天然气的组成分类及地球化学特征.ppt

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CO2和N2为主，极个别情况下也有以H2S为主）的，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CH4,一、概念,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按天然气组分分类分为干气和湿气，C2+>5%称为湿气； C2+<5%称为干气,二、天然气的类型,,3.按生储盖组合分类,自生自储天然气——指天然气源岩及储层同时位于一个较大的地质层系，气体的运移和聚集未超过该层系范围新生古储天然气——指气体源岩的地质时代较储层新，气体通过断层、不整合面以侧向运移方式聚集在老地层中古生新储天然气——老地层中生成的天然气以垂向运移或通过断层不整合面等储集在新地层中的天然气,4.按天然气存在相态分类,气藏气——指呈游离态单独聚集成藏的天然气溶解气——指油藏中溶解的天然气凝析气——指在地层条件下具有凝析和反凝析规律的气藏中的天然气气体水合物——指以物理方式封闭在膨胀的水分子晶格内的天然气,,按母质类型分类,1.腐泥型天然气（油型气）——它是由腐泥型或偏腐泥型(I、 II1型)干酪根降解形成干酪根相对富氢，以含直链及环状饱和烃为主，只含少量多环芳香烃及含氧官能团，它在初次裂解过程中主要形成石油，同时伴生部分天然气，但早期形成的液态油若继续经历更高的热应力，进一步二次裂解成为天然气。

2.腐殖型天然气（煤型气）——煤成气、煤型气它是由腐殖或偏腐殖型(Ⅱ2、 Ⅲ型)干酪根降解而成干酪根相对贫氢，以含多环芳香烃及缩合稠环芳香烃为主，富含氧官能团，饱和结构含量少，且以短链为主，它以成气为主按有机质演化阶段分类,1.生物气——指有机质在未成熟阶段(Ro<0.4%~0.5%)经厌氧细菌生物化学降解所生成的气态产物化学成分以甲烷为主，典型生物气为干气，重烃气含量常小于0.5%, 一般δ13C1<-55‰2.热解气——指有机质在成熟演化阶段（Ro为0.5%～2.0%）经热催化作用生成的天然气，包括油型热解气和煤型热解气1）油型热解气——由腐泥型干酪根在成熟演化阶段生成的天然气， Ro为0.5%～1.3%主要形成液态烃和湿气， Ro为1.3%～2.0% 主要形成凝析油气在成熟阶段多以成油(包括凝析油)为主、成气为辅，故油型热解气在大多数情况下均以“配角”伴生于原油或部分凝析油中，只在少数情况下呈游离的气顶气，个别情况下可呈夹层的游离气层气2）煤型热解气——由腐殖型干酪根（Ⅱ2-Ⅲ型）在成熟演化阶段生成的天然气这类干酪根在成熟阶段多以成气为主，成油为辅，故煤型热解气以游离的气层气为主 。

3.裂解气——指干酪根在过成熟演化阶段（ Ro>2.0% ）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4.生物—热催化过渡带天然气——指有机质在低温演化阶段（Ro为0.3%～0.6%）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CO2、H2、H2S、CH4、NH3和N2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,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CH4,有机质被氧化，放出CO2、SO2、N2等气体,产酸阶段,产甲烷阶段,,,,,还原剂,,（C6H12O6）n+nH2O Nc6h12o6(单糖),,菌解,其它产物,CO2+H2 CH4+H2OSO42-+H2 S2-+H2O N2+H2 NH3,有机质的厌氧降解,1. 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pH值为6.5－7.5硫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,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C1和C2，而且为了结构稳定， C3、 i C4也可占据一些大的笼，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-温度曲线,2.生物气的组成特点,生物化学气的组成主要是甲烷，可高达98%以上，重烃气(C2+)含量极低，一般<2%，干燥系数(C1/∑C2+)在数百以上，属于干气有时可含有痕量的不饱和烃以及少量的CO2和N2生物化学气的甲烷以富集轻的碳同位素12C为特征其甲烷的碳同位素含量δ13C1的范围从-55～-100‰多数在-60～-80‰。

国内外若干生物成因气成分表,世界累计探明的生物气储量达15.5×1012m3，占世界天然气总储量的21.4%,最丰富在西西伯利亚盆地,探明储量占该区总储量的1/4以上，大于10×1012m3，其次为美国、意大利、加拿大等国我国已发现的生物气,在柴达木盆地、莺一琼盆地、松辽盆地和长江、珠江三角洲等地区,二、生物-热催化过渡带气,1.组分特征 （1）烃类组分 （2）非烃气体组分 2.稳定同位素组成,CH4 10％～99.9％， 均值79.8%; C2+ 0.03%～62.7％，均值11.8%;C1/∑C2+ 0.3-0.99， 为湿气,（1）烃类组分,,（2）非烃组分 非烃 0.1~90%，平均10%，主要为CO2及N2，次为 H2 、H2S及稀有气体;N2 0.1~50%,平均4.8%，残留型气藏CO2 0.01~84%,平均6.14%，大于10%，有无机成因气混入2.稳定同位素组成,δ13C1 ：-55‰~-48‰；δ13C2 ：-44.5‰~-15.2‰，平均-33.2‰；δ13C3 ：-35.2‰~-18.9‰，平均-29.8‰；δ13C1＜ δ13C2 ＜ δ13C3 ＜ δ13C4δDCH4 ：-304‰~-143‰；平均-232‰； δDCH4 ＜ -200‰；为淡水沉积。

三、油型气,油型气系指腐泥型干酪根进入成熟阶段以后所形成的天然气，它包括伴随生油过程形成的石油伴生气，以及高成熟和过成熟阶段由干酪根和液态烃裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气油型气可进一步分为石油伴生气、凝析油伴生气及裂解干气一）油型气的组成特点,石油伴生气和凝析油伴生气的共同特点是重烃气含量高，一般超过5%，有时可达20－50%，石油伴生气的甲烷碳同位素含量为-55～-45‰，凝析油伴生气的-50～-40‰过成熟的裂解干气，以甲烷为主，重烃气极少，<1～2%，甲烷碳同位素≥-35～-40‰成岩作用阶段,生物甲烷气,深成作用阶段初期~中期,中高分子量的液态烃（生油主带）形成的伴生气除甲烷外，重烃含量高，C1/C2+约为10～50,深成作用阶段后期,低分子量气态烃（C2~C4）明显增加湿气，以及高温高压下轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气同时，伴有大量的甲烷生成准变质作用阶段,由于温度持续升高，生成的液态烃和没有完全裂解的干酪根裂解为轻质烃直至甲烷主要为CH4几乎没重烃埋深,二）产生过程,,,,,,乙烷~丁烷,70~150度，高峰在120度,甲 烷,高峰在150度,200~250度，可视为生油（气）岩生气能力的下限。

有机质中可裂解的部分基本耗尽温度,天然气的生成模式，N2最初以NH3形式产生,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四川盆地气藏天然气成分,油型气的甲烷碳同位素含量与其源岩热成熟度的关系,油型气δ13C1：-55‰~-30‰，δ13C2 ：-41‰~-28‰，主频在-35‰~-29‰ δ13C3 ：-35‰~-26‰，δ13C1＜ δ13C2 ＜ δ13C3 ＜ δ13C4δDCH4 ：-310‰~-120‰；主频在-250‰~-180‰,δ13C1 ：-76‰~-30‰，主频在-50‰~-32‰ 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% ) C2+在1%~20%含有一定量的非烃气，如N2、CO2、H2S、Hg、He、Ar及Ne等凝析油中，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,美国煤层瓦斯成分,,煤型气,δ13C1：-43‰~-10‰，δ13C2 ：大于-28.1‰，δ13C3 ：大于-23.2‰，,油型气,δ13C2 ：小于-28.8‰，δ13C3 ：小于-25.5‰，,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,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。