应用碳同位素动力学模拟评价天然气的成因

简要介绍天然气形成过程中碳同位素分馏的理论基础、动力学参数模拟计算、碳同位素动力学模拟应用于天然气评价等方面的最新成果。揭露了几个值得注意的问题:天然气碳同位素特征不仅受母源、成熟度的影响,而且与运聚条件、沉积盆地增温速率有关;累积聚集气与阶段聚集气在碳同位素特征存在明显差别;碳同位素分馏动力学模型在不同盆地会存在差异,不仅取决于气源条件,还与聚集历史、沉积-构造史有关。我国天然气藏成因复杂,具有多期、多源的特点,对这类天然气的成因研究与评价提供了新思路。     

天然气组分及其碳同位素扩散分馏作用模拟实验研究

为了探讨扩散引起的天然气组分及其碳同位素的分馏效应与岩石物性之间的关系,建立了相应的扩散分馏作用地质模式。通过自行设计的天然气成藏物理模拟仪,选择了不同物性的岩芯及其组合进行了天然气组分及其碳同位素扩散分馏作用模拟实验。实验研究结果表明:岩石的孔隙度和渗透率越低,扩散运移引起的分馏效应越明显;乙烷以上的重烃碳同位素几乎不发生分馏作用,但其组分组成仍存在一定程度的分馏现象。利用天然气组分及其碳同位素的上述变化规律,可以追踪天然气的运移路径,也可用于气源对比研究。     

费—托合成实验中烷烃气碳同位素分馏机理

40多年来的费—托合成模拟实验表明,只有部分结果出现了烷烃气碳同位素反序现象。通过较为完整的分析发现,其原因可能是:随着模拟实验时间的增加与温度的升高并随着产物转化率的增高,控制烷烃气碳同位素分馏的因素逐渐由动力学机制转变为热力学平衡,烷烃气碳同位素序列将由反序转变为部分倒转再到类似常规天然气的正序分布。只有在较短时间(转化率较低)或者开放体系(随生随排)条件下才遵从动力学分馏。电火花放电合成实验仅代表了理想状态下动力学分馏过程。     

天然气地球化学研究及有关问题探讨

从天然气成因、煤型气、生物―热催化过渡带气、碳同位素和稀有气体同位素等方面评述了我国天然气地球化学的研究成果。对研究中的一些问题提出了看法。     

天然气地球化学研究及有关问题探讨

从天然气成因、煤型气、生物－热催化过渡带气、碳同位素和稀有气体同位素等方面评述了我国天然气地球化学的研究成果。对研究中的一些问题提出了看法。     

天然气形成过程中碳同位素分馏机理——来自热模拟实验的地球化学证据

选取鄂尔多斯盆地低成熟煤样品开展封闭体系黄金管热模拟实验,分析产物特征,从实验角度探讨天然气碳同位素分馏机理,分析天然气碳同位素组成地球化学"异常"特征。鄂尔多斯盆地低成熟煤2℃/h(慢速)和20℃/h(快速)升温的烷烃气最大产率分别为302.74 mL/g和230.16 mL/g;低成熟煤快速升温和慢速升温的δ13C1值分别为-34.8‰～-23.6‰和-35.5‰～-24.0‰,δ13C2值分别为-28.0‰～-9.0‰和-28.9‰～-8.3‰,δ13C3值分别为-25.8‰～-14.7‰和-26.4‰～-13.2‰。实验产物中烷烃气在快速升温550℃出现了明显的碳同位素组成系列部分倒转,其他温度都表现为正碳同位素组成系列。升温系列中δ13C1表现为先变轻后变重的演化规律,δ13C1值的非单调性变化是由于早期CH4来源并非单一所致,可能是有机质的非均质性或者早期富集12CH4和富集13CH4活化能差值的变化形成的同位素分馏效应所致。重烃气碳同位素值的反转既可以发生在高过成熟的页岩气(油型气)中,也可以发生在煤成气中。结合甲苯热模拟实验,明确烷烃气在高过成熟阶段重烃气碳同位素值可发生反转和倒转现象。芳香烃脱甲基以及甲基链接所产生的同位素分馏效应可能是高过成熟烷烃气碳同位素组成反转、倒转的重要原因。图6表3参56     

天然气组分碳同位素倒转成因分析及地质应用

为促进稳定碳同位素倒转现象在天然气地质勘探中的应用,通过调研大量国内外相关文献,系统地梳理和归纳了天然气烷烃组分稳定碳同位素序列倒转的成因及原理,包括有机成因气与无机成因气混合、细菌氧化降解作用、不同类型天然气（油型气和煤成气）混合、不同源或不同期天然气（如原生气与次生气）混合、高温及高压作用（气层气和水层气混合、硫酸盐热氧化还原反应、瑞利分馏作用）以及天然气运移扩散效应等。分析认为,碳同位素倒转现象在天然气地质勘探中具有广阔的应用前景,包括判识天然气的成因及来源,研究母质成熟度及天然气次生变化,反映气藏的地质特征（如成藏期次和沉积环境）,以及判断天然气远景区等。     

天然气碳同位素动力学模型研究新进展

天然气碳同位素动力学模型研究是目前国际油气地球化学界的前沿研究课题。它基于化学反应动力学中温度和时间互补原理，根据室内热模拟实验，对天然气组分的碳同位素值进行动力学模拟研究。文中综述了20世纪90年代以来国外学者所建立的几种代表性的碳同位素动力学模型，分析了各个模型建立的理论基础和基本特征，讨论了其研究意义和应用价值。     

��Ȼ����������ģ��ʵ�鼰����

运用自行设计的天然气运移物理模拟装置，研究天然气在运移过程中所发生的组分分异和碳同位素分馏特征，目的是了解天然气在不同疏导层运移过程中所发生的组分及同位素变化规律。实验结果表明，天然气在运移过程中发生了比较明显的成分色层效应和碳同位素分馏现象，粘土矿物对天然气中重烃组分具有较强的束缚能力，甲烷碳同位素对运移条件及过程较为敏感。本项模拟实验对进一步认识天然气运移过程中组分和碳同位素变化机理具有重要意义。     

不同类型有机质生物产甲烷模拟实验研究

为研究不同类型有机质的生物产甲烷能力和特征,选择了代表藻类、水生草本植物、陆生草本植物和泥炭的6个样品进行生物模拟实验研究。实验气体产物的分析结果揭示:不同类型有机质生物产甲烷潜力差异大,藻类和泥炭的产气能力相差可达百倍,藻类等优质有机质对生物气生成和成藏的贡献值得关注;不同类型的有机质生物转化率相差巨大,进行生物气源岩评价时应予以考虑;生物甲烷的碳同位素值受生成过程中碳同位素分馏效应和母质碳同位素的双重控制,分布范围较宽,生物二氧化碳的碳同位素明显偏重。建议鉴别气藏中天然气的成因时,应结合甲烷碳同位素、二氧化碳碳同位素和天然气组分等数据进行多参数综合判识。      

天然气藏二元混源比例定量判识探讨及气源岩~(40)Ar年龄模型

对2种不同成因气或同源不同成熟阶段气的模拟实验表明:煤型气、油型气混源气随油型气比例降低,碳同位素组成逐渐变重,氢同位素组成变轻,各组分同位素分馏模式不同,具有三阶段变化模式;同源不同成熟阶段混源气随高熟气比例的增加,烷烃气碳同位素组成逐渐变重。建立了煤型气、油型气混源比例定量判识的地球化学模板,在雅克拉气田得到了很好地应用。雅克拉气田主要为油型气,掺混煤型气比例约为12%~20%。同时,建立了同源不同成熟阶段气混源比例定量判识的地球化学模板,在塔河油田应用效果很好。塔河油田天然气由高成熟气与低成熟气混合形成,塔河东部主要以高成熟天然气为主,西部以低成熟气为主,只是混合的比例不同,低成熟气与高成熟气的混源比例在1∶19~13.3∶1之间,天然气由东南向西北、由东向西运移充注。针对南方海相地层实际情况,对氩同位素积累效应确定气源岩时代模型进行了修正,并对大湾2井天然气来源进行了定量判识。     

天然气藏二元混源比例定量判识探讨及气源岩40Ar年龄模型

对2种不同成因气或同源不同成熟阶段气的模拟实验表明:煤型气、油型气混源气随油型气比例降低,碳同位素组成逐渐变重,氢同位素组成变轻,各组分同位素分馏模式不同,具有三阶段变化模式;同源不同成熟阶段混源气随高熟气比例的增加,烷烃气碳同位素组成逐渐变重\.建立了煤型气、油型气混源比例定量判识的地球化学模板,在雅克拉气田得到了很好地应用\.雅克拉气田主要为油型气,掺混煤型气比例约为12%～20%。同时,建立了同源不同成熟阶段气混源比例定量判识的地球化学模板,在塔河油田应用效果很好。塔河油田天然气由高成熟气与低成熟气混合形成,塔河东部主要以高成熟天然气为主,西部以低成熟气为主,只是混合的比例不同,低成熟气与高成熟气的混源比例在1∶19～13.3∶1之间,天然气由东南向西北、由东向西运移充注。针对南方海相地层实际情况,对氩同位素积累效应确定气源岩时代模型进行了修正,并对大湾2井天然气来源进行了定量判识。     

页岩高压解析放气过程中甲烷碳同位素分馏特征

页岩在放气或解析过程中会出现甲烷碳同位素分馏现象,可以基于该同位素分馏演化特征预测地层压力,并评价页岩储集特征和含气性。研究通过四川盆地寒武系筇竹寺组黑色页岩在不同初始充气压力条件下的解析放气正演物理模拟实验,探讨了放气过程中甲烷碳同位素分馏效应和控制因素。结果表明,模拟体系中释放甲烷的碳同位素组成随放气时间呈现先变轻后变重的特征。解析气甲烷碳同位素存在2个可对比的有效参数：一是碳同位素分馏程度（最小值与初始值的差）;二是碳同位素最小值出现的时间。同时,研究发现,放气过程中的甲烷碳同位素分馏特征受初始含气压力和页岩样品地质参数（如TOC、孔隙结构特征、吸附能力等）的影响。总体来说,初始含气压力越高,解析气甲烷碳同位素分馏程度越大,最小同位素值出现的时间越晚。相近压力条件下,随着TOC增大,解析气甲烷碳同位素分馏程度和最小值出现时间先增大后减小;随着页岩平均孔径增大,解析气甲烷碳同位素分馏程度和最小值出现时间先减小后增大。     

徐家围子断陷火山岩包裹体组分和同位素组成分析及应用

应用真空机械破碎法对徐家围子断陷火山岩包裹体的组分和同位素组成进行了热爆前、后的对比分析,进而结合气井产出天然气的相应特征及热模拟实验结果对天然气的成因进行了探讨。结果表明,徐家围子地区火山喷发过程中的岩浆脱气烃类含量较高,暗示该区烃类天然气存在无机成因的可能,有必要对火山喷发脱气与普通岩浆活动脱气的差别做进一步研究;徐家围子断陷烃类天然气的碳同位素序列倒转主要是由不同期次/源天然气的混合作用造成,而非后期盖层散失过程中的组分和同位素分馏,同位素序列倒转不能单独用于判断天然气的成因;相对有机成因气,无机成因气（甲烷、乙烷和CO₂）碳同位素值常较重,用甲烷碳同位素值重于-20‰作为无机成因气的判别标准有一定的适用性,但过于苛刻;徐家围子断陷CO₂以无机成因为主,主要源于坳陷期地壳活动过程中的地幔岩浆脱气,无机成因CO₂能够聚集成藏与其未经历初次运移,与地层水接触少等因素有关。上述认识有益于对徐家围子断陷天然气的成因作出正确判断。     

成藏后天然气组分与同位素的分馏效应研究

天然气成藏后会发生扩散、溶解逸失、微生物降解和高温裂解等作用,这些作用会使天然气组分、同位素发生分馏。其中扩散分馏取决于不同分子的半径与不同方向上的浓度梯度,溶解分馏则受控于分子大小与水合能力,这2种分馏作用常使藏内小分子烷烃含量减少、同位素组成变重;微生物对天然气的降解受温压条件控制,并且不同细菌对烃类具有不同嗜好性,常使天然气重烃含量减少、同位素组成变重;热裂解作用可使天然气组成变干、同位素组成变重。认为通过化学反应动力学可以分析藏内天然气分馏作用的条件及其定量过程,恢复成藏初期天然气特征,并有助于混源气判别、资源散失量估算等。     

天然气中烷烃气碳同位素研究的意义

天然气中烷烃气的碳同位素值蕴含丰富的科学信息,为研究其重要理论及实践意义,分析、总结了国内外学者对烷烃气中单组分（甲烷、乙烷）碳同位素值的研究成果。结果认为：依据δ¹³C₁-R_o回归方程能对勘探目的层天然气的类型或成熟度作出推断;煤成气的δ¹³C₂基本上重于-28.0‰,油型气的δ¹³C₂基本上轻于-28.5‰,而介于-28.0‰~-28.5‰之间是上述两类气的共存区,且以煤成气为主。此外,还重点讨论了烷烃气碳同位素系列所反映的油气地质和地球化学信息,认为具有正碳同位素系列的烷烃气属于有机成因气,负碳同位素系列的烷烃气基本上属于无机成因气;但在沉积盆地中个别出现的负碳同位素系列是由于正碳同位素系列次生改造（扩散分馏、相态转换分馏）所致,其烷烃气不是无机成因的。     

稳定碳同位素在油气地球化学中的应用及存在的问题

随着现代分析测试技术的提高,碳同位素在油气地球化学中的应用也越来越广泛。总结了碳同位素在油气地球化学中的应用,这些应用包括:用碳同位素研究来鉴别原油的生成环境和母质类型,对天然气进行成因分类和鉴别,判断天然气的成熟度,进行油气源对比,讨论油气的次生变化,研究油气运移,研究天然气的混合情况和油藏地球化学。探讨了碳同位素在油气地球化学应用研究中存在的和应注意的问题     

天然气运移物理模拟实验及其组分分异与碳同位素分馏特征

天然气运移物理模拟实验结果表明,天然气在运移过程中将发生组成的色层效应和分馏现象.天然气中甲烷等轻组分的渗透运移速度较大,粘土矿物对天然气中重烃组分具有较强的束缚能力,而且在不同输导层中正构烷烃和异构烷烃的运移速率存在着明显差别.实验结果还表明,运移可以造成天然气烃类气体碳同位素的分馏,特别是天然气中甲烷碳同位素对运移条件及过程较为敏感.      

天然气中汞的来源及脱汞技术

汞是天然气中常见的有毒有害气体.根据国内外研究现状,阐述了天然气中汞对天然气采、储、运设备及对人体的危害,讨论了汞的烃源岩和岩浆热液2种成因模式;利用汞同位素分馏特征来鉴别煤型气和油型气的成因,认为煤型气表现为负的汞非质量分馏特征,而油型气表现为正的汞非质量分馏特征;提出了高汞天然气的富集条件,主要与烃源岩中汞含量、热...     

莺歌海盆地天然气类型划分与来源分析

莺歌海盆地天然气主要为来自中新统的煤型气,目前对天然气类型是否可以进一步细分以及具体来自中新统哪套烃源岩并无清晰认识,制约了该区天然气的勘探进程。针对以上问题,通过对盆地内天然气地球化学特征的详细剖析,结合烃源岩地球化学及热模拟实验等资料进行分析。研究结果表明:δ~(13)C_2、δ~(13)C_1—δ~(13)C_2和C_2/iC_4等参数可有效将盆内天然气细分为M型和S型;气源分析揭示二者分别来自梅山组与三亚组烃源岩。M型和S型天然气的重烃碳同位素值分别与梅山组和三亚组烃源岩的碳同位素值一致;而M型天然气与梅山组泥岩热解烃地球化学特征相似。该研究为盆地日趋复杂的天然气勘探与成藏研究工作提供理论支撑。