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中国矿业大学学报990 116 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG i t p o i n t s o u t t h a t l o w e r d e l t a p l a i n a n d i n t e r d i s t r i b u t a r y b a y s w a m p s a r e f a v o r a b l e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f c o a l -d e r i v e d h y d r o c a r b o n , a n d t h e r u n n i n g w a t e r s w a m p f a c i e s i s t h e m o s t f a v o r a b l e f a c i e s z o n e f o r h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o n f r o m c o a l . T h e e x p u l s i o n o f o i l d e r i v e d f r o m c o a l h a s g r e a t e r g e o c h r o m a t o g r a p h i c e f f e c t t h a n t h a t f r o m m u d s t o n e ; t h e l o w m a t u r e s t a g e Ro 3. 03. 0 ～1. 51. 5～0 . 7 5 0 . 0 60 . 0 6 ～0 . 0 3 0 . 0 3～0 . 0 15 30 030 0 ～12 012 0 ～50 0 . 6 00 . 6 0 ～0 . 2 00 . 2 0 ～0 . 0 5 0 . 0 5 2 富氢煤形成条件 2 . 1 成煤沼泽氧化还原条件与成煤植物的差异 煤的前身物即泥炭的形成条件与环境，决定了煤的富氢程度. 泥炭化作用实质是沼泽中 有微生物参与下植物残体的复杂的生物化学作用过程［2 ］. 该过程中沼泽水愈还原，厌氧细 菌愈发育，并对有机质的改造愈强烈，氢的富集程度亦愈高，因此，生物化学作用过程中， 沼泽水介质的还原程度决定了煤的富氢性. 另一方面，成煤植物的不同也可以造成煤富氢程 度差异. 在有水参与下的高压釜模拟实验表明，由纤维素产生的腐殖酸几倍于木质素产生的 腐殖酸，而且在一定压力下，纤维素受热可形成沥青，而木质素则转变为芳香酸和酚类化合 物. 同时，纤维素转化为腐殖组所需的温度只需2 0 0 ℃，而木质素则需30 0 ℃的高温［2 ］. 不同 门类的植物其纤维素与木质素含量比例不尽相同，因此便造成煤的富氢程度有异. 2 . 2 下三角洲平原分流间湾沼泽和流水沼泽 有机质高度富集的煤可以形成于各种沉积体系中. 辫状河及辫状河三角洲体系发育于构 造活动期中的相对宁静期，沉积环境不稳定，泥炭沼泽表面常出露于潜水面之上，泥炭层常 处于氧化环境，因此煤中惰质组分含量常常很高 可达35～40 以上 ，富氢组分含量相对 较低，属于干燥森林沼泽相，成烃性很差；下三角洲平原由于河道显著分叉，因而分流间湾 发育，如沉积物供给充分，间湾逐渐充填、变浅，充填至一定程度后，其上植物生长发育， 逐渐形成泥炭沼泽，为流水沼泽相. 此种类型煤层一般厚度大且层数多，分布亦较稳定，含 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 116 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 46 中国矿业大学学报990 116 煤性较好. 成煤植物中林下蕨类植物含量较河漫沼泽中升高. 一方面河流和溪流所携带的上游 中未被分解的富氢组分在此堆积，另一个方面，由于此类沼泽水体相对较深，泥炭表层常在 潜水面以下，沼泽水介质更加还原，厌氧细菌繁育，泥炭沼泽菌解作用强烈，因而所形成的 煤氢含量较高，成烃性较好；湖泊沉积体系因常处于水下，因此聚煤作用较差，只是在湖湾 处有时可发育一些碳质泥岩和薄煤层，该环境下形成的煤其成烃性最好. 曲流河三角洲体系 中，河流-上三角洲平原以河流作用为主，河道边缘沼泽是最重要的聚煤场所. 成煤环境可分 为岸后沼泽和泛滥盆地沼泽. 这种环境下形成的煤层厚度较大，分布稳定，但煤层层数较少. 此环境形成的煤，由于厌氧细菌改造程度和成煤植物中蕨类植物相对含量，均介于河漫沼泽 和下三角洲间湾沼泽之间，因此成烃性好于河漫沼泽而差于下三角洲间湾沼泽. 图1概括反映 了河成沼泽与湖成沼泽环境下形成的煤之生烃性差异. 图1 吐哈盆地侏罗系不同成煤沼泽的煤成烃性比较 Fi g . 1 Co m p a r i s o n o f p o s s i b i l i t y o f c o a l -g e n e r a t i n g h y d r o c a r b o n f o r d i f f e r e n t s w a m p s i n Ju r a s s i c i n T u r p a n -H a m i Ba s i n 3 煤成油主要贡献组分与成烃模式 3. 1 煤成油地球化学特征 1） 与湖相油相比，煤成油的族组分富含饱和烃贫非烃与沥青质. 煤成油族组成饱和烃质 量分数一般为7 5％～8 5％，平均8 0 ％；芳烃质量分数8 ％～16 ％，平均12 ％；非烃与沥青质 质量分数4％～12 ％，平均8 ％. 2 ） 煤成油富重碳同位素 研究表明，煤的δ13C分布范围-2 1. 5‰～-2 7 . 6 ‰，平均- 2 4. 47 ‰. 根据同位素继承效应原理，煤成油碳同位素应该小于-2 8 ‰，吐哈盆地煤成油δ13C 分布范围为-2 5. 0 9‰～-2 7 . 8 ‰，平均为-2 6 . 6 ‰. 3） 煤成油具有明显的姥鲛烷优势 w （Pr ∶w Ph 4～6 . 4） 煤成油贫17 α（Η）-三降藿烷而富含C2 4四环萜烷，C2 4四环萜烷/ C2 3三环萜烷为5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 116 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 46 中国矿业大学学报990 116 ～9；C2 9降藿烷/ C30藿烷为0 . 50 ～0 . 8 5. 5） 煤成油具明显的C2 9甾烷优势. 3. 2 煤源岩主要生烃贡献组分与成烃模式 一般地, 湖相与海相烃源岩主要生烃贡献组分为富氢的腐泥组和壳质组, 而对于煤油源 岩，在地质历史中腐泥煤与残殖煤所占比例甚少，而以腐殖煤为主，其中组分组成以高含量 的凝胶化组分和丝炭化组分为特征，因此腐殖煤中主要生烃贡献组分的确定对煤油源岩的厘 定更为重要. 一般而言，由高等植物木质纤维组织在正常凝胶化作用条件下形成的典型镜质 体，其化学结构主要由具短脂肪链与含氧官能团联结的芳香网络结构组成，不是成油的主要 母质 . 但吐哈盆地煤中基质镜质体由于生物化学阶段细菌等微生物的强烈改造作用，使得其 先质得以“改良”，形成富氢镜质体，使其结构中具有氢化芳香结构，比较富含烃基团，有 生成液态烃的能力［3］，虽然单位体积的基质镜质体生成液态烃能力较壳质组低约1～2 倍， 但其在煤中的高含量则大大弥补了单位生烃量低的不足，而成为煤成烃贡献最主要组分. 结 合显微组分荧光演化性质、13 C NM R特征及Py -G C油气演化性质，建立了煤成油演化模式 图2 . 从图2 可以看出 , 煤成油具两个阶段，其成油主峰在Ro 0 . 5～0 . 8 期间，具有早期成烃 特征. 图2 吐哈盆地煤成烃演化模式图 Fi g . 2 Ev o l u t i o n m o d e l o f c o a l -g e n e r a t i n g h y d r o c a r b o n i n T u r p a n -H a m i Ba s i n 4 煤成油排驱的基本特征 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 116 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 46 中国矿业大学学报990 116 4. 1 煤成油排驱的地质色层效应 煤中生成烃类依次被煤中微孔过渡孔中孔大孔各级孔隙所吸附，然后是溶解和游 离析出. 研究表明，煤中过渡孔隙体积分数从低成熟的6 0 下降至高成熟的40 ［4］，该类孔 隙对于煤中烃类具有双重效应，即对于烃类中低分子量的链烷烃和环烷烃及芳烃等已不表现 为微孔效应，而对于非烃和沥青质等仍然表现为微孔效应，这意味着过渡孔内烷烃和芳烃易 于排驱出母体，而非烃和沥青质则不易排出. 不同级别的孔隙对于不同孔径尺寸的烃类分子 所表现的微孔特性是具选择性的. 一定级别孔径分子与不同级别孔隙间的相互作用不同；同 样，一定级别孔隙对于不同孔径烃类分子所表现的效应也存在差异，从而产生色层效应. 同 系物中，分子量越大，越易被吸附；极性化合物中，极性越大越易被吸附. 相应吸附顺序 为极性化合物＞芳烃＞异构烷烃＞正构烷烃. 也正缘于此，煤成油常常以轻质油产出. 4. 2 煤成油排驱的有利时期 从煤的孔隙度、孔隙分布特征及其演化规律可以看出，低中成熟阶段，煤中＜2 n m 的孔 隙体积含量较低，大孔隙含量相应较高，孔隙度可达10 以上；而在气煤晚期至焦煤阶段， 煤中＜2 n m 的微孔孔隙体积可达50 左右，大孔隙体积降至40 以下，孔隙度降至10 以下. 具相同生烃量的煤而言，低中演化阶段生成的烃类易于满足微孔对烃类吸附所需的阈值，多 余的烃类易于排出母体；而烃类主要形成于中高成熟阶段时，由于微孔增加因而消耗于孔隙 吸附的烃类较低演化阶段相应要多，因此不易满足微孔对烃类吸附所需的阈值. 换句话说， 当达到煤孔隙吸附饱和阈值时，低煤阶煤所需的生烃量较高煤阶煤所需的生烃量要小，因 此，低成熟时期Ro 0 . 9有利于煤成油的排驱与运移. 4. 3 煤成油排驱的主要通道 烃类在煤中赋存方式主要有4种，其一是以游离状态贮存于煤的孔隙尤其是大孔隙和裂 隙中；其二是以吸附方式与煤的各级孔隙相互作用；第3种是以置换式固溶方式存在于煤晶 体的芳香层缺陷处；第4种则以渗入式固溶方式赋存于芳香碳晶体内部. 4种赋存状态中以第2 种即吸附状态赋存为主要形式. 研究表明，第1吸附层烃类分子与煤孔壁表面作用力最强，随 后逐渐减弱，直至烃类以游离状态存在［4］. 因此，烃类与煤孔隙相互作用导致烃类网络的 形成. 网络中的烃类通过相互连通的孔隙网络和裂隙与输导层如断层相连，构成排驱运移的 主要通道. 5 煤成油形成的地质地球化学条件 煤成油藏的形成是特定地质条件下的产物. 1 盆地构造演化控制了煤系生储油岩系发 育； 2 存在低成熟成烃母质以利于烃类排出； 3 成煤沼泽氧化还原环境与成煤植物差异造 成了煤原始富氢程度的不同. 下三角洲平原沼泽及分流间湾沼泽是煤成烃发育的有利场所， 流水沼泽相是煤成烃最有利的相带； 4 适宜古地温梯度及后续盆地继承发展以保持源岩熟 化，上覆湖相沉积发育以利于烃类的保存. 控制烃源岩烃类生成并排出母体的重要因素之一 是源岩的热演化程度. 只有源岩成熟度达到大量烃类生成所需的成熟度，即生烃高峰所对应 的成熟度，所生的烃类方可克服煤及含煤有机质对其吸附并运移出母体. 盖层发育程度与封 闭性能的优劣，是已运移聚集的油气得以保存而成藏的重要条件之一. 煤的物性特征及烃类 与煤孔隙相互作用机理［4］，决定了煤成油以轻质油为主. 与正常湖相油比较，煤成油对盖 层的质量要求相应提高，因而烃源岩上覆区域湖相沉积的发育，是已运移的油气得以保存的 重要条件； 5 适宜的构造挤压条件以利于煤成油的排驱与运移. 煤系油气田应该在符合上述 几个条件的构造挤压不强不弱，能产生圈闭而又不破坏构造的完整性，油源断层发育而又不 通至地表的区带上去寻找. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 116 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 46 中国矿业大学学报990 116 * 国家自然科学基金资助项目（497 0 30 41），石油天然气总公司“石油科技中青年创新基 金（科字138 ）” 作者简介 赵长毅，男，196 2 年生，高级工程师，工学博士 作者单位石油勘探开发科学研究院 北京 10 0 0 8 3 参考文献 1 胡见义，黄第藩. 中国陆相石油地质理论基础. 北京石油工业出版社，1991. 18 ～2 5 2 杨 起. 煤地质学进展. 北京科学出版社，198 7 . 12 1～130 3 赵长毅，金奎励. 吐哈盆地煤中基质镜质体生烃潜力和特征. 科学通报，1994，39（2 1） 197 9～198 1 4 赵长毅，程克明. 煤成油排驱主要制约因素. 科学通报，1997 ，42 （16 ）17 55～17 57 5 赵长毅，赵文智，程克明等. 吐哈盆地煤成油形成的地质条件. 沉积学报，1997 ，15（增 刊）16 ～2 3 收稿日期1998 -0 4-0 6 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 116 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 46
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