精选天然气无机成因学说的发展和目前的研究进展及判别方法-谢生杰-161080291

1、天然气无机成因学说的开展和目前的研究进展及判别方法-谢生杰-161080291?非常规油气地质与勘探?课程论文题目：天然气无机成因学说的开展和目前的研究进展及判别方法班级： 地科研1601 姓名： 谢生杰 学号： 161080291 指导老师： 姚志刚 实验日期： 2023年4月 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc479779696 1前言 PAGEREF _Toc479779696 h 1 HYPERLINK l _Toc479779697 2无机天然气的类型 PAGEREF _Toc479779697 h 2 HYPERLINK l _Toc479779

2、698 2.1地幔说 PAGEREF _Toc479779698 h 2 HYPERLINK l _Toc479779699 2.2中地壳与费托地质合成说 PAGEREF _Toc479779699 h 2 HYPERLINK l _Toc479779700 2.3板块构造与费托地质合成说 PAGEREF _Toc479779700 h 3 HYPERLINK l _Toc479779701 2.3.1超铁镁岩的蛇纹石化及其逆反响脱蛇纹石化均是氢的地质来源 PAGEREF _Toc479779701 h 4 HYPERLINK l _Toc479779702 2.3.2 CO2来源 PAGER

3、EF _Toc479779702 h 4 HYPERLINK l _Toc479779703 2.3.3催化剂 PAGEREF _Toc479779703 h 4 HYPERLINK l _Toc479779704 3无机成因天然气的鉴别 PAGEREF _Toc479779704 h 5 HYPERLINK l _Toc479779705 3.1烷烃气甲烷碳同位素 PAGEREF _Toc479779705 h 5 HYPERLINK l _Toc479779706 3.2无机成因烷烃气负碳同位素 PAGEREF _Toc479779706 h 7 HYPERLINK l _Toc47977

4、9707 3.3R/Ra0.5和13C113C20 是无机成因烷烃气指标 PAGEREF _Toc479779707 h 8 HYPERLINK l _Toc479779708 3.4CH4/3He106是无机成因烷烃气甲烷,CH4/3He1011是有机成因烷烃气 PAGEREF _Toc479779708 h 8 HYPERLINK l _Toc479779709 4无机成因二氧化碳气 PAGEREF _Toc479779709 h 8 HYPERLINK l _Toc479779710 4.1碳同位素鉴别法 PAGEREF _Toc479779710 h 9 HYPERLINK l _To

5、c479779711 4.2CO2组分含量鉴别法 PAGEREF _Toc479779711 h 9 HYPERLINK l _Toc479779712 4.3CO2含量及其碳同位素综合鉴别法 PAGEREF _Toc479779712 h 9前言石油成因问题的争论由来已久。目前，石油有机成因论在油气地质学占主导地位，但是对石油无机成因的研究也似乎一直在进行着。我国无机成因油气理论的研究走在世界的前沿。科学实践证明，在油气中很大局部，特别是石油是有机成因的，然而并不排除在油气中相当多的局部，特别是天然气是无机成因的。无机成因油气论系指油气的组成元素是非生物源的，其形成与生物作用无关而是无机化学

6、作用的结果。无机成因油气田是指其中占绝对优势的组分或各组分均是无机成因的。从18世纪中叶无机成因油气论产生至20世纪70年代，是以地质为主，特别是以大地构造臆测为根底的古典无机成因油气论阶段，其特征是从油气本身地球化学角度来定量研究油气无机成因不够，而多靠旁推侧击的地质推论来说明油气无机成因，从而导致无机成因油气论处于兴短衰长的被动局面。从1763年至今，大量无机成因油气论者提出了大胆的推论，可惜他们对油气本身地球化学缺乏深入研究或没有研究油气主体的地球化学，只去探索油气的附属的地球化学，使其立论难以获得支持。近一二十年来，非生物无机生油气学说得到了开展。随着石油勘探的深入与开展，干酪根热降解

7、理论面临越来越大的挑战；而宇宙化学与地球形成的新学说，板块构造学说的开展及应用，地壳超深钻的不断实践，同位素地球化学特别是Pb、Sr、Nd固体同位素研究的深入，均为油气形成机理提供了许多新的信息和思路。传统的有机成因和无机成因油气理论的争论焦点是有关油气存在的地球化学条件或依据。一般认为，无机成因的油气是在高温下形成的，在高温状况下，石油能否形成和存在，还是个有争议并且值得深入研究的问题，而高温条件下烃类气特别是甲烷和二氧化碳存在和形成那么有充分的地球化学依据。油气成因可归结为两大派，即无机成因和有机成因；其形成与生物作用无关而是化学作用的结果。而在现今我认为主要的天然气无机成因又分为了地幔脱

8、气和的费-托合成理论。无机天然气的类型地幔说Gold等(1982；1984；1993)依据太阳系、地球形成演化的模型，认为13地球深部存在着大量的甲烷及其他非烃资源，这些甲烷在地球形成时就已存在，大最复原状态的碳是地壳深部被加热而释放出来的。经过地质历史的种种变化，这些甲烷向上运移，并大量聚集在地壳深度15km左右的地带，形成无机成因的油气藏。根据地球演化理论，大约在距今3500Ma，由地幔物质脱水作用形成的大气圈是复原性的，当时没有游离氧，但有甲烷等；当地球开始凝聚时，原始大气中的甲烷等气体作为“化石保存在上地慢或地壳深处。当存在怠慢柱并有深大断裂时，这些甲烷气便通过断裂、火山活动或在地壳运

9、动中释放。显然，这种释放过程贯穿整个地质时期，但它有几个主要释放期。由地慢脱气作用释放出来的所有气体，大局部被逸散到大气中，仅有局部形成了天然气藏。就目前来说，这种气藏多与沉积岩层有关，但是火山岩气藏正越来越多地被发现。还有一个问题，这些深源气也可能与有机成因气混合。东太平洋、红海、冰岛、中国五大连池、中国云南腾冲等火山区均有这类成因的天然气。Gold等认为2,3，大陆板块边缘褶皱带、大型地壳裂谷、地震活动带、活火山或死火山附近，以及已查明富集油气的线性带的外延局部，均是油气概率极高的地区。前苏联科学院地质研究所极为重视地球深源气的研究4。根据他们的理论以及实验模拟，并从大量的地球化学资料中论

10、证了在强复原条件下形成的深源气是氢气、各种烃类气及硫化氢。他们认为，在上地幔这种特有的温度和压力条件下，液-气相是氢和烃的巨大储气库。地球深源气向地壳表层运移的氢和甲烷的脱气过程受构造控制，深断裂带、裂谷、地堑、坳拉谷、挠折-断层带等均是深源气垂直运移的通道，即“脱气作用管。根据热力学计算，在压力为65kPa， 温度为1700的条件下模拟说明，高压一方面可使烷类热分解得以抑制，另一方面那么促使烃类的环化、聚合作用和凝析作用，从而向高分子的烃类演化，这为深源气合成油提供了实验依据。中地壳与费托地质合成说沃里沃夫斯基等5提出了陆壳岩浆潜入式增长的超基性蛇纹岩底辟说。他们认为：陆壳的结晶局部不全是由

11、高变质的层状结晶岩所构成，即在花岗岩花岗片麻岩与玄武岩中间夹有可塑性的超基性蛇纹岩。在地壳开展早期是双层结构，后来由于可塑性的超基性岩的挤入使上下层别离，并发生破裂，即所谓的“超基性蛇纹岩底辟说。这种超基性岩在地球物理上的显著特点是低速、高导性。根据上述机理，上层的花岗岩花岗片麻岩呈不连续的断块似乎飘浮在这层超基性岩上。地幔脱气生成的CO2、CO、H2沿玄武岩的破裂带上升到超基性的蛇纹岩带，发生了著名的费托合成反响:CO2+H2Fe,Co,Ni,V(300400）CnHm+H2O+Q费托合成的烃类伴随着岩浆活动如火山喷发沿花岗岩缺失的“通道上升，并运移到储集层形成油气藏。这样一来，我们可以形象

12、地描述: 蛇纹石化超基性岩是油气生成的“发生器，油气的费托合成反响便在此带发生; 沉积盆地由于有孔隙好的砂岩、白云岩等，成为油气的“存储器; 上地幔是油气生成的“原料库。这三者缺一不可，但必须有“通道相互连通。这是目前对地壳结构的新认识，从而为油气非生物( 无机) 生成理论注入了新的活力，使非生物( 无机) 成因论摆脱了“烃类无法存在于上地幔的高温条件的困境。沃里沃夫斯基等研究了上述陆壳结构与含油气盆地的关系，特别是研究了世界 9个大型、超大型含油气盆地的结构、地球物理参数，发现这些大型、超大型含油气盆地的沉积层均直接与蛇纹石化超基性岩或玄武岩接触而缺失花岗岩，他把这种盆地称为“缺花岗岩型盆地

13、，并认为凡底部缺失花岗岩的盆地而其中地壳有低速高导层，均蕴藏着巨大的油气资源。板块构造与费托地质合成说费托地质合成反响能否在地质条件下实现，困难主要在于催化剂、氢气和二氧化碳的来源问题。事实上，早在1963年，前伦敦皇家学会主席、著名化学家 Robinson6,7就注意到原油中正构烷烃的分布与费托合成“临氢重整油中的相同。据此，他认为地球上原始石油可能是在20亿年前通过费托合成反响而生成，只是以后反复经受了“临氢重整作用，同时参加了数量日益增加的生物物质。Studier等8证实了在实验室进行费托合成，然后重新加热，使合成油发生链烷烃到芳香烃的局部转化，就能重现碳质球粒陨石中所观察到的那种烃类成

14、分，即低碳数烃以苯和甲苯为主，高碳数烃以脂族烃为主。Lancet等9指出: 碳质球粒陨石中烃类与碳酸盐矿物之间碳同位素分布的巨大差异，可以通过费托合成反响而再现; 而碳质球粒陨石中可溶性有机质的13C却与原油的13C值十分相近。化学家的上述真知灼见没有引起石油地质学家、地球化学家的注意和重视。直到20世纪80年代，阿曼蛇绿岩带橄榄岩的蛇纹石化生成大量氢的现象已在地质考察中观察到，而地下钻探、实验研究也均证实了这一现象，地质学家才开始重新审视费托合成反响的石油地质意义。超铁镁岩的蛇纹石化及其逆反响脱蛇纹石化均是氢的地质来源自然界常见到超铁镁岩的蛇纹石化，伴随蛇纹石化过程有氢气放出，如果蛇纹石与水

15、镁石反响，那么可生成橄榄石、磁铁矿、水和氢气。这个反响即所谓脱蛇纹石化作用。因此，只要地壳上发生超铁镁岩的蛇纹石化及其逆反响脱蛇纹石化，便可产生大量的氢，而大洋中脊、板块俯冲带、裂谷那么都是超铁镁岩蚀变生氢的有利场所。CO2来源蛇绿岩、科马提岩等超铁镁岩经常有白云石、菱镁矿等碳酸盐矿物共生，在蛇纹石化过程中，这些碳酸盐矿物有可能局部或完全离解脱碳生成 CO2。板块俯冲、岩浆侵入、裂谷等地质背景均适宜CO2的排放，这局部CO2可按费托合成原理转化成烃类。催化剂研究说明:在费托合成反响中，不仅金属铁有催化活性，离子化氧化的铁有与金属铁一样的催化活性。在合成过程中由于CO2的离解，表层磁铁矿会不断氧

16、化成赤铁矿; 同时在氢的作用下，它又重新复原成磁铁矿。研究还说明:在500的温度下，氧化铁可以与它的承载物氧化硅或氧化铝交换阳离子，即铁离子进入了承载晶格比拟稳定的位置，因而获得了良好的催化活性。由此推测铁硅酸盐可能也是费托合成反响的活泼催化剂，而磁铁矿、赤铁矿、铁硅酸盐都是地壳中常见的矿物，完全可以满足费托合成反响的需要。无机成因天然气的鉴别我个人通过看了文献认为无机成因天然气的鉴别主要分为烷烃气的鉴别和二氧化碳气的鉴别。但在国内外，无机成因二氧化碳气的鉴别要逊色与无机成因烷烃气相比。无机成因二氧化碳气指气的组分中二氧化碳占多，而显而易见无机成因烷烃气就是指在气的组分中烷烃占主要。在无机成因

17、烷烃气的鉴别指标主要有甲烷碳同位素、负碳同位素系列等。在无机成因二氧化碳气的鉴别指标主要有二氧化碳的含量、二氧化碳同位素等。烷烃气甲烷碳同位素在国内外对于无机成因天然气的鉴别关于甲烷碳同位素存在着一些差异，每个学者在对无机成因天然气的鉴别上也有差异，戴金星等10 ，认为无机成因甲烷一般13C1-30划分无机成因和有机成因甲烷的13C1界限值,主要有3种意见(表1)10:第1种定为其值大于-2011;第2种定为大于-25;第3种定为大于-3010。表1 国内外学者关于无机成因天然气的13C1界限值13C1界限值资料来源13C1界限值资料来源大于-20大于-20大于-20沈平等1991张义纲等19

18、91徐永昌等1994大于-25一般大于-30大于-30Jenden1993戴金星1988,1992Fuex1977综合分析，划分无机成因和有机成因甲烷的13C1界限值定为大于-30较为合理与实用。一是考虑国内外无机成因甲烷,虽有13C1-20和-25 ,但更多的,特别在地热区那么多数是在-20至-30 。如果把界限值定为大于-20和-25 ,必然把大量无机成因甲烷错划在有机成因范围；二是因为大于-20和-25也不是划分两种成因气的绝对标准数值，因为在-10和-20之间也还有少量过成熟的煤成甲烷10,13,14。可用地质综合分析法认识出这少量13C1值-10至-30的煤成甲烷,因为后者在煤系之中

19、或附近。下面我就列举一些世界各地无机成因甲烷碳同位素的数值表215，来解释我同意戴金星先生对于划分无机成因和有机成因甲烷的13C1界限值定为大于-30较为合理。表2 世界各地无机成因甲烷碳同位素的值地点13C1值资料来源中国云南省腾冲县澡塘河温泉中国云南省腾冲县黄瓜菁温泉中国云南省腾冲县硫磺塘中国云南省腾冲县大滚锅温泉中国云南省腾冲县小滚锅温泉中国云南省腾冲县叠水河冷泉中国云南省弥渡县石咀温泉中国云南省腾冲县珍珠泉中国云南省腾冲县怀胎井温泉四川省甘孜县拖坝镇温泉中国内蒙古克什克腾旗热水镇温泉中国吉林省长白山天池温泉江西省寻邬县杨梅山温泉-16.6-29.3-20.5-20.2-19.5-20.

20、6-30.0-28.4-21.2-21.0-23.5-26.6-21.8-22.7-24.0-36.2-27.7戴金星等加拿大安大概省萨德伯雷市美国怀俄明州黄石公园美国加里福尼亚索尔顿海区高温深井格陵兰岛Ilmaussaq菲律宾桑巴斯气苗-25.0-28.4-10.4-28.4-26.0-1-7-6.1-7.5Sherwood Lollar等Welhan等WelhanKonnerup-MadsenAbrajano等俄罗斯科拉半岛希比尼地块-3.2-19.3-3.2-12.8-3.2-12.8-28.6-5.4-22.4Galimov和PetersilieGalimovZorikin等Potte

21、rBeeskow等新西兰Tikebuly地热新西兰Blulans地热新西兰白岛火山喷气孔新西兰北岛火山喷气孔-27.3-29.5-25.6-26.9-16.1-23.3-27.9-28.5Hulston和McCabe南冰岛Geysir温泉南冰岛Reykholt井南冰岛Reykjanes 7井南冰岛Reykjanes火山喷气孔北冰岛Reykholar温泉-22.4-23.4-21.7-24.7-23.6Poreda等希腊米洛斯岛Paleohori Bay 土耳其喀迈拉东太平洋北纬21中脊热液流体-9.4-17.8-11.6-12.5-15.0-17.6Botz等HosgrmezWelhan和Cr

22、aig瑞典西尔扬辉绿岩瑞典西尔扬花岗岩-16.5-26.3-19.4-36.7Jeffrey和Kaplan加拿大和斯堪的纳维亚(半岛)的Shield rocks -22.4-44.9-33.0-40.7Sherwood Lollar等基于13C120 或-25 仅能包括所列数据表2的 40%或 79.5% 的无机成因甲烷, 而采取-30, 能包括97.4%无机成因的甲烷表2, 但有极少数无机成因甲烷13C1值可轻至-36.24 -44.9表2; 同时13C1值在-10至-30间还有少量高-过成熟煤成气有机成因甲烷。所以认为把无机成因甲烷碳同位素上限值定为一般-30较妥. 这里“一般有两层意思：

23、其一不是所有无机成因甲烷的上限值均-30, 还有极少数的13C1值轻于其值; 其二, 在30值内还包括少量高-过成熟煤系形成的-10-30有机成因煤成气甲烷, 这局部甲烷可用地质分析加以排除。无机成因烷烃气负碳同位素戴金星等15，认为当天然气中是未受次生改造的烷烃气时, 区别有机成因的和无机成因的烷烃气比拟容易, 有机成因烷烃气具有随分子中碳数增大碳同位素随之变重的正碳同位素系列特征, 即13C113C213C313C213C313C4。接下来给出表315，是一些具有负碳同位素特征的天然气。表3 具有负碳同位素序列的天然气样品地点13C资料来源CH4C2H6C3H8C4H10中国松辽盆地芳深1

24、井中国松辽盆地芳深2井中国松辽盆地芳深9井中国松辽盆地长103井中国东海盆地天外天构造1井俄罗斯斯希比尼地块美国黄石公园泥火山土耳其喀迈拉-18.6-18.7-16.7-27.1-21.8-17.0-3.2-21.5-11.9-23.2-22.4-19.2-30.1-26.2-22.0-9.1-26.5-22.9-24.1-24.3-30.5-28.2-29.0-16.2-23.7-28.2-33.0-28.8戴金星等郭占谦等郭占谦等杨玉峰等郭占谦等张义纲等Zorikin等Des Marais等Hosgormeg烷烃气的鉴别仅利用烷烃气本身的地球化学特征显得局限性, 为克服其缺陷, 又不脱离烷

25、烃气本身，探索烷烃气与其伴生气组合性指标是个方向, 以下是二项组合性鉴别指标。R/Ra0.5和13C113C20 是无机成因烷烃气指标戴金星等15系统研究了中国东部裂谷型含油气盆地渤海湾盆地、松辽盆地、苏北盆地、莺-琼盆地、珠江口盆地和东海盆地大量井R/Ra值与13C113C213C313C113C213C313C4关系,可以发现在R/Ra0.5和13C113C20时烷烃气才是无机成因的。CH4/3He106是无机成因烷烃气甲烷,CH4/3He1011是有机成因烷烃气戴金星等15研究了中国渤海湾盆地、苏北盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地和吐哈盆地100个气井的CH4/3He比

26、值与13C113C213C313C4及R/Ra关系；以及松辽盆地19个气井的CH4/3He比值与13C113C213C313C4及R/Ra关系。根据以上中国119个气样CH4/3He比值比照分析，中国CH4/3He比值变化区间从104至1012。CH4/3He比值从108到1012，此比值范围内所有烷烃气均具有13C113C213C313C4正碳同位素系列也就是说具有这些特征的烷烃气均为有机成因。戴金星等15还研究和参考了外国一些气田，综合诸家根据世界许多地区CH4/3He比值、13C1值和13C113C213C30组合的，那是无机成因烷烃气，当CH4/3He和13C1-13C21。此成因的C

27、O2在天然气中含量也往往很高。碳同位素鉴别法这是至今为止鉴别有机和无机成因二氧化碳的最有效的方法。戴金星16指出有机成因的13CCO2值主要在-10-30,而13CCO2值-8%。那么属无机成因的二氧化碳；沈平等认为-7是无机成因二氧化碳，而有机质分解和细菌活动形成的有机成因二氧化碳的13CCO2值为-10-20。综合国内外学者有关刮数据，可归总为有机成因13CCO2值，主要在-10-30区间；无机成因别13CCO2值-8，主要在-8-8区间。无机成因二氧化碳中,由碳酸盐岩变质成因的, 13CCO2值接近于碳酸盐岩的13CCO2值,在03左右；火山-岩浆成因和幔源的二氧化碳, 13CCO2值大

28、多在-62。CO2组分含量鉴别法戴金星等16说根据我国212个和澳大利亚、泰国、新西兰、菲律宾、加拿大、日本和前苏联100多个不同成因二氧化碳的组分统计,当二氧化碳含量大于60%是无机成因的；含量15%60%主要是无机成因的，局部是有机成因和无机成因混合成因；含量小于15%那么无机成因、有机成因和混合成因的皆有。CO2含量及其碳同位素综合鉴别法戴金星等16说据我国和国外300多个二氧化碳碳同位素和组分编制了有机成因与无机成因二氧化碳鉴别图，可鉴别各种成因的二氧化碳。I区为有机成因的二氧化碳, 区无机成因二氧化碳, 区有机成因、无机成因以及两者混合成因区, 有机成因和无机成因混合气区。二氧化碳气

29、藏的分类戴金星等16认为以气藏中CO2认含量多少来划分二氧化碳气藏,应表达出成因类型和气藏工业利用因素。据此,提出以下分类：二氧化碳气藏 气藏中CO2含量在90%以上,很多往往在95%以上至近100%。这种气藏中CO2是无机成因,工业上一般可直接利用。亚二氧化碳气藏 气藏中CO2含量在60%一90%,这种气藏中CO2也是无机成因。根据国内外大量气藏统计, CO2含量60%是无机成因二氧化碳一个低限标志,因为泰国湾埃拉旺气田含CO258.99%气藏的二氧化碳混合成因有机与无机成因二氧化碳混合，其13CCO2为-11.6。亚二氧化碳气藏中二氧化碳在工业上一般不能直接利用,但经过处理可利用。可以把二

30、氧化碳气藏和亚二氧化碳气藏理解为广义二氧化碳气藏,因为它们都是无机成因CO2,在工业上均有价值。(3)高含二氧化碳气藏气藏中CO2含量大于15%至60%以下。这种气藏的CO2成因较复杂，有混合成因和无机成因，但以无机成因为主，目前在工业上还没有经济价值。(4)含二氧化碳气藏气藏中CO2:含量从微量至15%。这种气藏的CO2成因更复杂,同样以有机成因为主,也没有经济价值。总结通过对文献的阅读和查询，来了解和总结了一下无机成因天然气开展历程，和遇到的一些困难。对无机成因天然气学说的分类进行了简要的描述和了解，和国内外学者的不同意见。通过对文献的阅读和学习，总结出期刊中对无机成因天然气的分类为无机成

31、因烷烃气和无机成因二氧化碳气。对于无机成因烷烃气的鉴别指标有烷烃气甲烷碳同位素、无机成因烷烃气负碳同位素规律、R/Ra0.5和13C113C20综合指标、CH4/3He10n。对于无机成因二氧化碳气的鉴别指标有碳同位素鉴别法、CO2组分含量鉴别法、CO2含量及其碳同位素综合鉴别法。而且对无机成因二氧化碳气藏进行了分类。最后，本文因为写的仓促，肯定有许多的缺乏和不正确的地方，望老师指正，谢谢。1Gold T. Soter S.A biogenic methane and the origin of petroleum J. Energy Exploration and Exploartion,1982, l (2): 89104.2 Gold T. Contribution to the theory of an abiogenic origin of methane and other terrestrial hyd