淮南潘集、张集煤矿次生生物气地球化学特征

研究淮南煤田不同矿区煤层气的成因类型对于整个煤田煤层气的勘探开发意义重大。为此,利用地质和地球化学相结合的方法,对淮南煤田主要矿区——潘集煤矿和张集煤矿煤层气的成因类型进行了深入研究。结果表明:该区煤层气组分表现出了甲烷含量高、重烃和二氧化碳含量低的干燥气体的特征,与国内外含次生生物成因煤层气的组分特征一致。虽然该区煤岩的热演化程度已处于热成因气的生成阶段,但煤层气的δ13C1值的总体分布范围为-56.7‰^-67.9‰,仍属于生物成因气的分布范围。煤层气的δ13C2值主要分布在-22‰^-29‰,反映了乙烷的热成因特征,指示了该区的煤层气为热成因乙烷和微生物成因甲烷的混合。淮南煤田具有适合的煤阶、区域强烈隆升使煤层被抬升到浅部、地表水渗入煤层、生物气生成的最佳温度等次生生物成因煤层气生成的有利地质条件。因此,有利的地质条件、煤层气的组分与同位素显示的特征,相互印证了淮南煤田煤层气中有次生生物气存在的事实。

淮北煤田芦岭矿区次生生物气地球化学证据及其生成途径

从煤储层甲烷碳氢同位素组成、甲烷与水的氢同位素值的定量关系、煤层气田产出水的来源3个方面探讨了淮北煤田芦岭矿区煤层气的成因,结果表明:煤层气组分中甲烷气占绝对优势(达97%以上),且明显显示出极干气的特征;甲烷碳和氢同位素值范围分别为-67.6‰^-64.2‰,-206‰^-224‰,属于生物成因气的分布范围;甲烷氢同位素值(δD(CH4))和水氢同位素值(δD(H2O))定量关系表明,煤层甲烷气主要是二氧化碳还原作用生成的次生生物成因气;煤层水样品点同位素值均落在大气降水线附近,说明煤层水的主要来源为大气降水,符合生物成因气生成需有雨水补给的条件。综合3个方面定性和定量分析结果,并结合研究区构造-热演化史,认为现今淮北煤田芦岭矿区的煤层气主要为次生生物成因气。

煤层中次生生物气的形成途径与母质综合研究

微生物究竟利用煤岩中的哪些物质并通过何种具体途径形成次生生物气,煤层中是否含有丰富的此类物质可形成大量的次生生物气,是重要的基础科学问题.在多方面研究的基础上,运用气体同位素示踪、煤有机地球化学分析与煤热模拟产气实验等方法,对上述问题进行了系统的综合性研究.结果表明:次生生物气形成的具体途径是微生物还原CO2;产次生生物气的煤层具有遭受过微生物降解的特征;热成因气态重烃亦经历了微生物的改造并有可能形成微生物成因CO2;煤在热演化过程中可形成大量的CO2、较多的H2和一定量的气态重烃,加之微生物成因的CO2及煤层水,都可成为次生生物气的直接母源物质.故可溶有机质与气态重烃等组分都可为其他微生物所利用并最终形成次生生物气的母源先质.中低热演化程度的煤层中这些组分丰富,应是形成和寻找次生生物气的主力煤层.

关于煤层中次生生物气的生成问题

煤层气属于非常规天然气,是一种现实的补充资源,而且具有能源、减灾与环保三方面的重要研究价值。在早期的研究中,一般认为煤层气基本都属于热成因气。Scott等(1994)认为美国圣胡安盆地存在次生生物气(secondary biogenic gases)。所谓次生生物气,是指在成煤后,煤层被抬升到浅部,在适宜条件下在煤层中形成的微生物成因的煤层气。自圣胡安盆地之后,先后在波兰、土耳其、加拿大等国的有关含煤盆地内也陆续发现含有这种煤层气。陶明信等(2000,2005,2007,2012)也先后在我国安徽淮南、山西李雅庄和云南恩洪等地发现了次生生物气并进行了系统的地球化学与成因类型研究。次生生物气的生成可显著提高煤层的含气量,现有的研究与发现已证明其具有重要的资源价值。由于煤层中次生生物气的发现时间较短,研究程度还很有限,目前主要限于其地球化学组成与判识方面的研究,还有许多相关问题有待进一步研究。其中存在的一个重要的问题是,微生物究竟利用煤岩中的哪些物质形成次生生物气,而煤层中又是否含有丰富的此类物质而可形成大量的次生生物气?加之国内学术界曾存在一种推测:认为细菌不能分解煤岩(固体)物质,故煤岩(中)不可能再生成(次生)生物成因煤层气。因此,煤岩中究竟能否生成(次生)生物气,且是哪些母源物质通过什么具体途径所生成,是需要具体研究的关键性基础问题。近年来,针对上述问题,较系统地研究了煤层中形成次生生物气的母源物质,并通过气体地球化学示踪方法,追索次生生物气的形成途径与相关的形成机理或形成过程。本摘要概述相关的研究进展和初步认识如下:①含次生生物气的煤层气的地球化学特征主要为:随着次生生物成因甲烷的生成及其含量的增加,煤层气的组分变干,C_1/C_(1-n)值一般约为0.95,甚至为特干气;甲烷的δ^(13)C_1值变低,多在-55%o上下;δDCH_4值多低于-200‰;且随着次生生气的增加,△δ^(13)CCO_2-C_1值与△δ^(13)CC_2-C_1值均呈现出显著变大的趋势。②在煤岩形成演化过程中,可伴生大量的CO_2,H_2,是次生生物气的直接母源物质。在自然界中,绝大多数煤层气的CO_2含量都很低,而H_2则基本缺失。这显示,在煤的形成演化过程中生成的大量CO_2及H_2,除溢散到煤层外,基本都转化成了其他组分,而转化为生物成因甲烷则可能是其重要的去向。③C_(2+)亦显示出被微生物降解而其碳同位素组成(δ^(13)C值)明显变重的特点,说明热成因煤层气也经历了微生物的改造。④对煤层气中CO_2与CH_4之间的碳同位素分馏与示踪研究显示,二者的δ^(13)C值之间为负相关关系,CO_2被微生物还原为CH_4;相关的图解分析也显示,次生生物气主要属CO_2还原型。多方面的证据显示,CO_2还原是次生生物气形成的主要途径。⑤次生生物气中,CH_4和N_2的含量变化多呈线性消长的负相关关系,而N_2的δ^(15)N值与大气值(0‰)基本一致,即其中的N_2主要来自大气,从而表明煤层与地表沟通。地表水的下渗可将微生物带入煤层,为其后煤层中微生物的进一步繁盛厌与氧环境的形成创造了必要的环境条件。

淮南煤田次生生物成因气的比例及资源意义

主要利用实验的方法,并结合计算,对淮南煤田各研究矿区次生生物成因和热成因混合煤层气的比例进行了对比估算。结果显示两种方法估算的研究区煤层气的混合比例较为一致。淮南煤田混合煤层气中次生生物成因气所占比例较大,最高达到了79%,最低的也占到了43%。同时,国内外的研究也表明,煤层中后期次生生物气的生成可明显提高煤储层的含气量。因此,淮南煤田中后期次生生物气的生成对矿区煤层气资源的贡献重大。

含次生生物成因煤层气的碳同位素组成特征——以淮南煤田为例

淮南煤田煤层气属于热成因和次生生物成因气的混合气。不同矿区和不同煤层中煤层气的δ13C1值有明显的不同,这主要是由于现今淮南煤田的煤层气藏中后期生成的次生生物气与残留在煤层中的热解气混合比例不同造成的。研究显示,淮南煤田煤层气的δ13C1值明显轻于我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的1δ3C1值,表现出了含次生生物成因煤层气的δ13C1值的变化特征;而δ13C2值明显与我国热成因煤型气和世界主要地区煤层气的δ13C2值处于同一分布范围,表现出了热成因气δ13C2值的特征。淮南煤田煤层气的1δ3CCO2值反映出煤层气中的CO2主要为煤热解而来,部分是次生生物气生成过程中,经过了微生物的还原作用而残留的CO2。

对残余油进行生物气化以延长油田开发寿命

在2次或3次采油之后,油藏中仍有大量原油残留下来,利用生物技术把这些目前看来没有经济价值的残余油转化成天然气,有可能成为延长油田开采寿命的一个新路径。大量实验资料和现场观察表明,微生物能够把残余油转化为生物甲烷。在这个体系中除能检测到活的生物体存在外,天然气中甲烷同位素变轻、二氧化碳同位素增重、湿气被生物降解、地层水中溶解无机碳同位素重、原油组成在油柱上呈梯度变化等都能指示生物甲烷形成过程的存在。刺激生物气形成的方法包括增加反应物中氢的含量,注入含氮、磷、钾的各种化合物以增加微生物所需养分,根据地质、地球化学及微生物学分析调整微生物生存环境以及清除微生物代谢中间产物等。由于不同地区的地质、水化学及微生物存在巨大差异,刺激微生物活性的方式可能各不相同。

煤炭生物气化培养基优化研究

本文使用正交实验的方法,优化了煤炭生物气化的培养基配方,确定N系为控制产气结果的关键因素,应精确控制添加量,优化后的配方为N系40 m L/L,BR系20 m L/L,SL系40 m L/L,BE系1 g/L.

鄂尔多斯盆地乌审旗地区煤层气富集主控因素及其勘探方向

乌审旗地区是鄂尔多斯盆地的重要含煤区，也是近几年低煤阶煤层气勘探的热点地区。但该区前期煤层气钻探总体效果并不理想，迫切需要认清该区煤层气富集规律，以便有效开展煤层气勘探及开发利用。为此，对该区煤层分布特征、聚煤期沉积环境、煤岩特征及储层物性、煤层含气性等地质条件进行了分析，发现该区煤岩演化程度低，以低堞阶长焰煤为主，煤层厚5～30n3，大部分地区煤层埋深小于1000m且分布稳定，具有一定的煤层气勘探潜力。但煤层气钻井揭示该区煤层含气性变化大，煤层含气量介于0．19～6．7m^3／t，部分地区煤层气组成中CH4含量小于25％，说明煤层早期成岩时生成吸附的甲烷已被破坏逸散。进一步分析影响该区煤层气富集的主控因素后认为：在煤层直接盖层为砂岩、保存条件差的地区，煤层含气性差，反之，则含气性好，如果有后期生物气的补充，则可以富集成藏。最后指出：该区北部的乌审召区块和南部的纳林河区块，煤层气保存条件好、含气量高、勘探潜力大，可作为下一步煤层气勘探的有利目标区。

韩城矿区煤层气成藏条件及类型划分

韩城矿区是我国最早实现煤层气商业开发的区块之一,分析前期煤层气勘探开发试验成果,有助于进一步认识煤层气成藏机理,提升开发效率。从含气性和渗透性两个关键储层参数、以及构造变形和水文地质条件两大宏观地质因素出发,揭示了煤层气成藏地质条件及其耦合作用,并划分了成藏类型:韩城矿区基本构造形态为一走向NE,倾向NW的单斜构造,地下水在东南边浅部接受补给并向西北流动,流动过程中径流强度逐渐减弱,在中深部形成水力封堵造成煤层气富集。煤层含气量总体沿地层倾向增大,边浅部在活跃地下水补给条件下生成次生生物气,造成含气量局部增高。构造曲率显示边浅部构造带和东泽村构造带是煤层变形最强的两个区域,受其控制,边浅部煤级局部可达贫煤,且分布范围与高变形区域基本吻合,揭示存在动力变质作用。400 m和800 m两个深度界限划分了含气量和渗透率的垂向分异格局,在此基础上区分出3种煤层气成藏类型,分别为边浅部隆起断裂带逸散型,深部斜坡带富集型以及中部过渡型,中部过渡型含气量与渗透率可实现优势叠合,煤层气开发条件最好,实际产能情况与之相符。

沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井煤层气地球化学特征及成因

为了研究废弃矿井中煤层气成因,以沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井为例,抽采废弃矿井中煤层气并进行化学组分和同位素测试,并采集部分废弃矿井水样品测试水中离子浓度、pH值等进行研究。结果表明:潘庄区块废弃矿井中煤层气CH4体积分数平均值为91.99%,CO2为1.26%,N2为6.73%;甲烷碳同位素(δ13C1)值为–31.36‰~–33.53‰,平均–32.25‰,氢同位素(δD)值为–182.76‰~–193.20‰,平均–187.538‰。废弃矿井排采水中阴阳离子主要为Mg2+、K+、HCO3–、Cl–、Na+、SO42–和NO3–等,产出水型为Mg-(HCO3)2型,表明矿井水受到地表水的强烈影响。废弃矿井中煤层气主要以热成因气为主,少量次生生物气。与附近未开采煤储层相比,研究区废弃矿井中的环境更有利于次生生物气的生成。

“煤层气的形成演化、成因类型及资源贡献”课题研究进展

扼要介绍了国家"973"煤层气项目所属"煤层气的形成演化、成因类型及资源贡献"课题在煤层气地球化学组成、次生生物成因煤层气、煤层气的成因类型与综合示踪指标体系、煤岩生烃动力学等方面的主要成果与研究进展。

鄂尔多斯盆地东南缘临汾区块煤层气成因及其影响

为研究临汾地区煤层气成因类型,在综合前人研究成果的基础上,研究分析了煤芯解吸气成分、井口气成分、碳同位素特征、煤层水地球化学特征及水动力等条件,认为研究区煤层气保存条件整体良好,但甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少,表明受到了一定因素或次生作用的影响。对比分析导致甲烷碳同位素偏轻、重烃组分偏少的次生改造作用,认为扩散-运移的影响作用最大,还认为临汾区块东缘和薛关一带具备形成次生生物成因气的条件。结合Whiticar图版,认为临汾区块煤层气主要为受到运移-扩散次生作用影响的热成因气,J81井5号和8号煤、J25井8号煤层气为次生生物成因气,J25井5号煤和J60,J62,J11,J80井煤层气为热成因气和次生生物气的混合气。薛关一带和东缘刁口—蒲县东一带虽有次生生物气的补充,但后期保存条件较差,含气量普遍偏低。薛关断裂以西的构造斜坡带,热成因气保存条件良好,含气量高。

澳大利亚东部聚煤盆地煤层气成藏特征差异性研究

以澳大利亚东部的波恩、苏拉特、加利利三大含煤盆地为例,对煤岩沉积背景、煤质特征、储层特征、保存条件等煤层气地质特征进行了系统对比分析与总结。结果表明,三大含煤盆地都具有较高的含气量和含气饱和度。沉积背景是煤质的主要影响因素,三大含煤盆地的煤岩经历了不同的煤化阶段,其吸附能力、渗透率、含气量等存在差异。大自流盆地对这三大盆地煤层气藏的富集有重要影响,表现为一方面较强的水动力影响到煤层气保存,另一方面给煤层次生生物气的产生创造了条件,提高了煤层的含气量。

褐煤本源菌生气特征及其作用机理

以云南昭通盆地褐煤为对象开展次生生物煤层气生成的模拟实验研究,并对生气机制进行了探讨。研究发现,褐煤样品中有本源活性厌氧细菌存在,以厌氧纤维素分解菌为主,硫酸盐还原菌极少;成功富集到本源产甲烷菌,以革兰氏阳性杆菌为主,个体差异较大。在此基础上,以富集到的本源菌为菌源,利用褐煤样品为底物进行了生物气生成模拟实验。结果表明:本源厌氧菌经过适应期后,能够利用褐煤有机质大量生气;次生生物气经历了2个产气周期,第1周期为腐植组产气期;第2周期是惰质组、稳定组产气期。认为产甲烷菌数量和腐植组含量直接影响生成潜力,矿物质对生气量影响明显;第1个周期的生气机理是乙酸发酵,第2个周期有CO2还原作用参与。结果显示:所生成甲烷的δ13C1值和δD均处于次生生物气正常范围;δ13C1随着降解时间延长而变轻,这主要受底物类型和甲烷生成途径控制;13C1有明显从原煤向生物气中迁移的特征,认为母源继承关系和显微组分构成是造成迁移行为差异的重要原因。同时发现:在厌氧细菌降解作用下,褐煤族组分中饱和烃是受微生物降解的主要成分,厌氧细菌对偶数碳烷烃的降解能力更强,对正构烷烃的降解能力强过对异构烷烃的降解,低碳数的正构烷烃受降解程度大于高碳数烷烃,降解后期长链烷烃才受到明显的生物降解作用。基于实验结果认为,褐煤次生生物气产出是多种微生物共同作用的结果。随降解活动的进行,体系中优势微生物、生物酶发生改变和更替,引起pH值和VFA含量变化。降解初期发酵细菌为优势菌种,产甲烷菌和辅酶F420活性受到酸性物质的抑制。随后,产氢产乙酸菌成为优势菌,它们利用发酵细菌代谢产物产生乙酸和氢,两者之间具有食物链关系。辅酶F420活性在静止期后增长迅速,并在产气高峰期达到最大,体现本源产甲烷菌对褐煤底物的良好适应性,是评价产气量高低的有效指标。通过改变生气条件,研究底物类型、褐煤粒度、矿井水和煤矸石对褐煤生物气生成的影响。结果表明:不同配比的酵母浸出液、甲醇和乙酸钠溶液对生物气生成具有抑制或激活作用,较小粒度褐煤有利于提高生气率,不同比例矿井水的添加能够有效增加次生生物气产量。煤矸石本身不能作为基质被厌氧细菌利用。

褐煤本源菌生气特征及其作用机理

阐明了微生物与煤中有机质相互作用而生气的特征和机理,是深入理解煤层气成因及创新煤层气开采方法的重要基础。以昭通盆地褐煤为对象开展次生生物煤层气生成的模拟实验研究,并对生气机制进行了探讨。研究发现,褐煤样品中有本源活性厌氧细菌存在,以厌氧纤维素分解菌为主,硫酸盐还原菌极少;成功富集到本源产甲烷菌,以革兰氏阳性杆菌为主,个体差异较大。在此基础上,以富集到的本源菌为菌源,利用褐煤样品为底物进行了生物气生成模拟实验。结果表明:本源厌氧菌经过适应期后,能够利用褐煤有机质大量生气;次生生物气经历了两个产气周期,第1周期为腐植组产气期,第2周期是惰质组、稳定组产气期。认为产甲烷菌数量和腐植组含量直接影响生成潜力,矿物质对生气量影响明显;第1个周期的生气机理是乙酸发酵,第2个周期有CO2还原作用参与其中。结果显示:所生成甲烷的δ13C1值和δD均处于次生生物气正常范围;δ13C1随着降解时间的延长而变轻,这主要受底物类型和甲烷生成途径控制;13C1有明显从原煤向生物气中迁移的特征,认为母源继承关系和显微组分构成是造成迁移行为差异的重要原因。同时发现:在厌氧细菌降解作用下,褐煤族组分中饱和烃是受微生物降解的主要成分,厌氧细菌对偶数碳烷烃的降解能力更强,对正构烷烃的降解能力强过对异构烷烃的降解,低碳数的正构烷烃受降解程度大于高碳数烷烃,降解后期长链烷烃才受到明显的生物降解作用。基于实验结果认为,褐煤次生生物气产出是多种微生物共同作用的结果。随降解活动的进行,体系中优势微生物、生物酶发生改变和更替,引起pH值和VFA含量变化。降解初期发酵细菌为优势菌种,产甲烷菌和辅酶F420活性受到酸性物质的抑制。随后,产氢产乙酸菌成为优势菌,它们利用发酵细菌代谢产物产生乙酸和氢,两者之间具有食物链关系。辅酶F420活性在静止期后增长迅速,并在产气高峰期达到最大,体现本源产甲烷菌对褐煤底物的良好适应性,是评价产气量高低的有效指标。通过改变生气条件,研究底物类型、褐煤粒度、矿井水和煤矸石对褐煤生物气生成的影响。结果表明:不同配比的酵母浸出液、甲醇和乙酸钠溶液对生物气生成具有抑制或激活作用,较小粒度褐煤有利于提高生气率,不同比例矿井水的添加能够有效增加次生生物气产量。煤矸石本身不能作为基质被厌氧细菌利用。

开平-涧河地区煤层气特征与有利勘探区带

开平—涧河地区位于燕山南麓,南堡新生代凹陷西北部,东部以黑沿子断层为界与老王庄凸起相邻,西至宁河向斜,北部与燕山褶皱带相连。该区是一个由古生界、中生界及新生界叠合而成的构造盆地。整体上是一个被后期构造复杂化了的向斜构造,轴向北东,向西南倾伏（何海泉等,1987）。

阜新盆地煤层气成因分析

对阜新盆地煤层气成分、气体同位素和热演化特征的分析结果表明:气体组分中甲烷含量高,主要为干气;气体稳定碳同位素值δ(13C1)为-58.00‰^-44.70‰,气体较轻;煤的镜质体反射率为0.42%~1.67%,热演化程度较低。另外,盆地在孙家湾期整体隆升,地下水以地表降水渗入为主,早期生成的原生生物气生成量有限且大多散失,考虑到成煤后两期岩浆活动,现今保存的煤层气为次生生物-热解混合成因煤层气,盆地煤层气的进一步勘探开发应针对此类混合成因煤层气进行。

鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化

低煤阶煤层气作为一种非常规天然气资源，具有良好的勘探开发前景。我国低煤阶煤层气资源丰富，进行低煤阶煤层气系统演化分析，对其富集成藏及开发具有重要的理论意义。鄂尔多斯盆地煤层甲烷的碳同位素δ13C1为-33.1‰～-80.0‰，氢同位素4CHdD 为-235‰～-268‰。该盆地侏罗系煤层气藏主要有次生生物气与热成因气构成的混合型煤层气藏和热成因气藏两种类型。据构造热事件、煤层气组分及成因，结合不同阶段的煤层埋深、变质程度和生气特征等，将鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气系统演化划分为4个阶段：煤系浅埋-原生生物气阶段﹑煤系深埋-热成因气阶段﹑煤系抬升-吸附气逃逸散失阶段﹑煤系局部沉降-次生生物气补充阶段。其中，煤系深埋-热成因气阶段和局部沉降-次生生物气阶段是低煤阶煤层气资源的主要形成阶段。次生生物气的补充是鄂尔多斯盆地侏罗系低煤阶煤层气成功开发的重要气源。鄂尔多斯盆地侏罗系煤层气藏应属于单斜式富气成藏模式。

鄂尔多斯盆地兴县地区煤层气地球化学特征及成因

煤层气化学组分、甲烷碳氢同位素特征对煤层气成因、分布规律和煤层气资源评价具有重要意义。为了查明河东煤田北部兴县地区山西组、太原组煤层甲烷及二氧化碳成因,采集研究区煤层气井解吸气样,通过组分分析、CH_4碳氢同位素和CO_2碳同位素测试,根据煤层气成因图版,分析了煤层气稳定同位素的地质影响因素,揭示了研究区煤层气成因。结果表明,区内主力煤层的甲烷碳同位素存在明显差异:8煤甲烷δ^(13)C_1值介于–55.1‰~–44.2‰,平均为–49.2‰;13煤δ^(13)C_1值介于–65.7‰~–55.7‰,平均为–59.8‰。同一煤层内甲烷碳同位素呈现出随煤层埋深增加而变重、随水动力条件增强变轻的特点;甲烷碳同位素偏轻,重烃组分偏少,表明受到一定因素或次生作用的影响。8煤以热成因气为主,13煤以次生生物成因气为主。研究区8煤δ^(13)C(CO_2)介于–17.3‰~–4.8‰,13煤δ^(13)C(CO_2)介于–26.3‰~–6.9‰,二氧化碳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。研究成果为明确该区煤层气勘探开发方向提供了理论依据。