第五章 天然气地球化学

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
亿方 年均2372亿方
年均1081亿方 年均337亿方
“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
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
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。
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。
天然气在页岩中的扩散系数
烷烃 甲烷
乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷
扩散系数（cm2/s） 10-6
10-6 10-7 10-7 10-7
烷烃 正戊烷
正己烷 正庚烷 正癸烷
扩散系数（cm2/s） 10-7
10-8 10-8 10-9
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
油气行业 仍保持重要
水电 水电
新 技
10亿 桶当 量油 /年
(GBOE)
80
世界能源需求
术
60
煤 天然气
核能
化石燃料减少
40
20
原油
1900
JMA
1920
1940
1960
1980
2000
2020
2040
2060
2080
3000
024839-2 据 Edwards, 24929 AAPG 8/97
一、概述
0 -25 0.2 0.4
1/Cn
0.6
0.8
1
-30
生物降解
西萨克油田 溶解气
C （‰ PDB）
-35
库帕克油田 溶解气
13
δ
-40
-45
生物 甲烷
-50 Nc 4 C3 C2 C1
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
氮气组分特征
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
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）。
稀有气体组分 特征
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。
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
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
5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
一、概述
◆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。
250 200 150 100 50 0 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005
2001
一、概述
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002
塔里木盆地库车坳陷大宛齐油田溶解气组成
井 号 Dw111 层 位 Q N1-2K N1-2K 井 段 (m) 309.5-314 384-385 347-350.5 Dw110 408-409.5 401-406 Dw109 N1-2K 414-418 472-4775 Dw1 515-519 622-625.5 Dw105 N1-2K 665-667.5 673.5-675 CH4 72.45 81.03 72.96 79.76 81.05 83.96 93.65 95.10 93.41 88.80 88.25 C2H6 11.86 6.34 13.37 10.91 11.89 9.59 1.96 3.00 1.45 3.57 5.39 天然气摩尔组成（%） C3H8 7.31 5.19 7.56 4.66 3.36 3.11 0.77 0.60 0.37 1.83 3.23 0.59 0.76 1.86 1.41 C4H10 4.25 2.88 4.19 3.08 0.90 0.80 0.25 0.36 0.10 C5H12 1.62 1.65 1.66 1.36 0.16 0.33 2.04 1.67 3.00 0.78 4.09 1.69 0.96 N2 2.51 2.89 0.25 0.01 0.59 0.50 0.36 0.06 0.68 1.66 47.1 110.7 47.99 50.5 17.65 9.22 14.11 14.38 CO2 气 油 比 (m3/m3)
◆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
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 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%。 氮气是天然气中最常见的非烃组分之一，含量一般小于10%。
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（dry gas）：CH4> 95% 蓝色火焰，少含汽油蒸汽。
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
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

成熟作用 母质类型 运移扩散作用 生物降解作用 混合作用
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
C 1/Cn 1.0 -20 0.9 0.8 0. 7 0. 6
陆相 源岩
-30
过 成 熟 阶 段
5
C CH4
13
-40
-50