天然气地质学.ppt

天然气地质学,中国天然气地质学,参考书,1．包茨主编天然气地质学科学出版社19882．戴金星等主编中国天然气地质学石油工业出版社19923．冯福闿等主编中国天然气地质地质出版社19954．关德师等主编中国非常规油气地质石油工业出版社19955．赵庆波等主编煤层气地质与勘探技术石油工业出版社1999,绪论,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。研究中国特殊地质条件下天然气及天然气藏形成过程与分布规律－中国天然气地质学。天然气的定义自然界中天然形成的气体称之为天然气。广义的是包括一切天然形成的气体气圈、水圈、岩石圈、地幔、地核C1-4、CO2、N2、H2S、Hg、H2、O2、CO、CO2稀有气体。狭义的一般指烃类气体为主，少数以CO2、N2及个别的以H2S为主，水圈、岩圈、地幔、地核。,一、中国天然气勘探开发与利用历程,1.辉煌的古代与迟滞的近代（1949）2.中国天然气工业的新生和发展（19491978）3.中国天然气工业的飞跃与成就（1979）,二、中国天然气地质学的形成和产生,（一）、天然气工业发展到一定阶段的产物（二）、天然气出现新的成因理论煤成气（煤型气、腐植气）理论,三、天然气工业发展前景,1.地质基础我国具一定规模沉积盆地，有373个（包括19个海盆地）总面积670104km2最大的塔里木，65104km2，＞10104km210个。2.资源潜力1998年探明储量为2.4万亿m3为常规天然气，非常规的水溶气甲烷水合物尚待进一步研究。3.发展前景1）随勘探开发程度和科学技术的提高，探明储量还在增长；2）非常规天然气在我国尤指煤层气，具有极丰富的发展前景3）据发达国家研究机构研究水溶气、水合物其热值可以超过全球的煤、油和气的热值若干倍。,第一章天然气特征及成因,第一节天然气成因类型和各类天然气的分布特征一、天然气的起源（一）天然气的无机起源1）上地幔高温生气2）蛇纹石化生气；3）基性岩性冷却生气,（二）天然气有机起源,天然气的有机起源早已为国内外石油地质界所公认。无论海相或陆相沉积盆地中，原始有机质多呈分散状或部分呈集中状泥炭、煤伴随其它矿物质沉积．在较浅埋藏条件下生成生物气．或随着埋藏深度逐渐增加，地温不断升高，在还原环境或强还原环境下，有机质逐步向石油和天然气转化，经历四个道渡阶段1.生物化学生气阶段2.热崔化生油气阶段3.凝析气阶段4.裂解气阶段,,,（三）天然气的混合起源,大气层、同岩两源、异岩两源,二、天然气的成因类型划分,一分类原则天然气分类应具有科学性与实用件科学性指分类方案要能全而反映天然气的成因特征，有助于研究天然气藏的形成条件和分布规律，符合天然气地质学的基本原理，并能促进其深入发展；实用性指在现代科学技术条件下类型易于鉴别、术语通用．能与实际地质条件紧密结合、便于指导气藏勘探与开发。总之，天然气分类方案要在生产及科学研究中容易被推广应用。,二成因分类方案,有机成因天然气类型,1有机质母质类型与有机成因气分类1腐泥型天然气简称腐泥气或油型气，由I、Ⅱ1，型干酪根降解而成2腐植型天然气简称腐植气或煤成气、由Ⅱ2、Ⅲ型干酪根降解而成2有机质热成熟度与有机成因气分类1生物气R0≤5％,CH4＞97％,重烃气含量＜1％一2％,常小于0，5％,为典型干气,δ13C1＜-55％2热解气油型热解气、煤型热解气,Ro＝05％一2．0％,重烃气含量高、一般超过5％,最高达40％一50％,油型热解气和煤型热解气存着一定差别。3裂解气指在过成熟阶段Ro，2％已生成的液态烃和残余干酪根以及部分重烃汽经高温裂解作用形成的天然气。分为腐泥型裂解气或油型裂解气与腐殖型裂解气或煤型裂解气。,三、天然气的时空分布,（一）预测资源及分布目前我国天然气气资源量（1998），是38.041012m3，其中10个重点含气盆地为34.11012m3，从层位上看，C－P居首位占28.82，其次R占27.25％，∈－O占17.81。（二）探明储量及分布1.东部含气区以油田伴生气为主，占17％。2.中部含气区是目前我国最大的含气区域，占61.6。3.西部含气区为油气的重要勘探领域，占21.3。4.海域含气区以产天然气为主，1997年底探明储量为24916.6108m3。,我国各类天然气资源分布的预测,第二节天然气的组分特征,一、烃类气体各组分的分布特点1.以甲烷为主2.重烃气（C2－4）含量较CH4低得多。多为02。二、影响烃类气体组分的因素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；腐泥型腐植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植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5．水洗作用；甲烷在水中的溶解度远高于重烃。6．混合作用我国气藏中天然气绝大部分是多源成因的．这是出于在同一地区，往往有多种天然气来源，形成多源气藏，致使气藏中天然气的组成变得更为复杂。,第三节烷烃类气体碳同位素特征,,,一、有机成因烷烃类气体碳同位素特征甲烷是有机成因天然气最常见往往含量最多的组分，因可见率极高，故有利并便于研究与应用；甲烷比烷烃气中任一其它气体的δ13C值变化数域大。最轻者为105‰，最重3.2‰,,,1、有机成因烷烃气的碳同位素值随成熟度Ro增大而增加,,2．有机成因同源同期甲烷及其同系物的碳同位素值随烷烃气分子中碳数增加而增大3．相同或相近成熟度源岩形成的煤成气甲烷及其同系物的碳同位素值比油型气对应组分的碳同位素值重。4．甲烷及其同系物中某一或某些组分被细菌氧化致使该剩余组分的碳同位素变重,,二、无机烷烃类气体碳同位素特征1、无机成因甲烷碳同位素组成大多比有机成因甲烷的重2．无机成因甲烷及其同系物的碳同位素值随烷烃气分子中碳数增加而减少,第四节各类天然气的鉴别,一、有机成因和无机成因组分的鉴别1．δ13C1﹥一10‰均是无机成因的甲炕2．除高成熟和过成熟的煤成气外，δ13C1﹥一30‰的都是无机成因甲烷。3.δ13C130‰-10‰的鉴别方法（1）地质综合分析法煤成气与煤系地层关系密切，而无机气产区无煤系地层，往往为地热区。（2）图解法4．利用δ13C1C1／C23图版鉴别5．有机成因烷烃气为正碳同位素序列，无机成因烷烃气为负碳同位素序列,,,,,,二、有机成因气类型鉴别1．生物气甲烷和伴生气甲烷的鉴别利用δ13C1C1／C23图版鉴别2．油型甲院和煤型甲烷的鉴别（1）解方程法（2）图版法,,,,三、综合鉴别,,,第二章天然气的气源岩第一节、概述烃源岩是能生成并为成藏提供烃类（天然气，石油）来源的岩系。生气（高等陆源有机质）为主的称气源岩，生油（低等水生生物藻类）为主的称油源岩。影响生气条件的因素有机质丰度，有机质类型，热演化程度。气源岩类型煤系气源岩；碳酸盐岩气源岩；湖相气源岩；未熟气源岩,一，煤系气源岩煤系一般指含有煤层，并具有层因联系的沉积岩系，岩性以砂泥质岩为主，富含有机质。煤系有机质为腐植质，为煤型气的气源岩。中国煤系多，分布广，具有良好的气源岩条件。华北地台区cp,四川盆地T3,西北诸盆J2-3,松辽盆地K1,琼东南盆地和东海盆地E2。从中生代至新生代我国先后有8个成谋期．以石炭-二叠纪和侏罗纪最强，其次为第三纪。主要含煤盆地（群）40余个，总面积约300 x10km2,探明总储量8700 x108t，资源总61000 x108t。目前我国大中型气田60为煤成气。,二、碳酸岩系气源岩碳酸岩系气源岩是指以海相碳酸盐岩为主的层系，还包括少量的碎屑岩。碳酸盐岩在中国分布广泛．其面积达300X104km2以上，累积地层厚度逾万米。碳酸盐岩分布层位主要从中一上元古界至三叠系，第三系在江汉盆地和渤海湾盆地有小范围湖相碳酸盐岩介壳灰岩、鲕状灰岩和泥灰岩发育。中一上元古界至三叠系的海相碳酸盐岩已处于过熟小部分为高熟阶段，以产气为主，属腐泥型有机质，故是中国主要的气源岩之一。分布于三个区1以四川盆地为代表的扬子地台区，时代Z、€、O、P、T122以鄂尔多斯为代表的华北地台区，时代€、O3塔里木地台区，时代€、O、CP,三、湖相气源岩湖相气源岩是受湖盆控制而沉积的细碎屑物质，是以腐泥型有机质为主的烃源岩。分布广，多数处于以生油为主的成熟阶段，所以以油源岩为主。含气性较好的三个盆地为1）准噶尔盆地，时代P2）松辽盆地，时代K3）渤海湾，渐新统沙河街组。,四、未成熟气源岩未成熟气源岩是在一些强烈沉降区的巨厚的沉积物，处于生物化学作用阶段，形成生物气为主，至1994年中国共发现生物气藏田28个。除柴达木盆地中南部外，其余气藏规模小，勘探程度低。中国生物气源岩均为泥岩粘土，最新的是浙江及东南沿海的第四系全新统；最老的是下白垩统，松辽盆地和二连盆地。源岩厚为51634m，达到中型气藏的源岩厚度要求在700m以上。分布较大的有柴达木盆地中南部、松辽盆地、二连盆地、渤海湾盆地、江汉盆地、苏北盆地、准噶尔盆地、南襄盆地、周口坳陷、银川地堑、河套地堑、莺琼盆地和东海盆地，在长江口和东南沿海分布大片很薄的全新统生物气源岩粘上,第二节、煤系气源岩煤系气源岩中，煤层和暗色泥岩是煤成气的两种主要气源岩，是大、中型气田形成的重要源岩。一、有机质丰度煤层（煤线）有机弹含量62--70暗色泥岩有机碳含量23二、有机质类型煤的种类多为腐植煤，以Ⅲ、Ⅱ2型干酪根为主三、煤系中两种气源岩的生气能力热模拟实验证实，煤、暗色泥岩都具有大量生气能力，煤系是主要气源岩，虽有机质类型差，但其丰度值却远高于其他类型的气源岩，仍然是较好的气源岩。,,,,,第三节、碳酸盐岩气源岩碳酸盐岩气源岩是我国大、中型气田的重要气源岩类型，分布面积广，热演化程度高，有机质类型好，Ⅰ、Ⅱ1型干酪根，具良好的生烃能力。一、有机质丰度碳酸盐岩的有机质丰度一般较低，根据大量样品统计分析，在我国以有机碳含量0.1以下作为非烃源岩的划分范畴。碳酸盐岩有机质丰度主要受沉积环境因素的影响，盆地、广海陆棚、台盆、泻湖等环境有机质保存较好。快速沉积，如风暴岩有机质丰度较高。,二、碳酸盐岩的有机质主要来自低等生物晚古生代以前只有水生低等动植物，以腐泥组为主，晚古生代以后，腐植组为次要成分，个别情况下为主要主分。三、碳酸盐岩的沉积环境控制了有机质性质晚古生代以前不明显，均为腐泥型。晚古生代以后，还原条件下，以腐泥型为主，氧化条件下，以腐植型为主。四、关于碳酸盐岩的生烃潜力有机质类型影响源岩的生烃潜力。,第四节、湖相气源岩相带空制烃源岩的展布，优质源岩发育于湖盆鼎盛期，水体较深阶段，一般为暗色泥岩，近物源相带中陆源有机质丰富，也可形成气源岩。,一、机质丰度湖相气源岩居中等有机质含量。0.515，一般在1.11.7有机质丰度受沉积环境影响，平面上呈环带。随深度加大，丰度值增高。二、有机质以混合型为主有机质来源以水生藻类为主，其次为陆源高等植物。远源，深静水，腐泥组为主。近源，湖滨沼泽，以腐植型为主。三、湖相烃源岩生气性我国湖相烃源岩以产油为主，也产一定量的气，各盆地、各坳陷含气性不一致，差异大。大型稳定的湖盆沉积以生油为主，小型断陷湖盆沉积，以富气为特征。,第五节、未成熟气源岩由生物降解作用产生生物气，上述三种源岩在未成熟阶段均可为未成熟气源岩。未成熟气源岩的生气量与生物降解程度和持续时间长短有密切关系。埋藏深度浅，易于勘探和开发、经济效益高。在低温和中温盆地，门限深度大，如源岩厚度大，就具有生物气的条件，如柴达木盆地，第四系厚达3100米，地温故而知新50摄氏度，岩性为泥岩，生物气资源量1873亿立方米。西伯利亚有世界最大的生物气田。,,,第六节、各类气源岩成烃模式,,一腐泥型Ⅰ干酪根的成烃模式液态烃成烃高峰Ro1,烃转化率37，液态烃29，Ro1.7，气态烃超过液态烃，Ⅰ型干酪根坠高转化率达77。二腐殖腐泥型Ⅱ1干酪根成烃模式与Ⅰ型干酪根相比，累计转化率略低，52.3，液态烃持续时间长，Ro2.5才结束。Ro1.8，气态烃超过液态烃。三腐泥腐殖型Ⅱ2干酪根成烃模式产气态烃为主，Ro0.66气态烃就超过液态烃，Ro2液态烃结束，气态烃最高转化率可达35.17，液态烃仅6.47。四腐殖型母质Ⅲ型成烃模式液态烃高峰Ro1.1，此后气态烃超过液态烃。Ro3.5其苔烃转化率可达。五腐殖褐煤成烃模式野台烃转化率5，Ro1.1气态烃超过液态烃，Ro2.8液态烃结束，总转化率仅为16。,第三章天然气成藏机理第一节天然气的运移和聚集一、溶解气相运移一、水溶气相运移天然气比油易溶于水。它在水中的溶解相当高，在同一温度下，天然气的水溶解系数随压力的增大而增大，80C0和100bar是天然气的水溶解度随温度变化的转折点。温度低于此点时，溶解度随温度的升高而降低；而高于此点时，则随温度的升高而增大,,气的水溶解度不仅与温度、压力有关，而且还与天然气的组分有关。同一温度下同一组分的水溶解度随压力增大而增大，不同组分天然气的水溶解度随其碳数的增大而减小。水的矿化度对天然气的溶解度有明显的影响。当温度、压力、气体组分及地层水水型相同时，天然气的水溶解度随着水的矿化度升高而降低。气源岩分布的温度、压力条件各处不时，天然气呈水溶相排运的量也不同；水溶气在向上运移的过程中，因压力．温度的降低天然气逐渐从水中析出呈游离相运移。水溶气相运移对浅层生物气的排运、聚集具有重要意义。,（二）、油溶气相运移天然气易溶于石油，它在石油中的溶解度比水中的溶解度大得多。热降解阶段是气油同生阶段，从此阶段开始产生的气体首先溶于油，呈油溶相运移，其次溶于水，呈水容相运移。初次运移这两项及源岩吸附过饱和时才有游离相产生。,二、游离气相运移气泡相运移指气体呈单个气泡在岩层孔隙或裂隙空间中运移，这种过程发生在油水达到饱和的条件下，气源缓慢地连续地供气或压力下降，当气泡聚集成片运移时，称为连续气相运移。,三、分子扩散相运移扩散作用通常是指共物质在浓度差的作用下自高浓度区向低浓度区转移以达到浓度平衡的一种过程。有压力扩散和热扩散。影响扩散的因素有扩散物质的性质、扩散介质和特征、扩散系统所处的温度、分子扩散的孔隙空间形态等。,,,四、不同成因天然气运移特征1．石油和天然气运移的不同特点是石油运移的相态比较单一，主要是油相。天然气活跃，油相、水相、气相和扩散相。因而天然气比石油分布的时空更广泛。2．运移相态在有机质不同演化阶段是不相同的，油型气随着有机质演化的历程的变化，运移相态的演变是油相、气油相、最后达到过成熟阶段则以扩散相和气相运移。煤成气运移相态的演变是水溶相、气-水两相，扩散相和气相运移3．在与油型气有关的气藏中，油气之间有共生、共运、共聚的特点，在某些盆地天然气藏与油藏关系密切。而煤成气和生物气，所形成的天然气富集区带与油藏的形成没有直接的联系。表明气源类型的不同，天然气运移、聚集成藏的方式差别很大。,五、天然气聚集的基本原理天然气（油）在地层中从高气（油）势区相地气（油）势区运移，但运移到气（油）势相对周围来说为最小的空间时，进入到自身势能相对最小的区域，就不可能继续运移，于是达到平衡状态并在那里聚集，这就是天然气（油）聚集的基本原理,（一）静水条件下背斜圈闭中天然气的集二动水条件下背斜圈闭中天然气的聚集（三）地层圈闭中天然气的聚集（四）岩性圈闭中天然气的聚集五水动力圈闭中天然气的聚麓六系列田闭中天然气聚集,第二节天然气成藏机理天然气聚集与散失的动态历程一基本原理根据天然气在地壳中具高扩散系数和渗流速度大的特点，结合天然气生成环境和成气门限的门限深度广泛性的特点，认为天然气在地壳中运移和聚集过程中具有一种动平衡的特征。天然气从生成到成为工业气藏并被保存是各种地质要素的综合体现。由于天然气易于运移和扩散，它可以在石油不能存在的空间富集成藏，也可以在石油不会被迫坏的地质场所散失殆尽。因此，天然气成藏的整个过程是一个动态的过程，在这一过程中，生成、聚集与散失、破坏，往往是同时进行的，只是在成藏的不同阶段，主导作用不同。,为了具体阐明这一动态过程，将气藏的形成过程划分为早期、中期、晚期。相应时期形成的气藏分别称为青年气藏、中年气藏和老年气藏。在气藏形成的早期阶段，以天然气的大量生成、排烃、运移、聚集为主，散失、破坏的、影响较小，此时天然气的聚集量大大地大于散失量，天然气的富集程度不断增加，气藏逐渐形成，为青年气藏。中期阶段，气源岩有机质生气高峰已过，已进入深成热解阶段的中后期，生气速率开始减小，经过构造变动促进了天然气散失与破坏，散失速率明显增大，此时单位时间内的气源供给量可能与散失量接近，此阶段的气藏为中年气藏。,在晚期阶段，气源岩有机质已进入高演化深变质阶段的晚期，生气速率进一步减小，构造变动的强度加大，加快了天然气的散失与破坏。因此本阶段气源的供给与聚集量明显小于天然气的散失量，随着时间的推移，最终导致天然气藏的破坏与枯竭，这时为老年气藏的特征。从地质演化的观点来看，现今的气藏都经历了复杂的聚集与散失的历程。在天然气成藏过程中。聚集与散失的平衡是短暂的，不平衡是主要的。这种历程中，要是天然气聚集成藏并被保存下来，必须具备下列条件1．适时的供储关系。2．必要的储集场所与保存条件。3．总聚集量大于总散失量，这是最关键的一点。,二、地质意义天然气运聚动平衡原理对天然气勘探和评价有重要的指导意义，在盆地评价时，要研究盆地的历史和现今的状态，除与石油评价类似的原则外，还应强调以下与天然气富集相关的一些因素1．地史过程中天然气生成量与损失量的对应关系2．盖层的质量和厚度3．区域构造稳定性及断裂作用影响程度4．开阔天然气勘探视野,第四章、气藏类型划分及气田形成条件第一节气藏特征及类型划分一、特征一大中型气田的储量占全国天然气总储量的大部分二已探明气田的储量主要分布在下第三系和三叠系三地区上主要分布在川陕地区、琼东南盆地、塔里木盆地和渤海湾盆地四气田埋藏深度上以中浅层居多五天然气藏气源的多样性六天然气藏储层碳酸盐岩和碎屑岩同等重要七在天然气藏圈闭类型中，断层型和地层、岩性圈闭占有相当的比例八复式气藏分布相当普遍,二、类型划分（一）分类原则天然气藏的分类应该遵循两个基本原则分类的科学性气藏类型划分能反映气藏形成的基本条件．能够表征不同类型气藏之间的主要区别和联系。分类的实用性适于我国气藏的具体情况，能很好地指导气藏的勘探和开发工作．并且简便易用。,（二）气藏类型划分根据天然气分类原则和我国已知气藏具体情况．使用圈闭形态及成因、储层特征和气（油）性质进行综合分类。,,