淮南晚古生代煤的生烴特征及地質意義

秦國建

(煤炭科學研究總院西安研究院,陜西 710054)

1 引言

淮南煤田是我國華東地區的重要能源基地,是一個典型的二疊紀煤田。其二疊紀含煤地層厚度變化在610～920m之間,該煤系含煤38層,主要賦存于山西組和上、下石盒子組,其中,13-1煤層、11-2煤層、8煤層、1煤層是主要可采煤層。本煤田受構造活動也巖漿活動影響較大,潘集和丁集附近的煤礦井下,見有巖漿侵入體。

煤作為良好的烴源巖,也是獨特的儲層。組成煤的不同有機組分,生烴特征差異較大,從某種程度上影響著不同地區煤層氣地質特征及開發潛力。本文嘗試以煤的物質組成特征為基礎,進行有機質類型、生氣階段和生氣能力等方面的探討,為煤層氣開發提供地質依據。

2 煤儲層的物質組成特征

2.1 宏觀煤巖特征

通過對部分礦井的主要煤層進行井下觀測與描述,主要煤層的宏觀煤巖類型總的是以半亮煤、半暗煤為主,暗淡煤和光亮煤較少 (圖1)。煤層多呈條帶狀結構,以細條帶狀結構和線理狀結構為主。宏觀煤巖成分中以亮煤和暗煤較多,鏡煤較少,它們交互成層形成條帶狀結構。

表1 新集礦區不同煤體結構含量

圖1 重點礦區主要煤層的煤巖類型和煤體結構圖

各主要煤層中的構造煤比較發育。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤發育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤為主,上部以碎裂煤為主;8煤以碎粒煤、碎裂煤為主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤發育 (表1、圖1)。

2.2 顯微煤巖特征

通過主要煤層的顯微組分統計及顯微鏡下組分鑒定可以看出,淮南不同礦區各主要煤層的顯微組分中殼質組含量比較高 (表2)。

鏡質組是各礦區主采煤層的主要成分,平均值39.5%～81.64%(表2)。煤田內由東向西,鏡質組含量增高;垂向上,除潘集外,大部分礦區主要煤層的鏡質組含量有自上而下增高的趨勢。顯微鏡下以均質鏡質體和細條帶狀或充填狀的基質鏡質體為主。

惰質組平均含量為17.13%～55.87%。顯微鏡下觀測,主要由粗粒體、碎屑惰質體、絲質體組成;粗粒體多呈絮狀、云朵狀、團塊狀和基質;絲質體主要是氧化絲質體,細胞結構一般保存較差,多呈星狀。

殼質組含量高是淮南各礦區煤的一大顯微煤巖特征,其平均含量4.63%～16.62%,其含量空間變化規律不明顯。顯微鏡下觀測,13-1、11-2、8號煤層以樹皮體為主,6號煤層以孢子體為主,其次是角質體、碎屑殼質體和樹脂體。

表2 部分礦區主要煤層的顯微煤巖組分、煤質特征統計表

2.3 煤質特征

通過對主要煤層的工業分析和元素分析測試結果統計表明,各礦區主要煤層的水分含量0.56%～2.31%;灰分含量15.41%～24.30%,屬低中-中灰煤;揮發份含量21.49%～41.65%。碳含量85%以上,氫含量5.4%左右 (表2)。

3 生烴階段與生烴潛力

3.1 有機質類型

淮南煤田煤的有機組成主要是鏡質組,其次是惰質組,殼質組含量較高,有少量的腐泥質。根據P.K.Mukhopaclhyay,H.W.Hagemann及J.R.G ormli關于干酪根類型的劃分,腐泥質屬于Ⅰ型干酪根,殼質組屬于Ⅱ型干酪根,鏡質組屬于Ⅲ型干酪根,惰質組屬于Ⅳ型干酪根。Ⅰ型干酪根主要生成油,Ⅱ型干酪根可生成油和氣,Ⅲ、Ⅳ型干酪根生成氣。

根據不同顯微組分的生烴特征,按有機組份百分含量進行加權計算,通過相關公式計算,淮南各礦區主要煤層的干酪根類型指數TI值為 (-55～-74) ＜0,屬于Ⅲ型干酪根,以產氣為主。

3.2 煤層氣生成階段

煤系地層形成后,進入三疊紀,一直連續接受沉積,當埋深達1600m時,大約為早三疊世,煤層溫度大約有60℃ (古地溫梯度2.65℃/100m,常溫帶16.8℃),煤分子開始發生熱裂解、聚合、變質,隨之熱解氣生成,隨著埋深、溫度、壓力增高,直至中三疊世,煤層埋深約2600m,地溫為86℃左右,伴隨煤深成變質作用進行,氣生成。印支運動使地殼抬升,終止了煤的深成變質作用及氣的生成,但繼之而來的是印支運動增強了該區的熱流值,地溫增高,出現二次變質和二次生氣,該地溫持續到燕山期 (140Ma),持續時間120～60Ma,盡管期間溫度提高不多,但持續時間長,因而一直有煤層氣生成,140Ma之后地溫開始降低煤變質作用停止,煤層氣生成也隨之終止。

3.3 煤的生烴特征

肖賢明等根據干酪根光學鑒定及單組分的熱模擬和地球化學研究,提出中國陸相烴源巖的產烴指數HP和產油指數 OP,根據顯微組分定量結果,可按下式計算：

式中 xi,yi——分別代表第 i類生烴母質與生油母質百分含量;

HPi,OPi——分別為 i生烴母質的產烴指數HP與產油指數OP值。

淮南各主要礦區煤中殼質組主要是孢子體、樹皮體,次是角質體、碎屑殼質體和樹脂體,少量的瀝青質體、藻類體、熒光體。產烴指數殼質組采用650,鏡質組采用150,惰質組采用50。產油指數殼質組采用600,鏡質組和惰質組采用0。

通過上述公式計算,淮南各礦區煤的產烴指數主要 (∑HP)為141.7～226.9,產油指數 (∑OP)為31.80～114.81(圖2)?？梢钥闯?淮南煤田的煤以產氣為主,可生成少量的油。

4 結論

(1)礦區內各主要煤層中的構造煤比較發育。整體上,糜棱煤、碎粒煤占到50%以上。其中,新集13-1煤碎裂煤、碎粒煤發育;11-2煤下部以糜棱煤、碎粒煤為主,上部以碎裂煤為主;8煤以碎粒煤、碎裂煤為主;花家湖8煤下部碎裂煤、碎粒煤發育。

(2)本區煤中殼質組含量高,平均含量4.63%～16.62%;通過顯微組分求出的干酪根類型指數TI為 (-55～-74) ＜0,有機質類型為Ⅲ型干酪根,以產氣為主。其中,產烴指數 (∑HP)為141.7～226.9,產油指數 (∑OP)為 31.80～114.81。

(3)諸多事實表明,本區煤體結構破碎,主要是受到礦區高地應力、強烈的構造作用所致。雖然本區煤的生氣潛力很大,但是強烈的構造運動致使本區煤儲層的滲透率特低,地面煤層氣開發受限,必須采取井下煤與煤層氣一體化開發的模式進行。

[1] 王生維,陳鐘惠,張明.淮南潘集礦區煤層氣儲層特征與勘探選區研究 [J].中國煤層氣,1996,2(第二屆全國煤層氣學術研討會專輯)：41-43.

[2] 桑樹勛,秦勇,姜波,等.淮南地區煤層氣地質研究與勘探開發潛勢 [J].天然氣工業,2001,21(5)：19-22.

[3] 張泓,鄭玉柱,鄭高升,等.安徽淮南煤田阜鳳推覆體之下的伸展構造及其形成機制 [J].煤田地質與勘探,2003,14-17.

[4] 韓德馨.中國煤巖學 [M].徐州：中國礦大出版社,1998.

[5] 劉德漢,張惠之,戴金星等.煤巖顯微組分的成烴實驗研究與評價 [J].科學通報,2000,45(4)：346-352.