天然氣成因理論與應(yīng)用

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(guó)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(yíng)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(yíng)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(guó)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?jī)H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(guó)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(shì)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(shì)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(guó)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