天然气成因及成藏

石油及天然气地质学进展
徐思煌等
进展概述
7个专题
1、含油气系统理论与方法
与“低级”的关系
综合性、从源岩到圈闭 生-运-聚条件、机 制及过程
天然气地质（相对于石 油）的特殊性
2、油气成藏动力学与成藏理论
3、天然气成因及成藏
石油及天然气地质学
进 展
4、烃源岩及生排烃作用
烃源岩、生烃与 排烃、地球化学
储层地质学、沉积 学、地层学
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。 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。
有机成因各类天然气的特性 / 天然气的鉴别
成因类型判识标志： 无机成因气？ 有机成因气？
天然气资源分布
中国已发现探明地质储量大于300 ×108m3的大型气田21 个,这些大型气田 的天然气总探明储量占全国的58 %。这21 个大型气田主要集中于四川盆 地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、莺琼盆地和东海盆地等五 大盆地。 2006年资料： 探明地质储量大于1000亿方的气田有9 个，主要分布于鄂尔多斯（苏 里格、靖边、大牛地、子洲、榆林、乌审旗) 、四川（普光） 、塔里木 （克拉2） 、松辽（徐深） 等盆地。100亿方～1000亿方的气田主要分布 于四川盆地和塔里木盆地。
• 有机成因气--生物气

甲烷含量＞95%，C1/C1-5为0.95-1.0，C2/C3＞2，甲 烷富集12C。 δ13C1＜-55‰或-60‰
• 有机成因气—过渡带气

徐永昌等根据Ro为0.3％-0.6％计算，过渡带气的 δ13C1分布在-60‰--45‰之间。
油型气
不同学者根据不同地区或因素，提出了不 同的煤成气13C1 与Ro关系式。 在“六五”国家重点科技攻关项目“煤成气的 开发研究”, 戴金星（1985）综合研究了我国煤 成甲烷（13C1 ）与其源岩成熟度(Ro) 之间的 关系, 发现煤成甲烷13C1值随源岩成熟度增加 而变重, 并得出如下回归方程: 13C1 = 14. 12lg Ro – 34.39 (1)
Eo
w o Ew w g o o
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天然气成藏 基于天然气扩散作用的普遍性、重要性，提出了 ① 天然气运移-聚集-散失动态平衡理论：
在天然气扩散和渗流作用下，烃源岩生成的天然气 进入储集层运移聚集，也不断由已形成的气藏中散 失，此过程中同时存在气体散失和烃源岩生气补充， 当地下天然气的散失和补充达到某种程度的相对平衡 时，即出现天然气运-聚-散动平衡。 天然气运-聚-散动平衡模型将天然气由烃源岩中生 成并排出、在运载层中二次运移和聚集、成藏后散失 的过程描述为动态的连续过程。当天然气补充量大于 散失量时，天然气在气藏中不断富集；反之，圈闭中 的天然气不断减少，乃至全部散失。气源充注强度和 时间以及封盖保存条件是气藏能否形成的重要因素。
戴金星等(1992）提出：
无煤系存在的地区，δ13C1＞-30‰ 定为无机成 因甲烷的标准； 在有煤系存在时，无机成因甲烷的判识界限应划 在δ13C1＞-10‰ ，因为不少高演化煤层的甲烷δ13C1 ＞-20‰ 。
如前苏联无烟煤煤层气的δ13C1值为-10‰；德国普罗伊萨克煤 矿的煤成气δ13C1值最重为-12.9 ‰；我国四川的煤层气δ13C1值可靠 的最大值为-13.3 ‰。
2006年

天然气资源概述 天然气成因


天然气的成因类型 有机成因各类天然气的特性 天然气的鉴别 运移特征-扩散 成藏理论

天然气成藏

天然气的成因类型
早期天然气勘探以单一的“油型气”理论为指导。 20世纪 70 年代后期，以戴金星院士为首的中国学者首先 提出煤系、亚煤系是良好的气源岩，使我国天然气成因理论 从一元论(油型气) 走向二元论。
煤成烃演化与石油演化对比示意图
• 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。
• 据母质类型：腐泥型气又称油型气、腐殖型气又称煤成（型）气。 • 据热演化程度：生物气、生物-热催化过渡带气、热解气、裂解气。
5、储集层研究 6、非常规油气资源
7、替代能源（新能源）
非重力分异、非浮力驱 动的，运-聚特征不同
非化石能源
专题3： 天然气成因及成藏
--- 天然气相对于石油的特殊性

天然气资源概述 天然气成因


天然气的成因类型 有机成因各类天然气的特性 天然气的鉴别 运移特征-扩散 成藏理论

天然气成藏
煤型气
有机气与无机气的鉴别
注意：1. 这里油型气仅强调了由腐泥型母质生成，即包括了油型生物气、油型过渡带气） 2. 横坐标值域不同与前述过渡带气
3.2 有机成因 各类天然气的特性
D
，‰
E
F
C
δDCH
4
A
B
δ13C1
，‰
天然气同位素判断天然气成熟度
我国 油 型气
δ 13 C1(‰ )=21
.72l ogR
上述Q表示气藏中气体通过X方向上的损失量(下同)。
气藏烃通过盖层上界面(X＝L面)单位面积内扩 散进入盖层之上储层中的量为
(2) 天然气藏通过盖层的扩散
气藏烃通过盖层下界面(X＝0处)单位面积内的扩散量为
气藏烃通过盖层上界面(X＝L处)单位面积内的扩散Biblioteka Baidu为
(2) 天然气藏通过盖层的扩散
气藏烃通过盖层下界面(X=0处)单位面积内的扩散量为
分散的有机物质：沉积物或沉积岩中的干酪根； 集中的有机物质：有机可燃矿产（石油、煤、油页岩）。
•
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。 据母质类型：腐泥型气又称油型气、腐殖型气又称煤成（型）气。 据热演化程度：生物气、生物-热催化过渡带气、热解气、裂解气。
未成熟阶段 油型生物气 未熟-低熟阶段 油型过渡带气 成熟阶段 过熟阶段
28.5亿吨标准煤
中国，急需提高天然气能源比例！
* 储量、产量、消费量的关系：
美国天然气产量超过了石油，石油净进口超过天然气；
中国天然气产量远不及石油
世界天然气
中国常规天然气资源
• 经过50 多年的发展,中国天然气储量取得丰硕成果,为“西气东输”工程奠定了 坚实的能源基础。4个阶段 3个台阶:
天然气成藏 基于天然气分子的活跃性、结合我国新构造运动的重要 性，提出了② 我国天然气晚期成藏理论：
天然气晚期成藏理论基于天然气成藏动平衡原理 和气藏的保存要求而提出。 我国的喜马拉雅运动强烈，主要含气盆地的天然 气藏一般经历多期成藏过程，早期形成的气藏受后 期构造运动的改造和破坏、难以保存，只有最后一 期较晚形成的气藏才可能保存至今。例如，四川盆 地川东石炭系气藏以下古生界为气源岩，成烃高峰 期相对较早，但现今气藏是经喜马拉雅期改造调整 后再成藏的产物。
气藏烃通过盖层上界面(X=L处)单位面积内进入渗透层的扩散量
(2) 天然气藏通过盖层的扩散
气藏烃通过盖层下界面(X=0处)单位面积内的扩散量为
气藏烃通过盖层上界面(X＝L处)单位面积内进入渗透层的扩散量为
天然气运移、成藏
天然气运移特征--运移动力、阻力、优势通道、主流方向
与石油不同
图5-18 复合型油气输导体系示意图（据陈欢庆等，2009） (a)储集体与断层复合输导体系；(b)储集体与不整合面复合输导体系；(c) 不整合面与断层复合输导体系；(d)储集体、断层与不整合面复合输导体系； 1--储集体；2--不整合面；3--断层；4--油气运移方向
烃源岩厚度为2L,初始浓度为C0,,产率为B.
X
C1 C2
2L C0，B
渗透层
（1）烃源岩的轻烃扩散 数学模型
（1）烃源岩的轻烃扩散 数学模型
单位面积烃源岩的扩散量为
2. 气藏中天然气的扩散
不同的地质模型具有不同的扩散数学模型
(2)天然气藏通过盖层的扩散数学模型
气藏烃通过盖层下界面(X＝0面)单位面积内扩散量为
生物-热催化过渡带气(Bio-thermocatalytic trantional zone gas) ：简称过渡带气，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。
天然气运移、成藏
天然气运移特征---1.扩散作用，比石油重要
费克第二定律：
式中C 为烃浓度，X为扩散距离，t为扩散时间，D为扩散系数。
1. 气源岩中天然气的扩散
地 质 模 型 X 地质参数
0 0
渗透层
烃源岩
2L C0，B
渗透层 渗透层
烃源岩
① ②
烃源岩两侧渗透层烃浓度为0， 烃源岩厚度为2L, 初始浓度为C0,,产率为B. 烃源岩两侧渗透层烃浓度不为0， 上、下渗透层烃浓度分别为C1、C2
油型成气论 煤型成气论
之后，通过国家“七五”、“八五”攻关科研，天然气成因理 论进一步发展成多元论，包括无机成因气。
戴金星：无机、有机（再分） 、混合
徐永昌：有机（再分）、无机
王涛(综合)：无机、有机（再分） 、混合
不同类型有机质的主要生气阶段和生气高峰对应图
不同类型有机质形成的石油与天然气运移相态示意图
• 1949-1980，持续增长，32 年内增长了2 613. 63 亿方，增长速率81. 68亿方/ 年。 • 1981-1989，上了第一个台阶：9 年时间内增长2 979. 35亿方，增长速率331. 04亿方/ 年， 年增长速率是前期的4 倍多。 • 1990-1999 ，长上了第二个台阶：10 年时间内增长15 038. 89亿方，增长速率1 503. 89亿方 / 年，年增长速率是前9 年的4. 5 倍。 • 2000 年起，中国天然气探明储量增长上了第三个台阶：2000 年开始的2 年时间内天然气探 明储量增长速率4 694. 08亿方/ 年，是前10 年的3倍 。
亚太地区
使用石油和煤的比例较高
天然气 石油 煤
24.5% 41% 24.8%
24.1% 34.8% 24.2%
曾达到
60％，
25％ 40% 25.5％
10％ 48％ 29.5％
现有所下降。
中国的能源结构 % 煤炭 石油 天然气 水电 总量 1990 76.19 16.62 2.05 5.14 2000 66.10 24.10 2.50 6.80 2002 65.6 24.3 2.70 7.80 2004 67.71 22.7 2.60 7.00 2008 69 20 3.4 7.0
生物气 过渡带气
有机成因
热解气
成因
热解气 裂解气 油型气
热解气 裂解气 煤型(成)气
裂解气
无机成因
幔源气
混合成因
据母质类型： 腐泥型气又称油型气（热解气+裂解气）、 腐殖型气又称煤成（型）气（热解气+裂解气）。
•
有机成因气：系指由分散的或集中的有机物质，在成岩、成熟 的过程中，由微生物作用、化学作用和物理作用形成的以烃类 为主的天然气。

天然气资源概述
• 美国的燃 料能源消 费 • 世界的与 美国的接 近
天然气主要成分 —烃气，以甲烷为主
天然气应用广泛
美国常规天然气产量下降，但非常规气产量增长
---设置“非常规油气资源”专题原因
世 界
2000 2008
俄 国
天然气在能源消费中比 例最大
中东
36％
美 国
各种能源消费比例与世界 平均值大致相同
0
-43.
31
天然气同位素判断天然气成熟度
我国 煤 型气
δ13C1 (‰) =0.864logR0-32.8
天然气成因
天然气的成因类型
有机成因各类天然气的特性 天然气的鉴别
天然气成藏

运移特征 --扩散作用重要意义 --运移动力、阻力、优势通道、主流方向与石 成藏理论
油不同

• •
成熟度 类型 腐泥型 腐殖型
生物气
煤型生物气
过渡带气
煤型过渡带气
油型热解气 油型气 油型裂解气
煤型气 煤型裂解气 煤型热解气
生物成因气：又称微生物成因气、细菌成因 气，是指不同类型有机质在成岩作用或有机质 演化早期阶段（未成熟阶段，即RO＜0.4%-0.5 ％），微生物群体的发酵和合成作用而形成的 以甲烷气体为主的天然气。