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。     

天然气组分、同位素分馏机理及实例分析

天然气组分、同位素的分馏伴随其生成、运移及保存的整个过程,生成过程中组分、同位素分馏效应由反应基团活化能的差异引起,表现为随成熟度升高,产物同位素组成逐渐接近母质;天然气运移过程中的分馏机制与运移方式有关,以溶解相、游离相和扩散相运移的天然气,其组分、同位素分馏分别由组分或同组分不同同位素分子的溶解、吸附及扩散能力差异引起,均可用动力学理论进行解释;除扩散作用外,微生物降解是天然气藏内天然气组分、同位素分馏的重要机制,其过程受微生物种类及动力学过程控制。在此基础上,对国内外天然气运移、保存分馏实例进行了分析。     

略论天然气甲烷碳同位素的累积效应

对于天然气充注历史和累积效应大体相同的气藏,通常可以建立天然气甲烷碳同位素（δ１３Ｃ１）与其成熟度（源岩）的关系模式。“多阶连续成藏”在古老沉积盆地中是常见现象,其天然气是不同地质阶段生成的不同成熟度气态烃的累积。在气源岩母质和成熟作用基本一致的情况下,保存条件越好,气藏中累积的早期生成的低成熟度天然气（低阶组分）越多,其δ１３Ｃ１值越轻;反之,保存条件越差,低阶组分损失越多,或聚气时期既晚又短,则其天然气的δ１３Ｃ１值越重。例如塔里木盆地克拉通区的气藏都以寒武系和奥陶系为主要气源岩,塔中地区保存条件最好（为连续聚气区）,塔北轮南和塔西南玛扎塔格地区保存条件差得多（为阶段聚气区）,前者天然气的δ１３Ｃ１值比后者要轻４‰～２０‰。天然气累积效应与母质继承效应、热演化分馏效应一样,是控制其δ１３Ｃ１值轻重的重要因素,在使用该参数估计天然气及其气源岩的成熟度时,必须考虑累积效应。图４表１参３（梁大新摘）     

开放体系中天然气稳定碳同位素反应动力学研究

在开放、变温热解实验中，对烃源岩样品进行了在线特定化合物^13C／^12C稳定同位素分析；在实验数据分析的基础上，利用平行一级反应模型和Arrehenius方程得出反应动力学参数。结果表明，同位素反应动力学结合区域热演化史能有效地解释天然气生成、聚集过程中同位素组成变化的特征，描述在地质系统天然气生成过程中的同位素效应。     

四川盆地天然气的碳同位素特征

四川盆地发育10多个产气层系、6套主要气源岩。文中研究了不同地区不同产层的碳同位素组成特征。大多数气样的δ¹³C具有正碳同位素系列(δ¹³C₁<δ¹³C₂<δ¹³C₃<δ¹³C₄),显示出有机成因特征。一些样品中甲乙烷碳同位素倒转(δ¹³C₁>δ¹³C₂)可能是由于不同源岩或不同成熟度的气混合的结果。盆地中相同成熟度油型气的δ¹³C比煤成气的轻。CO₂的δ¹³C也具有生物成因的特征。     

有机质碳同位素的成熟分馏作用及地质意义

本文以各种热模拟实验产物的稳定碳同位素分析为基础,对有机质热演化产物的油、油族组份。气态烃、残渣的稳定碳同位素动力分馏机制进行探讨。同时提出区分低演化凝析油(煤系产物)与高成熟凝析油(原油裂解产物)的新方法,为识别天然气成因类型提供了新的途径。     

松辽盆地深层天然气碳同位素反序及形成机理探讨

松辽盆地深层天然气碳同位素反序现象十分普遍,对其成因的认识一直存在分歧。全面分析、总结了松辽盆地深层昌德、徐深、升平、长岭4个具有碳同位素反序现象的烷烃气组分以及碳同位素组成,结果认为深层烷烃气组分与同位素值不具备典型无机成因气特征,其负碳同位素系列不能作为鉴别无机成因气的充分条件深层煤成气与无机气混合作用可能是碳同位素反序的首要因素,运移过程中的扩散分馏是导致混源模拟与实际测量值出现偏差的主要原因,且制约着盆地深层天然气组分及碳同位素值垂向变化。此外,盆地深层单纯无机成因气组分与碳同位素组成是准确估算深层非生物成因气含量的关键,其研究具有重要理论意义与应用价值。     

天然气稳定碳同位素反应动力学研究--关于干燥、开放热解实验中的思考

在开放、变温热解实验中，对三个碳酸盐岩样品进行了在线特定化合物13C／12C稳定同位素分析，其中三个样品分别取自德国西北（石炭系Westphalian煤岩，IH＝286mgHc/gTOC,Ro=0.72%），西西伯利亚（白垩系Cenomanian页岩，IH=192mgHC/gTOC,Ro=0.36%)和马来西亚（三叠系Miocene煤岩，IH＝190mgHC/gTOC,Ro=0.36%），主要研究对象为甲烷、乙烷和丙烯＋丙烯，测得的热解产物碳同位素值分布在热成因天然气范围内（－20‰－40‰），热解产物表现出随着热模拟温度升高，一般富集13C，然而，甲烷碳同位素在某些温度段表现出倒转现象，在实验数据分析基础上，利用平行一级反应和Arrhenius温度方程得出反应动力学参数，将Westphalian煤岩得到的动力学参数应用到地热演化史中建立德国西北盆地气藏中天然气生成与聚集过程中组份和同位素组成变化模型，热模拟甲烷计算获得的碳同位素值表现出与德国西北天然气田的碳同位素特征一致，同位素反应动力学结合区域热演化史能有效地解释在天然气聚集过程中同位素组成变化特征，研究结果表明，虽然热解实验与地质条件有着本质区别，但开放，变温热解实验能提供一些有意义的同位素反应动力学参数，这些参数能满意地描述在地质系统中天然气生成过程中的同位素效应，在盆地建模中，应用这些参数可预测与重建天然气同位素组成特征，获得等同于应用体积法和特定同位素动力学参数评价的效果。     

页岩释气过程中碳同位素的分馏特征

钻井现场开展页岩岩心解吸气同位素监测,由于损失气样品缺失,而不能得到岩心气体释放全过程同位素的变化规律。通过加工岩心甲烷高压饱和-解吸装置,并接入色谱-同位素质谱联机系统,满足在线实时监测解吸气甲烷碳同位素变化的要求。在此基础上,开展页岩岩心释气的正演模拟实验,发现了解吸气甲烷碳同位素先期稳定、后期变轻后逐渐变重的变化规律,揭示了岩心中游离气和吸附气的相态转化、二者混合比例的动态演化与同位素变化趋势的相关性,表明同位素在页岩气开发状态的示踪方面具有应用潜力。     

碳同位素分馏模型比较研究

国内外报道了各种描述天然气生成过程中碳同位素分馏的模型，并进行了软件开发。文章利用文献数据建立并标定了各类模型，对比、分析了各模型的拟合效果及原因。结果表明，基于Rayleigh方程的分馏模型和Cramer模型Ⅰ，仅能近似地模拟出碳同位素组成随热解温度的升高而变重的部分；Cramer模型Ⅱ虽能对碳同位素演化趋势进行较好的拟合，但存在较大波动；只有Cramer模型Ⅲ能很好地模拟出碳同位素组成的变化过程，是目前所有分馏模型中对实验数据拟合最好、适用温度范围最宽的模型。因此，有关同位素分馏方面的定量描述及应用工作，应该以Cramer模型III为基础。     

汪家屯气田天然气气源追索新方法

本文根据碳同位素分馏理论，建立了气态烃（Ｃ＿１－Ｃ＿３）的碳同位素差值与分馏反应温度的关系．提出了利用气态烃的碳同位素差值追索气源的方法，并对汪家屯气田的天然气气源进行了追索，与实际较吻合。     

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.     

北部湾盆地福山凹陷天然气成因与来源

利用(δ¹³C₂-δ¹³C₃)-C₂/C₃(mol/mol)关系、“天然气曲线”和天然气C_7-重烃三角图对海南福山凹陷天然气的成因和来源进行了研究，结果表明福山凹陷天然气主要为干酪根生烃高峰到湿气阶段的产物；天然气和该区原油同源，都来自流沙港组Ⅱ-Ⅲ型有机质；天然气没有遭受明显的次生变化，受运移效应的影响也较弱；花场地区天然气主要来自白莲次凹，而Hx4井和H3\|4井的天然气可能有来自皇桐次凹的贡献。认为(δ¹³C₂-δ¹³C₃)-C₂/C₃(mol/mol)关系图和“天然气曲线”是研究天然气成因与来源的有效方法。     

高─过熟天然气气源对比与运移研究

本文用天然气碳同位素、轻烃及储层沥青生物标志化合物的综合特征等方法，对松辽盆地北部汪家屯─宋站地区高─过熟天然气气源及运移进行了研究。结果表明，效果较好。     

三塘湖盆地天然气成因及成藏分析

通过研究三塘湖盆地马朗凹陷中上三叠统-中下侏罗统煤系烃源岩有机质类型(主要为Ⅲ型)及其演化程度(RO为0.5%~0.6%)和天然气特征(高含量烃类成份,高干燥系数,甲烷碳同位素较轻,乙烷和丙烷碳同位素较重),认为该凹陷天然气符合煤成生物-热催化过渡带气特征,并指出该套源岩从白垩纪开始进入煤成生物-热催化过渡带气生成阶段,其气源贡献可延续至第三纪末乃至更晚。     

苏北盆地盐城凹陷天然气和凝析油的地球化学特征和成因

根据对盐城凹陷上白垩统泰州组天然气的化学组成和碳同位素组成特征的综合分析和对上白垩统泰州组、下第三系阜二段不同有机质类型烃源岩热模拟气态产物的碳同位素分析结果,认为盐城凹陷泰州组天然气属于干酪根高成熟阶段热裂解成因的干气,气源岩层主要是下伏的上古生界,但部分泰州组烃源岩对产气也可能有贡献;与天然气伴生的凝析油则主要来自于泰州组烃源岩,这与高成熟的干气在上侵过程中对油藏原油的气洗作用有关。     

浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析

由于生物化学作用、热降解作用和构造活动等的共同影响,不同成因天然气易在含油气盆地浅层聚集在同一气藏内形成浅层混源天然气藏。论述了浅层原生天然气(生物成因气和低温热成因气)及浅层次生天然气(次生运移天然气和微生物改造天然气)的组分组成及碳同位素组成的分布特征,讨论了影响浅层混源天然气碳同位素组成的主要因素,分析了浅层混源天然气判识的地球化学指标。     

天然气扩散量计算方法研究

根据气藏中天然气的扩散原理,分析了扩散参数的可变性,详细讨论了天然气体积分数和扩散系数的确定方法。将天然气扩散模块加入盆地模拟系统,可以动态模拟古扩散参数的演化,恢复天然气扩散史。对松辽盆地侏罗系天然气扩散的模拟计算表明,扩散系数随盖层的地质条件而变化,烃源岩作为盖层时,对天然气的扩散具有显著的封闭作用,可以有效地阻止天然气的扩散,有利于气藏的保存。     

煤成甲烷碳同位素演化的数学模型与应用

分别介绍了以统计为基础的甲烷碳同位素与源岩成熟度关系的关系模型、以 Rayleigh方程为基础的同位素分馏模型和以动力学为基础的同位素动力学模型等 3种模拟煤成甲烷同位素演化的数学模型 ,评价了其应用范围和应用效果。用这 3种模型恢复了塔里木盆地克拉 2气田煤成气的聚散史后认为 ,克拉 2气田的天然气可能是源岩成熟过程中长期累积形成的 ,早期形成的天然气仅有少量散失 ,而晚期形成的天然气因超压而无法充注到气藏中。