石油天然气地质与勘探-天然气成因类型.pdf

石油天然气地质与勘探石油和天然气的成油气成因概述油气生成的原始物质油气生成的地质环境与物理化学条件有机质成烧演化模式天然气的成因类型及特征煌源岩特征与油源对比1三节 油气生成的地质环境与理化条件一、油气生成的地质环境二、促使油气生成的理化条件2有机质成煌演化模式一、有机质向油气转化的阶段 二、低熟油与煤成油形成理论3阶段划分Ro(%)物学气段 生化生阶催生气段 热化油阶U.j 1 A解析段 裂凝阶 热生气1.U o(高气段 部生 深温阶Z.U出.帼/芳香煌环烷烧烧类生成、.生物有机质正构烷烽13 20 25 30 333-残碳4010025 35沉积有机质重量，生物甲烷、腐殖质,、原生沥青干酪根12 4 6 环数15 25 35碳原子数13 20 25 30 3313 2OT5o3 碳原子数4第五节天然气的成因类型及特征一、天然气成因类型概述二、有机成因气三、无机成因气犯1、非煌类气体成因五、不同成因类型天然气的识别5、天然气成因类型概述天然气：广义上，是指自然形成的、在标准状态下呈气 态的单质和化合物。天然气的形成具有广泛性、多源性和多阶性。:两大类：有机成因气、无机成因气6。无机成因气：根据来源分：宇宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气、无机盐类分解气:有机成因气：按有机质类型腐殖型气、腐泥型气按热演化阶段生物气、热解气、裂解气腐泥型有机质的热解气和裂解气称为油型气；腐殖型有机质（包括煤）的热解气和裂解气称为煤型气天然气成因综合分类（戴金星、徐永昌等，1997）幔原气、岩浆成因气、放射成因气、变质成因气、无机盐类分解气有 机 成 因 气段稣介段阶段I-IL腐 泥型气学气油型气原湖半生热 解气（湿气）裂解干气IL4II腐苑型气昆合成因气异源多滤昆合气、同源多阶混合气二、有机成因气（一）、有机成因气形成机理 热解作用:温度作用下有机质降解成烧，大分子燃热 裂解成更小分子烧。生物化学作用主要指产甲烷菌利用二氧化碳、氢、甲 酸、醋酸和甲醇等形成甲烷的过程。力化学作用构造作用引起的机械能（压力）作用于 有机质，直接参与有机质分解的化学键断 裂，即力化学作用。催化作用:粘土矿物作为催化剂在有机质成煌演化过 程中可加速成煌化学反应速度，并降低了反 应的活化能，使有机质在低温阶段形成煌类。加氢作用:与煌类相比，有机质贫氢富杂原子，通过加 氢可形成气态烧；氢主要来源于不饱和环状单 元的缩聚作用。10 猊基团作序脂肪酸脱竣基形成烧类，氨基酸脱氨基 和竣基形成煌类缩聚作用:具两个或两个以上官能团的物质相互作用，在形成大分子同时形成小分子气态燃的过程11（二）、有机成因气的主要类型 依据有机质的类型有机成因气分腐泥型气、腐殖型气按热演化阶段分生物气、热解气、裂解气腐泥型有机质的热解气和裂解气合称油型气 腐殖型有机质的热解气和裂解气合称煤型气阶段划分Ro(%)物学气段 生化生阶催生气段 热化油阶U.j 1 A解析段 裂凝阶 热生气1.U o(高气段 部生 深温阶Z.U出.帼/芳香煌环烷烧烧类生成、.生物有机质正构烷烽13 20 25 30 333-残碳4010025 35沉积有机质重量，生物甲烷、腐殖质,、原生沥青干酪根12 4 6 环数15 25 35碳原子数13 20 25 30 3313 2OT5o3 碳原子数131.生物气 在低温(还原条件下，由微生物(厌氧细菌)对沉积物有机质进行生物化学降解所形成的 富含甲烷气体。又称生物化学气、生物成因气、细菌气、沼气依有机质类型分腐泥型生物气腐殖型生物气14 商业性煌类天然与聚集主要有两种成因类型:生物成因专：占世界天然与褥源的20%。熟成因专：有机质在较高温度下想降解和裂 解作用生成的。占商业性天然与聚集的80%15 目前已发现的牛物气以白垩系居多(KQ),其 次为第三系和第四系。80%以上储量集中在西西伯 利亚地区。我国典型生物气气田：柴达木盆地东三湖地区，埋深 1400米，气藏温度60C,第四系砂岩储层，CyC/OO 1000,6 13C C5和C6正烷烧，最终产物是甲烷石油热演化的缩合Ci+3C2+2C3+作用和歧化作用 o u在地层条件下，石油及天然与生成 后，一直处于地温加然校点下，这种温 度使煌类缓慢而持续地向稔灾校志改变 其分子结构。煌类分子最稔定的异构体 是那些带有最低4由能的分子。276 4 2108 6 4 2 0 2 41 1 一)100 200 300 400 500 600 700正烷煌,烯煌最不稳定；芳香煌在低中 温(250300)时，自由能超 过环烷煌和正烷烧，而在高温 条件下则相反。在极高温条件 下，芳香煌高度缩合，是最稳 定的。各种煌类的热稳定性油气的演化服从中低温状态下的规律，即碳数相同的煌类自由能：芳香煌环烷煌,正烷煌正烷煌稳定，芳香煌最差油型气演化方向：从石油伴生气凝析油伴生气一热裂解气和高度碳化的石墨（2）油型气特点主成气母质：腐泥型、腐腐泥型有机质；热演化阶段：Ro 大于0.5%各种油型气是在干酪根不同热演化阶段的产物，其化学成分不同1）石油伴生气：湿气，重煌气含量可达2050%,CJC2+小（4-10）*3孰低（-5 5-45%。）,6D。低（-300-180%。）iC/m二比值明显小于L随有机质成熟度T，iC/nCJ 在生油窗约为0.70.82)凝析油伴生气 C2+较多，e勺+小(10-20)；613cl(-5 0-40%。),6D ci(-25 0-150%。),比石油伴生气偏重。3)裂解干气 以甲烷为主，重/气极少(vl2%)；a/CJ=20100；613c2-35-40%。由 1)-2)-3)：C24,CHJ；613Cp 6Dci变重我国若干油型气的组成特点（陈荣书，1989）油田或油区天然气组成主要参数分析5 13cl%0(PDB)CH4重燃Ci/C2+Ci/EC大庆油田（石油伴生气）53.9 95.612.64 38.511.40 36.220.58-0.975-37.72-49.97东濮凹陷（凝析油伴生气）71.04-87.4310.63 26.913.21-20.30.75-0.96-38.945.1板桥凝析气田82.8815.295.420.844川东相国寺气田（热裂解干气）98.150.89110.30.991-33.55油型卷分布很广，在含油卷金地中只要发现了 油藏，都有可能找到数量不等的油型卷。它们可以呈不同状杰存在。石油伴生卷式呈游 寓卷顶、或呈溶解卷状态与油藏伴生，多分布在 盆地的中深部，深约15003500m。333.煤型气 与煤条有机质（包括煤层和煤系地层中的分散有 机质）热演化有关的天然与，称为煤型气或煤成气。包括成熟、高成熟及过成熟阶段生成的天然气 煤型与、煤成气和煤层气的差异：煤成气原指煤层左煤化过程中所生成的天然乞；也 可理斛为煤型气的同义语。煤层气是指以吸附状忐存左于煤层中的煤成气。34（1）煤型气的形成阶段煤型气的原始有机质，主要来自各种门类植物的遗体，不 同时代参与成煤作用的植物门类不同。志留纪以前，以藻菌类 植物为主，仅形成腐泥煤。志留纪开始出现陆生植物，石炭纪 以来，陆生高等植物成为成煤原始有机质的主要来源。这些有机质（主要为碳水化合物和木质素）若大量堆积，随着埋深的增加，经泥炭化及煤化作用或成岩作用，可演变成 不同煤阶的煤或腐殖型（III型）干酪根。煤层或腐殖型干酪根在化学成分及结构上以含带 许多烷基侧链和含氧官能团的缩合多核芳香核为主，在热演化过程中以产气态煌为主。35(1)煤型气的形成阶段原始有机质：陆生高等植物为主，有机组成主要 是碳水化合物及木质素。氧气有限，随着埋深的增加，经泥炭化及煤化 作用，可演变成不同煤阶的煤；呈分散状态伴随矿物质一起沉积下来，随着埋 深的增加，经成岩作用则形成腐殖型(ni型)干酪根。36煤层或腐殖型干酪根以含带许多烷基侧链和含氧 官能团的缩合多核芳香煌为主，所以，热演化中以产 气态烧为主。煤化过程不同阶段，形成的产物组成有所不同。两种类型：煤型热解湿气 煤型裂解干气37腐植型有机质煤化过程的 阶段与成气模式成煤阶段嬴-1111.泥炭一褐煤早期阶段：Ro0.4%,地温小于75,相当 于生物化学生气阶段；2.褐煤中期一长焰煤阶段：形成的气主要为CO2和CH4,含少量重燃，为成岩和热解作 用形成；3.气煤一瘦煤阶段：主要形 成煤型湿气和煤型油，有时重 燃气含量超过甲烷；4.贫煤-无烟煤阶段：形成以 甲烷为主的煤型干气。牛油浜 i叫:油带煤中不同显微组分生煌模式在表示煤型气产率的大小时，常用煤气发生率或视煤气 发生率来表示。煤气发生率：从泥炭阶段到某一煤阶，每吨煤所 生成的煌类气体的总量（体积）视煤气发生率：从褐煤到某一煤阶，每吨煤所生 成的煌类气体的总量（体积）与有机组分的性质和丰度、煤阶、实验条件和计算方法 等因素有关。（2）煤型气的主要特点1）主要分布于含煤盆地和煤系地层发育的盆地。2）原始母质：煤及煤系中的in型干酪根3）燃气为主，主要为甲烷气4）煤化过程不同阶段，形成的产物组成有所不同5）甲烷613c一般在-25-42%。613cl随Ro增大而增 大。相同R。时，煤型气8 13cl大于油型气6 13备。6）与煤型气一起形成的凝析油中，常含有较高的 苯、甲苯以及甲基环己烷和二甲基环戊烷。7）常含汞蒸气，一般含量超过700毫微克/米3国内外若干煤型气的组成（据陈荣书，1989）气田名称产层 时代气源层 时代天然气组成，（）8 13C(%o,PDB)资料来源Clc2+n2co2格罗宁根 拉策尔 达卢姆PiPiPic2c2C281.289.986.063.486.100.4414.40.87-36.6-29.2-25.4-22.0据 Stahl,1977圣胡安KK-42.0转引自 Stahl,1983库珀盆 地（澳）木姆巴9井图拉奇9井PiPiPiPi66.0271.760.6711.6233.2714.40-28.8-36.3据 Rigby,1981东濮文留22井e2C-P96.352.35-27.9据朱家蔚等，1983陕甘宁刘庆1井 陕甘宁任4井PlxPlxC-P95.092.520.646.974.130.490.01-30.47据王少昌，1983四川中坝4井四川中坝7井T3X90.88.200.170.40-34.8有*者为中坝7井邻近T3X87.3312.230.410.03-36.0-35.9数据，据陈文正，19X2421959年在荷兰北部发现格罗宁根大气田，并在查 明了二叠系赤底统风成砂岩中巨大天然气聚集来自中 石炭统煤系地层以后，煤型气开始被人们所重视。后来，在北海盆地南部发现十几个大气田，探明总储量逾4.5 X1 012米3,成为世界第二大产气区。从此，俄、美、澳等许多国家普遍注意在含煤盆地中寻找煤型气气藏。在煤炭资源极丰富的德国，探明的煤型气储量占 天然气总储量的93%o我国有着丰富的煤炭资源，煤型气是我国天然气 勘探的重要领域。鄂尔多斯塔里卡气田 新场储量 探明时间51 2.281994主力气层储层主要岩性J2,J3 砂岩主要气源岩T3煤系气的类型煤成气磨溪p:l37 5.72 19871.丁2,丁3 碳酸盐岩P2煤系Erz-20%o；:煌类为主的气藏很少，在煌类为主的气藏或含烧 类气体的气藏中，燃气以CH,为主，即干气。613C-20%o,3He/4He8RA无机成因气的标志。49买掰：济阳坳陷滨南地区某油气田1）下第三系气藏：CO2含量63-66%,其余为CH4等气 体。2）滨古11井奥陶系气履（深2240米）CO2达973%回这里CC2不可能只靠地层正常埋藏产生的地温而形成，而是喜 山期岩浆同石灰岩接触引发高温，导致碳酸盐分解所致。Q实例2：匈牙利潘农盆地米哈伊气田不整合覆盖在结晶基岩之上的第三系砂层，产出天然 气中CO2含量达95%,CH4仅4.5%,可能来自结晶基岩深 处。CO；可能是岩浆瘀值接产生的。其中613CV-5-7%。实儆：美国中部大陆本得隆起等气田氮含量高达8090%,伴有79%的氮，推断这种 气体同深源岩炭成因有关。G实例4：俄罗斯科拉半岛钻入超基性岩体中的井内，发现含氮量2040%、含氮量0.63.7%的天然气，从这种天然气的地质产 状及氮-氮组合来看均表明是岩浆成因特征。U!、非燃气体的成因概述天然气体中的非燃气体主要指N2,C02,H2,H2S,Hg及稀有气体He、Ne、Ar、Xe等。非燃气体既是重要的资源，又是天然气形成演 化，成因类型识别的重要指标。521、稀有气体的成因(1)宇宙演化历程中核过程形成的幔源稀有气体，富3He等 同位素。包容在地球内部，扩散运移能力强，一般沿深大断裂 运移或经火山活动进入气藏。(2)地壳内放射性元素衰变形成的壳源稀有气体，以He、Ar为主，不同沉积层：同位素组成有异，有明显年代积累效应。(3)大气稀有气体，可溶于任何水体。不同来源的稀有气体具有其自身的稀有气体同位素组成特征。532、二氧化碳的成因天然气藏中经常含有二氧化碳气，有时含量很高,如三水盆地、苏北盆地、济阳拗陷和松辽盆地等都 分布有含二氧化碳较高的气藏和纯二氧化碳气藏。天然气中CO2的含量变化多在百分之几到百分之十 几。542、二氧化碳的成因:有机成因：有机物在厌氧菌作用下，受生物化学降解-CO2；干酪根（主要：in型）热降解和热裂解-co2；煌类的氧化作用-co2。:无机成因：化学成因：碳酸盐等矿物在高温热解、低温水解以及地下 水中酸性溶解过程中均可以生成CC）2。岩浆成因：在岩浆上升过程中，由于温度和压力降低，可 析出大量。2。553、氮气的成因天然气中，为比CO2更常见，含量通常不超过10%。生物来源：天然气中氮气的主要来源，沉积有机质或石油 中的含氮化合物在生物化学改造或热催化改造过程中生成 的。大气来源：大气中心通过地表水与地下水的循环作用，被带入气藏中，往往富集在浅部地层中。岩浆来源或变质岩来源564、硫化氢的成因集中分布在碳酸盐岩和硫酸盐岩储层中，而存在于陆源碎屑岩中的绝大多数都与区域上高硫化氢的碳酸盐岩、蒸发岩地层有着明显联系。我国已知的几十个硫化氢含量大于10%的气田,包括我国冀中赵兰庄H2s气藏（H2s含量达92%）,四川盆地的中7井、臣卜9井、卧63井，几乎都在碳 酸盐岩及蒸发岩中，且绝大多数埋深分布在 3000m以下。574、硫化氢的成因生物成因：微生物一腐败作用一E S；埋藏浅，含量规模小 硫酸盐f还原作用一H2s热化学成因：含硫有机物一热解一含硫煌类和干酪根一H2s等 高温作用下，有机质或为使硫酸盐还原生成H2s岩浆成因：岩浆上升过程中可析出H2s等气体。58五、不同成因类型天然气的识别正确判别天然气的成因类型是石油天然气 地质研究的重要内容。天然气的成因信息主要包含在其气体组分 的组成特征中，所以天然气成因类型的识别主 要通过分析其气体组分的各种组成特征来进行。59(一)、无机和有机成因甲烷的判别(1)无机成因甲烷：613cl-20%。有机成因甲烷：613Cl3CV613c2613C2613C3o(3)无机成因气藏中的气体组成上，常含有较多的非燃气体，包 括CO2、CO、电、%和惰性气体。60(二)、煤型气和油型气的判别(1)煤系有机质相对于腐泥型有机质常富集13C；613c 般大于-26%0-27%。；后者一般富集12。613c值多小于-28%oo(2)甲烷系列的碳同位素组成：在相同演化阶段，油型气 较明显地富集12。而煤型气富集Co(3)乙烷613c2：煤型气28.0%o；油型气W-28.0%。61不同母质形成的天然气613cl与其母 岩R。关系图(Stahl,1974)煤型气:613cl(%o)=14logRo-28油型气：613cl(%o)=17logRo-42烷燃气甲烷同位素组成决定于成气母质特征和母质的热 演化程度，随热演化程度增大，甲烷中13c富集程度增大，这 种13c增大的趋势在低演化阶段最明显，随成熟度增大而减缓。戴金星等(1987)以我国天然气研究大量资料为基础,也提出了类似相关方程式：煤成甲烷回归方程 613cl(%o)-14.12lgRo-34.39油型甲烷回归方程 613cl(%o)-15.80lgRo-42.20w d)求403020 一04 0.5 0.6 0.70.80.91.0 1J?5 1-5 2；0 25 30 3.5 4.0 Rot%s踹髓s艘瞅我国煤成气和油型气非GRo关系图63（三）、生物气与热解气的判别3（：值随有机质成熟度的增加而增大，生物气 富集12。而热解气富集13（：。生物专 S 13c低小于5 5%o o 甲烷含量高，一般98%,干气；重煌含量低。低演化阶段的热解%613c较重，重煌含量高。64T00-90-80-70-60-50-40-30-20 70 0-地热甲烷II有机热成混合甲烷I-1油型气甲烷I-煤成气甲烷-I生物气甲烷-各种丁烷R 1各种丙烷.各种乙烷I-1各种甲烷,上 上。一，.一,-100-90 TO-70-60-50-40-30-20-10 0dC,%a(PDB)中国天然气中烷烧气613c值展布特征（四）、有机和无机成因CO?的区别1、碳同位素组成：有机成因CO2：3 1 3c区间值在-8%。至-39%。，主频率段在7 2%。到7 7%。；无机成因CC1 2：3 1 3c区间值一般在+7%。至-10%。，主频 率段在-3%。至-6%。2、CO2含量：有机成因CC）2在天然气藏中的含量很少超过20%，高含CO2（大于20%）的煌类气藏和CO2气藏中的C5几乎 都是无机成因。66-40o-30o中国有机成因二氧化碳；I有机成因二氧化碳区0国外有机成因二氧化碳；II无机成因二氧化碳区中国无机成因二氧化碳；III有机与无机成因二氧化碳共存区外无机成因二氧化碳；w有机无机成因二氧化碳混合气区中国有机和无机成因二氧化碳混合气国外有机和无机成因二氧化碳混合气叶 有机与无机成因 二氧化碳鉴别图（据戴金星，1989）[phone] 60 70 80 90C02,%