煤在热演化过程中,受温度和压力作用产生了大量甲烷气体。这些气体主要以吸附态赋存于煤层及其围岩中,一般认为煤层气属于自生自储型气体资源[1]。鄂尔多斯盆地南部侏罗纪煤的热演化程度低,煤层气既存在热成因的,也有次生生物成因的[2],现今含气量总体较低。但黄陵二号矿在采煤过程中发生过大量瓦斯涌出和原油流入巷道的情况。其北部芦村一号矿勘探及建井阶段,也发生了气体喷孔和原油渗入井筒现象。

上述情况说明,该区域煤层中气体并非单纯来源于煤系,推测煤层中赋存有油型气。为进一步求证,笔者从黄陵二号矿煤层顶板、煤层、底板及采空区采集了220组气体样品,通过气体组分和同位素分析揭示了煤层中气体来源,对油型气的成因类型做了划分,并从地质角度解释了气体来源。

1 地质背景

黄陵地区侏罗系有油气显示的层位从上至下为直罗组下段底部直罗砂岩、延安组二段底部七里镇砂岩、延安组一段2号煤层和富县组下部砂岩(图1)。2号煤层为主采煤层,位于延安组一段中、上部[3]。侏罗系下部三叠系延长组发育烃源岩[4-6]。

根据勘探资料,黄陵二号矿井田内有油气显示的钻孔46个,其中P50钻孔和R29钻孔发生气体喷出。芦村一号矿煤炭勘查和建井期间也有油气显示,例如,井检孔J1孔直罗砂岩段涌气、新J1孔直罗砂岩段出现气泡、延安组砂岩段见油迹、2号煤层下深灰色粉砂岩段发生井喷(457 m深度)以及副井372.5 m深度瓦斯超限。

2 气样测试结果

天然气成因类型可以通过甲烷碳同位素δ13C1、甲烷氢同位素δD、乙烷碳同位素δ13C2和重烃含量C2+等指标来鉴别[7-8]。本次从黄陵二号矿煤层、顶板、底板及采空区采集了220个气样,运用色谱-同位素质谱仪测定气样的甲烷碳同位素δ13C1、乙烷碳同位素δ13C2、甲烷氢同位素δD及重烃气C2+含量(表1)。

根据测试结果,煤层顶板气δ13C1分布在-66.5‰～-48.7‰,平均-55.6‰;δ13C2分布在-34.9‰～-28.01‰,平均-32.29‰;重烃气含量为0～51.32%,平均8.49%。

煤层气δ13C1为-70.30‰～-45.2‰,平均-60.5‰;δD为-257.2‰～-251.4‰,平均-254.55‰;δ13C2为-33.65‰～-15.9‰,平均-29.4‰;重烃气含量为0～6.68%,平均0.97%。

底板气δ13C1为-68.95‰～-21.42‰,平均-50.32‰;δD为-273.27～-201.70‰,平均-232.05‰;δ13C2为-38.8‰～-21.1‰,平均-30.79‰;重烃气含量为0～20.9%,平均1.79%。

采空区气δ13C1为-62.0‰～-49.6‰,平均-54.2‰;δ13C2为-35.6‰～-25.7‰,平均-31.3‰;重烃气含量为0.338%～0.340%,平均0.339%。

3 讨 论

3.1 煤成气与油型气鉴别

(1)甲烷碳同位素组成

就母质类型而言,煤成气甲烷碳同位素δ13C1较油型气重,且随着镜质体反射率的增加而变重[9]。根据我国天然气资料,煤成气δ13C1分布范围-52‰～-24‰,主要分布在-38‰～-32‰;油型气δ13C1值分布范围-58‰～-30‰,主要分布在-40‰～-35‰[10]。δ13C1易受有机质成熟度的影响,高成熟的油型裂解气与煤成热解气δ13C1往往重叠在同一区域内。研究区气样δ13C1分布区间为-70.30‰～-21.42‰(表1),分布范围广,仅借助该结果,无法识别其中是否含有油型气。

(2)乙烷碳同位素组成

重烃气碳同位素具有较强的母质类型继承性[11],能够有效地鉴别两类不同母质形成的天然气,比甲烷碳同位素具有更好的判源效果。根据前人研究成果,我国乙烷碳同位素δ13C2值小于-28.8‰的天然气是油型气[10]。

由表1可知,研究区煤层气、顶板气、底板气、采空区气的δ13C2值分布范围为-38.80‰～-15.90‰,最小值均轻于-28.8‰,说明各层位气体均可能存在油型气,煤系中气体为煤成气和油型气的混合气。

(3)气体组分

油型气在化学组成上的基本特点是重烃气含量高,一般大于5%,最高可达40%～50%,甚至可超过甲烷体积分数。过成熟干气则以甲烷为主,重烃气含量一般小于2%。表1中,研究区重烃气含量分布在0～51.32%,以大于5%作为临界值,除采空区气样未发现油型气外,煤层及顶底板均有分布。

3.2 油型气成因类型分析

Schoell通过世界不同盆地的500组天然气数据总结出了甲烷δ13C1与δD、重烃气含量及乙烷δ13C2之间的关联图版,用于鉴别气体成因[12]。笔者利用上述图版判识了黄陵二号矿煤系气成因类型。

从δ13C1与重烃气C2+含量图解(图2)可以看出,煤层气主要为生物气(9个气样),其次为混合气来源(6个气样),这里的混合来源指的是油型气中各种来源气体的混合;采空区2个气样显示为混合气体;顶板气主要为裂解凝析气(8个气样),其次为生物气(4个气样)和混合气(2个气样);底板气主要为裂解凝析气(27个气样),其次为混合气(21个气样)和生物气(14个气样)。

从甲烷δ13C1与δD关系图解(图3)可以发现,煤层气为陆源生物气(6个气样);底板气主要为石油伴生气(35个气样),其次为裂解凝析气(6个气样)、混合气(3个气样)和生物气(2个气样)。

从δ13C1与δ13C2关系(图4)可以看出,煤层气主要为混合气(2个点),采空区气体为混合气(10个点);顶板气为混合气(8个点);底板气主要为混合气(54个点),有少部分石油伴生气和凝析气(各1个点)。

综合所述,研究区煤层及其围岩中油型混合气主要包括裂解凝析气、生物气和石油伴生气。其中,煤层气的主要成因类型为生物气和混合气(表2);采空区气为混合气;顶板气为混合气、裂解凝析气,有少量生物气存在;底板气主要为混合气、裂解凝析气、石油伴生气等,另外也存在一定比例的生物气。

总之,黄陵地区侏罗纪煤系中除了煤型气外,客观赋存有油型气。

3.3 油气来源

(1)侏罗系烃源岩

煤本身是很好的生气烃源岩,在煤化作用过程中,煤中Ⅲ型干酪根的生气过程是连续的,镜质体反射率从0.5%到4.0%的各个演化阶段都有天然气的生成。黄陵地区的煤属于低变质烟煤,热成熟度低,最大镜质体反射率0.625%～0.830%;煤岩显微组分中有机组分含量较高,大于90.8%,其中镜质组含量占29.6%～58.5%,平均43.8%;惰质组含量29.2%～64.6%,平均49.6%,惰质组含量稍高于镜质组;壳质组含量0.3%～5.0%,平均1.7%。该地区煤层具备一定的生气潜力,煤层中赋存的气体一部分为自生自储,剩余部分逸散到围岩中。

另外,煤系中泥页岩、粉砂岩中有机质同样能够生成天然气。延安组煤层顶底板泥岩及砂质泥岩有机质丰度差～中等(TOC含量为0.03%～2.72%),生烃潜量低(S1+S2为0.14～2.98 mg/g)。

(2)三叠系烃源岩

三叠系上统延长组(石油系统命名)在鄂尔多斯盆地层位大致相当于煤炭系统命名的瓦窑堡组,属于大型内陆湖盆沉积,富含暗色泥岩,有机质含量高,具有较高产烃能力[4-6],与上覆侏罗系下统富县组底界呈不整合接触关系。

延长组沉积时期鄂尔多斯盆地属于大型内陆湖盆,油源充足,在沉积过程中形成一套深湖-半深湖相富含有机质的暗色泥岩,具有连续沉积厚度大、层位稳定、生油母质类型好、全盆地范围可稳定追踪对比的特点。有机质是以藻类为主的湖生低等生物,其干酪根类型为混合型至腐泥型,盆地中烃源岩具有较高产烃能力[13]。鄂尔多斯盆地南部烃源岩累计厚度大,达到140～240 m,有效烃源岩厚度达20～100 m,不同湖泛面形成多层烃源岩。长7期沉积中心为华池—正宁—黄陵一带,其中张家滩页岩范围约9万km2,厚度大、有机质丰度高[14-17]。

黄陵矿区侏罗纪煤系位于三叠纪延长组数层烃源岩叠合分布深湖区上方,盆地生烃强度高值区与深湖区范围基本一致,生烃强度400×104 t/km2,这正是本区侏罗纪煤层发现油气显示根本原因。下部三叠纪延长组生成的油气通过地层中的断层与裂缝,向上运移至侏罗纪煤系中储存下来[18-20],提高了侏罗纪煤层的含气性。

4 结 论

(1)黄陵矿区侏罗系煤层、顶板、底板及采空区中气体为煤成气与油型气的混合气。

(2)同位素的研究证实,煤层及其围岩中油型混合气主要包括裂解凝析气、生物气和石油伴生气。其中,煤层气的油气成因类型为生物气和混合气;采空区气为混合气;顶板气主要为混合气、裂解凝析气;底板气主要为混合气、裂解凝析气、石油伴生气等,另外也存在一定比例的生物气。

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