天然气成因类型及其鉴别指标

天然气成因类型及其鉴别指标

20年来，中国天然气科学研究的显著成就主要体现在两个方面。首先，天然气地质理论的快速发展形成了中国特色的天然气地质理论。其次，天然气地质理论对天然气储量的依赖性显著增加。天然气成因类型及其鉴别标志是许多天然气科技工作者从“六五”天然气科技攻关开始,经过20年研究逐渐形成的理论体系和方法,这一理论和方法在中国的天然气勘探中发挥了重要的指导作用。1天然气成因类型区域分析,提出了煤成气与煤成气的演化在国外学者有机成因气(又分为生物气、热解气、裂解气)和无机成因气的天然气成因类型研究的基础上,“六五”和“七五”期间,国内学者通过对煤系生气机理和煤成气地化特征的研究,认为煤成气是天然气的重要成因类型之一,同时发现由于我国气源岩层位多、演化历史长,自然界中存在的天然气往往是由多种来源的天然气混合而成,戴金星、宋岩等提出了无机成因气、有机成因气、混合成因气3大类天然气成因类型的划分方案,并将有机成因气根据演化程度划分为生物气、热解气和裂解气,根据母质类型划分为煤成气和油型气。“八五”期间,徐永昌、刘文汇等提出在生物气和热解气之间还存在生物-热催化过渡带气的成因类型。1.1机质的物理作用有机成因气系指由沉积岩中的集中或分散有机质通过细菌作用、化学作用和物理作用形成的气体。有机成因气又可根据其母质类型和热演化程度进行次一级的成因类型划分。1.1.1压力特性生物气:系指不同类型有机质在未成熟阶段由厌氧细菌的生物化学作用形成的天然气。其形成机理是在厌氧环境中,微生物通过复杂的生物化学作用使有机质转化为有机酸、二氧化碳和氢,再通过合成作用使二氧化碳和氢转变为甲烷。我国典型的生物气藏分布在柴达木盆地三湖地区,已发现了涩北1、涩北2和台南3个大型气田。生物-热催化过渡带气:系指在生物气与热解气形成的过渡阶段(Ro值为0.4%～0.6%),在50～85℃的温度和一定的矿物参与并起催化作用的情况下,有机质通过脱羧、脱基团和缩聚作用而形成的天然气。各类母质均可形成该类气体,但Ⅱ—Ⅲ型干酪根是该类气体的主要母质。热解气:系指在成熟和高成熟演化阶段(Ro值为0.6%～2.0%),有机质经热催化作用降解而形成的天然气。由腐泥型和偏腐泥型干酪根形成的热解气往往以原油伴生气的形式存在,故称之为油型(热解)气;由于腐殖型干酪根主要存在于煤系之中,故其形成的热解气称为煤成(热解)气。煤成气是形成我国大中型气田的主要天然气类型,例如,鄂尔多斯盆地苏里格、榆林等大气田。裂解气:系指在过成熟阶段(Ro值大于2.0%),残余干酪根、已生成的液态烃和部分重烃气经过高温裂解作用而形成的天然气。目前,我国发现的裂解气主要是油型裂解气,在广泛分布的高演化的古生界海相地层中分布。例如四川盆地川东石炭系诸气田和塔里木盆地和田河气田的天然气是我国典型的油型裂解气。我国煤成裂解气发现相对较少,研究表明,克拉2气田天然气具有煤成裂解气的特征。1.1.2油型气成岩与裂解气成藏关系将天然气的原始母质划分为腐泥型或偏腐泥型和腐殖型或偏腐殖型,相应地把天然气按其母质类型划分成两大类型,即:腐泥型气又称油型气,腐殖型气又称煤成气。由于腐泥型和腐殖型母质生成的生物气特征相似,难以区别,故天然气成因类型鉴别中所讲的油型气和煤成气分别指由腐泥型和腐殖型母质在成熟—过成熟演化阶段所形成的油型热解气、油型裂解气和煤成热解气、煤成裂解气。腐泥型或偏腐泥型有机质属生油母质,即以生油为主、生气为辅,因此油型气主要是原油伴生气,纯的大中型油型气藏主要由裂解作用形成;腐殖型或偏腐殖型属生气母质,即以生气为主、生油为辅,在有机质的整个演化过程均以生气为主,因此,煤成气在天然气资源中占主导地位,我国目前已探明的天然气资源中煤成气约占70%。1.2无机成因气赋存形式无机成因气系指非生物成因天然气。近20余年来,我国许多学者较深入地研究了无机成因气[19,20,21,22,23,24,25],并将无机成因气列为天然气重要的成因类型之一。无机成因气多与宇宙或地球深部地幔、岩浆活动有关,它们沿深大断裂上升至沉积圈中。无机成因气的主要成分有CO2、甲烷和稀有气体。由于甲烷具有高氧逸度的不稳定性,故沉积层中无机成因甲烷发现较少,无机成因气以CO2为主。无机CO2主要有两种成因类型:一是岩石化学成因,即碳酸盐岩在高温作用下发生变质而形成CO2;二是幔源成因,即伴随着地下岩浆活动释放出的CO2气体。目前已发现的无机成因CO2主要有以下几种赋存形式:CO2气藏;与有机成因烃类气藏伴生;以气苗形式与温泉或冷泉伴生;存在于岩石包裹体中。无机成因CO2气藏主要分布在我国东部地区,如松辽盆地万金塔气藏、黄骅坳陷翟庄子气藏、济阳坳陷平方王气藏、苏北盆地黄桥气藏、三水盆地水深9井气藏等,CO2含量均达95%～99%。这些地区的共同特点是构造活动频繁,岩浆和断裂活动发育,均有碳酸盐岩分布,因此除幔源-岩浆成因的天然气外,还有部分碳酸盐岩在岩浆高温烘烤作用下产生的CO2气体。1.3不同演化阶段天然气混合气情况混合成因气系指由两种或两种以上成因类型的天然气混合而成的气体。常见的混合气主要有3类:①同一烃源岩不同演化阶段生成的天然气的混合。有机质演化和天然气的聚集成藏都是连续的过程,天然气的聚集往往是有机质在较长演化时期生成的天然气的积累,因此,这种同一烃源岩不同演化阶段生成天然气的混合气普遍存在。②不同烃源岩生成天然气的混合。在同一地区或盆地往往发育有多套气源岩,它们处在不同的生气阶段,所生成的天然气沿相同的运移方向聚集在同一圈闭之中形成混合气。由于中国含油气盆地具有多烃源岩发育的特点,不同烃源岩生成的混合天然气也是常见的天然气类型。③有机气和无机气的混合。在含油气盆地内,当深大断裂发育、岩浆活动频繁,易形成幔源-岩浆成因的无机气与有机成因气的混合气;在碳酸盐岩发育的含油气盆地,在高温作用下,易形成岩石化学成因的无机气与有机成因气的混合气。2天然气成因分析中国天然气工作者经过多年的地球化学研究和实践,逐步总结出一套较完整的各类不同成因天然气的鉴别标志,成为我国天然气地质理论的重要组成部分(见表1)。其中,常用的指标有烷烃气碳同位素、天然气组分、CO2碳同位素、稀有气体同位素及轻烃组成等。2.1无机化合的识别2.1.1有机成因烷烃气的正碳同位素碳同位素组成是判别无机烷烃气的有效指标,主要表现在两个方面:①无机成因烷烃气具有负碳同位素系列,即δ13C1>δ13C2>δ13C3,而有机成因烷烃气具有正碳同位素系列,即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4;②无机成因气碳同位素较有机成因气重得多,由表2可见,世界上发现的无机成因甲烷气的碳同位素值一般大于30‰,也有学者提出将δ13C1值大于20‰作为无机成因的标志。2.1.2无机成因cod-3CO2气是无机成因气的主要组成,其成因判别指标主要有CO2含量和碳同位素组成。国内许多学者对不同成因的CO2碳同位素(δ13CCO2)分布进行了研究。综合各学者的观点,无机成因CO2的δ13CCO2值大于-8‰,主要为-8‰～3‰,无机成因CO2又可分为碳酸盐岩变质成因和幔源-岩浆成因,前者碳同位素组成较重(约0～3‰),后者多为-8‰～2‰。戴金星、宋岩等根据我国不同成因的212个气样及澳大利亚、泰国、新西兰、菲律宾、加拿大、前苏联100多个样品的CO2组分和碳同位素组成数据资料,编制了有机和无机二氧化碳鉴别图版,得出的结论是:CO2含量大于60%均为无机成因;无机成因CO2的δ13CCO2较有机成因CO2的δ13CCO2重,无机成因CO2的δ13CCO2值大于-8‰,有机成因CO2的δ13CCO2值小于-10‰,而-8‰～-10‰为有机和无机CO2的δ13CCO2值重叠域。2.1.3he/4he值随着无机成因气研究的深入,氦同位素的研究和应用进展较大。天然气中氦主要有两种成因,一是由放射性元素衰变而成,称之为壳源氦,壳源氦的3He/4He值较低,为10-8;二是幔源-岩浆成因,称之为幔源氦,幔源氦的3He/4He值较高,为10-5。通常用样品氦同位素(R)与空气氦同位素(Ra)比值(R/Ra)来表示幔源氦和壳源氦的相对含量,R/Ra值大于1以幔源氦为主,R/Ra值小于1以壳源氦为主。研究者常常根据共生气体同源性的特点,依据天然气中氦同位素具幔源或壳源的特征来判断与其伴生的天然气中其他组分的成因。2.2各种有机因素的识别2.2.1生物气属干气的组分甲烷碳同位素组成和甲烷/重烃气相对含量是国内外学者普遍采用的鉴别生物气的主要地球化学指标。甲烷是生物气的主体组分,含量一般大于95%,无或仅有微量乙烷和丙烷,故生物气属干气。生物气的甲烷碳同位素在各种成因天然气中最轻,多数学者按δ13C1值小于-55‰划分生物气。2.2.2名称：煤炭和油气的识别2.2.2.煤成气、油型气的13c1-ro烷烃气碳同位素是判别各类成因天然气最有效和最常用的指标。烷烃气碳同位素受控于天然气的母质类型和成熟度。就母质类型而言,煤成气碳同位素较油型气重;同一母质类型形成的天然气随其成熟度的增加碳同位素变重。根据我国天然气藏实际资料,煤成气的δ13C1分布范围为-52‰～-24‰,主要分布区间为-38‰～-32‰;油型气的δ13C1分布范围为-58‰～-30‰,主要分布范围为-40‰～-35‰。研究表明,不论是煤成气还是油型气,其甲烷碳同位素都与相应烃源岩的演化程度有较好的对应关系,相同热演化程度的煤成气碳同位素高于油型气。因此,许多学者建立了煤成气和油型气的δ13C1-Ro关系。根据天然气碳同位素在煤成气和油型气δ13C1-Ro两条曲线上对应的Ro值与实际烃源岩成熟度的符合程度,来判断是煤成气还是油型气。戴金星建立的煤成气和油型气δ13C1-Ro关系如图1所示,对应的关系式是:煤成气:δ13C1≈14.12lgRo-34.39油型气:δ13C1≈15.80lgRo-42.20沈平等基于“六五”和“七五”的研究,得到的我国煤成气和油型气δ13C1-Ro回归关系式为:煤成气:δ13C1=40.49lgRo-34.0油型气:δ13C1=21.72lgRo-43.312.2.2.煤成气和腐殖型天然气的碳同位素甲烷碳同位素易受成熟度影响,高成熟的油型裂解气与煤成热解气甲烷碳同位素往往重叠在同一区域内。重烃气的碳同位素具有较强的母质类型继承性,能更有效地区别两类不同母质形成的天然气。“七五”期间,戴金星综合国内外1515个天然气碳同位素数据编制了δ13C1-δ13C2-δ13C3关系图版,煤成气δ13C2值大于-25.1‰、δ13C3值大于-23.2‰,油型气δ13C2值小于-28.8‰、δ13C3值小于-25.5‰;张士亚通过对我国腐泥型和腐殖型天然气碳同位素值的统计,把二者的分界标志定为δ13C2值为-29‰;刚文哲等通过煤、泥岩、油页岩、生物灰岩和泥灰岩的热模拟实验,得出腐泥型和腐殖型δ13C2界限值为-29‰;宋岩根据我国前陆盆地天然气成因类型,认为煤成气δ13C2值大于-26‰、油型气δ13C2值小于-29‰,-29‰～-26‰是煤成气和油型气叠加或混合气的δ13C2分布区间。2.2.2.不同盆地中汞含量的变化腐泥型和腐殖型有机质形成的生物气和裂解气均为干气,油型热解气比煤成热解气重烃含量高,但二者没有明显的界限。天然气中汞的含量与成气母质有明显的相关性,一般来说,煤成气中的汞含量明显高于油型气,但同一类型的天然气在不同盆地中汞含量变化范围较大。四川盆地煤成气汞含量为0.25～125μg/m3,油型气汞含量为0.04～4.0μg/m3;东濮凹陷煤成气汞含量为1.44～140μg/m3,油型气汞含量为0.13～1.10μg/m3;准噶尔盆地煤成气汞含量为4.51～9.84μg/m3,油型气汞含量为0.76～1.84μg/m3。戴金星在煤成气和油型气综合鉴别指标中提出,煤成气汞含量大于700ng/m3,油型气汞含量小于600ng/m3。2.2.2.煤成气轻烃类型较有效并经常应用的轻烃鉴别指标主要有C7轻烃系列和苯含量。C7轻烃系列化合物包括正庚烷、甲基环己烷和各