煤层气地球化学特征不仅可以用于揭示煤层气的成因,而且对煤层气的勘探开发也具有一定的指导意义。煤层气主要由游离气、吸附气和溶解气组成,其中吸附气占绝大部分。碳同位素特征是煤层气解吸过程中的研究重点。目前,煤层气中甲烷碳同位素的研究主要集中在平面分布特征、成因和分馏机理等方面
[1-9],而针对煤岩解吸过程中甲烷碳同位素变化规律的研究较少
[10-13]。前期的研究仅表明,煤层气中甲烷δ
13C
PDB值随着解吸时间的延长会有逐渐增高的趋势
[1-5,8,11]。高小康等
[10]研究认为煤岩解吸过程发生同位素分馏过程是持续的,煤层气甲烷碳同位素值存在连续变化的值域,我们平时研究所取碳同位素值包含在值域中;煤层气中甲烷碳同位素值随煤层气解吸程度增加而增高并趋于稳定,密闭解吸的煤层气早期受孔隙游离气影响明显,尤其是对低阶煤的影响表现更加明显,一般在5‰左右;采用密闭解吸煤层气、密闭粉碎解吸煤层气、井口采集气等不同的采集方式对煤层气碳同位素值的影响较大,晚期解吸气或者开发时间较长井口采集气能够较好的代表原地煤层气碳同位素特征,受解吸分馏的影响较小。李五忠等
[11]测试了5个盆地72个不同煤阶煤层气样品的甲烷碳同位素值,从热演化过程、生物降解作用、解吸—吸附过程、水的溶解作用等方面分析了煤层气甲烷碳同位素的分馏作用,认为在煤层气成藏到开发的过程中,煤层气中甲烷碳同位素的分馏是普遍存在的,碳同位素值变大的趋势具有先快后慢的特征,并可以用于判断煤层气的成藏过程、开发状态、采收率等,有利于更加准确地评价煤层气富集的目标区。孙健等
[12]针对自制煤岩的研究结果也认为,煤层气中甲烷碳同位素值表现为随时间增加逐渐变大的特征,残余气与损失气的甲烷碳同位素值之差为2.8‰,自然解吸过程中碳同位素值为1.3‰,主要原因为煤岩样品中广泛发育的纳米级孔隙结构在煤层气的解吸—扩散—运移过程中起到了决定性作用。MARTIN等
[13]也是在1.5~2 773 h的尺度范围内对煤层气的解吸过程进行研究,认为随着解吸时间的增加δ
13C
1值逐渐增大,δ
13C
1分馏范围为32.1‰~43.4‰,说明不同样品的δ
13C
1分馏差距较大,并认为δ
13C
1值的主要影响因素是煤层气的“吸附—解吸—扩散—运移”过程。目前对煤岩全解吸过程中碳同位素分馏的研究工作主要集中在采样时间间隔相对较大的阶段,未能体现煤岩解吸早期的甲烷碳同位素变化规律。本文研究尝试细化采样时间间隔,探讨中高煤阶煤岩解吸早期的煤层气中甲烷δ
13C
PDB值的变化规律,为煤层气开发过程中甲烷碳同位素的变化规律认识提供依据。