生物气模拟生成实验及地层中生物气生成量之估算

本文分别叙述了以现代植物(干草)、现代淤泥、第四系泥岩与泥炭、前第四纪褐煤为原料,进行微生物厌氧分解产气的设想、方法、装置以及气体的测定和成分分析的结果。指出生物生气是长期持续的不平衡过程。讨论了生气量与有机母质埋藏年代的定量关系,为生物气生气量估计提供依据。根据系列气样中甲烷δ13C迅速变轻的事实,解决了勘探生物气时同位素指标偏轻和地表沼气δ13C偏重的矛盾。      

利用天然气的碳同位素比值建立热成因气模型

利用同位素模型预测甲烷、乙烷和丙烷的δ~(13)C值(干酪根/油生成气态物的程度指标),并用于指示Ⅱ型干酪根的生气特征。通过把气体的多组份动力学模型与同位素模型相结合,可得到气体组份转化率与生成温度之间的相关性。δ~(13)C_1,δ~(13)C_2和δ~(13)C_3之间的关系式利用天然气的热解模型进行限制。通过西得克萨斯Delaware和Val Verde盆地海相腐泥型页岩(Ⅱ型干酪根)生成的气体数据对同位素模型进行验证与校对。这些气体相对不受运移和生物气的混合影响,所以,气体碳同位素比值的变化能初步反映成熟度的演化程度。因此,这些数据对解释气体生成温度和来源于Ⅱ型干酪根的气体δ~(13)C值是有实际价值的。     

利用天然气的碳同位素比值建立热成因气模型

利用同位素模型预测甲烷、乙烷和丙烷的δ~(13)C值(干酪根/油生成气态物的程度指标),并用于指示Ⅱ型干酪根的生气特征。通过把气体的多组份动力学模型与同位素模型相结合,可得到气体组份转化率与生成温度之间的相关性。δ~(13)C_1,δ~(13)C_2和δ~(13)C_3之间的关系式利用天然气的热解模型进行限制。通过西得克萨斯Delaware和Val Verde盆地海相腐泥型页岩(Ⅱ型干酪根)生成的气体数据对同位素模型进行验证与校对。这些气体相对不受运移和生物气的混合影响,所以,气体碳同位素比值的变化能初步反映成熟度的演化程度。因此,这些数据对解释气体生成温度和来源于Ⅱ型干酪根的气体δ~(13)C值是有实际价值的。     

中国天然气水合物气的成因类型

基于中国祁连山冻土带、南海北部珠江口盆地、台西南盆地的陆坡等天然气水合物样品资料,进行了天然气水合物气的成因类型分析。研究结果表明,祁连山木里地区中侏罗统江仓组发现的天然气水合物气主要是油型气,为自生自储型,δ~(13)C_1值为-52.7‰~-35.8‰,δ~(13)C_2值为-42.3‰~-29.4‰;还发现了少量煤成气,气源岩可能主要为中侏罗统木里组含煤地层,δ~(13)C_1值为-35.7‰~-31.3‰,δ~(13)C_2值为-27.5‰~-25.7‰。南海珠江口盆地与台西南盆地天然气水合物气主要是CO_2还原型生物气,δ~(13)C_1值为-74.3‰~-56.7‰,δD1值为-226‰~-180‰;还发现热成因气遗迹,δ~(13)C_1值为-54.1‰~-46.2‰。综合国内外20个地区(盆地)相关天然气水合物气地球化学资料,提出世界天然气水合物热成因气既有油型气也有煤成气,以油型气为主,在中国祁连山和加拿大温哥华岛附近识别出了少量煤成气,煤成气δ~(13)C_1值重即大于等于-45‰,δ~(13)C_2值大于-28‰;油型气δ~(13)C_1值为-53‰~-35‰,δ~(13)C_2值小于-28.5‰。世界天然气水合物气主要是生物成因气,并以CO_2还原型生物气为主,仅在俄罗斯贝加尔湖盆地发现乙酸发酵型生物气。CO_2还原型生物气δD1值重即大于等于-226‰,乙酸发酵型生物气δD1值轻即小于-294‰。世界天然气水合物的生物气δ~(13)C_1值最重的为-56.7‰,最轻的为-95.5‰,其中-75‰~-60‰是高频段。世界天然气水合物气δ~(13)C_1值最重为-31.3‰,最轻的为-95.5‰;δD_1值最重的为-115‰,最轻的为-305‰。     

柴达木盆地三湖地区生物气地球化学特征及重烃组分成因分析

柴达木盆地三湖地区的天然气区是目前我国发现的最大生物气区.系统采集了该区涩北一号气田、涩北二号气田和台南气田不同气层组的35个天然气样和11个地层水样,进行了天然气组分和碳、氢同位素分析,同时对地层水的氢、氧同位素也进行了分析.结果表明:天然气组分以甲烷为主,CH4>99%,C2 <0.15%,干燥系数为0.999;气体同位素组成特征为-68.6‰<δ13C1<-63.9‰,-50.6‰<δ13C2<-40.7‰,-36.2‰<δ13C3<-31.9>‰,-234.7‰<δD1<-214‰;δ13C1与δD1关系图和δDH2o>与δD1关系式都显示出三湖地区生物甲烷形成途径以CO2还原为主.认为三湖地区生物气中重烃与该盆地热成因重烃地球化学特征明显不同,其重烃成因复杂,可能为生物成因和低温热成因共同作用的结果.     

利用天然气的碳同位素比值建立热成因气模型

利用同位素模型预测甲烷、乙烷和丙烷的δ13C值(干酪根/油生成气态物的程度指标),并用于指示I型干酪根的生气特征.通过把气体的多组份动力学模型与同位素模型相结合,可得到气体组份转化率与生成温度之间的相关性.δ13C1,δ13C2和δ13C3之间的关系式利用天然气的热解模型进行限制.通过西得克萨斯Delaware和Val Verde盆地海相腐泥型页岩(I型干酪根)生成的气体数据对同位素模型进行验证与校对.这些气体相对不受运移和生物气的混合影响,所以,气体碳同位素比值的变化能初步反映成熟度的演化程度.因此,这些数据对解释气体生成温度和来源于I型干酪根的气体δ13C值是有实际价值的.     

论生物-热催化过渡带气

系统介绍了生物热催化过渡带气理论的提出、发展及研究现状。在沉积盆地中介于生物化学作用带与热解作用带之间、生物化学作用趋于结束、热解作用还未大规模成烃的特定层段，有机质在各种外生营力作用下形成的以甲烷为主的烃类气体即为生物一热催化过渡带气，其相应深度为1500～2500m乃至3000m，占δ^13C1值为-60‰～-45‰，R0值为0．3％～0．6％。从盆地构造背景、沉积成岩特征及过渡带有机质组成、早期演化、成烃过程、有机质在黏土矿物催化和构造运动引起的力化学作用下经脱基团和缩聚作用等化学反应的方面，综述了过渡带气成烃机制和成烃模式。阐述其地球化学特征，根据占δ^13C1与C1／（C1-C5）的关系，把过渡带气分为4类：①低演化和运移的过渡带气；②典型过渡带气；③残留过渡带气；④生物改造或复合源过渡带气。确立了判识过渡带气的地质和地球化学标志，并分析了我国不同类型含油气盆地过渡带气的资源远景。图2参27     

松辽盆地无机成因气碳同位素判识指标探讨

国内外典型无机气δ13C1变化范围大(-3.2‰～-29.99‰),因而不同学者在无机气的δ13C判识指标上分歧也较大,直接影响了对天然气成因的判识。对松辽盆地大量不同类型不同层位的岩石样品进行了模拟实验,分析了岩石模拟产物δ13C1和δ13C2随温度的变化关系以及产物δ13C系列关系。模拟实验结果表明:松辽盆地岩石模拟产物δ13C1和δ13C2随模拟温度增加而变重,δ13C1最重可达-18.5‰,而盆地典型无机气δ13C1最重为-16.7‰。因此,根据模拟实验、盆地典型无机气特征等初步确定了松辽盆地无机气与有机气的判识界限值:δ13C1大于-19‰一般为无机气;同时根据盆地实际地质特征指出,对于δ13C1在-20‰～-30‰的天然气来说,单体碳同位素系列是否完全倒转是判识其成因的最有效的指标。无机气与有机气的δ13C判识指标,应围绕特定的盆地进行,这样才能更有效地识别无机成因气。     

利用天然气的碳同位素比值建立热成因气模型

利用同位素模型预测甲烷、乙烷和丙烷的δ13C值（干酪根／油生成气态物的程序指标），并用指标Ⅱ型干酪根的生气特征，通过把气体的多组份动力学模型与同位素模型相结合，可得到气体组份转化率与生成温度之间的相关性，δ13C1，δ13C2和δ13C3之间的关系式利用天然气的热解模型进行限制，通过西得克萨斯Delaware 和Val Verde盆地海相腐泥型页岩（II型干酪根）生成的气体数据对同位素模型进行验证与校对，这些气体相对不受运移和生物气的混合影响，所以气体碳同位素比值的变化能初步反映成熟度的演化程度，因此，这些数据对解释气体生成温度和来源于II型干酪根的气体δ13C值是有实际价值的。     

浅变质岩热模拟实验及天然气成藏潜力

以松辽盆地为例,通过热模拟实验及热模拟产物组分和稳定碳同位素分析.对极低级浅变质岩(泥板岩)的生烃能力及产物进行研究.研究结果表明,产物烷烃气碳同位素组成偏重,大量生气阶段(450～550℃)δ18C1值为-31.4‰～-22.3‰,同位素序列为δ13C1<δ13C2<δ13C3或δ13C1<δ13C2、δ13C2共性特征为δ13C1<δ13C2、δ13Cco2<-10.0‰,显示为有机成因天然气;导致碳同位素组成偏重的原因是浅变质岩中的生气母质具有较重的碳同位素组成.高温作用可能使碳同位素系列部分倒转,但机制尚不明确.根据模拟实验气态烃产率探讨了浅变质岩的生气潜力,认为肇深6井4 115.47 m泥板岩生气能力达到86.4 m2/t,预测松辽盆地基底浅变质岩在长垣以东地区生气强度能够达到20×108m3/km2,具备形成一定规模气藏的生烃条件.图6表4参31     

关于烃气成因类型及碳同位素应用问题

本文将烃类天然气按成因分为:生物成因气、热解成因气和无机成因气。在概述各类成因气的特征中,着重综述了确定无机成因气的根据。强调:在应用δ~(13)C_1值划分烃气成因类型时,应与其它指标综合使用;在确定无机成因气时,~3He/~4He值比其它指标更为可靠。     

柴达木盆地鸭湖地区生物气形成条件分析

有利的生物生气条件是生物气形成的必要前提,源岩的规模、组成、有机质类型、丰度控制了甲烷生产菌的生气能力和生气强度。柴达木盆地北缘鸭湖地区钻井(鸭深1井)显示该地区上第三系生气岩厚度近1 600 m,其暗色泥岩有机碳含量平均为0.36%,含有明显的三环萜烷和孕甾烷,为偏腐殖的混合型母质,表明源岩为咸水的弱还原—弱氧化沉积环境;R_o一般在0.4%～0.5%,处于有机质演化早期阶段。剖面岩性一般为泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩和少量砂岩,为较松散的细粒沉积,孔隙度较大,处于成岩阶段早期。这些特征有利于微生物的生存和繁殖,指示出该地区上第三系(N₂2—N₂3)暗色泥岩已经具备了形成生物气的条件,可以形成一定规模的生物气,具有一定生物气的勘探前景。      

准噶尔盆地东部侏罗系烃源岩和天然气地球化学特征及低熟气勘探前景

对准噶尔盆地东部侏罗系烃源岩有机地球化学特征进行了研究,结果显示准噶尔盆地东部侏罗系烃源岩有机碳含量分布范围广泛,TOC为0.13%~81.06%,烃源岩评价为差—中等生油潜力,但生气潜力较大;镜质体反射率Ro分布和与热演化程度相关的生物标志化合物参数(OEP值、CPI值、甾烷和藿烷异构化参数、甲基菲指数等)表明大多数烃源岩处于未成熟—低成熟热演化阶段;有机质类型以III型为主,部分八道湾组和西山窑组烃源岩为II2型。此外,对准噶尔盆地东部侏罗系天然气组分和碳同位素组成分析结果表明,侏罗系天然气以烃类气体为主,甲烷含量为65%~98%,C1/C1-5为0.62~0.98,以湿气为主,碳同位素组成分布范围较广,其中甲烷同位素组成δ13 C1值为-50.7‰~-28.2‰,乙烷δ13 C2为-32.5‰~-23.7‰,丙烷δ13 C3值为-30.6‰~-21.6‰,以煤型气为主,仅三台—北三台地区天然气显示为油型气-煤型气混合的特征。在对准噶尔盆地东部地区侏罗系煤系烃源岩和天然气样品分析的基础上,通过与吐哈盆地典型低熟气区烃源岩和天然气地球化学特征对比认为准噶尔盆地东部阜东和三台—北三台地区已形成一定规模的低熟气聚集,具有巨大的勘探潜力,是准噶尔盆地低熟气有望取得突破的重点地区。     

柴达木盆地伊克雅乌汝地区狮子沟组(N32)生物气特征及资源潜力评价

通过对柴达木盆地伊克雅乌汝地区新近系狮子沟组(N32)生物气及其烃源岩地球化学特征、形成条件的分析,并选用面积丰度地质类比法估算了生物气资源量,评价了资源潜力.研究表明,N32层段气体δ13C1值为-67.3‰,C1/(C2 C3)为587,气体组份以甲烷为主,含量达98.01%,为生物气特征.而N32层段稳定快速的沉积/沉降,寒冷的气候条件和高盐度的水体环境为生物气形成创造了有利条件.其气源岩主要为暗色泥岩,有机碳含量主要分布在0.2%～0.6%之间,有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主.采用面积丰度地质类比法,确定该区类比储量丰度为1.96×108m3/km2,地质资源量为1262×108m3,而伊深1井于N32层段首次获得生物气工业气流,上交控制储量为121.03×108m3,表明研究区具有良好的生物气资源潜力.     

柴达木盆地第四系生物气勘探现状及前景分析

柴达木盆地第四系生物气区,截至2001年底探明加控制天然气总储量3561×10~8m~3。有效勘探面积约5.63×10~4km~2,资源量约为10000×10~8m~3。从第四系天然气勘探历程、生物气资源量现状、生物气勘探潜力分析、生物气勘探目标及方向等方面阐述了该区第四系生物气勘探现状及前景,并着重强调:丰富的资源条件、巨大的勘探面积、较低的勘探程度是第四系生物气勘探取得成功的重要保证。根据以发现气田的规模及解剖,预测在主力生气凹陷南北斜坡还可找到2～3个1000×10~8m~3的大型气田。该区已成为“西气东输”重要的气源地之一。     

混源气的组分与碳同位素特征研究

以两种干酪根（Ⅰ型与Ⅲ型）热模拟气作为单元组合,进行不同条件的混合,考察了其混合气组成与同位素的变化。结果表明：不同来源天然气混合可导致天然气组成与碳同位素的变化,混合的两种气体组分与碳同位素差别越大,对混合气的影响越大。相近成熟度的Ⅰ型与Ⅲ型气混合,虽可在一定程度上导致天然气同位素变化,但不会导致碳同位素序列倒转。同位素倒转仅出现在某些特殊条件,如在很高成熟度Ⅲ型气中混入少量低、中成熟Ⅰ型气,可导致混合气δ13C2与δ13C3、甚至δ13C1与δ13C2倒转。在高成熟Ⅰ型气中混入少量低成熟Ⅲ型气可导致δ13C1-δ13C2值与δ13C2-δ13C3值变小,但一般不会引起碳同位素倒转。不同来源天然气的混合导致天然气地球化学指标存在多解性,在天然气成因评价时应当予以重视。     

甲、乙烷碳同位素用于判识天然气成因类型的讨论

随着天然气勘探不断向深层发现,高—过成熟天然气越来越多,早期基于成熟—高成熟天然气所建立的用甲、乙烷碳同位素判识天然气成因类型的指标或图版不断显示出一系列的问题。为完善甲、乙烷碳同位素判识指标或图版,采集了中国7个含气盆地近200多口井的天然气样品,分别开展了天然气组分和烷烃碳同位素分析,并对部分气井的天然气样品开展了天然气汞含量分析,研究表明对于大多数天然气来说用乙烷碳同位素δ~(13)C_2=-28‰或-29‰作为划分煤型气和油型气的界限是合理的,但对于部分演化程度较高的天然气来说还需要结合甲烷碳同位素进行综合判断。在用甲、乙烷碳同位素判断天然气类型的图版中,煤型气和油型气的划分界限为δ~(13) C_2=-(10.2δ~(13)C_1+1 246)/29.8,当δ~(13)C_2-(10.2δ~(13)C_1+1 246)/29.8时,天然气类型为煤型气;当δ~(13)C_2-(10.2δ~(13)C_1+1 246)/29.8且δ~(13)C_1-55‰时,天然气类型为油型气;当δ~(13)C_1-55‰时为生物气。     

生物成因气生成演化模式探讨

通过生烃模拟实验资料及生物成因气藏实例分析,在总结生物成因气形成过程和生物气源岩有机质演化特征的基础上,建立生物成因气生成演化模式,为生物气源岩生气能力评价提供依据。有机质在微生物作用下,通过co₂ 还原和乙酸发酵２ 种途径形成生物气。沉积物中有机质被降解的过程及形成的产物具有明显阶段性特征。生气早期具低温、高硫酸盐抑制等不利条件,生物气产率较低;生气高峰期深度约为３００～１ ６００ ｍ,发酵菌优先利用可溶有机质分解成产甲烷菌可利用的底物,同时生成大量甲烷,以３５～５５℃为最佳生气温度;生气晚期,地温达７０℃以上,不适宜产甲烷菌群生存及可利用底物减少,甲烷产率很低;沉积物处于硫酸盐还原带且该带具一定厚度时,最有利于生物甲烷生成并保存。     

吐哈盆地台北凹陷天然气碳氢同位素组成特征

吐哈盆地为中国重要的富油气盆地,目前该盆地的天然气勘探主要集中在台北凹陷,有关台北凹陷的天然气成因和来源一直存在诸多争议。通过分析台北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和温米等4个油气田23个天然气样品的组分和碳氢同位素组成,结合前期红台和丘东气田天然气地球化学资料以及前人研究成果和区域地质背景,开展天然气成因和来源研究。结果表明:台北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和温米等地区天然气以烃类气体为主。甲烷含量为65.84%～97.94%,重烃(C_(2—5))含量高达34.98%,非烃气体(CO_2、N_2)含量非常低,为湿气。天然气δ~(13)C_1值为–44.9‰～–40.4‰,δ~(13)C2值为–28.2‰～–24.9‰,δ~(13)C_3值为–27.1‰～–18.0‰,δ~(13)C_4值为–26.7‰～–22.1‰;天然气δD1值变化不大,为–272‰～–252‰,δD_2为–236‰～–200‰,δD_3为–222‰～–174‰。甲烷及其同系物(C_(2—5))基本上为碳氢同位素组成正序排列(δ~(13)C1δ~(13)C_2δ~(13)C_3δ~(13)C_4δ~(13)C_5、δD_1δD_2δD_3),与典型的有机成因烷烃气碳氢同位素组成特征一致。研究区天然气为成熟度较低的煤成气(Ro均值为0.7%),主要来自中下侏罗统煤系源岩。天然气氢同位素组成受到烃源岩热演化程度和形成环境水介质的影响,数据表明研究区天然气烃源岩为陆相淡水湖沼沉积。巴喀油田巴23井和柯19井天然气后期发生次生改造,为生物改造气。图9表2参58     

柴达木盆地第三系生物气的地质地球化学证据

柴达木盆地中广泛分布的第三系能否生成生物气并构成商业气田的问题一直悬而未决。2001年6月20日，在柴达木盆地伊深1井1319．0－1322．5m第三系首次发现了天然气商业气藏。经分析，该井天然气烃类气体中以甲烷占绝对优势，为98．01％；重烃含量极低，仅为0．17％；C1／C1－5高达0．998；δ^13C1非常轻，为－67．3％，是典型生物气的特征。天然气^40Ar/^36Ar为318．0。说明春气源岩年代较新，可能为第三纪或第四纪。结合天然气地质条件认为，该井天然气应为第三系自生自生自储的生物气。这一认识对进一步深入探讨柴达木盆地生物气形成机制和成藏规律，扩大天然气资源量，拓展天然气勘探新领域具有重要意义。