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1、第五章 天然气的形成及地化特征概概 述述一、生物气的成因一、生物气的成因四、非烃气体的成因四、非烃气体的成因三三 、煤系气的成因、煤系气的成因二、热成因气二、热成因气五、天然气的空间分布五、天然气的空间分布六、天然气的成因研究六、天然气的成因研究天然 气的 分类 （按成分）烃类气体非烃类气体常温常压下 的气态烃类乙烷、丙烷、 丁烷和异丁烷轻烃重烃甲烷天然 气的 分类 （按成因）生物气油田气煤成气无机成因气天然 气的 相态气态固态液态甲烷含量大于95% 称为干气一般是指凝析油含量在 于1050g/m3称为湿气定义：天然气广义上指自然界中存在的一切气体。 在油气勘探中是指存在于岩石圈中可燃的天然气
2、，其成分主要 为甲烷为主的烷烃系列及无机气体（CO2、N2、H2S、H2、O2目前我国探明储量大于1000亿立方米的气田共有5个 ，其中苏里格气田探明储量大于5000亿立方米。 我国主要含气区重点气田储量对比图(据国家储委及中油集团储量公报)储量（亿立方米）评价范围地质资源量/万亿立方米可采资源量/万亿立方米95%50%5%期望值95%50%5%期望值115个盆地24.0634.1648.335.0315.2821.630.4322.03陆域20.1326.9436.526.9312.6816.822.8017.08近海3.937.2211.78.12.64.737.634.95全国天然气地质
3、及可采资源量评价结果表2008年1月3日关于新一轮全国资源评价和储量产量趋势预测报告 2009年，我国石油产量为1.89亿吨，占全球石油产量3525亿吨的5.18 ，居世界第5位，储采比为11.5。累计探明石油技术可采储量92.1亿吨，石 油累计采出量为51.9亿吨，已探明资源的采出程度分别为63.6%，剩余技 术可采储量29.49亿吨，剩余经济可采储量21.71亿吨，居世界第13位。2009年，我国天然气产量为761.2761.2亿亿立方米，居世界第9位，储采比为35。 累计探明天然气地质储量7.1万亿立方米，累计探明技术可采储量4.3万亿 立方米，天然气的累计采出量为10198.4亿立方米
4、，已探明资源的采出程 度21.3%，剩余技术可采储量3.773.77万亿万亿立方米，剩余经济可采储量2.9万亿 立方米，居世界第14位。浅层生物气煤层气页岩气致密砂岩气构造圈闭油气非常规油气：致密砂岩气、页岩气煤层气、浅层微生 物气、天然气水合物、油砂、页岩油。（1）致密砂岩气（孔隙度天然气的生成模式，N2最初以NH3形式产生 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
5、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。C1/C1+C2+/ C1干燥系数重烃系数475个油气藏的资料绘制含溶解气的气藏平均值比值极限值美国、加拿大、澳大利亚油气田中C1/C2+平均值与深度的关系40030020010010005004500350015005500250065007000CH4/重烃深度(m)层位相对 密度甲烷重烃%甲烷 /重烃CO2+ H2S %H2 %N2 %乙烷丙烷丁烷总量T30.60492.183.991.790.586.3614.5P10.568597.991.060.230.051.3473.10.470.050
6、.10Z0.632989.030.140.090.001.23387.15.940.174.68四川盆地气藏天然气成分气体成分平均含量 （%）气体成分平均含量 （%）CH491.89CO23.58C2H60.48N24.017C3H80.00149O20.148C4H100.00033H20.002C5H120He0.03美国煤层瓦斯成分煤系地层中常具有较高的汞含量。 这是由于煤作为富集状的腐植型 有机质，对汞有较大的吸聚能力。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
7、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不包括水 的挥发分煤化过程中煤级指标的明显变化 （Vr-不包括水分的挥发分）德国美国定义：煤成气就是指煤系地层在煤化过程中生成的天然气。三、 煤成气的成因上世纪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地层的气田。这三 个气区的探明储量约占世界探名储量的1/3。 我国也在鄂尔多斯盆地、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成气，它是以甲烷气为主的混合气。瓦斯气就游离态的煤成气，它是以甲烷气为主的混合气。煤的现代物质结构概念： 煤是由稠环芳香核
8、、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：就是腐植型有机质脱氧、 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CH4、CO2、 H2O、 N2、H2S等挥发性物质排出形成煤系气。C%烟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煤的大分子结构特征决定吸附孔隙的发育程度，通过比表面积来表征。低煤级煤结构单元的芳构化程度较低,侧链和官能团发育,分子半径大,大 分子的堆积较为疏松,结构单元间结合不够紧密,吸附孔隙和吸收孔隙均很
9、发育,表现为煤的比表面积大、吸收孔隙比表面积比小；高煤级煤的结构单元的芳构化程度高,侧链和官能团大量脱落,分子半径 变小,大分子的堆积变得致密, 随煤化作用程度增高,吸附孔隙变小,部分吸附 孔隙变为吸收孔隙,镜质组反射率超过4. 5%时,煤大分子结构单元因拼叠作用发生“晶化”,吸 附孔隙和吸收孔隙锐减导致比表面积陡降泥炭 褐煤烟煤煤的演化类似型干酪根，初期以O/C原子 比下降为主，后期以H/C原子比下降为主。在煤的干馏实验中1kg煤可生成200LCH4、 75LCO2、10LN2、H2O和少量重烃化合物。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
10、 作 用成煤作用的阶段CO2为主，占天 然气的7090% 烃类气小于20%CO2降至10%，烃类 气为7090%。仍然以 气态烃甲烷为主，但重 烃含量明显增加甲烷气占8090%。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t/oCCH4CO2 N2煤化过程中煤系气的产率曲线组成 熟 阶 段已鉴 定的 组分高成熟 过成熟阶段已鉴 定的 组分成 因组 分亚 组 分组 分镜质组结构镜质体 镜屑体 无结构镜质体荧光均质镜质体 无荧光均质镜质体 基质镜质体
11、+ + + +镜质体 镶嵌结构 各向异性体+ + +高等植物木质纤维组织，凝胶化作用 的产物，高变质下镜质体可转变为各 向异性体惰质组丝质体菌类体 惰屑体氧化丝质体 火焚丝质体+ + +惰性体 +高等植物木质纤维组织，丝炭化作用 的产物壳质组孢子体、角质体 树脂体、壳屑体 木栓质体+ + +各向异性体+来源于陆生植物的类脂物质,高-过成 熟阶段烃类排出，荧光消失，演变成 各向异性体 腐泥组藻类体 沥青质体- +微粒体+是藻类、浮游动物、细菌等低等水生 生物强烈降解的产物，在生油和运移 后，留下的固体残渣为微粒体。 次 生 有机组渗出沥青体 各向异性体 镶嵌结构 微粒体+ + + +富氢显微组分
12、成烃后渗透出烃类的演 变产物动物有机 碎屑组有孔虫 动物外壳+ +动物的有机质硬体注：+常见，比较常见，+少见，-罕见或未见济阳坳陷煤系烃源岩显微组分分类与分布表 （以济阳坳陷古生界C-P和中生界J1+2新生界第三系为例）煤岩煤岩显微组分的生油能力从煤岩亚显微组分的生油潜量来看，由大到小的次序大致是：树脂体 花粉 角质体 木栓质体 沥青质体 孢子体 基质镜质体。 显微组分组成及常规地球化学评价 煤岩生油潜力评价标准 煤 成 烃 模 式肖贤明根据我国煤成烃盆地煤系烃源岩具体地质地化特征， 建立起了四种成烃模式，分为A，B，C，D类。 A类：成烃演化模式与II 型干酪根甚至I干 酪根相似。它代表
13、了我国广泛分布的 特种煤，以生油为 主，在高成熟阶段 后，可产出大量天 然气。虽目前我国 尚未发现这类成因 的煤成油气田，但 这类烃源岩在我国 聚煤盆地广泛分布 。 B类：成烃模式液态窗呈 双峰形。这种模式 主要见于我国第三 纪含煤盆地。由于 我国第三纪煤一般 成熟度较低，大多 只进人第一个生烃 期，烃类主要源于 树脂体，即形成未 熟低熟油。这类 油气资源在我国东 南沿海不断发现。 C类：成烃模式与III型 干酪根成烃模式类 似。这类煤层以镜 质组为主，液态窗 主范围为Ro0.65 1.30。我国C- P煤成烃盆地的煤 层以这种成烃模式 为主，如有匹配的 圈闭构造，可形成 一定规模煤成油气 田
14、。 D类：成烃模式多见于我 国中生代煤盆地。 生烃母质以镜质组 占绝对优势，液态 窗范围宽，主生烃 期不明显。这类煤 层以煤成气为主， 并伴有一定数量轻 质油。准噶尔、塔 里木库车及吐哈侏 罗系煤层实际上亦 属这类成烃模式。 四、 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0.04%。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45%（体积），但也有高达80%的。 H2S是具有强腐蚀性的毒性气体。也是油田气、天然气中常见 的组分。一般含量低
15、，不超过25%。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）。氮气来源演化图（Kroos等，1996）生物成因：主要作用是异化还原作用生物成因：主要作用是异化还原作用, ,由硫酸由硫酸 盐还原菌通过对硫酸盐的异化还原代谢过程而实盐还原菌通过对硫酸盐的异化还原代谢过程而实 现。现。在该过程中在该过程中, ,硫酸盐还原菌通过厌氧呼吸只将硫酸盐还原菌通过厌氧呼吸只将 一小部分代谢的硫结合进细胞中一小部分代谢的硫结合
16、进细胞中, ,大部分硫以类大部分硫以类 似氧被需氧生物似氧被需氧生物( (另一种属的硫酸盐还原菌另一种属的硫酸盐还原菌) ) 所所 吸收那样来完成能量代谢过程，提高还原菌吸收吸收那样来完成能量代谢过程，提高还原菌吸收 转化的效率转化的效率, ,从而产生大量硫化氢。从而产生大量硫化氢。热化学成因：主要指硫酸盐因热化学作用还原生热化学成因：主要指硫酸盐因热化学作用还原生 成硫化氢成硫化氢, ,即硫酸盐矿物与有机质或烃类作用即硫酸盐矿物与有机质或烃类作用, ,硫硫 酸盐被还原生成硫化氢酸盐被还原生成硫化氢, ,气态烃被氧化形成二氧气态烃被氧化形成二氧 化碳气体。化碳气体。 不成熟相成熟相变质相五、五、 天然气的空间分布天然气的空间分布西加拿大盆地有机相变化N2N2N2N2N2CH4H2SCO2CO2CO2CO2CO2持续充注、近源运聚、连续分布六、六、 天然气的成因类型综合判识天然气的成因类型综合判识腐泥型有机质热催化裂解气腐植型有机质热催化裂解气天然
