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天然气的组成分类及地球化学特征

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第十一章 天然气的组成、分类及地球特征教学目的熟悉天然气的类型及分类,掌握天然气的成因类型及其判别标志主要内容天然气成因类型有机成因气的主要类型及其特征碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征轻烃地球化学各类天然气的鉴别重点及难点天然气的成因类型及其识别标志一、 天然气成因类型二、有机成因气的主要类型及其特征五、各类天然气的鉴别四、轻烃地球化学三、碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征第十二章 天然气地球化学第一节 天然气成因类型 广义的天然气是指自然界中的一切气体,即岩石圈、水圈、大气圈以及地幔和地核中的一切气体 狭义的天然气是指以烃类气体为主(在少数情况下也有以 2为主,极个别情况下也有以 ,分布于岩石圈、水圈以及地幔和地核中的气体 在油气勘探中主要研究的是岩石圈中的可燃天然气体,主要成分为 念1. 按天然气来源划分有机成因天然气:指沉积岩中沉积有机质通过细菌、物理化学等形成的天然气无机成因天然气: 泛指在任何环境下由无机物质形成的天然气。包括宇宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气及无机盐类分解气。无机成因气来源广泛、复杂,多与宇宙或地球深处地幔、岩浆活动有关,当代科学技术水平尚难深入研究它们。它们常沿深大断裂或转换断层上升至上部圈闭中,聚集成工业气藏。幔源气(深源气) —— 指从地球形成初期捕获的原始气体,从地幔通过不同方式运移到沉积圈中的天然气,包括火山活动和沿深大断裂或转换断层上升运移的天然气岩石化学反应气 —— 指无机矿物在高温条件下发生化学反应形成的天然气2. 按天然气组分分类分为干气和湿气, 5%称为湿气; )由已生成的液态烃和残余干酪根及部分重烃气经高温裂解作用而生成的天然气。 热催化过渡带天然气 —— 指有机质在低温演化阶段( 生成的天然气。 生物成因气系指成岩作用阶段早期,在浅层生物化学作用带内,沉积有机质经微生物的发酵和合成作用形成的天然气。其中,有时混有早期低温降解形成的气体。 在表层沉积物中,微生物的活动可以使有机质分解形成 2等气体。第二节 有机成因气的主要类型及其特征一、生物(细菌)成因气醇有机酸葡萄糖)2厌氧、产酸菌22  4产甲烷菌22  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 出 n+ 糖 )菌解其它产物不溶有机质可溶有机质挥发性酸菌体 其它产物2 22 22 维素)4123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生物气的形成条件 1)拥有丰富的原始有机质 , 特别是腐殖型和混合型有机质 , 这是细菌活动所需碳源的物质基础 。 2)严格的缺游离氧 、 缺硫酸盐环境 , 这是厌氧的甲烷菌群繁殖的必要条件 。 3)地温低于 75℃ 时 , 甲烷菌才能大量繁殖;当温度超过 75℃ 时 , 甲烷菌大量死亡 , 不利于甲烷气的生成 。 4)最适合甲烷菌繁殖的 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富含有机质的开阔海洋环境剖面硫酸盐岩还原带有氧无氧有氧呼吸无氧呼吸光合作用溶解物剖面 代谢作用剖面烷生成带)水透光带气水合物是立方晶系的结晶化合物。当水结冰时,晶格膨胀,形成的笼式结构可以容纳气体分子。1 小的晶胞结构中46个水分子可以包含 8个甲烷分子,其余的一些气体也可进入其中。2 大的晶胞结构是金刚石型填集,在笼中不仅能留住 2,而且为了结构稳定,i 136个水分子可以包含8个丙烷和异丁烷分子。 气水合物的压力 16104 21 271b/生物化学气的组成主要是甲烷 , 可高达 98%以上 , 重烃气 (含量极低 , 一般 >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50100150200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。层位 相对密度甲烷 重烃 % 甲烷/重烃2S%2%乙烷 丙烷 丁烷 总量油型气δ13 ,δ13 , 主频在 δ13 ,δ13δ13 δ13 δ13 ; 主频在 δ13 ,主频在 油型生物气定义: 煤型气是指煤系地层或亚煤系地层中的煤和分散有机质,在煤化作用和再煤化作用过程中彬成的天然气。四、 煤型气上世纪 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气气田。这三个气区的探明储量约占世界探名储量的 1/3。鄂尔多斯盆地、四川盆地、东濮盆地等处找到了与煤系地层有关的气藏。瓦斯气就游离态的煤系气,它是以甲烷气为主的混合气。煤成气 、 煤层气 煤成气:由煤所形成的天然气 煤层气:由煤本身通过吸附作用而富集的气,是煤成气的一种产状(富集形式) 煤型气:包括煤、煤系地层的分散有机质、陆源腐植有机质所形成的天然气。煤型气组成特点 煤型气 烃类气体中 , 甲烷是最主要的组分 , 主体分布在 85%~95 %( 占 70% ) 。 在1%~20%。 含有一定量的非烃气 , 如 e、  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 。 煤型气常含汞蒸气 , 一般含量超过 700毫微克 /米 3, 多数大于 1000毫微克 /米 3气体成分 平均含量( %)气体成分 平均含量( %)2 2 2 ,δ13大于 ,δ13大于 ,油型气δ13小于 ,δ13小于 ,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 煤有较大的吸附容量,可保存较多的气体于煤层煤系气的成因成煤作用的阶段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 2、 o 24254254150~50105657 32  泥炭 褐煤 烟煤煤的演化类似 Ⅲ 型干酪根,初期以 O/期以 H/煤的干馏实验中 100510煤与无烟煤阶段微镜煤在煤化过程中的物理、化学与分子结构变化C%H/天然气的 70~90%烃类气小于 20%0%,烃类气为 70~90%。仍然以气态烃甲烷为主,但重烃含量明显增加甲烷气占 80~90%。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五、 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 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 4~5%(体积),但也有高达 80%的。是油田气、天然气中常见的组分。一般含量低,不超过 2~5%。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)。天然气的空间分布西加拿大盆地有机相变化、氢、氦和氩同位素地球化学特征一、烷烃气碳同位素组成及其特征第三节 碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征一、烷烃气碳同位素组成及其特征δ13、氢、氦和氩同位素地球化学特征二、 、氢、氦和氩同位素地球化学特征第三节 碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征三、 烷烃气氢 同位素组成及其特征 ; 海相与陆相分界, δ ;为淡水沉积。 δδ δ δ烃地球化学一、 轻烃的 轻烃 构 — 异构 — 环烷组成三角图判识天然气的成因类型2)同碳数的烷烃组成划分天然气的成因类型3)芳香烃和支链烷烃含量划分天然气成因类型4)甲基环己烷指数来区分不同母质形成的天然气以甲基环己烷指数值 50% ± 2%为界,小于 50% ± 2%的为腐泥型母质生成的油型气 ;大于 50% ± 2%为煤型气。六元环烃( 100% 六元环烃( 五元环烃( 直链烃( 基环己烷指数 =5)煤型气中的轻烃 (凝析油 )及其组分的碳同位素比油型气的碳同位素重(1)煤型凝析油的碳同位素比油型凝析油的碳同位素重煤型凝析油的 δ13C: 60‰ ,平均为 - o;油型凝析油的 δ13C:- 32. 57‰~ 29‰ ,平均为 087‰ 。煤型凝析油比油型凝析油的碳同位素重,即平均重约 4. 2‰ 。(2)煤型凝析油 组分 碳同位素比油型凝析油的碳同位素重(2)煤型凝析油 组分 碳同位素比油型凝析油的碳同位素重煤型气 :δ13 13 型气 :δ13 13 庚烷指数 (%) 异庚烷指数未成熟原油 1~18 0~8~22 2~30 0~60 1983 )第四节 ① 长链成分降解比短链快 ;② 正构烷烃比异构烷烃降解快 , 异构烷烃比环烷烃降解快 ;③ 异构己烷系列生物降解变化特征明显 , 尤其是 2 可作为生物降解气的重要参数 ;④ 轻烃遭受生物降解作用过程 , 使残存的各种单体烃都随降解作用增大逐渐富集同位素 类天然气的鉴别1、天然气碳同位素组成是天然气成因类型鉴别的主要指标( 1)无机成因气与有机成因气的鉴别( 2)生物气与油型热解气( 3)油型气与煤型气的鉴别2、轻烃用于天然气成因类型的鉴别( 1) 2) 3)烷-芳指数和石蜡指数3、生物标志物用于天然气成因类型的鉴别( 1)姥植比( 2)二环倍半萜 16比值一、利用 δ13 1 >无机成因,δ13 有机成因,介于其间的为混合区2)利用 δ13 3)有机成因烷烃气是正碳同位素系列δ13 δ13 δ13 δ13 无机成因烷烃气是负碳同位素系列δ13 δ13 δ13 δ13 物气甲烷和 (原油 )伴生气甲烷的鉴别生物气 δ13 ,伴生气的 δ13 ,大部分 > 。热降解气 δ13 (包茨, 1988)2)伴生气甲烷和油型裂解气甲烷的鉴别伴生气 δ13 > ,油裂解气的 δ13 - 40‰~ ,沈平认为, 伴生气 δ13 在 ,油裂解气的 δ13 - 40‰型甲烷和煤型甲烷的鉴别2)油型烷烃类气和煤型烷烃类气的鉴别 (包括部分混合气 )( 1)图版法利用我国 477个不同有机成因天然气碳同位素系列数据及国外7个盆地 (地区 )129碳同位素编制。δ13 13 13 )图解法 δ13 15/习思考题1. 什么叫轻烃?如何利用轻烃的地化参数的进行天然气成因类型的划分?2. 试述有机成因气中烷烃气组分的鉴别?3. 油型气和煤型气的碳同位素及生标鉴别标志?4. 天然气无机成因气和有机成因气的鉴别特征?
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