石油天然气地质-2-5天然气成因类型教学资料

1、4有机质成烃演化模式有机质成烃演化模式一、一、有机质向油气转化的阶段有机质向油气转化的阶段二、低熟油与煤成油形成理论二、低熟油与煤成油形成理论5 6一、天然气成因类型概述一、天然气成因类型概述二、有机成因气二、有机成因气三、无机成因气三、无机成因气四、非烃类气体成因四、非烃类气体成因五、不同成因类型天然气的识别五、不同成因类型天然气的识别 7 天然气的形成具有广泛性、多源性和多阶性。天然气的形成具有广泛性、多源性和多阶性。天然气：天然气： 广义上，是指自然形成的、在标准状态下呈气广义上，是指自然形成的、在标准状态下呈气态的单质和化合物。态的单质和化合物。v两大类：有机成因气有机成因气、无机成因

2、气无机成因气一、天然气成因类型概述一、天然气成因类型概述v无机成因气：无机成因气：根据来源分：根据来源分：宇宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气、无机盐类分解气宇宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气、无机盐类分解气v有机成因气：有机成因气： 按有机质类型按有机质类型腐殖型气、腐泥型气腐殖型气、腐泥型气 按热演化阶段按热演化阶段生物气、热解气、裂解气生物气、热解气、裂解气 腐泥型有机质的热解气和裂解气称为腐泥型有机质的热解气和裂解气称为油型气油型气； 腐殖型有机质腐殖型有机质( (包括煤包括煤) )的热解气和裂解气称为的热解气和裂解气称为煤型气煤型气天然气成因综合分类（戴金星、徐永昌等，天然气成因综合分

3、类（戴金星、徐永昌等，1997）无机成因气 幔源气、岩浆成因气、放射成因气、变质成因气、无机盐类分解气 成熟度 母质 气的 类型 成因类型 未熟阶段 成熟阶段 高成熟阶段 过成熟阶段 油型气 A 腐泥型气 原油伴生热解气 裂解凝析气（湿气） 裂解干气 煤型气 有 机 成 因 气 B 腐殖型气 生物化学气 热解气（凝析气） 裂解干气 混合成因气 异源多源混合气、同源多阶混合气 10（一）、有机成因气形成机理（一）、有机成因气形成机理 热解作用热解作用：温度作用下有机质降解成烃，大分子烃热温度作用下有机质降解成烃，大分子烃热 裂解成更小分子烃。裂解成更小分子烃。 生物化学作用生物化学作用：主要指产

4、甲烷菌利用二氧化碳、氢、甲主要指产甲烷菌利用二氧化碳、氢、甲 酸、醋酸和甲醇等形成甲烷的过程。酸、醋酸和甲醇等形成甲烷的过程。 力化学作用力化学作用：构造作用引起的机械能（压力）作用于构造作用引起的机械能（压力）作用于 有机质，直接参与有机质分解的化学键断有机质，直接参与有机质分解的化学键断 裂，即力化学作用。裂，即力化学作用。二、有机成因气二、有机成因气11 催化作用催化作用：粘土矿物作为催化剂在有机质成烃演化过粘土矿物作为催化剂在有机质成烃演化过 程中可加速成烃化学反应速度，并降低了反程中可加速成烃化学反应速度，并降低了反 应的活化能，使有机质在低温阶段形成烃类。应的活化能，使有机质在低温

5、阶段形成烃类。 加氢作用加氢作用：与烃类相比，有机质贫氢富杂原子，通过加与烃类相比，有机质贫氢富杂原子，通过加 氢可形成气态烃；氢主要来源于不饱和环状单氢可形成气态烃；氢主要来源于不饱和环状单 元的缩聚作用。元的缩聚作用。12 脱基团作用脱基团作用：脂肪酸脱羧基形成烃类，氨基酸脱氨基脂肪酸脱羧基形成烃类，氨基酸脱氨基 和羧基形成烃类和羧基形成烃类 缩聚作用：缩聚作用：具两个或两个以上官能团的物质相互作用，具两个或两个以上官能团的物质相互作用， 在形成大分子同时形成小分子气态烃的过程在形成大分子同时形成小分子气态烃的过程（二）、有机成因气的主要类型（二）、有机成因气的主要类型依据有机质的类型有机

6、成因气分依据有机质的类型有机成因气分按热演化阶段分按热演化阶段分腐泥型气、腐殖型气腐泥型气、腐殖型气生物气生物气、热解气、裂解气、热解气、裂解气腐泥型有机质的热解气和裂解气合称腐泥型有机质的热解气和裂解气合称油型气油型气腐殖型有机质的热解气和裂解气合称腐殖型有机质的热解气和裂解气合称煤型气煤型气14 15腐泥型生物气腐泥型生物气腐殖型生物气腐殖型生物气1. 生物气生物气在低温（在低温（75）、还原条件下，由微生物（厌）、还原条件下，由微生物（厌氧细菌）对沉积物有机质进行生物化学降解所形成的氧细菌）对沉积物有机质进行生物化学降解所形成的富含甲烷气体。富含甲烷气体。依有机质类型分依有机质类型分又称

7、生物化学气、生物成因气、细菌气、沼气又称生物化学气、生物成因气、细菌气、沼气16n商业性烃类天然气聚集主要有两种成因类型：n生物成因气：占世界天然气资源的20%。n热成因气：有机质在较高温度下热降解和裂解作用生成的。n占商业性天然气聚集的80%17 我国典型生物气气田：我国典型生物气气田：，埋深，埋深14001400米，气藏温度米，气藏温度6060，第四系砂岩储层，第四系砂岩储层，C C1 1/C/C2 2=100=10010001000，1313C-65C-65。 在渤海湾盆地也有发现，如惠民凹陷阳信地区。在渤海湾盆地也有发现，如惠民凹陷阳信地区。 目前已发现的生物气（KQ），其其次为第三系

8、和第四系次为第三系和第四系。80%以上储量集中在西西伯利亚地区。181）丰富的原始有机质2）严格的缺氧、缺硫酸盐还原环境 特别是腐殖型和混合型有机质，这是产生大量甲烷气的基础特别是腐殖型和混合型有机质，这是产生大量甲烷气的基础产产CH4菌繁殖的必要条件菌繁殖的必要条件4）足够的孔隙空间5）较快的沉积速率3）适合甲烷菌繁殖的地温（ 98%，干气干气；干燥系数C1/C2100或数百以上 甲烷：甲烷：富集轻的碳同位素12C， 1313C C低低（-55100），多数在-60-80 。 甲烷：甲烷：DD低低（ -250150 ）。腐殖型生物气D：210280；腐泥型生物气D：-150-210。 有热解

9、气混入以及厌氧氧化时，同位素可变重 气藏埋藏浅气藏埋藏浅（一般1500米），浅层浅层未成熟带未成熟带，有机质 的Ro1200012000米。米。25 干酪根在热演化过程中，同时存在放氢的芳香烃缩合作干酪根在热演化过程中，同时存在放氢的芳香烃缩合作用与加氢的正烷烃歧化作用。用与加氢的正烷烃歧化作用。前者从低分子的菲逐渐缩合稠化为多核稠前者从低分子的菲逐渐缩合稠化为多核稠环芳香烃，直到石墨，放出大量氢；环芳香烃，直到石墨，放出大量氢；氢能用于后者形成氢能用于后者形成C C5 5和和C C1212正烷烃，进一步正烷烃，进一步裂解为裂解为C C3 3、C C5 5和和C C6 6正烷烃，最终产物是甲烷

10、、正烷烃，最终产物是甲烷、乙烷和丙烷。乙烷和丙烷。 干酪根在热演化过程中，同时存在放氢的芳香烃缩合作干酪根在热演化过程中，同时存在放氢的芳香烃缩合作用与加氢的正烷烃歧化作用。用与加氢的正烷烃歧化作用。芳香烃缩合作用：低分子菲缩合稠化放出H2多核绸合芳香烃石墨。正烷烃岐化作用：大分子裂解为小分子，加H最终CH 、4C2H 等。6Kerogen热演化生成低碳数液态烃、气态烃自身芳环聚合成大分子，H/C 从低分子的菲逐渐缩合稠从低分子的菲逐渐缩合稠化为多核稠环芳香烃，直到化为多核稠环芳香烃，直到石墨，放出大量氢；石墨，放出大量氢； 氢能用于后者形成氢能用于后者形成C5和和C12正烷烃，进一步裂解为正

11、烷烃，进一步裂解为C3、C5和和C6正烷烃，最终正烷烃，最终产物是甲烷产物是甲烷 石油热演化的缩合石油热演化的缩合作用和歧化作用作用和歧化作用28n 在地层条件下，石油及天然气生成后，一直处于地温加热状态下，这种温度使烃类缓慢而持续地向稳定状态改变其分子结构。烃类分子最稳定的异构体是那些带有最低自由能的分子。 各种烃类的热稳定性各种烃类的热稳定性零线代表元素碳和氢的自由能；零线代表元素碳和氢的自由能；的自由能随碳数增加而的自由能随碳数增加而增大，甲烷的自由能最低，因增大，甲烷的自由能最低，因而最稳定；而最稳定；的的自由能，烯烃自由能，烯烃环烷烃环烷烃正烷烃，正烷烃，烯烃最不稳定；烯烃最不稳定；

12、在低中在低中温温(250300)时，自由能超时，自由能超过环烷烃和正烷烃，而在高温过环烷烃和正烷烃，而在高温条件下则相反。在极高温条件条件下则相反。在极高温条件下，芳香烃高度缩合，是最稳下，芳香烃高度缩合，是最稳定的。定的。 油型气演化方向：从石油伴生气油型气演化方向：从石油伴生气凝析油伴生气凝析油伴生气 热裂解气和高度碳化的石墨热裂解气和高度碳化的石墨油气的演化服从状态下的规律，即（2 2）油型气特点油型气特点主成气母质：腐泥型、腐腐泥型有机质；热演化阶段：主成气母质：腐泥型、腐腐泥型有机质；热演化阶段：RO大于大于0.5%，可达2050%，C /C+小小（410） （-55-45），（-3

13、00-180） 比值明显，随有机质成熟度随有机质成熟度，iC4/nC4，在在生油窗约为生油窗约为0.70.8各种油型气是在干酪根不同热演化阶段的产物，其化学成分不同 ， （1020）； 13C（-50-40），D C1（-250-150），比比石油伴生气偏重。石油伴生气偏重。 以甲烷为主，以甲烷为主，（12%）； C /C+=20100；13C -35-40由由 1）2）3）：）：C ，CH ；13C 、DC1变重变重天然气组成主要参数分析 油田或油区 CH4 重烃 C1/C2+ C1/C 13C1 (PDB) 大庆油田 (石油伴生气) 53.995.61 2.64 38.51 1.4036.

14、22 0.58 0.975 -37.72-49.97 东濮凹陷 (凝析油伴生气) 71.04 87.43 10.63 26.91 3.21 20.3 0.75 0.96 -38.9-45.1 板桥凝析气田 82.88 15.29 5.42 0.844 川东相国寺气田 (热裂解干气) 98.15 0.89 110.3 0.991 -33.55 我国若干油型气的组成特点我国若干油型气的组成特点（陈荣书，（陈荣书，19891989） 34 油型气分布很广，在含油气盆地中只要发现了油型气分布很广，在含油气盆地中只要发现了油藏，都有可能找到数量不等的油型气。油藏，都有可能找到数量不等的油型气。 它们可以

15、呈不同状态存在。石油伴生气或呈游它们可以呈不同状态存在。石油伴生气或呈游离气顶、或呈溶解气状态与油藏伴生，多分布在离气顶、或呈溶解气状态与油藏伴生，多分布在盆地的中深部，深约盆地的中深部，深约1500150035003500mm。35n与煤系有机质(包括煤层和煤系地层中的分散有机质)热演化有关的天然气，称为煤型气或煤成气。n包括成熟、高成熟及过成熟阶段生成的天然气 3. 煤型气煤型气n煤型气、煤成气和煤层气的差异：n煤成气原指煤层在煤化过程中所生成的天然气；也可理解为煤型气的同义语。n煤层气是指以吸附状态存在于煤层中的煤成气。36（1）煤型气的形成阶段）煤型气的形成阶段 煤型气的原始有机质，主

16、要来自各种门类植物的遗体，不同时代参与成煤作用的植物门类不同。志留纪以前，以藻菌类植物为主，仅形成腐泥煤。志留纪开始出现陆生植物，石炭纪以来，陆生高等植物成为成煤原始有机质的主要来源。 这些有机质（主要为碳水化合物和木质素）若大量堆积，随着埋深的增加，经泥炭化及煤化作用或成岩作用，可演变成不同煤阶的煤或腐殖型（型）干酪根。 煤层或腐殖型干酪根在化学成分及结构上以含带煤层或腐殖型干酪根在化学成分及结构上以含带许许 多烷基侧链和含氧官能团的缩合多核芳香核为主，多烷基侧链和含氧官能团的缩合多核芳香核为主，在热演化过程中以产气态烃为主。在热演化过程中以产气态烃为主。 37氧气有限，随着埋深的增加，经泥

17、炭化泥炭化及煤化煤化作用作用，可演变成；呈分散状态伴随矿物质一起沉积下来，随着埋深的增加，经成岩作用则形成 原始有机质原始有机质：陆生高等植物为主，有机组成主要陆生高等植物为主，有机组成主要是碳水化合物及木质素是碳水化合物及木质素。（1）煤型气的形成阶段）煤型气的形成阶段38 煤层或腐殖型干酪根煤层或腐殖型干酪根以含带许多烷基侧链和含氧官能团的缩合多核芳香烃为主，所以，热演化中以产热演化中以产气态烃为主气态烃为主。煤化过程不同阶段，形成的产物组成有所不同。两种类型：两种类型：腐植型有机质煤化过程的腐植型有机质煤化过程的阶段与成气模式阶段与成气模式1.泥炭褐煤早期阶段泥炭褐煤早期阶段：Ro0.4

18、%, 地温小于75，相当相当于生物化学生气阶段于生物化学生气阶段；2.褐煤中期长焰煤阶段褐煤中期长焰煤阶段：形成的气主要为形成的气主要为CO2和和CH4，含少量重烃，为成岩和热解作成岩和热解作用用形成；3.气煤瘦煤阶段气煤瘦煤阶段：主要形主要形成煤型湿气和煤型油成煤型湿气和煤型油，有时重烃气含量超过甲烷；4.贫煤贫煤-无烟煤阶段无烟煤阶段：形成以：形成以甲烷为主的煤型干气甲烷为主的煤型干气。煤中不同显微组分生烃模式煤中不同显微组分生烃模式：从从阶段到某一煤阶，每吨煤所阶段到某一煤阶，每吨煤所生成的烃类气体的总量（体积）生成的烃类气体的总量（体积）：从：从到某一煤阶，每吨煤所生到某一煤阶，每吨煤

19、所生成的烃类气体的总量（体积）成的烃类气体的总量（体积）与有机组分的性质和丰度、煤阶、实验条件和计算方法等因素有关。 在表示煤型气产率的大小时，常用煤气发生率煤气发生率或视煤气视煤气发生率发生率来表示。（2 2）煤型气的主要特点煤型气的主要特点1）主要于和和发育的盆地。2）：3）4）煤化过程，形成的组成5）甲烷甲烷13C一般在一般在-25-42。 时，。6）与煤型气一起形成的中，常。7），一般含量超过700毫微克/米343天然气组成，(%) 气田名称 产层 时代 气源层 时代 C1 C2+ N2 CO2 13C (,PDB) 资料来源 格罗宁根 拉策尔 达卢姆 P1 P1 P1 C2 C2 C

20、2 81.2 89.9 86.06 3.48 6.10 0.44 14.4 0.87 -36.6 -29.2 -25.4-22.0 据 Stahl, 1977 圣胡安 K K -42.0 转引自 Stahl，1983 库珀盆 地(澳) 木姆巴 9 井图拉奇 9 井 P1 P1 P1 P1 66.02 71.76 0.67 11.62 33.27 14.40 -28.8 -36.3 据 Rigby，1981 东濮文留 22 井 E2 C-P 96.35 2.35 -27.9 据朱家蔚等，1983 陕甘宁刘庆 1 井 陕甘宁任 4 井 P1x P1x C-P 95.0 92.52 0.64 6.9

21、7 4.13 0.49 0.01 -30.47 据王少昌，1983 四川中坝 4 井 四川中坝 7 井 T3X T3X 90.8 87.33 8.20 12.23 0.17 0.41 0.40 0.03 -34.8 -36.0-35.9* 有*者为中坝 7 井邻近数据,据陈文正，1982 国内外若干煤型气的组成（据陈荣书，1989） 1959年在荷兰北部发现格罗宁根大气田，并在查年在荷兰北部发现格罗宁根大气田，并在查明了二叠系赤底统风成砂岩中巨大天然气聚集来自中明了二叠系赤底统风成砂岩中巨大天然气聚集来自中石炭统煤系地层以后，煤型气开始被人们所重视。石炭统煤系地层以后，煤型气开始被人们所重视。

22、 后来，在北海盆地南部发现十几个大气田，探明后来，在北海盆地南部发现十几个大气田，探明总储量逾总储量逾4.51012米米3，成为世界第二大产气区。从，成为世界第二大产气区。从此，俄、美、澳等许多国家普遍注意在含煤盆地中寻此，俄、美、澳等许多国家普遍注意在含煤盆地中寻找煤型气气藏。找煤型气气藏。 在煤炭资源极丰富的德国，探明的煤型气储量占在煤炭资源极丰富的德国，探明的煤型气储量占天然气总储量的天然气总储量的93%。 我国有着丰富的煤炭资源，煤型气是我国天然气我国有着丰富的煤炭资源，煤型气是我国天然气勘探的重要领域。勘探的重要领域。 45中国大气田一览表中国大气田一览表盆地盆地储量储量探明时间探明

23、时间主力气层主力气层储层主要岩性储层主要岩性 主要气源岩主要气源岩 气的类型气的类型512.28512.2819941994J J2 2,J,J3 3砂岩砂岩T T3 3煤系煤系375.72375.7219871987T T2,2,T T3 3碳酸盐岩碳酸盐岩P P2 2煤系煤系380.52380.5219591959T,CT,C2 2,P,P1 1碳酸盐岩碳酸盐岩587.11587.1119931993C C2 2,P,P2 2碳酸盐岩碳酸盐岩397.71397.7119961996C C2 2碳酸盐岩碳酸盐岩408.61408.6119651965Zn,PZn,P1 1碳酸盐岩碳酸盐岩海相

24、泥页岩海相泥页岩靖边靖边2766.282766.2819921992O O1 1,P,P砂岩，砂岩，碳酸盐岩碳酸盐岩C-PC-P煤系、煤系、C C海相泥岩、海相泥岩、灰岩为主灰岩为主榆林榆林1132.811132.8119971997P P，O O 1 1砂岩砂岩乌审旗乌审旗1012.101012.101999P砂岩砂岩苏里格苏里格2204.752204.7520012001P砂岩砂岩长东长东358.48358.4819991999P P砂岩砂岩376.45376.4519941994E E，N N1j1j砂岩砂岩2840.292840.2920002000K,EK,E砂岩砂岩616.9461

25、6.9419981998O,CO,C2 2碳酸盐岩碳酸盐岩海相泥岩、海相泥岩、泥质碳酸盐泥质碳酸盐岩岩油型气油型气425.30425.3019891989Q Q1 1、Q Q2 2砂岩砂岩422.89422.8919901990砂岩砂岩492.22492.2219911991砂岩砂岩884.96884.9619901990E E砂岩砂岩996.80996.8019951995N N砂岩砂岩431.04431.0419971997N N砂岩砂岩东海东海330.43330.4319981998E E2 2,E,E3 3砂岩砂岩E E煤系煤系乐东乐东22-122-1春晓春晓C-PC-P煤系煤系涩北二

26、号涩北二号涩北一号涩北一号崖崖13-113-1东方东方1-11-1牙牙 哈哈克拉克拉2 2和田河和田河台南台南气田气田新场新场磨溪磨溪卧龙河卧龙河五百梯五百梯沙坪场沙坪场威远威远四四川川塔里木塔里木柴达木柴达木莺琼莺琼鄂鄂尔尔多多斯斯E E煤系煤系Q Q含泥炭含泥炭的泥岩的泥岩煤成气煤成气煤成气煤成气J J煤系煤系油型气油型气S S，P P1 1海相泥海相泥页岩、灰岩；页岩、灰岩；P P2 2煤系煤系煤成气煤成气Q Q1 1、Q Q2 2Q Q1 1、Q Q2 246指来源于非有机物质的气体，主要是由岩浆活动、指来源于非有机物质的气体，主要是由岩浆活动、变质作用、无机盐类分解等产生的气体。变质

27、作用、无机盐类分解等产生的气体。它包括地球深部岩浆活动、变质作用、无机矿物分解作用、放射作用以及宇宙空间所产生的气体。 非烃气主要来自无机作用。也有很多迹象表明，非烃气主要来自无机作用。也有很多迹象表明，甲烷也有无机成因来源。甲烷也有无机成因来源。三、无机成因气三、无机成因气47 1 1、无机成因气的类型、无机成因气的类型幔源气幔源气直接来源于地壳深部及上地幔的气体。直接来源于地壳深部及上地幔的气体。火山气火山气与火山作用有关，包括喷出气、高温气、温泉气与火山作用有关，包括喷出气、高温气、温泉气岩浆岩气岩浆岩气岩浆岩中化学作用生成的气体。岩浆岩中化学作用生成的气体。变质岩气变质岩气变质岩中化学

28、作用生成的气体。变质岩中化学作用生成的气体。宇宙气宇宙气宇宙空间核反应、放射性反应及化学反应生成气宇宙空间核反应、放射性反应及化学反应生成气无机盐类分解气无机盐类分解气沉积岩中无机盐分解产生的气体，如沉积岩中无机盐分解产生的气体，如 碳酸盐分解产生的碳酸盐分解产生的CO2气体、气体、 硫酸盐还原产生的硫酸盐还原产生的H2S气体等。气体等。48与深大断裂活动有关与深大断裂活动有关，常沿深大断裂运移，常沿深大断裂运移至浅层，或沿结晶岩与沉积岩之间的至浅层，或沿结晶岩与沉积岩之间的不整合不整合进入紧进入紧邻结晶岩的沉积岩中，聚集成藏。邻结晶岩的沉积岩中，聚集成藏。构造活动单元，特别是构造活动单元，特

29、别是古老地层古老地层更有可能更有可能分布无机成因气。分布无机成因气。 2 2、无机成因气的分布、无机成因气的分布493 3、无机成因气的成分、无机成因气的成分（1 1）非烃气）非烃气v 种类较多，种类较多，包括包括COCO2 2、COCO、N N2 2、H H2 2以及以及HeHe、ArAr和和NeNe等惰等惰性气体；性气体；以以CO2、N2、H2O等气体为主。等气体为主。v 幔源气体氦同位素丰度幔源气体氦同位素丰度3He/4He比值高，为空气中的比值高，为空气中的3He/4He比值的比值的8倍。倍。v 无机成因的无机成因的CO2的碳同位素的碳同位素13C一般在一般在-80，最高，最高可达可达2750v 甲烷为主，甲烷为主，C2+很少；甲烷的碳同位素丰度很少；甲烷的碳同位素丰度13C1-20；v 烃类为主的气藏很少，在烃类为主的气藏或含烃烃类为主的气藏很少，在烃类