对中国8大含气盆地中的500多口气井开展天然气汞含量检测,对产自不同地区的2个煤样开展煤生烃热释汞模拟实验,并对采自鄂尔多斯盆地的11块岩心煤样进行汞含量检测。研究表明,中国煤型气中汞的分布具有煤型气汞含量总体远高于油型气、不同煤型气汞含量的分布很不均匀、煤型气汞含量总体随产层深度的增加而变大这3个特征。中国煤型气中的汞主要来自于气源岩,其主要证据除了煤型气汞含量远高于油型气、高含二氧化碳天然气的汞含量随二氧化碳含量的增加而下降和煤系具备形成高含汞天然气的物质基础外,煤生烃热释汞模拟实验揭示煤在热演化过程中可以形成较高的天然气汞含量,煤型气汞含量受气源岩温度和储集层硫化环境的控制。结合岩石圈物质循环过程和油气形成过程,中国煤型气中汞的形成过程可以划分为搬运和沉积、浅部埋藏、深部埋藏、保存和破坏等4个阶段。图5表5参35
The mercury content in natural gas samples from more than 500 gas wells in eight large gas bearing basins of China was tested, mercury release experiments on two coal samples from different areas were conducted, and the mercury content of 11 coal samples from different gas wells of Ordos Basin was tested. The mercury distribution of the coal derived gas has three features: The first is that mercury content of coal derived gas is generally much higher than that of oil derived gas, the second is that the coal derived gases from different fields vary widely in mercury content, the third is that the mercury content in coal derived gas increases with the increase of production layer depth. Mercury in coal derived natural gas mainly originates from the source rock. Besides three evidences, namely, coal derived gas mercury content is much higher than that of oil derived gas, mercury content of gas with high carbon dioxide content decreases with the increase of carbon dioxide content, and the coal bearing strata have the material base to generate natural gas with high mercury content, the pyrolysis experiment of two coal samples show that coal can produce natural gas with high mercury content during the process of thermal evolution. The mercury content of coal derived natural gas is controlled mainly by the temperature of source rock and the sulfur environment of reservoir. According to lithospheric material cycling process and oil-gas formation process, the formation of mercury in coal derived gas can be divided into four stages, transportation and deposition, shallow burial, deep burial, and preservation and destruction.
为厘清中国煤型气田中汞的分布特征及成因, 对中国陆上8大含气盆地500多口天然气井的汞含量进行测定, 结果显示, 汞含量最高值为2 240 μ g/m3, 最低小于0.01 μ g/m3, 松辽盆地和塔里木盆地天然气汞含量相对较高, 渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地次之, 四川盆地、柴达木盆地和吐哈盆地则相对较低（见表2）。表明中国天然气中汞的分布很不均匀, 不同盆地之间甚至同一盆地不同气田之间的天然气汞含量存在很大差异。
为进一步验证煤在加热过程中可以生成含汞的天然气, 本文开展了煤生烃热释汞模拟实验（见图1）, 实验用煤样为产自山西临汾二叠系和云南昭通新近系的褐煤。实验时, 首先向不锈钢生烃釜中加入一定量的褐煤, 然后将生烃釜放入程序控温加热炉中加热, 加热所释放的气体通过螺旋管冷却后收集在气体采样袋, 加热温度从250 ℃开始, 一直持续到900 ℃, 期间每升高50 ℃收集1次气体样品, 每个温度点收集1 h。模拟结果显示, 云南昭通的褐煤所生成的天然气汞含量最高达118 μ g/m3, 山西临汾的褐煤所生成的天然气汞含量最高达754 μ g/m3, 表明不同地区的煤虽然生成的天然气汞含量不同, 但煤在加热生烃过程中均可形成一定含汞量的天然气（见表4）。
3.2.1 气源岩温度
尽管煤型气总体汞含量较高, 但不同煤型气田之间的汞含量差异还是很大。煤型气汞含量受产层深度的控制, 当产层深度小于1 700 m时, 煤型气汞含量一般小于5 μ g/m3, 随着产层深度的增加天然气汞含量呈幂函数关系变大（见图2）。
笔者认为中国煤型气汞含量与产层深度所呈现的相关性本质上是与气源岩的热释汞过程有关, 本文开展了煤在不同温度下的热释汞实验（见图3）。首先将煤粉碎, 筛出孔径为0.88~1.70 mm（10~18目）的颗粒, 装入直径6 mm、长18 cm的石英管中, 两端用石英棉封堵, 制得煤粉管。对煤粉管加热, 每个温度点恒温20 min, 煤粉所释放的汞蒸气在氮气吹扫下通过装有金丝的石英管。捕集汞的石英管会被加热到800 ℃, 汞蒸气从金丝表面解析下来并在清洁空气的吹扫下进入测汞仪测定。检测结果显示, 煤粉在不同温度下均有汞析出, 温度越高, 汞的析出量越多, 主要释汞阶段集中在250~450 ℃（见图4）。
3.2.2 储集层硫化环境
汞是亲硫元素, 自然界中的朱砂矿就是汞与硫反应形成。在碳酸盐岩储集层中, 石膏等硫酸盐矿物在还原菌和热化学还原作用（TSR）下, 氧化性的硫变成还原性的硫, 如硫化氢、单质硫以及噻吩、硫醇、硫醚等含硫化合物。当气体中的汞遇到还原性的硫时很容易被捕获形成硫化汞, 硫化环境越强天然气汞含量越低。四川盆地含硫化氢的天然气汞含量均未超过5 μ g/m3（见图5）。渤海湾盆地王官屯构造王古1井尽管产层深度为4 515~4 580 m, 但由于硫化氢含量高达8.6%, 因此天然气汞含量小于0.01 μ g/m3。
因此, 煤型气汞含量的高低主要受气源岩所经历的地层温度和储集层硫化环境的控制。气源岩所经历的古地温越高, 所释放的汞越多, 所形成的天然气汞含量也就越高, 反之越低。储集层硫化环境越弱, 天然气中的汞越容易被保存下来, 所形成的天然气汞含量也就越高, 否则天然气中的汞就会与储集层中的硫化物形成硫化汞而损失掉, 造成天然气低含汞或不含汞。
结合岩石圈物质循环过程和油气形成过程, 将天然气中汞的形成过程划分为搬运和沉积、浅部埋藏、深部埋藏、保存和破坏这4个阶段。
3.3.1 搬运和沉积阶段
在岩石风化过程中或岩浆喷发过程中, 单质汞或汞离子通过大气、河流和生物搬运至湖泊、海洋与沼泽, 并与有机质一起沉积下来。
3.3.2 浅部埋藏阶段
3.3.3 深部埋藏阶段
3.3.4 保存和破坏阶段
当储集层温度较低时, 储集层矿物和有机质就可能将天然气中的汞吸附下来, 造成天然气汞含量下降, 甚至不含汞。而当储集层中存在硫磺或硫化物时又会进一步加剧天然气中汞的损耗。当气藏抬升、泄漏或者地下深处的气源岩所释放的含汞烃类气体沿断层直接上升至浅部地层时, 在低温硫化环境下就会形成汞矿床, 世界上很多汞矿床的形成可能与此有关。
中国煤型气中汞的分布具有3个特征, 即煤型气汞含量总体要远高于油型气、不同煤型气汞含量差异很大、煤型气汞含量总体随产层深度的增加而变大。
中国煤型气中的汞主要来自于气源岩, 煤生烃热释汞模拟实验揭示出煤在热演化过程中可以形成较高的天然气汞含量。煤型气汞含量受气源岩温度和储集层硫化环境的控制。气源岩所经历的古地温越高, 天然气汞含量也就越高; 储集层硫化环境越弱, 天然气汞含量越高。
结合岩石圈物质循环过程和油气形成过程, 中国煤型气中汞的形成可以划分为搬运和沉积、浅部埋藏、深部埋藏、保存和破坏这4个阶段。
（编辑 王晖）
The authors have declared that no competing interests exist.