天然气的形成及地化特征.ppt

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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、O2及微量的惰性气体）,慨 述,2、天然气的起源：无机起源：主要是指来源于地幔物质有机起源：指天然气来源于沉积岩石圈有机质的转化作用混合起源：既有无机来源也有有机来源在我们研究领域中主要是有机起源，主要来源沉积有机质的转化。,天然气的来源（按成因）,有机成因气,无机成因气,天

2、然气的分类（演化阶段）,生物气(RO0.3%),生物热催化过渡带气(RO:0.30.6),热解气(RO:0.62.0),裂解气(RO2.0%),固态（气水合物）,3、天然气的分类,腐殖腐泥气,干气：甲烷含量大于95%天然气称为干气,湿气：甲烷含量小于95%的天然气，一般含凝析油1050g/m3称为湿气,4、几个慨念,干燥系数:C1/C1C5,湿度系数:C2/C1C5,天然气密度:天然气相对于空气的密度。,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,水

3、解作用,好气氧化,葡萄糖,产甲烷阶段,光合产物（纤维素）,4,1,2,3,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,CO2,CO2,H2,CH4,发酵作用,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,O2,SO4HSHCO3,CH4H4,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,图3-2

4、生物气生成演化模式图（据关德师等，1997）,生物气的生成演化模式,生物气的生成量的变化是由小到大，出现一个高峰值后又逐渐变小。这与产甲烷菌的存活及其活性也有一个相对高峰期是一致的。这也是有机质演化过程中出现的第一次生烃高峰。,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）,我国生物气主要分布：柴达木盆地第四系生物气是我国发现最大的生物气藏。云南的山间小盆地如保山、陆良等盆地为新近系生物气东南沿海莺琼盆地涯13-1-8(QNg),甲烷细菌最活跃的温度范围：3542，在实验室条件下大于75甲烷菌繁殖活

5、力大大降低。,主要分布地层：新近系第四系以第四系为主,保山盆地为滇西的一个小型第三系盆地，地处云南省保山市境内，构造位置属三江褶皱系保山褶皱带北部。盆地呈南北走向近椭圆形，面积245km2。,图2-1 保山盆地构造位置图,图6-15保山盆地上第三系暗色泥岩总生气强度分布图,平均生气强度较低，为7.71 108m3/km2,盆地的总生气量为801108m3,天然气的总聚集量在9.602108m3。,表5-1保山盆地天然气组份含量,生物气地化特征及成因分析,典型的生物气特征,表 5-2保山盆地天然气同位素分析数据,天然气的组分碳、氢同位素特征,保山盆地甲烷氢同位素D为-254-260，氢同位素值比

6、较轻，应该为陆相沉积盆地有机质生物成因的天然气。,柴达木盆地第四系生物气有利相带及生气强度,柴达木盆地：最大生气强度达200108m3/km2；总生气量达：253.6102.5万亿立方米；资源量：7001500亿立方米,柴达木盆地第四系生物气组分特征,柴达木盆地天然气同位素特征,生物气地球化学特征：,甲烷含量高一般大于95%，重烃含量低一般小于1%，一般为干气。为优质的天然气。,甲烷碳同位素值一般小于-55，最轻的可达-91.8;DCH4分布在-158-368,二、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热裂解形成的天

7、然气。,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,乙烷丁烷,70150，高峰在120,甲 烷,高峰在150,200250，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,t/oC,CH4,CH4,CH4,CH4,CO2,C

8、O2,C2+,C2+,N2,N2,H2S,H2S,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,50,100,150,200,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。,东濮凹陷是渤海湾盆地中既富油也富气的一个凹陷。油型气主要来源于古近系沙河街组盐湖相、有机质，天然气类型主要有溶解气，油顶气、气层气以及凝析气。,

9、东濮凹陷油型天然气组分及同位素,东濮凹陷天然气甲烷同位素与C1含量关系图,东濮凹陷天然气甲烷同位素与C1/C2+C3关系图,我国油型热成因气地球化学特征：,原油伴生气：C1/C1C5:0.40.99;13C1:4840，C1/C1C5大于0.85为运移作用正常凝析气:C1/C1C5:大于0.8;13C1:4036高温裂解气:C1/C1C5:大于0.9;13C136,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

10、盆地、四川盆地、东濮凹陷等处找到了与煤系地层有关的气藏。,瓦斯气就游离态的煤层气，它是以甲烷气为主的混合气。,煤的现代物质结构概念：认为煤是由稠环芳香核、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：就是腐质型有机质脱氧、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）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。,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1k

11、g煤可生成200LCH4、75LCO2、10LN2、H2O和少量重烃化合物。,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,在煤化过程中煤的显微组分中挥发物含量变化,壳质体,镜质体,丝质体,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,CO2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。,煤化过程中成烃阶段示

12、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,t/oC,CH4,CO2,N2,煤化过程中煤系气的产率曲线,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。目前我国发现吐哈侏罗系煤成油,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

13、。,C类：成烃模式与III型干酪根成烃模式类似。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、塔里木库车实际上亦属这类成烃模式。,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

14、较大的吸附容量，可保存较多的气体于煤层,我国煤成气的分布：几乎分布在我国东、中、西部各个盆地中，几乎有含煤地层的盆地都煤成气分布，如松辽盆地下白垩系深层天然气来源于侏罗系煤系地层。华北地区石炭二叠系煤二次生气；四川盆地上三叠侏罗系天然气是来源于上三叠统须家河组煤系地层。在西北各盆地中下侏罗统是土哈盆地、准葛尔盆地主要的气源岩;侏罗系是塔里木陆相气主要的气源。,戴金星院士国家“973”科技攻关课题也在山西沁水盆地对“煤层气”进行科技攻关，对煤层气评价及开采工艺研究也取得了较大的进展。,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。,煤的平均汞含量为100

15、0g/kg;粘土岩中汞一般含量为150400g/kg煤系气中汞一般大于700g/m3油型气中汞平均为600g/m3，一般小于400。,煤成气的地球化学特点：,特点一：煤成气中汞含量高,美国煤层瓦斯成分,特点二：有机组分中甲烷含量高，重烃含量极低。无机组分中CO2、N2含量高,东濮凹陷煤成气组分及同位素特征,特点三：天然气甲烷碳同位素偏重,东濮凹陷天然气甲烷同位素与C1含量关系图,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

16、倍的二氧化碳。天然气藏中一般二氧化碳的含量不大于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）。,氮气来源演化图（Kroos等，1996）,N2的成因,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

17、的硫结合进细胞中,大部分硫以类似氧被需氧生物(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。,硫化氢成因：,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碳的含量不大于45%（体积），但也有高达80%

18、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）。,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,N2,N2,N2,N2,N2,CH4,H2S,CO2,CO2,CO2,CO2,CO2,六、天然气的成因类型综合判识,腐泥型有机质热催化裂解气,腐植型有机质热催化裂解气,天然气成熟度图(A.T.Jame

19、s,1983),有机质变质程度（LOM）,高温甲烷,油,凝析油,13CPDB,RO,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,生物气,煤型气,原油伴生气,油型裂解气,深源气,热解气,凝析气,伴生气,生物成因气,102,104,103,105,101,-20,-30,-40,-50,-60,-70,-80,C1/C2+C3,13C1,天然气成因分类简图,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,松辽盆地南部无机成因天然气的特征与判识,地质概况,特殊成因天然气介绍

20、：,大庆油田,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,地质概况,长岭断陷构造层划分,地质概况,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,地质概况,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

21、,甲烷含量为69-72%，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3。天然气以甲烷为主，氮气，二氧化碳含量偏高，不含硫。,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,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指纹图,a,a,国内外无机成因天然气负碳同位素序列（戴金星，1992）,戴金星院士对世

22、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。,a,a,长岭断陷腰英台深层天然气13C113C213C3分类图版,在13C113C2图版中天然气数据均落在2区及以外的相邻区，为同源不同期的煤成气同位素倒转区。13C113C3图版中天然气数据则落在临近2区以外区，表明天然气的同位素特征及倒转特性不完全是由同源不同期的煤成气引起的，还有其它成因的天然气的混入。,a,a,长岭断陷腰英台深层天然气13CCH413CCO2分类图,腰英台营城组的天然气主要为甲

23、烷与CO2者共存。发现几乎所有的数据点全落在I区，也就是无机成因气区，部分点位置有所偏出，估计是因为有机成因气的混入造成，形成温度大致在400500 左右，甚至更高，说明天然气来源深部地层。,a,a,不同成因的CO2同位素分布范围,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。,a,a,营城组幔源CO2气,腰英台深层13CCO2同位素分布及成因图,营城组煤幔混合CO2气,登楼库组煤型CO2气,a,a,根据天然气同位素混合与分馏理论：（13C1）混V=（13C1）1V+（13C1）2V2 V=V1+V

24、2其中：（13C1）混：为混合气的甲烷碳同位素的丰度；（13C1）1、（13C1）2：分别为两种被混合气的甲烷 碳同位素丰度；V：为混合气的总体积；V1、V2：分别为两种被混合气的体积。,二端源天然气混合比例的计算：,混合比例计算公式：,a,a,幔源甲烷与煤型气的同位素数据,腰英台深层天然气中幔源甲烷与煤型甲烷气混合比例,a,a,腰英台营城组与登楼库组天然气具有：天然气有机组分中甲烷含量高，为干气；无机气体含量高，主要为CO2、N2；有机组分甲烷同位素重一般大于30，最重为22。烃类气体同位素发生倒转现象；分析认为腰英台深层为幔源气体与煤系地层天然气混合输入，幔源成因对腰英台深层天然气贡献较大

25、。无机幔源气为腰英台主要的气源，有机成因的煤型气为次要的气源；该区天然气为煤幔二源混合气。,天然气成因,岩浆直接脱气模式图,无机地幔气体四种脱气模式：,(1)地幔物质沿超岩石圈断裂直接脱气模式,a,图7-8 松辽盆地热流辟体脱气模式图（,无机地幔气体四种脱气模式：,(2)热流底辟体脱气模式,(3)火山岩浆成因模式（地下岩浆房）,a,a,(4)碳酸盐岩热变质成因模式 松辽盆地基底CP存在碳酸盐岩地层，目前在盆地周边都有出露，砂岩地层中碳酸岩胶结物含量较高。松深剖而解释结果表明，花岗岩类侵入体规模较大，两者接触也可产生大量的CO2气。邵明礼认为万金塔CO2气藏有碳酸盐岩热变质成因的CO2气的加入，

26、因此松辽盆地存在这种成因CO2气形成机制。,无机地幔气体四种脱气模式：,断裂是深层气垂向运移的有利通道,深大断裂控制着火山岩分布，利于天然气运移输导,a,a,表7-5 伊通地区玄武岩的年龄（据）,（1）晚白垩世火成岩(10073.5 Ma)吉林省晚白垩世玄武岩主要分布在长春(长春大屯火山岩群)、辽源(辽源建安火山岩群)、双辽(双辽七星山火山岩群)及松辽盆地内部(隐伏火山岩群)等地区(华艳秋，2006)。其中长春大屯火山岩群至少经历了4期以上的喷发事件，喷发时代分别是：98Ma,、8382 Ma,、80 Ma、7873.5 Ma，且矿物岩石等特征反映他们是同源岩浆多期活动的产物,（2）古近纪新近纪火山岩(319.9 Ma),晚白垩世以来的火山活动证据：,a,a,腰英台营城组火山岩天然气藏成藏模式图,营城组火山岩成藏模式,首先，凹陷火石岭组、沙河子组及营城组大规模生排烃期有一次煤系烃源岩生成的天然气的充注过程，形成了以有机烃类气体及少量的CO2包裹体，晚白垩纪以后的火山活动，深大断裂勾通地幔或者上地壳的岩浆房储气库，使无机气体沿着深大断裂运移到火山岩储集层，同时早期形成的有机成因的天然气藏遭受了改造调整作用，部分被破坏，运移至浅部地层聚集或溢散。后期充注无机气体的成分与早期形成的的有机天然气藏的破坏程度决定了现今天然气藏气藏的CO2与CH4的含量。,