阳泉矿区寺家庄井田太原组煤层气地球化学特征及成因_于振锋.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. State Key Laboratory of Coal and CBM Co-Extraction, Jincheng 048000, China; 3. Yi’an Lanyan Coal and CBM Co-Extraction Technology Co. Ltd, Taiyuan 030006, China Abstract In order to study the geochemical characteristics and the genesis of CBM of Sijiazhuang mine field in Yangquan mining area, the in-site desorption test of coal core samples from the main gas-producing seamsseams 8, 9 and 15 from Permo-Carboniferous Taiyuan ation was carried out systematically, gas samples were collected to conduct component and carbon isotope analysis. The results indicated that the gas content of seam 8 was higher than that of seam 9, on the plan the gas content of seam 15 was uneven, in some parts there was almost no gas. During the whole desorption, the gas component content and the variation regularity of seams 8 and 9 were similar, CH4 content increased firstly and then decreased, N2 content showed the trend of decreasing firstly and then in- creasing, while the CH4 content of seam 15 showed the trend of nearly linear decline and N2 content showed the trend of linear increase. The CH4 volume fraction of seam 9up was 27.8276.12，N2 volume fraction was 21.4972.20. The CH4 volume fraction of seam 15 was 38.1589.41, the N2 volume fraction was 6.5561.82. With the process of desorption, the carbon isotope δ13C1 of seams 8 and 9 showed generally the trend of increase, the overall δ13C1 of seam 15 appeared as three series of gradual increase. There was no correlation in the variation of δ13CCH4 and δ13CCO2。 The CBM in the study area was mainly thermogenetic gas without obvious ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 47 卷 biological action. In addition, for the low CH4 content and high N2 content in the CBM components, further study is needed. Keywords Yangquan mining area; Sijiazhuang mine field; Taiyuan ation; CBM; carbon isotope 众所周知，沁水盆地煤层气开发效果差异性较 大，其中以沁水盆地南部产气量最大，而在其他区 块仍然没有获得较大的突破。因此，有必要针对最 有可能增产的区块进行系统研究，寻找煤层气增产 的关键层位、技术与方法。 阳泉矿区寺家庄井田为典型的高瓦斯突出矿井[1-3]， 该井田煤层气开发也引起国内学者的关注[4-5]。鉴于 目前煤层气需求的压力不断增大，山西蓝焰煤层气 集团有限责任公司抓住阳泉矿区寺家庄井田有气无 法有效开采的现状， 自 2015 年开始和煤与煤层气共 采国家重点实验室合作，针对阳泉矿区寺家庄井田 开展了含煤地层煤层气赋存规律研究。气体地球化 学分析是煤层气成因及其赋存规律研究的重要内 容。前人虽然针对研究区做了部分气体碳同位素的 分析[6-7]，但气体多采集于 15 号煤层的生产井，同 时未能获得完整的煤层气解吸过程中气体组分和同 位素数据。 本次研究针对蓝焰公司于 20162018 年 布置的 5 口太原组取心井，系统开展太原组煤样现 场解吸，并收集气样做组分和同位素分析，为煤层 气的赋存规律研究提供地球化学依据。 1 区域地层 寺家庄井田位于沁水盆地的东北边缘。下石盒 子组地层广泛分布，二叠系石千峰组，三叠系刘家 沟组地层出露于本井田西缘；新生界覆于各个时代 基岩之上。 石炭–二叠系上统太原组， 为研究区主要含煤地 层之一， 以 K1砂岩为基底， 连续沉积于本溪组之上。 全厚 90.30143.80 m，平均约 110 m，主要由砂岩、 泥岩、灰岩和煤层组成，含 7、8、9、11、12、13、 14、15 和 16 号煤层；灰岩 34 层，K2、K3为全区 比较稳定的灰岩，K4灰岩在井田东部普遍发育。本 组地层岩性稳定，全区变化不大，沉积环境差异显 著，自下而上由浅海相演化为海陆交互相。 2 主要煤层煤质特征 寺家庄井田太原组主要煤层为 8 号、9 号和 15 号表 1。 ① 8 号煤层 本煤层含 81和 84两个煤分层。81 煤位于 K7砂岩下 7 m 左右，煤层厚度为 02.37 m，平 均 0.88 m。 84煤位于 81煤下 9.40 m 左右， 中东部可采， 煤层厚度为 02.10 m，平均 0.92 m。2 个分层均属局部 可采的不稳定煤层，属中灰、中高硫、低磷煤。 表 1 8 煤、9 煤和 15 煤工业分析及主要元素值 Table 1 Proximate analysis and major element value of seams 8, 9 and 15 煤层号Mad/ Ad/ Vdaf/ St,d/ Pd/ 8 0.653.096.2829.72 6.3818.20 0.537.860.010 9 0.493.5810.0133.40 5.1620.76 0.356.590.003 15 0.344.592.7936.18 6.3916.44 0.433.600.032 ② 9 号煤层 本煤层含 9上和 9下两个煤分层。 9上煤位于 K4灰岩之上 10 m 左右，距 84煤层 2.5020.80 m，平均 5.57 m。9下煤层位于 K4灰岩之 上 4 m 左右， 距 9上号煤层 1.509.20 m， 平均 4.83 m， 两分层均属大部可采的较稳定煤层。属中灰、中高 硫、特低磷煤。 ③ 15 号煤层 该煤层位于 K2灰岩下 18 m 左 右。煤层厚 2.797.40 m，平均 5.15 m。该煤层属于 全区可采的稳定煤层。属中灰、中硫、低磷煤。 3 煤层气样品采集与测试 3.1 样品采集及测试方法 煤层气样来自于煤心解吸气，气体采集原理为 排饱和盐水取气法。瓶口处留一定量饱和盐水，用 以封堵收集的气体，防止气体逸散和外界发生化学 交换。 为保证实验数据的准确性和可靠性，所有气体 组分和气体碳同位素测试均制平行样在不同测试单 位完成。 其中， 气体组分分别在中国石油大学北京 石油地质实验室、山西省地质矿产研究院和煤与煤 层气共采国家重点实验室测试，所用设备分别为美 国 Agilent 6890N、PE-XL 和 Agilent 7890N。气体碳 同位素分别在中国石油大学北京石油地质实验室 和山西省地质矿产研究院测试，所用设备分别为美 国 Thermo 公司产品 MAT253 和 delta v advantage， 连接在碳同位素质谱仪上的色谱仪均为 Trace GC。 3.2 煤层气含量 为了对研究区太原组煤层气含量、煤层气组分 特征和碳同位素特征作详细研究，在研究区不同位 置布置了 5 口取心井，YQ-X-01 井、YQ-X-02 井和 YQ-X-04 井位于研究区北部，YQ-X-03 井和 YQ-X- 05 井位于研究区南部。现场解吸实验依据 GB/T 195592008煤层气含量测定方法 [8]完成。煤样 解吸气量测定结果如表 2 所示。 由表 2 可知研究区北部 3 层煤含气量明显高 于南部，南部各煤层含气量均较低，这与产气井的 ChaoXing 第 3 期 于振锋等 阳泉矿区寺家庄井田太原组煤层气地球化学特征及成因 93 实际产量相一致。整体上 8 煤含气量高于 9 煤，其 中 84煤大于 81煤，9上煤大于 9下煤。15 煤各井之间 差异较大， 反映了研究区 15 煤含气量的极度不均匀， 部分地区几乎不含气。研究区北部 81煤和 84煤可以 作为开发潜力层位，尤其是 84煤；15 煤仅在局部地 区可以作为开发层位；9 煤开发潜力相对较低。 表 2 8、9 和 15 煤含气量解吸测试结果 Table 2 Results of desorption test of gas content of seams 8, 9 and 15 单位mL/g 井号 81 84 9上 9下 15 YQ-X-01 9.37 19.39 8.22 5.18 0.03 YQ-X-02 11.32 12.29 3.66 0.56 13.44 YQ-X-04 13.48 14.11 11.22 8.69 18.90 YQ-X-03 2.23 2.54 2.46 2.18 4.55 YQ-X-05 5.48 5.93 4.17 3.46 7.94 3.3 煤层气组分 为了获得详细的煤层气组分和碳同位素特征， 气体采集规则为每解吸 1 L 气体，取一瓶气样，直 至解吸完成。因 8 煤和 9 煤气体组分及变化规律相 近，且与 15 煤截然不同，因此，本文选取 YQ-X-02 井 9上煤和 15 煤进行气体组分和碳同位素特征对比 分析表 3，编号规则为煤层号加取样次，如 9上-2 表示 9上煤所取第 2 回样。 氮气含量高可能是因为研 究区裂隙发育，煤层与地层氧化带沟通所致。 表 3 YQ-X-02 井 9上煤和 15 煤部分气体组分 Table 3 Gas components of seam 9up and seam 15 in well YQ-X-02 气体组分体积分数/ 编号 CH4 N2 重烃 C2C8 CO2 9上-2 54.69 44.84 0.02 0.45 9上-5 69.11 30.41 0.07 0.40 9上-8 76.12 21.49 0.72 1.67 9上-11 67.08 29.39 0.86 2.67 9上-14 45.92 51.31 0.01 1.09 9上-17 27.82 72.20 0.01 0.03 15-2 89.41 6.55 0.62 3.42 15-6 69.69 27.45 0.22 2.63 15-10 64.11 35.79 0.03 0.07 15-14 58.93 40.37 0.09 0.61 15-18 50.42 49.31 0.04 0.23 15-22 38.15 61.82 0.01 0.02 ① 9上煤 煤层的解吸数据显示 9上煤层完整解 吸过程中，CH4、重烃和 CO2含量先增加而后逐渐 降低，N2含量先降低而后逐渐增加图 1。CH4和 N2呈很好的负相关，可归为一类；重烃与 CO2变化 趋势相似，可归为一类。CH4、重烃和 CO2含量虽 然均为先增加而后逐渐降低，但并不同步。重烃和 CO2含量达到最高值时，CH4含量已经开始下降， 也就是说重烃和 CO2达到最高阶段的时期要晚于 CH4含量达到最高阶段的时期。 ② 15 煤 15 煤完整解吸过程中，CH4含量逐 渐降低，N2含量逐渐增加，重烃和 CO2含量整体呈 降低趋势，间或有增大的情况图 2。CH4与 N2呈 很好的负相关，重烃与 CO2变化趋势相似。CH4、 重烃与 CO2最大值均出现在解吸开始阶段。 图 1 YQ-X-02 井太原组 9上煤煤层气组分体积分数 Fig.1 CBM component volume fraction of seam 9up of Taiyuan ation in well YQ-X-02 图 2 YQ-X-02 井 15 煤煤层气组分体积分数 Fig.2 CBM component volume fraction of seam 15 in well YQ-X-02 单组分和众多二元混合气体吸附/解吸实验证 明煤对 N2、CH4和 CO2的吸附性能为 CO2CH4 N2[9-16]。按照这个规律，在整个解吸过程中这 3 种 组分含量变化应为N2含量逐渐降低，CH4含量先 增大后降低，CO2含量逐渐增大。也有学者通过研 究认为多组分解吸时，往往是 CH4优先解吸，但因 煤级差异，也有 CO2优先解吸的情况[17-18]。 研究区太原组煤主要为无烟煤，这就排除了煤 级的影响。9上煤甲烷的含量变化规律符合前人研究 揭示的规律， 但 N2和 CO2含量变化与前人研究的普 遍规律不同。15 煤 CH4、N2和 CO2的含量变化均与 前人研究揭示的规律不同。9上煤和 15 煤各组分解 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 47 卷 吸上的差异反映了不同组分的解吸规律还与煤储层 中各组分含量及煤岩本身性质有关，这 3 个组分均 有优先解吸的可能。 3.4 煤层气碳同位素 气体碳同位素值δ13C1是判识天然气成因、类 型和演化程度的最有效的方法之一[19-21]，影响煤层 气 δ13C1的因素可以归纳为成因类型和后期作用两 大类[22-24]。成因类型包括热力分馏和微生物分馏， 后期作用影响主要包括解吸–扩散、 CO2同位素交换 和溶解分馏[25-30]。本文主要探讨煤层气的成因类型 和解吸–扩散作用对煤层气 δ13C1同位素的影响，因 此需要校正溶解分馏作用。溶解分馏作用主要表现 为流动的水把气体中 13CH 4溶解带走 [22,31]，使剩余 的煤层气变轻，12CH4在 CH4中所占比例增加。研 究区太原组含水层为灰岩层，煤层几乎不含水，因 此溶解分馏效应可以忽略。因 8 煤和 9 煤气体同位 素特征变化规律相近，且与 15 煤截然不同，依然以 YQ-YY 井 9上煤和 15 煤为例进行分析表 4。 由表 4 可以看出， 随着解吸的进行 9上煤层 CH4 碳同位素值总体呈增加趋势，这是因为煤对 13C 1的 吸附能力强于 12C 1； 15 煤 CH4 碳同位素值总体呈现 为 3 个逐渐增加的序列， 可能是因为 15 煤的煤层气 除自身形成外还存在多期异源气。 9上煤层 CO2碳同 位素值整体变化不明显，间或出现 δ13C 值变大的现 象；15 煤层 CO2碳同位素值呈减小趋势。以上结果 表明CH4碳同位素变化与 CO2碳同位素变化无相 关关系，反映出 CO2碳同位素交换作用对本区 CH4 表 4 YQ-X-02 井 9上煤和 15 煤煤层气碳同位素 Table 4 The carbon isotopes of CBM from seam 9up and seam 15 in well YQ-X-02 编号 δ13CCH4/‰ δ13CCO2/‰ 9上-2 –39.8 –15.7 9上-5 –39.8 9上-8 –39.3 –15.1 9上-11 –35.6 –13.5 9上-14 –30.2 –14.1 9上-17 –27.4 15-2 –34.7 –0.2 15-4 –33.1 –1.4 15-6 –29.2 –1.9 15-8 –26.7 –6.7 15-10 –36.6 15-12 –33.9 –13.4 15-14 –33.8 –13.9 15-16 –35.1 –15 15-18 –33.2 –16.2 15-20 –29.8 –17.8 碳同位素的影响较弱。戴金星等[23]认为，在 CO2含 量低的情况下 CO2和 CH4的碳同位素交换作用小， 即使 CO2含量高，这种交换作用也非常有限，本文 研究结果与其结论相一致。 对 CH4CO2碳同位素的煤层气成因进行分类 图 3，由图 4 可知，各煤层的数据点均落于热成因 区内，CH4和 CO2的 δ13C 并没有明显的正相关性，反 映了研究区各煤层生物作用对煤层气影响不明显次 生生物成因气中 CH4和 CO2的 δ13C 具有正相关性。 图 3 8、9 和 15 煤煤层气基于 CH4–CO2碳同位素 成因分类据文献[32]，修改 Fig.3 CH4-CO2 based classification of carbon isotope genesis of CBM of seams 8, 9 and 15 4 结 论 a. 8 煤、 9 煤和 15 煤为研究区石炭–二叠系太原 组主力产气煤层，整体 8 煤含气量高于 9 煤，其中 84煤大于 81煤，9上煤大于 9下煤。各煤层气井之间 15 煤差异较大，反映了研究区 15 煤含气量的极度 不均匀，部分地区几乎不含气。 b. 在完整解吸过程中，8 煤和 9 煤气体组分及 变化规律相近，且与 15 煤截然不同。随着解吸的进 行，8 煤和 9 煤中 CH4、重烃和 CO2含量先增加而 后逐渐降低，N2含量先降低而后逐渐增加。重烃和 CO2达到最高阶段的时期要晚于 CH4。15 煤 CH4、 重烃和 CO2含量逐渐降低，N2含量逐渐增加。 c. 随着解吸的进行， 8 煤和 9 煤 δ13C1值总体呈 增加的趋势，二氧化碳 δ13C 值整体变化不明显；15 煤层 δ13C1值总体呈现为 3 个逐渐增加序列， 二氧化 碳 δ13C 值呈减小的趋势。 d. 研究区太原组煤层气主要为热成因气，13C1 变化与 13CCO 2变化无相关关系，反映了生物作用 不明显。 e. 研究区煤层气组分中 CH4体积分数出现低 异常9上煤为 27.8276.12，15 煤为 38.15 89.41；N2体积分数出现高异常9上煤为 21.49 72.20，15 煤为 6.5561.82，其异常原因有待 进一步研究。 ChaoXing 第 3 期 于振锋等 阳泉矿区寺家庄井田太原组煤层气地球化学特征及成因 95 参考文献 [1] 郑栓龙，梁爱堂，张文清，等. 寺家庄公司综掘工作面瓦斯涌 出量影响因素分析[J]. 煤炭技术，2009，289106–107. 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