孟 芹，李 玲，李 杰，田文廣，林海濤，李 恒

(1.內(nèi)蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古煤勘新能源開(kāi)發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

一般認(rèn)為煤層氣成因類(lèi)型主要包含有機(jī)成因氣、無(wú)機(jī)成因氣及混合成因氣，有機(jī)成因氣主要包含原生生物成因氣、次生生物成因氣、熱降解氣和熱裂解氣[1-4]。原生生物成因氣形成于泥炭?褐煤階段，即泥炭化作用和成巖作用階段。早期煤化作用階段，地層壓力小、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)、煤層埋深淺等原因使得原生生物氣和部分熱成因氣大多已散失[5-6]。次生生物成因氣在成煤作用全過(guò)程均能產(chǎn)生，但主要產(chǎn)生于低成熟階段。生物成因甲烷的產(chǎn)氣途徑一般為CO2還原、乙酸發(fā)酵及甲基發(fā)酵。煤層氣組分及其同位素蘊(yùn)含豐富的地質(zhì)信息，是研究氣體成因的重要參數(shù)。例如干燥系數(shù)(C1/C2+)用于初步判識(shí)氣體成因，大于1 000 為生物成因氣，小于100 為熱成因氣，在100～1 000為二者混合氣[7]；δ13C(CH4)一般以?55‰為界劃分生物成因氣(?55‰)，也有學(xué)者研究認(rèn)為δ13C(CH4)最高可達(dá)?50‰[8]；δD(CH4)可用于判識(shí)陸相生物氣(?190‰)[9]。一般微生物產(chǎn)甲烷作用相關(guān)的δ13C(CO2)在?40‰～20‰，熱成因的δ13C(CO2)在?27‰～?5‰[10]。同時(shí)基于氣體組分和同位素，建立了天然氣成因辨識(shí)圖版，如C1/(C2+C3)-δ13C(CH4)、δ13C(CH4)-δD(CH4)、δ13C(CH4)-δ13C(CO2)、δ13C(CO2)-CDMI[CDMI=φ(CO2)/φ(CO2+CH4)×100%]等[11-13]。煤層氣成因研究是科學(xué)勘探選區(qū)的重要基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步深化煤層氣成藏機(jī)理具有重要意義[14-15]。煤層水與煤層氣生成運(yùn)移密切相關(guān)，對(duì)煤層氣富集成藏意義重大[16]。通過(guò)分析煤系水質(zhì)類(lèi)型、礦化度、離子特征和穩(wěn)定同位素特征，結(jié)合14C 定年(定年范圍0～5 萬(wàn)年)，可精細(xì)剖析水的來(lái)源、年齡和演化規(guī)律[17]。

二連盆地是我國(guó)典型的低階煤含煤盆地群，蘊(yùn)含豐富的低階煤煤層氣資源，其中半地塹凹陷占總數(shù)的90%以上，煤層氣勘探起步晚、程度低。目前僅在吉爾嘎朗圖凹陷取得了煤層氣開(kāi)發(fā)突破，證實(shí)了低階煤儲(chǔ)層可以獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，但其地塹式淺埋巨厚煤儲(chǔ)層生物氣成藏模式，在二連盆地不具有廣泛推廣性[18]。前人對(duì)二連盆地低階煤煤層氣的研究主要集中在儲(chǔ)層物性特征、成藏地質(zhì)條件和資源潛力等方面，對(duì)煤層氣成因和成藏機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。巴彥花凹陷為二連盆地典型半地塹式含煤凹陷之一，目前正處于勘探開(kāi)發(fā)階段，但缺乏對(duì)煤層氣成因機(jī)制的研究，一定程度上制約了勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)度。筆者以巴彥花凹陷為研究對(duì)象，深入剖析碳?xì)渫凰胤植技俺梢蛱卣鳎_(kāi)展煤層氣成因機(jī)制探討，結(jié)合煤層產(chǎn)出水的化學(xué)特征，分析地下水化學(xué)場(chǎng)特征和微生物代謝活動(dòng)狀態(tài)，剖析生氣潛力，明確生氣關(guān)鍵因素，為下一步勘探開(kāi)發(fā)提供理論技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

巴彥花凹陷位于烏尼特坳陷的東北端，東鄰霍林河凹陷，北鄰高力罕凹陷，南部為大興安嶺隆起。整體呈NE?NNE 向展布，為一不對(duì)稱(chēng)斷陷構(gòu)造，軸位偏向西北側(cè)，地層傾角10°～15°。凹陷內(nèi)部發(fā)育小規(guī)模褶皺，走向均為NE?SW。斷層較發(fā)育，以NE 向正斷層為主。富煤帶展布方向與凹陷長(zhǎng)軸方向一致。區(qū)內(nèi)地層由老至新主要有：上侏羅統(tǒng)興安嶺群(J3xn)、下白堊統(tǒng)阿爾善組(K1a)、下白堊統(tǒng)騰格爾組(K1t)、古近系(E3)、新近系(N2)及第四系(Q)。騰格爾組為主要的含煤地層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖1)。

巴彥花凹陷主要含煤地層為白堊系下統(tǒng)騰格爾組中段，含13 層大部或局部可采煤層，主要發(fā)育褐煤和長(zhǎng)焰煤，為典型的低階煤，基本全區(qū)發(fā)育。主要可采煤層5 層，為5-1、5-2、6-1、6-4、6-7 煤層；局部可采煤層8 層，為5-3、5-4、5-5、6-2、6-3、6-5、6-6、6-8 煤層。區(qū)內(nèi)主要可采煤層厚度變化中等，中部和北部煤層總體較厚，為較穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装鍘r性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖。鏡質(zhì)體最大反射率為0.37%～0.59%。宏觀煤巖類(lèi)型以木質(zhì)煤、碎屑煤為主，絲炭分布于層面，局部含條帶狀或透鏡體鏡煤。煤巖腐殖組(鏡質(zhì)組)體積分?jǐn)?shù)為91.14%～99.80%，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為0.20%～8.10%，穩(wěn)定組(殼質(zhì)組)體積分?jǐn)?shù)為0～3.10%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.77%～27.71%，以低–中灰煤為主。煤層埋深適中，最深不超過(guò)1 200 m。煤層實(shí)測(cè)甲烷含量為0.01～2.77 m3/t，總體上含氣量與埋深呈正相關(guān)關(guān)系。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

本次研究充分收集利用了巴彥花凹陷首口煤層氣排采試驗(yàn)井B-T1 井前期氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)(表1)，同時(shí)在B-T1 井采集水樣1 份，在煤層氣探井B-T2 井、B-T3井分別采集氣樣6 個(gè)和5 個(gè)。B-T1 射孔壓裂層段為5-1、5-2、5-4、6-3 煤，水樣取自連續(xù)穩(wěn)排3 個(gè)多月的井口產(chǎn)出水，基本排除了壓裂液影響。煤心采用繩索取心，氣樣采集采用排水集氣法，解吸氣樣用鹽水瓶密封倒置，送往實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。氣樣送往中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學(xué)分析測(cè)試中心開(kāi)展氣體穩(wěn)定碳?xì)渫凰販y(cè)定采用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(D07)(表2)。氣樣組分分析測(cè)試送往內(nèi)蒙古地勘測(cè)試有限公司，采用氣相色譜儀7820A。水樣送往西安煤科檢測(cè)技術(shù)有限公司開(kāi)展水質(zhì)分析、水中碳?xì)溲跬凰販y(cè)試以及放射性同位素定年測(cè)試(表3、表4)。水質(zhì)分析采用離子色譜儀。水中氫氧穩(wěn)定同位素測(cè)試使用Picarro L2130-i 高精度水同位素分析儀。水中溶解無(wú)機(jī)碳同位素測(cè)試采用MAT2130 Plus 氣相色譜－穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀。14C 放射性同位素檢測(cè)采用Zn/Fe火焰封管?加速氣質(zhì)譜法，測(cè)試儀器型號(hào)為NEC 1.5SDH-1 加速器質(zhì)譜儀。

表1 B-T1 井氣體組分分析數(shù)據(jù)Table 1 Gas component analytical results of well B-T1

表2 煤層氣井氣樣地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 2 Geochemical analytical results of gas samples from CBM wells

表3 煤層水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)Table 3 Water quality analytical results of coalbed water

表4 煤層氣井產(chǎn)出水樣同位素及14C 定年數(shù)據(jù)Table 4 Isotopes and 14C dating data of the water produced from a CBM well

3 煤層氣成因分析

B-T1 井含氣性較好，CH4體積分?jǐn)?shù)為70.70%～99.21%，平均81.43%；CO2體積分?jǐn)?shù)為0.19%～1.17%，平均0.70%；N2體積分?jǐn)?shù)為0.02%～41.60%，平均17.47%；C2+體積分?jǐn)?shù)為0.19%～0.43%，平均0.35%(表1)。B-T2、B-T3 井含氣性較差，甲烷含量基本小于1 m3/t，CH4體積分?jǐn)?shù)為28.21%～91.98%，平均60.83%；CO2體積分?jǐn)?shù) 為0.87%～4.04%，平 均2.41%；N2體積分?jǐn)?shù)為5.97%～67.66%，平均36.51%；C2+體積分?jǐn)?shù)為0～0.41%，平均0.19%(表2)。N2主要源于大氣，隨地下水進(jìn)入煤層[20]。綜合3 口井N2含量垂向變化趨勢(shì)，分析認(rèn)為繩索取心在提升過(guò)程中有空氣進(jìn)入煤心，發(fā)生氧化作用，導(dǎo)致扣氧時(shí)無(wú)法完全排除空氣影響，致使N2含量偏高。3 口煤層氣井C1/C1—5>0.99，CDMI 為1%～13%，受空氣影響，CDMI 偏高，但基本小于5%，表明研究區(qū)煤層氣為干氣?？傮w上研究區(qū)CH4含量高、重?zé)N及CO2含量低，干燥系數(shù)為104～5 540，總體呈現(xiàn)生物成因氣特征。B-T1 井900 m 以深地溫變化大于3℃/hm，干燥系數(shù)在104～332，重?zé)N含量較B-T2、B-T3 井明顯偏高，呈現(xiàn)一定熱成因氣特征。

巴彥花凹陷煤層氣同位素測(cè)試結(jié)果表明：δ13C(CH4)介于?51.80‰～?67.70‰，平均為?60.71‰；δ13C(CO2)介于?20.30‰～?37.60‰，平均為?27.69‰；δD(CH4)介于?226.20‰～?291.00‰，平均為?265.92‰。研究區(qū)δ13C(CH4)普遍小于?55‰，δD(CH4)小于?190‰，為陸相生物成因氣。CO2還原成因生物氣δ13C(CH4)介于?110‰～?65‰，δD(CH4)介于?250‰～?150‰；乙酸發(fā)酵成因生物氣碳同位素組成較重，δ13C(CH4)介于?65‰～?50‰，δD(CH4)介于?400‰～?250‰[21]。由此可初步判斷本區(qū)煤層氣以乙酸發(fā)酵成因?yàn)橹鳌?/p>

根據(jù)天然氣成因辨識(shí)圖版進(jìn)一步分析煤層氣成因及產(chǎn)氣途徑(圖2)?；贑1/(C2+C3)-δ13C(CH4)圖版進(jìn)一步分析成因類(lèi)型，樣品點(diǎn)大部分落在生物成因氣范圍內(nèi)，僅有一個(gè)樣品落在次生熱成因范圍內(nèi)，表明本區(qū)煤層氣主要為生物成因氣(圖2a)。δ13C(CH4)-δD(CH4)圖版顯示，樣品點(diǎn)大部分落在過(guò)渡帶且靠近乙酸發(fā)酵區(qū)，有2 個(gè)樣品點(diǎn)接近或落在熱成因氣區(qū)。該圖版受微生物氧化作用影響難以準(zhǔn)確判識(shí)甲烷形成途徑，更適用于單一來(lái)源的天然氣氣源識(shí)別[10](圖2b)。δ13C(CO2)-δ13C(CH4)天然氣成因圖版相比于δ13C(CH4)-δD(CH4)圖版，在識(shí)別多源混合的煤層氣中更適用。δ13C(CO2)-δ13C(CH4)圖版顯示，樣品點(diǎn)大部分落在分餾系數(shù)α=1.03～1.06，α=[1 000+δ13C(CO2)]/[1 000+δ13C(CH4)]，為乙酸發(fā)酵和甲基發(fā)酵混合氣[22]，其余點(diǎn)落在α<1.03的生物成因氣范圍，為甲基發(fā)酵產(chǎn)氣(圖2c)。δ13C(CO2)-CDMI 圖版判識(shí)CO2成因，樣品大部分落在微生物產(chǎn)甲烷伴生CO2區(qū)域，結(jié)合甲烷產(chǎn)氣途徑分析，本區(qū)CO2主要為乙酸發(fā)酵和甲基發(fā)酵產(chǎn)物(圖2d)。一般認(rèn)為乙酸發(fā)酵主要發(fā)生在淡水環(huán)境(低礦化度)，二氧化碳還原主要發(fā)生在自然海洋或鹽水環(huán)境(高礦化度)[23-24]。本區(qū)煤系地下水礦化度普遍小于1 500 mg/L，主要為淡水環(huán)境，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，地下水快速補(bǔ)給攜帶豐富的新鮮有機(jī)物，有利于乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣(表3)。綜上，巴彥花凹陷煤層氣主要為乙酸發(fā)酵和甲基發(fā)酵混合氣，局部地溫正異常可能存在熱成因氣。

圖2 煤層氣成因判識(shí)[11-13]Fig.2 Charts for the identification of CBM origin[11-13]

4 煤層水同位素分析

B-T1 井煤層產(chǎn)出水化學(xué)組成見(jiàn)表3。B-T1 井煤層產(chǎn)出水pH 為8.15，為弱堿性水，陽(yáng)離子以Na+為主，K+次之，陰離子以HC為主，Cl?次之，S、N含量低，礦化度3 741.5 mg/L，水化學(xué)類(lèi)型主要為NaHCO3型。由表3 可知，排采水礦化度較煤炭孔抽水檢測(cè)值明顯偏高。B-T1 井抽排3 個(gè)多月，基本排除了壓裂液的影響，造成這一現(xiàn)象的原因可能是地下水流速增加，對(duì)煤層沖刷、溶蝕能力的增強(qiáng)，導(dǎo)致水中鹽分增加。

地層水中溶解的HCO3?的δ13C 值具有良好的示蹤作用，而且可以成為判斷地層中是否有甲烷菌發(fā)酵作用及生物氣是否生成的可靠指標(biāo)[25]。巴彥花凹陷煤層氣井產(chǎn)出水同位素測(cè)試結(jié)果表明，水中溶解無(wú)機(jī)碳δ13CDIC為?2.6‰，高堿度可能會(huì)導(dǎo)致δ13CDIC負(fù)值增加，推測(cè)本區(qū)曾有微生物產(chǎn)甲烷作用發(fā)生[26]。δD(H2O)為?119‰，比甲烷δD(CH4)重160‰左右，符合生物甲烷特征[10]。

淡水補(bǔ)給是低階煤次生生物氣成藏的先決條件[27]。研究區(qū)煤儲(chǔ)層水礦化度較低，鈉氯系數(shù)(Na+/Cl?)多大于0.5，說(shuō)明地質(zhì)歷史演化過(guò)程中地表水滲入多，處于半封閉?開(kāi)啟的水文地質(zhì)環(huán)境。深層原生地下水具有較高的δ18O(H2O)(+6‰～+9‰)[28]。本區(qū)煤層產(chǎn)出水δ18O(H2O)為?16.4‰，可知非原生水，水樣氫氧同位素落在當(dāng)?shù)卮髿饨邓€左側(cè)，綜合研究區(qū)水文地質(zhì)分析，認(rèn)為大氣降水為統(tǒng)一補(bǔ)給來(lái)源(圖3)。煤層產(chǎn)出水中14C 定年分析現(xiàn)代碳比值為0.8±0.1，表觀年齡為(38 790±1 020) a，為第四紀(jì)水(表4)。這進(jìn)一步說(shuō)明了研究區(qū)煤層水為原始古水和近現(xiàn)代大氣降水的混合水。巴彥花凹陷地處我國(guó)西北地區(qū)，第四紀(jì)以來(lái)年平均蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降水量。巴彥花凹陷弱徑流區(qū)水動(dòng)力場(chǎng)相對(duì)較緩，有較少地表水補(bǔ)給，產(chǎn)甲烷作用已逐漸減弱。結(jié)合生物氣生成條件和水文地質(zhì)條件分析，巴彥花凹陷盆緣直接接受大氣降水補(bǔ)給，可攜帶產(chǎn)甲烷菌及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入煤層，同時(shí)降低鹽度、帶走代謝產(chǎn)物等促進(jìn)甲烷產(chǎn)生，產(chǎn)生的甲烷可隨地下水運(yùn)移至弱徑流區(qū)保存，因此推測(cè)徑流區(qū)次生生物成因氣持續(xù)補(bǔ)充氣藏。

圖3 煤層產(chǎn)出水氫氧同位素特征Fig.3 Hydrogen and oxygen isotopic characteristics of coalbed water

5 生氣形成地質(zhì)條件探討

生物氣的生成條件包括較低的溫度、厭氧環(huán)境、低硫酸鹽、富有機(jī)質(zhì)、足夠的孔隙空間及較低的礦化度等[29]。

5.1 有機(jī)質(zhì)

有機(jī)質(zhì)是煤層生物甲烷生成的物質(zhì)條件，低階煤腐殖組(鏡質(zhì)組)通常占絕大部分，因此在煤生烴過(guò)程中鏡質(zhì)組演化程度直接影響生烴量[30]。富氣凹陷往往具有較高的腐殖組(鏡質(zhì)組)含量，鏡質(zhì)組演化程度越高，含氣量越大。腐殖組(鏡質(zhì)組)產(chǎn)氣以乙酸發(fā)酵作用為主，惰質(zhì)組、穩(wěn)定組(殼質(zhì)組)產(chǎn)氣有CO2還原參與[31]。巴彥花凹陷采集煤樣的鏡質(zhì)體最大反射率Rmax為0.29%～0.59%，平均0.40%，腐殖組(鏡質(zhì)組)體積分?jǐn)?shù)為91.14%～100.00%(表5)。甲烷含量與鏡質(zhì)體反射率成正比，表明煤熱演化程度越高，含氣性越好(圖4)。

表5 煤巖顯微組分Table 5 Maceral data of coals

圖4 Rmax 與甲烷含量關(guān)系Fig.4 Relationship between methane content and Rmax

5.2 埋 深

生物氣主產(chǎn)氣溫度為25～50℃，生物氣的生成上限溫度為80～85℃，大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌的最佳生長(zhǎng)溫度是35～42℃[29]。低階煤煤層氣以甲烷含量1 m3/t、N2體積分?jǐn)?shù)小于20%為界劃分甲烷風(fēng)化帶[32]。巴彥花凹陷煤層埋深在1 200 m 以淺，甲烷風(fēng)化帶深度在900 m，地溫梯度1.33～2.76℃/hm，恒溫帶深度20 m，恒溫帶溫度11℃(圖5、圖6)。通過(guò)地溫梯度反算，預(yù)測(cè)900～1 200 m 煤儲(chǔ)層溫度介于23～44℃，處于生物氣主產(chǎn)氣溫度范圍內(nèi)，有利于生物氣的生成。

圖6 N2 體積分?jǐn)?shù)與埋深關(guān)系Fig.6 Relationship between N2 volume fraction and burial depth

5.3 物性條件

產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)需要有足夠的孔隙空間，細(xì)菌的平均大小為l～10 μm，因此煤層需要具備較高孔隙率和較好滲透性[29]。巴彥花凹陷煤主要發(fā)育細(xì)頸瓶型毛細(xì)孔，部分發(fā)育開(kāi)放型平行板孔、尖劈孔和圓筒孔，微小孔和大孔發(fā)育，中孔發(fā)育較差[33]，總體上對(duì)煤層氣的吸附和儲(chǔ)集非常有利，但也會(huì)影響煤層氣解吸的速率。煤巖類(lèi)型主要為木質(zhì)煤，其次為碎屑煤，發(fā)育割理、剪性外生裂隙、張性外生裂隙等。樣品的主裂隙長(zhǎng)度平均0.25 cm，平均高度0.19 cm，平均寬度4.63 μm，平均密度3.14 條/cm；次裂隙長(zhǎng)度平均0.14 cm，平均高度0.16 cm，平均寬度4.13 μm，平均密度3.29 條/cm(表6)。宏觀裂隙較發(fā)育，形態(tài)各異，大小不一，連通性較好。煤巖孔隙率較高，介于7.3%～25.1%，平均在18.4%；滲透率中等，試井滲透率為(0.135～0.692)×10?3μm2，為中滲?中高滲煤儲(chǔ)層[34]?？傮w上巴彥花凹陷煤巖孔滲性較好，為甲烷菌生長(zhǎng)提供了足夠空間。

表6 煤巖裂隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Statistics of coal

5.4 水文地質(zhì)條件

巴彥花凹陷煤系承壓水由南西向北東方向的變化特征表明，水化學(xué)類(lèi)型由Cl·HCO3-Na·Ca 型 向Cl·HCO3-Na、HCO3-Na 型過(guò)渡，pH 值逐漸變大，礦化度基本小于1 500 mg/L，Ca2+和Mg2+濃度逐漸降低(圖1、表3)。一般來(lái)說(shuō)HC和Na+的含量在滯流區(qū)普遍較高，補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)的S、Ca2+和Mg2+濃度相對(duì)于滯流區(qū)高[35]。承壓水的補(bǔ)給以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，其次為上部潛水的滲入補(bǔ)給，承壓水與潛水在局部地段可形成互補(bǔ)關(guān)系，對(duì)煤系含水層礦化度影響明顯。凹陷東西兩側(cè)出露地層為上侏羅統(tǒng)凝灰?guī)r、下二疊統(tǒng)砂巖及花崗巖等，直接受大氣降水補(bǔ)給，煤系孔隙裂隙承壓水含水層直接與凹陷兩側(cè)出露巖層接觸，彼此溝通，有利于側(cè)向補(bǔ)給煤系。地下水封閉系數(shù)(Na++K++HC)/(Ca2++Mg2++S)由SW 向NE 變大，表明水體封閉程度增高，中北部為較封閉的地下水環(huán)境。綜合考慮煤層水位標(biāo)高、礦化度和離子類(lèi)型等參數(shù)劃分水文地質(zhì)單元，巴彥花凹陷大部為徑流區(qū)，弱徑流區(qū)主要位于中北部[33]。一般礦化度小于4 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活性最高，產(chǎn)氣效率最大[36]。pH 有利范圍6.4～8.0，一般認(rèn)為7～8 最好[29,37]。S、N濃度可作為識(shí)別環(huán)境條件和產(chǎn)氣量的有效參數(shù)[38-39]。巴彥花凹陷煤層水礦化度小于4 000 mg/L，pH 介于7.2～8.5，為弱堿性水，S、N、Fe2+濃度低，有利于產(chǎn)甲烷菌生存繁殖產(chǎn)氣和煤層氣富集。徑流區(qū)是乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣的有利環(huán)境，徑流區(qū)產(chǎn)生氣體可隨地下水運(yùn)移至適宜保存的弱徑流區(qū)域聚集成藏。巴彥花凹陷中北部為地下水弱徑流區(qū)，有較少淡水補(bǔ)給，地下水環(huán)境較封閉，是產(chǎn)氣和成藏的有利區(qū)。

5.5 煤層氣成藏模式

結(jié)合巴彥花凹陷構(gòu)造、水文地質(zhì)特征以及鉆探驗(yàn)證，認(rèn)為煤層氣藏主要位于斷陷軸部地下水弱徑流區(qū)。巴彥花凹陷中部?緩坡帶厚煤層發(fā)育，具有豐富的生氣母質(zhì)；富煤區(qū)發(fā)育區(qū)域性蓋層，煤層直接頂板多發(fā)育泥巖，弱徑流區(qū)水體環(huán)境較封閉，軸部匯水承壓區(qū)利于煤層氣側(cè)向封堵，具有較好的煤層氣保存條件；儲(chǔ)層物性較好，埋深適宜，水文地質(zhì)條件優(yōu)越，利于生物氣生成，整體表征為承壓區(qū)水力封堵型生物氣成藏模式(圖7)。巴彥花凹陷作為二連盆地典型的半地塹凹陷，其成藏模式可作為二連盆地未來(lái)主要的煤層氣勘探方向。

圖7 巴彥花凹陷承壓區(qū)水力封堵型生物氣成藏模式Fig.7 Hydraulic sealing-type accumulation mode of biogenic gas in the confined area of the Bayanhua Sag

6 結(jié)論

a.巴彥花凹陷煤層氣以甲烷為主，C1/C1—5>0.99，CDMI 基本小于5%，干燥系數(shù)介于104～5 540，表現(xiàn)出一定生物成因氣特征。δ13C(CH4)介于?51.80‰～?67.70‰，平均為?60.71‰；δ13C(CO2)介于?20.30‰～?37.60‰，平均為?27.69‰；δD(CH4)介于?226.20‰～?291.00‰，平均為?265.92‰。δ13C(CH4)普遍小于?55‰，δD(CH4)小于?190‰，為陸相生物成因氣特征。生物甲烷產(chǎn)氣途徑以乙酸發(fā)酵和甲基發(fā)酵為主，CO2主要為乙酸發(fā)酵和甲基發(fā)酵產(chǎn)物。

b.巴彥花凹陷煤層產(chǎn)出水呈弱堿性，礦化度較高，主要為NaHCO3型水，S、N含量低。溶解無(wú)機(jī)碳δ13CDIC為?2.6‰，有微生物產(chǎn)甲烷活動(dòng)。δD(H2O)為?119‰、δ18O(H2O)為?16.4‰，14C 定年表觀年齡(38 790±1 020)a，表明煤層水為第四紀(jì)水，來(lái)源于大氣降水，為現(xiàn)代混合水，推測(cè)現(xiàn)今仍在產(chǎn)氣。徑流區(qū)是乙酸發(fā)酵產(chǎn)氣的有利環(huán)境，為弱徑流區(qū)提供氣源的持續(xù)補(bǔ)充。

c.巴彥花凹陷低階煤儲(chǔ)層孔滲性較好，儲(chǔ)層適溫，煤層水弱堿性、低礦化度，具備生氣條件。二連盆地煤普遍低熟，主力煤層埋深一般在1 200 m 以淺，地溫適宜，總體上孔滲性較好。因此水文條件是影響生氣的關(guān)鍵，在煤層氣勘探選區(qū)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。