天然气成因类型及其鉴别_宋岩

石　油　勘　探　与　开　发

2005年8月　　　　　　　　PET RO L EUM EX PL O RA T ION A N D DEV ELO PM EN T 　　　　　　　V ol. 32　N o. 4　

文章编号:1000-0747(2005) 04-0024-06

天然气成因类型及其鉴别

宋岩1, 2, 徐永昌3

(1. 中国石油勘探开发研究院; 2. 长江大学; 3. 中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心)

基金项目:国家天然气科技攻关项目(75-54-01-05, 85-102)

摘要:中国经过20年天然气科技攻关, 已形成天然气成因类型及其鉴别标志的理论体系和方法。天然气成因类型可划分

为有机成因气、无机成因气、混合成因气3大类。有机成因气根据演化程度划分为生物气、生物-热催化过渡带气、热解气

和裂解气, 根据母质类型划分为煤成气(包括煤成热解气和煤成裂解气, 在天然气资源中占主导地位) 和油型气(主要是原油伴生气, 包括油型热解气和油型裂解气) ; 无机成因气以二氧化碳为主, 分为岩石化学成因和幔源成因两种主要类型; 混合成因气是两种或两种以上成因类型气混合而成的天然气, 常见的主要有3类(同一烃源岩不同热演化阶段生成天然气的混合, 不同烃源岩生成天然气的混合, 有机成因气和无机成因气的混合) 。常用的天然气成因类型鉴别指标有天然气组分、烷烃气碳同位素、二氧化碳碳同位素和轻烃参数, 其中, 碳同位素是判别各类成因天然气最有效和最实用的指标。图1表2参41关键词:天然气; 成因类型; 鉴别; 碳同位素中图分类号:T E122. 111　　　文献标识码:A

　　中国20年天然气科技攻关的显著成效主要表现在两方面, 一是天然气地质理论的飞跃发展, 形成了中国特色的天然气地质理论; 二是在天然气地质理论指导下, 天然气储量大幅度增长。天然气成因类型及其鉴别标志是许多天然气科技工作者从“六五”天然气科技攻关开始, 经过20年研究逐渐形成的理论体系和方

法[1-, 这一理论和方法在中国的天然气勘探中发挥了

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。

1. 1. 1根据热演化程度的天然气成因类型划分

生物气:系指不同类型有机质在未成熟阶段由厌氧细菌的生物化学作用形成的天然气。其形成机理是在厌氧环境中, 微生物通过复杂的生物化学作用使有机质转化为有机酸、二氧化碳和氢, 再通过合成作用使二氧化碳和氢转变为甲烷。我国典型的生物气藏分布在柴达木盆地三湖地区, 已发现了涩北1、涩北2和台南3个大型气田。

生物-热催化过渡带气:系指在生物气与热解气形成的过渡阶段(R o 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。各类母质均可形成该类气体, 但Ⅱ—Ⅲ型干酪根是该类气体的主要母质。

热解气:系指在成熟和高成熟演化阶段(R o 值为0. 6%～2. 0%), 有机质经热催化作用降解而形成的天然气。由腐泥型和偏腐泥型干酪根形成的热解气往往以原油伴生气的形式存在, 故称之为油型(热解) 气; 由于腐殖型干酪根主要存在于煤系之中, 故其形成的热解气称为煤成(热解) 气。煤成气是形成我国大中型气田的主要天然气类型, 例如, 鄂尔多斯盆地苏里格、榆林等大气田。

裂解气:系指在过成熟阶段(R o 值大于2. 0%), 残重要的指导作用。

1成因类型划分

在国外学者有机成因气(又分为生物气、热解气、

裂解气) 和无机成因气的天然气成因类型研究的基础上[8, 9], “六五”和“七五”期间, 国内学者通过对煤系生气机理和煤成气地化特征的研究, 认为煤成气是天然

13]

气的重要成因类型之一[10-, 同时发现由于我国气源

岩层位多、演化历史长, 自然界中存在的天然气往往是由多种来源的天然气混合而成, 戴金星、宋岩等提出了无机成因气、有机成因气、混合成因气3大类天然气成因类型的划分方案[14, 15], 并将有机成因气根据演化程度划分为生物气、热解气和裂解气, 根据母质类型划分为煤成气和油型气。“八五”期间, 徐永昌、刘文汇等提出在生物气和热解气之间还存在生物-热催化过渡带气的成因类型

[16-17]

。

1. 1有机成因气

有机成因气系指由沉积岩中的集中或分散有机质

　2005年8月　　　　　　　　　　　　　　　宋岩等:天然气成因类型及其鉴别25

解作用而形成的天然气。目前, 我国发现的裂解气主要是油型裂解气, 在广泛分布的高演化的古生界海相地层中分布。例如四川盆地川东石炭系诸气田和塔里木盆地和田河气田的天然气是我国典型的油型裂解气。我国煤成裂解气发现相对较少, 研究表明, 克拉2气田天然气具有煤成裂解气的特征。1. 1. 2根据母质类型的天然气成因类型划分

将天然气的原始母质划分为腐泥型或偏腐泥型和腐殖型或偏腐殖型, 相应地把天然气按其母质类型划分成两大类型, 即:腐泥型气又称油型气, 腐殖型气又称煤成气。

由于腐泥型和腐殖型母质生成的生物气特征相似, 难以区别, 故天然气成因类型鉴别中所讲的油型气和煤成气分别指由腐泥型和腐殖型母质在成熟—过成熟演化阶段所形成的油型热解气、油型裂解气和煤成热解气、煤成裂解气。腐泥型或偏腐泥型有机质属生油母质, 即以生油为主、生气为辅, 因此油型气主要是原油伴生气, 纯的大中型油型气藏主要由裂解作用形成; 腐殖型或偏腐殖型属生气母质, 即以生气为主、生油为辅, 在有机质的整个演化过程均以生气为主, 因此, 煤成气在天然气资源中占主导地位, 我国目前已探明的天然气资源中煤成气约占70%。1. 2无机成因气

无机成因气系指非生物成因天然气。近20余年

25]

来, 我国许多学者较深入地研究了无机成因气[19-, 并将无机成因气列为天然气重要的成因类型之一。无机成因气多与宇宙或地球深部地幔、岩浆活动有关, 它们沿深大断裂上升至沉积圈中。无机成因气的主要成分有CO 2、甲烷和稀有气体。由于甲烷具有高氧逸度的不稳定性, 故沉积层中无机成因甲烷发现较少, 无机成因气以CO 2为主。

无机CO 2主要有两种成因类型:一是岩石化学成因, 即碳酸盐岩在高温作用下发生变质而形成CO 2; 二是幔源成因, 即伴随着地下岩浆活动释放出的CO 2气体。目前已发现的无机成因CO 2主要有以下几种赋存形式:CO 2气藏; 与有机成因烃类气藏伴生; 以气苗形式

30]与温泉或冷泉伴生[26-; 存在于岩石包裹体中。无机

[18]

1. 3混合成因气

混合成因气系指由两种或两种以上成因类型的天然气混合而成的气体。常见的混合气主要有3类:①同一烃源岩不同演化阶段生成的天然气的混合。有机质演化和天然气的聚集成藏都是连续的过程, 天然气的聚集往往是有机质在较长演化时期生成的天然气的积累, 因此, 这种同一烃源岩不同演化阶段生成天然气的混合气普遍存在。②不同烃源岩生成天然气的混合。在同一地区或盆地往往发育有多套气源岩, 它们处在不同的生气阶段, 所生成的天然气沿相同的运移方向聚集在同一圈闭之中形成混合气。由于中国含油气盆地具有多烃源岩发育的特点, 不同烃源岩生成的混合天然气也是常见的天然气类型。③有机气和无机气的混合。在含油气盆地内, 当深大断裂发育、岩浆活动频繁, 易形成幔源-岩浆成因的无机气与有机成因气的混合气; 在碳酸盐岩发育的含油气盆地, 在高温作用下, 易形成岩石化学成因的无机气与有机成因气的混合气。

[31, 32]

2不同成因天然气的鉴别

中国天然气工作者经过多年的地球化学研究和实践, 逐步总结出一套较完整的各类不同成因天然气的鉴别标志, 成为我国天然气地质理论的重要组成部分(见表1) 。其中, 常用的指标有烷烃气碳同位素、天然气组分、CO 2碳同位素、稀有气体同位素及轻烃组成等。

2. 1无机成因气的鉴别

2. 1. 1无机烷烃气的鉴别

碳同位素组成是判别无机烷烃气的有效指标, 主要表现在两个方面:①无机成因烷烃气具有负碳同位

131313

素系列, 即δC 1>δC 2>δC 3, 而有机成因烷烃气具

13131313有正碳同位素系列, 即δC 1

[15]

无机成因气碳同位素较有机成因气重得多, 由表2可见, 世界上发现的无机成因甲烷气的碳同位素值一般

[15]13

大于30‰, 也有学者提出将δC 1值大于20‰作为

无机成因的标志[33]。

2. 1. 2无机CO 2气的鉴别

CO 2气是无机成因气的主要组成, 其成因判别指标主要有CO 2含量和碳同位素组成。国内许多学者对不

同成因的CO 2碳同位素(δC CO 2) 分布进行了研究[24]。13综合各学者的观点, 无机成因CO 2的δC CO 2值大于

成因CO 2气藏主要分布在我国东部地区, 如松辽盆地万金塔气藏、黄骅坳陷翟庄子气藏、济阳坳陷平方王气

藏、苏北盆地黄桥气藏、三水盆地水深9井气藏等, CO 2含量均达95%～99%。这些地区的共同特点是构造活动频繁, 岩浆和断裂活动发育, 均有碳酸盐岩分布, 因此除幔源-岩浆成因的天然气外, 还有部分碳酸盐岩在

2-8‰,主要为-8‰～3‰,无机成因CO 2又可分为碳酸盐岩变质成因和幔源-岩浆成因, 前者碳同位素组成2、宋岩

石油勘探与开发中国国家天然气科技攻关20年学术研讨会论文专辑　　　　　　Vo l. 32　No. 4　

60%均为无机成因; 无机成因CO 2的δC CO 2较有机成1313因CO 2的δC CO 2重, 无机成因CO 2的δC CO 2值大于

等根据我国不同成因的212个气样及澳大利亚、泰国、

新西兰、菲律宾、加拿大、前苏联100多个样品的CO 2组分和碳同位素组成数据资料, 编制了有机和无机二氧化碳鉴别图版[24], 得出的结论是:CO 2含量大于

-8‰,有机成因CO 2的δC CO 2值小于-10‰,而-8‰～-10‰为有机和无机CO 2的δC CO 2值重叠域。

有机成因气

无机成因气一般>-30‰

表1　天然气成因类型鉴别表

项　　目

δC 113C δ213C δ3

油型气煤成气

1313

-30‰>δC 1>-55‰-10‰>δC 1>-43‰

13C >-43‰-10‰>δ1

13C =δ15. 80lg R o -42. 211

>-25. 1‰>-23. 2‰

13C >δ13C >13C δδ123

13C =14. 13lg R -34. 39δ1o

碳同位素系列

同

位素

13C -δ1R o 关系

13C δCO 213C δ1—4连线13C 与气同源凝析油δ13C 凝析油的饱和烃和芳烃δ

13C 与气同源原油δ13C 源岩沥青“A ”对应组分δ

13C

较轻

轻(一般

饱和烃δC

芳烃δC -35‰轻(-26‰>δ)

>-8‰

较重

重(一般>-28‰)

饱和烃δC >-29. 5‰

芳烃δC >-27. 5‰

13C >-30‰重(-23‰>δ)

较轻

多数

较重>700ng /m3

>180, 绝大部分>400

痕量C 2, 绝大多数无C 3、C 4

无无

气

组分

CO 2汞蒸汽C 1/(C 2+C 3) C 2—C 4甲基环己烷指数C 6、C 7支链烷烃含量

甲苯/苯

大部分

一般C 2>0. 5%,大多数有C 3、C 417%一般

富含链烷烃, 贫环烷烃和芳烃, 一般芳烃

富nC 7和五环烃

>50%±2%1约475μg /L约536μg /L

贫链烷烃, 富环烷烃和芳烃, 一般芳烃>10%

贫nC 7, 富六环烷

轻烃

苯甲苯

凝析油C 4—C 7烃族组成C 7的五环烷、六环烷及nC 7族组成

无无

表2　世界上一些无机成因甲烷碳同位素组成

地点

中国云南省腾冲县硫磺塘澡塘河

中国四川省甘孜县拖坝热气泉

加拿大安大略省萨德伯里V3640A 等5个气样俄罗斯希比尼地块岩浆岩俄罗斯勘察加热水天然气

美国加利福尼亚州索尔顿湖区深部高温井美国黄石公园

东太平洋中脊热液喷出口新西兰提科特雷地区新西兰布罗兰兹地热区

δC 1(‰,PDB ) -29. 3～-19. 90-26. 6～-23. 84-28. 4～-25. 00

-3. 2-32. 6～-21. 40

-26

-28. 4～-10. 40-17. 6～-15. 00-29. 5～-27. 30-26. 9～-25. 60

氦为主, R /Ra 值小于1以壳源氦为主。研究者常常根据共生气体同源性的特点, 依据天然气中氦同位素具幔源或壳源的特征来判断与其伴生的天然气中其他组分的成因。

2. 2各类有机成因气的鉴别2. 2. 1生物气的鉴别

甲烷碳同位素组成和甲烷/重烃气相对含量是国内外学者普遍采用的鉴别生物气的主要地球化学指标。甲烷是生物气的主体组分, 含量一般大于95%,无或仅有微量乙烷和丙烷, 故生物气属干气。生物气的甲烷碳同位素在各种成因天然气中最轻, 多数学者按13δC 1值小于-55‰划分生物气[11, 36, 37]。2. 2. 2煤成气与油型气的鉴别2. 2. 2. 1甲烷碳同位素

烷烃气碳同位素是判别各类成因天然气最有效和最常用的指标。烷烃气碳同位素受控于天然气的母质类型和成熟度。就母质类型而言, 煤成气碳同位素较2. 1. 3稀有气体成因鉴别

随着无机成因气研究的深入, 氦同位素的研究和

[34, 35]

应用进展较大。天然气中氦主要有两种成因, 一是由放射性元素衰变而成, 称之为壳源氦, 壳源氦的34-8

H e /H e 值较低, 为10; 二是幔源-岩浆成因, 称之为

幔源氦, 幔源氦的He /He 值较高, 为10-5。通常用样品氦同位素(R ) 与空气氦同位素(R a ) 比值(R /Ra ) 来表, R a

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增加碳同位素变重。

根据我国天然气藏实际资料, 煤成气的δC 1分布范围为-52‰～-24‰,主要分布区间为-38‰～

-32‰;油型气的δC 1分布范围为-58‰～-30‰,主要分布范围为-40‰～-35‰。

研究表明, 不论是煤成气还是油型气, 其甲烷碳同位素都与相应烃源岩的演化程度有较好的对应关系, 相同热演化程度的煤成气碳同位素高于油型气。因

此, 许多学者建立了煤成气和油型气的δC 1-R o 关系。

13根据天然气碳同位素在煤成气和油型气δC 1-R o 两条

国前陆盆地天然气成因类型, 认为煤成气δC 2值大于

-26‰、油型气δC 2值小于-29‰,-29‰～-26‰

13是煤成气和油型气叠加或混合气的δC 2分布区间[39]。

2. 2. 2. 3天然气组分

腐泥型和腐殖型有机质形成的生物气和裂解气均为干气, 油型热解气比煤成热解气重烃含量高, 但二者没有明显的界限。

天然气中汞的含量与成气母质有明显的相关性, 一般来说, 煤成气中的汞含量明显高于油型气, 但同一类型的天然气在不同盆地中汞含量变化范围较大。四川盆地煤成气汞含量为0. 25～125μg /m3, 油型气汞含量为0. 04～4. 0μg /m; 东濮凹陷煤成气汞含量为1. 44～140μg /m3, 油型气汞含量为0. 13～1. 10μg /m3; 准噶尔盆地煤成气汞含量为4. 51～9. 84μg /m3, 油型气汞含量为0. 76～1. 84μg /m3[40]。戴金星在煤成气和油型气综合鉴别指标中提出, 煤成气汞含量大于700ng /m, 油型气汞含量小于600ng /m。2. 2. 2. 4轻烃

较有效并经常应用的轻烃鉴别指标主要有C 7轻烃系列和苯含量。C 7轻烃系列化合物包括正庚烷、甲基环己烷和各种结构的二甲基环戊烷, 其中, 甲基环己烷主要来自高等植物的木质素、纤维素等, 其大量存在是煤成气轻烃的特点, 一般煤成气甲基环己烷大于50%±2%, 油型气甲基环己烷小于50%±2%[15]。

曲线上对应的R o 值与实际烃源岩成熟度的符合程度, 来判断是煤成气还是油型气。戴金星建立的煤成气和

油型气δC 1-R o 关系如图1所示[15], 对应的关系式是:

煤成气:δC 1≈14. 12lg R o -34. 3913油型气:δC 1≈15. 80lg R o -42.

图1　我国煤成气和油型气δC 1-R o 关系图

煤成气中的苯和甲苯含量高于油型气。煤成气的

苯和甲苯浓度一般约为475μg /L和536μg /L, 而油型气约为148μg /L和113μg /L。

也有学者利用石蜡指数和烷芳指数来判断煤成气和油型气, 煤成气的石蜡指数和烷芳指数均高于油型气。但由于石蜡指数和烷芳指数随演化程度增高而逐渐增大, 故不同成熟度的煤成气和油型气的石蜡指数和烷芳指数的值易于重叠。

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[37, 41]

　　沈平等

[38]

基于“六五”和“七五”的研究, 得到的我

国煤成气和油型气δC 1-R o 回归关系式为:

煤成气:δC 1=40. 49lg R o -34. 013油型气:δC 1=21. 72lg R o -43. 31

2. 2. 2. 2重烃气碳同位素

甲烷碳同位素易受成熟度影响, 高成熟的油型裂解气与煤成热解气甲烷碳同位素往往重叠在同一区域内。重烃气的碳同位素具有较强的母质类型继承性, 能更有效地区别两类不同母质形成的天然气。“七五”期间, 戴金星综合国内外1515个天然气碳同位素数据编制了δC 1-δC 2-δC 3关系图版, 煤成气δC 2值大于

1313

-25. 1‰、δC 3值大于-23. 2‰,油型气δC 2值小于

-28. 8‰、δC 3值小于-25. 5‰

13[15]

; 张士亚通过对我

国腐泥型和腐殖型天然气碳同位素值的统计, 把二者

13[7]

的分界标志定为δC 2值为-29‰; 刚文哲等通过煤、泥岩、油页岩、生物灰岩和泥灰岩的热模拟实验[39], 得C 13

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收稿日期:2005-05-15

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(编辑　王华　绘图　李秀贤)

Origin and identification of natural gases

SONG Yan

1, 2

, XU Yong -chang (1. Research Institute of

Petroleum Ex ploration &Development , PetroChina , Beijing

100083, China ; 2. Y angtze University , Hubei 434023, China ; 3. Lanzhou Institute of G eology , C AS , G ansu 730000, China ) Abstract :In the pa st 20y ears , many researchers wer e engag ed in tackling the key problems about natural ga ses , and bro ug ht about the theo ry and methods o n origins and identificatio n marks o f na tur al g ases.

T he natural gases include o rg anic g ases ,

ino rg anic ga ses and hybrid gases according to their origins. G ases of org anic o rig in can be subdiv ided into bioge nic , bio genic -thermal cataly zed , py rog enic , and cracked g ase s , and can also be subdivided into coal de rived g ases and petro life rous ga ses accor ding to the types o f parent ma te rial. Coal deriv ed ga ses include co al de rived py ro genic gases and coa l derived cracked g ase s , which play a dominant r ole in natural ga s reso urces. P etro lifer ous ga ses mainly refe r to the associated g as of c rude oil , including petro life rous py rog enic g ases and petro liferous cracked gases. Inor ganic g ases give priority to CO 2, including petro chemist ry ga ses and mantle derived g ase s. Hybrid ga ses a re the mixture o f g ases fr om tw o or mo re o rigins :mix ture of ga ses g ener ated during diffe rent the rmal evolution stag es fro m the same source ro ck ; mix ture of g ases ge ner ated fro m different source r ocks ; and mix ture of inorg anic gas and o rg anic g as. T he identification marks in co mmon use fo r genetic types o f natural g ase s mainly refer to the compo sition of natural g as , carbon iso topic composition of alkane and CO 2, and pa rameters of lig ht hydro carbon. T he ca rbo n isoto pic co mpo sitio ns ar e the most efficient to ol and widely applied in gas ty ping.

Key words :natural ga s ; genetic type ; identification ; carbon iso topic composition

石　油　勘　探　与　开　发

2005年8月　　　　　　　　PET RO L EUM EX PL O RA T ION A N D DEV ELO PM EN T 　　　　　　　V ol. 32　N o. 4　

文章编号:1000-0747(2005) 04-0024-06

天然气成因类型及其鉴别

宋岩1, 2, 徐永昌3

(1. 中国石油勘探开发研究院; 2. 长江大学; 3. 中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心)

基金项目:国家天然气科技攻关项目(75-54-01-05, 85-102)

摘要:中国经过20年天然气科技攻关, 已形成天然气成因类型及其鉴别标志的理论体系和方法。天然气成因类型可划分

为有机成因气、无机成因气、混合成因气3大类。有机成因气根据演化程度划分为生物气、生物-热催化过渡带气、热解气

法[1-, 这一理论和方法在中国的天然气勘探中发挥了

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。

1. 1. 1根据热演化程度的天然气成因类型划分

生物-热催化过渡带气:系指在生物气与热解气形成的过渡阶段(R o 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。各类母质均可形成该类气体, 但Ⅱ—Ⅲ型干酪根是该类气体的主要母质。

裂解气:系指在过成熟阶段(R o 值大于2. 0%), 残重要的指导作用。

1成因类型划分

在国外学者有机成因气(又分为生物气、热解气、

13]

气的重要成因类型之一[10-, 同时发现由于我国气源

[16-17]

。

1. 1有机成因气

有机成因气系指由沉积岩中的集中或分散有机质

　2005年8月　　　　　　　　　　　　　　　宋岩等:天然气成因类型及其鉴别25

无机成因气系指非生物成因天然气。近20余年

25]

30]与温泉或冷泉伴生[26-; 存在于岩石包裹体中。无机

[18]

1. 3混合成因气

[31, 32]

2不同成因天然气的鉴别

2. 1无机成因气的鉴别

2. 1. 1无机烷烃气的鉴别

碳同位素组成是判别无机烷烃气的有效指标, 主要表现在两个方面:①无机成因烷烃气具有负碳同位

131313

素系列, 即δC 1>δC 2>δC 3, 而有机成因烷烃气具

13131313有正碳同位素系列, 即δC 1

[15]

无机成因气碳同位素较有机成因气重得多, 由表2可见, 世界上发现的无机成因甲烷气的碳同位素值一般

[15]13

大于30‰, 也有学者提出将δC 1值大于20‰作为

无机成因的标志[33]。

2. 1. 2无机CO 2气的鉴别

CO 2气是无机成因气的主要组成, 其成因判别指标主要有CO 2含量和碳同位素组成。国内许多学者对不

同成因的CO 2碳同位素(δC CO 2) 分布进行了研究[24]。13综合各学者的观点, 无机成因CO 2的δC CO 2值大于

成因CO 2气藏主要分布在我国东部地区, 如松辽盆地万金塔气藏、黄骅坳陷翟庄子气藏、济阳坳陷平方王气

2-8‰,主要为-8‰～3‰,无机成因CO 2又可分为碳酸盐岩变质成因和幔源-岩浆成因, 前者碳同位素组成2、宋岩

石油勘探与开发中国国家天然气科技攻关20年学术研讨会论文专辑　　　　　　Vo l. 32　No. 4　

60%均为无机成因; 无机成因CO 2的δC CO 2较有机成1313因CO 2的δC CO 2重, 无机成因CO 2的δC CO 2值大于

等根据我国不同成因的212个气样及澳大利亚、泰国、

新西兰、菲律宾、加拿大、前苏联100多个样品的CO 2组分和碳同位素组成数据资料, 编制了有机和无机二氧化碳鉴别图版[24], 得出的结论是:CO 2含量大于

-8‰,有机成因CO 2的δC CO 2值小于-10‰,而-8‰～-10‰为有机和无机CO 2的δC CO 2值重叠域。

有机成因气

无机成因气一般>-30‰

表1　天然气成因类型鉴别表

项　　目

δC 113C δ213C δ3

油型气煤成气

1313

-30‰>δC 1>-55‰-10‰>δC 1>-43‰

13C >-43‰-10‰>δ1

13C =δ15. 80lg R o -42. 211

>-25. 1‰>-23. 2‰

13C >δ13C >13C δδ123

13C =14. 13lg R -34. 39δ1o

碳同位素系列

同

位素

13C -δ1R o 关系

13C δCO 213C δ1—4连线13C 与气同源凝析油δ13C 凝析油的饱和烃和芳烃δ

13C 与气同源原油δ13C 源岩沥青“A ”对应组分δ

13C

较轻

轻(一般

饱和烃δC

芳烃δC -35‰轻(-26‰>δ)

>-8‰

较重

重(一般>-28‰)

饱和烃δC >-29. 5‰

芳烃δC >-27. 5‰

13C >-30‰重(-23‰>δ)

较轻

多数

较重>700ng /m3

>180, 绝大部分>400

痕量C 2, 绝大多数无C 3、C 4

无无

气

组分

CO 2汞蒸汽C 1/(C 2+C 3) C 2—C 4甲基环己烷指数C 6、C 7支链烷烃含量

甲苯/苯

大部分

一般C 2>0. 5%,大多数有C 3、C 417%一般

富含链烷烃, 贫环烷烃和芳烃, 一般芳烃

富nC 7和五环烃

>50%±2%1约475μg /L约536μg /L

贫链烷烃, 富环烷烃和芳烃, 一般芳烃>10%

贫nC 7, 富六环烷

轻烃

苯甲苯

凝析油C 4—C 7烃族组成C 7的五环烷、六环烷及nC 7族组成

无无

表2　世界上一些无机成因甲烷碳同位素组成

地点

中国云南省腾冲县硫磺塘澡塘河

中国四川省甘孜县拖坝热气泉

加拿大安大略省萨德伯里V3640A 等5个气样俄罗斯希比尼地块岩浆岩俄罗斯勘察加热水天然气

美国加利福尼亚州索尔顿湖区深部高温井美国黄石公园

东太平洋中脊热液喷出口新西兰提科特雷地区新西兰布罗兰兹地热区

δC 1(‰,PDB ) -29. 3～-19. 90-26. 6～-23. 84-28. 4～-25. 00

-3. 2-32. 6～-21. 40

-26

-28. 4～-10. 40-17. 6～-15. 00-29. 5～-27. 30-26. 9～-25. 60

2. 2各类有机成因气的鉴别2. 2. 1生物气的鉴别

随着无机成因气研究的深入, 氦同位素的研究和

[34, 35]

应用进展较大。天然气中氦主要有两种成因, 一是由放射性元素衰变而成, 称之为壳源氦, 壳源氦的34-8

H e /H e 值较低, 为10; 二是幔源-岩浆成因, 称之为

幔源氦, 幔源氦的He /He 值较高, 为10-5。通常用样品氦同位素(R ) 与空气氦同位素(R a ) 比值(R /Ra ) 来表, R a

　2005年8月　　　　　　　　　　　　　　　宋岩等:天然气成因类型及其鉴别27

增加碳同位素变重。

根据我国天然气藏实际资料, 煤成气的δC 1分布范围为-52‰～-24‰,主要分布区间为-38‰～

-32‰;油型气的δC 1分布范围为-58‰～-30‰,主要分布范围为-40‰～-35‰。

研究表明, 不论是煤成气还是油型气, 其甲烷碳同位素都与相应烃源岩的演化程度有较好的对应关系, 相同热演化程度的煤成气碳同位素高于油型气。因

此, 许多学者建立了煤成气和油型气的δC 1-R o 关系。

13根据天然气碳同位素在煤成气和油型气δC 1-R o 两条

国前陆盆地天然气成因类型, 认为煤成气δC 2值大于

-26‰、油型气δC 2值小于-29‰,-29‰～-26‰

13是煤成气和油型气叠加或混合气的δC 2分布区间[39]。

2. 2. 2. 3天然气组分

腐泥型和腐殖型有机质形成的生物气和裂解气均为干气, 油型热解气比煤成热解气重烃含量高, 但二者没有明显的界限。

曲线上对应的R o 值与实际烃源岩成熟度的符合程度, 来判断是煤成气还是油型气。戴金星建立的煤成气和

油型气δC 1-R o 关系如图1所示[15], 对应的关系式是:

煤成气:δC 1≈14. 12lg R o -34. 3913油型气:δC 1≈15. 80lg R o -42.

图1　我国煤成气和油型气δC 1-R o 关系图

煤成气中的苯和甲苯含量高于油型气。煤成气的

苯和甲苯浓度一般约为475μg /L和536μg /L, 而油型气约为148μg /L和113μg /L。

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　　沈平等

[38]

基于“六五”和“七五”的研究, 得到的我

国煤成气和油型气δC 1-R o 回归关系式为:

煤成气:δC 1=40. 49lg R o -34. 013油型气:δC 1=21. 72lg R o -43. 31

2. 2. 2. 2重烃气碳同位素

1313

-25. 1‰、δC 3值大于-23. 2‰,油型气δC 2值小于

-28. 8‰、δC 3值小于-25. 5‰

13[15]

; 张士亚通过对我

国腐泥型和腐殖型天然气碳同位素值的统计, 把二者

13[7]

的分界标志定为δC 2值为-29‰; 刚文哲等通过煤、泥岩、油页岩、生物灰岩和泥灰岩的热模拟实验[39], 得C 13

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(编辑　王华　绘图　李秀贤)

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SONG Yan

1, 2

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Petroleum Ex ploration &Development , PetroChina , Beijing

T he natural gases include o rg anic g ases ,

Key words :natural ga s ; genetic type ; identification ; carbon iso topic composition

天然气成因类型及其鉴别_宋岩

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