碳同位素在沉积环境和油气地质中的应用.docx

碳同位素在沉积环境和油气地质中的应用摘要：稳定同位素地球化学特征包含大量地质信息，广泛用各行各业中而 稳定同位素中的碳同位素，由于是动植物以及原油中所必须元素，更是在沉积环 境和油气地质中广泛应用随着测试技术的不断进步，通过对碳稳定同位素数据 的分析可以用来古气候、分析海平面变化等沉积环境，为古沉积环境岩的恢复提 供科学依据；在油气地质中本文主要分析了不同产地原油的碳稳定同位素组成特 征，以及天然气中烷烃气碳同位素的相关应用关键词：碳同位素；沉积环境；原油碳同位素；天然气碳同位素1.引言同位素是质子数相同而中子数不同的元素，在元素研究中可分为稳定性同位 素和放射性同位素稳定同位素无放射性，可直接在自然状态下进行研究，克服 放射性同位素的不足［1］在自然界的元素循环中，同位素在质量差异影响下，经 历热力学(或动力学)分馏不同来源样品的同位素的丰度在环境影响下会有所差 异碳是稳定同位素，有15种同位素(吧、91©、12 18C、19C、20C、21C、22C)，其中，稳定的同位素是12C、13C,二者分别占据碳素量的 98.89%和1.11%上述同位素中，仅曲、吨和14C三者为长期存在的同位素，且 14C为放射性同位素⑵。

稳定碳同位素比5 13C通常表示为样品的同位素比与标准同 位素比之间的差异：5曲二［(R /R )—1］X1000%o，其中R=13C/12C, R 是sample standard standardPDB(peedeebelemni te)标准，R =R =0.0112372［3］standard PDB稳定同位素技术的应用包括两个方面：自然丰度测定和同位素示踪稳定同位素在自然界中各种生物地球化学过程中产生的丰度变化是由分馏效应造成的， 从而导致不同物质或同一物质内部不同部分的同位素分布不均匀，通过自然丰度 的测定可以判别这种差异;稳定同位素示踪法是把富集或贫化的稳定性同位素制 成所需的标记化合物作示踪剂，将其施入待检测对象，追踪标记物在生命活动中 的变化规律随着稳定同位素技术的逐步完善，碳稳定同位素在全球碳循环、沉 积环境和油气地质中的应用也越来越多本文主要收集并分析了碳同位素在沉积 环境和油气地质中的应用2.碳同位素在油气地质中的应用2.1对比不同产地原油的碳稳定同位素组成特征元素分析-稳定同位素比值质谱法(EA/IRMS)和气相色谱-稳定同位素比值质 谱法(GC/IRMS)是稳定同位素分析技术的两种常规手段。

EA/IRMS技术可以获得样 品全碳的稳定同位素比值［20］，GC/IRMS可以分析单体烃化合物分子的碳同位素组 成，能从分子水平反映单个化合物的来源［21］原油的同位素组成主要受原始沉积 环境、有机母质类型等因素的控制，不同来源或不同产地的石油同位素自然丰度 存在明显差异，可以利用石油同位素母质继承效应这一规律进行溢油相关的环境 法医调查和石油有机地球化学研究［22］ ［23］例如，根据同位素的组成特征，可以划 分石油类型［24］、判断烃源岩沉积环境［25］、探讨有机母质起源［26］、重建古环境和古 气候［27］刘璃等⑵］应用GC/MS、GC/IRMS和EA/IRMS等方法分析6不同产地原油的特征 比值，全油和单体正构烷烃的碳稳定同位素组成，区分不同类型原油，并探讨其 碳稳定同位素组成特征差异性原因，为原油种类鉴别和油-源、油-油相关性研究 提供理论依据2.1.1原油总碳的稳定同位素组成原油的碳稳定同位素组成特征含有丰富的母质来源和沉积环境等信息样品 经EA/IRMS分析得到的原油全碳稳定同位素组成特征如图2所示由图可知，6 种不同产地原油的全碳5i3C值分布在-24.5%〜-33.4%。

之间，碳稳定同位素差 异高达8%0〜9%0,说明原油的沉积环境和母质类型具有明显不同［29］阿曼原油的 8 13C值最轻，为-33.4%这与塔北隆起深层海相油藏中原油的全油碳稳定同位 素组成基本相近［30］，均具有较轻的碳稳定同位素组成(8曲＜-30%0)，表现出海相 成因原油的特征［31］委内瑞拉原油的5 13C值相对较轻，为-27.2%o沙特、安哥 拉和伊朗原油的5i3C值在-25.9%〜-26.6%之间，差异较为显著巴西原油的5 13C最重，为-24.5%，与朱扬明等学］测得的陆相原油的5 13C值范围一致(-23.3%〜-26.4%)，具有典型的陆相原油特征，表明有机母质可能来源于陆源高 等植物的输入2.1.2 正构烷烃碳稳定同位素组成相对于全油碳稳定同位素组成，单体烃碳同位素的组成分析在油源对比中更 具有优越性［33］不同产地原油的单体正构烷烃碳稳定同位素组成特征研究如图 3 所示由图可知，6种原油碳稳定同位素组成可以明显划分为3个分布区间巴 西原油的正构烷烃碳同位素比值最重，分布在-22.4%〜-26.2%之间，平均为- 24.1%，与全油的5i3C值接近阿曼原油明显贫曲，其正构烷烃5i3C值最负， 分布在-30.7%〜-34.4%之间，平均为-32.3%，正构烷烃碳稳定同位素分布曲 线呈水平趋势，表现出海相有机质的碳稳定同位素组成特征。

伊朗、委内瑞拉、安哥拉和沙特原油的正构烷烃5 13C值介于阿曼和巴西原 油之间委内瑞拉原油5 13C值分布在-28.2%0〜-29.2%之间，波动范围小，随 碳数增加呈略微下降的变化趋势，呈弱单斜型分布，显示了藻类等低等水生生物 有机质输入为主的特征［34］伊朗原油正构烷烃的5 13C值范围为-26.4%〜-29.1%°, 表现出随碳数增加逐渐变重的趋势，高碳数部分偏重3%左右从图2可知，两 者正构烷烃碳稳定同位素分布曲线均呈现水平分布，但整体来说伊朗原油比委内瑞拉原油偏重已有研究表明［35］，海相原油正构烷烃6曲值分布曲线随碳数增加 一般呈水平或增高的分布模式，由结果可推测，伊朗原油为海相原油安哥拉和沙特原油正构烷烃碳稳定同位素分布曲线与伊朗和委内瑞拉明显不 同，，在低碳数部分（nC前）6曲值随碳数增加负偏，在高碳数部分随碳数正偏19均呈“V”型分布沙特原油5i3C值分布在-25.1%〜-31.8%之间，波动范围最 大，，随碳数增加5 13C值上升了近6%安哥拉原油与沙特原油变化趋势相似， 但其5 13C值比沙特原油明显偏重，可能与成熟度有关一般来说，相同母源的 原油由于成熟度不同导致的碳稳定同位素值差异可以达到2%〜3%［36］。

研究表明，不同类型的原油具有不同的碳稳定同位素组成特征，6种原油的 正构烷烃6 13C值和分布曲线具有显著性差异通过特征比值和碳稳定同位素组 成两指标能够明显区分不同产地的原油,再结合“化学指纹”和“同位素指纹” 技术能更加有效的区分不同原油'~~“ E 丄 b__ah ■__謝 7 il _■! T 4 * S 血__d ^―aCIO ct> cu CI6 CIS C20 02 口』• C26 C2® C他 02I卜:杓烷烬嫌牧图3原油正构烷烃单体烃碳同位素分布曲线2.2 天然气中烷烃气碳同位素研究2.2.1 甲烷碳同位素值研究世界上早期的同位素质谱仪功能较为简单，只能分析甲烷或全烷烃气的碳同位素值因此，世界上开发研究5i3C最多，这些大量的研究成果对天然气勘探1具有重要的意义1）Stahl 等综合研究西北欧和北美有机成因甲烷碳同位素值和其烃源岩成熟 度（Ro）关系，提出了回归方程［37］：煤成气回归方程 5 13C ~14lgRo-281油型气回归方程 5 13C ~17lgRo-4212） Claypool提出北美5 13C —Ro回归方程：1煤成气回归方程5i3C~15lgRo-3513）戴金星不仅提出了 5 13C —Ro回归方程，同时还提出了 5 13C —Ro和125 13C —Ro煤成气回归方程［38］ ［39］：3煤成气回归方程5 13C ~14.12lgRo-34.391油型气回归方程5i3C~15.80lgRo-42.201煤成乙烷回归方程5 13C ~8.16lgRo-25.712煤成丙烷回归方程5 13C ~7.12lgRo-24.0322） 沈平等在研究鄂尔多斯盆地、四川盆地和东濮凹陷有机成因AM—Ro关1系后，提出了连续沉积、无大抬升侵蚀作用聚煤盆地煤成甲烷回归方程［40］:513C~8.61lgRo-32.813） 刘文汇于1999年提出腐殖型有机质形成煤成气的5 13C —Ro回归方程［41］,1与以前诸学者不同，他指出在Ro=0.9前后有2个回归方程：5 13C ~48.77lgRo-34.1（RoW0.9%）1513C~22.42lgRo-34.8（Ro>0.9%）14） 赵文智和刘文汇［42］综合研究了由腐泥型和混合型有机质生成油型气的5 13C —Ro回归方程：15 13C =27.55lgRo-47.22（腐泥型）15 13C =25.55lgRo-40.76（混合型）1以上是国内外学者对洲际性、全国性和大区域性 513C－Ro 的综合研究成果1根据这些成果，当取得5 13C后，对新勘探区气源岩的性质、成熟度就可进行科1学推断，从而可确定所勘探天然气的类型，对一个地区或盆地的天然气勘探作出 科学的有效结论，推动天然气勘探快速进展。

2.2.2 乙烷碳同位素值研究中国许多学者对乙烷碳同位素（5曲）组成的特征及其应用进行了详细的研究2张士亚等［43于1988年指出，有机质类型不同的烃源岩生成的天然气，其5 13C2值有显著差异5曲组成受烃源岩成熟度的影响比513C小，可以将-29%作为判21别油型气与煤成气的界线：煤成气的 513C 一般重于-29%，油型气的 513C 一般22轻于-29%介于-29%~-28%之间仅有个别油型气与煤成气重叠戴金星等 1992 年认为， 5 13C<-28. 8%是油型气， 5 13C>-25. 1%为煤成气［44］22王世谦1994年研究了四川盆地侏罗系—震旦系天然气的地球化学特征后， 指出5 13C >-29%为煤成气丽戴金星等2005年指出，5i3C<-29%o是油型气，225 13C >-27.5%为煤成气丽戴金星等2009年研究了四川盆地9个产气层，发现2513C 最重的是由上二叠统龙潭组和上三叠统须家河组煤系烃源岩形成的煤成气，2其 513C 介于-20.7%~-28.3%，主要产在须家河组、长兴组和飞仙关组中2最近戴金星等对中国气田或油田伴生气具有5 13C <5 13C <5 13C <5 13C原生型1 2 3 4特征的油型气共600多口井的5 13C进行对比，发现了油型气5 13C最重值大于-2229%，如表 1［39］所示。

由表1可知，中国油型气5 13C在苏北盆地永7井和真98井可重达-28.4%2其他气（油）田也见到不少5 13C值介于-28.5%o~-28.9%o美国Texas州2Barnett页岩气是油型气，在50个有效气样中49个样品的5吨介于-29.4%o~-239.9%，有一个气样的 513C 重达-28.1%国内外煤成气盆地具有原生型2（5 13C <5 13C <5 13C <5 13C ）特征的5曲最轻值见表2跑1 2 3 4 2由表2可见，国内煤成气盆地有关气田或井中5i3C值最轻为-28.3%综上2所述，煤成气的5i3C值基本上重于-28%。