劉愷德，姚凱文，陳能遠，范章群，李姝佳，鄭 涵，岳文萍，李曉龍

(1.西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710123；3.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展及美國、加拿大、澳大利亞等國外低階煤煤層氣藏商業(yè)開發(fā)的成功進展[1-3]，中國煤層氣的勘探開發(fā)也從高階煤發(fā)展到中低階煤，中低階煤煤層氣的規(guī)模化開發(fā)在實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、確保國家能源安全等方面具有重要作用。

彬長礦區(qū)大佛寺井田位于鄂爾多斯盆地西南緣，為典型的黃隴侏羅紀(jì)低階煤煤層氣田，煤層氣資源量豐富，達16.02×108m3[4]。作為彬長礦區(qū)的主力礦井，大佛寺礦井在開拓過程中瓦斯涌出量遠超預(yù)期，連續(xù)多年被鑒定為高瓦斯礦井[5]。為實現(xiàn)大佛寺井田在煤礦瓦斯災(zāi)害防治、清潔能源補充和大氣環(huán)境保護等“三重效益”，2014 年起陜西彬長新生能源有限公司開展了“大佛寺地面煤層氣井開發(fā)‘26+1’項目”。幾年來，該項目的實施結(jié)果顯示，只有少部分垂直井單井穩(wěn)定日采氣量超過1 000 m3，個別井最高日采氣量達3 043 m3，大部分井產(chǎn)氣效果并不理想，有的井甚至不產(chǎn)氣。要弄清導(dǎo)致這一產(chǎn)能差異化的原因，除需仔細查明每口井的鉆井、壓裂、排采等工程設(shè)計、施工環(huán)節(jié)的技術(shù)達標(biāo)情況，以及地質(zhì)構(gòu)造等控氣條件外，還應(yīng)對大佛寺井田煤層氣地球化學(xué)特征及成因機制進行系統(tǒng)性研究。煤層氣成因研究對深化煤層氣的形成機理認(rèn)識和科學(xué)評價煤層氣資源量具有重要指導(dǎo)意義，可為煤層氣高、低產(chǎn)井產(chǎn)能差異化分析提供重要依據(jù)。

近年來，針對大佛寺井田煤層氣地質(zhì)條件[6-7]、富集規(guī)律[8-9]、產(chǎn)能[10-11]等方面的研究成果已頗為豐富，但有關(guān)該區(qū)煤層氣成因機制方面的研究還有待深入[12]。筆者結(jié)合國內(nèi)外前人的研究成果，選擇大佛寺井田內(nèi)有代表性的煤層氣井氣樣、水樣、煤樣作為研究對象，通過分析主采煤層的顯微煤巖組分，煤層氣井氣體組分，CH4、CO2碳同位素特征，研究煤層氣形成演化過程及次生改造作用機理，探明大佛寺井田煤層氣成因機制。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

大佛寺井田處于彬長礦區(qū)南部路家小靈臺背斜與彬縣背斜之間。地質(zhì)構(gòu)造整體較為簡單，呈一條N50°～70°E，傾向NW-NNW 的波狀單斜構(gòu)造，主要發(fā)育3 條NEE 向?qū)捑忨薨?，即安化向斜、祁家背斜和師家店向斜，以及一系列NNW、NNE 向的次級褶皺(圖1)。井田地層產(chǎn)狀的變化與褶皺構(gòu)造有關(guān)，含煤地層傾角平緩，一般為3°～5°，僅在井田北部安化向斜南翼與祁家背斜北翼之間傾角較大，為17°～21°，斷層落差以5 m 以下為主[13]。侏羅系延安組為本區(qū)唯一含煤地層，共含6 個煤層(包括分煤層和分叉煤層)，自上而下依次為3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上-3、4 號煤，其中，4上煤大部分可采，4 號煤全區(qū)可采。4 號煤厚度為0～19.42 m，平均11.65 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬特厚煤層，面積可采率97.01%，埋深270～750 m，一般400～650 m，為本區(qū)主采煤層(圖2)。井田水文地質(zhì)條件相對簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，含水層之間泥巖隔水層穩(wěn)定分布，延安組含水層與其他含水之間不具有明顯水力聯(lián)系，有利于煤層氣的保存和開采。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造分布Fig.1 Structure of Dafosi mine field

圖2 大佛寺井田侏羅系延安組綜合柱狀圖Fig.2 Histogram of Jurassic Yan’an Formation in Dafosi coal mine

2 樣品采集和測試方法

本次研究采用排水集氣法對大佛寺礦區(qū)6 口正常排采的地面煤層氣井進行取樣，其中，對DFS-C01、DFS-C03V、DFS-C04V、DFS-05V、DFS-06V 井各取氣樣1 件，共5 件；而對煤層氣產(chǎn)量(最高達1.8×104m3/d)較大的DFS-C02V 井，取氣樣3 件，總計8 件。其中，將部分氣樣送至中煤科工西安研究院(集團)有限公司地質(zhì)研究所物化測試中心，依據(jù)GB/T 13610-2020《天然氣的組成分析 氣相色譜法》進行煤層氣化學(xué)組分測試，測試精度0.001%。另一部分氣樣送至中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，依據(jù)PDB 國際標(biāo)準(zhǔn)，在測試誤差為±0.25‰以下，采用MAT253 及Delta Plus XP 穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進行煤層氣碳同位素檢測分析。同時，為使研究結(jié)果更具普遍性和代表性，本次氣樣除了實測的8 組數(shù)據(jù)外，采用文獻[12]中對本區(qū)煤層氣組分及碳同位素分析的7 組數(shù)據(jù)，共對15 組數(shù)據(jù)進行分析，測試結(jié)果見表1。同時，采集本區(qū)22 塊4 號煤層樣進行顯微煤巖組分分析，其中，5 塊進行煤的鏡質(zhì)體最大反射率(Rmax)測定。

表1 煤層氣組分及碳同位素測試結(jié)果Table 1 Test results of coalbed methane composition and carbon isotopes

3 煤層氣成因機制分析

3.1 顯微煤巖組分

研究區(qū)主采的4 號煤宏觀煤巖組分主要以暗煤為主，含少量亮煤和鏡煤，局部絲炭較富集，多呈條帶狀或薄片狀夾雜于其他組分之中；宏觀煤巖類型以半暗型煤為主，暗淡型煤次之。4 號煤顯微煤巖組分測試結(jié)果(表2)表明：有機組分含量較高，平均占93.2%，其中，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)明顯占優(yōu)，平均68.2%；鏡質(zhì)組次之，平均22.8%；殼質(zhì)組最低，平均2.2%；無機組分體積分?jǐn)?shù)很小，平均占6.8%，主要以黏土類和碳酸鹽巖類礦物為主。

表2 4 號煤層顯微煤巖組分測試結(jié)果Table 2 Test results of coal maceral in No.4 coal seam

根據(jù)已有的熱模擬實驗研究結(jié)果[14]，各種煤巖有機顯微組分的生烴能力及生烴特點均有很大差別，通常，殼質(zhì)組最強，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最差；但殼質(zhì)組以生液態(tài)烴為主，而鏡質(zhì)組以生氣為主，是熱成因煤層氣的最重要生氣母質(zhì)；絲質(zhì)體等惰性組分的生烴潛力則極低。

根據(jù)研究區(qū)4 號煤層鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)(平均為22.8%)，可知，該區(qū)有一定的熱成因氣生成物質(zhì)基礎(chǔ)；又該區(qū)Rmax為0.62%～0.71%，平均值為0.65%，大于0.5%，且0.65%∈(0.6%，2.0%)，可知煤中生成的氣體既有熱成因氣，也有次生生物氣，可能為混合成因氣[15]，但其確切成因類型還要根據(jù)這一區(qū)間內(nèi)的煤階是否具備產(chǎn)生混合成因氣的條件，以及本區(qū)氣體碳同位素值等進行判斷。

3.2 煤層氣組分

大佛寺井田煤層氣組分以CH4為主，其次是N2，含少量CO2，C2及以上重?zé)N含量甚微(表1)。其中，各組分體積分?jǐn)?shù)分別為：CH4為73.805%～98.006%，平均83.753%；N2為1.259%～25.735%，平均15.220%；CO2為0.040%～2.380%，平均1.023%；重?zé)N(C2+，主要為C2H6)為0～0.029 6%，平均值小于0.005 4%。顯然，該區(qū)的煤層氣以干氣為主。又根據(jù)干燥系數(shù)(φ(C1)/φ(C2+))對生物成因氣(φ(C1)/φ(C2+)=1 000～4 000)與熱成因氣(φ(C1)/φ(C2+)＜100)的成因類型初步判識準(zhǔn)則[15]，可知研究區(qū)煤層氣的φ(C1)/φ(C2+) ?1 000，即φ(C1)/φ(C1-n)∈0.999～1，φ(C1)/φ(C1-n)＞0.999，可確定檢測氣樣為特干氣，雖然生物成因氣和熱裂解氣均具有干氣特征，但后者主要產(chǎn)生于Rmax＞2%的高階煤[16]，研究區(qū)煤層為典型的低階煤，故可推斷研究區(qū)煤層氣屬于生物成因氣。

對表1 中的CH4和N2含量變化進行擬合分析(圖3)，容易發(fā)現(xiàn)二者具有良好的線性負(fù)相關(guān)性，通常這種關(guān)系在無次生變化的煤層氣中很難出現(xiàn)，其反映了大佛寺井田煤層氣在成藏過程中，尤其在成藏后期受空氣的影響很大[17]。究其原因，一方面，因為早在侏羅紀(jì)末期，延安組煤系就受到燕山運動第二幕的影響，發(fā)生過一次明顯的抬升作用，使得上覆地層遭到剝蝕，導(dǎo)致大量的已生成煤層氣發(fā)生逸散，且大氣和含菌地下水得以滲入煤層，后又經(jīng)多次劇烈的地殼運動，使煤層氣和大氣之間的交換作用更加顯著；另一方面，由于地球大氣層主要由約78%的N2、21%的O2和其他微量氣體組成，因N2化學(xué)性質(zhì)不活潑，滲入地下后可與煤層氣混合穩(wěn)定存在于煤層中；而O2性質(zhì)較活潑，滲入地下后極易與許多巖石和礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而消耗。因此，大佛寺井田煤層氣主要是以CH4為主的特干次生生物成因氣和以N2為主的惰性氣體組合而成的混合氣體，而其中CH4和N2的相對含量變化呈現(xiàn)為彼此消長的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其反映了以CH4為主的原生生物成因氣逐漸向次生生物氣過渡的趨勢。

圖3 煤層氣中CH4 與N2 含量關(guān)系Fig.3 Content relationship of CH4 and N2

3.3 煤層氣碳同位素特征

在判斷煤層氣成因時，只有結(jié)合煤的熱演化程度和煤所處的地質(zhì)條件，才能取得更好的判識效果[18]。在對其研究中，甲烷碳同位素值是判識煤層氣成因類型最有效的指標(biāo)之一。由表1 可知，大佛寺井田甲烷碳同位素(δ13C1)實測值為-80.516‰～-62.400‰，平均-73.000‰。根據(jù)大佛寺井田煤層氣成因判別Bernard圖版[19](圖4，對表1 中φ(C1)/φ(C2+)為無限大的點取100 000 來處理)，容易看出，研究區(qū)所有樣品點均落在生物成因范圍內(nèi)，再次驗證了該區(qū)煤層氣的生物成因。

同時，容易發(fā)現(xiàn)實測值明顯小于煤層氣成因分類的臨界值-55‰[15]，且與中國煤層氣δ13C1值分布范圍(-72.3‰～-24.9‰[18])相比，部分實測值已超出了該分布區(qū)間的下限，甚至平均值也低于下限；再者，根據(jù)不同研究者所建立的原生型煤層氣δ13C1-Rmax熱模擬擬合關(guān)系式[20-26]，可推知大佛寺井田原生型煤層氣δ13C(CH4)介于-57.4‰～-30.9‰(表3)，較實測值明顯偏重。因此，可進一步確認(rèn)該區(qū)煤層氣主要氣源不是原生生物成因氣，而是經(jīng)歷過后期次生生物改造作用，且呈現(xiàn)出顯著“變干”“變輕”特征的次生生物成因煤層氣，這與我國煤層氣普遍變輕、變干的規(guī)律相吻合。

表3 大佛寺井田原生型煤層氣δ13C1 值推測Table 3 Estimation of δ13C1 values of primary coalbed methane in Dafosi mine field

3.4 煤層氣成因機理

3.4.1 煤層氣形成演化

成煤有機質(zhì)經(jīng)泥炭化和煤化作用過程可演化為不同變質(zhì)程度的煤，并在不同演化階段生成不同成因類型煤層氣，如原生生物成因氣、熱成因氣和次生生物成因氣等[27]。大佛寺井田的煤層氣為生物成因氣，究其形成演化機理，無論是原生生物成因氣還是次生生物氣，其生成途徑主要有2 種[28-29]：一種是由CO2還原而成，一種是由甲基類發(fā)酵(一般為乙酸發(fā)酵)而成，即：

這2 種作用一般是在近地表環(huán)境的淺層煤層中進行，且要求地層中具備良好的產(chǎn)氣母質(zhì)、較低的溫度及中性的pH 值等條件[30]。研究區(qū)地層溫度為22.13～24.5℃，地層水pH 值為8.33，煤層有機組分體積分?jǐn)?shù)達90%以上，明顯高于其他礦區(qū)，且埋深為270～750 m，具備良好的生氣條件。

原生生物成因煤層氣主要產(chǎn)生于泥炭化作用階段[31]，在相對低溫和淺埋深的泥炭沼澤環(huán)境中通過細菌分解等一系列復(fù)雜過程所生成。但此時生成的原生生物成因氣在煤層中的吸附量很少，加之，早期煤的顯微結(jié)構(gòu)還未充分發(fā)育為聚氣結(jié)構(gòu)。因此，一般認(rèn)為，大部分早期生成的原生生物成因甲烷并不能被大量地保留在煤層中，一般在煤層壓實和煤化作用下從煤層中逸散[32-33]。依據(jù)大佛寺井田煤層氣所呈現(xiàn)出的顯著變輕的次生生物成因特征，認(rèn)為研究區(qū)原生生物成因氣在煤層中保留量很少。

根據(jù)氣含量測試結(jié)果，黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)4 號煤層總含氣量為0.82～6.38 m3/t，其中甲烷為0.33～5.82 m3/t[34]，分區(qū)域而言，大佛寺井田甲烷含量一般可達2～4 m3/t，煤層氣主要以次生生物成因氣為主，原因在于大佛寺井田煤層滿足次生生物氣生成和滯留的條件[2]。

首先，大佛寺井田煤層埋藏較淺(270～750 m)，煤系受到多期強烈的構(gòu)造運動抬升和剝蝕[35]，在煤系沉積之前，受海西-印支運動影響，煤系基底呈現(xiàn)出明顯的NEE 向隆起與凹陷格局；聚煤期后，在中侏羅世末期，受燕山運動第一幕的影響，地殼抬升，先期沉積地層受到較輕程度的剝蝕；早白堊世末期，晚燕山運動使鄂爾多斯盆地邊部經(jīng)歷了擠壓逆沖、抬升剝蝕作用，而且作用時間長，活動強烈，直到古近紀(jì)早期，地殼全面隆升；新近紀(jì)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動仍然比較強烈，尤其在喜馬拉雅運動多期作用下，當(dāng)混入外來微生物的含菌地表水滲入煤層，并在較低溫度下，發(fā)生細菌降解煤化過程中產(chǎn)生濕氣、正烷烴及其他有機物的現(xiàn)象時，便生成次生生物成因氣[2]。

其次，次生生物氣的生成有賴于專性厭氧菌，如產(chǎn)甲烷菌，而大佛寺井田地層水溫度較低、pH 值為中偏堿性、礦化度(3 284.15 mg/L)小于4 000 mg/L，適宜的地下水環(huán)境可為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造有利的生存空間[36]。

最后，研究區(qū)煤化程度為長焰煤，煤層滲透性較好，其中，4 號煤層滲透率為(3.06～5.73)×10-3μm2；且含氣飽和度較高，為40.39%～ 80.47%；儲層壓力梯度雖較低，平均為0.38 MPa/hm，但煤層底板為泥巖隔水層，頂板為砂泥巖隔水層，圈閉條件好。這些也不同程度地反映或佐證了研究區(qū)具備適于次生生物成因氣生成及存儲的有利因素，也是煤層氣氣源良好的一個重要原因。

3.4.2 煤層氣偏輕機理

大佛寺井田煤層氣為次生生物成因氣，其最顯著的標(biāo)志為δ13C1偏輕和重?zé)N含量極少，顯示為典型干氣、特干氣特征?，F(xiàn)從研究區(qū)水動力作用、次生生物改造作用兩個方面，分析甲烷碳同位素偏輕機理，以探討次生生物氣的成因機制。

1) 水動力作用

首先，水的溶解作用可使煤層甲烷碳同位素發(fā)生分餾。根據(jù)相似相容原理，水作為一種弱極性溶劑，13CH4在水中的溶解能力要大于12CH4，故在徑流區(qū)更容易將13CH4溶解帶走。因此，根據(jù)地下水運動規(guī)律，在水動力強的徑流區(qū)13CH4減少，而在水動力弱的滯流區(qū)13CH4增加，從而出現(xiàn)滯流區(qū)甲烷碳同位素變重的現(xiàn)象[37]。然而，對研究區(qū)水動力特征研究[38]表明，延安組煤系含水層與其他含水層之間并不具有明顯的水力聯(lián)系，水動力條件弱且煤系地下含水層僅能補給于區(qū)外側(cè)向徑流，屬地下水滯流區(qū)。水溶解作用對研究區(qū)甲烷碳同位素的影響較小，且只能導(dǎo)致變重。

另外，從礦化度的角度而言，因其是水動力強弱的重要指標(biāo)[39]，在一定程度上反映水動力條件的強弱，即礦化度越高，代表目標(biāo)區(qū)域的水動力越弱。根據(jù)研究區(qū)4 號煤層地下水及地表水樣水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果(表4)，大佛寺井田延安組4 號煤層地下水總礦化度達3 284.15 mg/L，水型為NaCl 型，呈弱堿性，陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-、、為主。而地表水水型為NaSO4/NaHCO3型，呈弱堿性，礦化度為1 071.87 mg/L。顯然，4 號煤層地下水礦化度明顯高于地表水，明顯為高礦化度水[40]。綜上可知，研究區(qū)煤層地下水動力作用弱，水溶解作用并非本區(qū)甲烷碳同位素變輕的原因。

表4 大佛寺井田4 號煤層地下水及地表水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 4 Monitoring results of groundwater and surface water quality in No. 4 coal seam of Dafosi mine field

2) 次生生物改造作用

由次生生物改造作用引起煤層氣甲烷碳同位素偏輕的主流觀點有兩個：即同位素分餾效應(yīng)[41]和原始母質(zhì)同位素繼承效應(yīng)[42-43]。前一觀點將同位素分餾看作是量子效應(yīng)，即重同位素和輕同位素在量子機械效應(yīng)方面存在零位能上的輕微差異。輕同位素因零位能較高，其組成的物質(zhì)化學(xué)鍵易斷，從而導(dǎo)致二者在反應(yīng)速率上存在明顯差異，進而引起同位素分餾。同時，由于輕同位素鍵能較小，斷裂所需離解能也較低，致使微生物優(yōu)先作用于鍵能小的12C，從而導(dǎo)致次生生物成因氣碳同位素偏輕。換言之，煤有機質(zhì)12C 的化學(xué)活性比13C 大，厭氧微生物利用12C 所需要的活化能比利用13C 要小，導(dǎo)致厭氧微生物首先利用12C，使生成的生物氣甲烷具有輕碳同位素特征[44]。

原始母質(zhì)繼承效應(yīng)觀點則認(rèn)為，次生生物氣是微生物以煤中有機質(zhì)作為母質(zhì)代謝產(chǎn)生，而煤作為一種典型的Ⅲ型干酪根，為腐殖質(zhì)，含有大量的芳香族化合物和不同種類的官能團(側(cè)鏈)，其中，芳核δ13C 豐度高于類脂側(cè)鏈，芳香族物質(zhì)一般富含13C，類脂物質(zhì)一般富含12C，于是致使煤中總體碳同位素組成具有δ13C干酪根＞δ13C芳香族＞δ13C類脂側(cè)鏈特點[43]。因此，一方面，微生物降解作用的主要對象即為類脂側(cè)鏈，而這些類脂側(cè)鏈中富集明顯偏輕的碳同位素，因而，次生生物成因氣13C1偏輕。另一方面，同位素形成分配函數(shù)比(即β 因子)與重同位素的豐度成正比，其值越大，對應(yīng)結(jié)構(gòu)的同位素組成就越重，而天然的固體有機母質(zhì)中甲基碳原子β 因子(βδ13C)的值明顯小于羧基[43,45]。因此，有機母質(zhì)本身甲基碳同位素組成偏輕，而羧基碳同位素組成偏重。次生生物氣的地球化學(xué)組成與原生生物成因煤層氣相似，其主要生成途徑也是細菌還原CO2產(chǎn)氣和乙酸發(fā)酵作用產(chǎn)氣[28-29]，但前者需滿足-110‰＜δ13C1＜-65‰，后者需-65‰＜δ13C1＜-50‰[2,46]。根據(jù)研究區(qū)δ13C1的測試結(jié)果：-80.5‰～-62.4‰，容易看出，本區(qū)大部分(-80.5‰＜δ13C1＜-65‰)次生生物成因氣由CO2還原而成，少量(-65‰＜δ13C1＜-62.4‰)由乙酸發(fā)酵而成。由表1，δ13CCO2為-41.693‰～-7.065‰，平均-18.660‰。采用Bernard 圖版[19]得到研究區(qū)煤層氣δ13C1和δ13CCO2的關(guān)系(圖5)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除1個樣品點落在CO2還原和乙酸發(fā)酵的交界處外，其余的樣品點均落入CO2還原區(qū)域，這進一步驗證了大佛寺井田煤層氣中的甲烷絕大部分由CO2還原形成，僅少量由乙酸發(fā)酵而成。對于前者，在微生物將CO2還原為CH4的過程中，發(fā)生了殘留的CO2碳同位素組成變重，而CH4的碳同位素組成變輕的同位素動力學(xué)分餾效應(yīng)[19,47-48]，從而使δ13C1值變低。其根本原因在于氣體碳同位素對母質(zhì)的繼承效應(yīng)，使得輕碳同位素被分餾到CH4中，而重碳同位素被分餾到CO2中[49]，進而說明次生生物氣偏輕。對于后者，乙酸在發(fā)酵過程中通過甲基加氫而形成CH4，羧基去氫形成CO2，因繼承效應(yīng)，煤中由甲基組成的輕碳同位素多被分餾到CH4中，而由羧基組成的重碳同位素則多被分餾到CO2中[43]。如 此，生 物 甲 烷 富 集δ12C 越 多，CH4中δ13C1占比越少，δ13C1則越輕；而CO2富集重碳同位素越多，CO2中δ13CCO2占比越多，δ13CCO2則變得越重，其結(jié)果必然呈現(xiàn)出次生生物成因氣中甲烷總體富集輕碳同位素的趨勢?？梢?，無論次生生物成因氣在哪種生成途徑下生成，最終均會導(dǎo)致煤層氣中甲烷富集輕碳同位素的結(jié)果，此即為研究區(qū)煤層氣甲烷碳同位素明顯偏輕的根本原因所在。

圖5 δ13C1 與δ13CCO2 關(guān)系(底圖據(jù)文獻[19])Fig.5 Relationship of δ13C1 and δ13CCO2(Based on Reference [19])

4 結(jié) 論

a.黃隴煤田彬長礦區(qū)大佛寺井田煤層氣組分以

CH4為主，體積分?jǐn)?shù)為73.805%～98.006%，平均83.753%；N2體積分?jǐn)?shù)為1.259%～25.735%；平均15.220%；CO2體積分?jǐn)?shù)為0.040%～2.380%，平均1.023%；C2及以上重?zé)N體積分?jǐn)?shù)平均值小于0.005%；φ(C1)/φ(C1—n)＞0.999，判定研究區(qū)煤層氣為特干生物成因氣；CH4和N2含量呈明顯負(fù)相關(guān)性，表明煤層氣在成藏后期受空氣影響嚴(yán)重。

b.大佛寺井田煤層氣δ13C1實測值為-80.5‰～-62.4‰，平均-73.0‰；δ13CCO2為-41.693‰～-7.065‰，平均-18.660‰。判定研究區(qū)煤層氣經(jīng)歷過后期次生生物改造作用，為呈現(xiàn)出顯著“變輕”特征的次生生物成因氣。

c.研究區(qū)煤層氣主要為次生生物成因氣，其絕大部分由CO2還原而成，少量由乙酸發(fā)酵而成，甲烷碳同位素偏輕的根本原因是，在次生生物成因氣生成過程中，2 種生成途徑最終均會出現(xiàn)生物甲烷富集輕碳同位素的結(jié)果，從而導(dǎo)致甲烷碳同位素13C1偏輕，煤層氣為典型干氣、特干氣特征，而水動力作用不是研究區(qū)碳同位素變輕的原因。

致謝：文中部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于第一作者之前的供職單位：中煤科工西安研究院(集團)有限公司，在此深表感謝！