天然气地质学题集

天然气定义:广义：包括自然界中一切天然形成的气体：在气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核中的C1-4、CO2、N2、H2S、Hg、H2、O2、CO、CO2、稀有气体（He、Ar）。狭义：一般指烃类气体为主，少数以CO2、N2及个别的以H2S为主，发育在水圈、岩圈、地幔、地核中。天然气地质学：研究和认识天然气生成、运移、聚集、逸散；研究天然气藏与气田形成条件和分布规律等与地质作用有关的一门新兴的学科。一无成气论和中国天然气工业：本世纪80年代之前，中国油气地质科技工作者认为天然气是由腐泥型烃源岩形成的，即天然气是海相碳酸盐岩和泥页岩及湖相泥页岩的产物，称之为油型气。同时，以此一元成气论来指导天然气勘探，没有看到煤系和亚煤系成气的巨大潜力和前景，不把含煤地层作为成气源岩和目的层。二元成气论促进了中国天然气工业的发展：添加了煤成气理论天然气起源：天然气无机起源：上地幔高温生气，蛇纹石化生气，基性岩浆冷却生烃。天然气有机起源：生物化学生气阶段，热催化生油气阶段，凝析气阶段，裂解气阶段生物化学生气阶段：深度小于1500m，地温介于10-60℃，缺乏游离氧和硫酸盐的还原环境，厌氧的甲烷细菌大量繁殖，有机质被生物化学降解成CH4，NH3，H2S，H2O等气态挥发物、少量未熟-低熟石油和干酪根，随温度升高甲烷产率增多，当温度超过75℃时，甲烷菌大量死亡，不利于甲烷气的生成。生物化学生成气体的特点(生物气或细菌气)：（1）以甲烷为主（2）缺乏轻质（C4-C8）正烷烃和芳香烃（3）该阶段后期，随着埋深加大。温度接近60℃，才开始生成少量液态石油；（4）有机质大部分成为干酪根保存在沉积岩中热催化生油气阶段：1500-3000m，地温介于60-180℃，粘土矿物催化作用吸附力增大，热催化作用成为促使有机质转化最活跃的因素，干酪根热降解作用。对于腐泥型有机质，生成大量石油和湿气，即以成油为主、成气为辅，是油气生成时期（生油窗）。对于腐殖型有机质，则成气为主、成油为辅，是煤成气生成的重要阶段。粘土矿物在有机质演化中的作用：粘土矿物对于干酪根热解烃的化学组成、产率都有很大的影响。由于不同粘土矿物与有机质之间的热催化作用、吸附作用等的程度不同，其作用的强度也不同。其中，蒙脱石对干酪根的热解烃组成的影响最大，伊利石、高岭石的影响较弱。粘土矿物对化学成分的影响：由于粘土矿物的催化作用，不仅使长链烃裂解成小分子烃，还可造成烯烃含量的相对减少，异构烷烃、环烷烃、芳香烃含量相对增加。粘土矿物的吸附能力：随深度的加大，岩石成岩作用增强，粘土矿物吸附力增大，按物质组分的吸附性能不断进行重新分布：分子结构复杂的脂肪酸、沥青质和非烃集中在吸附层内部，烃类集中在外部，依次为芳香烃、环烷烃及正烷烃。粘土矿物的热催化作用：粘土矿物的催化作用可以降低有机质的成熟温度，促进石油生成。热催化气特征：腐泥型有机质：该阶段腐泥型有机质生成的天然气呈原油伴生气出现。重烃气含量高，一般超过5％、高者可达40％-50％，属典型的湿气。它们或呈游离气、或呈溶解气状态与油藏伴生，在含油气盆地中，极为常见。腐殖型有机质：该阶段腐殖型有机质生成的煤成气，呈游离状态，气的湿度比腐泥型天然气相对干些，但一般也属湿气，含煤盆地常见这种气、并往往形成煤成气藏。区别煤成气与煤层气的概念：煤成气：含煤岩系中有机质在成煤过程中所生成的天然气。其成分以甲烷为主，以游离气为主，多数已经游离到周围的砂岩储层中。煤层气：是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。凝析气阶段：3000-4000m，地温介于180-250℃，超过了烃类物质的临界温度，残留的干酪根继续裂解。凝析气特征：残留的干酪根继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量的H2O、CO2、N2，主要反应是大量C-C链受热裂解，包括环烷烃开环破裂，液态烃急剧减少、C25以上高分子正烷烃含量渐趋于零，残留少量低碳原子数的环烷烃和芳香烃；相反，低分子正烷烃剧增，主要是甲烷及其气态同系物，在地下深处呈气态，采至地面随温度、压力降低、反而凝结为液态轻质石油，即凝析油并伴有湿气，进入了高成熟时期。裂解气阶段：大于4000m，地温超过250℃，达到有机质转化的末期，生成甲烷。裂解气特征：以高温高压为特征，已经形成的液态烃和重烃气强烈裂解，变成热力学上最稳定的甲烷；干酪根残渣释出甲烷后进一步缩聚，H／C原子比降至0.45-0.3，接近甲烷生成的最低限。该阶段出现了全部沉积有机质热演化的最终产物：干气甲烷和碳沥青或次石墨。四个阶段特征：综上可知，在原始沉积有机质热演化的全过程中，都可以生成天然气，只不过在不同演化阶段．所生成的天然气在性质和数量上不同而已。此外，尚需指出，有机质成熟的早晚及生烃能力的强弱，还要考虑有机质本身的性质。在其他条件相同的情况下，树脂体和高含硫有机质往往成熟较早；藻质体生烃能力最强，腐殖型有机质同样可以成为生油气母质，以生气较多为特征。根据天然气形成的成熟度或化学作用形式分类：1.生物气2.热解气3.裂解气生物气：I、II、III型源岩在泥炭化和成岩阶段未成熟期内(R。＜0.5%)，通过甲烷生成菌的生物化学作用形成的天然气。此阶段I、II、III型源岩主要是成气，均为干气。由于甲烷生成菌活动温度不能高于75℃，故生物气是在75℃以下形成的，最适于甲烷生成菌大量繁殖温度是35-42℃。也是生物气形成强度最大阶段。生物气在天然气工业中具有重要地位，占世界天然气总探明储量的20％以上。热解气：I、II、III型源岩在成熟期内(R。=0.5—2.0％)，通过热催化降解作用形成的天然气，均为湿气，在成气同时还形成石油。不同类型源岩形成油气的比例不同。I、II型源岩在此阶段以成油为主，成气为辅，气体往往溶解于石油之中，故常称之为溶解气或伴生气；含煤地层源岩在此阶段则以成气为主，成油为辅。裂解气：I、II、III型源岩在成熟期内(R。2-5％)，已生成的液态烃、残余干酪根及部分重烃气经高温裂解作用形成的天然气。此阶段各类源岩主要生成以甲烷为主的干气。按烃类气湿度的分类干湿气概念：所谓湿度是指重烃气（主要是C2-4）组分含量与甲烷组分含量的比值（C+2/C1）。一般：把含95％或更多甲烷的天然气称为干气（C+2/C1＜5％），甲烷含量小于95%的则称为湿气（C+2/C15％），依据天然气含烃组分的差异，把含CH4-C4H10的称为干气，含CH4-C10H22的命名为湿气，含CH4-C16H34的命名为凝析气。天然气根据相态的分类：游离气溶解气吸附气固体气游离气：呈气态，能独立运移、聚集。有重要的工业价值的天然气是游离气聚集的气藏气、气顶气和凝析气。溶解气：天然气溶解于液相的石油或水中，液相是气的存在体和载体。吸附气：气体分子被固体表面分子所吸引，在吸附体表面形成多层分子组成的凝缩弹性气体膜。此种气体膜的气就是吸附气，它失去了自由运移的能力。固体气在自然界存在的低温条件下，天然气(氦、氖、氢除外)能够与水结合，形成结晶水化物(固体气)。它为密度0.88-0.90g／cm3的固体结晶物质，通式为M．H2O，式中M为形成水化物的气体分子。固体气可视为固体溶液，其中“溶剂”是由水分子组成的立方晶系的结晶骨架，其内分布着“溶解”气分子。天然气组分：天然气的化学组成可分为烃类气体和非烃气体两类。烃类气体主要指甲烷和重烃气；非烃气体常见的有CO2、N2、H2S、稀有气体等。天然气组分差异的控制因素：影响天然气中烃类气体组分的因素是多方面的，其中包括成熟作用、气源岩母质类型、运移过程中的“地质色层”作用、生物作用、水洗作用和天然气混合作用。目前的研究结果表明，成熟作用、母质类型、运移作用以及生物作用的影响最大。1。热成熟作用:从未成熟一成熟一过成熟阶段、天然气甲烷含量由高一低一高，重烃气相对含量由低一高一低。2。源岩母质类型:腐泥型、腐殖型有机质都可作为良好的生气母质，所生成的天然气在组分上有差异，尤其在成熟阶段，不同母质类型形成的天然气烃类组分有明显差异，即腐泥型有机质比腐殖型有机质所生成的重烃气多。3.运移作用:运移作用可以改变天然气的原始组成。分子量小的气体组分要比分子量大的组分运移的快。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—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。天然气中甲烷含量增多的方向可以用来判断天然气运移的方向。4.生物作用:微生物有两个作用：一是微生物直接产生天然气，主要化学成分为甲烷；二是已形成的天然气在细菌作用下，可以发生生物降解。生物对天然气降解作用的结果是使天然气中甲烷成分增高，天然气因而变得更“干”。5.水洗作用:一般来说，重烃溶解度要比甲烷低，水洗的结果是使甲烷更易溶于水中而被带走6.混合作用: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等非烃气体常见的有CO2、N2、H2S、稀有气体等氮气的成因：生物成因，大气来源，二氧化碳成因：有机成因，无机成因（碳酸盐等矿物化学成因，岩浆成因）二氧化碳研究的石油地质意义：CO2是一种能够溶于水的“活性气体”（Worden，2006）。当CO2经人工或天然充注到含水的砂岩时，所形成的弱酸性孔隙流体将引起骨架碎屑及早期胶结物的溶蚀溶解，当阳离子积累到一定浓度时，孔隙流体将转变为弱碱性，进而引起片纳铝石等自生矿物的沉淀（黄善炳，1996）。因此，砂岩储层中CO2的充注，既可以形成次生孔隙，也可以产生新的矿物。前者可以提高储层质量，后者则降低储层质量。对于其综合效应是提高储层质量还是降低储层质量的问题，目前尚未达到共识。CO2是一种易于达到超临界状态的气体，超临界CO2会使原油的性质发生变化：①降低油水界面张力，进而减小残余油饱和度；②降低原油的黏度，可降低到原黏度的63.3%，最高约为原来的1/10，原油初始黏度越高，降低后的黏度差越大；③使原油的体积膨胀，在一定压力下将CO2注入原油，可使原油体积膨胀28%～50%；④萃取和汽化原油中的轻质组分，形成CO2富气相，从而减小注入气与原油之间的界面张力；⑤发生CO2与原油的混相效应，形成CO2和轻质烃的混合油带。CO2溶于原油并使其性质发生变化后，原油的流动性将增大，此时油藏中的原油将被CO2部分（形成含CO2油藏或含油CO2气藏）或者全部（形成纯CO2气藏）驱替出圈闭，形成次生油气藏。CO2将油藏中的原油驱替出圈闭还需要具备的地质条件为：①CO2气源充足，能够形成足够的驱替动力；②CO2的注入时间晚于油气成藏时间。硫化氢成因：生物成因、热化学成因、岩浆成因。气源岩类型：煤系气源岩、碳酸盐岩气源岩、湖相气源岩煤系气源岩概念：煤系一般指含有煤层，并具有成因联系的沉积岩系，岩性以砂泥质岩为主，富含有机质。煤系有机质为腐殖质，为煤型气的气源岩。地史上有几个世界性的聚煤期：中、晚石炭世，早二叠世，早、中侏罗世，晚侏罗世—早白垩世和晚白垩世—早第三纪。四川盆地是中国碳酸盐岩气源岩层位最多和厚度最大的地区。气源岩的形成时代：1.震旦纪和早古生代气源岩2.晚古生代气源岩3.中生代气源岩4.古近纪气源岩5.第四纪气源岩三叠纪气源岩形成时代的原因：三叠纪早期：气候干燥，湖盆小以红色碎屑沉积为主。晚三叠世：气候转为温湿，生物繁茂．众多的成油和成煤湖盆广泛发育．如鄂尔多斯盆地、四川盆地和楚雄盆地在三叠统中都具有良好的生油气条件。在这些大型盆地中，晚三叠世沉积了—套生油气建造。从油气生成研究分析，中国第四纪沉积普遍处于生物化学作用阶段，以产生物气为主。中国柴达木盆地东部三湖地区。是一个第四纪生物气的富集区，从而展示了第四系地层中寻找生物气的良好前景。研究有机质显微组分有两种制样方法：全岩制样干酪根富集制样全岩制样：最大程度的保持了显微组分原始产状和结构特点干酪根富集制样：对于一些有机质含量甚低的岩石，尤其是碳酸盐岩使用。气