石油天然氣地質(zhì)學(xué)原理和進(jìn)展

1、3、天然氣成因理論與應(yīng)用,（1）天然氣成因類型（2）天然氣成因類型綜合判識(shí)（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干 地球化學(xué)問題,（1）天然氣成因類型,天然氣的氣體組成極為復(fù)雜，而氣態(tài)物質(zhì)往往是有機(jī)物或無機(jī)物分解或合成過程的產(chǎn)物，因而它所涉及的化學(xué)過程和作用也是相當(dāng)復(fù)雜的。主要的作用有： 細(xì)菌的生物地球化學(xué)作用 礦物的催化作用 有機(jī)質(zhì)的縮聚作用和脫基團(tuán)作用 加氫和氫的重排作用 巖石與介質(zhì)的高溫合成反

2、應(yīng) 地幔物質(zhì)脫氣作用,1、天然氣形成的地球化學(xué)作用,2、天然氣成因類型,近十年來，我國在天然氣的認(rèn)識(shí)上取得了很大的進(jìn)展，對(duì)天然氣的成因類型很多學(xué)者都提出的自己的認(rèn)識(shí)，有代表性的是戴金星、徐永昌等。 其共同的特點(diǎn)是分出了有機(jī)氣、無機(jī)氣。有機(jī)氣中又分出油形氣和煤形氣，在無機(jī)成因的認(rèn)識(shí)上，徐永昌和戴金星強(qiáng)調(diào)了不同的側(cè)面。本次講課基本上采用綜合分類表。,2、天然氣成因類型,第一，根據(jù)氣的物質(zhì)來源特征劃分為兩大類：有機(jī)氣、無機(jī)

3、氣。 第二，按成氣有機(jī)母質(zhì)類型的不同，劃分為油型氣和煤成氣兩大類。 第三，根據(jù)各種成氣作用的外生營力特征，將有機(jī)氣的進(jìn)一步劃分，以生物化學(xué)作用為主形成的生物氣（亦稱細(xì)菌氣）和以熱動(dòng)力學(xué)所形成的熱解氣（熱催化氣）。 第四，針對(duì)有機(jī)成因氣的兩大亞類在相似外生營力作用下形成的氣體在氣體組分和同位素組成上有各自的特征，劃分為油型熱解氣、煤型熱解氣等天然氣成因的第二層次分類。見下表,（2）天然氣成因

4、類型綜合判識(shí),1、判識(shí)的主要依據(jù),主要依據(jù)：（1）天然氣的組分；（2）碳?xì)浞€(wěn)定同位素組成；輔助依據(jù)：（3）稀有氣體同位素組成；（4）天然氣伴生的輕質(zhì)油、凝析油；（5）原油的輕烴地球化學(xué)特征。 天然氣成因復(fù)雜，類型眾多，科學(xué)的天然氣成因鑒別，應(yīng)該是對(duì)天然氣中混合的各種氣體組分的成因鑒別，至少也要認(rèn)識(shí)其中主要組分成因，從而說明天然氣的主要成因歸屬。,2、烴氣組分的成因鑒別,（1）有機(jī)甲烷（生物成因）和無機(jī)甲烷（非

5、生物成因）的鑒別1 依據(jù)甲烷的?13C1 有機(jī)成因天然氣明顯富集輕碳同位素， ?13C1輕于–60‰。 無機(jī)甲烷的?13C1一般都小于–30‰。,2、烴氣組分的成因鑒別,（1）有機(jī)甲烷（生物成因）和無機(jī)甲烷（非生物成因）的鑒別2 ①依據(jù)甲烷的?13C1 由圖和表可以清楚地將有機(jī)和無機(jī)的甲烷氣區(qū)分開來。 ②用伴生的稀有氣體的同位

6、素和及其組成，可以區(qū)別有機(jī)和無機(jī)的甲烷氣。 ③依據(jù)地質(zhì)產(chǎn)狀也是重要的區(qū)分方法之一。,2、烴氣組分的成因鑒別,（2）有機(jī)成因烴氣組分的進(jìn)一步鑒別 ①生物氣甲烷 從組分上看是生物氣的主體，它與乙烷以上重?zé)N的比值大于100，甚至大于1000。 從碳、氫同位素看?13C1分布范圍為-55‰~-85‰，明顯富集輕碳同位素。 從伴生的氫同位看生物氣甲烷的同位素受環(huán)境水介

7、質(zhì)的拚同位素組成的制約，隨著伴生水的?D值的增加而增大。 從產(chǎn)狀上看它不與油伴生。,②油型烴氣與煤成烴氣的判別 甲烷碳同位素組成判別法。 煤型甲烷： ?13C1≈14.12lgR0-34.39（據(jù)戴金星等，1987） ?13C1≈8.64lgR0-32.8（據(jù)徐永昌等，適用連續(xù)沉降的煤盆地） 油型甲烷： ?13C1≈15.80lgR0-42.20（據(jù)戴金星等，1987）,（2）有機(jī)成因烴氣組分的進(jìn)一

8、步鑒別,（2）有機(jī)成因烴氣組分的進(jìn)一步鑒別 ②油型烴氣與煤成烴氣的判別 甲烷碳同位素組成判別法。 C1—C4烷烴系列的單體烴同位素組成判別法。 有機(jī)成因的C1—C4烷烴系列同位素組成有這樣的規(guī)律：同源同期的烷烴氣中，隨碳數(shù)增加， ?13C1值增大。 ?13C1< ?13C2< ?13C3< ?13C4 在成熟度相當(dāng)時(shí)，煤型烷烴的C1—C4系列同位素組成一般都重于油

9、型烷烴的對(duì)應(yīng)組分。下表為油型烷烴氣與煤型烷烴氣的單體烴同位素組成的一般比較。 注意：?13C1< ?13C2< ?13C3< ?13C4的規(guī)律有時(shí)會(huì)個(gè)別逆轉(zhuǎn)，原因是有機(jī)烴氣與無機(jī)烴氣的混合；煤型氣與油型氣的混合；同型不同源氣的混合或同源不同期氣的混合；烷烴氣全部或某些組分被細(xì)菌氧化；地溫增高等。,（2）有機(jī)成因烴氣組分的進(jìn)一步鑒別 ②油型烴氣與煤成烴氣的判別 甲烷碳同位素組成判別法。

10、 C1—C4烷烴系列的單體烴同位素組成判別法。 C5—C10輕烴指紋和組成判別法。 主要用C5—C10的化合物組成和它們之間的比值來區(qū)別煤型氣和油型氣。通常，油型烴氣某些指紋化合物含量較高，而煤型烴氣中芳烴和甲基環(huán)已烷的豐度較高。用具有一定生源意義的化合物之間的比值或構(gòu)成圖版來劃分煤型氣和油型氣。如圖所示。 凝析油的碳同位素的組成 凝析油油烷——芳指數(shù)和石蠟指數(shù) 天然氣的生物標(biāo)志物

11、都已有效地用于煤型氣和油型氣的判別上。,3、非烴氣體組分的成因鑒別,①無機(jī)成因的CO2組分含量通常要占天然氣組分的60%以上，而有機(jī)CO2組分在天然氣中的濃度一般不超過20%。 ② 從碳同位素組成上看，無機(jī)CO2的?13CCO2值明顯大于有機(jī) CO2的。無機(jī)?13CCO2值>-8‰；有機(jī)CO2 的?13CCO2值<-11‰； -8‰< ?13CCO2< -11‰；為有機(jī)CO2和無機(jī)CO2共存和混合區(qū)。

12、,（1）有機(jī)與無機(jī)二氧化碳的判別,3、非烴氣體組分的成因鑒別,（2）硫化氫的成因鑒別,全世界范圍內(nèi)，幾乎所有已發(fā)現(xiàn)的氣藏中都或多或少存在硫化氫氣體。它也屬天然氣的重要非烴組分。 硫化氫的成因可以歸結(jié)為生物成因和熱化學(xué)成因兩大類： 生物成因：包括生物降解成因和微生物的硫酸鹽還原作用成因； 熱化學(xué)成因：包括熱降解成因、熱化學(xué)還原成因和高溫合成成因。 硫同位素為主，結(jié)合其它一些特征可

13、基本區(qū)分不同成因的硫化氫： ①生物成因硫化氫 硫同位素組成烴，?34S一般小于0‰，硫同位素分餾高達(dá)22 ‰，即?34S= ?34SS042-—?34SH2S>22‰； 與H2S相伴生的CO2含量一般較低（<5%），且具輕碳同位素特征。 ?34SCO2<5‰； 當(dāng)H2S濃度低時(shí)， H2S氣中烴類組分以甲烷為主，甲烷可能具生物甲烷特征； 當(dāng)H2S濃度很高

14、時(shí)，共生烴類將會(huì)有較多重輕組分（C2+）； 對(duì)于某些具重同位素組成的生物氣，可以用共生的CO2碳同位素予以區(qū)分； 在H2S的生、儲(chǔ)層中可能具生物作用的證據(jù)。 ②熱化學(xué)成因H2S 有重的硫同位素組成，與同源硫酸鹽的硫同位素分餾效應(yīng)小， H2S的硫同位素組成常略小于或等于同源硫酸鹽的值， ?34S一般均大于0 ‰； 與H2S相伴生的CO2含量一般較高，且CO2的碳同位素組成較重，常與地層中碳酸鹽的碳同

15、位素相近，一般在0 ‰左右； 地層中H2S的濃度隨有機(jī)質(zhì)演化程度的加強(qiáng)而增大，硫同位素組成也隨之變重，反之亦然； 甲烷碳同位素組成偏重，甲烷同系物的碳同位素組成具典型的油型氣特征。,3、非烴氣體組分的成因鑒別,（3）汞的成因判別,天然氣中的汞蒸氣是分散的有機(jī)和無機(jī)汞化物經(jīng)還原和揮發(fā)而形成的，富含腐殖型有機(jī)質(zhì)的源巖產(chǎn)生的天然氣，常有最高的汞含量。 油型氣中，汞主要為有機(jī)汞，蒸氣（零價(jià)汞）的濃度非常低；而煤型氣中

16、有機(jī)汞和汞蒸氣（零價(jià)汞）兼有，汞蒸氣（零價(jià)汞）濃度超出油型氣兩個(gè)數(shù)量級(jí)。,3、非烴氣體組分的成因鑒別,（4）稀有氣體組分的研究,天然氣中的稀有氣體組分主要為氦（He）、氬（Ar）和氪（Kr），均屬無機(jī)成因。 利用稀有乞體的同位素組成判識(shí)天然氣來源和成因類型、天然氣年代學(xué)研究和含油氣盆地大地?zé)崃鞴浪闳齻€(gè)方面。,4、天然氣成因類型的綜合判別,天然氣是以各種氣源釋放的各種揮發(fā)物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物。其成因類型要根據(jù)同位素、氣組分

17、、輕烴、凝析油和儲(chǔ)層瀝青中生物標(biāo)志物進(jìn)行綜合判別。其指標(biāo)見表,4、天然氣成因類型的綜合判別,黃第蕃、梁狄剛（1995）根據(jù)同位素組成特征，識(shí)別出塔里木盆地東部存在四種不同成因類型的天然氣，即源于上三疊—中下侏羅統(tǒng)的湖相裂解相油型氣，裂解煤成氣，源于下古生界寒武—奧陶系的海相高成熟早期裂解油型氣和過成熟裂解油型氣。,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,1、煤層氣的基本概念,“煤層氣”屬于一種特殊賦存狀的煤成（型）氣，它在文獻(xiàn)中更多

18、地被稱為“煤層甲烷”（coalbed methane）。 煤層是多孔物質(zhì)，并有強(qiáng)的吸附性能，煤層內(nèi)儲(chǔ)存有數(shù)量不等的煤化作用過程生成的氣體。以甲烷為主，煤層內(nèi)的氣體一直處于運(yùn)移過程中的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 煤層氣是一種非常規(guī)性天然資源。煤本身正在作為儲(chǔ)層，甲烷被看作為有價(jià)值的商品，而不只是采礦公害。成為世界矚目的重要新能源。,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,2、煤化作用與煤層氣的生成,,煤層氣屬煤化作

19、用過程 的副產(chǎn)品。煤中有機(jī)質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元主要是帶有支鏈和各種官能團(tuán)的縮合稠核芳香系統(tǒng)。支鏈、官能團(tuán)與縮合芳香核之間的比例關(guān)系既與成煤的原始物料和顯微組分有關(guān)，又與煤化作用程度有關(guān)。不論何種情況 ，隨著煤化程度加深，基本結(jié)構(gòu)單元中六員碳環(huán)的數(shù)量不斷增加，支鏈和官能團(tuán)不斷脫落、減少，并釋放出大量氣、液產(chǎn)物，其主要成分為CH4、CO2和H2O。 從褐煤到無煙煤的演化過程中，每噸煤可生成甲烷氣約142~198立方米，其絕大部分

20、逸散到相鄰的巖層或大氣中，僅有10%的左右以吸附狀態(tài)保留在煤層中。經(jīng)計(jì)算，我國煤成氣資源量見表。,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,3、煤層氣的組成與控制因素,,（1）組成： ①氣體成分 煤層氣以甲烷為主，一般占?xì)怏w組成的80%~90%以上，乙烷以上重?zé)N氣體含量較低，一般小于5%，N2和CO2往往是含量僅次于CH4的氣體組分，分別可達(dá)20%~5%和5%以下。 ②甲烷同位素組成特征

21、 我國煤層氣的?13C1值分布在-70‰~-13 ‰之間。大多數(shù)煤層甲烷的?13C1值分布在-70‰~-40 ‰的范圍內(nèi)。,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,4、煤層氣的組成與控制因素,,①熱演化程度 在低煤階和高煤階階段富含甲烷；而在中煤階階段（R0約為0.6~1.5%—時(shí)是“濕的”。②煤的顯微組分組成 中煤階富氣煤（富含殼質(zhì)組或富氫鏡質(zhì)組）產(chǎn)生比富氧煤（殼質(zhì)組含量低）更濕的氣體和較輕?13

22、C的甲烷，但這種趨勢往往會(huì)被后期的次生過程改造得有些模糊。,（2）煤層氣組成的控制因素,4、影響煤層氣儲(chǔ)層性質(zhì)和煤層氣富集的地球化學(xué)因素,,（1）煤層氣的賦存狀態(tài)及儲(chǔ)層性質(zhì)（2）煤化作用對(duì)煤吸附能力的影響（3）煤的顯微組分組成對(duì)煤吸附能力的影響（4）影響煤孔隙性的因素,,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,4、煤層氣的組成與控制因素,,①熱演化程度 在低煤階和高煤階階段富含甲烷；而在中煤階階段（R0約為0.

23、6~1.5%—時(shí)是“濕的”。②煤的顯微組分組成 中煤階富氣煤（富含殼質(zhì)組或富氫鏡質(zhì)組）產(chǎn)生比富氧煤（殼質(zhì)組含量低）更濕的氣體和較輕?13C的甲烷，但這種趨勢往往會(huì)被后期的次生過程改造得有些模糊。,（2）煤層氣組成的控制因素,（3）煤層氣（煤層甲烷）的若干地球化學(xué)問題,5、煤層氣的資源評(píng)價(jià)方法,,煤層氣的賦存特點(diǎn)決定其需要采取不同于常規(guī)天然氣的資源量計(jì)算和評(píng)價(jià)方法。（1）基礎(chǔ)參數(shù)的選取 包括煤儲(chǔ)存量

24、 煤層甲烷含量 （2）煤層甲烷資源量計(jì)算 包括區(qū)域資源量估算 用蒙特卡洛法進(jìn)行資源量計(jì)算。,煤成氣資源分布,西北 7.65萬億立方米； 華北 17.13萬億立方米； 東北 0.4萬億立方米； 滇藏 0.01萬億立方米； 華南 2.15萬億立方米。,(4)我國的煤層氣資源,華北煤層氣有利選區(qū)分布 （以山西、陜西為重點(diǎn)選