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第五章 天然气地球化学

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第五 天然气 地球化学
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第五章 天然气地球化学 教学目的 掌握天然气成因类型及其判识标志,学会判断天然气的成因类型 了解天然气藏的形成条件及分布规律 主要内容 天然气的基本知识 天然气的组成 天然气碳同位素组成 天然气的成因类型及综合判识 天然气藏的形成条件和分布规律 重点及难点 天然气成因类型及其判识标志一、概述世界油气勘探实践证明:天然气最初是依附于石油,处于从属地位。但天然气作为洁净的能源越来越受到人们的重视,作为廉价的化工原料,用途也越来越广泛。从世界天然气产量在油气产量和能源结构中所占比重的增长趋势来看,21世纪将是一个天然气的时代。024839 - 2世界能源构成预测世界能源构成预测1 9 0 01 9 0 0 1 9 2 01 9 2 0 1 9 4 01 9 4 0 1 9 6 01 9 6 0 1 9 8 01 9 8 0 2 0 0 02 0 0 0 2 0 2 02 0 2 0 2 0 4 02 0 4 0 2 0 6 02 0 6 0 2 0 8 02 0 8 0 3 0 0 03 0 0 020204040606080801 0 01 0 0( G )( G ) 天然气天然气水电水电原油原油太阳能 风能地热能太阳能 风能地热能核能核能1 9 9 3煤煤24929化石燃料减少化石燃料减少新技术新技术世界能源需求世界能源需求据 E dw ar A A P G 8/ 97油气行业仍保持重要油气行业油气行业仍保持重要仍保持重要1010 亿亿桶当桶当量油量油// 年年一、概述20世纪 80年代我国天然气工业发展十分薄弱,天然气储量只有 1012溶解气 ),在世界 140多万亿立方米天然气可采储量中微不足道; 80年代后期加大了天然气资源研究、勘探和开发,有了明显改观。通过国家攻关,我国在加速发展石油工业过程中,天然气工业也有了长足发展,找到和开发了一批大中型气田(储量大于100× 108对大中型气田形成和富集规律有了较深入的认识。050010001500200025003000350040004500500055001949 1953 1957 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001亿立方米天然气储产量增长期滞后石油 30~ 40年1990年进入储量增长高峰期 截止 2001年底 ,全国累计探明天然气地质储量30024亿方一、概述我国天然气累计探明储量有增长的趋势,从 1990年的 7045亿 5512亿 加了 2倍多, 2001年 30024亿方。一、概述0501001502002503001945 1955 1965 1975 1985 1995 20052001年天然气产量 271亿方050010001500200025003000350040004500500055001949 1953 1957 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001亿立方米截止 2001年底 ,全国累计探明天然气地质储量 30024亿方我国天然气储、产量处于快速发展期天然气储产量增长期滞后石油 30~ 40年1990年进入储量增长高峰期一、概述形成塔里木、四川、鄂尔多斯、柴达木四大气区近五年新增 均 2372亿方“六五 ” 新增 1045亿方“ 七五 ” 新增 1685亿方“ 八五 ” 新增 5404亿方“ 九五 ” 新增 9234亿方0500100015002000250030003500400045001980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002年均 1081亿方年均 2372亿方亿方年均 337亿方中油股份公司近年天然气储量也保持快速增长一、概述勘探证明,我国拥有巨大的天然气资源,不仅有深层裂解气,也有中、浅层热解气(伴生气、煤型气)和生物气。一、概述从地层系统上,从中、上元古界~第四系普遍找到气藏,储层岩石类型包括碎屑岩、碳酸盐岩、火成岩和变质岩。迪那 2莫北 陆梁哈得 4卡因迪克吐谷鲁青西西峰苏里格巴音都兰贝尔大情字井英 在分布领域上除四川盆地、鄂尔多斯盆地外,南海海域已证实有巨大储量的天然气,中原地区、冀中坳陷、塔里木盆地、东海海域都发现了高产气流,展示我国天然气发展的美好前景。一、概述一、概述目前,对天然气的涵义有两种认识:广义的天然气 包括自然界中的一切气体,即包括岩石圈、水圈、气圈以及地幔和地核中的一切气体 ( 1991);狭义的天然气 系指是一种以烃类为主及少量非烃类化合物混合组成的,存在于岩石孔隙和裂缝等介质中的可燃气体。气态的石油- “ 天然气 ” :聚集在气藏 /凝析气藏 /气顶中的游离天然气◆ 天然气来源多样天然气产出类型具有多样性 。 以气藏而论 , 既可聚集成游离的常规气藏 , 又能形成多种非常规气藏 , 可以与原油伴生形成伴生气藏 , 但大多数以非伴生气藏为主 。在天然气藏气中 , 伴生气仅占 25% , 而非伴生气约占 75% 。◆ 天然气的分子量较小 , 结构较简单 , 而原油的分子量大 , 结构也较复杂 。天然气的物理性质明显有别于原油 。 天然气分子长度和有效直径比原油小得多;天然气的粘度与原油相比差 3~ 4个数量级 , 在标准状态下 , 一般天然气的粘度仅n× 1010s, 而原油的粘度为 n~ n× 10s;天然气的密度远比原油低 , 易被压缩 , 也易膨胀;天然气的扩散能力远大于原油;天然气在水中的溶解度也远大于原油在水中的溶解度 , 特别是在高压条件下 , 具有较高的溶解度;天然气碳同位素的分馏作用远比原油显著 。◆ 对储层的要求比原油低 , 但对盖层的要求比原油高得多 。◆ 深层勘探天然气比原油更为有利 。一、概述一、概述同时,天然气的成因也具有多样性,既有无机成因气,也有多种类型的有机成因气,并在有机质热演化过程中具有多阶连续成气特征,因此天然气研究更加复杂二、天然气的化学组成烃类气组分特征硫酸盐地层中。整体上,量 1%仅存在于四川盆地和渤海湾盆地) 。天然气中 般含量较低。 国天然气以烃类组分为主。烃类气体中以甲烷为主,多数气样的甲烷含量大于 85%。氮气组分特征 氮气是天然气中最常见的非烃组分之一,含量一般小于 10%。二氧化碳气组分特征量较 %,分布相对更集中。硫化氢组分特征稀有气体组分特征二、天然气的化学组成( 一 ) 天然气的烃类组分特征及影响因素1、 烃类的组分特征① 烃类为主通常甲烷占绝对优势 , 一般 85— 100%。② 重烃含量较甲烷低得多有数量不等的重烃气 ( , 含量比甲烷低 , 重烃气 ( 中以乙烷和丙烷最为常见 , 含量亦高 , 碳数大于 4的重烃气含量较低 , 在多数情况下含量随碳数的增加而减少 。干气 ( : 95% 蓝色火焰 , 少含汽油蒸汽 。湿气 ( :含重烃气 , 黄色火焰 。二、天然气的化学组成 甲烷为主,重烃气含量低。 干燥系数:—— 1212+; 1/ 湿度系数:—— 1; 1; 1; 然气干湿度二、天然气的化学组成2、 影响烃类组分的主要因素① 母质类型主要表现在成熟阶段 , 腐泥母质生成的天然气比腐植母质的天然气重烃含量高 。② 成熟作用天然气烃类组成随成熟度而变化 , 从未成熟 — 成熟 — 过成熟 , 甲烷含量由高 — 低 — 高 , 重烃含量由低 — 高 — 低 ( 图 ) 。 1989) 总结出了腐泥母质生成天然气组分随成熟度的变化关系式:甲烷( %) =%) =%) =成熟作用 母质类型 运移扩散作用 生物降解作用 混合作用成熟作用 母质类型陆相源岩0 . 9 0 . 8 0 . 7 0 . 61 . 0- 2 0- 3 0- 4 0- 5 0- 6 0C / 然气的化学组成③ 运移与保存条件甲烷比重烃气的分子量小、结构简单、密度低、被吸附能力弱,因而在天然气运移过程中,甲烷运移会更快和更远,致使一些油气田上部气藏的天然气相对富集甲烷,出现天然气组分自下而上甲烷含量逐渐增高、重烃气含量逐渐减少的现象。 8 205 554 336 08烷烃 扩散系数( s) 烷烃 扩散系数( s)甲烷 10戊烷 100己烷 100庚烷 100癸烷 100然气的化学组成在油气藏的保存过程中,当天然气的扩散作用起到主要作用时,埋藏较浅的扩散影响就越大天然气摩尔组成( % ) 井 号 层 位 井 段 ( m ) m3/ Q 3 0 9 . 5 - 314 7 2 . 4 5 1 1 . 8 6 7 4 1 2 D w 1 1 1 2 3 8 5 8 1 . 0 3 6 5 2 1 2 17. 6 5 347 - 3 5 0 . 5 7 2 . 9 6 1 3 . 3 7 7 4 1 0 9. 22 D w 1 1 0 2K 408 - 4 0 9 . 5 7 9 . 7 6 1 0 . 9 1 4 3 1 0 14. 1 1 401 - 4 0 6 8 1 . 0 5 1 1 . 8 9 3 0 0 2 0 14. 3 8 D w 1 0 9 2K 414 - 4 1 8 8 3 . 9 6 9 3 0 0 1 0 472 - 4 7 7 5 9 3 . 6 5 1 0 0 3 0 515 - 5 1 9 9 5 . 1 0 3 0 0 0 0 0 47. 1 622 - 6 2 5 . 5 9 3 . 4 1 1 0 4 0 1 10 . 7 665 - 6 6 7 . 5 8 8 . 8 0 3 1 0 1 1 1 47. 9 9 D w 1 0 5 2 3 . 5 - 675 8 8 . 2 5 5 3 0 1 0 50. 5 塔里木盆地库车坳陷大宛齐油田溶解气组成运移扩散作用二、天然气的化学组成④ 生物降解作用已形成的天然气在细菌作用下,可以发生生物降解。我国比较典型的生物降解气在济阳坳陷孤岛地区。该区地表水直接将细菌带人油气层,地温适中,地层水矿化度低,造成了油层气的严重生物降解,使天然气中甲烷相对富集而成为干气。在进行石油的细菌降解实验时,曾详细地论述了溶解于石油的气态烃的细菌降解特征,即:长链成分降解比短链快;正构烷烃比异构烷烃快;异构烷烃比环烷烃快。1984年 、丙烷含量很少,只有甲烷能保存下来生物降解 西萨克油田溶解气库帕克油田溶解气0 0 . 2 0 . 41 / C 6 0 . 8 1- 2 5- 3 0- 3 5- 4 0- 4 5- 5 0N c 4 2 )13然气的化学组成⑤ 混合作用在同一地区,当有多种天然气来源,如多套母质类型或成熟度不同的生气源岩提供的有机气,或者是火山活动、岩石化学作用提供的无机气。这些不同成因、不同组成的天然气沿着各自的运移途径很可能聚集在同一构造、同一储集层中,形成多源气藏,致使气藏中天然气的组成变得更为复杂,其中混合比例的大小控制着天然气的组成的变化二、天然气的化学组成(二 )天然气的非烃组分特征及影响因素天然气的非烃组成包括 氦 、 氖 、 氩 、 氪 、 氙等 ) , 有时还含有少量的有机硫 、 氧 、氮化合物 。 天然气中非烃气的含量一般小于 10% , 但亦有少量气藏非烃气的含量超过 10% , 极少数是以非烃气为主的气藏 , 如 美国 : 本得隆起 二迭系砂岩气藏 国 : 广东 三水盆地 砂头峪气田 北: 赵兰庄油气田 孔一段 92%( 、天然气的化学组成1、 2含量变化较大 。 世界上 83% 的气藏中 ~ 之间 。 一般 0% 以上的气藏就称为高 地壳超深部和上地幔来源的原生 2的成因:有机成因 2微生物反硝化作用产生的 2沉积有机质在成熟阶段经热氨化作用形成的 2大气源的 2火山一岩浆来源的 2生 物 圈沉 积 有 机 质岩 石 圈岩 浆 来 源放 射 性 来 源前 玄 武 地 幔 来 源N H 粘 土 矿 物4富 N 天然气聚集2早 期晚 期变 质 作 用成 岩 释 放1996)二、天然气的化学组成二、天然气的化学组成2、 体上,天然气中 2低,分布相对集中。 75%的样品 烷相对富集 12C, δ 1355‰ , δ 13C(< ,δD ( )分布范围大,主要受水介质影响,一般为 ~ ,34036与空气大致相当,分别为 10世界范围生物气甲烷的碳同位素组成数据的统计,具有商业价值的生物气藏的 δ 1355‰ ~ ,明显富集轻碳同位素。另外,生物气甲烷不与油伴生,这是判别生物气甲烷的重要地质依据。张义纲等 (1987)应用 成气、深层混合气或二次生成气、浅层混合气或瓦斯气的烷烃气。它是利用 δ 13 13 13图版特点对浅层和深层混合气的甲烷和乙烷鉴别优于其它图版,如果把热成气区再能细分为油型区和煤型区就更完美。0 20 30 40 50生物气热成气气成生次二或气合混层深浅层混合气或瓦斯气甲烷碳同位素( P D B , % )( P D B , % )乙烷- 甲烷碳同位素天然气成因的碳同位素 义纲等, 1987)四、天然气成因类型综合判识值得注意的是,烷烃气单体烃同位素 δ 13δ 13δ 13 δ 13时会发生某个组分的逆转现象,或称倒转。戴金星( 1990)认为,导致 c d.烷烃气全部或某峰组分被细菌氧化;、天然气成因类型综合判识四、热催化过渡带气生物 ,由微催化作用和脂肪酸脱羧、芳环缩合作用形成。甲烷含量一般大于 70% , 13为 烷富集较轻同位素, δ 1355‰ ~ , δ 13C( , 34 104036 、 Ⅱ 1型干酪根为主,整个演化阶段形成天然气,包括热解气、正常凝析油伴生气、高温裂解气。热解气:根据演化程度可分为正常原油伴生气和正常凝析油伴生气正常原油伴生气: 相当于石油演化的成熟阶段,其 由热催化作用形成的油型气。气体中甲烷含量大于 50% ,烃含量大于 5%,最高可达 40%~ 50%。甲烷同系物碳同位素为 δ 13δ 13δ 13δ 13δD ( ~ 。轻烃中石蜡指数为 1~ 3。庚烷值为 10%~ 35%,烷 22%, 34四、天然气成因类型综合判识四、天然气成因类型综合判识正常凝析油伴生气: 处于有机质演化的高成熟阶段, 由热催化和热裂解作用形成。甲烷含量比正常原油伴生气高,属湿气,甲烷含量一般大于 60%,重烃大于 5% ,最高可达 20%~ 25%, 13为 。甲烷富集重碳同位素,δ 1340‰ ~ , δ 13C( , δD (为 ~ 。石蜡指数为 3~ 10,庚烷值 35%~ 60%,烷 2%~ 60%,3436与正常原油伴生气相同。高温裂解气: 相当于石油演化的过成熟阶段, 。由液态烃裂解和残余有机质进一步演化形成,甲烷含量高,一般大于 95%,重烃含量<5%, 1 3值为 烷碳同位素富集13C, δ 13, δD ( , 34 4036要与源岩年代有关四、天然气成因类型综合判识由于受热解引起的同位素分馏效应的影响,由有机母质生成的天然气13有机质演化程度增加而变重( 1977)。国内外学者根据一些实际资料建立了油型气的 13 13 1977)δ 13金星等, 1987) δ 13平等, 1991)- 50- 40- 30- 2000. 1 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 2 312油型气混合气煤型气四川、陕甘宁、松辽煤型气R o ( % )δ C( ‰)131图 5原油气区天然气 δ 13平等, 1991)四、 2、 Ⅲ 型有机质为主,是在煤化作用过程中形成的气态烃,包括热解气和高温裂解气。热解气相当于煤化作用的长焰煤至瘦煤阶段, 由热催化作用形成的气体,甲烷含量一般大于 80% ,重烃大于 5%, 13为 。甲烷相对富集 13C, δ 1346‰ ~ , δD ( ~ 。大部分伴生轻质油,特别是凝析油,轻烃中石蜡指数为 20,庚烷值为 10%~ 60%,烷 80%, 3410403600。四、天然气成因类型综合判识高温裂解气相当于煤化作用的贫煤以上阶段, ,在高温裂解过程中,形成的甲烷,气体为干气,甲烷含量高大于 95%,重烃小于 5%, 1 3值为 烷明显富集 13C, δ 13,δD ( 。在我国该类气体的源岩时代一般是石炭~二叠纪, 310 般小于 10而 403600。四、天然气成因类型综合判识δ 13 1977)δ 13金星等, 1987)δ 131(戴金星等, 1989)δ 133戴金星等, 1989)δ 130 沈平等, 1991)C H 26C H 3 8- 10- 20- 30- %)δ C( ‰)131中国煤型气 δ 13据数据回归可建立相应的数学公式:鉴别有机成因烷烃气 戴金星, 1993)四、天然气成因类型综合判识复习思考题一、名词解释油型气;煤型气;生物成因气;无机成因气二、简答题1、天然气成因类型划分的原则有哪些?2、地壳上的天然气有几种主要的成因类型?3、形成天然气的主要母质有哪些?4、天然气的形成机理有哪些?5、生物成因气有哪些基本特征?6、油型气有哪些基本特征?7、煤型气有哪些基本特征?8、无机气有哪些基本特征?9、随天然气(源岩)成熟度的增加,天然气的 δ 13外作业一某两个天然气样品的天然气组成和碳同位素分析数据如下表所示:序号天然气组成 天然气碳同位素组成2 4+ e 13 13 13 1323 0 :煤型气 δ 13型气 δ 13外作业二:天然气成因类型综合判别一、目的1、复习巩固天然气成因机制、形成特征和鉴别标志。2、学会综合各种鉴别指标区别天然气成因类型。二、要求1、根据所给资料,综合判断下列 4个天然气样品的成因类型,说明判别依据;2、确定其母质成熟度,说明判别方法与依据;3、进行母源判别,说明判别依据。表 1中为 4个天然气样品的天然气组分和碳同位素数据。图 1中的 1、 2、 3、 4气藏的天然气对应于表 1中的样品号, A、 B、 C、 D、 E、 F、 中 A、 C、 烃源岩为湖沼相沉积。图 2为镜质体反射率与深度关系。假定地面平坦,地表海拔为 500m。课外作业二:天然气成因类型综合判别表 3然气样品的组分和碳同位素数据样品号 样品深度(米) 气体主要组分( %)δ 13C ( ‰ , 1 13 135080376270 1 2 0 04 00 02 00 005 0 0 03 0 0 01 0 0 0R o ( % )图 2 研究区镜质体反射率-深度关系图图 1研究区构造剖面图课外作业二:天然气成因类型综合判别
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