0 引言
随热演化程度加深，热成因煤层气甲烷碳同位素值通常逐渐增高［5-6］。煤层若被抬升至浅部，微生物渗入作用可形成次生生物气，导致气体组分和碳、氢同位素组成发生相应调整［7-8］。由此，国内外学者［9-10］以同位素组成、气组分特征、镜质组反射率（R O）等为指标，提出了煤层气成因识别标准。以往研究探讨过煤层甲烷碳同位素的分馏效应及其与煤层气含量、煤储层压力、含气饱和度、水动力和日产气量等参数之间的关系［11-13］，提出煤阶、构造演化、水动力条件、封闭条件等是煤层气成藏的主控因素等［14-16］。对于贵州煤层气控气地质规律，前人［13，17-21］在构造、热演化过程、煤体结构、煤岩成分、埋深及水文条件等方面做过一些分析，但对煤层气地球化学特征及其勘探意义鲜有研究。为此，本文整理分析了贵州省六盘水、毕节和遵义地区18口煤层气探井取心样品测试分析数据，包括煤层气组分分析133项次，含气量分析220项次，甲烷碳同位素分析68项次，等温吸附102项次，煤的工业分析220项次，在研究上二叠统煤层气地质特征的基础上，提出利用吸附饱和度分析煤层气成藏条件的观点，对今后的勘探具有一定的指导意义。上述18口探井分布于黔北煤田、织纳煤田、六盘水煤田（图1），取心段为各井的主力煤层段（考虑煤层厚度、煤质、煤体结构等），样品具有较好的代表性。
1 煤层含气量和煤层气组分分布特征
18口井的煤层气平均含气量为5.9~19.2 m3/t，算术平均含气量为14 m3/t。分地区汇总结果为：六盘水地区平均含气量为12.38 m3/t，毕节地区平均含气量为13.71 m3/t，遵义地区平均含气量为18.85 m3/t。整体上，黔北煤田和织纳煤田平均含气量高于六盘水煤田。
18口井煤层甲烷浓度平均为96.12%，干气特征明显，煤层甲烷浓度均在82%以上，最高达到100%，主要分布于96%~99%之间（图2）。这与区内煤层高演化程度密切相关——根据有机质成烃理论，生烃晚期基本以生成干气为主，甲烷含量在90%以上。
非甲烷成分（包括重烃组分 、CO2、N2）在煤阶稍低的煤层中存在，含量极低。其中 浓度大多在1%以下，仅ZS-101井达到2%，甚至在NY1、JS2等井检测不到 ，说明随着演化程度升高，重烃已大部分裂解。而非烃成分含量低，表明在500~1 000 m深度范围内（各井目的煤层埋深），水文条件稳定，煤层气保存条件好，较少存在大气水淋滤和破坏。
2 煤层甲烷碳同位素分布特征及成因判识
2.1 甲烷碳同位素分布统计特征及热演化分馏作用
研究区内7口井（六盘水、毕节地区各3口，遵义1口）68个煤层气样品甲烷碳同位素δ13C1（PDB，下同）值主要分布在-45.38‰~-34.39‰之间，平均值为-40.43‰；δ13C1值呈正态分布，主峰位于-36‰~-34‰之间，在-44‰~-42‰之间存在一个较小的次峰，表明区内煤层气以热裂解成因为主（图3）。
从区域上看，六盘水地区（BD-2井、NC-3井、ZS-101井）煤层热演化程度最低，δ13C1值最低；遵义地区（FX-3井）热演化程度最高，δ13C值也最高；毕节地区（DF-201井、JS-1井）热演化和δ13C1值介于中间。由于碳同位素热分馏效应与煤层气的生烃过程密切相关，上述δ13C1值地域分布差异对贵州煤层气成藏条件产生重大影响。
2.2 煤层气成因识别
除六盘水大河边向斜的ZS-101井（图4中热成因区的2个点）外，其他井均有明显的解吸分馏特征。由于13C—13C键和12C—13C键热稳定性高于 12C—12C键，随着天然气的不断析出，储层中天然气甲烷具有逐渐聚集重碳（13C）的趋势，即δ13C1值逐渐变大。而大河边向斜的钻探（如ZS-1井）显示其煤层含气饱和度高，达到过饱和状态，压后放喷阶段即产出大量天然气，游离气特征明显，也表明该向斜煤层气扩散运移程度较低。
3 煤储层吸附特性
3.1 朗格缪尔体积
煤层气主要以吸附状态赋存在煤的微纳米级孔隙中，因此煤的吸附能力是影响煤层含气量和排采特性的关键因素。根据煤储层的等温吸附Langmuir方程，朗格缪尔体积（V L）体现了煤的最大吸附能力。
研究区内煤层以中高煤级为主，演化程度高，吸附能力普遍较高， V L值在4.5~37.28 m3/t之间，平均值为21.12 m3/t，其中84%分布于14~26 m3/t之间（图6），六盘水ZS1井由于热演化程度低，V L值小于8 m3/t。
由于煤层气为滞留成藏，故其成藏潜力与其吸附能力有密切联系。煤层含气量大多与朗格缪尔体积呈较好的正相关关系，六盘水（如ZS-1井）、遵义部分井（FX-3井）含气量高于朗格缪尔体积。埋深1 500 m以浅的煤层气藏一般经历过较强的构造抬升，因此在生气量一定的情况下，煤层的吸附能力就决定了“滞留、封存”天然气的能力。
3.2 含气饱和度和临储比
煤层含气饱和度等于实测含气量与原始储层压力下理论吸附气量的比值，后者通常从吸附等温曲线上求得。煤层的临储比为煤层气临界解吸压力与原始流体压力之间的比值。含气饱和度和临储比为煤层气排采中的重要参数，决定了煤层气井的产气潜力，是科学制定排采制度的关键依据。
分析六盘水地区BD-2井、NC-1井、NC-3井和NC-4井资料（图7），发现含气饱和度随实测含气量的升高而稳步增大，曲线在含气量达到一定数值后开始趋于平缓。同样，煤层的临储比与其含气量也呈较好的正相关关系，并在低饱和度阶段为线性关系。
4 煤层气成藏条件分析
经统计分析，发现贵州西部地区不存在沁水盆地中煤层甲烷碳同位素组成随着煤层气含量、煤储层压力和含气饱和度增加而变重的规律［11］。含气饱和度对应的是实际含气量与地层压力处所对应的饱和吸附气量之间的比值，该指标分母取决于煤层现今深度、压力等变量。煤层气成藏过程研究是动态的，由此本文定义一个简化的饱和度指标——吸附饱和度，来开展煤层气成藏特征的分析。
4.1 吸附饱和度
不同于含气饱和度，吸附饱和度定义为煤层实测含气量与朗格缪尔体积之间的比值。即：
吸附饱和度=V/V L×100%
式中：V为储层中实际含气量，m3/t；V L为朗格缪尔体积，m3/t。
据此，从图8可以看出，研究区内大多数煤层吸附饱和度在50%~100%之间，少部分煤层吸附饱和度小于50%或大于100%（图中虚斜线左上方区域，存在一定量的游离气）。吸附饱和度大于100%的井主要分布在六盘水地区，少量位于遵义地区。
4.2 吸附饱和度—δ13C1分析
前人对煤层气碳同位素与含气性的关系进行过分析，但对碳同位素分布特征对煤层气成藏的影响少有论述。对研究区内多口煤层气井样品分析发现，δ13C1值与煤层气的含气量、含气饱和度之间没有明显的相关性，单井也没有发现任何规律。本文对相关探井δ13C1与吸附饱和度进行了分析，结果表明，随着δ13C1值从-47‰增大至-25‰，煤层气的吸附饱和度逐渐降低，降幅可达70%（图10），二者之间具有一定的负相关性（线性拟合R 2=0.15）。此外，分地区（六盘水、遵义、毕节地区）或单井来看，即使构造背景和水文条件不同，也有类似规律。
煤层气的这种解吸分馏作用很好地解释了δ13C1与吸附饱和度之间的负相关关系。由于贵州西部大多数煤层气为热裂解成因，煤层气在成烃结束后，进入长期的逸散期，伴随有吸附气的不断解吸，但强烈程度与其保存条件有关。保存条件越差的煤层（如构造急剧抬升、盖层封盖能力差、压力降低、断层、水文破坏等作用），解吸（逸散）作用越强，碳同位素分馏效应导致δ13C1值也越高。吸附饱和度和δ13C1的负相关关系可看作煤层气解吸逸散程度或结果的体现，而与煤层气解吸逸散的早晚、构造背景、机理（裂隙、压力释放、扩散或水动力等）无关。因此煤层气δ13C1值可以看作评价贵州西部成藏期后破坏或逸散作用大小的一项重要指标，能作为煤层气成藏条件研究和勘探开发的重要参考。
若煤层中混入了次生生物气（δ13C1值小于-55‰），将导致δ13C1值降低，并提高吸附饱和度，因此二者之间的这种负相关关系仍然存在。
4.3 δ13C1深度剖面与向斜控气规律
国内外各大煤层气向斜中均存在向斜控气的规律：煤层气藏埋深一般较浅，水文稳定程度为其保存条件的关键因素；而根据朗格缪尔方程，随地层压力增大，煤层的吸附能力也相应增大，因此同等条件下煤层气含量一般随埋深增大而增大。由于贵州西部地区热成因煤层气δ13C1值受到解吸分馏作用的控制，本文将δ13C1值与埋深进行了相关性分析（图11），图中2条包络线显示随埋深增大，δ13C1值逐渐降低。同样，各单井的煤层平均δ13C1值与其平均埋深也有较好的正相关性（图12）。该结果与煤层气的解吸分馏吻合——煤层埋深大，煤层气解吸散失作用弱，12CH4得以更多保存，其δ13C1值低；埋深浅，水文封闭条件相对差、地层压力低，解吸更容易发生，12CH4被优先解吸散失，δ13C1值相对增高。因此，这在原理上较好地解释了煤层气的向斜控气规律。
5 结论
（1）贵州西部煤层甲烷平均浓度为96.12%，干气特征明显。δ13C1值主要位于-36‰~-34‰之间，受热演化分馏作用影响，δ13C1与R O，max呈正相关关系。煤层气在Whiticar成因图版中主要位于热成因扩散运移分馏区，煤层气的后期解吸扩散作用明显。
（2）吸附饱和度（V/V L）能比含气饱和度更好地表征煤层气的保存条件和解吸逸散程度，与δ13C1存在很好的负相关关系，主要机理为煤层气的解吸分馏作用，该机理还很好地解释了煤层的向斜控气规律。
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