天然氣無機成因?qū)W說的發(fā)展和目前的研究進展及判別方法-謝生杰-161080291

1、非常規(guī)油氣地質(zhì)與勘探課程論文題目:天然氣無機成因?qū)W說的發(fā)展和目前的研究進展及判別方法班級：地科研1601姓名：謝生杰學號：161080291指導老師：姚志剛實驗日期：2017年4月目錄1前言32無機天然氣的類型42.1 地幔說42.2中地殼與費一托地質(zhì)合成說42.3板塊構(gòu)造與費一托地質(zhì)合成說52.3.1超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反應(yīng)脫蛇紋石化均是氫的地質(zhì)來源62.3.2CO?來源62.3.3催化齊I63無機成因天然氣的鑒別73.1烷姪氣甲烷碳同位素73.2無機成因烷姪氣負碳同位素93.3 R/Ra0.5和滬C】-滬C?0是無機成因烷怪氣指標103.4 CH4/3He10n是有機成因烷坯氣104無

2、機成因二氧化碳氣114.1碳同位素鑒別法114.2 CO?組分含量鑒別法114.3 CO?含量及其碳同位素綜合鑒別法11131前言石油成因問題的爭論由來已久。目前，石油有機成因論在油氣地質(zhì)學占主導地位，但是對石油無機成因的研究也似乎一直在進行著。我國無機成因油氣理論的研究走在世界的前沿。科學實踐證明，在油氣中很大部分，特別是石油是有機成因的，然而并不排除在油氣中相當多的部分，特別是天然氣是無機成因的。無機成因油氣論系指油氣的組成元素是非生物源的，其形成與生物作用無關(guān)而是無機化學作用的結(jié)果。無機成因油氣田是指其中占絕對優(yōu)勢的組分或各組分均是無機成因的。從18世紀中葉無機成因油氣論產(chǎn)生至20世紀7

3、0年代，是以地質(zhì)為主，特別是以大地構(gòu)造臆測為基礎(chǔ)的古典無機成因油氣論階段，其特征是從油氣本身地球化學角度來定量研究油氣無機成因不夠，而多靠旁推側(cè)擊的地質(zhì)推論來闡明油氣無機成因，從而導致無機成因油氣論處于興短衰長的被動局面。從1763年至今，大量無機成因油氣論者提出了大膽的推論，可惜他們對油氣本身地球化學缺乏深入研究或沒有研究油氣主體的地球化學，只去探索油氣的從屬的地球化學，使其立論難以獲得支持。近一二十年來，非生物（無機）生油氣學說得到了發(fā)展。隨著石油勘探的深入與發(fā)展，干酪根熱降解理論面臨越來越大的挑戰(zhàn)；而宇宙化學與地球形成的新學說，板塊構(gòu)造學說的發(fā)展及應(yīng)用，地殼超深鉆的不斷實踐，同位素地球化

4、學（特別是Pb、Sr、Nd固體同位素）研究的深入，均為油氣形成機理提供了許多新的信息和思路。傳統(tǒng)的有機成因和無機成因油氣理論的爭論焦點是有關(guān)油氣存在的地球化學條件或依據(jù)。一般認為，無機成因的油氣是在高溫下形成的，在高溫狀況下,石油能否形成和存在，還是個有爭議并且值得深入研究的問題，而高溫條件下燒類氣（特別是甲烷）和二氧化碳存在和形成則有充分的地球化學依據(jù)。油氣成因可歸結(jié)為兩大派，即無機成因和有機成因；其形成與生物作用無關(guān)而是化學作用的結(jié)果。而在現(xiàn)今我認為主要的天然氣無機成因乂分為了地幔脫氣和的費-托合成理論。2無機天然氣的類型2.1地幔說Gold等（1982；1984：1993）依據(jù)太陽系、地

5、球形成演化的模型，認為卜習地球深部存在著大量的甲烷及其他非炷資源，這些甲烷在地球形成時就己存在，大最還原狀態(tài)的碳是地殼深部被加熱而釋放出來的。經(jīng)過地質(zhì)歷史的種種變化，這些甲烷向上運移，并大量聚集在地殼深度15km左右的地帶，形成無機成因的油氣藏。根據(jù)地球演化理論，大約在距今3500Ma,由地幔物質(zhì)脫水作用形成的大氣圈是還原性的，當時沒有游離氧，但有甲烷等；當?shù)厍蜷_始凝聚時，原始大氣中的甲烷等氣體作為“化石”保留在上地慢或地殼深處。當存在怠慢柱并有深大斷裂時，這些甲烷氣便通過斷裂、火山活動或在地殼運動中釋放。顯然，這種釋放過程貫穿整個地質(zhì)時期，但它有兒個主要釋放期。由地慢脫氣作用釋放出來的所有氣

6、體，大部分被逸散到大氣中，僅有部分形成了天然氣藏。就目前來說，這種氣藏多與沉積巖層有關(guān)，但是火山巖氣藏正越來越多地被發(fā)現(xiàn)。還有一個問題,這些深源氣也可能與有機成因氣混合。東太平洋、紅海、冰島、中國五大連池、中國云南騰沖等火山區(qū)均有這類成因的天然氣。Gold等認為A3】，大陸板塊邊緣褶皺帶、大型地殼裂谷、地震活動帶、活火山或死火山附近，以及已查明富集油氣的線性帶的外延部分，均是油氣概率極高的地區(qū)。前蘇聯(lián)科學院地質(zhì)研究所極為重視地球深源氣的研究根據(jù)他們的理論以及實驗?zāi)M，并從大量的地球化學資料中論證了在強還原條件下形成的深源氣是氫氣、各種炷類氣及硫化氫。他們認為,在上地幔這種特有的溫度和壓力條件下

7、，液氣相是氫和燒的巨大儲氣庫。地球深源氣向地殼表層運移的氫和甲烷的脫氣過程受構(gòu)造控制，深斷裂帶、裂谷、地塹、坳拉谷、撓折斷層帶等均是深源氣垂直運移的通道，即“脫氣作用管”。根據(jù)熱力學計算，在壓力為65kPa,溫度為1700C的條件下模擬表明，高壓一方面可使烷類熱分解得以抑制，另一方面則促使炷類的環(huán)化、聚合作用和凝析作用，從而向高分子的怪類演化，這為深源氣合成油提供了實驗依據(jù)。2.2中地殼與費一托地質(zhì)合成說沃里沃夫斯基等提出了陸殼巖漿潛入式增長的超基性蛇紋巖底辟說。他們認為：陸殼的結(jié)晶部分不全是由高變質(zhì)的層狀結(jié)晶巖所構(gòu)成，即在花崗巖（花崗片麻巖）與玄武巖中間夾有可塑性的超基性蛇紋巖。在地殼發(fā)展早

8、期是雙層結(jié)構(gòu)，后來由于可塑性的超基性巖的擠入使上下層分離，并發(fā)生破裂，即所謂的“超基性蛇紋巖底辟說”。這種超基性巖在地球物理上的顯著特點是低速、高導性。根據(jù)上述機理，上層的花崗巖（花崗片麻巖）呈不連續(xù)的斷塊似乎飄浮在這層超基性巖上。地幔脫氣生成的CO2、CO、H?沿玄武巖的破裂帶上升到超基性的蛇紋巖帶，發(fā)生了著名的費一托合成反應(yīng)：Fe,Co,Ni,F（300400*C；CO2+H2C11H111+H2O+Q費一托合成的燒類伴隨著巖漿活動（如火山噴發(fā)）沿花崗巖缺失的“通道”上升，并運移到儲集層形成油氣藏。這樣一來，我們可以形象地描述：蛇紋石化超基性巖是油氣生成的“發(fā)生器”，油氣的費一托合成反應(yīng)便

9、在此帶發(fā)生；沉積盆地由于有孔隙好的砂巖、白云巖等，成為油氣的“存儲器”；上地幔是油氣生成的“原料庫”。這三者缺一不可，但必須有“通道”相互連通。這是目前對地殼結(jié)構(gòu)的新認識，從而為油氣非生物（無機）生成理論注入了新的活力，使非生物（無機）成因論擺脫了“炷類無法存在于上地幔的高溫條件”的困境。沃里沃夫斯基等研究了上述陸殼結(jié)構(gòu)與含油氣盆地的關(guān)系，特別是研究了世界9個大型、超大型含油氣盆地的結(jié)構(gòu)、地球物理參數(shù)，發(fā)現(xiàn)這些大型、超大型含油氣盆地的沉積層均直接與蛇紋石化超基性巖或玄武巖接觸而缺失花崗巖，他把這種盆地稱為“缺花崗巖型盆地”，并認為凡底部缺失花崗巖的盆地（而其中地殼有低速高導層），均蘊藏著巨大的

10、油氣資源。2.3板塊構(gòu)造與費一托地質(zhì)合成說費一托地質(zhì)合成反應(yīng)能否在地質(zhì)條件下實現(xiàn)，困難主要在于催化劑、氫氣和二氧化碳的來源問題。事實上，早在1963年，前倫敦皇家學會主席、著名化學家Robiiisoi7就注意到原油中正構(gòu)烷炷的分布與費一托合成“臨氫重整”油中的相同。據(jù)此，他認為地球上原始石油可能是在20億年前通過費一托合成反應(yīng)而生成，只是以后反復經(jīng)受了“臨氫重整”作用，同時加入了數(shù)量日益增加的生物物質(zhì)。Shidier等國證實了在實驗室進行費一托合成，然后重新加熱，使合成油發(fā)生鏈烷燒到芳香燒的部分轉(zhuǎn)化，就能重現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石中所觀察到的那種炷類成分,即低碳數(shù)燒以苯和甲苯為主，高碳數(shù)燒以脂族燒為主。

11、Lancet等刃指出：碳質(zhì)球粒隕石中炷類與碳酸鹽礦物之間碳同位素分布的巨大差異，可以通過費一托合成反應(yīng)而再現(xiàn)；而碳質(zhì)球粒隕石中可溶性有機質(zhì)的613C卻與原油的613C值十分相近?；瘜W家的上述真知灼見沒有引起石油地質(zhì)學家、地球化學家的注意和重視。直到20世紀80年代，阿曼蛇綠巖帶橄欖巖的蛇紋石化生成大量氫的現(xiàn)象己在地質(zhì)考察中觀察到，而地下鉆探、實驗研究也均證實了這一現(xiàn)象，地質(zhì)學家才開始重新審視費一托合成反應(yīng)的石油地質(zhì)意義。2.3.1超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反應(yīng)脫蛇紋石化均是氫的地質(zhì)來源自然界常見到超鐵鎂巖的蛇紋石化，伴隨蛇紋石化過程有氫氣放出，如果蛇紋石與水鎂石反應(yīng)，則可生成橄欖石、磁鐵礦、水和

12、氫氣。這個反應(yīng)即所謂脫蛇紋石化作用。因此，只要地殼上發(fā)生超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反應(yīng)脫蛇紋石化，便可產(chǎn)生大量的氫，而大洋中脊、板塊俯沖帶、裂谷則都是超鐵鎂巖蝕變生氫的有利場所。2.3.2CO?來源蛇綠巖、科馬提巖等超鐵鎂巖經(jīng)常有白云石、菱鎂礦等碳酸鹽礦物共生，在蛇紋石化過程中，這些碳酸鹽礦物有可能部分或完全離解脫碳生成CO2o板塊俯沖、巖漿侵入、裂谷等地質(zhì)背景均適宜CO2的排放，這部分CO2可按費一托合成原理轉(zhuǎn)化成燒類。2.3.3催化劑研究表明:在費一托合成反應(yīng)中，不僅金屬鐵有催化活性，離子化（氧化）的鐵有與金屬鐵一樣的催化活性。在合成過程中由于CO2的離解，表層磁鐵礦會不斷氧化成赤鐵礦；同時

13、在氫的作用下，它乂重新還原成磁鐵礦。研究還表明:在500C的溫度下，氧化鐵可以與它的承載物（氧化硅或氧化鋁）交換陽離子，即鐵離子進入了承載晶格比較穩(wěn)定的位置，因而獲得了良好的催化活性。由此推測鐵硅酸鹽可能也是費一托合成反應(yīng)的活躍催化劑，而磁鐵礦、赤鐵礦、鐵硅酸鹽都是地殼中常見的礦物，完全可以滿足費一托合成反應(yīng)的需要。3無機成因天然氣的鑒別我個人通過看了文獻認為無機成因天然氣的鑒別主要分為烷炷氣的鑒別和二氧化碳氣的鑒別。但在國內(nèi)外，無機成因二氧化碳氣的鑒別要遜色與無機成因烷炷氣相比。無機成因二氧化碳氣指氣的組分中二氧化碳占多，而顯而易見無機成因烷燒氣就是指在氣的組分中烷燒占主要。在無機成因烷桂氣

14、的鑒別指標主要有甲烷碳同位素、負碳同位素系列等。在無機成因二氧化碳氣的鑒別指標主要有二氧化碳的含量、二氧化碳同位素等。3.1烷桂氣甲烷碳同位素在國內(nèi)外對于無機成因天然氣的鑒別關(guān)于甲烷碳同位素存在著一些差異，每個學者在對無機成因天然氣的鑒別上也有差異，戴金星等10,認為無機成因甲烷一般滬C13O%。劃分無機成因和有機成因甲烷的滬C】界限值注要有3種意見俵1）叫第1種定為其值大于20%。;第2種定為大于25%a第3種定為大于-30%o10o表1國內(nèi)外學者關(guān)于無機成因天然氣的813Ci界限值滬C1界限值資料來源滬G界限值資料來源大于-20%o大于-20%o大于-20%o沈平等（1991）張義綱等（1

15、991）徐永昌等（1994）大于-25%o一般大于-30%o大于-30%。Jenden(1993)戴金星(1988,1992)Fuex(1977)綜合分析，劃分無機成因和有機成因甲烷的613Ci界限值定為大于30%o$交為合理與實用。一是考慮國內(nèi)外無機成因甲烷，雖有滬Ci20%俐25%o,但更多的,特別在地熱區(qū)則多數(shù)是在20%。至30%o。如果把界限值定為大于20%俐25%o,必然把大量無機成因甲烷錯劃在有機成因范圍；二是因為大J-20%o和25%o也不是劃分兩種成因氣的絕對標準數(shù)值，因為在10%。和20%Z間也還有少量過成熟的煤成甲烷104344o可用地質(zhì)綜合分析法認識出這少量*3Ci值10

16、%。至30%。的煤成甲烷，因為后者在煤系之中或附近。下面我就列舉一些世界各地無機成因甲烷碳同位素的數(shù)值（表2），來解釋我同意戴金星先生對于劃分無機成因和有機成因甲烷的613Ci界限值定為大于30%o$交為合理。表2世界各地無機成因甲烷碳同位素的值地點護C1值資料來源中國云南省騰沖縣澡塘河溫泉-16.629.3中國云南省騰沖縣黃瓜菁溫泉-20.5中國云南省騰沖縣硫磺塘-20.2中國云南省騰沖縣大滾鍋溫泉-19.5中國云南省騰沖縣小滾鍋溫泉-20.6中國云南省騰沖縣疊水河冷泉-30.0戴金星等中國云南省彌渡縣石咀溫泉-28.4中國云南省騰沖縣珍珠泉-21.2中國云南省騰沖縣懷胎井溫泉21.0四川省

17、甘孜縣拖壩鎮(zhèn)溫泉-23.526.6中國內(nèi)蒙古克什克騰旗熱水鎮(zhèn)溫泉-21.822.7中國吉林省長白山天池溫泉-24.036.2江西省尋綁縣楊梅山溫泉-27.7加拿大安大略省薩徳伯雷市25.028.4SherwoodLollar等美國懷俄明州黃石公園-10.428.4Welhan等美國加里福尼亞索爾頓海區(qū)高溫深井-26.0Welhan格陵蘭島Hiinaussaq-17KomienipMadsen菲律賓桑巴斯氣苗-6.17.5Abrajano等-3.219.3Galimov和Petersilie-3.212.8Galimov俄羅斯科拉半島希比尼地塊3.2Zorikin等-12.828.6Potter

18、-5.422.4Beeskow等新西蘭Tikebuly地熱-27.329.5新西蘭Blulans地熱-25.626.9Huiston和McCabe新西蘭白島火山噴氣孔-16.1233新西蘭北島火山噴氣孔27.928.5南冰島Geysir溫泉-22.4南冰島Reykholt井-23.4南冰島Reykjanes7井21.7Poreda等南冰島Reykjanes火山噴氣孔-24.7北冰島Reykholar溫泉-23.6希臘米洛斯島PaleohoriBay-9.417.8Botz等土耳其喀邁拉-11.612.5Hosgormez東太平洋北緯21。中脊熱液流體-15.017.6Welhan和Craig瑞

19、典西爾揚輝綠巖-16.526.3Jeffrey和Kaplan瑞典西爾揚花崗巖-19.436.7加拿大和斯堪的納維亞（半島）的Shieldrocks-22.444.9-33.040.7Shei-woodLollar等基于613Ci-20%o或25%o僅能包括所列數(shù)據(jù)（表2）的40%或79.5%的無機成因甲烷，而采取30%。，能包括97.4%無機成因的甲烷（表2）,但有極少數(shù)無機成因甲烷護Ci值可輕至-36.24%l44.9%o（表2）;同時滬Ci值在10%o至30%。間還有少量高過成熟煤成氣有機成因甲烷。所以認為把無機成因甲烷碳同位素上限值定為一般30%毆妥.這里“一般”有兩層意思：其一不是所有

20、無機成因甲烷的上限值均30%。，還有極少數(shù)的613Ci值輕于其值；其二,在-30%。值內(nèi)還包括少量高過成熟煤系形成的10%匚30%。有機成因煤成氣甲烷，這部分甲烷可用地質(zhì)分析加以排除。3.2無機成因烷炷氣負碳同位素戴金星等,認為當天然氣中是未受次生改造的烷燒氣時，區(qū)別有機成因的和無機成因的烷炷氣比較容易，有機成因烷炷氣具有隨分子中碳數(shù)增大碳同位素隨之變重的正碳同位素系列特征，即613C1813C2813C3813C2613C3813C4o接下來給出（表3）何，是一些具有負碳同位素特征的天然氣。表3具有負碳同位素序列的天然氣樣品地點滬C資料來源CH4C3HsC4Hio中國松遼盆地芳深1井1&6-

21、23.2戴金星等-18.7-22.4-24.128.2郭占謙等中國松遼盆地芳深2井-16.7-19.2-24.3郭占謙等中國松遼盆地芳深9井-27.1-30.1-30.5-33.0楊玉峰等中國松遼盆地長103井-21.8-26.22&2-28.8郭占謙等中國東海盆地天外天構(gòu)造1井47.0-22.0-29.0張義綱等俄羅斯斯希比尼地塊-3.2-9.1-16.2Zorikin等美國黃石公園泥火山-21.5-26.5DesMarais等土耳其喀邁拉-11.9-22.9-23.7Hosgormeg烷燒氣的鑒別僅利用烷炷氣本身的地球化學特征顯得局限性，為克服其缺陷，乂不脫離烷炷氣本身，探索烷炷氣與其伴生

22、氣組合性指標是個方向，以下是二項組合性鑒別指標。3.3R/Ra0.5和護侖-護。?。是無機成因烷桂氣指標戴金星等系統(tǒng)研究了中國東部裂谷型含油氣盆地（渤海灣盆地、松遼盆地、蘇北盆地、鶯瓊盆地、珠江口盆地和東海盆地）大量井R/Ra值與13Ci813C2813C38613Ci813C2813C3613C4關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)在R/Ra0.5和滬Ci-護C20時烷燒氣才是無機成因的。3.4CH4/3HM106是無機成因烷矩氣（甲烷），CH4/3H*10ii是有機成因烷炷氣戴金星等”研究了中國渤海灣盆地、蘇北盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地和吐哈盆地100個氣井的CH4/3He比值與613C

23、i813C2813C3813C4及R/Ra關(guān)系；以及松遼盆地19個氣井的CH4/3He比值與滬C產(chǎn)813C2813C3813C4及R/Ra關(guān)系。根據(jù)以上中國119個氣樣CH4/3He比值對比分析，中國CHZHe比值變化區(qū)間從1（）4至1012oCH/He比值從10*到1012,此比值范圍內(nèi)所有烷燒氣均具有813Ci813C2813C3813C4正碳同位素系列也就是說具有這些特征的烷燒氣均為有機成因。戴金星等3還研究和參考了外國一些氣田，綜合諸家根據(jù)世界許多地區(qū)CHHe比值、*3Ci值和813Ci813C2813C30組合的，那是無機成因烷燒氣，當CH4/3He和813Ci-813C20綜合指標

24、、CH4/3He10no（4）對于無機成因二氧化碳氣的鑒別指標有碳同位素鑒別法、CO?組分含量鑒別法、CO?含量及其碳同位素綜合鑒別法。而且對無機成因二氧化碳氣藏進行了分類。最后，本文因為寫的倉促，肯定有許多的不足和不正確的地方，望老師指正，謝謝。I GoldT.SoterS.AbiogeiiicmethaneandtheoriginofpetroleumJ.EnergyExplorationandExploartion.l982J(2):89104.2GoldT.ContributiontothetheoiyofanabiogeiiicoriginofinethaneandotherteiTestrialhydiocarbonsM.ProceedingsofthehitemationalGeologicalCongress,1984.13:413442.3 GolcTr.llieoriginofinethaneiiithecnistoftheearth.TliefiitiireenergygasesJ.USGeologicalSuiveyProfessio