天然气的形成及地化特征

烟煤与无烟煤阶段微镜煤在煤化过程中的 物理、化学与分子结构变化
煤的演化类似Ⅲ型干酪根，初期以O/C原子 比下降为主，后期以H/C原子比下降为主。
有机质被氧化，放出CO2、SO2、N2等气体
还原环境 有机质在厌氧细菌作用下发酵形成CH4
产酸阶段 nCH2O（葡萄糖） H2O 厌氧、产酸菌 CO2 H2 有机酸 醇
产甲烷阶段
CO2 H2 产甲烷菌 CH4 H2O
光合产物
（纤维素）
1 水解作用
葡萄糖 CO2 好气氧化 2 发酵作用
T3 P1 Z
美国煤层瓦斯成分
气体成分
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12
平均含量 （%）
91.89 0.48 0.00149 0.00033 0
气体成分
CO2 N2 O2 H2 He
平均含量 （%）
3.58 4.017 0.148 0.002 0.03
煤系地层中常具有较高的汞含量。 这是由于煤作为富集状的腐植型 有机质，对汞有较大的吸聚能力。
26.94
48.3
36.5
35.03
26.93
15.28
12.68
21.6
16.8
30.43
22.80
22.03
17.08
近海
3.93
7.22
11.7
8.1
2.6
4.73
7.63
4.95
2008年1月3日《关于新一轮全国资源评价和储量产量趋势预测报告》
2009年，我国石油产量为1.89亿吨，占全球石油产量35．25亿吨的5.18％， 居世界第5位，储采比为11.5。累计探明石油技术可采储量92.1亿吨，石油 累计采出量为51.9亿吨，已探明资源的采出程度分别为63.6%，剩余技术 可采储量29.49亿吨，剩余经济可采储量21.71亿吨，居世界第13位。 2009年，我国天然气产量为761.2亿立方米，居世界第9位，储采比为35。 累计探明天然气地质储量7.1万亿立方米，累计探明技术可采储量4.3万亿 立方米，天然气的累计采出量为10198.4亿立方米，已探明资源的采出程 度21.3%，剩余技术可采储量3.77万亿立方米，剩余经济可采储量2.9万亿 立方米，居世界第14位。
二、热成因气
热成因气包括深成阶段形成的石油伴生气、 湿气、凝析气以及准变质阶段的裂解气。
热成因气都是由于热力作用使干酪 根和已生成液态烃类裂解形成的。
埋深 成岩作用 阶段
生物 甲烷气
中高分子量的液态烃（生油主带） 形成的伴生气除甲烷外，重烃含 量高，C1/C2+约为10~50 低分子量气态烃（C2~C4）明显增加 湿气，以及高温高压下轻质液态烃逆 蒸发形成的凝析气。同时，伴有大量 的甲烷生成。 由于温度持续升高，生成的液态烃和还 没有完全裂解的干酪根裂解为轻质烃直 至甲烷。主要为CH4。几乎没重烃。
浅层生物气
煤层气 构造圈闭油气
页岩气
致密砂岩气
非常规油气：致密砂岩气、页岩气煤层气、浅层微生 物气、天然气水合物、油砂、页岩油。
（1）致密砂岩气（孔隙度<10%，渗透率为mD-nD）
3% 7% 10% 5% 17% 11% 11% 5% 1% 北美 拉丁美洲 18% 西欧 中欧和东欧 前苏联 中东和北非 非洲撒哈拉地区 中亚和中国 12% 太平洋组织 亚太其它地区 南亚
深成作用阶段 初期~中期
深成作用 阶段后期
准变质作用 阶段
温度
乙烷~丁烷
70~150℃ ，高 峰在120℃ 高峰在150℃
甲 烷
有机质中可裂解 的部分基本耗尽。
200~250℃ ，可视为生油（气） 岩生气能力的下限。
20
成岩阶段 50
腐泥型有机质
CH4
腐植型有机质
< < >
C2+ C2+
CH4
CO2
煤的现代物质结构概念： 煤是由稠环芳香核、桥键和烷基侧链组成的大分子聚合物。
成煤有机质主要是富含杂原子的纤维素和木质素。
煤化作用的实质：就是腐植型有机质脱氧、 去氢、富碳的过程。芳核上的不稳定官能团， 特别是含氧、含碳的官能团（如羧基、羟基、 氨基以及甲氧基）的脱落，富氢的烷基侧链断 裂，芳香核不断缩合，以CH4、CO2、 H2O、 N2、H2S等挥发性物质排出形成煤系气。
1 富集状有机质在转化初期，受氧化作用影响较大 2 粘土矿物对富集状有机质转化的催化作用较小 3 4 煤中富集状有机质对温度反应迟缓 煤有较大的吸附容量，可保存较多的气体于煤层
不包括水 的挥发分
德国
美国
煤化过程中煤级指标的明显变化
（Vr-不包括水分的挥发分）
三、 煤成气的成因
定义：煤成气就是指煤系地层在煤化过程中生成的天然气。 上世纪60年代以来相继在前苏联西西北利亚盆地、荷兰 东部盆地和北海盆地中发现了特大的煤系地层的气田。这三 个气区的探明储量约占世界探名储量的1/3。 我国也在鄂尔多斯盆地、四川盆地、东濮盆地等处找到 了与煤系地层有关的气藏。 瓦斯气就游离态的煤成气，它是以甲烷气为主的混合气。
四川盆地气藏天然气成分
层位 相对 密度 0.604 0.5685 0.6329 甲烷 乙烷 92.18 97.99 89.03 3.99 1.06 0.14 重烃% 丙烷 1.79 0.23 0.09 丁烷 0.58 0.05 0.00 总量 6.36 1.34 1.23 甲烷 /重烃 14.5 73.1 387.1 0.47 5.94 0.05 0.17 0.10 4.68 CO2+ H2S % H2 % N2 %
生气有机质
生油和生气有机质结构图示
CH4/重烃
1000 400
干燥系数 重烃系数
C1/C1+ C2+/ C1
300
475个油气藏的资料绘制
200 比值极限值 100 平均值
含溶解气的气藏
500 1500 2500 3500 4500 5500
深度(m)
6500 7000
美国、加拿大、澳大利亚油气田中C1/C2+平均值与深度的关系
(D)向斜-水动力 封堵煤层气藏
(E)煤层尖灭-水动 力封堵煤层气藏
(F)背斜-水驱圈闭 煤层气藏
煤层甲烷被吸 附于水与煤的 接触带
(G)削顶背斜-水驱 圈闭煤层气藏
(H)断层-背斜-水 驱圈闭煤层气藏
(I)异常压力封 存箱煤层气藏
裂隙和节理中 的水
煤基质
(J)低渗自封闭 体煤层气藏
(K)透镜状煤 体煤层气藏
天然 气的 分类
（按成分）
烃类气体
非烃类气体
生物气 油田气
常温常压下 的气态烃类
轻烃 甲烷 重烃 乙烷、丙烷、 丁烷和异丁烷
天然 气的 分类
（按成因）
煤成气
无机成因气
பைடு நூலகம்
天然 气的 相态
气态
液态 固态
甲烷含量大于95% 称为干气
一般是指凝析油含量在 于10~50g/m3称为湿气
我国主要含气区重点气田储量对比图
4000
1b/in2
气水合物是立方晶 系的结晶化合物。
10000 8000
气水合物和水
2000
气水合物和冰
1000 800
400
200
无气水合物
t/oC
100 -12 -7 -1 4 10 16 21 27
天然气水合物的压力-温度曲线
一、 生物气的成因
浅处
沉积物中微生物分解有机质，形成各种气体
含氧环境
目前我国探明储量大于1000亿立方米的气田共有5个， 其中苏里格气田探明储量大于5000亿立方米。
全国天然气地质及可采资源量评价结果表
地质资源量/万亿立方米 评价范围 95% 115个盆地 陆域 50% 5% 期望值 95% 50% 5% 期望值 可采资源量/万亿立方米
24.06
20.13
34.16
地下水的补给 和运移方向
页岩气
涵义：页岩气是页岩烃源岩生成的天然气，在排烃后有一 部分残留在页岩层段中的天然气就被称之为页岩气
有机质与粘土颗粒表面的吸附气的储集方式与煤层气相似 基质孔隙和裂缝中的游离气的储集方式与常规天然气储层相似
构成模式 阶段1 阶段2 阶段3
天然裂缝网络
自内表面解吸
流入基质孔隙
致密砂岩气占67.7％，煤层气20％，页岩气12.3%
当水结冰时，晶格膨 胀，形成的笼式结 构可以容纳气体分子。 1 小的晶胞结构中 46个水分子可以 包含8个甲烷分子， 其余的一些气体 也可进入其中。 2 大的晶胞结构是金 刚石型填集，在笼中 不仅能留住C1和C2， 而且为了结构稳定， C3、 i C4也可占据 一些大的笼，136个 水分子可以包含 8个丙烷和异丁烷 分子。
19962000
14000 10570 31080
31.5 19.5 30.1
2.25 1.84 0.99
7320 10450 14830
11.6 5.7 6.6
1.58 0.55 0.47
4110 3640 14990
5.2 2.8 6.7
1.25 0.76 0.93
20012002
20032005
流入天然裂缝系统
美国连续气藏产量目前已占天然气总产量的43%
1996-2006美国3类连续气生产数据变化统计
致密砂岩气 时间
生产井 （口） 可增储量 万亿方 钻井产量 十亿方/井 生产井 （口）
煤层气
可增储量 万亿方 钻井产量 十亿方/井 生产井 （口）
页岩气
可增储量 万亿方 钻井产量 十亿方/井
硫酸盐岩还原带
沉积物
无氧呼吸
当沉积物表面位于 硫酸盐还原带， 并具有一定厚度时， 有利于形成甲烷。
碳酸盐岩还原带 （甲烷生成带）
富含有机质的开阔海洋环境剖面
Ⅰ型
累 计 产 气 量 方/t Toc
II型
Ⅲ型
温度（℃）
不同母质类型有机质的生物气生气率演化曲线(适合无抑制淡水环境)
(李明宅 等，1997）
据估算，全球致密气资源量为456.24万亿方 现今技术可开采的致密砂岩气储量约为10.5～24万亿方
煤层气
涵义：受相似地质 因素控制、含有一 定资源规模、以吸 附状态为主的煤层 气、具有相对独立 流体系统的煤岩体
低渗区 高渗区
(A)物性-水动力 封堵煤层气藏
(B)断层-水动力 封堵煤层气藏
(C)单斜-水动力 封堵煤层气藏
第五章 天然气的形成及地化特征
概 述
一、生物气的成因
二、热成因气
三 、煤系气的成因
四、非烃气体的成因
五、天然气的空间分布
六、天然气的成因研究
定义：天然气广义上指自然界中存在的一切气体。 在油气勘探中是指存在于岩石圈中可燃的天然气，其成分主要 为甲烷为主的烷烃系列及无机气体（CO2、N2、H2S、H2、O2
CO2 H2
甲酸
乙酸
丁醇 丙醇 乙醇 丙酮 丁酸 丙酸 乳酸
3 产乙酰/产氢 阶段
4 产甲烷阶段 CH4
有机质的厌氧降解过程
溶解物剖面
代谢作用剖面
通过细菌作用在 浅处可生成甲烷气 O2
空气 透光带 水 有氧带
SO4 HS HCO3 CH4 H4
光合作用
有氧呼吸
有氧 无氧
硫酸根的存在对 甲烷的形成有一 定的抑制作用
7000 6000 5000 6025.27
储 量 （ 亿 立 方 米 ）
储量（亿方）
4000 3000 2000 1000 0
3272.83 2840.29
1132.81
1012.1 915.11 884.96
616.94 587.11
苏里格
靖边
克拉2
榆林
乌审旗
涩北
崖13－1
和田河
五百梯
(据国家储委及中油集团储量公报)
煤的大分子结构特征决定吸附孔隙的发育程度，通过比表面积来表征。 低煤级煤结构单元的芳构化程度较低,侧链和官能团发育,分子半径大,大 分子的堆积较为疏松,结构单元间结合不够紧密,吸附孔隙和吸收孔隙均很 发育,表现为煤的比表面积大、吸收孔隙比表面积比小； 高煤级煤的结构单元的芳构化程度高,侧链和官能团大量脱落,分子半径 变小,大分子的堆积变得致密, 随煤化作用程度增高,吸附孔隙变小,部分吸附 C% 孔隙变为吸收孔隙 , 镜质组反射率超过4. 5%时,煤大分子结构单元因拼叠作用发生“晶化”, 吸附孔隙和吸收孔隙锐减导致比表面积陡降
CO2
100
t/oC
深成阶段
N2
<
CH4
N2
150
H2S
> >
H2S
CH4
200
准变质阶段
细粒沉积物中有机质的天然气相对含量
天然气的生成模式，N2最初以NH3形式产生
腐泥型有机 质富含长链 脂肪结构， 所以在热解 时烷基侧链 断裂可依次 形成液态烃、 湿气和干气。
生油有机质
腐植型有机 质则富含芳 香结构，含氧 基团和少量 的短链脂肪 侧链。因此 热解时主要 形成干气和 二氧化碳。
煤的平均汞含量一般为 1000g / kg， 不低于粘土岩仅为 150 ~ 400g / kg。 煤系气中平均汞含量一 般为700g / m ，
3
多数大于700g / m3 油型气中平均汞含量一 般600g / m3， 多数小于400g / m3。
从煤中形成气体的热动力学条件和化学机理与 分散有机质基本相似。其主要差别如下：