。有学者发现，煤层甲烷碳同位素变轻的根本原因是强烈的地下水活动[23]。还有学者指出，13CH4在水中的溶解能力要大于12CH4，在强水动力条件下，游离气中的13CH4溶解于水， 使12CH4在游离气中相对富集，富集的12CH4与吸附气中的13CH4发生置换反应，导致吸附气中12CH4聚集，煤层甲烷碳同位素变轻[24]。在华北聚煤盆地，煤系与下覆奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层容易发生水力联系，从而导致煤层甲烷碳同位素变轻。

图4 有机碳δ13C1值与潘集浅部、深部对比关系图

(4)甲烷氢同位素分布特征

现有资料显示，有学者发现煤层气δ13C1值变化非常复杂，在实际应用中存在很多困难[25]。因此甲烷的另一种同位素——氢同位素成了研究煤层瓦斯的另一种重要方法。文献[26-27]研究表明，热成因气的氢同位素组成的影响因素主要包括沉积环境和成熟度，前者的影响程度比后者大，而且可以根据甲烷氢同位素组成来判断烃源岩的干酪根类型，进而鉴别煤层气的成因类型。研究区煤样解吸瓦斯甲烷氢同位素分布特征如表3所示。

表3 煤样解吸瓦斯甲烷氢同位素分布特征

数据分析得知， 研究区煤层甲烷氢同位素值差异较大， 含量介于-19.999%～-13.387%之间， 平均为-17.804%。 为了更好地说明研究区煤层瓦斯中甲烷氢同位素的分布特点， 将其与世界有关典型含煤盆地同时代煤层进行了对比。 波兰下煤盆地石炭纪煤层气甲烷氢同位素的分布范围为-25.6%～-11.7%，美国波恩盆地二叠纪煤层气甲烷氢同位素的分布范围为-27.9%～-17.1%。对比发现研究区瓦斯中甲烷氢同位素与世界典型盆地瓦斯中甲烷氢同位素分布一致[28]。

考察研究区瓦斯甲烷氢同位素的分布特点，绘制了氢同位素随煤层埋深的变化图(见图4)。由图可以看出研究区煤样瓦斯中甲烷氢同位素随煤层埋藏深度的增加而明显偏重，且变化规律显著。局部煤层出现异常，可能由于地质构造运动发生地球化学作用过程中甲烷同位素发生分馏效应所致[29]。在研究区深部层位钻探取心时发现岩石裂隙中出现油迹(见图5)，说明深部煤岩干酪根类型为腐泥型或过渡型，即直链烷烃含量高，也佐证了深部重烃含量较浅部高的情况。氢同位素含量随深度增多也进一步说明了深部为富氢贫氧的沉积环境，从而解释了深部岩心出现油迹的特点。

图4 煤层埋深与甲烷氢同位素关系图

图5 岩心见油迹图

3 煤层气(瓦斯)的成因类型分析

文献[30]认为生物成因甲烷δ13C1值一般 <-5.5%，而热成因甲烷δ13C1值一般>-5.0%。研究区甲烷碳同位素范围在-3.406%～-3.246%之间，明显符合热成因甲烷的碳同位素组成的基本特征。根据表2可以得知，研究区的镜质组反射率介于0.79%～1.00%之间，正处于强热成因甲烷开始产生的阶段(Ro为0.8%～1.0%)，符合热成因气的特征。

另有研究表明，气态烃组分中的重烃能被微生物降解，微生物将重烃分解为甲烷，使残留的烃类气体变干，从而使碳同位素组成显著变重[31-32]。研究区浅部煤层气中重烃含量很低，甚至没有，说明多已被分解，反映了重烃组分遭受微生物降解的同位素变化特征。

据Smith资料显示[33]，烃类垂直扩散前缘速度与深度成负相关关系，并且甲烷扩散速度比重烃快。气体解吸速度与分子结构、分子大小及分子轻重成反比，甲烷分子结构简单、分子小且质量轻比结构复杂、分子大且质量重的重烃解吸快。在甲烷分子中极性弱的12C比极性强的13C更容易解吸，在煤层瓦斯中往往会出现甲烷同位素分馏效应。淮南地质资料显示[34]，淮南煤田二叠纪煤层在变质程度达到气、肥煤阶段后，经历了漫长的地质构造演化，煤层部分出露地表，煤岩内部压力差和气体浓度差变大，为煤层气产生强烈的解吸-扩散作用创造了有利环境。由于长期强烈的构造运动，煤层埋藏深度变浅，煤层与地表水的水力联系加强，为携微生物的地下水向煤系含水层的渗入提供了前提条件。同时，由于煤田主要煤层的地温处于生物气生成的最佳环境，由此可以判断研究区含有次生生物气。

煤层气成因类型的鉴别通常采用图示方法，本次研究采用了Schoell版图，结合煤层气的甲烷碳氢同位素相关数据绘制了煤层气成因版图(见图6)。Schoell版图原理一般依据甲烷碳氢同位素含量之间的关系，将煤层气成因划分成生物成因、混合成因和热成因三大区域。根据图6得知，研究区的煤层气样点落在热成因与混合成因分布范围，且混合成因区域的点明显多于热成因区域，结合前面分析的其他资料和特征，表明研究区属于热成因气为主的混合成因气。

图6 煤层气成因版图(Schoell版图)

4 结论

(1)潘集矿区二叠系煤层气组分甲烷占主要优势，属于湿气。重烃气体含量与显微组分表明研究区煤层处于低变质烟煤和中变质烟煤阶段。

(2)研究区煤层瓦斯甲烷碳同位素波动范围不显著，并且由于地下水活动，煤层吸附瓦斯在形成过程中随深度的变化发生了明显的分馏效应。研究区煤层甲烷氢同位素变化范围较大，研究区煤样瓦斯甲烷氢同位素的含量与埋深具有明显的正相关关系。

(3)研究区深部瓦斯生成与深成热变质的热成因直接相关，但在热成因气体生成以后，由于同时期构造运动使煤层气发生解吸-扩散作用以及细菌活动等原因发生了次生生物作用，最终的瓦斯成因类型为热成因为主的伴随部分次生生物气的混合次生热成因气。