第三章 煤层气的成因.ppt

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1、第三章第三章 煤层气的成因煤层气的成因1 煤是成分与结构十分复杂的固体化石燃料，也是烃煤是成分与结构十分复杂的固体化石燃料，也是烃类气体的源岩和储集层。在成煤作用的泥炭化作用阶段、类气体的源岩和储集层。在成煤作用的泥炭化作用阶段、成岩作用和变质作用阶段以及后期煤层抬升阶段，在微成岩作用和变质作用阶段以及后期煤层抬升阶段，在微生物、温度、压力的作用下，伴随煤（或泥炭）成分与生物、温度、压力的作用下，伴随煤（或泥炭）成分与结构的变化，都有烃类气体的形成。而不同阶段、不同结构的变化，都有烃类气体的形成。而不同阶段、不同成因类型的烃类气体具有不同的成分与同位素特征。成因类型的烃类气体具有不同的成分与同

2、位素特征。现今保留在煤层中的气体是经过运移和聚集的各种现今保留在煤层中的气体是经过运移和聚集的各种成因气体混合的产物，其成分和同位素组成不同于常规成因气体混合的产物，其成分和同位素组成不同于常规天然气，也不同于煤成气。这种独特的地球化学特征是天然气，也不同于煤成气。这种独特的地球化学特征是各种原生因素和次生因素叠加作用的结果。各种原生因素和次生因素叠加作用的结果。2第一节第一节 煤成烃机理煤成烃机理一、煤成烃的物质基础一、煤成烃的物质基础 为化石燃料提供母源有机质的生物，主要是各种细菌、真菌、浮游生物和高等植为化石燃料提供母源有机质的生物，主要是各种细菌、真菌、浮游生物和高等植物。尽管它们的种

3、类与生活环境各异，但其细胞中的原生质都主要由物。尽管它们的种类与生活环境各异，但其细胞中的原生质都主要由C、H、O、N等等少数几种元素组成。少数几种元素组成。贫O富H贫H富O3 不同类型干酪根在演化过不同类型干酪根在演化过程中产生程中产生CH4，排出，排出CO2和和H2O的趋向。的趋向。富稳定组分煤通常对应于富稳定组分煤通常对应于型和型和型干酪根，富镜质组型干酪根，富镜质组分煤对应于分煤对应于型干酪根，富惰型干酪根，富惰质组分煤对应于质组分煤对应于型干酪根。型干酪根。一般来说，一般来说，型和型和型干型干酪根主要来源于水生低等浮游酪根主要来源于水生低等浮游生物的残体，富含烷族结构，生物的残体，富

4、含烷族结构，是成油的有机质；是成油的有机质；型和型和型干酪根富含芳香结构，是成型干酪根富含芳香结构，是成气的有机质。气的有机质。腐植煤的主要组分是镜质腐植煤的主要组分是镜质组，以生气为主，但其中稳定组，以生气为主，但其中稳定组分及富氢镜质体都具有产生组分及富氢镜质体都具有产生液态烃的能力。液态烃的能力。4二、煤的化学结构与双组分模式二、煤的化学结构与双组分模式 煤化学结构的研究对了解煤的成烃机制具有非常煤化学结构的研究对了解煤的成烃机制具有非常重要的意义。重要的意义。煤是由带有官能团煤是由带有官能团(如如-OH-OH，=C=O=C=O，-COOH-COOH，-OCH3)-OCH3)和侧链（胺、

5、大分子烃）的缩和侧链（胺、大分子烃）的缩合芳香核为骨架的结构单元以网状桥键相连而组合芳香核为骨架的结构单元以网状桥键相连而组成的三维空间结构的大分子化合物，其结构参数成的三维空间结构的大分子化合物，其结构参数包括：缩合芳香环数、芳香度、官能团分布、碳包括：缩合芳香环数、芳香度、官能团分布、碳氢和杂原子分布及桥键等氢和杂原子分布及桥键等。1、煤的化学结构、煤的化学结构5 煤衍生物的结构模型示意图 不同类型煤的基础结构单元示意图不同类型煤的基础结构单元示意图 6目前取得主要进展如下：目前取得主要进展如下：热解试验热解试验GC/MSGC/MS表明，表明，中煤级阶段镜质组大分子结构的变化主要从烷基中煤

6、级阶段镜质组大分子结构的变化主要从烷基酚结构（亚烟煤）向烷基苯和萘结构转化；酚结构（亚烟煤）向烷基苯和萘结构转化；Van Van KrevelenKrevelen认为，在烟煤阶段每个结构单元平认为，在烟煤阶段每个结构单元平均芳香环数为均芳香环数为4545，而最近研究表明为，而最近研究表明为11.511.5个，个，且在烟煤阶段，芳香环数增加很慢，直至半无烟且在烟煤阶段，芳香环数增加很慢，直至半无烟煤煤无烟煤阶段，才突然迅速增加；无烟煤阶段，才突然迅速增加；在烟煤阶在烟煤阶段，煤化学结构中范德华力和氢键比共价键更重段，煤化学结构中范德华力和氢键比共价键更重要。要。7煤是具有分子筛结构的微孔状固体，

7、其内部微孔煤是具有分子筛结构的微孔状固体，其内部微孔隙中充满了煤化作用过程中形成的气、液态流动隙中充满了煤化作用过程中形成的气、液态流动相。相。2、煤组成的双组分模式尽管目前对煤的大分子格架和小分子化合尽管目前对煤的大分子格架和小分子化合物的化学构成、数量关系、存在状态、作物的化学构成、数量关系、存在状态、作用方式等缺乏全面的认识，然而煤的两相用方式等缺乏全面的认识，然而煤的两相结构观点已得到多数学者的认同。结构观点已得到多数学者的认同。组分描述：组分描述：煤煤主要由有机组分构成的沉积岩；主要由有机组分构成的沉积岩；B B主要为粘土矿物、石英、方解石、黄主要为粘土矿物、石英、方解石、黄铁矿及其

8、它物质，包括粘土矿物的结合水铁矿及其它物质，包括粘土矿物的结合水（-OH-OH）及层间水；）及层间水；A-1A-1由桥键相连的单由桥键相连的单个或多个带有含个或多个带有含H H或或O O官能团的芳香环结构；官能团的芳香环结构；A-2-aA-2-a中到高分子的油和沥青，包括芳中到高分子的油和沥青，包括芳香的、脂肪的和杂原子；香的、脂肪的和杂原子；A-2-bA-2-b主要为主要为CHCH4 4、COCO2 2、H H2 2O O及及N N2 2、C C2 2H H6 6等小分子，其富等小分子，其富集程度取决于煤级、环境条件和煤化作用集程度取决于煤级、环境条件和煤化作用历史。历史。不能在煤结构中自由

9、运动不能在煤结构中自由运动能自由进出煤结构能自由进出煤结构8煤分子两相模型 9煤不仅具有成烃的物质基础，而且具有容煤不仅具有成烃的物质基础，而且具有容纳烃类物质的空间。然而，煤能否成为好纳烃类物质的空间。然而，煤能否成为好的烃源岩和储集层，则主要取决于煤化作的烃源岩和储集层，则主要取决于煤化作用程度，煤化作用过程中物理性质的变化用程度，煤化作用过程中物理性质的变化（孔隙率、渗透性）影响烃类气体的赋存（孔隙率、渗透性）影响烃类气体的赋存和运移，而烃类气体的产生则取决于煤化和运移，而烃类气体的产生则取决于煤化作用过程中的化学反应。作用过程中的化学反应。10三、煤化作用的化学过程三、煤化作用的化学过

10、程煤化作用的实质是温度升高条件下的化学反应过程，烃类即煤化作用的实质是温度升高条件下的化学反应过程，烃类即为反应的部分产物。为反应的部分产物。如图，所有类型的煤在演化如图，所有类型的煤在演化过程中均表现为过程中均表现为C C含量增加和含量增加和H H、O O含量减少。低煤级以含量减少。低煤级以O O的减少的减少为主，而高煤级为主，而高煤级H H含量迅速降含量迅速降低。不同类型的煤，其低。不同类型的煤，其C C、H H、O O质量分数变化幅度不同，但质量分数变化幅度不同，但到高煤级各种煤趋于一致，表到高煤级各种煤趋于一致，表明多余的明多余的H H、O O已脱除，成分趋已脱除，成分趋于稳定。于稳定

11、。11煤化作用过程可用下式表示：C含量增加的过程，也就是富含量增加的过程，也就是富H、O物质的形成与排出过程。这个过程包物质的形成与排出过程。这个过程包含了键的断裂与重组，键断裂后形成的自由基团，最终形成自由分子。含了键的断裂与重组，键断裂后形成的自由基团，最终形成自由分子。12 描述煤结构中小分子部分的演化、圈闭及后来的破坏过程，描述煤结构中小分子部分的演化、圈闭及后来的破坏过程，富富C C基质部分的结构变化过程基质部分的结构变化过程 ：A A表示富表示富C C的芳香结构基质部分，的芳香结构基质部分，B B表示富表示富H H或或O O的小分子部的小分子部分。解聚作用是指大分子基质裂解为两个小

12、分子，包括小分分。解聚作用是指大分子基质裂解为两个小分子，包括小分子官能团的脱除及桥键断裂；裂解指子官能团的脱除及桥键断裂；裂解指“圈闭圈闭”的小分子被裂的小分子被裂解成更小的分子；而聚合作用则是指有机分子通过共价键结解成更小的分子；而聚合作用则是指有机分子通过共价键结合为大分子的反应。合为大分子的反应。13Evolution of MethaneHeat and pressure work together to increase coal rankMethane and water are released in the processBoth methane and water can

13、be trapped for future recovery using CBM/CMMSource:ALL Consulting14第二节第二节 煤层气的成因煤层气的成因与天然气的成因相同，煤层气成因可以与天然气的成因相同，煤层气成因可以分为有机成因和无机成因两大类，且绝分为有机成因和无机成因两大类，且绝大多数情况下为有机成因。大多数情况下为有机成因。国内外关于有机成因的煤层气研究相对国内外关于有机成因的煤层气研究相对深入，但还没有形成一个统一的分类方深入，但还没有形成一个统一的分类方案，大体上将有机成因煤层气分为生物案，大体上将有机成因煤层气分为生物成因和热成因两类。成因和热成因两类。15

14、前前人人关关于于煤煤层层气气成成因因类类型型的的划划分分这这些些分分类类主主要要依依据据煤煤层层气气的的组组分分组组成成和和甲甲烷烷碳碳、氢氢同同位位素素组组成成和和煤煤阶阶。16 煤层气成因可分为两大类：有机成因和无机成因 成因成因类类型型示踪指示踪指标标Ro()特征特征备备注注同位素同位素组组成成13C1(PDB),DCHa(SMOW)组组分比分比值值有机有机成因成因生物生物成因成因原生生物成因气原生生物成因气13C10.950.5干气，炭同位素干气，炭同位素组组成偏成偏轻轻；生成早，一般在生成早，一般在后期的煤后期的煤层层中很中很难难保存下来保存下来次生生物成因气次生生物成因气13C10

15、.95CO2含量极低含量极低0.3-1.5+煤岩中有与微生物煤岩中有与微生物活活动动有关的生物有关的生物标标记记化合物及降解特化合物及降解特征征煤煤层层受后期抬升，受后期抬升，埋深埋深较较浅浅热热成成因因原生原生热热成成因因热热降降解气解气13C1:-46.2-35.1D1:-247.3-225.9C1/C1-n:0.840.94CDMI:090.550.52.0湿气：甲湿气：甲烷烷13C值值和和D1值值具正相关具正相关关系关系热热降解气降解气组组分以分以煤芯解吸气煤芯解吸气为为代代表，同位素表，同位素组组成成则则以排采气以排采气为为代代表表热热裂裂解气解气13C1:-37.5-29.6D1:

16、-200C1/C1+20.99C1/C23385CDMI0.1322.5特干气；甲特干气；甲烷烷的碳、的碳、氢氢同位素同位素组组成偏重成偏重由于由于热热演化程度演化程度高，煤高，煤层层气气组组分分和同位素受解吸和同位素受解吸分分馏馏的影响的影响较较小，小，但以排采气最但以排采气最稳稳定定次生次生热热成成因因甲甲烷烷碳碳氢氢同位素同位素进进一步一步变轻变轻干燥系数干燥系数进进一步增大，但二一步增大，但二氧化碳含量增高氧化碳含量增高0.5解吸、解吸、扩扩散和溶解散和溶解分分馏馏造成造成组组分与同分与同位素位素组组成成变变化化为为煤煤层层气富集区气富集区混合混合成因成因混合气混合气13C1:-61.

17、3-50.7D1:-242.5-219.413C2:-26.7-15.913CC2-C1:30.757.4C1/C1-n:0.9931.0C1/C2:188.62993.7CO20.5混合气的同位素和混合气的同位素和组组分分变变化受所含化受所含热热成因气和次生生物成因气和次生生物气的比例以及煤岩气的比例以及煤岩热热演化程度的影响演化程度的影响热热降解气、降解气、热热裂裂气与次生生物成气与次生生物成因气的混合因气的混合无机无机成因成因无机气无机气17一、生物成因气一、生物成因气1、原生生物成因气 生物成因煤层气是指在微生物作用下，有机质（泥炭、煤等）部分转化为煤层气的过程。生物成因煤层气是指在微

18、生物作用下，有机质（泥炭、煤等）部分转化为煤层气的过程。按形成阶段可划分为按形成阶段可划分为原始生物成因气和次生生物成因气原始生物成因气和次生生物成因气 1）形成阶段：形成阶段：早期生物成因气形成于泥炭早期生物成因气形成于泥炭褐煤阶段（褐煤阶段（RO0.5%），即泥炭化作用和），即泥炭化作用和 和成岩作用阶段。和成岩作用阶段。2）依其所利用的）依其所利用的C源，生物气的形成途径可分为两种源，生物气的形成途径可分为两种：CO2还原生成还原生成CH4；醋酸、醋酸、甲醇和甲胺等发酵转化成甲醇和甲胺等发酵转化成CH4。3）形成过程：）形成过程：生物气的形成过程包括一系列复杂的生物化学作用，这个过程的实

19、质是生物气的形成过程包括一系列复杂的生物化学作用，这个过程的实质是通过微生物的作用，使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵变为可溶有机质，可溶有机通过微生物的作用，使复杂的不溶有机质在酶的作用下发酵变为可溶有机质，可溶有机质在产酸菌和产氢菌的作用下，变为挥发性有机酸、质在产酸菌和产氢菌的作用下，变为挥发性有机酸、2和和CO2；2和和CO2在甲烷菌作用在甲烷菌作用下最后生成下最后生成CH4。因此生物成因气实质上是微生物成因气，亦称细菌气。因此生物成因气实质上是微生物成因气，亦称细菌气。18需氧性细菌通过纤维素酶和催化作用可把纤维素水解为单糖类需氧性细菌通过纤维素酶和催化作用可把纤维素水解为单糖类 当

20、转变为还原环境时，单糖在还原菌参与下发酵可生成脂肪酸（丁酸和乙酸）当转变为还原环境时，单糖在还原菌参与下发酵可生成脂肪酸（丁酸和乙酸）甲烷菌通过辅酶甲烷菌通过辅酶M M（HSCHHSCH2 2CHCH2 2SOSO3 3，简写为，简写为HS-COMHS-COM）活化）活化COCO2 2和和H H2 2（COCO2 2亦可亦可来自脱羟作用），并使之形成甲基，最后还原为来自脱羟作用），并使之形成甲基，最后还原为CHCH4 4。OH泥炭沼泽表层为氧化条件，当被上覆更多的植物碎屑沉积物不断埋深后，就转化为还原环境。泥炭沼泽表层为氧化条件，当被上覆更多的植物碎屑沉积物不断埋深后，就转化为还原环境。虽然生

21、物气主要形成于还原层，但表层有机质的分解产物可为厌氧环境下的分解提供物质基础。虽然生物气主要形成于还原层，但表层有机质的分解产物可为厌氧环境下的分解提供物质基础。19 4）生物气的形成应满足两个条件生物气的形成应满足两个条件：要有要有丰富的有机质丰富的有机质提提供产气的物质基础；供产气的物质基础；具备具备有利于甲烷菌繁殖的环境条件有利于甲烷菌繁殖的环境条件。研究表明：在厌氧环境、低研究表明：在厌氧环境、低SO42-、低温（通常在、低温（通常在50以下）以下）、高、高pH值、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气值、适宜的孔隙空间和快速沉积等条件下，生物气会大量形成。会大量形成。在厌氧环境中在

22、厌氧环境中COCO2 2、乙酸主要来自于、乙酸主要来自于富氧的碳水化合物富氧的碳水化合物，少部分来，少部分来自于蛋白质，在高等植物中主要是自于蛋白质，在高等植物中主要是纤维素、半纤维素、糖类、淀粉和纤维素、半纤维素、糖类、淀粉和果胶果胶等有机化合物。等有机化合物。202.次生生物成因气1 1）阶段）阶段：煤层后期抬升阶段：煤层后期抬升阶段 原生与次生生物成因气的阶段划分取决于原生与次生生物成因气的阶段划分取决于有没有抬升有没有抬升。在煤层形成并被。在煤层形成并被埋藏后，埋藏后，如果没有进入成熟阶段（如果没有进入成熟阶段（RO0.5%），同时又没有发生抬升，次生），同时又没有发生抬升，次生形成的

23、生物气为原生生物成因气形成的生物气为原生生物成因气；如果发生抬升，不管煤阶如何，再生成的；如果发生抬升，不管煤阶如何，再生成的生物气即为次生生物成因气。生物气即为次生生物成因气。2 2）形成条件）形成条件：a a、通过补给区由大气降水由煤层气露头带入煤、通过补给区由大气降水由煤层气露头带入煤 层的微生物层的微生物 b b、c c、有机质的供给、有机质的供给 。低分子有机质的来源是煤，。低分子有机质的来源是煤，大分子的煤要通过腐生菌作用才能降解为可供甲大分子的煤要通过腐生菌作用才能降解为可供甲烷菌作用的低分子有机质。烷菌作用的低分子有机质。21 次生生物气的形成对煤层气的勘探和生产具有重要次生生

24、物气的形成对煤层气的勘探和生产具有重要意义。在美国的圣胡安盆地煤层气勘探开发中，首次意义。在美国的圣胡安盆地煤层气勘探开发中，首次揭示出次生生物成因气的存在，粉河盆地低煤阶煤层揭示出次生生物成因气的存在，粉河盆地低煤阶煤层气的商业化开发充分说明次生生物气的重要性。气的商业化开发充分说明次生生物气的重要性。22二、热成因气二、热成因气1.原生热成因气 煤在温度、压力作用下发生一系列物理、化学变化的同时，也生成大量的气态和液态物质。由于煤隶属III型干酪根，属于倾气性有机质，演化过程中形成的烃类以甲烷为主。指由指由煤生成并就地储存煤生成并就地储存的热成因气，保持了煤层气的热成因气，保持了煤层气原始

25、原始的组分和同位素组成的组分和同位素组成。从烃源岩的角度，可将煤级演化阶段分为从烃源岩的角度，可将煤级演化阶段分为未成熟阶段未成熟阶段（泥炭（泥炭褐煤褐煤RO0.5%），以），以生物气生物气形成为主；形成为主；成熟阶段成熟阶段（长焰煤（长焰煤瘦煤，瘦煤，0.5%RO2.0%），以），以热裂解气热裂解气形成为主。形成为主。23热裂解24(1)热降解气（0.5%RO2.0%）这一阶段发生的化学反应，主要是这一阶段发生的化学反应，主要是官能团和侧链的裂解及其产生的大分子烃官能团和侧链的裂解及其产生的大分子烃类（油、湿气）的裂解与聚合类（油、湿气）的裂解与聚合，据反应进行程度可分早、中、晚三期。，据反

26、应进行程度可分早、中、晚三期。早期早期(0.6%RO0.8%)：以含氧官能团的断裂为主以含氧官能团的断裂为主，产生，产生CO2，芳烃结构上烷，芳烃结构上烷烃支链部分断裂形成少量烃支链部分断裂形成少量CH4和和C2H6以上的重烃。以上的重烃。H/C变化不大，变化不大，O/C由由1.23急降至急降至0.12。中期（中期（0.8%RO1.3%）：有机质的演化：有机质的演化主要通过树脂、孢子、角质等稳定组主要通过树脂、孢子、角质等稳定组分的降解初期所形成沥青的转化，以及芳核结构上烷烃支链的断裂分的降解初期所形成沥青的转化，以及芳核结构上烷烃支链的断裂，形成富含重烃的，形成富含重烃的气体，该阶段相当于生

27、油岩高峰生油期。该阶段气体，该阶段相当于生油岩高峰生油期。该阶段H/C从从1.76降至降至0.89，O/C从从0.12降降至至0.05，CH4生成量高于生成量高于CO2，其中，其中 RO=0.8 1.0%为热成因为热成因CH4大量形成的阶段。大量形成的阶段。晚期（晚期（1.3%RO2.0%）由于有机质芳香结构上的大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，由于有机质芳香结构上的大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，沥青质、液态残余烃等较大分子烃类裂解沥青质、液态残余烃等较大分子烃类裂解、化学反应由以化学反应由以降解为主降解为主转为裂解和芳香核之间的缩合为主转为裂解和芳香核之间的缩合为主，并由此产生大量，并由此产

28、生大量CHCH4 4气体。在气体。在此阶段，有机质芳香度从此阶段，有机质芳香度从0.850.85增至增至0.970.97，C C原子几乎全部集中在芳原子几乎全部集中在芳香结构上。香结构上。原生热成因气的生成已为大量的热模拟实验所证实原生热成因气的生成已为大量的热模拟实验所证实262.次生热成因气 是指热成因气形成后是指热成因气形成后经过运移经过运移，再在，再在异地聚集异地聚集下来，运移造成了煤层气下来，运移造成了煤层气气体组分和气体组分和同位素的分馏同位素的分馏 San Juan盆地北部高渗高压区，Fruitland 煤层气的二氧化碳含量最高27沁水盆地东南部沁水盆地东南部15#煤层煤层CO2

29、含含量等值线与量等值线与CH4碳同位素值等值碳同位素值等值线图线图 南部煤层气藏地南部煤层气藏地下水滞留区（次下水滞留区（次生热成因气聚集生热成因气聚集区）煤层气中二区）煤层气中二氧化碳的含量高氧化碳的含量高于浅部。于浅部。28三、混合成因气三、混合成因气 混合气存在两种形式：（混合气存在两种形式：（1 1）原地混合，即）原地混合，即原地形成的热成因气和原原地形成的热成因气和原地形成的次生生物气相混合地形成的次生生物气相混合，不发生运移，一般出现在浅部。（，不发生运移，一般出现在浅部。（2 2）异地）异地混合气，混合气，热成因气和次生生物气发生了运移，在地下水滞留区聚集、混热成因气和次生生物气

30、发生了运移，在地下水滞留区聚集、混合合，如圣胡安盆地北部和沁水盆地东南部。，如圣胡安盆地北部和沁水盆地东南部。四、无机成因气四、无机成因气 地球原始大气中含有的大量甲烷，是无机成因烃类的主要来源。当地球地球原始大气中含有的大量甲烷，是无机成因烃类的主要来源。当地球开始凝聚时，原始大气中的甲烷作为开始凝聚时，原始大气中的甲烷作为“化石化石”被被“吸收吸收”保留在上地幔和地保留在上地幔和地壳深部，再通过断裂、火山活动或地壳运动等地球脱气作用释放出来。壳深部，再通过断裂、火山活动或地壳运动等地球脱气作用释放出来。另一种无机成因气与二氧化碳的形成有关。当火山活动强烈时，大量的另一种无机成因气与二氧化碳

31、的形成有关。当火山活动强烈时，大量的岩浆侵入含煤岩系，岩浆的高温使碳酸盐类分解，生成大量的二氧化碳，并岩浆侵入含煤岩系，岩浆的高温使碳酸盐类分解，生成大量的二氧化碳，并储层在煤中储层在煤中。29第三节 煤层气的成因判别一、有机成因气的判别一、有机成因气的判别30成因成因类类型型示踪指示踪指标标Ro()特征特征备备注注同位素同位素组组成成13C1(PDB),DCHa(SMOW)组组分比分比值值有有机机成成因因生生物物成成因因原生生物成因原生生物成因气气13C10.950.5干气，炭同位素干气，炭同位素组组成偏成偏轻轻；生成早，一般生成早，一般在后期的煤在后期的煤层层中很中很难难保存下保存下来来次

32、生生物成因次生生物成因气气13C10.95CO2含量极低含量极低0.3-1.5+煤岩中有与微生煤岩中有与微生物活物活动动有关的生有关的生物物标记标记化合物及化合物及降解特征降解特征煤煤层层受后期抬受后期抬升，埋深升，埋深较较浅浅热热成成因因原生原生热热成因成因热热降降解气解气13C1:-46.2-35.1D1:-247.3-225.9C1/C1-n:0.840.94CDMI:090.550.52.0湿气：甲湿气：甲烷烷13C值值和和D1值值具正具正相关关系相关关系热热降解气降解气组组分分以煤芯解吸气以煤芯解吸气为为代表，同位代表，同位素素组组成成则则以排以排采气采气为为代表代表热热裂裂解气解气

33、13C1:-37.5-29.6D1:-200C1/C1+20.99C1/C23385CDMI0.1322.5特干气；甲特干气；甲烷烷的的碳、碳、氢氢同位素同位素组组成偏重成偏重由于由于热热演化程演化程度高，煤度高，煤层层气气组组分和同位素分和同位素受解吸分受解吸分馏馏的的影响影响较较小，但小，但以排采气最以排采气最稳稳定定次生次生热热成因成因甲甲烷烷碳碳氢氢同位素同位素进进一步一步变轻变轻干燥系数干燥系数进进一步增大，一步增大，但二氧化碳含量增高但二氧化碳含量增高0.5解吸、解吸、扩扩散和溶散和溶解分解分馏馏造成造成组组分分与同位素与同位素组组成成变变化化为为煤煤层层气富集气富集区区混混合合成

34、成因因混合气混合气13C1:-61.3-50.7D1:-242.5-219.413C2:-26.7-15.913CC2-C1:30.757.4C1/C1-n:0.9931.0C1/C2:188.62993.7CO20.5混合气的同位素混合气的同位素和和组组分分变变化受所化受所含含热热成因气和次成因气和次生生物气的比例生生物气的比例以及煤岩以及煤岩热热演化演化程度的影响程度的影响热热降解气、降解气、热热裂气与次生生裂气与次生生物成因气的混物成因气的混合合31二、无机成因气的判别二、无机成因气的判别无机成因气的判断主要依据无机成因气的判断主要依据有烃类气体的成分有烃类气体的成分、烷烃碳同位素系列、

35、与烃类烷烃碳同位素系列、与烃类气体伴生的非烃类气体、稀有气体的含量与同位素，以及地质背景综合分析气体伴生的非烃类气体、稀有气体的含量与同位素，以及地质背景综合分析。（1 1）无机成因气一般以甲烷占优势，）无机成因气一般以甲烷占优势，C C2 2+含量较少（一般小于含量较少（一般小于1%1%），常见少量的微），常见少量的微量烯烃（乙烯或丙烯），并含有较高的氢、氮、二氧化碳、一氧化碳及氦气等。量烯烃（乙烯或丙烯），并含有较高的氢、氮、二氧化碳、一氧化碳及氦气等。稀稀有气体（氦、氩、氪、氙、氡）均是无机成因，无须鉴别有气体（氦、氩、氪、氙、氡）均是无机成因，无须鉴别 。（2 2）甲烷的碳同位素资料甲

36、烷的碳同位素资料是辨别无机成因天然气最直接的依据。无机成因和有机是辨别无机成因天然气最直接的依据。无机成因和有机成因甲烷的成因甲烷的1313C C临界值定为大于临界值定为大于-30 -30 。（3 3）无机成因烷烃气具有负碳同位素系列无机成因烷烃气具有负碳同位素系列（1313C C1 11313C C2 21313C C3 3），而有机成，而有机成因烷烃气具有正碳同位素系列（因烷烃气具有正碳同位素系列（1313C C1 1 1313C C2 2 1313C C3 3）。（4 4）氦同位素氦同位素N N（3 3HeHe）/N/N（4 4HeHe）能反映天然气的来源，即能反映天然气的来源，即NN（

37、3 3HeHe）/N/N（4 4HeHe）天然气天然气/N/N（3 3HeHe）/N/N（4 4HeHe）大气，简写为大气，简写为R/RaR/Ra来辨别幔源气。来辨别幔源气。（5 5）二氧化碳碳同位素二氧化碳碳同位素是鉴别无机成因二氧化碳和有机成因二氧化碳的一种有效是鉴别无机成因二氧化碳和有机成因二氧化碳的一种有效方法。指出无机成因方法。指出无机成因1313C CCO2CO2值大于值大于-8-8，主要在，主要在-8-8至至+3+3区间区间.（6 6）通过）通过地质背景的综合分析地质背景的综合分析。32实例实例1 新疆沙尔湖地区的原生生物成因煤层气新疆沙尔湖地区的原生生物成因煤层气沙沙儿儿湖湖构

38、构造造简简介介：沙沙沙沙尔尔尔尔湖湖湖湖位位位位于于于于吐吐吐吐哈哈哈哈盆盆盆盆地地地地南南南南斜斜斜斜坡坡坡坡中中中中段段段段，其其其其原原原原型型型型沉沉沉沉积积积积构构构构造造造造可可可可能能能能为为为为一一一一小小小小型型型型次次次次一一一一级级级级凹凹凹凹陷陷陷陷或或或或断断断断陷陷陷陷构构构构造造造造，沉沉沉沉积积积积了了了了一一一一套套套套中中中中侏侏侏侏罗罗罗罗统统统统煤煤煤煤系系系系；后后后后期期期期构构构构造造造造变变变变形形形形整整整整体体体体为为为为一一一一近近近近东东东东西西西西向向向向展展展展布布布布的的的的不不不不对对对对称称称称向向向向斜斜斜斜，区区区区块块块块

39、内内内内发发发发育育育育近近近近东东东东西西西西和和和和南南南南北北北北向向向向两两两两组组组组断断断断裂裂裂裂。侏侏侏侏罗罗罗罗系系系系西西西西山山山山窑窑窑窑组组组组（J J J J2x2x2x2x）是是是是煤煤煤煤层层层层气气气气主主主主要要要要勘勘勘勘探探探探的的的的目目目目的的的的层层层层，煤煤煤煤层层层层主主主主要要要要分分分分布布布布于于于于西西西西山山山山窑窑窑窑组组组组下下下下段段段段(J(J(J(J2x12x12x12x1)。本本本本区区区区煤煤煤煤岩岩岩岩热热热热演演演演化化化化程程程程度度度度相相相相当当当当低低低低，均均均均为为为为褐褐褐褐煤煤煤煤，所所所所产产产产煤

40、煤煤煤层层层层气气气气样样样样品品品品的的的的煤煤煤煤岩岩岩岩RoRoRoRo值值值值为为为为0.40%0.47%0.40%0.47%0.40%0.47%0.40%0.47%。煤煤煤煤岩岩岩岩类类类类型型型型以以以以半半半半亮亮亮亮煤煤煤煤和半暗煤为主，有少量暗淡煤。和半暗煤为主，有少量暗淡煤。和半暗煤为主，有少量暗淡煤。和半暗煤为主，有少量暗淡煤。33沙尔湖地区西山窑组上含煤沙尔湖地区西山窑组上含煤沙尔湖地区西山窑组上含煤沙尔湖地区西山窑组上含煤段柱状图段柱状图段柱状图段柱状图（ZK1ZK1ZK1ZK1孔资料，据新疆地质矿孔资料，据新疆地质矿孔资料，据新疆地质矿孔资料，据新疆地质矿产局第一地

41、质大队，产局第一地质大队，产局第一地质大队，产局第一地质大队，1992199219921992）34沙尔湖地区煤层气的地球化学组成特征沙尔湖地区煤层气的地球化学组成特征 SS3SS3井井5 5个煤芯解吸气样的组分含量个煤芯解吸气样的组分含量 组分含量：组分含量：CH4：53.9364.76%；C2H6：0.10.14%；C3H8：0.080.13%；N2：32.4343.82%；CO2：1.232.15%；还含有微量的；还含有微量的Ar。C1/C1-n：0.9960.997,C1/C2：436.2577.6,表现为特干煤层气。表现为特干煤层气。7 7个煤层气样品的碳同位素组成个煤层气样品的碳同

42、位素组成 1313C C1 1 值值的的分分布布范范围围：62.762.761.561.5，几几乎乎没没有有变变化化；沙沙尔尔湖湖煤煤层层气的甲烷碳同位素组成都具有微生物成因甲烷的特征。气的甲烷碳同位素组成都具有微生物成因甲烷的特征。DCH4CH4值的分布范围为值的分布范围为225220,对于氢同位素而言，可以说是相当对于氢同位素而言，可以说是相当稳定的。稳定的。352 海拉尔护林牧原区气样的地球化学组成特征海拉尔护林牧原区气样的地球化学组成特征 内蒙古东北部的海拉尔盆地一带，是我国最主要的褐煤内蒙古东北部的海拉尔盆地一带，是我国最主要的褐煤分布区。在海拉尔盆地牙克石市以东的护林牧原区新钻分布

43、区。在海拉尔盆地牙克石市以东的护林牧原区新钻井（）采集了井（）采集了3 3个气样。个气样。组分含量组分含量：CH4：89.0889.27%；C2H6：均为：均为0.15%；C3H8：00.01%；N2：9.9610.07%；CO2：0.210.32%；Ar：0.180.19%，含有微量的含有微量的He。C1/C1-n均为均为0.998,C1/C2为为593.9595.1,也为特干气。也为特干气。13C1 值的分布范围值的分布范围：73.2 72.6，基本相同且很轻。，基本相同且很轻。DCH4值的分布范围值的分布范围：284 280,变化极小，既明显低于变化极小，既明显低于沙尔湖煤层甲烷的沙尔湖

44、煤层甲烷的DCH4值（值（225 224）363 沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与形沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与形成途经的综合分析成途经的综合分析 沙尔湖地区煤层气的主要地球化学特征或指标：沙尔湖地区煤层气的主要地球化学特征或指标：C1/C1-n为为 0.996 0.997，C20.15%，C1/C2为为 436.2577.6,表表现现为为特特干干煤煤层层气气；13C1 值值（62.762.1）界界限限值值（55）；DCH4值值（225224）；气气源源煤煤岩岩（褐褐煤煤）的的Ro值值为为0.400.47%，说说明明其其目目前前还还处处于于早早期期的的微微生生物物生生气气阶阶段段。综综

45、合合分分析析可可认认为为，沙沙尔尔湖湖地地区区煤煤层层气气应应为为原原生生物成因煤层气。生生物成因煤层气。该该区区煤煤层层气气N2含含量量很很高高，达达32.4343.82%，是是其其另另一一个特点，需要进一步研究。个特点，需要进一步研究。373 沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与形成途经的综合分析形成途经的综合分析 海拉尔盆地护林牧原区气样的主要地球化学指标海拉尔盆地护林牧原区气样的主要地球化学指标特征为：特征为：C1/C1-n为0.998,C20.15%，C1/C2为593.9595.1,其组分构成更干；13C1 值（73.272.6）和DCH4值（284

46、280）均明显更低，微生物成因气的特征更为明显。而该区较大范围内的主要煤岩（褐煤）的Ro值约为0.2040.38，多数可能低于0.3，演化程度明显更低。38沙尔湖和沙尔湖和护林牧原区护林牧原区生物气的生成途经判识图生物气的生成途经判识图（Whiticar等，等，1999）39沙尔湖等沙尔湖等沙尔湖等沙尔湖等原生生物气原生生物气原生生物气原生生物气与李雅庄与李雅庄与李雅庄与李雅庄次生生物气次生生物气次生生物气次生生物气和靖远和靖远和靖远和靖远热降解热降解热降解热降解煤层气对比分类图煤层气对比分类图煤层气对比分类图煤层气对比分类图李雅庄次生生物气；靖远热降解煤层气；沙尔湖CO2还原原生生物气；护林

47、牧原区乙酸发酵和CO2还原混合原生生物气40 生生物物气气具具有有不不同同的的生生成成途途经经，主主要要有有细细菌菌作作用用下下的的CO2还还原原和和乙乙酸酸以以及及由由甲甲基基类类（如如甲甲醇醇、甲甲基基胺胺、甲甲基基硫硫等等）等等物物质质发发酵酵所所生生成成。不不同同途途经经生生成成的的微微生生物物成成因因甲甲烷烷的的同同位素组成有一定的差别。位素组成有一定的差别。利利用用Whiticar等等（1999）的的碳碳氢氢同同位位素素分分类类图图，沙沙尔尔湖湖煤煤层层气气样样品品全全部部落落入入CO2还还原原区区，而而护护林林牧牧原原区区样样品品则则落落入入乙乙酸酸发发酵酵和和CO2还还原原之之

48、间间的的过过渡渡区区，显显示示这这2个个地地区区原生生物成因煤层气的具体形成途经有所不同。原生生物成因煤层气的具体形成途经有所不同。3 沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与形沙尔湖和护林牧原区煤层气成因类型与形成途经的综合分析成途经的综合分析414 原生生物成因煤层气的资源意义与潜力讨原生生物成因煤层气的资源意义与潜力讨论论 沙沙尔尔湖湖地地区区煤煤层层埋埋深深主主要要受受构构造造控控制制，煤煤层层埋埋深深虽虽有有变变化化，但但总总体体较较浅浅，主主体体部部位位煤煤层层埋埋深深500m1100m，多多在在800m以浅；以浅；沙沙尔尔湖湖煤煤区区的的主主要要煤煤层层为为西西山山窑窑组组下下段段的的

49、巨巨厚厚煤煤体体，已已钻钻单单层层厚厚度度60154.2m，总总厚厚度度在在在在180m以以上上（见见下下图图）。低低煤煤阶阶煤煤层层的的原原生生孔孔隙隙保保存存较较好好，煤煤层层渗渗透透性性好好，有利于开发。有利于开发。42沙尔湖地区西山窑组厚度与含煤性分布图沙尔湖地区西山窑组厚度与含煤性分布图沙尔湖地区西山窑组厚度与含煤性分布图沙尔湖地区西山窑组厚度与含煤性分布图（据新疆地质矿产局第一地质大队（据新疆地质矿产局第一地质大队（据新疆地质矿产局第一地质大队（据新疆地质矿产局第一地质大队,1992,1992,1992,1992）西西西西山山山山窑窑窑窑组组组组下下下下段段段段主主主主煤煤煤煤体体

50、体体的的的的顶顶顶顶板板板板岩岩岩岩性性性性主主主主要要要要为为为为炭炭炭炭质质质质泥泥泥泥岩岩岩岩，底底底底板板板板岩岩岩岩性性性性主主主主要要要要为为为为泥泥泥泥岩岩岩岩，构构构构成成成成了了了了很很很很好好好好的的的的封封封封闭闭闭闭盖盖盖盖层层层层。因因因因此此此此，西西西西山山山山窑窑窑窑组组组组下下下下段段段段煤煤煤煤层层层层气气气气的的的的封封封封闭闭闭闭保保保保存存存存条条条条件件件件较较较较好好好好，具具具具有有有有形形形形成成成成煤煤煤煤层气藏的基本条件。层气藏的基本条件。层气藏的基本条件。层气藏的基本条件。43 煤煤层层含含气气性性：据据测测试试，原原煤煤含含气气量量为为