中国煤层气成藏的两大关键地质因素.pdf

第 1 8 卷 第 4期 2 0 0 7年 8月 天 然 气 地 球 科 学 NATURAL GAS GE OS C I E NC E Vo 1 ． 1 8 No． 4 Au g． 2 0 07 煤层气 中国煤层气成藏的两大关键地质因素 宋 岩 ，秦胜飞 ，赵孟军 1 ． 中国石油勘探开发研 究院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 长江大学， 湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 摘 要 煤层气是一种非常规天然气， 与常规天然气的主要差异在 于地下的赋存形式和成藏机理不 同。煤层气藏的形成除 了与气源和储集等 自身条件有关外， 更重要的是与后期保存条件密切相关， 而构造演化和水动力条件是煤层 气保存的两大关键地质 因素。指 出 现今埋深相 同的煤层， 因为其 经历的回返抬升时间的早晚、 长短及抬升的程度不 同， 现今 煤层 气的富集程度也不同， 抬升后期一 直 处 于隆起剥 蚀 的地 区， 煤 层 气将 不 断散 失 ， 而发 生沉 降的 地 区则 有利 于煤 层 气 的保 存 ， 但 易造成 煤层 气饱和度的降低 ； 煤 系中流动的地下水对煤层气的含量和地球化学特征影响很 大， 在平面上和 剖 面上 ， 水 动力条 件 强的地 区， 煤 层 气的含 量 ， J 、 、 甲烷碳 同位 素轻 。 关键词 煤 层 气； 保 存 ； 关键 因素 ； 构造 演化 ； 水 动力条 件 中图分类号 T El 2 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 9 2 6 2 0 0 7 0 4 0 5 4 5 0 9 0 弓 l 言 煤层气是一种非常规天然气 ， 与常规天然气 的 主要差异在于地下的赋存形式和成藏机理不同。常 规天然气由源岩生成后 ， 经过一定距离 的一次运移 和二次运移 ， 以游离状态聚集在储层 的孔隙空间之 中， 而成藏n ] ， 因此 ， 常规天然气藏形成的基本条件 是“ 生、 储 、 盖、 运、 圈、 保” ； 而煤层气是 由煤源岩生成 之后直接被煤储层吸附而聚集 ， 这种聚集不受流体 动力场的控制而受温压场的影响_ 2 j 。 煤层气藏的形成与气源和储集等煤层 自身条件 有关 ， 气源条件是气藏形成的基础， 只有气源供给充 足才能形成富集程度较高 的气藏， 煤层 的厚度和分 布、 变质程度及煤岩组成是控制生气量的主要因素 ， 具有 一定 变质 程度 的厚 度 较大且 分 布稳定 的煤 层是 煤 层气藏 形成 的资 源基础 ] 。 煤 层厚 度大 ， 不仅 生气 量大而且资源丰度高 ， 并且煤层厚度大也有利于煤 层气赋存 ； 煤层气变质程度越高生气量越大。 鉴于煤 层气藏 自生 自储的特点 ， 煤层的储集能力也是煤层 气是否能富集成藏的基本因素之一 。储集能力包括 对吸附气和游离气 2种状态煤层气的储集 。煤储层 的基本特征主要表现在煤 的①孔隙结构特征 、 ②渗 透性特征和③ 吸附性特征 ， 而上述 3大储集特征主 要与煤岩组分、 变质程度和所受 的构造应力密切相 关 。 由此可见， 煤层的自身条件是煤层气成藏的基本 条件。 现今煤层气藏的形成除了与煤层 的自身条件有 关外 ， 更重要 的是与后期保存条件密切相关。因为 ， 煤 层 气 的散 失 首先 要 发 生解 吸 ， 然 后 呈游 离 气 和溶 解气再 向外散失 。 散失途径可有 3种方式 ， 即①孔隙 中的游离气通过盖层 隔层 的散失、 ②储盖层烃浓 度差分子扩散散失和③溶于水 中的气直接被水带走 散 失 。 上覆盖层不仅通过控制煤层的压力而影响煤层 气的吸附量， 而且控制着游离气的散失， 而构造演化 控制着成藏过程中上覆盖层厚度的变化。 无论是华北聚气 区还是华南聚气 区， 若不考虑 对煤化作用没有显著影响的第 四纪构造分异 ， 其晚 古生代煤层的埋藏史均与大地构造发展阶段 的沉降 期和回返期相对应 ， 构成 了“ V” 型和“ w” 型 2类 煤 层埋藏史的基本模型_ 5 ] 。华北“ V” 型模式 的转折时 期对应于燕 山中一晚期， “ w” 型模式 的 2个转折时 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 ～ 1 7 ； 修回 日期 2 0 0 7 0 7 0 2 ． 基金项 目 国家“ 9 7 3 ” 重点基础研 究发展规划项 目“ 中国煤层气成藏机制及经济开采基 础研究 ” 编号 2 0 0 2 C B 2 l 1 7 0 o 资助． 作者简介 宋岩 1 9 5 7 一 ， 女 ， 山东淄博人 ， 教授 级高级工程师 ， 博导 ， 从事天然气地质和地球化学研究． E ma i l s y a p e t r o c h i n a ． t o m． e l 1 ． 维普资讯 5 4 6 天 然 气地球科 学 Vo 1 ． 1 8 期 分别对应于印支末期和燕山中期 ； 华南“ V” 型模 式的转换时期在西部为喜山中期， 在东部为燕 山晚 期。 根据中国含煤盆地构造演化特征分析 ， 除变质程 度较低的含煤盆地外 ， 绝大多数盆地都经历了回返 抬升演化阶段 ， 有的盆地甚至经历了多次的旋回， 而 煤层则经历了埋藏一抬升的构造演化过程。在煤层 暑 一 E 含气量 m V t a 沁水盆地晋城 3 煤层含气量与埋深 含气量 m ／t c 新集 1 3 1煤层 含气量与埋深 的抬升过程中， 除了有热事件发生或有外来气源存 在外， 煤层因低于原埋深的演化程度而停止生气 ， 煤 层气 的保存关键取决 于控制煤层压力 的上覆盖层 厚度。 由 图 1可见 ， 煤 层 的含 气 量 与煤 层 的埋 深 密切 相关 。 含气量 1 n j， t 】 E 一 ￡ 一 b 沁水盆地晋城 1 5 煤层含气量与埋 深 含气量 m ／ t 图 1 煤层含气量与埋深关系 与常规气藏不同 煤储层大的孔 隙空间主体被 水所 占据， 水 中含有一定量的溶解气， 部分孔隙中存 在游离气， 气藏中的大部分气体是以吸附相存在， 约 占 8 0 以上L 6 ] 。煤层 中的水体控制着煤层的压力 ， 煤层气的开采要先排水降压才能使吸附气解吸。目 前普遍认为滞 流水 境有利 于煤 层气 的吸附和富 集， 而交替的水流环境 ， 容易把煤层 中的气体呈水溶 态带走而破坏吸附气 、 游离气和溶解气之间的平衡 ， d 云南恩洪 1 5 煤层含气量 与埋深 煤层吸附量减小不利于煤层气的富集 。 由此可见 ， 构造演化和水动力条件是煤层气保 存的两大关键地质因素。 1 构造演化对煤层气聚集 的控制 1 ． 1 不 同演化 史的 同一煤 层含 气量 不 同 1 ． 1 ． 1 渤海 湾盆地 大城 地 区 煤层气藏的动态演化过程对于现今煤层气的富 维普资讯 N O ． 4 宋岩等 中国煤层气成藏的两大关键地质因素 5 4 7 集和分布具有十分重要的作用， 这一点往往被很多 人 忽视 。 例如 大城地 区大试 1 井 和大 1 1井煤 系地 层现今 的上覆地层差别较小 ， 但煤层气 的含量却相 差较大 ， 这主要是受到地质历史时期抬升到最浅埋 藏的深度和时间决定的。 从区域上看， 大城地区煤层 上覆地层有效厚度 由东 向西增大 ， 与煤层埋深变化 趋势一 致 。在 大试 1 井 区 主力煤层 顶部 连续 沉积 的 二叠系厚度 上覆地层有效厚度 仅为 1 0 0 m， 含气 量小于 2 m。 ／ t ， 处于瓦斯风化带 ； 而大 1 1井区主力 煤层顶部连续沉积厚度为 2 0 0 m， 其含气量较高， 一 年代 r Ma a 晋城地区 般 大于 1 0 m。 ／ t ， 大参 1 井有效厚度仅 2 0 2 m， 含气 量 1 0 ． 8 m。 ／ t _ 7 ] 。在这个实例中， 地质历史时期的关 键时刻和上覆地层的有效厚度起到了十分重要的作 用 ， 其对煤层气的富集控制作用明显。 1 ． 1 ． 2 沁 水盆 地 南部晋城 地 区与 西部 霍 山地 区 我们 以沁水盆地为例 ， 说 明构造演化对煤层气 含量的影响 。沁水盆地南部晋城地区和西部霍山隆 起 的构造演化史存在很 大的差异 图 2 ∞ ] ， 表现为 这 2个地 区经历 了不同沉积埋藏过程 ， 造成了 2个 地 区煤 层气 含量 具有很 大差 别 。 E 一 图 2沁水盆地南部晋城地 区、 西部霍州地区埋藏史 1 沁 水南部 的晋城地 区， 在燕 山 中期 J 。 一 K ， 抬升缓慢， 并经历 了该期的异常热事件l_ 9 州 ， 形 成高煤阶的煤层 ； K 一N 时 ， 抬升速率加快， 当 煤层抬升至 1 5 0 0 m左右时， 可以计算 出其吸附量 为 3 3 ． 2 m。 ／ t n 。 煤层大致在 N末时埋藏最浅， 但仍 然保持着 4 0 0 ～8 0 0 m 的埋深 ， 可 以根据 兰氏公式 计算 出其理论上 的吸 附量在 2 2 ． 7 ～2 8 ． 9 r n 。 ／ t之 间。在喜 山晚期 Q ， 晋城～翼城地 区开始稳步抬 升， 但 由于煤层在逸散带中的停留时间较短 ， 该区煤 层气保存条件仍然较好 ， 煤层含气量仍然较高。 2 霍州地区在燕山中期 J 。 ～K 就快速抬升 剥蚀 ， 因此燕 山中期 的异常热事件发生时 ， 由于煤层 埋藏很浅而没有受到再次热演化影响 ， 仍然保持在 三叠 系末期 埋藏 最深 时 达到 的 尺c 为 0 ． 8 ～ 1 ． 2 时的热演化程度 ； K 一N 时为正常剥蚀 ， 当煤层 抬 升 至 l 5 0 0 m 左 右 时 ， 同样 达 到理 论 上 的最 大 吸 附量 ， 据此可以计算出其吸附量为 1 9 ． 3 0 m。 ／ t 。 煤层 在 E末时埋藏最浅， 只有 0 ～2 0 0 m， 因此此时该 区 主要 煤 层 2 煤 理 论 上 的 吸 附 量 范 围值 为 0～ 9 ． 6 m。 ／ t 。 年代 Ma b 霍州地 区 1 ． 2 构造演化对煤层气富集程度的影响 1 ． 2 ． 1 盆地 回返抬升时间和程度对煤层 气富集程 度 的 影响 现今埋深相 同的煤层 ， 其经历的回返抬升 的时 间早晚和长 短不 同 图 3 ， 现今 煤层气 的富集程度 也不同。 抬升回返时间晚且短， 煤层气散失的时间就 埋 深 增 大 早 地 质 时 代 现今 图 3 埋 深相同的 3种回返抬升演化模式 维普资讯 5 4 8 天然 气地球科 学 Vo l _ 1 8 短 ， 对煤层气藏 的保存有利口 。例如华北东部和西 部地区抬升回返时间不 同， 煤层气富集程度具有明 显差异 ” ] 自印支期华北陆块解体 ， 西部地区基本 连续沉降， 直至晚白垩世燕 山运动盆地才开始抬升 回返 ； 而太行 山以东 地 区 大多 从 三叠 纪 末 就 开始 抬 升， 遭受剥蚀， 直至第四纪才沉降。 因此 ， 东部地区鄂 尔多斯、 沁水等盆地煤层气较为富集 ， 是煤层气勘探 的有利 目标 区。聚煤盆地 回返抬升的程度直接控制 着煤层气藏 的富集程度。 燕 山期 回返抬升之后， 在没 有构造热事件等特殊地质因素发生的情况下， 煤层 停止生气， 因此煤层气藏能否形成决定于煤层气 的 保存条件 ， 抬升越高煤层气保存条件越差 。 在这里我 们提出煤层气藏形成关键时刻的观点， 即煤层停止 生气 之后上覆“ 有效 厚度” 在地史上埋藏最小 的时 刻 。在煤层气勘探选 区时 ， 不仅要看现今 的煤层厚 埋 深 增 1 大 度、 煤阶、 孔渗性 、 割理、 盖层、 水动力等地质条件 ， 更 重要的还要看在地质历史时期煤层停止生气之后抬 升的最小埋深是否有利于煤层气的保存 。比如 2 个 现今地质条件基本相 同的地 区， 尽管其现今埋藏深 度相同， 但 由于其在地质历史时期抬升后 的埋藏深 度 不 同 一 个 在 风化 面 之 下 ， 条件 较好 ； 一 个 在 风化 面之上， 煤层气基本散失 ， 如果仍按现今埋藏深度 评价煤层含气量 ， 就会 出现与实际不符的情形 。 1 ． 2 ． 2 回返 期后 的构 造 演化 对 煤 层 气 富集程 度 的 影响 聚煤盆地回返抬升后的喜山期构造演化对煤层 气的富集程度也有重要影响。一直处于隆起剥蚀的 地区， 煤层气将不断散失 ； 后期发生沉降的地区有利 于煤层气 的保 存 ， 但易造成 煤层气 饱和度 的降低 图 4 。从 理论 上分析 ， 在 没有气 源补 给 的情 况下 ， 早 地 质 时 代 现今 含气饱和度 含气量 旱 现今企鲁楠 全茸喜 c r 0 高0 高 、 I 低 含 气 量 ， 低 饱 和 度 煤 层 气 风 化 带 ＼ 一一 一 Ⅱ 中低含气量，高饱和度 ＼ 『 l Ⅲ 中高含气量，中饱和度 I ＼ I Ⅳ 中含气量，低饱和度 a I ． r- 一 1 V 高 含 气 量 ， 高 饱 和 度 I l ． 图 4 回运 抬升后 3种构造演化模式的现今煤层气富集程度 曼 层二 、 ’ l中 2水 动 力 对 煤 层 气 聚 集 的 控 制 降 低 ，导致煤层气发生解吸 、 散失， 部分以游离气和 ⋯一 ⋯⋯ ’ ⋯⋯⋯一 水溶气的形式保 留在煤层 中 ] ， 其结果是煤层的含 2 ． 1 、 水动力对煤层气聚集的控制作用 气量降低 ， 但饱和度增大 ， 可达到 1 O 0 9 ／ i ； 当盆地下 2 1 1 水动力对煤层含气量的影响显著 降后， 煤层上覆地层厚度增大 ， 煤层 中流体压力也相 煤系中流动 的地下水对煤层气 的含量影 响很 应增大， 煤层的吸附能力是随着压力的增加而增 大， 在平面上和剖面上， 水动力条件强的地区， 煤层 大嘲， 也就是说 ， 理论上， J煤层的吸附量增大， 但是 由 气的含量小 ； 相反 ， 在水动力不活跃地区， 或滞流水 于没有气源的补给 ， 煤层还保持着下降前 的含气量 ， 区域 ， 煤层气的含量则比较高n 。 。另外 ， 在在煤矿 因而造成煤层含气饱和度出现降低的状态。 生产实践上 ， 也有现象表明， 地下水活跃地 区瓦斯涌 维普资讯 NO ． 4 宋岩等 中国煤层气成藏的两大关键地质 因素 5 4 9 出量小 ， 反之瓦斯涌出量就大 ， 例如王营子井 田就是 如此n 。据此有关学者提出了煤层气滞 留水 富气 论L 1 ， 充分说明了地下水动力条件对煤层气含量 的影 响非 常显 著 。 2 ． 1 ． 2 水动 力对煤层 甲烷 碳 同位 素影 响 明显 水动力对煤层 甲烷碳 同位素的影响表现为， 煤 系水动力条件强 ， 煤层气甲烷碳 同位素轻 。 例如华{ 匕 地区， 由于下煤组水动力强度大于上煤组 ， 故下煤组 煤层气甲烷碳 同位素轻于上煤组的现象就 十分 普 遍。再如鄂尔多斯盆地吴堡地区， 上煤组 3 煤 中的 甲烷碳 同位素值 为一3 8 ． 3 ‰ ， 下煤组 1 0 煤的该 值 为 一4 6 ． 3 ‰ ， 明显轻 于上煤 组。还有 沁水盆地试 A一 2 井和试 A一 3 井下煤组煤的 甲烷碳同位素也明显 轻于上煤组 ， 试 A一 2井上煤组 3 煤的甲烷碳同位素 值为一3 1 ． 8 ‰ ， 下煤组 1 5 煤的该值为一3 2 ． 1 Y o o ； 试 A一 3井上煤组 3 煤的该值为 一3 3 ． 6 ‰ ， 下煤组 1 5 煤的该值为一3 5 ． 4 ‰。 对于煤的解吸气来说 ， 也存在水动力条件强的 下煤组煤的甲烷碳同位素轻于上煤组煤的现象。分 别对沁水盆地 HG2井 3 、 1 5 煤和 HG3井的 3 、 l 0 、 l 5 煤进行解吸 解吸时间都是 4 h ， 把解吸出 来的甲烷进行碳 同位素分析， 结果煤层解 吸气 的碳 同位素 自上而下逐渐变轻 图 5 。 盆 ∞ HG 2井H G3 井 图 5 沁水盆地上 、 下主煤层解吸气 甲烷碳 同位素值对 比 数据引 自张建博等 ， 2 0 0 0 2 ． 1 ． 3 煤层 甲烷碳 同位 素 明显轻 于煤成 气 ， 而 目前 有关煤层 甲烷 同位素变轻机理 的解释 与 自 然现 象相 矛盾 与常规煤成气相 比， 煤层气 甲烷碳同位素明显 偏轻[ z - z s ] 。 把 中国主要煤成大、 中型气 田天然气 甲烷 碳同位素与中国主要含煤盆地煤层气甲烷碳同位素 进行无序排列后进行对比， 再与澳大利亚南悉尼盆 地煤层气 甲烷碳 同位素 一并进行对 比 图 6 ， 从 对 比结果 中明显看 出， 煤层气 甲烷碳同位素值与常 规天然气 甲烷碳 同位素值差别很大 ， 煤层气 甲烷碳 同位素普遍轻于常规天然气甲烷碳同位素 。 显然 ， 煤 层气甲烷碳同位素 比常规煤成气偏轻 ， 煤层气 甲烷 常规煤成气样品序号 0煤层气 常规煤成气 ▲澳大利亚煤层气 图 6 常规煤成气与煤层 甲烷碳 同位素对 比 。 澳大利亚煤层气数据， 引自F a i z ， 2 0 0 3 C明显富集 ， 累计效应明显 。 关 于煤层甲烷碳同位素偏轻机理 ， 前人提出了 若 干种解 释， 最主要的有 3种 ①C H 与 C Oz 交换 作用 z s ； ②解 吸一扩散一吸附 埘 ； ③次生 生物气 维普资讯 5 5 O 天 然 气地球科学 Vo 1 ． 1 8 成 因 ∞ 。 但是 ， 有些 现 象用前 人提 出 的理论 或模式 暂时还难以解释。首先 ， 在常规 的煤成气中 C O z 的 平 均 含 量 一般 小 于 5 ； 且 占 C c o , 相 对 于 甲烷 碳 同 位 素 较 重 ， 一 般 为 一1 0 ％ o ～ 一e o ％ o ， 含 量 如 此 低 的 C O 含量和如此重 的 C O 碳同位素不 可能使 甲烷 碳同位素普遍变轻。 关于解析一扩散一 吸附机理 。解吸带煤层气甲 烷碳同位素变轻如果是解吸带本身发生解 吸～扩散 作用所致 ， 那么煤层气 甲烷碳同位素不会变轻 ， 反而 会 变重 ， 因 为 C H 会 优先 C H 解 吸 ， 解 吸 出来 的 甲烷通过扩散运移 、 散失， 脱离煤 层 ， 而” C H 会较 多地 留在煤层 ， 使煤层中的甲烷碳同位素变重， 而不 是变轻。如果原生带甲烷碳同位素变轻是由于原生 带 的 C H 解 吸后 往 上 扩 散 至 解 吸 带 ， 然 后 再 被解 吸带的煤层吸附， 使解吸带 中的甲烷碳同位素变轻 的话 ， 那么原生带中的甲烷碳同位素就会变重， 而且 应重于相同成熟度的常规煤成气 。 另外 ， 在赵各庄煤 矿一千余 米深处煤 的 甲烷碳同位素值为 一6 5 ％ 。 左 右， 远在风化带以下 的下部煤层 中甲烷碳同位素很 轻 的现 象也 是 同样 很难 解 释 l_ 3 。所 以 ， 用 解 吸一 扩 散机理来解释煤层气 甲烷碳同位素偏轻会存在一定 的局 限性 。 用次生生物气成因也难解释诸如产生次生物气 细菌 实 物来 源 问题 ， 因为 在煤 层 分 化 带 以下 很深 的 煤层 中甲烷碳同位素仍然很轻 ， 如华北地 区下煤组 甲烷碳 同位素往往轻于上煤组等。 2 ． 2 模拟 实验 含气 量和 甲烷碳 同位素值 的变 化 王红岩用鄂尔 多斯盆地 8 煤解吸 出来的煤层 甲烷 作 模拟 实 验 ， 即用 蒸 馏 水 长 时 间淋滤 密 封 容器 内的煤层解吸气 ， 发现随淋滤时间增加甲烷含量明 显减少 原 始气 样 甲烷 含 量 气 样 1 为 7 9 ． 4 5 9 ／ 6 ， 淋 滤 4 h后 气样 2 甲烷 含 量 减 少 到 6 9 ． 2 5 ％ ； 淋 滤 2 4 h 气样 3 甲烷 含量仅 为 7 ． 9 3 9 ／ 6 。 甲烷碳 同位素也 随淋滤时间增加而 明显变轻 ， 原始气样 甲烷碳同位素为一4 O ． 5 ‰ ， 淋滤 4个小时 后 为 一4 2 ． 6 7 ％ 。 ； 淋 滤 2 4 h后 甲 烷 碳 同 位 素 为 一 4 5 ． 1 1 ‰ ；淋 滤7 2 h 后 甲 烷 碳 同 位 素 为 一 4 8 ． 2 6 ％ 。 。 可见水可以使 甲烷碳同位素发生发生分 馏作用 。水使 甲烷碳同位素发生分馏的现象在油气 勘探中也可以见到。张晓宝等E 3 5 3 用热真空脱气法对 吐哈盆地台北坳陷水溶气进行研究 ， 并与同一地区 的常规的天然气进行对 比， 发现水溶气 甲烷碳同位 素 明显 比常 规天 然气 偏 重。说 明水 更 容易 溶解 C H ， 进而说明流动的地下水更 容易把 C H 溶解 并带走。秦胜飞等E 3 6 ] 在研究塔里木盆地和田河大气 田东西部天然气差异的时候 ， 发现该气 田天然气存 在明显的水溶气特点， 并且 甲烷碳同位素也发生 了 明显 的分馏作用 ， 据此建立起一系列水溶气地球化 学示 踪指标[ 3 7 3 9 ] 。国外 文献有 C H 溶解 性 大于 C H 的报道 L 4 。 2 ． 3 水对 煤层 气藏 的作 用机 理 秦胜飞 在 2 0 0 5年提出了地下水对煤层甲烷 碳同位素有明显的影响 ， 后又提出了煤层气 甲烷碳 同位素偏轻新的机理l_ 4 ， 很好地解释了煤层 甲烷碳 同位素偏轻的现象 。 由于” C H 极性大于 C H ， 根据 相似相溶原理 ， ” C H 在水 中溶解性 大于” C H ， 这 样 ， 水溶作用就会容易把游离气 中” C H 带走 ， 剩下 较多的 C H ， 而游离气中 C H 再与煤中的吸附气 发生交换 ， 部分 C H 变成吸附气 ， 把 吸附气中部分 C H 交换 出来变成游离气， 交换 出来 的 C H 再被 水溶解带走。 这种过程是不停地在发生， 通过累积效 应 ， 导致煤层气 C H 大量富集 ， 煤层气 甲烷碳 同位 素变轻 图 7 。 在煤层水动力条件强的地区 ， 煤层气 甲烷 的碳 同位 素变 轻的程度较 大， 是 因为水带走 C H 的频 率较快 ， 使 C H 累计效应增大， 甲烷碳 同位素变轻 的程 度较 大 。 所 以在水 动力 强烈 地 区 ， 水带 走 的 甲烷 比较多 ， 使煤层气含量也 比较低； 相反 ， 水动力条件 较 弱 的 地 区 ， 水 带 走 甲烷 的 量 比较 小 ， 因而 水 带 走 ” C H 的频率较小 ， C H 累计效应较小， 甲烷碳同位 素变轻的程度较小。 2 ． 4实例 分析 及地 质验 证 在 中 国的华 北地 区 ， 下 部 太原 组煤 系直 接覆 盖 在奥 陶系灰 岩 之 上 ， 煤 系与 下伏 奥 陶系灰 岩 岩溶 裂 隙含水层强径流带容易产生水力联系， 所 以太原组 的煤系水动力条件往往强于上部_ 的山西组煤系 ， 这 一 观 点 已被大 家所 共识 。 所 以在整 个华北 地 区 ， 上主 煤层水动力条件普遍弱于下主煤层水动力条件 。 总体上， 在 2 0 0 0 m 以上的深度范围内， 煤对甲 烷 的吸 附能力 随深度 增 加而增 大 。 在华 北地 区 ， 太原 组的煤系埋藏深度大于山西组煤系， 理论上 ， 太原组 的下主煤层 的含气量应该高于山西组的上主煤层 ， 维普资讯 NO ． 4 宋岩等 中国煤层气成藏的两大关键地质因素 5 5 1 图 7煤层气 甲烷碳 同位素分馏机 理图解 一 “ 但实际情况却相反。 在华北地 区， 下主煤层的含气量 反而低于上主煤层 的现象非常普遍 ， 例如霍州矿区。 霍州矿 区下 主煤层覆盖在奥 陶系灰岩之上 ， 受 奥陶系岩溶水的影响， 位于太原组 的煤层地下水动 力条 件强 于 山西 组 煤层 ， 因此 太 原组 下 主煤 层 含 气 量 石炭系太原组 都明显低于上主煤层 二叠系山 西组 含气 量 _ 】 ] 图 8 。 深度 m ◆上主煤层 ●下主煤层 图 8霍州矿区上 、 下主煤层含气量对 E 图 中的数据来 自刘换杰等 ， 1 9 9 8 [ 1 9 3 结 语 1 煤层气藏的形成除了与煤层的 自身条件有 关 外 ， 更重要 的是 与后 期保存 条件 密切 相 关 ， 而 构造 演化 条件和 水动 力条 件是 煤层 气保存 的 两大关键 地 质 因素 。 2 现 今 埋 深 相 同的煤 层 ， 其 经历 的 回返 抬 升 时间的早 晚、 长短及 抬 升 的程 度 不 同， 现今 煤层 气 的 富集程 度也 不 同， 抬 升 后期 一 直 处 于 隆起 剥蚀 的地 区， 煤层气将不断散失， 而发生沉降的地 区则有利于 煤层 气的保 存 ， 但 易造成 煤层 气饱 和度 的降低 。 3 煤 系中流动 的地 下水对 煤层 气的含 量和地 球 化 学特征 影 响很 大 ， 在 平 面上和剖 面上 ， 水动 力条 件 强的地 区， 煤 层 气的含 量 小 、 甲烷 碳 同位素 轻 。 参考文献 [ 1 ] 李 明诚． 石 油 与天 然气 运 移 [ M] ． 北 京 石 油工 业 出版社 ， 1 9R7． E 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] Ru p p e l T C ，Gr e i n C t ，Bi e n s t o c k D． Ad s o r p t i o n of me t h a n e ／ e t h a n e mi x t u r e s o n d r y c o a l a t e l e v a t e d p r e s s u r e[ J j ． Fu e l ， 1 9 7 2， 51 2 9 7 3 O 3 ． J o l l y D C，Mo r r i s L H，Hi ns l e y F．An v e s t i g a t i o n i n t o t h e r e l a t io n s h i p e b e t we e n t h e me t ha n e s o r pt i o n c a p a c i t y o f c o a l a n d g a s p r e s s u r e ／ J ] ． T r a n s a c t io n s o f t h e Min i n g E n g i n e e r s ， 1 9 68 ， 1 2 7 ． 樊生利． 沁水盆地南部煤层气勘探 成果与地质分析 [ J ] ． 天然 气工 业 ， 2 0 0 1 ， 2 1 4 3 5 3 8 ． 叶建平 ， 秦 勇， 林大杨． 中国煤 层气资源[ M] ． 北 京 中国矿业 大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 苏现波 ， 刘 保民． 煤层气 的赋存状态及影响因素[ J ] ． 焦作工学 院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 8 3 1 5 7 1 6 0 ． 张建 博， 王红岩 ， 赵庆波． 中国煤层气地质 [ M] ． 北京 地质 出 版社 ， 2 0 0 0 ． 赵孟军 ， 宋岩 ， 苏现波 ， 等 ． 决定煤层气地球化学特征的关键地 质时期 l_ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 5 1 5 4 ． 陈刚． 沁水盆地燕山期构造热 事件及其油气 地质意义[ J ] ． 西 北地质科学 ， 1 9 9 7 ， 1 8 2 6 3 6 7 ． 任战利， 赵重远 ， 陈刚． 沁水 盆地中生代晚期 构造热事件 [ J ] ． 石油与天然气地质 ， 1 9 9 9 ， 2 0 1 4 6 4 8 ． 张群 ， 李建武 ， 张新民 ， 等． 高煤级煤 的煤层 气开发潜力 以 沁水煤 田为例[ J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 1 ， 2 9 6 2 6 3 0 ． 刘洪林 ， 赵国 良， 王红岩． 中国高煤 阶地区的煤层气勘探理 论 维普资讯 5 5 2 天 然 气地球科 学 V o 1 ． 1 8 与实践 E J ] ． 石油实验地质， 2 0 0 4 ， 2 6 5 4 1 2 4 1 4 ． [ 1 3 ] 宋岩， 赵孟 军， 柳 少波 ， 等． 构造演化对煤层气富集程度的影 响 E J ] ． 科学通报 ， 2 0 0 5 ， 5 0 增刊 ； 1 5 ． [ 1 4 ] 魏书宏 ， 韩少明． 沁水煤 li t 南部 煤层气构造控气特征研究E J ] ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 3 ， 3 1 3 3 0 3 1 ． [ 1 5 ] 王风国， 李兰杰， 徐德红． 华北地区煤层 含气性影响因素探讨 E J ] 、 焦作工学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 2 2 8 8 9 O ． [ 1 6 ] 桑树勋 ， 刘 焕杰 ， 李贵 中， 等． 煤层 气生成与煤层 气富集 I 有 效 阶段生 气量与煤 层气 富集 [ J ] ． 煤 田地质 与勘探 ， 1 9 9 7 ， 2 5 6 1 4 1 7 ． [ 1 7 3 秦胜飞 ， 宋 岩， 唐修义 ， 等． 水动力 条件对煤层 气含量 的影 响 [ J ] ． 天然气地球科学 ， 2 0 0 5 ， 1 6 2 1 4 9 1 5 2 ． [ 1 8 ] Qi n S h e n g f e i ， S o n g Ya n ， Ta n g Xi u y i ， e t a 1 ．Th e me c h a n i s m t h a t t h e f l o w i n g g r o u n d wa t e r a f f e c t s c o a l b e d g a s c o n t e n t [ J ] ． Chi n e s e S c i e n c e Bu l l e t i n，2 0 0 5，5 0 Su p p 9 9 1 0 3 ． [ 1 9 3 刘俊杰． 王营井 田地下 水与煤层气赋存 运移的关系 [ J ] ． 煤炭 学报， 1 9 9 8 ， 2 3 3 2 2 5 2 3 0 ． [ 2 O ] Te i c h mu l l e r R U，A．D a s Ko h l e n s t o f f I s o t o p e n Ve r h a h n i s i m M e t h a n Vo n Gr u b e n g a s u n d Fl o z g a s u n d S e i n o Ab h a n g i g k e i t Von Gr u b e n g a s un d Fl o z g a s u n d Se i n e Ab h a n g i g k e l t Vo n d o n d e n Ge o l o g i s c h e n Ve r h a l t n i s s e n [ c ] ． 1 9 7 0 ． 9 t h Gc o 1 ． M i t t ，9．1 8 1 2 0 6 ． [ 2 1 ] 戴金星 ， 戚 厚发， 宋岩 ， 等． 我 国煤层气组 分、 碳 同位素类型及 其成因和意义E J ] ． 中国科学 B辑 ， 1 9 8 6 ， 1 6 1 2 1 3 1 7 - 1 3 2 6 ． E z z ] 戚厚 发． 煤 系天然气与煤层瓦斯 甲烷碳 同位 素的差异及影 响 因素的初步探讨 E J ] ． 石油实验地质 ， 1 9 8 5 ， 7 2 8 1 8 4 ． [ 2 3 ] S c o t t A R ．C o mp o s i t io n a n d o r i g i n s o f c o a l b e d g a s f r o m s e l e c t e d b a s i n i n t h e Un i t e d S t a t e s [ c] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 3 I n t e r na t i o n a l Co a l b e d me t h a n e S y mpo s i u m ， Al a b a m a ， 1 9 9 4，2 07 2 1 2 ． L 2 4 ] S c o t t A R， Ka i s e r W R， Ay e r s W B， e t a 1 ．Th e r m o g e n i c a n d s e c o n d a r y b i o g e n i c g a s e s i n S a n J u a n B a s i n[ J ] ． AAP G Bu l l e t i n， 1 9 9 4，7 8 8 1 1 8 6 1 2 09 ． E 2 5 ] F a i z M，S t a l k e r I ，S h e r w o o d N，e t a 1 ． B io e n h a n c e me n t o f c o a l b e d me t h a n e r e s o u r c e s i n t h e S o u t h e r n S y d n e y B a s i n [ J ] ． APP EA J ou r n a l ，2 0 03 ， 59 5 6 08 ． [ 2 6 ] [ 2 7 ] [ 2 8 ] [ 2 9 ] [ 3 O ] [ 3 i ] [ 3 2 ] [ 3 3 ] [ 3 4 ] [ 3 5 ] [ 3 6 ] [ 3 7 ] [ 3 8 3 [ 3 9 ] [ 4 O ] [ 4 1 ] [ 4 2 ] 戚厚发． 煤系天然气与煤层 瓦斯 甲烷碳同位素 的差异 及影响 因素的初步探讨 E J ] ． 石油 实验地质 ， 1 9 8 5 ， 7 2 ； 8 1 8 4 ． 秦勇， 唐修义 ， 叶建平 ， 等． 中国煤层 甲烷稳定碳同位素分布与 成 因探讨 [ J ] ． 中国矿业 大学学 报报， 2 0 0 0 ， 2 9 2 1 1 3 - 1 1 9 ． 秦 勇， 唐修义 ， 叶建平． 华 北上古生界煤层 甲烷