论文部分内容阅读
本文充分运用煤及煤层气地球化学、煤岩学、同位素地球化学、水化学、水文地质学、矿物学及构造地质学等理论知识,综合研究了沁水盆地北部煤层气地球化学特征及其成因类型,建立了一套以煤层气同位素地球化学为基础、集煤层气成因判断与富集区预测的综合模型。以沁水盆地北部含煤地层为主要研究对象,系统研究了石炭-二叠纪煤的物质组成、热演化程度及其碳氮同位素组成,预测了晚石炭-早二叠世大气CO2的碳同位素组成的变化,讨论了该时期的古气候和古环境。论文详细研究了煤层气CH4、N2、CO2等三大主要组分的成因及联系,提出利用非烃组分的含量和同位素特征指标综合判断煤层气的成因和富集机制。论文分析了陷落柱对地下水水质、煤层气地球化学以及煤层气富集的影响机理,指出陷落柱的存在对煤层产出水的矿化度、离子类型和浓度、氢氧同位素组成均有显著影响。提出利用煤层气化学组分和碳、氢、氮同位素,煤层产出水的矿化度以及煤层埋深等一系列等值线图,并结合区域构造特征和演化史,判断煤层气的成因并预测煤层气富集区。一、煤的热演化程度、物质组成以及CN同位素组成分析（1）煤是产生煤层气的气源岩,也是煤层气储集层的主要组成物质。沁水盆地北部阳泉矿区太原组#15煤平均随机镜质组反射率（Rr）平均值为2.4%（n=23,n指统计样品数,下同）,太原西山矿区#8煤Rr平均1.4%（n=3）,山西组#2煤Rr平均1.2%（n=5）。而华北-渤海湾盆地鹤壁矿区山西组#21煤Rr平均为1.6%（n=2）。所以,煤的热演化程度顺序为:阳泉#15>鹤壁#21>太原西山#8>太原西山#2。（2）煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组以及壳质组,是煤层气的主要碳源。阳泉矿区石炭系太原组#15煤干燥无灰基镜质组平均含量为79%（n=23）,因变质程度较高（Rr 2.4%）,无壳质组。太原西山矿区#8煤和#2煤以镜质组为主,平均含量分别为61%、60%,但在太原西山屯兰矿#8煤样品TL82-1和邢家社矿XJS8-C样品中惰质组含量超过镜质组,其惰质组含量分别为53%、63%,无壳质组。太原西山马兰矿#2煤中含有2%的壳质组,其对应Rr为1.1%。华北-渤海湾盆地鹤壁煤矿#21煤以镜质组为主,占62%,其余为38%的惰质组,不含壳质组。（3）华北晚石炭-早二叠世煤（含煤层夹矸）的δ13C平均值为-23.7‰（n=41）。其中,阳泉矿区太原组#15煤的δ13C平均值为-23.7‰（n=27）,比太原组煤层气δ13C-CH4（-36.6‰,n=46）重12.2‰。太原西山#8煤（δ13C-23.4‰）、#2煤（δ13C-23.5‰）的碳同位素组成与#15煤相似。然而,华北-渤海湾盆地鹤壁煤矿山西组#21煤偏负,其δ13C平均值为-25.2‰。这很可能记录了早二叠世中期古大气中CO2具有偏负的碳同位素组成。（4）晚石炭-早二叠世煤中δ15N值平均为3.7‰（n=33）。其中,阳泉矿区太原组#15煤的平均δ15N值为3.8%（n=23）,而#15煤层夹矸δ15N值达8.0‰1。煤层夹矸δ15N比煤重说明了在成煤过程中煤经受了比夹矸更强烈的微生物作用。二、沁水盆地北部煤层气的化学组分、同位素组成以及煤层气中CH4、CO2、N2的成因及联系（1）沁水盆地北部寺家庄区块太原组煤层气以CH4为主（平均含量98.5%,n=32）,乙烷含量很少,平均0.026%,不含乙烷及以上烃类;非烃组分中N2平均含量为1.12%,其次CO2含量平均0.32%,还含有少量的Ar（0.023%）。其中,大气来源氮气相对含量占84%,而有机氮气占16%。（2）沁水盆地北部寺家庄区块太原组煤层气δ13C-CH4平均值为-36.6‰（n=46）,比沁水盆地南部潘庄-郑庄煤层气δ13C-CH4（平均-32.6‰,n=10）偏轻。寺家庄煤层气δD-CH4平均值为-182.0‰（n=38）。寺家庄煤层CO2的δ13C值变化范围较大,为-17.5‰+8.6‰,平均-9.4‰（n=32）,反映了大多CO2为煤热演化初期或最近一次煤层抬升再沉降后煤中有机质热裂解产生,部分受到微生物活动的改造。煤层CO2碳同位素随煤层埋藏变浅而变重,浅部煤层微生物CO2还原作用强,使煤层残留CO2碳同位素加重。煤层氮气δ15N平均值为-1.6‰（n=21）。（3）沁水盆地北部寺家庄区块太原组煤层气以煤热裂解成因为主,存在微生物CO2还原成因CH4,为混合成因煤层气。三、陷落柱对煤层水的化学成分、矿化度、同位素组成以及煤层气富集的影响（1）沁水盆地北部寺家庄太原组煤层产出水为HCO3-Na型,属微咸水,其矿化度平均为1492.9 mg/L。沁水盆地南部潘庄产出水的矿化度平均2252.8 mg/L,郑庄产出水平均2375.3 mg/L。沁水盆地北部煤层产出水平均矿化度较沁水盆地南部低,反映了沁水盆地北部煤层水的水动力比南部强,不利于煤层气的保存。（2）沁水盆地北部寺家庄煤层气区块陷落柱的分布显著影响煤层产出水的Na+离子浓度、矿化度以及氢氧同位素组成。寺家庄区块北部比南部较发育陷落柱,区块北部产出水平均矿化度（平均1531.1 mg/L）比南部（平均1453.3 mg/L）高,利用单因子方差分析方法,证明大量的陷落柱显著增大了区块北部产出水的Na+离子浓度和矿化度,增强了区块北部的蒸发作用。产出水的氢氧同位素组成也证明了较强的蒸发作用使区块北部产出水的氢氧同位素值落在全球大气降水线的右下侧。（3）寺家庄区块北部CH4碳同位素分馏起主导作用的是解吸-扩散-运移作用,且煤层CH4碳同位素组成随着深度的减小而变重。因为储层浅部压力小,含轻碳同位素的CH4优先解吸,扩散运移至上部地层进而逸散到大气中。同时,区块北部较强的解吸-扩散-运移效应使煤层含气量降低。（4）将煤层气中CH4与有机成因N2的含量比值（φ（CH4）/φ（N2org））作为煤层气成因的判断依据之一。据此,煤层气成因分为三大类:原生生物成因煤层气（φ（CH4）/φ（N2org）<7）、降解煤层气（7<φ（CH4）/φ（N2org）<111）、热裂解成因煤层气（φ（CH4）/φ（N2org）>111）。其中降解煤层气包含次生生物煤层气、热降解气。四、建立了一套以煤层气同位素地球化学为基础,集成因判别与富集区预测的煤层气综合勘探开发方法（1）该方法包含煤层气成因判别图、煤层埋深等值线图、甲烷碳同位素等值线图、甲烷氢同位素等值线图、氮气氮同位素等值线图以及产出水矿化度等值线图等,简称“1判识5等值”。（2）据此煤层气富集区预测模型,结合区域地质构造特征,对煤层气区块太原组煤层气的成因和富集区进行判断,认为寺家庄区块煤层气含气量较高的区域位于中西部。勘探阶段的含气量数据证实这种预测是较准确的。