煤层气同位素的影响因素
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发布时间：2022-05-02 15:14
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时间：2022-06-20 14:39
世界各地煤层气组分和同位素组成差异很大，煤层气组成主要受煤岩组分(母质)、煤阶、生气过程、埋深及相应的温压条件等因素影响。此外，水动力条件和次生作用(如混合、氧化作用)等也影响煤层气的地球化学组成。
1.煤岩组分
煤岩组分是煤的基本成分，是煤层气的生气母质，所以是影响煤层气组成的首要因素。大多数煤归为腐殖型干酪根，煤岩组分以镜质组为主并含有少量的壳质组和惰质组。壳质组通常相对富氢，是煤成油的主要显微组分，具有很高的生烃能力。有机岩石学和地球化学研究证明:镜质组与Ⅲ型干酪根的热演化途径一致，主要生成甲烷和其他气体，镜质组富氢的某些组分亦可生成液态烃(姚素华，1996);惰质组的产气量比相同煤阶的壳质组和镜质组低。三种煤岩组分的气态烃产率以壳质组最高，镜质组次之，惰质组最低(傅家谟等，1990)。
在中等变质煤(高挥发分烟煤至中挥发分烟煤)中，腐泥型煤(Ⅰ、Ⅱ型干酪根，主要为壳质组和富氢镜质组)能够生成湿气和液态烃，而腐殖型煤(Ⅲ型干酪根，主要含镜质组)生成较干的气体。对于高变质煤，煤层气主要成分是甲烷，由残留干酪根和早期生成的重烃裂解而形成。一般地说，含富氧干酪根的煤(镜质组为主)生成的煤层气和含富氢干酪根的煤(壳质组和富氢镜质组为主)生成的煤层气相比，在成熟度相同的条件下前者比后者δ13C1值较大，而前者甲烷和乙烷的δ13C1值的分布范围比后者窄。这是因为脂肪族烃热裂解生成的甲烷同位素较轻，这种甲烷在含富氢干酪根的煤层生成的气体中占优势，芳香族烃热裂解生成甲烷的碳同位素较重，它在含富氧干酪根的煤层生成的气体中占主导地位(Law，1993)。
煤的热演化早期阶段所生成的液态烃保留在煤的微孔结构中，在较高温度时煤层中的液态烃裂解，生成的气体比直接产自干酪根的气体有较大的δ13C1值(Law，1993)。
2.煤化程度
煤化程度是控制气体生成量和组分的重要因素，同时也影响着煤层气的同位素组成。一般而言，煤变质程度越高，生成的气体量也越多。低变质煤(亚烟煤—中挥发分烟煤)生成的热成因气以二氧化碳为主，而高变质煤(低挥发分烟煤及以上煤阶煤)生成的气体主要成分为甲烷(图4－1)。
如前所述，煤层气中甲烷的δ13C1值和煤阶有一定关系。通常，低变质程度煤生成的煤层气中甲烷的δ13C1值较小，高变质程度煤生成的煤层气中甲烷的δ13C1值较大。对于未发生次生变化的原生煤层气而言，随着煤变质程度的提高，相应煤层气中的甲烷富集氘和13C(Law，1993)。
3.煤层气成因
煤层气的生成有生物成因和热成因两个过程。由于形成时间、温度、压力、母质和生气机理(有无细菌活动等)等方面的差异，所以这两个过程中所生成的煤层气的组成也有较大差异。
通常由于生物体对12C的富集，所以生物成因气的δ13C1值较小，甲烷的δ13C1值一般介于－55‰～－90‰之间，甚至更轻。生物成因气通过二氧化碳还原作用和有机酸发酵作用而生成，这两种不同的生气机制所生成的生物气的同位素特征也有差异。通常，由二氧化碳还原作用生成的甲烷碳同位素较轻(甲烷δ13C1值介于－55‰～－110‰之间)且富氘(δD值介于－150‰～－250‰之间);有机酸发酵作用生成的甲烷碳同位素则较重(甲烷δ13C1值在－40‰～－70‰之间)且消耗氘(δD值在－250‰～－400‰之间)。但要注意，二氧化碳还原生成甲烷的δ13C1值和CO2基质的δ13C值有关，甲烷的δD值和地层水的δD值有关(Law，1993)。
随着煤化程度提高，重同位素δ13C在甲烷和乙烷中富集(甲烷δ13C1值大于－55‰)，这是因为在热成因成气过程中随着煤化程度提高，气体分子中的12C—12C键比12C—13C键更频繁地断开，致使残留气体中富集13C，所以热成因气体的δ13C1值随之增大(Law，1993)。
4.煤层埋藏深度
煤层埋藏深度和煤层气甲烷δ13C1值有一定关系。一般而言，随煤层埋藏深度增加煤层气的δ13C1值呈增大趋势。与深层煤层气相比，浅层煤层气为较干气体且所含甲烷的δ13C1值低。从世界各地的资料看，在煤阶相同或相近的情况下，δ13C1值较小的煤层气的赋存深度一般也较浅。随着煤层埋藏深度增加煤层气的组分也发生着变化。
5.煤层气的解吸和扩散
煤层后期抬升，煤储层压力场发生改变，煤层气出现解吸和扩散。结构简单、分子量小、质量轻的甲烷比结构复杂、分子量大且较重的重烃气容易解吸且速度快。在同为甲烷的分子中，轻的12C1由于极性弱，比重的和极性强的13C1容易解吸且速度快。因此，随煤层埋藏深度的增加，煤层气的δ13C1值亦呈增大趋势。
6.次生作用
煤层气的次生作用，是指对早期已生成气体的改造作用。主要是生物成因气和热成因气的混合和湿气组分的氧化作用。次生作用影响煤层气的组成，尤其是浅层煤层气。在浅部，煤层通常为细菌繁盛的含水层。细菌影响煤层气组成的方式有3种:①厌氧菌活动导致大量生物成因气的生成并和以前生成的热成因气混合，这种混合作用可以解释某些地区浅层煤层气组分的变化;②喜氧菌优先和湿气组分发生作用，使湿气大部分受到破坏，从而使残留湿气组分的δ13C1值比预期的高;③喜氧菌的活动造成甲烷的氧化和消耗，使残留甲烷的δ13C1和δD值增大(Law，1993)。
7.水文地质条件
有些地区水动力条件对煤层气组成的影响十分明显，如美国圣胡安盆地，盆地北部超高压区煤层气为富CO2干气，南部低压区煤层气则为贫CO2湿气(Scott，1993)。在区域抬升后又遭受剥蚀的盆地边缘，大气降水进入可渗透煤层中，细菌随流动水也一起迁移到煤层中，在细菌的降解和自身代谢活动作用下生成了次生生物成因气。它是煤层气的一个补充来源并有可能使煤层气井形成异常高的气体产量。
8.CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应
煤在成烃过程中形成的煤层气中CH4和CO2的含量均较多。CH4和CO2的碳同位素交换平衡效应使煤层气中的13C1大幅度降低，导致煤层气中CH4碳同素变轻。其反应如下:
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CH4和CO2碳同位素交换平衡效应使δ13C1变轻的作用，主要发生在煤层气形成后的早期，因为此时煤层气中CH4和CO2含量均较高，而后期由于CO2被大量溶解，CH4含量占绝对优势而CO2含量很低，交换平衡效应影响不大。
