碳酸盐岩烃源岩不同热模拟方式下气体碳同位素演变特征

我国海相烃源岩普遍处于高—过成熟阶段,现有的烃气碳同位素指标不能直接应用于判识海相碳酸盐岩天然气成因类型以及进行油气源对比。利用云南禄劝Ⅱ₁型低成熟海相碳酸盐岩烃源岩,开展了不同热模拟方式下的系列热解生烃实验,对收集的气体产物进行碳同位素分析。结果表明:①在整个热演化阶段,干酪根碳同位素值随成熟度变化不大,而甲、乙烷碳同位素值均随成熟度增加先变轻再变重,具有相似的演变特征,在油气生成的主要阶段,明显小于其母质干酪根碳同位素值,在过成熟阶段,乙烷碳同位素变重的趋势明显加快,甚至大于其母质干酪根的碳同位素值,呈现出“煤型气”特征,故单纯地采用甲、乙烷碳同位素值来判识天然气类型时需要慎重;②在成熟度相同时,半封闭—半开放体系模拟实验所得气体碳同位素值相比封闭体系模拟实验的要轻,这指示同一烃源岩排出烃气所形成的常规天然气藏,其烃气碳同位素值与滞留在源内的页岩气碳同位素值存在一定的差异,显示出似乎“不同源”的特征,在利用碳同位素模版或回归公式开展气源对比时也需要注意;③两种热模拟方式下、同一种烃源岩在全演化阶段,甲烷碳同位素值总是比乙烷的要小,这表明由单一烃源岩直接供气形成的常规天然气藏,不会发生甲、乙烷碳同位素的“倒转现象”。      

深层烃源岩热模拟过程中气态烃产物变化特征――以济阳坳陷沙四段和昌潍坳陷孔二段烃源岩为例

对济阳坳陷沙四段和昌潍坳陷孔二段的泥岩样品进行热模拟实验并对其气态烃产物进行分析后表明,气态烃产率随热模拟温度升高而增大,350℃时开始急剧增大;产物中甲烷含量和C2―C5重烃含量均随模拟温度的升高而增大,C2-C5占C1-C2的比例呈降低趋势。对气态烃的稳定碳同位素进行分析后指出,甲烷碳同位素在350℃之前有所减小,当温度超过350℃后逐渐增大;C1―C4烃类气体碳同位素分布在-24．6‰～-42．6‰之间。还指出济阳坳陷和昌潍坳陷深层烃源岩在进入成熟演化阶段后具有生油气的潜力,但烃源岩的原始有机碳含量对油气的生成量有影响。     

东濮凹陷文古2井天然气地球化学特征及成因研究

在对天然气地球化学特征研究的基础上,对文古2井天然气碳同位素、氦同位素、氩同位素与华北地区煤成气、油型气的这些同位素进行了类比,并结合地质背景综合分析了天然气的成因。指出天然气组成以烃类气体为主,非烃含量低,其中,烃类气体甲烷含量高达93.36%,非烃以CO2为主,含量0.84%;组分中富含重碳同位素,其中甲烷-29.6‰、乙烷-24.3‰、丙烷-21.4‰、丁烷-25.7‰;稀有气体氩同位素比值为1 411.8。通过气源对比认为,文古2井天然气属煤成气,是上古生界煤系源岩在高成熟-过成熟阶段的产物,气藏类型为“自生自储”型。     

塔北地区甲烷碳同位素特征与烃类运移方式

不同的烃类运移方式产生了不同的甲烷碳同位素分馏效应。其中,以扩散型方式运移的烃类甲烷碳同位素具有随运移距离的增加而显示趋重的变化特征,例如塔北地区不同井中甲烷碳同位素由深层三叠系的-46.98‰～-55.98‰至浅层第四系为-31.47‰～-37.51‰。北海富提斯油田近地表沉积物甲烷碳同位素在油气田上方分布着较轻的甲烷碳同位素(δ¹³C₁值为-40‰),向外围,随着距离的增加甲烷碳同位素(δ¹³C₁值为-30‰)也呈明显趋重的变化分布。渗漏型方式运移的烃类甲烷碳同位素则不随运移距离而变化,如塔北地区阿克库木构造奥陶系烃源岩天然气甲烷碳同位素值-34.85‰～-34.98‰,地表化探甲烷碳同位素值稳定在-34.62‰～-36.56‰,与地下奥陶系天然气甲烷碳同位素值近似或等同,显示出地表甲烷碳同位素与地下甲烷碳同位素之间具有同源的关系。不同烃类的运移方式,甲烷碳同位素明显不同的规律性变化,主要是由于扩散型运移,甲烷中轻碳同位素分子因溶解而分馏,从而形成酸解烃甲烷碳同位素沿着地层剖面向上的趋重分馏,渗漏型运移由于天然气运移规模大、速度快,甲烷在水中的微量溶解难以改变大规模运移中的甲烷碳同位素特征。     

煤成气轻烃组分和碳同位素分布特征与天然气勘探

采用烃源岩热模拟实验和轻烃单体烃碳同位素分析方法,对煤热解轻烃生成模式及煤系烃源岩热解轻烃碳同位素组成特征的研究表明,在成熟度 R_o 值为1.1%～1.7%时,煤热解轻烃大量生成;当 R_o 值大于1.7%时,以芳烃生成为主。煤热解轻烃中苯和甲苯碳同位素均较重,苯的碳同位素值平均为－22.2‰,甲苯的碳同位素值平均为－22.1‰,与母源有机质干酪根碳同位素值非常接近,具有良好的碳同位素继承效应。对塔里木、准噶尔、鄂尔多斯、四川和松辽等盆地煤成气轻烃组分和碳同位素分析表明,煤成气具有甲基环己烷分布优势,在甲基环己烷、二甲基环戊烷和正庚烷相对组成中,173个煤成气样品中有92%的样品甲基环己烷相对含量大于50%;煤成气轻烃中苯、甲苯、环己烷和甲基环己烷碳同位素重,碳同位素值平均分别为－20.9‰、－20.4‰、－21.9‰和－22.0‰。应用轻烃组成变化对苏里格煤成气大气田天然气运移方向进行的研究表明,在气藏形成时期,天然气运移方向为由南向北。     

不同成煤母质热解烃类气体氢碳同位素组成特征

为了认识草本沼泽和森林沼泽成煤物质以及煤显微组分对热解煤层气同位素,特别是氢同位素的影响,对草本沼泽和森林沼泽泥炭以及具有略微不同显微组分的煤进行了热解模拟实验,研究了它们热解烃类气体氢碳同位素组成差异,以及这种差异随成熟度的变化,讨论了引起这种差异的原因。结果表明:草本沼泽泥炭热解甲烷, 乙烷和丙烷δD平均值分别为-235‰, -200‰和-209‰,森林沼泽泥炭的平均值分别为-226‰, -188‰和-191‰。草本沼泽泥炭热解甲烷, 乙烷和丙烷δ¹³C平均值分别为-36.2‰、-27.4‰和-31.6‰,森林沼泽泥炭的平均值分别为 -33.7‰、-20.7‰和-25.6‰。表现为草本沼泽泥炭热解的烃类气体氢碳同位素组成轻于森林沼泽泥炭,并且从泥炭连续热解至R_O值分别为2.5％, 3.5％和5.5％时,甲烷氢同位素值分别平均低18‰, 11‰和9‰,碳同位素值分别平均低3.4‰, 3.8‰和1.8‰。煤显微组分微小的差异对热解烃类气体碳同位素有明显的影响,表现为具有较高壳质组的煤热解甲烷的碳同位素组成较轻,可是煤热解烃类气体氢同位素组成主要与成煤环境因素有关。这些研究成果为自然煤层气的成因判识提供了科学数据。     

川西北低成熟沥青产气特征及生烃动力学应用

选择川西北矿山梁地区低成熟沥青,采用封闭金管-高压釜体系,以20℃/h和2℃/h的升温速率进行生烃热模拟实验,分析了气体产物组分、产率和烃类气体碳同位素组成及变化特征。结果表明,沥青具有较强的产气潜力,是一种重要的生气有机母质;甲烷、乙烷和丙烷气体的碳同位素值分别为-50.85‰~-37.53‰、-37.93‰~-13.75‰和-37.10‰~-6.45‰。低演化阶段出现δ¹³C₂>δ¹³C₃,之后,不同碳数烃类气体碳同位素组成关系为δ¹³C₁ <δ¹³C₂ <δ¹³C₃。沥青热模拟甲烷最终碳同位素值为-37.53‰,轻于川中威远地区震旦系-寒武系常规天然气(-32.3‰~-34.7‰)和页岩气(-35.1‰~-37.3‰)的甲烷碳同位素值。川中威远地区常规天然气可能为具较重甲烷碳同位素的干酪根裂解气与具较轻甲烷碳同位素的原油裂解气的混合气。而页岩气中则可能富含更多的原油裂解气,干酪根裂解气相对较少。将生烃动力学结果应用到川中高科1井可见,早-中侏罗世,寒武系烃源岩进入主生油期,生成原油排出,部分进入到震旦系继续生气,侏罗纪进入主生气期及其在早白垩世后期进入生气末期,气态烃转化率达94%,比残留在寒武系中的沥青多约20%。     

鄂尔多斯盆地奥陶系原生天然气地球化学特征及其对靖边气田气源的意义

通过对鄂尔多斯盆地余探1井奥陶系天然气气源分析,来重新认识靖边气田风化壳气藏气源。余探1井奥陶系烃源岩地球化学特征及天然气碳同位素对比分析发现,中奥陶统乌拉力克组有机碳含量(TOC)在0.30%~1.16%,平均为0.51%,暗色泥岩厚度52.59 m,可以成为有效烃源岩;天然气甲烷的碳同位素组成明显偏轻,δ¹³C₁值在-39.11‰~-38.92‰,乙烷的碳同位素较偏重,δ¹³C₂在-27.26‰~-27.17‰,如果根据乙烷碳同位素来判别,应具有煤成气特征。然而,烃源岩热模拟实验计算的天然气成熟度(R_o=1.86%~1.89%)与烃源岩实测的热成熟度(R_o=1.83%~1.92%)基本一致,都具高热演化特征。从气藏储、盖配置关系上看,气藏上覆奥陶系泥岩厚度大,上古生界煤成气难以混入;天然气偏轻的甲烷碳同位素特征与碳酸盐岩生油岩的甲烷热解气碳同位素组成相似。这些证据表明,余探1井奥陶系天然气应具有油型气的特征。以余探1井奥陶系天然气作为鄂尔多斯盆地油型气端元,对靖边气田中-北部及南部地区天然气碳同位素组成对比分析,结果表明:(1)甲烷碳同位素应作为判识鄂尔多斯盆地奥陶系天然气气源的主要指标,δ¹³C₁小于-38‰是靖边气田风化壳气藏油型气的判别标志;(2)靖边气田整体仍以高成熟混合型煤成气为主,但油型气混入比例南部地区大于中部及北部地区;(3)乙烷次生裂解作用可能是造成奥陶系油型气乙烷碳同位素偏重的主要原因。     

南方海相层系不同类型烃源（岩）生烃模拟实验及其产物同位素演化规律

利用常规高压釜热压模拟仪和仿真地层热压生排烃模拟仪对南方海相不同类型烃源进行生烃模拟实验,研究发现不同类型原油烃气产率最高,分散可溶有机质烃气产率次之,产率最低的为不同类型千酪根。不同类型烃源烃气产率与烃源的有机碳含量、可溶有机质含量高低、有机质类型有密切关系,与烃源原始成熟度具有较好负相关性。烃源碳同位素组成决定产物甲烷碳同位素组成的演化规律,碳同位素组成较轻的烃源其产物甲烷碳同位素组成总体上要轻于碳同位素组成较重烃源的甲烷碳同位素组成。不同类型烃源产物甲烷碳同位素组成随热模拟温度增高具有先变轻再变重的演化特征,但不会重于其烃源的碳同位素组成。乙烷等碳同位素组成也随着热模拟温度增高逐渐变重,演化至生烃高峰时,碳同位素组成接近于其烃源碳同位素组成,可以示踪烃源。当演化至高过成熟阶段,乙烷等δ^13C值大于其烃源碳同位素值,故不能仅用重烃碳同位素组成判断天然气母质类型。不同类型干酪根与可溶有机质CO2组分和同位素组成演化规律具有明显区别,可溶有机质生成的CO2和甲烷之间同位素分馏程度要比不同类型干酪根的大。在不同类型烃源生烃过程中,干酪根和液态烃碳同位素组成主要受母质类型控制,继承效应强,同位素分馏程度较小,具有很好的示踪意义,可以用于油源对比和烃源示踪研究。     

裂解热模拟实验中碳同位素变化特征及其地球化学意义

采用高温模拟技术,对原油、氯仿沥青“A”、烃源岩、干酪根和原油族组分样品进行热模拟实验,分析不同样品在裂解过程中产物碳同位素组成的变化特征,研究其地球化学意义。原油、氯仿沥青“A”、干酪根、烃源岩和饱和原油族组分随热演化温度的增加,热模拟气态烃碳同位素演化规律是由重变轻再变重的演化趋势,700℃以前碳同位素分布呈正碳同位素系列分布,750℃以后出现丙烷碳同位素倒转,芳烃馏分和沥青质馏分的碳同位素值和正碳同位素系列分布出现差异;各样品随热模拟温度的增加,Δδ¹³C_2-1值都呈增大的趋势;Δδ¹³C_3-1、Δδ¹³C_3-2对原油、氯仿沥青“A”、饱和烃馏分与芳烃馏分和沥青质馏分随模拟温度的变化有差异;δ¹³C₂ -δ¹³C₃ 值和LN（C₂/C₃）值随模拟温度的增加呈正相关性。     

碳同位素组成异常的天然气成因探讨——以辽河坳陷东部凹陷为例

天然气碳、氢同位素组成特征是判识天然气成因类型、进行气源对比、确定天然气成熟度等的有效地球化学手段.研究认为,甲烷的碳同位素组成主要受源岩母质类型和热演化的影响,乙烷、丙烷等重烃的碳同位素组成主要取决于源岩有机质的碳同位素组成,同时也明显受热演化程度的影响.在辽河坳陷发现一类碳同位素组成异常的天然气,分布于辽河坳陷东部凹陷南部地区,其甲烷的碳同位素δ13C₁值为-44‰～-40‰,乙烷δ13C₂值为-13‰～-6.6‰,丙烷δ13C₃值为-6.1‰～+3.3‰.该类天然气的乙、丙烷异常富集重碳同位素,到目前为止,在天然气藏中还是首次发现.根据地球化学资料和地质背景分析认为,该天然气应该属于无机气和有机气的混合气体.      

热演化过程中干酪根碳同位素组成的变化

通过测定一个Ⅰ型干酪根在不同热演化阶段的残余率和残余部分的碳同位素组成,揭示其在热演化过程中的变化规律,从而为有效气源岩的定量判识与评价提供同位素方面的依据。研究表明,在产甲烷早期(R_o<1.5%),干酪根的碳同位素组成变化较明显,可达3.8‰;当R_o达到1.5%～2%时,随着热演化程度的增加,残余干酪根的δ13C略微呈现出逐渐贫13C的趋势,变化幅度约为2‰;当热演化程度较高(R_o>2%)时,干酪根的碳同位素组成则变化不大,变化幅度小于0.8‰。      

渤海湾盆地济阳坳陷气源岩和原油生物模拟实验研究

通过细菌检测实验,系统分析了渤海湾盆地济阳坳陷生物气源岩中细菌的赋存状况。实验表明,济阳坳陷浅层气源岩中产甲烷菌较为丰富,在2522m深处还有产甲烷菌存在,并且产甲烷菌赋存的源岩与源岩时代无相关关系,只要有适合生物气形成的环境条件,生化作用就可能发生。通过气源岩和原油在不同温度下的生物模拟实验,分析了济阳坳陷生物模拟气产率、组分及碳氢同位素特征,结果表明,无论是气源岩还是原油厌氧降解生成的生物气,都只生成甲烷和二氧化碳;45℃和65℃是生物气生成的高峰期,生物气产率分布范围为每吨TOC产气20~160m3和每吨原油产气10~15m3;生物模拟实验产物的碳同位素值随温度变化差异明显,变化范围为-80.2‰~-41.5‰;生成的二氧化碳的碳同位素值变化与甲烷碳同位素值变化规律相反;生物模拟气中氢同位素的值则比实际生物气的氢同位素值轻,模拟气中氢同位素值主要分布在-300‰~-350‰,而实际生物气的氢同位素值则分布于-240‰~-270‰。      

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩脉流体包裹体碳氧同位素分析

研究了鄂尔多斯盆地流体包裹体的CO₂成因及其与油气演化的关系,应用同位素分馏方程计算了奥陶系碳酸盐岩脉流体包裹体中CO₂的碳同位素值和H₂O的氧同位素值.结果表明,其碳、氧同位素值分别为-1.64‰~-11.15‰和-22.12‰~-33.06‰.该包裹体的CO₂以无机成因为主,其碳同位素组成形成于100℃~160℃的条件下,对应于油气演化的成熟-高成熟阶段.     

塔北隆起北缘原油轻烃单体烃碳同位素特征

对塔北隆起北缘原油进行了轻烃单体烃碳同位素组成分析,刻画了原油的轻烃组成特征.所有轻烃化合物中,环戊烷系列化合物碳同位素在不同原油之间差异最小,对原油成因的鉴别意义小于其他化合物.优选的其他化合物碳同位素在不同成因原油中呈现出显著规律,轮台油气田煤成油轻烃单体烃碳同位素较重,主要位于-21‰-19‰之间;大涝坝油气田湖相油次之,位于-25‰-21‰之间;雅克拉油气田海相油最轻,位于-31.5‰-28‰之间.典型寒武系—下奥陶统来源的YN2井原油分布特征独特.上述分布特征揭示轻烃单体烃碳同位素组成可作为可靠的原油成因判识指标,尤其对于凝析油与轻质油更为有效.      

低熟气地球化学特征与判识指标

从目前的研究来看,低熟气的源岩母质类型主要以有机质丰度较高的Ⅲ型煤系为主。低熟气热演化程度（R_O）值在0.4％～0.8％之间,根据煤型气CH₄碳同位素组成与热演化程度R_O之间的“二阶模式”关系,煤型气CH4碳同位素组成应该分布在-54‰～-39‰之间,目前发现的低熟气CH₄碳同位素组成主要集中在-49‰～-39‰之间。一般认为煤型气的C₂H₆碳同位素组成重于-28‰,但是,当考虑低熟气时,将这一指标定为-29‰更为合适。根据煤型气CH₄碳、氢同位素关系,低熟煤型气的CH4氢同位素组成分布在-300‰~-216‰之间. 天然气轻烃参数中,低熟煤型气的庚烷值分布在16％～22%之间,异庚烷值分布在2.2～5.0之间。生物气不仅在CH₄、C₂H₆碳同位素组成上与低熟气存在明显的差别,同时在轻烃含量的参数上也存在明显的差别。     

鄂尔多斯盆地彬长矿区含H2S煤层沉积环境特征及成因分析

为了探讨含H2S煤层沉积环境特征,以彬长矿区小庄矿延安组4^#煤层为研究对象,借助X⁃射线衍射仪、液晶库伦定硫仪、X⁃射线荧光光谱仪、等离子体质谱分析仪、稳定同位素质谱仪等实验仪器,从煤层显微组分、矿物组分、煤体孔隙及吸附特征、古盐度、沉积环境氧化还原性、水动力学表征指数、同位素特征及煤层热演化史等方面,对该区域煤层沉积环境特征进行了研究,并明确了煤层H2S的成因类型。研究结果表明:①研究区地质构造简单,井田中心带的南玉子向斜对H2S的富集有一定影响,且煤层顶底板岩性以泥岩为主,透气透水性差,对H2S富集起到封堵作用;②4^#煤层富含有机质(植物化石)、碳酸盐矿物,地层古盐度Sr/Ba值较小(<0.5),沉积环境表征(U/Th值、Cu/Zn值以及还原性指数K)为厌氧—弱还原性,以上条件为该区域煤层H2S的生成提供了原料和环境基础;③煤层黄铁矿δ^34S值(-9‰^-0.6‰)偏负、甲烷δ^13C1值偏低(<-55‰),煤层热演化温度(96~113°C)低于120°C,综合得到研究区成因类型以生物硫酸盐还原成因(BSR)为主。     

塔里木盆地塔中隆起寒武系深层油气地球化学特征及成因

塔中隆起寒武系碳酸盐岩储层油气资源丰富,然而由于复杂的构造地质背景,油气来源和天然气类型还存在较大争议。通过详细分析ZS1井、ZS1C井和ZS5井寒武系不同层段中凝析油和天然气的组成、碳同位素等特征,并结合寒武系-下奥陶统与中、上奥陶统烃源岩地球化学特征,对其油气来源和天然气成因类型进行了判别。研究结果表明,该区天然气为典型的腐泥型干酪根裂解气,其中寒武系肖尔布拉克组天然气干燥系数大于0.98,N₂含量介于2.5%~4.0%,为过成熟干气,且凝析油族组分与和饱和烃单体烃碳同位素偏重,nC₉-nC₂₀碳同位素介于-28.8‰~-26.3‰,表明油气来源为寒武系-下奥陶统烃源岩。而寒武系阿瓦塔格组和吾松格尔组天然气干燥系数介于0.63~0.78,N₂含量介于0.2%~0.8%,为低成熟湿气,且凝析油族组分和饱和烃单体烃碳同位素相对较轻,nC₉-nC₂₃碳同位素介于-37.25‰~-32.56‰,表明油气来源为中、上奥陶统烃源岩。     

对准噶尔盆地东部彩南油田侏罗系油藏原油族(组)群类型的认识

彩南油田周围及外缘各凹陷内,不同程度地发育了石炭系、二叠系、三叠系以及侏罗系等生油层系,均发育有暗色泥岩。长期以来对彩南油田侏罗系油藏原油的来源没有定论。根据原油稳定碳同位素和生物标志化合物地球化学特征可以将研究区原油划分为5个族群,以彩南油田侏罗系油藏为主的第Ⅳ族群原油δ13C值分布在-27.9‰～-29.0‰之间,Pr/Ph值多数在2.5以上,生物标志物特征非常一致,该类原油在准东地区分布广泛,应该来源于中、下侏罗统煤系地层的湖相烃源岩,有机质类型为腐泥-腐殖混合型,而并非不同时代、不同有机相烃源岩生烃的混合产物。