發(fā)布時間：2018-04-08 16:35

  本文選題：煤層氣　切入點：同位素地球化學(xué)　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：本文充分運用煤及煤層氣地球化學(xué)、煤巖學(xué)、同位素地球化學(xué)、水化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等理論知識,綜合研究了沁水盆地北部煤層氣地球化學(xué)特征及其成因類型,建立了一套以煤層氣同位素地球化學(xué)為基礎(chǔ)、集煤層氣成因判斷與富集區(qū)預(yù)測的綜合模型。以沁水盆地北部含煤地層為主要研究對象,系統(tǒng)研究了石炭-二疊紀(jì)煤的物質(zhì)組成、熱演化程度及其碳氮同位素組成,預(yù)測了晚石炭-早二疊世大氣CO_2的碳同位素組成的變化,討論了該時期的古氣候和古環(huán)境。論文詳細(xì)研究了煤層氣CH_4、N_2、CO_2等三大主要組分的成因及聯(lián)系,提出利用非烴組分的含量和同位素特征指標(biāo)綜合判斷煤層氣的成因和富集機制。論文分析了陷落柱對地下水水質(zhì)、煤層氣地球化學(xué)以及煤層氣富集的影響機理,指出陷落柱的存在對煤層產(chǎn)出水的礦化度、離子類型和濃度、氫氧同位素組成均有顯著影響。提出利用煤層氣化學(xué)組分和碳、氫、氮同位素,煤層產(chǎn)出水的礦化度以及煤層埋深等一系列等值線圖,并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征和演化史,判斷煤層氣的成因并預(yù)測煤層氣富集區(qū)。一、煤的熱演化程度、物質(zhì)組成以及C\N同位素組成分析(1)煤是產(chǎn)生煤層氣的氣源巖,也是煤層氣儲集層的主要組成物質(zhì)。沁水盆地北部陽泉礦區(qū)太原組#15煤平均隨機鏡質(zhì)組反射率(Rr)平均值為2.4%(n=23,n指統(tǒng)計樣品數(shù),下同),太原西山礦區(qū)#8煤Rr平均1.4%(n=3),山西組#2煤Rr平均1.2%(n=5)。而華北-渤海灣盆地鶴壁礦區(qū)山西組#21煤Rr平均為1.6%(n=2)。所以,煤的熱演化程度順序為:陽泉#15鶴壁#21太原西山#8太原西山#2。(2)煤的有機顯微組分包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組以及殼質(zhì)組,是煤層氣的主要碳源。陽泉礦區(qū)石炭系太原組#15煤干燥無灰基鏡質(zhì)組平均含量為79%(n=23),因變質(zhì)程度較高(Rr 2.4%),無殼質(zhì)組。太原西山礦區(qū)#8煤和#2煤以鏡質(zhì)組為主,平均含量分別為61%、60%,但在太原西山屯蘭礦#8煤樣品TL82-1和邢家社礦XJS8-C樣品中惰質(zhì)組含量超過鏡質(zhì)組,其惰質(zhì)組含量分別為53%、63%,無殼質(zhì)組。太原西山馬蘭礦#2煤中含有2%的殼質(zhì)組,其對應(yīng)Rr為1.1%。華北-渤海灣盆地鶴壁煤礦#21煤以鏡質(zhì)組為主,占62%,其余為38%的惰質(zhì)組,不含殼質(zhì)組。(3)華北晚石炭-早二疊世煤(含煤層夾矸)的δ13C平均值為-23.7‰(n=41)。其中,陽泉礦區(qū)太原組#15煤的δ13C平均值為-23.7‰(n=27),比太原組煤層氣δ13C-CH_4(-36.6‰,n=46)重12.2‰。太原西山#8煤(δ13C-23.4‰)、#2煤(δ13C-23.5‰)的碳同位素組成與#15煤相似。然而,華北-渤海灣盆地鶴壁煤礦山西組#21煤偏負(fù),其δ13C平均值為-25.2‰。這很可能記錄了早二疊世中期古大氣中CO_2具有偏負(fù)的碳同位素組成。(4)晚石炭-早二疊世煤中δ15N值平均為3.7‰(n=33)。其中,陽泉礦區(qū)太原組#15煤的平均δ15N值為3.8%(n=23),而#15煤層夾矸δ15N值達8.0‰1。煤層夾矸δ15N比煤重說明了在成煤過程中煤經(jīng)受了比夾矸更強烈的微生物作用。二、沁水盆地北部煤層氣的化學(xué)組分、同位素組成以及煤層氣中CH_4、CO_2、N_2的成因及聯(lián)系(1)沁水盆地北部寺家莊區(qū)塊太原組煤層氣以CH_4為主(平均含量98.5%,n=32),乙烷含量很少,平均0.026%,不含乙烷及以上烴類;非烴組分中N_2平均含量為1.12%,其次CO_2含量平均0.32%,還含有少量的Ar(0.023%)。其中,大氣來源氮氣相對含量占84%,而有機氮氣占16%。(2)沁水盆地北部寺家莊區(qū)塊太原組煤層氣δ13C-CH_4平均值為-36.6‰(n=46),比沁水盆地南部潘莊-鄭莊煤層氣δ13C-CH_4(平均-32.6‰,n=10)偏輕。寺家莊煤層氣δD-CH_4平均值為-182.0‰(n=38)。寺家莊煤層CO_2的δ13C值變化范圍較大,為-17.5‰~+8.6‰,平均-9.4‰(n=32),反映了大多CO_2為煤熱演化初期或最近一次煤層抬升再沉降后煤中有機質(zhì)熱裂解產(chǎn)生,部分受到微生物活動的改造。煤層CO_2碳同位素隨煤層埋藏變淺而變重,淺部煤層微生物CO_2還原作用強,使煤層殘留CO_2碳同位素加重。煤層氮氣δ15N平均值為-1.6‰(n=21)。(3)沁水盆地北部寺家莊區(qū)塊太原組煤層氣以煤熱裂解成因為主,存在微生物CO_2還原成因CH_4,為混合成因煤層氣。三、陷落柱對煤層水的化學(xué)成分、礦化度、同位素組成以及煤層氣富集的影響(1)沁水盆地北部寺家莊太原組煤層產(chǎn)出水為HCO3-Na型,屬微咸水,其礦化度平均為1492.9 mg/L。沁水盆地南部潘莊產(chǎn)出水的礦化度平均2252.8 mg/L,鄭莊產(chǎn)出水平均2375.3 mg/L。沁水盆地北部煤層產(chǎn)出水平均礦化度較沁水盆地南部低,反映了沁水盆地北部煤層水的水動力比南部強,不利于煤層氣的保存。(2)沁水盆地北部寺家莊煤層氣區(qū)塊陷落柱的分布顯著影響煤層產(chǎn)出水的Na+離子濃度、礦化度以及氫氧同位素組成。寺家莊區(qū)塊北部比南部較發(fā)育陷落柱,區(qū)塊北部產(chǎn)出水平均礦化度(平均1531.1 mg/L)比南部(平均1453.3 mg/L)高,利用單因子方差分析方法,證明大量的陷落柱顯著增大了區(qū)塊北部產(chǎn)出水的Na+離子濃度和礦化度,增強了區(qū)塊北部的蒸發(fā)作用。產(chǎn)出水的氫氧同位素組成也證明了較強的蒸發(fā)作用使區(qū)塊北部產(chǎn)出水的氫氧同位素值落在全球大氣降水線的右下側(cè)。(3)寺家莊區(qū)塊北部CH_4碳同位素分餾起主導(dǎo)作用的是解吸-擴散-運移作用,且煤層CH_4碳同位素組成隨著深度的減小而變重。因為儲層淺部壓力小,含輕碳同位素的CH_4優(yōu)先解吸,擴散運移至上部地層進而逸散到大氣中。同時,區(qū)塊北部較強的解吸-擴散-運移效應(yīng)使煤層含氣量降低。(4)將煤層氣中CH_4與有機成因N_2的含量比值(φ(CH_4)/φ(N_2org))作為煤層氣成因的判斷依據(jù)之一。據(jù)此,煤層氣成因分為三大類:原生生物成因煤層氣(φ(CH_4)/φ(N_2org)7)、降解煤層氣(7φ(CH_4)/φ(N_2org)111)、熱裂解成因煤層氣(φ(CH_4)/φ(N_2org)111)。其中降解煤層氣包含次生生物煤層氣、熱降解氣。四、建立了一套以煤層氣同位素地球化學(xué)為基礎(chǔ),集成因判別與富集區(qū)預(yù)測的煤層氣綜合勘探開發(fā)方法(1)該方法包含煤層氣成因判別圖、煤層埋深等值線圖、甲烷碳同位素等值線圖、甲烷氫同位素等值線圖、氮氣氮同位素等值線圖以及產(chǎn)出水礦化度等值線圖等,簡稱“1判識5等值”。(2)據(jù)此煤層氣富集區(qū)預(yù)測模型,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征,對煤層氣區(qū)塊太原組煤層氣的成因和富集區(qū)進行判斷,認(rèn)為寺家莊區(qū)塊煤層氣含氣量較高的區(qū)域位于中西部�？碧诫A段的含氣量數(shù)據(jù)證實這種預(yù)測是較準(zhǔn)確的。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P618.13

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本文編號：1722434