鄂尔多斯盆地晚古生代煤层作为气源岩的成烃贡献

摘 要

摘要：鄂尔多斯盆地中部大气田的部分气源来自于上覆晚古生代煤层，为评价晚古生代煤层作为气源岩的成烃贡献，以盆地晚古生代原煤样和显微单组分热模拟实验结果为基础，利用盆地内29
摘要：鄂尔多斯盆地中部大气田的部分气源来自于上覆晚古生代煤层，为评价晚古生代煤层作为气源岩的成烃贡献，以盆地晚古生代原煤样和显微单组分热模拟实验结果为基础，利用盆地内292组显微组分含量数据参与计算煤的生烃强度，估算出全盆地晚古生代煤成气原生成量为(328.82～579.48)×1012m3，中间值为463.20×1012m3，其中边浅部中间值为61.49×1012m3，中深部为401.71×1012m3；在讨论该盆地晚古生代煤的成烃贡献时，重点论述了吸附于煤储层本身、未纳入常规天然气贡献之列的理论吸附气量。结果表明，鄂尔多斯盆地晚古生代煤源岩的排烃系数为82%～90%，煤对气体的吸附容纳能力非常有限，绝大部分煤成气在形成之后都运移到了围岩中。
关键词：晚古生代；煤成气；气源岩；吸附气；有机质类型；生气强度；排烃系数；鄂尔多斯盆地
    鄂尔多斯盆地是我国第一个天然气探明地质储量上万亿立方米的大气区，远景天然气蕴藏量占全国总资源量的26.3%。盆地中部大气田天然气同位素测试结果表明，其部分气源来自于上覆晚古生代煤系，为腐殖型煤成气[1～6]。本文主要讨论了鄂尔多斯盆地晚古生代煤作为气源岩对常规天然气的成烃贡献。烃源岩生气强度评价一般是基于烃源岩热模拟实验结果得到的烃源岩产气率，结合烃源岩热成熟度、厚度分布特征来进行的[7～12]。煤作为一种特殊的有机岩石，主要是由镜质组、惰质组和壳质组3大显微组分组成，单组分的成烃潜力有很大差异，故在评价煤的生气强度时，应考虑不同组分在煤中的含量比例。另外，煤储层的储气机理以气体分子吸附在煤的孔隙内表面为主[13]，这一点不同于常规天然气在储层中的游离态存在方式。煤作为烃源岩，生成的煤成气部分吸附于自身的孔隙内表面上，剩余气体逸散到围岩中，成为常规天然气的重要气源，显然，吸附气不能包括在煤源岩对常规天然气的贡献气量之内。在评价煤的成烃贡献时，煤的生气强度和储层自身吸附气量是需要考虑的关键参数。
1 有机质类型及气态烃生成量
1.1 有机质类型
    鄂尔多斯盆地晚古生代含煤岩系在全盆地均有分布，以石炭-二叠系山西组和太原组为主要含煤层段。下二叠统山西组含目标煤层1～2层，累计厚度和最大单层厚度均低于太原组；上石炭统太原组含目标煤层2～5层，最大累计厚度达30m[14]。在盆地边浅部，晚古生代煤以烟煤为主，从盆地东北部向西部、南部煤的热演化程度随埋深增大而增加，煤种从气煤到无烟煤均有分布。
    鄂尔多斯盆地晚古生代煤岩系形成于海陆过渡环境，原始沉积物主要来源于陆生植物，有机质类型属于腐殖型干酪根，有机碳含量达65.05%。全盆地煤的宏观煤岩类型以半亮煤为主，显微组分以镜质组居多，以含矿物基计算，镜质组一般超过60%，惰质组占20%左右，壳质组的含量很低(见图1)，河东煤田中段的镜质组含量超过70%，准格尔煤田镜质组含量最低，为46%左右，镜质组是本区煤成气态烃的主要贡献者。据刘焕杰等(1998)采用显微组分三角图解法评价煤的生气潜力方法，统计表明，全盆地292个数据点都落在中等-弱生气区域内。韩德馨等[15]提出显微单组分的产烃指数及产油指数，笔者据此对盆地晚古生代煤的这2项指标进行了计算，从图2-a、b可以看出，产烃指数主要分布在120～130mg/g，而产油指数为0者居多，说明本区煤以产气态烃为主，所以笔者的讨论不涉及煤生成液态烃部分。
  
1.2 生气强度
    为了便于研究和论述，考虑煤田地理位置、构造、煤变质程度、煤层厚度等因素将全盆地分为23个区块，边浅部采用原有煤田、煤矿区的分区，中深部将内蒙古分为杭锦旗-东胜和鄂托克-乌审旗2个区块；将陕西省分为靖边彬县和榆林-绥德2个区块，将甘肃省分为环县-庆阳和华亭-庆阳2个区块及宁夏的碎石井-盐池区块。笔者共收集了292组显微组分数据，根据盆地边浅部山西蒲县、偏关、宁夏石沟驿等地煤的3大显微单组分在相应热成熟阶段的煤气发生率[16～17]乘以某一区块实测的显微组分含量，然后相加得到该区块的煤气发生率区间值，结合厚度等值线图、容重依次计算出边浅部各煤田煤的生气强度；盆地中深部缺乏实测显微组分数据，依据原煤热模拟实验结果、煤的热成熟度及厚度等值线、容重计算得到生气强度，其分布状况如图3所示。
 
    盆地东北部由于抬升幅度较大，煤系的热演化后来处于停滞状态，准格尔煤的生气强度在10×108m3/km2左右；府谷-韩城北在20×108m3/km2左右；西缘逆冲带上盘煤的热演化程度只达到长焰煤-气煤阶段，乌海-横城煤的生气强度在20×108m3/km2左右，而下盘因长期的深埋，煤的变质程度达到贫煤和无烟煤阶段，存在一个局部高值区(30×108～40×108m3/km2)；石嘴山、石炭井、沙巴台-正谊关煤的生气强度超过30×108m3/km2，由东向西增大，马连滩-苏峪口达40×108m3/km2。在盆地中深部，杭锦旗-东胜煤的生气强度多为15×108m3/km2，鄂托克乌审旗为(25～35)×108m3/km2；盐池-环县一带存在一个煤层厚度大于10m的富煤带，Rmax为2.5%左右，生气强度为(30～45)×108m3/km2；靖边-彬县煤层厚度小于5m，生气强度为20×108m3/km2左右，榆林-绥德煤层厚度超过10m，生气强度约为30×108m3/km2。
1.3 烃类生成量
    在生气强度等值线图上划网格均匀布点读数，分别计算了各区块原始气态烃生成量。全盆地晚古生代煤成气生成量估算为(328.82～579.48)×1012m3，中间值为463.20×1012m3，其中边浅部中间值为61.49×1012m3，中深部为401.71×1012m3。分析结果表明，由于煤炭资源分布的不均衡，鄂尔多斯盆地边浅部晚古生代煤成气原始生成量的84%集中在盆地东缘的河东煤田、准格尔煤田和东南缘的渭北煤田，盆地西缘的桌子山-韦州一带总共只占到16%。中深部煤成气原始生成量的80%来自于杭锦旗-东胜、鄂托克-乌审旗、靖边-彬县和榆林-绥德，而环县-庆阳和华亭庆阳及碎石井-盐池区块加起来占20%。
2 最大理论吸附气量
    鄂尔多斯盆地边浅部晚古生代煤对甲烷的最大吸附量(兰氏体积VL)分布在13～26m3/t区间内，兰氏压力(pL)在2～5MPa之间，大体上太原组的煤对甲烷吸附能力强于山西组。全盆地边浅部理论吸附气量为8.35×1012m3。
    煤阶是影响煤对甲烷吸附能力最为重要的因素。Kaiser等[18]认为，在煤化作用阶段早期，煤中发育的孔隙主要为原生大孔隙且含有大量的羟基和羧基官能团，此时煤亲水而疏甲烷，造成平衡水分含量非常高，但吸附能力较低，随煤阶增高，原生大孔隙急剧减少，热变气孔逐渐增多，羟基和羧基官能团大量脱落，使得煤的亲甲烷能力显著增加，同时热变气孔的大量形成，为甲烷吸附提供了空间[18～19]，所以高煤级煤对甲烷的吸附能力一般强于低煤级煤。盆地晚古生代煤的VL随热成熟度提高呈“U”型趋势变化(见图4)，当0.40%＜Rmax＜0.80%时，随煤阶增大，煤对甲烷的吸附能力迅速下降，以Rmax=0.8%为临界点，在0.8%＜Rmax＜4.0%时，最大吸附气量随煤阶增大而增加。由于盆地中深部目前没有实测的VL数据，参考盆地边浅部煤的U在0.8%＜Rmax＜4.0%区间内随煤阶的变化规律，笔者根据中深部煤的热成熟度分布特点对煤的最大吸附能力进行了推测，并结合现存煤炭资源量推算出全盆地中深部晚古生代煤对甲烷的理论吸附气量为51.92×1012m3。
3 对常规天然气的成烃贡献
    根据全盆地晚古生代煤成气原始生成量和理论吸附气量差值，估算煤作为气源岩对天然气的成烃贡献量为(268.56～519.21)×1012m3，中间值为402.93×1012m3，分布情况见图5。由贡献量和原始生成量的比值计算出盆地晚古生代煤源岩的排烃系数为82%～90%，平均87%。也就是说，原始生成量中只有不到13%的气体现今仍保存在煤储层中，绝大部分烃类气体都在生成之后，经过漫长的地质时间，解吸并脱离煤储层运移到了围岩中，煤成气成为常规天然气藏的重要气源。
 
4 结束语
    1) 煤中不同显微组分的成烃潜力差异很大，估算不同煤田煤的生气强度应结合显微组分含量数据。
    2) 煤储层与常规储层的储气机理不同，吸附气量不能包括在煤源岩对常规天然气的贡献量之内。
    3) 鄂尔多斯盆地晚古生代煤成气是天然气的重要气源，煤系烃源岩的排烃系数介于82%～90%之间，理论吸附气量占生成量的比例很低，也就是说，绝大部分煤成气都在形成之后运移到了围岩中。
参考文献
[1] 关德师，张文正，裴戈.鄂尔多斯盆地中部气田奥陶系产层的油气源[J].石油与天然气地质，1993，14(3)：91-99.
[2] 张士亚.鄂尔多斯盆地天然气气源及勘探方向[J].天然气工业，1994，14(3)：1-4.
[3] 黄第藩，杨俊杰.鄂尔多斯盆地中部大气田的气源判识[J].科学通报，1996，41(17)：1588-1592.
[4] 裴锡古，费安琦，王少昌，等.鄂尔多斯地区上古生界煤成气藏形成条件及勘探方向[M]∥煤成气地质编委会.煤成气地质研究.北京：石油工业出版社，1987.
[5] 李凌，王兴志，方少仙，等.鄂尔多斯东部上古生界储层特征及控制因素[J].西南石油学院学报，2002，24(6)：4-6.
[6] 曹忠辉.鄂尔多斯盆地大牛地复式气田基本地质特征[J].西南石油学院学报，2005，27(2)：17-21.
[7] BOREHAM C J，HORSFIELD B，SCHENK H J. Predicting the quantities of oil and gas generated from Australian Permian coals，Bowen Basin using pyrolytic methods[J].Marine and petroleum Geology，1999，16(2)：165-188.
[8] 郭贵安，陈义才，张代生，等.吐哈盆地侏罗系热模拟生烃演化特征研究[J].西南石油学院学报，2005，27(4)：13-15.
[9] 秦建中，贾蓉芬，郭爱明，等.华北地区煤系烃源层油气生成、运移、评价[M].北京：科学出版社，2000：119-156.
[10] 陈义才，蒋裕强，郭贵安，等.川中地区上三叠统香溪群烃源岩热演化史模拟[J].西南石油大学学报，2007，29(2)：57-60.
[11] 孙金山，刘国宏，孙明安，等.库车坳陷侏罗系煤系烃源岩评价[J].西南石油学院学报，2003，25(6)：1-4.
[12] 汤达祯，林善园，王激流，等.鄂尔多斯盆地东缘晚古生代煤的生烃反应动力学特征[J].科学通报，2000，45(4)：346-352.
[13] 康毅力，罗平亚.煤岩气藏开发分类探讨[J].西南石油学院学报，2003，25(6)：、19-22.
[14] 王双明.鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M].北京：煤炭工业出版社，1996：208-209.
[15] 韩德馨.中国煤岩学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996：451-461.
[16] 关师德，戚厚发，甘利灯.煤和煤系泥岩产气率实验结果讨论[M]∥煤成气地质编委会.煤成气地质研究.北京：石油工业出版社，1987：182-193.
[17] 张文正，刘桂霞，陈安定，等.低阶煤及煤岩显微组分的成烃模拟实验[M]∥煤成气地质编委会.煤成气地质研究.北京：石油工业出版社，1987：222-228.
[18] KAISER W R，SWARTZ T E. Fruitland formation hydrology and producibility of coalbed methane in the San Juan Basin，New Mexico and Colorado[C]∥Proceeding of 1989 Coalbed Methane Symposium. Alabama，USA：University of Alabama，School of Mines and Energy Development(Tuscaloosa)，1989：87-97.
[19] 欧成华，李士伦，杜建芬，等.煤层气吸附机理研究的发展与展望[J].西南石油学院学报，2003，25(5)：34-38.
 
(本文作者：李贵红 张泓 煤炭科学研究总院西安研究院)