黄陵矿区煤层底板异常涌出气体成因类型

黄陵矿区属于煤油气共生矿区,区内多个工作面发生底板气异常涌出。为探明底板异常涌出气体的成因类型,采集煤层底板气样44个、2号煤层气样12个,进行甲烷碳同位素(δ13C₁)、乙烷碳同位素(δ13C₂)及甲烷氢同位素(δD_CH4)等地球化学参数测试。测试分析结果表明,煤层底板异常涌出气不是来源于2号煤层,其甲烷碳同位素(δ13C₁)测值为-52.20‰~-42.80‰,乙烷碳同位素(δ13C₂)值为-37.20‰~-29.01‰,成因类型属油型气。通过对区域烃源岩分布及地层裂隙系统的分析,认为黄陵矿区底板异常涌出气可能来源于三叠系延长组烃源岩。      

沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井煤层气地球化学特征及成因

为了研究废弃矿井中煤层气成因,以沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井为例,抽采废弃矿井中煤层气并进行化学组分和同位素测试,并采集部分废弃矿井水样品测试水中离子浓度、pH值等进行研究。结果表明:潘庄区块废弃矿井中煤层气CH₄体积分数平均值为91.99%,CO₂为1.26%,N₂为6.73%;甲烷碳同位素（δ13C₁）值为-31.36‰~-33.53‰,平均-32.25‰,氢同位素（δD）值为-182.76‰~-193.20‰,平均-187.538‰。废弃矿井排采水中阴阳离子主要为Mg2+、K+、HCO₃-、Cl-、Na+、SO₄2-和NO₃-等,产出水型为Mg-（HCO₃）₂型,表明矿井水受到地表水的强烈影响。废弃矿井中煤层气主要以热成因气为主,少量次生生物气。与附近未开采煤储层相比,研究区废弃矿井中的环境更有利于次生生物气的生成。      

淮北煤田祁东煤矿煤和瓦斯中稳定碳同位素分布特征及其地质成因

对淮北煤田祁东煤矿6个煤层的24个煤样和12个气样的稳定有机碳同位素分析,分别研究了煤和瓦斯中碳同位素的分布特征和变化趋势,为不同煤层及瓦斯源分析提供理论依据。研究表明:祁东煤矿煤的δ13C为-25.11‰~-22.76‰,6-1煤层至9煤层碳同位素均值呈波动变化,可能受当时成煤时期沉积环境的影响;瓦斯的δ13C₁为-63.65‰~-52.51‰,表现出次生生物成因气的变化特征,二氧化碳碳同位素特征（-22.61‰~-17.96‰）表明其均是煤热解而来。      

羌塘北缘开心岭—乌丽冻土区水溶烃组分及甲烷碳、氢同位素特征研究

羌塘北缘开心岭—乌丽冻土区沿隐伏断层发育多处冷泉含水溶解烷烃,采用水溶烃组分和甲烷的稳定碳、氢同位素特征对其成因开展了分析研究。结果表明,开心岭—乌丽冻土区水溶烃组分中甲烷含量比例高达99.83%~99.96%,同时伴随有少量乙烷、丙烷,另含微量的乙烯和丙烯。开心岭一带水溶烃甲烷δ¹³C_PDB值介于-46.5‰~-55.1‰,δD_VSMOW值为-281.0‰~-342.0‰;乌丽一带水溶烃甲烷δ¹³C_PDB值介于-47.8‰~-58.9‰,δD_VSMOW值为-339.0‰~-346.0‰,指示水溶烃甲烷为有机成因,但气源较复杂,利用δ¹³C_CH4-δD_CH4、δ¹³C₁-C₁/(C₂+C₃)等成因图解判别,得出甲烷主要属微生物气,次之为热解成因气,混有少量原油伴生气。推断甲烷主要为有机质在微生物作用下分解的烃类气体或次生生物气,与晚二叠世那益雄组含煤烃源岩有关,气源条件暗示该地区冻土带200~500 m深度内有利于微生物成因气为主的甲烷天然气水合物形成。     

黄陇煤田大佛寺井田煤层气成因机制研究

彬长矿区大佛寺井田为典型的黄陇侏罗纪低阶煤煤层气田。井田内煤层气井较多,但有关煤层气成因机制方面的研究较少。厘清井田内煤层气地球化学特征及成因机制,对深化煤层气的形成机理认识和科学评价煤层气资源量具有重要指导意义,可为煤层气高、低产井产能差异化分析提供重要依据。采集研究区内6口煤层气井井口排采气样品,22块4号煤层煤样及煤层水和地表水样各1件,开展显微煤岩组分、气体化学组分、碳同位素和水样水质检测,并结合部分研究区相关的文献数据,分析大佛寺井田煤层CH₄碳同位素特征、成因类型及偏轻机理。结果表明:大佛寺井田主采的4号煤层显微煤岩组分中,有机组分含量明显趋高,平均为93.2%,其中,惰质组最具优势,平均68.2%;镜质组次之,平均22.8%,镜质体反射率R_max平均0.65%。煤层气组分以CH₄为主,CH₄体积分数为73.805%~98.006%,平均83.753%;N₂体积分数为1.259%~25.735%;平均15.220%;CO₂体积分数为0.040%~2.380%,平均1.023%;C₂及以上重烃含量平均不足0.0054%;C₁/C_1—n>0.999;CH₄和N₂含量呈明显负相关性,煤层气组分在成藏后期受空气影响明显。δ13C₁为?80.516‰~?62.400‰,平均?73.000‰;δ13C_CO2为?41.693‰~?7.065‰,平均?18.660‰。大佛寺井田煤层气为次生生物成因气,其显著标志为δ13C₁偏轻和重烃含量极少,呈现典型特干气特征,偏轻机理在于其绝大部分由CO₂还原而成,少量由乙酸发酵而成,且在这两种途径的生气过程中,最终均会出现生物甲烷富集轻碳同位素的结果,从而导致δ13C₁偏轻。      

一种解释高-过成熟烷烃气碳同位素系列倒转的新观点:芳香烃脱甲基作用

天然气成因机理复杂，鉴于在高-过成熟阶段烷烃气碳同位素系列倒转普遍存在，而高-过成熟阶段有机质中常富含芳环结构，利用芳香烃（甲苯）热裂解实验探讨高-过成熟阶段烷烃气碳同位素系列倒转成因.甲苯热裂解实验表明随着模拟温度的增加，烷烃气产率逐渐增大；模拟产物中H₂产率也随着模拟温度的增加而增加.甲苯裂解产物中δ13C₁、δ13C₂和δ13C₃分布区间分别为-31.8‰~-27.7‰，-31.0‰~-20.4‰和-31.0‰~-20.4‰.在甲苯热模拟实验450℃时，出现了烷烃气碳同位素系列的部分倒转（δ13C₁>δ13C₂ < δ13C₃）.发现无论是煤成气还是油型气，在高-过成熟阶段都会出现烷烃气碳同位素系列的倒转，结合本次模拟实验结果，认为芳香烃脱甲基作用可能是烷烃气高-过成熟阶段出现碳同位素系列倒转的一个重要原因.      

二连盆地巴彦花凹陷煤层气成因类型及生气潜力

二连盆地巴彦花凹陷是内蒙古低阶煤煤层气重点开发试验区,但勘探程度相对较低,对煤层气成因认识不足,在一定程度制约了勘探开发进度。通过对巴彦花凹陷煤层气井气样水样开展气体组分、稳定同位素、水化学及放射性同位素定年等测试,并结合经典天然气成因判识图版厘清气体成因,进一步剖析生气潜力,明确生气关键要素。结果显示：C₁/C_1—5>0.99, CO₂-CH₄系数[CDMI=φ(CO₂)/φ(CO₂+CH₄)×100%]基本小于5%,干燥系数(C₁/C₂₊)介于104～5 540,CH₄含量高、重烃及CO₂含量低。δ¹³C(CH₄)介于-51.80‰～-67.70‰、 δD(CH₄)介于-226.20‰～-291.00‰,δ¹³C(CO₂)介于-2...     

鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化

低煤阶煤层气作为一种非常规天然气资源,具有良好的勘探开发前景。我国低煤阶煤层气资源丰富,进行低煤阶煤层气系统演化分析,对其富集成藏及开发具有重要的理论意义。鄂尔多斯盆地煤层甲烷的碳同位素δ13C₁为–33.1‰~–80.0‰,氢同位素δ_CH4为–235‰~–268‰。该盆地侏罗系煤层气藏主要有次生生物气与热成因气构成的混合型煤层气藏和热成因气藏两种类型。据构造热事件、煤层气组分及成因,结合不同阶段的煤层埋深、变质程度和生气特征等,将鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化划分为4个阶段:煤系浅埋–原生生物气阶段﹑煤系深埋–热成因气阶段﹑煤系抬升–吸附气逃逸散失阶段﹑煤系局部沉降–次生生物气补充阶段。其中,煤系深埋–热成因气阶段和局部沉降–次生生物气阶段是低煤阶煤层气资源的主要形成阶段。次生生物气的补充是鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气成功开发的重要气源。鄂尔多斯盆地侏罗系煤层气藏应属于单斜式富气成藏模式。      

固市凹陷非常规水溶甲烷气成因及来源

针对渭河盆地固市凹陷水溶甲烷气的成因类型进行分析研究。对地层水溶甲烷气碳同位素δ13C₁及重烃的含量研究发现,不同层位的水溶甲烷气成因类型不同。新近系张家坡组水溶甲烷气主要为有机成因的生物气,来源于本层含碳质较高的灰黑色泥灰岩生物分解,为自生自储式;下部蓝田—灞河组水溶甲烷气以未成熟的煤型热解气（煤型腐殖型）为主,来源于下部地层。对CO₂碳同位素的分布范围和含量进行分析得出,δ13C_CO2 < -10‰,为典型的壳源型有机成因,证明蓝田—灞河组水溶甲烷气和CO₂来源于下部地层的混合型气,结合乙烷碳同位素分析,得出下部地层可能存在有机成因的煤型热解气层系。      

保德地区煤层气地球化学特征及成因探讨

为了查明保德地区煤层气地球化学特征及成因,采集煤样、煤层气样及水样,开展气体组分分析、煤层气井产出水水质检测和稳定同位素分析。结果表明:煤层气组成中烃类气体以CH₄为主,体积分数为88.60%~97.59%;含有少量乙烷,体积分数仅为0.01%~0.14%;干燥系数均大于0.99,属于极干煤层气。非烃类组分中,主要含有CO₂和N₂,其中,CO₂体积分数为1.74%~7.61%,N₂体积分数为0.04%~8.18%。煤层气δ13C(CH₄)值为–56.8‰~–47.7‰,δ13C(CO₂)值为–6.6‰~13.9‰,δD(CH₄)值为–252.6‰~–241.6‰。煤层产出水呈弱碱性,属于NaHCO₃类型水,与地表水离子构成、矿化度、δD(H₂O)和δ18O(H₂O)值均相近,有地表水的补给,有利于产CH₄菌大量繁殖,生成次生生物气。综合认为,研究区煤层气为热成因气和生物气的混合气,生物成因气主要是通过二氧化碳还原作用形成,受煤层解吸–扩散–运移作用、水溶作用和次生生物作用导致煤层气“变轻”。研究成果为后续煤层气勘探开发提供指导。      

阳泉矿区寺家庄井田太原组煤层气地球化学特征及成因

为了研究阳泉矿区寺家庄井田煤层气地球化学特征及成因问题,系统开展了石炭-二叠系太原组主力产气煤层（8、9和15煤）煤心样品的现场解吸实验,并收集气样进行组分和碳同位素分析。结果表明:8煤含气量高于9煤,平面上15煤含气量不均匀,部分地区几乎不含气;整个解吸过程中,8煤和9煤气体组分含量及变化规律相近,CH₄含量呈先增加后降低、N₂含量呈先降低后升高的趋势,而15煤CH₄含量呈近线性降低、N₂含量呈线性增加趋势;其中,9_上煤CH₄体积分数为27.82%~76.12%,N₂体积分数为21.49%~72.20%,15煤CH₄体积分数38.15%~89.41%、N₂体积分数为6.55%~61.82%;随着解吸的进行,8煤和9煤中的煤层气碳同位素δ13C₁值总体呈增加的趋势,15煤中的煤层气δ13C₁值总体呈现为3个逐渐增加序列,δ13C（CH₄）与δ13C（CO₂）变化无相关关系。研究区煤层气主要为热成因气,生物作用不明显。另外,关于煤层气组分中CH₄含量低异常和N₂含量高异常的原因有待进一步研究。      

西山区块煤储层含气性及甲烷碳同位素分布特征

煤层含气性是决定煤层气勘探开发的重要参数,煤层气甲烷碳同位素能有效反映煤层气的赋存条件。根据煤层气井实测含气量数据,剖析了山西沁水盆地煤层含气量分布特征,建立了煤层含气量与煤层埋深、地质构造之间的相关关系和模型,探讨了煤层甲烷碳同位素分布特征及其对含气性分布的指示作用。研究表明:西山区块2号煤层平均含气量6.87 m3/t,8号煤层平均含气量8.4 m3/t,9号煤层平均含气量7.6 m3/t,煤层含气量主要受煤层埋深和构造形态的影响。研究区8号煤层甲烷碳同位素为–65.33‰~–40.94‰,平均–45.88‰,煤层含气量与甲烷碳同位素之间成正相关关系,随着含气量的增加,甲烷碳同位素也逐渐变重。煤层甲烷碳同位素主要受控于煤层气解吸–扩散–运移效应和地下水动力作用等。      

CO2/N2二元气体对甲烷在煤中吸附影响的分子模拟研究

二元气驱技术(CO₂/N₂-ECBM)已成为煤层气增产的重要手段,明确CO₂/N₂在煤层中的竞争吸附规律以及对煤层物性的影响具有重大意义。利用分子模拟软件Materials Studio建立延川南煤层气实际区块温度、压力条件下的煤分子模型。基于巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法研究CO₂/N₂交替驱替煤层气技术中各注入阶段对CH₄吸附的影响,明确CO₂、N₂对煤层孔渗物性的影响规律。结果表明:在CO₂注入阶段,煤层中甲烷迅速解吸;煤中气体吸附总量上升,煤基质膨胀效应增强,导致煤的孔隙体积降低。而转N₂注入后,由于N₂分压作用使得CH₄、CO₂吸附量呈现出不同程度的降低;当ω_N2/ω_CO2≤0.6时煤分子中气体总吸附量迅速降低,而当N₂饱和吸附后气体总吸附量保持稳定。煤层孔渗物性随着气体吸附总量呈现出迅速增大后趋于平缓的趋势。此外,ω_N2/ω_CO2>0.6后N₂吸附率迅速降低,这会使得产出气中CH₄纯度较低,导致后期提纯成本大大增加。因此,当ω_N2/ω_CO2=0.6左右时,CH₄解吸量为最大值,煤孔隙率较高,最有利于煤层气的开发。      

不同成因类型煤型气地球化学特征及其判识意义

通过数理统计前人公开发表的国内外21个盆地或地区的324组煤型气地化数据, 分析不同成因类型煤型气地层分布和稳定碳、氢同位素组成及空间分布特征, 提出多个煤型气成因类型判识图版, 并以实例论证这些图版的可行性.研究结果表明: 与煤层相关的生物成因气不同于常规生物气, 最显著区别在于前者δ13C(CH₄)上限值低, 即生物成因气δ13C(CH₄)＜-60‰, 热成因气δ13C(CH₄)＞-40‰, 混合成因气δ13C(CH₄)介于二者之间.随着有机质演化程度增强, 从生物成因气至热成因气, δ13C(CH₄)、δ13C(CO₂-CH₄)、δ13C(C₂H₆-CH₄)及CH₄/(C₂H₆+C₃H₈)具有变重趋势且相关性明显, δ13C(CH₄)与δ13C(CO₂-CH₄)、δ13C(CH₄)与δ13C(C₂H₆-CH₄)及δ13C(CH₄)与CH₄/(C₂H₆+C₃H₈)是划分煤型气成因类型最可靠的图版.      

二氧化碳地质存储与煤层气强化开发有效性研究述评

煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采（CO₂-ECBM）技术融温室气体减排与化石新能源开发为一体,极具发展前景。CO₂-ECBM技术有效性是经济性、长期性和安全性的基础和前提,建立深部煤层CO₂-ECBM有效性理论和生产技术在中国的需求尤为迫切。中国、美国、英国、澳大利亚、日本等国家在该领域开展了大量实验模拟、数值模拟和工程探索研究。研究工作表明:CO₂可注性、CO₂封存机制与存储容量、CH₄增产效果构成了CO₂-ECBM有效性的核心内涵,其中CO₂可注性更为关键;CO₂注入时煤储层发生体积应变效应和地球化学反应效应,其导致的渗透率快速衰减与可注性变差制约着CO₂-ECBM的有效性;CO₂/CH₄竞争吸附与置换是主要的CO₂封存机制,地层条件下CO₂/CH₄竞争吸附与置换封存决定了有效存储容量的主体,对于超临界CO₂,改进的吸附势模型（Modified D-R model）表征计算结果与实验模拟结果的拟合度最好;通过优化注入参数、间歇性注入、先压后注、与N₂交替注入等方式可以提高深部煤层的CO₂可注性,试验井组煤层气生产井可实现最高3.8倍的增产效果;沁水盆地深部无烟煤CO₂-ECBM技术的有效性已得到实验室研究和工程试验的初步证实。中国科学家在持续开展和不断深化CO₂-ECBM技术的研究工作,CO₂-ECBM有效性的关键科学技术问题有望在中国得到破解。