第十一章--天然氣的組成分類及地球化學(xué)特征

1、第十一章 天然氣的組成、分類及地球特征,教學(xué)目的 熟悉天然氣的類型及分類，掌握天然氣的成因類型及其判別標(biāo)志 主要內(nèi)容 天然氣成因類型 有機(jī)成因氣的主要類型及其特征 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征 輕烴地球化學(xué) 各類天然氣的鑒別 重點(diǎn)及難點(diǎn) 天然氣的成因類型及其識(shí)別標(biāo)志,一、天然氣成因類型 二、有機(jī)成因氣的主要類型及其特征 三、碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征 四、輕烴地球化學(xué) 五、各類天然氣的鑒別,第一節(jié) 天然氣成因類型,廣義的天然氣是指自然界中的一切氣體，即巖石圈、水圈、大氣圈以及地幔和地核中的一切氣體 狹義的天然氣是指以烴類氣體為主（在少數(shù)情況下也有以CO2和N2為主，極個(gè)別情況下也有以

2、H2S為主）的，分布于巖石圈、水圈以及地幔和地核中的氣體 在油氣勘探中主要研究的是巖石圈中的可燃天然氣體，主要成分為CH4,一、概念,按天然氣來源劃分 有機(jī)成因天然氣：指沉積巖中沉積有機(jī)質(zhì)通過細(xì)菌、物理化學(xué)等形成的天然氣 無機(jī)成因天然氣：泛指在任何環(huán)境下由無機(jī)物質(zhì)形成的天然氣。包括宇宙氣、幔源氣、巖漿巖氣、變質(zhì)巖氣及無機(jī)鹽類分解氣。無機(jī)成因氣來源廣泛、復(fù)雜，多與宇宙或地球深處地幔、巖漿活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)代科學(xué)技術(shù)水平尚難深入研究它們。它們常沿深大斷裂或轉(zhuǎn)換斷層上升至上部圈閉中，聚集成工業(yè)氣藏。 幔源氣（深源氣）指從地球形成初期捕獲的原始?xì)怏w，從地幔通過不同方式運(yùn)移到沉積圈中的天然氣，包括火山活動(dòng)和沿

3、深大斷裂或轉(zhuǎn)換斷層上升運(yùn)移的天然氣 巖石化學(xué)反應(yīng)氣指無機(jī)礦物在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的天然氣 按天然氣組分分類 分為干氣和濕氣，C2+5%稱為濕氣； C2+5%稱為干氣,二、天然氣的類型,按生儲(chǔ)蓋組合分類 自生自儲(chǔ)天然氣指天然氣源巖及儲(chǔ)層同時(shí)位于一個(gè)較大的地質(zhì)層系，氣體的運(yùn)移和聚集未超過該層系范圍 新生古儲(chǔ)天然氣指氣體源巖的地質(zhì)時(shí)代較儲(chǔ)層新，氣體通過斷層、不整合面以側(cè)向運(yùn)移方式聚集在老地層中 古生新儲(chǔ)天然氣老地層中生成的天然氣以垂向運(yùn)移或通過斷層不整合面等儲(chǔ)集在新地層中的天然氣 按天然氣存在相態(tài)分類 氣藏氣指呈游離態(tài)單獨(dú)聚集成藏的天然氣 溶解氣指油藏中溶解的天然氣 凝析氣指在地層條件下具有

4、凝析和反凝析規(guī)律的氣藏中的天然氣 氣體水合物指以物理方式封閉在膨脹的水分子晶格內(nèi)的天然氣,按母質(zhì)類型分類 腐泥型天然氣（油型氣）指由腐泥母質(zhì)在熱演化過程中生成的天然氣 腐殖型天然氣（煤型氣）指由腐殖母質(zhì)在熱演化過程中生成的天然氣 腐殖腐泥型天然氣（陸源有機(jī)氣）指由偏腐殖型的陸源母質(zhì)生成的天然氣 按有機(jī)質(zhì)演化階段分類 生物氣指有機(jī)質(zhì)在未成熟階段（Ro0.5%）經(jīng)微生物的生化作用而形成的天然氣 生物熱催化過渡帶天然氣指有機(jī)質(zhì)在低溫演化階段（Ro為0.3%0.6%）生成的天然氣 熱解氣指有機(jī)質(zhì)在成熟演化階段（Ro為0.5%2.0%）經(jīng)熱催化作用生成的天然氣，包括油型熱解氣和煤型熱解氣,油型熱解氣由腐

5、泥型干酪根在成熟演化階段生成的天然氣， Ro為0.5%1.3%主要形成液態(tài)烴和濕氣， Ro為1.3%2.0% 主要形成凝析油氣 煤型熱解氣由腐殖型干酪根在成熟演化階段生成的天然氣 裂解氣指干酪根在過成熟演化階段（ Ro2.0% ）由已生成的液態(tài)烴和殘余干酪根及部分重?zé)N氣經(jīng)高溫裂解作用而生成的天然氣,定義：天然氣廣義上指自然界中存在的一切氣體。,天然 氣的 分類 （按成分）,烴類氣體,非烴類氣體,常溫常壓下 的氣態(tài)烴類,乙烷、丙烷、 丁烷和異丁烷,輕烴,重?zé)N,甲烷,天然 氣的 分類 （按成因）,生物氣,油田氣,煤成氣,無機(jī)成因氣,天然 氣的 相態(tài),氣態(tài),固態(tài),液態(tài),甲烷含量大于95% 稱為干氣,

6、重?zé)N含量大于5%，一般比重 不少于50100g/m3稱為濕氣,生物成因氣系指成巖作用階段早期，在淺層生物化學(xué)作用帶內(nèi)，沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物的發(fā)酵和合成作用形成的天然氣。其中，有時(shí)混有早期低溫降解形成的氣體。 在表層沉積物中，微生物的活動(dòng)可以使有機(jī)質(zhì)分解形成CO2、H2、H2S、CH4、NH3和N2等氣體。,第二節(jié) 有機(jī)成因氣的主要類型及其特征,一、生物（細(xì)菌）成因氣,還原環(huán)境,淺處 沉積物中微生物分解有機(jī)質(zhì)，形成各種氣體,含氧環(huán)境,有機(jī)質(zhì)在厭氧細(xì)菌作用下發(fā)酵形成CH4,有機(jī)質(zhì)被氧化，放出CO2、SO2、N2等氣體,產(chǎn)酸階段,產(chǎn)甲烷階段,還原劑,（C6H12O6）n+nH2O Nc6h12o6(單

7、糖),菌解,其它產(chǎn)物,CO2+H2 CH4+H2O SO42-+H2 S2-+H2O N2+H2 NH3,輔酶M和F420色素因子 活化CO2和H2，合成甲基，還原為甲烷,有機(jī)質(zhì)的厭氧降解,1. 生物氣的形成條件,1)擁有豐富的原始有機(jī)質(zhì)，特別是腐殖型和混合型有機(jī)質(zhì)，這是細(xì)菌活動(dòng)所需碳源的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2)嚴(yán)格的缺游離氧、缺硫酸鹽環(huán)境，這是厭氧的甲烷菌群繁殖的必要條件。 3)地溫低于75時(shí)，甲烷菌才能大量繁殖；當(dāng)溫度超過75時(shí)，甲烷菌大量死亡，不利于甲烷氣的生成。 4)最適合甲烷菌繁殖的pH值為6.57.5。,硫酸根的存在對(duì) 甲烷的形成有一 定的抑制作用,當(dāng)沉積物表面位于 硫酸鹽還原帶， 并具有

8、一定厚度時(shí)， 有利于形成甲烷。,通過細(xì)菌作用在 淺處可生成甲烷氣,富含有機(jī)質(zhì)的開闊海洋環(huán)境剖面,氣水合物是立方晶系的 結(jié)晶化合物。,當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，晶格膨 脹，形成的籠式結(jié)構(gòu)可 以容納氣體分子。,1 小的晶胞結(jié)構(gòu)中 46個(gè)水分子可以 包含8個(gè)甲烷分子， 其余的一些氣體 也可進(jìn)入其中。,2 大的晶胞結(jié)構(gòu)是金 剛石型填集，在籠中 不僅能留住C1和C2， 而且為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， C3、 i C4也可占據(jù) 一些大的籠，136個(gè) 水分子可以包含 8個(gè)丙烷和異丁烷 分子。,氣水合物的壓力-溫度曲線,2.生物氣的組成特點(diǎn),生物化學(xué)氣的組成主要是甲烷，可高達(dá)98%以上，重?zé)N氣(C2+)含量極低，一般2%，干燥系數(shù)(C

9、1/C2+)在數(shù)百以上，屬于干氣。有時(shí)可含有痕量的不飽和烴以及少量的CO2和N2。 生物化學(xué)氣的甲烷以富集輕的碳同位素12C為特征。其甲烷的碳同位素含量13C1的范圍從-55-100多數(shù)在-60-80。,國(guó)內(nèi)外若干生物成因氣成分表,生物氣的甲烷碳同位素隨深度增加而增加,二、生物-熱催化過渡帶氣,1.組分特征 （1）烴類組分 （2）非烴氣體組分 2.穩(wěn)定同位素組成,CH4 1099.9， 均值79.8%; C2+ 0.03%62.7，均值11.8%; C1/C2+ 0.3-0.99， 為濕氣,（1）烴類組分,（2）非烴組分 0.190%，平均10%，主要為CO2及N2，次為 H2 、H2S及稀有

10、氣體; N2 0.150%,平均4.8%，殘留型氣藏 CO2 0.0184%,平均6.14%，大于10%，有無機(jī)成因氣混入。,2.穩(wěn)定同位素組成,13C1 ：-55-48； 13C2 ：-44.5-15.2，平均-33.2； 13C3 ：-35.2-18.9，平均-29.8； 13C1 13C2 13C3 13C4 DCH4 ：-304-143；平均-232； DCH4 -200；為淡水沉積。,三、油型氣,油型氣系指腐泥型干酪根進(jìn)入成熟階段以后所形成的天然氣，它包括伴隨生油過程形成的石油伴生氣，以及高成熟和過成熟階段由干酪根和液態(tài)烴裂解形成的凝析油伴生氣和裂解干氣。 油型氣可進(jìn)一步分為石油伴生

11、氣、凝析油伴生氣及裂解干氣。,一）油型氣的組成特點(diǎn),石油伴生氣和凝析油伴生氣的共同特點(diǎn)是重?zé)N氣含量高，一般超過5%，有時(shí)可達(dá)2050%，石油伴生氣的甲烷碳同位素含量為-55 -45，凝析油伴生氣的-50 -40。過成熟的裂解干氣，以甲烷為主，重?zé)N氣極少，1 % 2%，甲烷碳同位素-35 -40。,成巖作用 階段,生物 甲烷氣,深成作用階段 初期中期,中高分子量的液態(tài)烴（生油主帶） 形成的伴生氣除甲烷外，重?zé)N含 量高，C1/C2+約為1050,深成作用 階段后期,低分子量氣態(tài)烴（C2C4）明顯增加 濕氣，以及高溫高壓下輕質(zhì)液態(tài)烴逆 蒸發(fā)形成的凝析氣。同時(shí)，伴有大量 的甲烷生成。,準(zhǔn)變質(zhì)作用 階段

12、,由于溫度持續(xù)升高，生成的液態(tài)烴和 沒有完全裂解的干酪根裂解為輕質(zhì)烴直 至甲烷。主要為CH4。幾乎沒重?zé)N。,埋深,二）產(chǎn)生過程,乙烷丁烷,70150度，高 峰在120度,甲 烷,高峰在150度,200250度，可視為生油（氣） 巖生氣能力的下限。,有機(jī)質(zhì)中可裂解 的部分基本耗盡。,溫度,三）油型氣的產(chǎn)生途徑,天然氣的生成模式，N2最初以NH3形式產(chǎn)生,生油和生氣有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)圖示,腐泥型有機(jī) 質(zhì)富含長(zhǎng)鏈 脂肪結(jié)構(gòu)， 所以在熱解 時(shí)烷基側(cè)鏈 斷裂可依次 形成液態(tài)烴、 濕氣和干氣。,腐植型有 機(jī)質(zhì)則富含 芳香結(jié)構(gòu)， 含氧基團(tuán)和 少量的短鏈 脂肪側(cè)鏈。 因此熱解時(shí) 主要形成干 氣和二氧化 碳。,四川盆地

13、氣藏天然氣成分,油型氣的甲烷碳同位素含量與其源巖熱成熟度的關(guān)系,油型氣 13C1：-55-30， 13C2 ：-41-28，主頻在 -35-29 13C3 ：-35-26， 13C1 13C2 13C3 13C4 DCH4 ：-310-120；主頻在 -250-180,13C1 ：-76-30，主頻在-50-32 油型生物氣,定義： 煤型氣是指煤系地層或亞煤系地層中的煤和 分散有機(jī)質(zhì)，在煤化作用和再煤化作用過程中形成的天然氣。,四、 煤型氣,上世紀(jì)60年代以來相繼在前蘇聯(lián)西西北利亞盆地、荷蘭 東部盆地和北海盆地中發(fā)現(xiàn)了特大的煤系氣氣田。這三 個(gè)氣區(qū)的探明儲(chǔ)量約占世界探名儲(chǔ)量的1/3。 鄂爾多斯

14、盆地、四川盆地、東濮盆地等處找到 了與煤系地層有關(guān)的氣藏。,瓦斯氣就游離態(tài)的煤系氣，它是以甲烷氣為主的混合氣。,煤成氣、煤層氣,煤成氣：由煤所形成的天然氣 煤層氣：由煤本身通過吸附作用而富集的氣，是煤成氣的一種產(chǎn)狀（富集形式） 煤型氣：包括煤、煤系地層的分散有機(jī)質(zhì)、陸源腐植有機(jī)質(zhì)所形成的天然氣。,煤型氣組成特點(diǎn),煤型氣含有一定量的非烴氣，如N2、CO2等，但其含量很少達(dá)到20%。 煤型熱解氣的重?zé)N含量比煤型裂解氣高，但煤型氣的重?zé)N含量也很少超過20%，主要為甲烷。 煤型氣的甲烷同位素一般在-25-42。 凝析油中，常含有較高的苯、甲苯以及甲基環(huán)己烷和二甲基環(huán)戊烷。 煤型氣常含汞蒸氣，一般含量超

15、過700毫微克/米3，多數(shù)大于1000毫微克/米3,美國(guó)煤層瓦斯成分,煤型氣,13C1：-43-10， 13C2 ：大于-28.1， 13C3 ：大于-23.2，,從煤中形成氣體的熱動(dòng)力學(xué)條件和化學(xué)機(jī)理與 分散有機(jī)質(zhì)基本相似。其主要差別如下：,1 富集狀有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)化初期，受氧化作用影響較大,2 粘土礦物對(duì)富集狀有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的催化作用較小,3 煤中富集狀有機(jī)質(zhì)對(duì)溫度反應(yīng)遲緩,4 煤有較大的吸附容量，可保存較多的氣體于煤層,煤系氣的成因,成煤作用的階段,不包括水 的揮發(fā)分,煤化過程中煤級(jí)指標(biāo)的明顯變化 （Vr-不包括水分的揮發(fā)分）,德國(guó),美國(guó),煤化過程中煤系氣的產(chǎn)率曲線,煤的現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念：認(rèn)為煤

16、是由稠環(huán)芳香 核、橋鍵和烷基側(cè)鏈組成的大分子聚合物。,成煤有機(jī)質(zhì)主要是富含雜原子的纖維素和木質(zhì)素。,煤化作用的實(shí)質(zhì)：就是腐質(zhì)型有機(jī)質(zhì)脫氧、 去氫、富碳的過程。芳核上的不穩(wěn)定官能團(tuán)， 特別是含氧、含碳的官能團(tuán)（如羧基、羥基、 氨基以及甲氧基）的脫落，富氫的烷基側(cè)鏈斷 裂，芳香核不斷縮合，以CH4、CO2、 H2O、 N2、H2S等揮發(fā)性物質(zhì)排出形成煤系氣。,泥炭 褐煤,煙煤,煤的演化類似3型干酪根，初期以O(shè)/C原子 比下降為主，后期以H/C原子比下降為主。,在煤的干餾實(shí)驗(yàn)中1kg煤可生成200LCH4、 75LCO2、10LN2、H2O和少量重?zé)N化合物。,煙煤與無煙煤階段微鏡煤在煤化過程中的 物

17、理、化學(xué)與分子結(jié)構(gòu)變化,H/C,O/C,CO2為主，占天 然氣的7090% 烴類氣小于20%,CO2降至10%，烴類 氣為7090%。仍然以 氣態(tài)烴甲烷為主，但重 烴含量明顯增加,甲烷氣占8090%。幾乎 沒有重?zé)N氣，二氧化碳 量很少。是甲烷的主要 生成期，也是干氣帶。,煤化過程中成烴階段示意圖,煤 的 生 氣 、 成 油 可 以 分 為 三 個(gè) 階 段,主要 產(chǎn)物,五、 非烴類氣體的成因,氮?dú)?二氧化碳,硫化氫,氦氣,氫氣,氮?dú)馐谴髿獾闹饕M成，地殼中的氮?dú)庵饕峭ㄟ^ 循環(huán)的地下水、雨水從大氣攜帶而來。,大氣中的二氧化碳含量約為0.04%。二氧化碳易溶于水，所以 水體中含有比大氣多幾十倍的二

18、氧化碳。天然氣藏中一般二 氧化碳的含量不大于45%（體積），但也有高達(dá)80%的。,H2S是具有強(qiáng)腐蝕性的毒性氣體。也是油田氣、天然氣中常見 的組分。一般含量低，不超過25%。但也有少數(shù)含量很高的 氣藏（例如，美國(guó)南德克薩斯 98% ）。,氦氣在自然界無單獨(dú)成藏，都是與其它氣體相伴生。氦氣 都是無機(jī)成因的。,氫氣在烴類氣中小于3%，都是與其它氣體相伴生。氦氣都 是無機(jī)成因的。煤系氣中可高達(dá)87%（巴爾扎斯區(qū)）。,天然氣的空間分布,西加拿大盆地有機(jī)相變化,第三節(jié) 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征,一、烷烴氣碳同位素組成及其特征,第三節(jié) 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征,一、烷烴氣碳同位素組成及其特征,13C3,13C2,第三節(jié) 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征,二、CO2碳同位素組成及其特征,第三節(jié) 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征,有機(jī)-無機(jī)成因二氧化碳鑒別圖（據(jù)戴金星，1989）,第三節(jié) 碳、氫、氦和氬同位素地球化學(xué)特征,三、烷烴氣氫同位素組成及其特征,1.沉積環(huán)境示蹤 DC