天然气的形成及地化特征

1、第五章 天然气的形成及地化特征概 述一、生物气的成因四、非烃气体的成因三 、煤系气的成因二、热成因气五、天然气的空间分布六、天然气的成因研究1天然气的分类（按成分）烃类气体非烃类气体常温常压下的气态烃类乙烷、丙烷、丁烷和异丁烷轻烃重烃甲烷天然气的分类（按成因）生物气油田气煤成气无机成因气天然气的相态气态固态液态甲烷含量大于95%称为干气一般是指凝析油含量在于1050g/m3称为湿气定义：天然气广义上指自然界中存在的一切气体。在油气勘探中是指存在于岩石圈中可燃的天然气，其成分主要为甲烷为主的烷烃系列及无机气体（CO2、N2、H2S、H2、O223 目前我国探明储量大于1000亿立方米的气田共有5

2、个，其中苏里格气田探明储量大于5000亿立方米。 我国主要含气区重点气田储量对比图(据国家储委及中油集团储量公报)储量（亿立方米）4评价范围地质资源量/万亿立方米可采资源量/万亿立方米95%50%5%期望值95%50%5%期望值115个盆地24.0634.1648.335.0315.2821.630.4322.03陆域20.1326.9436.526.9312.6816.822.8017.08近海3.937.2211.78.12.64.737.634.95 全国天然气地质及可采资源量评价结果表2008年1月3日关于新一轮全国资源评价和储量产量趋势预测报告 2009年，我国石油产量为1.89亿吨

3、，占全球石油产量3525亿吨的5.18，居世界第5位，储采比为11.5。累计探明石油技术可采储量92.1亿吨，石油累计采出量为51.9亿吨，已探明资源的采出程度分别为63.6%，剩余技术可采储量29.49亿吨，剩余经济可采储量21.71亿吨，居世界第13位。2009年，我国天然气产量为761.2亿立方米，居世界第9位，储采比为35。累计探明天然气地质储量7.1万亿立方米，累计探明技术可采储量4.3万亿立方米，天然气的累计采出量为10198.4亿立方米，已探明资源的采出程度21.3%，剩余技术可采储量3.77万亿立方米，剩余经济可采储量2.9万亿立方米，居世界第14位。5浅层生物气煤层气页岩气致

4、密砂岩气构造圈闭油气非常规油气：致密砂岩气、页岩气煤层气、浅层微生物气、天然气水合物、油砂、页岩油。6（1）致密砂岩气（孔隙度10%，渗透率为mD-nD）据估算，全球致密气资源量为456.24万亿方现今技术可开采的致密砂岩气储量约为10.524万亿方 7涵义：受相似地质因素控制、含有一定资源规模、以吸附状态为主的煤层气、具有相对独立流体系统的煤岩体煤层气煤层甲烷被吸附于水与煤的接触带煤基质裂隙和节理中的水(D)向斜-水动力封堵煤层气藏(F)背斜-水驱圈闭煤层气藏(G)削顶背斜-水驱圈闭煤层气藏(H)断层-背斜-水驱圈闭煤层气藏(K)透镜状煤体煤层气藏(J)低渗自封闭体煤层气藏(I)异常压力封存

5、箱煤层气藏(B)断层-水动力封堵煤层气藏(E)煤层尖灭-水动力封堵煤层气藏(C)单斜-水动力封堵煤层气藏(A)物性-水动力封堵煤层气藏低渗区高渗区地下水的补给和运移方向8涵义：页岩气是页岩烃源岩生成的天然气，在排烃后有一部分残留在页岩层段中的天然气就被称之为页岩气有机质与粘土颗粒表面的吸附气的储集方式与煤层气相似基质孔隙和裂缝中的游离气的储集方式与常规天然气储层相似自内表面解吸阶段1构成模式阶段2阶段3天然裂缝网络流入基质孔隙流入天然裂缝系统页岩气9美国连续气藏产量目前已占天然气总产量的43%1996-2006美国3类连续气生产数据变化统计致密砂岩气占67.7，煤层气20，页岩气12.3%时间

6、致密砂岩气煤层气页岩气生产井可增储量钻井产量生产井可增储量钻井产量生产井可增储量钻井产量（口）万亿方十亿方/井（口）万亿方十亿方/井（口）万亿方十亿方/井1996-20001400031.52.25732011.61.5841105.21.252001-20021057019.51.84104505.70.5536402.80.762003-20053108030.10.99148306.60.47149906.70.9310t/oCCH4气水合物和冰气水合物和水无气水合物气水合物是立方晶系的结晶化合物。当水结冰时，晶格膨胀，形成的笼式结构可以容纳气体分子。1 小的晶胞结构中46个水分子可以包

7、含8个甲烷分子，其余的一些气体也可进入其中。2 大的晶胞结构是金刚石型填集，在笼中不仅能留住C1和C2，而且为了结构稳定， C3、 i C4也可占据一些大的笼，136个水分子可以包含8个丙烷和异丁烷分子。天然气水合物的压力-温度曲线相对密度0.6的天然气100008001000200040004002001008000-12-1-71610421271b/in211一、 生物气的成因还原环境浅处沉积物中微生物分解有机质，形成各种气体含氧环境有机质在厌氧细菌作用下发酵形成CH4有机质被氧化，放出CO2、SO2、N2等气体产酸阶段产甲烷阶段12水解作用好气氧化葡萄糖产甲烷阶段光合产物（纤维素）41

8、23产乙酰/产氢阶段乙醇丙醇丁醇丙酮丁酸丙酸乳酸乙酸甲酸有机质的厌氧降解过程CO2CO2H2CH4发酵作用13硫酸盐岩还原带有氧无氧有氧呼吸无氧呼吸光合作用硫酸根的存在对甲烷的形成有一定的抑制作用当沉积物表面位于硫酸盐还原带，并具有一定厚度时，有利于形成甲烷。通过细菌作用在浅处可生成甲烷气溶解物剖面水-沉积物剖面（生物化学带）代谢作用剖面O2SO4HSHCO3CH4H4空气沉积物有氧带碳酸盐岩还原带（甲烷生成带）水透光带富含有机质的开阔海洋环境剖面14温度（） 累计产气量方/t Toc不同母质类型有机质的生物气生气率演化曲线(适合无抑制淡水环境)型 II型 型 (李明宅 等，1997）1516

9、二、热成因气热成因气包括深成阶段形成的石油伴生气、湿气、凝析气以及准变质阶段的裂解气。热成因气都是由于热力作用使干酪根和已生成液态烃类裂解形成的。17成岩作用阶段生物甲烷气深成作用阶段初期中期中高分子量的液态烃（生油主带）形成的伴生气除甲烷外，重烃含量高，C1/C2+约为1050深成作用阶段后期低分子量气态烃（C2C4）明显增加湿气，以及高温高压下轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气。同时，伴有大量的甲烷生成。准变质作用阶段由于温度持续升高，生成的液态烃和还没有完全裂解的干酪根裂解为轻质烃直至甲烷。主要为CH4。几乎没重烃。埋深18乙烷丁烷70150 ，高峰在120 甲 烷高峰在150 200250

10、，可视为生油（气）岩生气能力的下限。有机质中可裂解的部分基本耗尽。温度19t/oCCH4CH4CH4CH4CO2CO2C2+C2+N2N2H2SH2S天然气的生成模式，N2最初以NH3形式产生 准变质阶段深成阶段成岩阶段20腐植型有机质 细粒沉积物中有机质的天然气相对含量腐泥型有机质5010015020020生油有机质生气有机质生油和生气有机质结构图示腐泥型有机质富含长链脂肪结构，所以在热解时烷基侧链断裂可依次形成液态烃、湿气和干气。腐植型有机质则富含芳香结构，含氧基团和少量的短链脂肪侧链。因此热解时主要形成干气和二氧化碳。21C1/C1+C2+/ C1干燥系数重烃系数475个油气藏的资料绘制

11、含溶解气的气藏平均值比值极限值美国、加拿大、澳大利亚油气田中C1/C2+平均值与深度的关系40030020010010005004500350015005500250065007000CH4/重烃深度(m)22层位相对密度甲烷重烃%甲烷/重烃CO2+H2S%H2%N2%乙烷丙烷丁烷总量T30.60492.183.991.790.586.3614.5P10.568597.991.060.230.051.3473.10.470.050.10Z0.632989.030.140.090.001.23387.15.940.174.68四川盆地气藏天然气成分23气体成分平均含量（%）气体成分平均含量（%）

12、CH491.89CO23.58C2H60.48N24.017C3H80.00149O20.148C4H100.00033H20.002C5H120He0.03美国煤层瓦斯成分24煤系地层中常具有较高的汞含量。这是由于煤作为富集状的腐植型有机质，对汞有较大的吸聚能力。25从煤中形成气体的热动力学条件和化学机理与分散有机质基本相似。其主要差别如下：1 富集状有机质在转化初期，受氧化作用影响较大2 粘土矿物对富集状有机质转化的催化作用较小 3 煤中富集状有机质对温度反应迟缓 4 煤有较大的吸附容量，可保存较多的气体于煤层26不包括水的挥发分煤化过程中煤级指标的明显变化（Vr-不包括水分的挥发分）德国

13、美国27定义：煤成气就是指煤系地层在煤化过程中生成的天然气。三、 煤成气的成因上世纪60年代以来相继在前苏联西西北利亚盆地、荷兰东部盆地和北海盆地中发现了特大的煤系地层的气田。这三个气区的探明储量约占世界探名储量的1/3。我国也在鄂尔多斯盆地、四川盆地、东濮盆地等处找到了与煤系地层有关的气藏。瓦斯气就游离态的煤成气，它是以甲烷气为主的混合气。28煤的现代物质结构概念：煤是由稠环芳香核、桥键和烷基侧链组成的大分子聚合物。成煤有机质主要是富含杂原子的纤维素和木质素。煤化作用的实质：就是腐植型有机质脱氧、去氢、富碳的过程。芳核上的不稳定官能团，特别是含氧、含碳的官能团（如羧基、羟基、氨基以及甲氧基）

14、的脱落，富氢的烷基侧链断裂，芳香核不断缩合，以CH4、CO2、 H2O、N2、H2S等挥发性物质排出形成煤系气。29C%烟煤与无烟煤阶段微镜煤在煤化过程中的物理、化学与分子结构变化煤的大分子结构特征决定吸附孔隙的发育程度，通过比表面积来表征。 低煤级煤结构单元的芳构化程度较低,侧链和官能团发育,分子半径大,大分子的堆积较为疏松,结构单元间结合不够紧密,吸附孔隙和吸收孔隙均很发育,表现为煤的比表面积大、吸收孔隙比表面积比小； 高煤级煤的结构单元的芳构化程度高,侧链和官能团大量脱落,分子半径变小,大分子的堆积变得致密, 随煤化作用程度增高,吸附孔隙变小,部分吸附孔隙变为吸收孔隙, 镜质组反射率超过

15、4. 5%时,煤大分子结构单元因拼叠作用发生“晶化”,吸附孔隙和吸收孔隙锐减导致比表面积陡降30泥炭 褐煤烟煤煤的演化类似型干酪根，初期以O/C原子比下降为主，后期以H/C原子比下降为主。在煤的干馏实验中1kg煤可生成200LCH4、75LCO2、10LN2、H2O和少量重烃化合物。31植物遗体泥炭褐煤烟煤无烟煤超无烟煤成岩作用泥炭化作用煤化作用变质作用成煤作用成煤作用的阶段32CO2为主，占天然气的7090%烃类气小于20%CO2降至10%，烃类气为7090%。仍然以气态烃甲烷为主，但重烃含量明显增加甲烷气占8090%。几乎没有重烃气，二氧化碳量很少。是甲烷的主要生成期，也是干气带。煤化过程

16、中成烃阶段示意图煤的生气、成油可以分为三个阶段主要产物甲烷气湿气期干气期33t/oCCH4CO2N2煤化过程中煤系气的产率曲线34组成 熟 阶 段已鉴定的组分高成熟 过成熟阶段已鉴定的组分成 因组 分亚 组 分组 分镜质组结构镜质体镜屑体无结构镜质体荧光均质镜质体无荧光均质镜质体基质镜质体 +镜质体镶嵌结构各向异性体+高等植物木质纤维组织，凝胶化作用的产物，高变质下镜质体可转变为各向异性体惰质组丝质体 菌类体 惰屑体氧化丝质体火焚丝质体+惰性体+高等植物木质纤维组织，丝炭化作用的产物壳质组孢子体、角质体树脂体、壳屑体木栓质体+各向异性体+来源于陆生植物的类脂物质,高-过成熟阶段烃类排出，荧光消

17、失，演变成各向异性体 腐泥组藻类体沥青质体-+微粒体+是藻类、浮游动物、细菌等低等水生生物强烈降解的产物，在生油和运移后，留下的固体残渣为微粒体。 次 生有机组渗出沥青体各向异性体镶嵌结构 微粒体+ +富氢显微组分成烃后渗透出烃类的演变产物动物有机碎屑组有孔虫动物外壳+动物的有机质硬体注：+常见，比较常见，+少见，-罕见或未见济阳坳陷煤系烃源岩显微组分分类与分布表 （以济阳坳陷古生界C-P和中生界J1+2新生界第三系为例）煤岩35 煤岩显微组分的生油能力 从煤岩亚显微组分的生油潜量来看，由大到小的次序大致是：树脂体 花粉 角质体 木栓质体 沥青质体 孢子体 基质镜质体。 36 显微组分组成及常

18、规地球化学评价 煤岩生油潜力评价标准 37煤 成 烃 模 式肖贤明根据我国煤成烃盆地煤系烃源岩具体地质地化特征，建立起了四种成烃模式，分为A，B，C，D类。 A类：成烃演化模式与II型干酪根甚至I干酪根相似。它代表了我国广泛分布的特种煤，以生油为主，在高成熟阶段后，可产出大量天然气。虽目前我国尚未发现这类成因的煤成油气田，但这类烃源岩在我国聚煤盆地广泛分布。 B类：成烃模式液态窗呈双峰形。这种模式主要见于我国第三纪含煤盆地。由于我国第三纪煤一般成熟度较低，大多只进人第一个生烃期，烃类主要源于树脂体，即形成未熟低熟油。这类油气资源在我国东南沿海不断发现。 C类：成烃模式与III型干酪根成烃模式类

19、似。这类煤层以镜质组为主，液态窗主范围为Ro0.651.30。我国C-P煤成烃盆地的煤层以这种成烃模式为主，如有匹配的圈闭构造，可形成一定规模煤成油气田。 D类：成烃模式多见于我国中生代煤盆地。生烃母质以镜质组占绝对优势，液态窗范围宽，主生烃期不明显。这类煤层以煤成气为主，并伴有一定数量轻质油。准噶尔、塔里木库车及吐哈侏罗系煤层实际上亦属这类成烃模式。 38四、 非烃类气体的成因氮气二氧化碳硫化氢氦气氢气氮气是大气的主要组成，地壳中的氮气主要是通过循环的地下水、雨水从大气携带而来。大气中的二氧化碳含量约为0.04%。二氧化碳易溶于水，所以水体中含有比大气多几十倍的二氧化碳。天然气藏中一般二氧化

20、碳的含量不大于45%（体积），但也有高达80%的。 H2S是具有强腐蚀性的毒性气体。也是油田气、天然气中常见的组分。一般含量低，不超过25%。但也有少数含量很高的气藏（例如，美国南德克萨斯 98% ）。氦气在自然界无单独成藏，都是与其它气体相伴生。氦气都是无机成因的。氢气在烃类气中小于3%，都是与其它气体相伴生。氦气都是无机成因的。煤系气中可高达87%（巴尔扎斯区）。39氮气来源演化图（Kroos等，1996）40 生物成因：主要作用是异化还原作用,由硫酸盐还原菌通过对硫酸盐的异化还原代谢过程而实现。 在该过程中,硫酸盐还原菌通过厌氧呼吸只将一小部分代谢的硫结合进细胞中,大部分硫以类似氧被需氧

21、生物(另一种属的硫酸盐还原菌) 所吸收那样来完成能量代谢过程，提高还原菌吸收转化的效率,从而产生大量硫化氢。热化学成因：主要指硫酸盐因热化学作用还原生成硫化氢,即硫酸盐矿物与有机质或烃类作用,硫酸盐被还原生成硫化氢,气态烃被氧化形成二氧化碳气体。 41不成熟相成熟相变质相五、 天然气的空间分布西加拿大盆地有机相变化N2N2N2N2N2CH4H2SCO2CO2CO2CO2CO2424344持续充注、近源运聚、连续分布45六、 天然气的成因类型综合判识46腐泥型有机质热催化裂解气腐植型有机质热催化裂解气4748天然气成熟度图(A.T.James,1983)有机质变质程度（LOM）高温甲烷油凝析油1

22、3CPDBRO49根据甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素判断有机烷烃气的成因（戴金星，2000) 生物气油型气煤型气油型气生物气50深源气热解气凝析气伴生气生物成因气102104103105101-20-30-40-50-60-70-80C1/C2+C313C1天然气成因分类简图51生物气煤型气原油伴生气油型裂解气52四川T3煤成气库车T-J煤成气苏里格C-P天然气苏里格地区天然气碳同位素分布图53川中地区天然气的碳同位素对比图54长岭断陷位于松辽盆地中部断陷带面积 7044km2基底最大埋深 8000m断陷层总资源量6070108m3长岭断陷区域构造位置图十屋断陷长岭断陷 松辽南部无机成因天然气的特

23、征与判识 概况特殊成因天然气介绍：大庆油田 概况坳陷层断陷层苏公坨断阶带北正断阶带乾安断凹长岭断凹达尔罕断凸带查干花断凹东部斜坡带长岭断陷构造单元划分苏阶公带坨断阶正带北断乾安断凹长凹岭尔达断罕凸干带查断花部凹带东断坡斜凝灰岩:溶孔、基质内微孔、 气孔发育流纹岩：气孔、溶孔及收缩缝、构造缝发育火山岩储层为天然气聚集提供了良好的载体 YS101YS1YS102CS1YS1YS102YS101营城组含气面积:16.83km2有效厚度153.6m，有效孔隙度:7.8%体积系数:0.0036，含气饱和度:69.6%探明储量：433.6108m3松南气田达尔罕断层天然气组分气藏特征 甲烷含量为69-72

24、%，乙烷含量0-2.08 %，氮气含量为4.21-8.5%，二氧化碳含量为18-27%。密度0.76-0.82g/cm3。天然气以甲烷为主，氮气，二氧化碳含量偏高，不含硫 。 腰英台深层气田营城组天然气分析数据表 井号取样深度天然气相对密度天 然 气 组 分 （%）甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷己烷以上氮二氧化碳硫化氢m腰深1井3544.41-3575.00.791272.0641.1890.0560.0020.010.0080.000.0144.86121.79300.798771.711.230.060.0020.0150.0050.010.0414.2122.7203544.41-

25、3575.00.7870.591.020.0600.020007.832000.7671.20.930.0300.010008.4218.103544.41-3575.072.592.083.1922.1503544.41-357572.730.960.060.012 0.010.0144.421.830腰深101井3824.0-3833.00.871.4600000005.5222.900.7971.960.840000005.5921.5103745.5-3764.50.8271.331.190.0500.01000.01027.4100.7871.18000 0 0003.7925.02

26、0腰深102井3773.5-3792.00.8269.0200.050 0 0005.8624.75059井号层位天然气组分碳同位素同位素序列C1C2C3腰深1k1d-20.4-20.8-24.7C1C2负k1yc-23.6-26.4-26.4C1C2C3C4负-21.2-26.5-26.7C1C2C3C4负-23.78-23.50 -24.80 C1C2负长深1k1yc-23.0 -26.3 -27.3 C1C2C3负长深1k1yc-25.77 -27.0 C1C2负长深1k1yc-25.92 -26.76 C1C2负长深1k1yc-20.17 -20.73 C1C2负长深1-1-23.17

27、 -24.43 C1C2负长深1-1-23.32 -25.10 C1C2负长深1-1k1yc-22.40 -27.00 C1C2负长深1-1k1yc-22.20 -26.90 -27.0 C1C2负长深1-2k1yc-18.3 -25.0 C1C2负特征： 13C130，同位素偏重; 13C1 13C2 13C3 13C4,碳同位素序列发生倒转,为较典型无机气体输入的特征。腰英台深层天然气碳同位素 特征60天然气碳同位素普遍偏重，通过对天然气成因分析，天然气碳同位素普遍存在倒转，存在较高的非烃气体，因此推断可能有无机幔源气的混入，导致天然气同位素存在倒转并且偏重 。长岭断陷营城组天然气碳同位素

28、指纹图61aa国内外无机成因天然气负碳同位素序列（戴金星，1992）气样地点13C1（）13C2（）13C3（）东海盆地天外天构造1井172229松辽盆地芳深1井14.0918.6323.2美国黄石公园泥火山21.526.5俄罗斯希比尼地块3.29.116.2戴金星院士对世界各地温泉气与火山气的研究认为无机成因的天然气甲烷碳同位素一般小于30.0，松辽盆地芳深1井与东海盆地天外天构造1井天然气碳同位素呈负相关关系，甲烷同位素值在18.0左右，认为天然气为无机成因 。62aaCO2的成因13CCO2值范围()有机成因-10幔源成因-4.0-8.0碳酸盐岩热分解3. 5+3. 5变质岩成因0.47

29、70. 292不同成因的CO2同位素分布范围井号层位深度（m)同位素（）CO2成因C1CO2腰深1k1d34663495-20.4-20.8-14.8-15.3有机成因k1yc-23.78-21.2-5.5-7.9幔源成因长深1k1yc3593753-26.07-20.17 -6.99-5.26幔源成因长深1-1k1yc3739-23.17-22.2 -7.5-4.63幔源成因长深1-1k1yc3880-22.4 -11.9混合成因长深1-2k1yc3838 -18.3 -11.6混合成因腰英台深层天然气CO2成因分析腰英台营城组天然气中主要为幔源成因CO2也有少量为煤幔混合成因CO2气，腰深1井登楼库组的CO2为有机成因气。63aa长岭断陷腰英台深层天然气13C113C213