第五章 天然气地球化学

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。JMAJMA024839-2世界能源构成预测世界能源构成预测19001900192019201940194019601960198019802000200020202020204020402060206020802080300030002020404060608080100100(GBOE)(GBOE)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1993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Edwards,AAPG8/97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0.8×1012m3(含溶解气)，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100×108m3的气田），对大中型气田形成和富集规律有了较深入的认识。0500100015002000250030003500400045005000550019491953195719611965196919731977198119851989199319972001亿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m3增加到2000年的25512亿m3，增加了2倍多，2001年30024亿方。一、概述05010015020025030019451955196519751985199520052001年天然气产量271亿方0500100015002000250030003500400045005000550019491953195719611965196919731977198119851989199319972001亿立方米截止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1.24万亿方，年均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050010001500200025003000350040004500198019821984198619881990199219941996199820002002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-莫索湾克拉2陆梁哈得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-坨卫星飞仙关鲕滩千米桥却勒1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（CoKonob，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×10-2～10-3mPa·s，而原油的粘度为n～n×10mPa·s；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H2S集中分布在碳酸盐-硫酸盐地层中。整体上，H2S的普遍含量极低或无（H2S含量1%仅存在于四川盆地和渤海湾盆地）。天然气中Ar、He分布具有一定普遍性，一般含量较低。He的含量普遍大于Ar的含量。我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CO2也是常见非烃组分之一，含量较N2更低一般小于2%，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（C2+），含量比甲烷低，重烃气（C2+）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（drygas）：CH495%蓝色火焰，少含汽油蒸汽。湿气（wetgas）：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：——C1/C1-5；C1/C2-5；C1/C1-3；C1/C2+;log(C1/C2+)湿度系数：——C1-5/C1；C2-5/C1；C1-3/C1；C2+/C1天然气干湿度二、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）。Berner（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（%）=9.1lnRo+93.1乙烷（%）=-6.3lnRo+4.8丙烷（%）=-2.9lnRo+1.9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0.90.80.70.61.0-20-30-40-50-60C/C1n生物气海相源岩伴生气凝析气未成熟阶段成熟阶段过成熟阶段5513CCH4二、天然气的化学组成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。2.121.571.118.205.554.313.756.083.01烷烃扩散系数（cm2/s）烷烃扩散系数（cm2/s）甲烷10-6正戊烷10-7乙烷10-6正己烷10-8丙烷10-7正庚烷10-8异丁烷10-7正癸烷10-9正丁烷10-7天然气在页岩中的扩散系数二、天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)CH4C2H6C3H8C4H10C5H12N2CO2气油比(m3/m3)Q309.5-31472.4511.867.314.251.622.51Dw111N1-2K384-38581.036.345.192.881.652.8917.65347-350.572.9613.377.564.191.660.259.22Dw110N1-2K408-409.579.7610.914.663.081.360.0114.11401-40681.0511.893.360.900.162.040.5914.38Dw109N1-2K414-41883.969.593.110.800.331.670.50472-477593.651.960.770.253.000.36515-51995.103.000.600.360.100.780.0647.1Dw1622-625.593.411.450.374.090.68110.7665-667.588.803.571.830.591.861.691.6647.99Dw105N1-2K673.5-67588.255.393.230.761.410.9650.5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。W.J.Stahel(l979)年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James和Burns对澳大利亚和加拿大的生物降解型天然气研究发现，乙、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00.20.41/Cn0.60.81-25-30-35-40-45-50Nc4C3C2C1δ（‰）13CPDB生物甲烷天然气生物降解甲烷及其同系物碳同位素组成特征二、天然气的化学组成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CO2、N2、H2S、H2、CO、SO2、Hg等以及微量的惰性气体（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N2、CO2气藏。美国:本得隆起二迭系砂岩气藏N2达8.6%（Nitrogen）中国:广东三水盆地砂头峪气田CO2达99.5%（Carbondioxide）河北：赵兰庄油气田孔一段H2S达92%（Hydrogensulfide）二、天然气的化学组成1、N2组分特征及其成因天然气藏中N2含量变化较大。世界上83％的气藏中N2的浓度在0.4％～12.5％之间。一般N2含量达到10％以上的气藏就称为高N2气藏。地壳超深部和上地幔来源的原生N2天然气中