第14卷第6期 天然气地球科学 Vol 14nQ 6 2003年12月 NA TURAL GAS GEOSCIENCE Dec 2003 文章编号:1672-1926(2003)06-0469-05 浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析 王万春2,刘文汇!,刘全有 (1.中国科学院兰州地质研究所,甘肃兰州7300002.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要由于生物化学作用、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。 关键词天然气碳同位素,浅层混源 中图分类号:TE122.113 文献标识码A 0前言 碳同位素特征及变化规律的讨论,分析浅层混源天 然气判识的碳同位素指标及其有效性。 含油气盆地的浅层大多处在成岩作用阶段,该 阶段生物化学作用活跃易生成并聚集生物成因细1浅层天然气的地球化学特征 菌成因)气藏2。低于生油门限温度的热作用,也能 浅层天然气包括生成于浅层的原生天然气、经 使一些化学或热不稳定组分发生变化,生成低温热微生物改造的次生改造天然气和运移至浅层的次生 成因天然气。在构造运动活跃和断层、裂隙较发运移天然气等。浅层原生天然气又有生物成因(细菌 育的地区,浅层又是次生运移天然气聚集的场所。因成因)气和低温热成因气(生物-热催化过渡带气)。 此,不同成因天然气易在浅层聚集在同一气藏内而由于不同成因天然气成烃母质和成气机理的不同 形成浅层混源天然气藏。 其地球化学特征也存在一定程度的差异。 天然气中甲烷及其同系物的碳同位素组成特征1.1生物成因(细菌成因)气 与源岩母质类型和源岩热演化程度密切相关,其相 生物成因气又可分为早期(原生)生物成因气和 关性是判识天然气成因与来源的主要地球化学指晚期(次生)生物成因气。生物成因气约占世界天然 标。但对于浅层混源天然气而言,这些指标变得复杂气资源的20%。沉积物的快速沉积是生物成因气生 而难以应用。国内外诸多天然气研究资料对浅层混成与聚集的关键因素 源天然气的判识仅限于指出可能的两类混合端元, (1)早期(原生)生物成因气。早期生物成因气 在一些研究中也估算了混合端元所占的比例,但很是指在沉积物埋藏早期,有机质在甲烷菌的生物化 少计算混源气的资源量或预测其勘探前景。已有的学作用下生成于浅层的(<1000m)天然气。生物成 天然气研究文献对浅层混源天然气的判识多依据甲因气一般具有很高的甲烷含量,乙烷以上重烃气体 烷的碳同位素特征,认为δC1在60‰至50‰之在烃类组分中的比例多低于0.05%2,Cu/(C2+ 间的天然气为生物气与热成因气的混合气。然而,C3)比值通常大于100028一般认为生物成因气甲 怎样有效判识浅层混源气藏中天然气的成因类型并烷的δC值小于-60%‰”,但也有学者将该值划 进行气-源对比研究,目前还缺乏足够的资料。本文为-55‰01图1是依据发表文献中197个生物 将通过对可能形成浅层混源气藏的单一气源天然气成因气甲烷δC数据统计后绘制的8C1分布图, 收稿日期2003-06-24;修回日期2003-10-20 基金项目国家重点基础研究发展规划项目(编号:2001CB209102),国家自然科学基金项目(编号:40072049)联合资助 作者简介王万春(1962-),女,甘肃民乐人,副研究员,主要从事稳定同位素及天然气地球化学研究 c1994-2008ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://mnw.cnkiner
文章编号: 167221926 (2003) 0620469205 收稿日期: 2003206224; 修回日期: 2003210220. 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目(编号: 2001CB209102) , 国家自然科学基金项目(编号: 40072049) 联合资助. 作者简介: 王万春(19622) , 女, 甘肃民乐人, 副研究员, 主要从事稳定同位素及天然气地球化学研究. 浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析 王万春1, 2 , 刘文汇1 , 刘全有1 (11 中国科学院兰州地质研究所, 甘肃 兰州 730000; 21 中国科学院研究生院, 北京 100039) 摘 要: 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。 关键词: 天然气; 碳同位素; 浅层; 混源 中图分类号: T E12211 + 13 文献标识码: A 0 前言 含油气盆地的浅层大多处在成岩作用阶段, 该 阶段生物化学作用活跃, 易生成并聚集生物成因(细 菌成因) 气藏[ 1, 2 ]。低于生油门限温度的热作用, 也能 使一些化学或热不稳定组分发生变化, 生成低温热 成因天然气[ 3, 4 ]。在构造运动活跃和断层、裂隙较发 育的地区, 浅层又是次生运移天然气聚集的场所。因 此, 不同成因天然气易在浅层聚集在同一气藏内而 形成浅层混源天然气藏。 天然气中甲烷及其同系物的碳同位素组成特征 与源岩母质类型和源岩热演化程度密切相关, 其相 关性是判识天然气成因与来源的主要地球化学指 标。但对于浅层混源天然气而言, 这些指标变得复杂 而难以应用。国内外诸多天然气研究资料对浅层混 源天然气的判识仅限于指出可能的两类混合端元, 在一些研究中也估算了混合端元所占的比例, 但很 少计算混源气的资源量或预测其勘探前景。已有的 天然气研究文献对浅层混源天然气的判识多依据甲 烷的碳同位素特征, 认为 ∆ 13C1 在- 60‰至- 50‰之 间的天然气为生物气与热成因气的混合气[ 5 ]。然而, 怎样有效判识浅层混源气藏中天然气的成因类型并 进行气- 源对比研究, 目前还缺乏足够的资料。本文 将通过对可能形成浅层混源气藏的单一气源天然气 碳同位素特征及变化规律的讨论, 分析浅层混源天 然气判识的碳同位素指标及其有效性。 1 浅层天然气的地球化学特征 浅层天然气包括生成于浅层的原生天然气、经 微生物改造的次生改造天然气和运移至浅层的次生 运移天然气等。浅层原生天然气又有生物成因(细菌 成因) 气和低温热成因气(生物- 热催化过渡带气)。 由于不同成因天然气成烃母质和成气机理的不同, 其地球化学特征也存在一定程度的差异。 111 生物成因(细菌成因) 气 生物成因气又可分为早期(原生) 生物成因气和 晚期(次生) 生物成因气。生物成因气约占世界天然 气资源的 20%。沉积物的快速沉积是生物成因气生 成与聚集的关键因素[ 6 ]。 (1) 早期(原生) 生物成因气。早期生物成因气 是指在沉积物埋藏早期, 有机质在甲烷菌的生物化 学作用下生成于浅层的(< 1 000m ) 天然气。生物成 因气一般具有很高的甲烷含量, 乙烷以上重烃气体 在烃类组分中的比例多低于 0105% [ 1, 2 ] , C1ö(C2+ C3 ) 比值通常大于 1 000[ 7, 8 ]。一般认为生物成因气甲 烷的 ∆ 13C 值小于- 60‰[ 5, 9 ] , 但也有学者将该值划 为- 55‰[ 10, 11 ]。图 1 是依据发表文献中 197 个生物 成因气甲烷 ∆ 13C 数据统计后绘制的 ∆ 13C1 分布图, 第 14 卷 第 6 期 2003 年 12 月 天 然 气 地 球 科 学 NA TU RAL GA S GEO SC IENCE V ol. 14 N o. 6 D ec. 2003 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
天然气地球科学 所统计的数据90%以上分布于<-60‰的范围,可则显示热成因气的特征。 见以-60‰作为划分生物成因气的甲烷δC值比1.2低温热成因气(生物-热催化过渡带气) 较合理 低温热成因气是烃源岩热演化尚未进入生油门 限的未成熟-低成熟条件下,有机质经低温热降解 作用而生成的天然气。对低温热成因气的认识目前 也存在不同的观点。 (1)早期热成因气 galimov针对西西伯利亚 U rengo超大型气田天然气的特征,提出了腐殖型 有机质早期(R=0.5%~0.7%)转化成烃的认识。 认为以甲烷为主、8C1在-50‰-46‰之间和 6C( 8C在-29.5‰±0.4‰的 U rengo超大气田的天 图1生物气甲烷8C1分布 然气既不是生物成因气,也非深部来源的过成熟气, 数据来源周翥虹等戴金星等戚厚发等吗 Rie and而是腐殖型有机质热演化早期经热化学反应生成的 Claypool, B air!4), Burke and Sackett! S), Schoel 2,M at- 早期热成因气。 Schaefer等l针对西西伯利亚天然 avel等6 气的形成,进行了低熟烃源岩在开放系统中的程序 对生物成因气藏中微量或痕量乙烷以上重烃气加温热模拟实验,发现即使在西西北利亚广泛分布 体的成因有两种观点一种认为与甲烷同源,即微生的陆相沉积 Poker组所处的低温条件下(R。=0.4% 物成因,另一种认为是有机质低温热解成因。 0.55%),早期热成因甲烷的生成也能够在一定的 微生物成因的观点目前尚缺乏有说服力的证但较小的程度上发生。然而,考虑到相应的产气面积 据,而低温热解成因可从以下几个方面证明:①甲烷和这类气体在气藏中的聚集,甲烷的生成量是能够 菌和未熟有机质的生化模拟实验生成的气态产物不达到 U rengo这样的气聚集量级的。因此认为早期 含重烃气体,②几十米至上千米的深海钻探中所热成因甲烷至少部分地对 U rengo天然气藏的聚 得到天然气的组分中乙烷与甲烷比值随深度増加而集做出了贡献。在冋样的热模拟实验下, Cramer 增加,③生物气中的重烃含量往往与沉积物的温度、等10测得低温下(260~300℃)所生成甲烷的δC 地层时代及有机质含量有关,④热解成因气的成在50.0‰%-53.5‰。 烃温度可低至60℃(甚至20℃)1n。 (2)低温热成因气。Rowe等l对加拿大西部沉 由于生物气中重烃组分含量低,重烃组分碳同积盆地 Co brado组浅层(<500m)源岩吸附气的研 位素的研究资料也较少。戴金星等0对我国生物成究发现,烃类气体具有很轻的碳同位素组成,其中 因气甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素研究表明:δC在δ℃在-67.7‰~-63.0‰之间,δ2在-54.1‰ 91‰-55‰之间8C2在-46.5‰-30.7‰~-43.6‰之间,83C3在-44.9‰-34.9‰之 之间和8C3在-32.5%-23.5‰之间,且δC1、间,正丁烷δC在-38.0%‰-32.4‰之间,C1 δ℃2和δ℃3值具有随重烃含量增加而变重的趋势,(C2+C3)比值在65-285之间。而且重烃气体具有 可能更多地反映了重烃组分的热成因特征 热成因气碳同位素变化的3个明显特征,即①δC (2)晚期(次生)生物成因气。指在较近的地质值随源岩热演化程度增加而增加,②在相同热演化 时期(几万年至几百万年)在古沉积岩(特别是煤层)条件下,δ℃值随碳数增加而增加,③源岩热演化程 中生成的气体,其生成与活跃的地下水系统密切相度越低,烃类组分间8℃值差异越大122。因此除 关。晚期生物成因气可以在区域水动力系统发育认为 Co brado组浅层源岩吸附气中除甲烷气体中 的各种煤级的煤层中生成,这是由于水的活动将氧有生物成因气混入外,还认为重烃气体为低温热成 及一些喜氧细菌带入煤层,使煤层中的复杂有机化因气,其成烃温度可低至60℃(甚至20℃),相应的 合物经过喜氧氧化作用变为厌氧的产甲烷菌能够利R。分布范围为0.25%~0.3%。 用的简单化合物,并随着水中溶解氧的消耗形成厌 (3)生物-热催化过渡带气。王万春等通过 氧环境而生成生物气。晩期生物成因气往往与热成对辽河盆地天然气地质及地球化学特征的研究,认 因煤成气混合而储集在煤层中,因此其甲烷碳同位为该盆地东部凹陷甲烷δ℃值在-5‰--50‰ 素组成偏轻(<-50‰),而乙烷、丙烷碳同位素组成之间,埋深较浅,是自生自储气藏中的天然气为生物 c1994-2008ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nnr.cnki.net
所统计的数据 90% 以上分布于< - 60‰的范围, 可 见以- 60‰作为划分生物成因气的甲烷 ∆ 13C 值比 较合理。 图 1 生物气甲烷 ∆ 13C1 分布 数据来源: 周翥虹等[12 ]; 戴金星等[10 ]; 戚厚发等[13 ]; R ice and Claypool[1 ]; B lair[14 ]; Burke and Sackett[15 ]; Schoell[2 ]; M at2 tavelli等[16 ] 对生物成因气藏中微量或痕量乙烷以上重烃气 体的成因有两种观点: 一种认为与甲烷同源, 即微生 物成因; 另一种认为是有机质低温热解成因。 微生物成因的观点目前尚缺乏有说服力的证 据, 而低温热解成因可从以下几个方面证明: ①甲烷 菌和未熟有机质的生化模拟实验生成的气态产物不 含重烃气体[ 13 ] ; ②几十米至上千米的深海钻探中所 得到天然气的组分中乙烷与甲烷比值随深度增加而 增加; ③生物气中的重烃含量往往与沉积物的温度、 地层时代及有机质含量有关[ 1 ] ; ④热解成因气的成 烃温度可低至 60℃(甚至 20℃) [ 4, 17 ]。 由于生物气中重烃组分含量低, 重烃组分碳同 位素的研究资料也较少。戴金星等[ 10 ]对我国生物成 因气甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素研究表明: ∆ 13C1 在 - 91‰～ - 55‰之间、∆ 13C2 在- 4615‰～ - 3017‰ 之间和 ∆ 13C3 在- 3215‰～ - 2315‰之间, 且 ∆ 13C1、 ∆ 13C2和∆ 13C3值具有随重烃含量增加而变重的趋势, 可能更多地反映了重烃组分的热成因特征。 (2) 晚期(次生) 生物成因气。指在较近的地质 时期(几万年至几百万年) 在古沉积岩(特别是煤层) 中生成的气体, 其生成与活跃的地下水系统密切相 关[ 18 ]。晚期生物成因气可以在区域水动力系统发育 的各种煤级的煤层中生成, 这是由于水的活动将氧 及一些喜氧细菌带入煤层, 使煤层中的复杂有机化 合物经过喜氧氧化作用变为厌氧的产甲烷菌能够利 用的简单化合物, 并随着水中溶解氧的消耗形成厌 氧环境而生成生物气。晚期生物成因气往往与热成 因煤成气混合而储集在煤层中, 因此其甲烷碳同位 素组成偏轻(< - 50‰) , 而乙烷、丙烷碳同位素组成 则显示热成因气的特征。 112 低温热成因气(生物- 热催化过渡带气) 低温热成因气是烃源岩热演化尚未进入生油门 限的未成熟- 低成熟条件下, 有机质经低温热降解 作用而生成的天然气。对低温热成因气的认识目前 也存在不同的观点。 (1) 早期热成因气: Galimov[ 3 ]针对西西伯利亚 U rengoy 超大型气田天然气的特征, 提出了腐殖型 有机质早期(R o= 015%～ 017% ) 转化成烃的认识。 认为以甲烷为主、∆ 13C1 在- 50‰～ - 46‰之间和 ∆ 13C2在- 2915‰±014‰的U rengoy 超大气田的天 然气既不是生物成因气, 也非深部来源的过成熟气, 而是腐殖型有机质热演化早期经热化学反应生成的 早期热成因气。Schaefer 等[ 19 ]针对西西伯利亚天然 气的形成, 进行了低熟烃源岩在开放系统中的程序 加温热模拟实验, 发现即使在西西北利亚广泛分布 的陆相沉积 Pokur 组所处的低温条件下(R o= 014% ～ 0155% ) , 早期热成因甲烷的生成也能够在一定的 但较小的程度上发生。然而, 考虑到相应的产气面积 和这类气体在气藏中的聚集, 甲烷的生成量是能够 达到U rengoy 这样的气聚集量级的。因此认为早期 热成因甲烷至少部分地对U rengoy 天然气藏的聚 集做出了贡献。 在同样的热模拟实验下, C ram er 等[ 20 ]测得低温下 (260～ 300℃) 所生成甲烷的 ∆ 13C 在- 5010‰～ - 5315‰。 (2) 低温热成因气。Row e 等[ 4 ]对加拿大西部沉 积盆地 Colorado 组浅层(< 500 m ) 源岩吸附气的研 究发现, 烃类气体具有很轻的碳同位素组成, 其中 ∆ 13C1 在- 6717‰～ - 6310‰之间, ∆ 13C2 在- 5411‰ ～ - 4316‰之间, ∆ 13C3 在- 4419‰～ - 3419‰之 间, 正丁烷 ∆ 13C 在- 3810‰～ - 3214‰之间, C1ö (C2+ C3) 比值在 65～ 285 之间。而且重烃气体具有 热成因气碳同位素变化的 3 个明显特征, 即: ①∆ 13C 值随源岩热演化程度增加而增加; ②在相同热演化 条件下, ∆ 13C 值随碳数增加而增加; ③源岩热演化程 度越低, 烃类组分间 ∆ 13C 值差异越大[ 21, 22 ]。因此除 认为 Colorado 组浅层源岩吸附气中除甲烷气体中 有生物成因气混入外, 还认为重烃气体为低温热成 因气, 其成烃温度可低至 60℃(甚至 20℃) , 相应的 R o 分布范围为 0125%～ 013%。 (3) 生物- 热催化过渡带气。王万春等[ 23 ]通过 对辽河盆地天然气地质及地球化学特征的研究, 认 为该盆地东部凹陷甲烷 ∆ 13C 值在- 55‰～ - 50‰ 之间, 埋深较浅, 是自生自储气藏中的天然气为生物 074 天 然 气 地 球 科 学 V ol114 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
No.6王万春等浅层混源天然气判识的碳同位素地球仳学分析 化学作用基本结束热作用大量成烃尚未开始的过 渡阶段生成的生物-热催化过渡带气。徐永昌等12 2影响浅层混源天然气碳同位素组成 经过进一步研究则认为过渡带气的甲烷具有较轻的 的主要因素 碳同位素组成(δC1值为-60‰-48‰,C/(.s 影响浅层混源天然气碳同位素组成的因素较 比值在0.7~0.9之间),过渡带气并非是典型的干多,可大致分为成藏期(气藏形成期)与成藏后期(气 气;过渡带气相应的源岩成熟度R。为0.25%藏保存期)两个方面。 0.6%、埋深为1000~2500m。刘文汇15通过对我 气藏形成过程中的影响因素主要是指浅层混源 国10多个沉积盆地过渡带气组分和同位素组成的天然气藏中所聚集天然气的成因类型及其在气藏中 分析认为过渡带气是以甲烷为主,含一定量重烃的所占比例。浅层天然气藏中所聚集的天然气依据源 烃类天然气,其δC1为-60‰%~-45%‰,各种类型岩热演化程度及生气机理不同有生物气、低温热成 的母质在演化的早期阶段均可形成过渡带气,但以因气及热成因气之分,依据源岩母质类型不同有油 偏腐殖型母质最为有利。而戴金星20则提出上述生型气与煤型气之分。当两种类型以上的天然气聚集 物-热催化过渡带气是亚生物气 在浅层气藏中后,各烃类组分含量及其碳同位素组 尽管不同学者对烃源岩在未成熟至低成熟演化成都将随所聚集天然气的类型及其聚集量的变化而 阶段生成的低温热成因天然气提出了不同的概念,发生变化 但对这类天然气的总体认识是一致的,即它们是有 气藏形成后的影响因素主要是指浅层气藏中的 机质经低温热作用生成的,是以甲烷为主要组分的微生物降解作用。浅部储层中不同程度的生物降解 且甲烷碳同位素组成较轻(δ3C值为-60‰至作用使天然气中的湿气组分减少,重烃组分特别是 50‰)的天然气,其烃源岩热演化程度在0.25%丙烷的碳同位素组成变重,从而使烃类组分碳同位 6%的范围。对低温热成因气中重烃组分的含量素出现异常分布,如我国济阳拗陷滨海地区的浅层 及其碳同位素组成的研究资料较少,目前尚无较为天然气3以及大港及华北油田的天然气2 一致的认识 1.3浅层次生天然气 3浅层混源天然气判识的地球化学指 浅层次生天然气包括运移至浅层的热成因天然 标分析 气和经微生物改造的天然气。运移至浅层的次生热 目前对各类成因天然气的研究已积累了大量资 成因天然气除组分组成相对变干外,各烃类组分的料,也有比较明确的烃类组分碳同位素划分标准。如 碳同位素组成基本不变3:1,因此其成因及来源相生物成因气甲烷含量高且δ℃1低于-60%低温热 对较易判识。经微生物改造的次生天然气指已形成成因气8℃1在-60‰%-50‰之间,热成因气8C 气藏中的烃类组分被微生物(细菌)有选择地降解后一般高于-50‰,热成因油型气和煤型气以δC2为 的气体,其结果是使残留的烃类组分碳同位素组成28‰作为区分界限等。然而,生物成因气与热成因 变重1 气的混合气8C1也分布于-60‰-50‰之间,其 如甲烷被甲烷氧化菌氧化时,轻同位素℃比重乙、丙烷碳同位素分布范围比较宽;,生物成因气中微 素C较快地被消耗。当生物成因天然气运量重烃气体也有较宽的乙、丙烷碳同位素分布范围, 移到喜氧环境中并被细菌部分氧化后,残余气体甲它们与热成因气及低温热成因气乙、丙烷碳同位素 烷的碳同位素组成将与热成因气的相似。然而,分布范围相互重叠,在实际应用中往往具有多解性 微生物对储层中烃类组分的改造更多地作用于湿气因此必须紧密结合浅层天然气藏形成的地质背景才 组分。强烈的微生物改造能够使湿气组分几乎全部能进行有效的成因判识。 消失而导致气藏中的天然气成为干气而这种干气又 (1)组分组成偏干的天然气。对于浅层天然气 容易与过成熟干气相混淆。在微生物改造天然气的而言,有3种情况可以造成其组分中有很高的甲烷 初始阶段,丙烷组分优先被破坏,使残余气体丙烷组含量:一是其为生物成因天然气2,二是其为较长 分减少且丙烷碳同位素组成显著变重。因此,对距离运移的次生运移天然气,三是其为遭受微生 气藏中烃类组分受微生物降解作用的正确认识将有物次生改造后的天然气。对这3中情况需结合甲 助于气一源对比及烃源岩热演化研究,特别是有助烷的碳同位素组成特征进行判识。δC1低于-60‰ 于对浅层天然气藏成因的判识 时,可判定其为生物成因天然气;8C1高于-50%‰ o1994-2008 China Academic ournal Electronic Publishing House. All rights reserved. hnp: //vww cnki ner
化学作用基本结束、热作用大量成烃尚未开始的过 渡阶段生成的生物- 热催化过渡带气。徐永昌等[ 24 ] 经过进一步研究则认为过渡带气的甲烷具有较轻的 碳同位素组成(∆ 13C1 值为- 60‰～ - 48‰, C1öC1- 5 比值在 017～ 019 之间) , 过渡带气并非是典型的干 气; 过渡带气相应的源岩成熟度 R o 为 0125%～ 016%、埋深为 1 000～ 2 500 m。刘文汇[ 25 ]通过对我 国 10 多个沉积盆地过渡带气组分和同位素组成的 分析认为: 过渡带气是以甲烷为主, 含一定量重烃的 烃类天然气, 其 ∆ 13C1 为- 60‰～ - 45‰; 各种类型 的母质在演化的早期阶段均可形成过渡带气, 但以 偏腐殖型母质最为有利。而戴金星[ 26 ]则提出上述生 物- 热催化过渡带气是亚生物气。 尽管不同学者对烃源岩在未成熟至低成熟演化 阶段生成的低温热成因天然气提出了不同的概念, 但对这类天然气的总体认识是一致的, 即它们是有 机质经低温热作用生成的, 是以甲烷为主要组分的 且 甲烷碳同位素组成较轻 (∆ 13C1 值为- 60‰至 - 50‰) 的天然气, 其烃源岩热演化程度在 0125% ～ 016% 的范围。对低温热成因气中重烃组分的含量 及其碳同位素组成的研究资料较少, 目前尚无较为 一致的认识。 113 浅层次生天然气 浅层次生天然气包括运移至浅层的热成因天然 气和经微生物改造的天然气。运移至浅层的次生热 成因天然气除组分组成相对变干外, 各烃类组分的 碳同位素组成基本不变[ 23, 27 ] , 因此其成因及来源相 对较易判识。经微生物改造的次生天然气指已形成 气藏中的烃类组分被微生物(细菌) 有选择地降解后 的气体, 其结果是使残留的烃类组分碳同位素组成 变重[ 28 ]。 如甲烷被甲烷氧化菌氧化时, 轻同位素12C 比重 同位素13C 较快地被消耗[ 29 ]。当生物成因天然气运 移到喜氧环境中并被细菌部分氧化后, 残余气体甲 烷的碳同位素组成将与热成因气的相似[ 30 ]。然而, 微生物对储层中烃类组分的改造更多地作用于湿气 组分。强烈的微生物改造能够使湿气组分几乎全部 消失而导致气藏中的天然气成为干气而这种干气又 容易与过成熟干气相混淆。在微生物改造天然气的 初始阶段, 丙烷组分优先被破坏, 使残余气体丙烷组 分减少且丙烷碳同位素组成显著变重[ 28 ]。因此, 对 气藏中烃类组分受微生物降解作用的正确认识将有 助于气—源对比及烃源岩热演化研究, 特别是有助 于对浅层天然气藏成因的判识。 2 影响浅层混源天然气碳同位素组成 的主要因素 影响浅层混源天然气碳同位素组成的因素较 多, 可大致分为成藏期(气藏形成期) 与成藏后期(气 藏保存期) 两个方面。 气藏形成过程中的影响因素主要是指浅层混源 天然气藏中所聚集天然气的成因类型及其在气藏中 所占比例。浅层天然气藏中所聚集的天然气依据源 岩热演化程度及生气机理不同有生物气、低温热成 因气及热成因气之分, 依据源岩母质类型不同有油 型气与煤型气之分。当两种类型以上的天然气聚集 在浅层气藏中后, 各烃类组分含量及其碳同位素组 成都将随所聚集天然气的类型及其聚集量的变化而 发生变化。 气藏形成后的影响因素主要是指浅层气藏中的 微生物降解作用。浅部储层中不同程度的生物降解 作用使天然气中的湿气组分减少, 重烃组分特别是 丙烷的碳同位素组成变重, 从而使烃类组分碳同位 素出现异常分布, 如我国济阳拗陷滨海地区的浅层 天然气[ 31 ]以及大港及华北油田的天然气[ 32 ]。 3 浅层混源天然气判识的地球化学指 标分析 目前对各类成因天然气的研究已积累了大量资 料, 也有比较明确的烃类组分碳同位素划分标准。如 生物成因气甲烷含量高且 ∆ 13C1 低于- 60‰; 低温热 成因气 ∆ 13C1 在- 60‰～ - 50‰之间; 热成因气∆ 13C1 一般高于- 50‰; 热成因油型气和煤型气以∆ 13C2为 - 28‰作为区分界限等。然而, 生物成因气与热成因 气的混合气∆ 13C1也分布于- 60‰～ - 50‰之间, 其 乙、丙烷碳同位素分布范围比较宽; 生物成因气中微 量重烃气体也有较宽的乙、丙烷碳同位素分布范围, 它们与热成因气及低温热成因气乙、丙烷碳同位素 分布范围相互重叠, 在实际应用中往往具有多解性。 因此必须紧密结合浅层天然气藏形成的地质背景才 能进行有效的成因判识。 (1) 组分组成偏干的天然气。对于浅层天然气 而言, 有 3 种情况可以造成其组分中有很高的甲烷 含量: 一是其为生物成因天然气[ 1, 2 ] ; 二是其为较长 距离运移的次生运移天然气[ 23 ] , 三是其为遭受微生 物次生改造后的天然气[ 30 ]。对这 3 中情况需结合甲 烷的碳同位素组成特征进行判识。∆ 13C1 低于- 60‰ 时, 可判定其为生物成因天然气; ∆ 13C1 高于- 50‰ N o16 王万春等: 浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析 174 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
天然气地球科学 时,可判定其为次生运移天然气或遭受微生物次生 em ical Geobgy, 1988, 71: 1-10 改造后的天然气。在第3种情况下,又需结合乙烷及 6 Rice DD. Bogeni gas Controls, habitats, and resource po- 丙烷的碳同位素组成特征和生气母质类型进行判 tential[A I Howell D G The Future of Energy Gases[C p Wash ington U nited States Goverm ent Prnting Office, 1993 识。次生运移天然气重烃组分的碳同位素应具有正 583-606 序分布特征,遭受微生物次生改造后的天然气重烃(7 Cicerone R J, Orem bndr S B Geochem ical aspects of am 组分由于受微生物的选择性降解,其碳同位素分布 osphere methane[J] Gbbal B geochem ical Cycles 1988, 2 会出现局部反序的现象 (2)组分组成较湿的天然气。其一般为正常原8 Faber E,suhw, W hitiar M J. D ist ictin of bacterial and 油伴生气1或低熟油伴生气,也可为原油伴生气 thermogenic hydrocarbon gases IA V ally R Bacterial Gas IC) Paris Editions Techni, 1992 63-74 与生物成因气的混合气1。此时需依据各烃类组分 [9 FuexA N. The use of stable carbon isotopes in hydrocarbon ex- 的碳同位素组成进行判识,如当δC1>-50‰ pbratin [J) Journal of Geochem ical Exp bratin, 1977, 7 8℃2>-35‰和8C3-8C26‰时,可能为未熟一低熟油伴生气当 鉴别标志卩}中国科学(B辑),1993,23(3):303-310 ]沈平,徐永昌,王先彬等气源岩和天然气地球化学特征及 8C1-35‰和8C3-8C2<5% 成气机理研究M↓兰州:甘肃科学技术出版社,1991.37-61 时,可能为原油伴生气与生物成因气的混合[12]周翥虹,周瑞年管志强柴达木盆地东部第四系气源岩地化 气3 特征与生物气前景U}石油勘探与开发,1994,21(2):30- 36 4结论 [13]戚厚发,关德师,钱贻伯,等中国生物气成藏条件M}北 京:石油工业出版社,1997.48-160 浅层天然气包括生成于浅层的原生天然气、遭141BhrN. The dc of biogenic methane in marine sed ments 微生物降解的次生改造天然气和运移至浅层的次生 The nfluence of Corg deposit in rate [ J I Chen ical geo bgy 运移天然气等。浅层原生天然气又有生物成因(细菌 98.152:139-150 成因)气和低温热成因气(生物-热催化过渡带气)[5 BurkeR J, ackett, table hydrogen and carbon 之分。因此,不同成因天然气易在浅层聚集在同一气 ic compositons of bogeni methanes from several shalbw 藏内,可形成浅层混源天然气藏。影响浅层混源天然 aquati environments(A Sohn M L. Organ i M ar ine Geo ICJ. ACS Symposium Series 305 17, 297-31 气碳同位素组成的主要因素是:浅层混源天然气藏 American Chem cal Societv, 1986. 中所聚集天然气的成因类型及其在气藏中所占的比[161 M attavelli L, Ricchiuto T, Grignani D, et al Geochem istry 例,和浅层气藏中的微生物降解作用。对浅层混源天 然气的成因判识主要依据其组分组成及各烃类组分 AA PG Bull,1983,67:2239-2254 的碳同位素组成特征,并紧密结合浅层天然气藏形 [17] Littke R, Cramer B, Gerling P, et al Gas generatin and cumulation n the West Siberan Basin I AAPG Bull, 1999, 成的地质背景进行。 参考文献 [18] Rice D D. Composit in and origins of coalbed gas[A I La B E, RiceD D. Hydrocarbons from Coal[C ]. American A soca- [1 Rie DD, Claypool G E Generaton, accum ulation, and res- ton of Petroleum Geobgists Studies n Geobgy, 1993. 159- ource potental of bogen gas[J.AAPG Bull, 1981, 65:5- [19 Schaefer R G, Galushkin Y L, KolbffA, et al Reactin kinet- [2 Schoell M. The hydrogen and carbon iso top ic composit on of ics of gas generatin in selected source rocks of the w est Sberr methane from natural gases of varous origins) Geochem ia Basin: mp licaton for the mass balance of early-themogenc et Cosmochem ica A cta. 1980.44: 649-66 ethane[J] Chem al Geobgy, 1999, 156: 41-65 (3 Galmov EM. Sources and mechanism s of fomation of gas- [20] Cramer B, Krooss B M, L ittke R Modelling isotope frac- eous hydrocarbons in sedmentary rocks[J) Chen ical Geo- tonaton during prmary crack ng of natural gas A reacton kr bgy,1988,71:77-95 netic app roach[J] Chem ical Geobgy, 1998, 149: 235-250 [4 Rowe D, Muehlenbachs A. Low-temperature themal gener- James A T. Correlatin of natural gas by use of carbon iso- aton of hydrocarbon gases in shalbw shales[J] Nature, 1999, e distr buton betw een hydrocarbon components[J)Aa- 398:61-63 G Bull,1983,67:1176-1191 5]SchoellM. Multple orig ns of methane in the Earth[)Ch [22 Clay ton C Carbon isotope fractonaton during natural gas gen c1994-2008ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://mnw.cnkiner
时, 可判定其为次生运移天然气或遭受微生物次生 改造后的天然气。在第 3 种情况下, 又需结合乙烷及 丙烷的碳同位素组成特征和生气母质类型进行判 识。次生运移天然气重烃组分的碳同位素应具有正 序分布特征; 遭受微生物次生改造后的天然气重烃 组分由于受微生物的选择性降解, 其碳同位素分布 会出现局部反序的现象。 (2) 组分组成较湿的天然气。其一般为正常原 油伴生气[ 11 ]或低熟油伴生气[ 33 ] , 也可为原油伴生气 与生物成因气的混合气[ 5 ]。此时需依据各烃类组分 的碳同位素组成进行判识, 如当 ∆ 13C1 > - 50‰、 ∆ 13C2> - 35‰和 ∆ 13C3 - ∆ 13C2 6‰时, 可能为未熟—低熟油伴生气; 当 ∆ 13C1 - 35‰和 ∆ 13C3 - ∆ 13C2< 5‰ 时, 可 能 为 原 油 伴 生 气 与 生 物 成 因 气 的 混 合 气[ 34～ 36 ]。 4 结论 浅层天然气包括生成于浅层的原生天然气、遭 微生物降解的次生改造天然气和运移至浅层的次生 运移天然气等。浅层原生天然气又有生物成因(细菌 成因) 气和低温热成因气(生物- 热催化过渡带气) 之分。因此, 不同成因天然气易在浅层聚集在同一气 藏内, 可形成浅层混源天然气藏。影响浅层混源天然 气碳同位素组成的主要因素是: 浅层混源天然气藏 中所聚集天然气的成因类型及其在气藏中所占的比 例, 和浅层气藏中的微生物降解作用。对浅层混源天 然气的成因判识主要依据其组分组成及各烃类组分 的碳同位素组成特征, 并紧密结合浅层天然气藏形 成的地质背景进行。 参考文献: [ 1 ] R ice D D, Claypool G E. Generation, accum ulation, and res2 ource potential of biogenic gas[J ] 1AA PG Bull. , 1981, 65: 52 251 [2 ] Schoell M. The hydrogen and carbon isotop ic composition of m ethane from natural gases of various origins[J ]. Geochem ica et Cosmochem ica A cta, 1980, 44: 6492661. [ 3 ] Galimov E M. Sources and m echanism s of form ation of gas2 eous hydrocarbons in sedim entary rocks[J ]. Chem ical Geo2 logy, 1988, 71: 77295. [ 4 ] Row e D, M uehlenbachs A. Low 2temperature therm al gener2 ation of hydrocarbon gases in shallow shales[J ]. N ature, 1999, 398: 61263. [ 5 ] SchoellM. M ultip le origins of m ethane in the Earth[J ]. Ch2 em ical Geology, 1988, 71: 1210. [ 6 ] R ice D D. B iogenic gas: Controls, habitats, and resource po2 tential[A ]. How ell D G. The Future of Energy Gases[C ]. W ashington: U nited States Governm ent P rinting O ffice, 1993. 5832606. [ 7 ] Cicerone R J, O rem land R S. B iogeochem ical aspects of atm 2 ospheric m ethane [J ]. Global B iogeochem ical Cycles, 1988, 2 (4): 2992327. [ 8 ] Faber E, StahlW J, W hiticar M J. D istiction of bacterial and thermogenic hydrocarbon gases[A ]. V ially R. Bacterial Gas [C ]. Paris: Editions Technip, 1992. 63274. [ 9 ] Fuex A N. The use of stable carbon isotopes in hydrocarbon ex2 p loration [J ]. Journal of Geochem ical Exp loration, 1977, 7: 155218. [10 ] 戴金星, 陈英. 中国生物气中烷烃组分的碳同位素特征及其 鉴别标志[J ]. 中国科学(B 辑) , 1993, 23 (3): 3032310. [ 11 ] 沈平, 徐永昌, 王先彬, 等. 气源岩和天然气地球化学特征及 成气机理研究[M ]. 兰州: 甘肃科学技术出版社, 1991137261. [ 12 ] 周翥虹, 周瑞年, 管志强. 柴达木盆地东部第四系气源岩地化 特征与生物气前景[J ]. 石油勘探与开发, 1994, 21 (2): 302 36. [13 ] 戚厚发, 关德师, 钱贻伯, 等. 中国生物气成藏条件[M ]. 北 京: 石油工业出版社, 19971482160. [ 14 ] B lair N. The ∆ 13C of biogenic m ethane in m arine sedim ents: The influence of Corg deposition rate [J ]. Chem ical geology, 1998, 152: 1392150. [ 15 ] Burke R A J r, Sackett W M. Stable hydrogen and carbon iso2 top ic compositions of biogenic m ethanes from several shallow aquatic environm ents[A ]. Sohn M L. O rganic M arine Geo2 chem istry [ C ] 1ACS Symposium Series 305. 17, 2972313. Am erican Chem ical Society, 19861 [16 ] M attavelli L , R icchiuto T, Grignani D, et al. Geochem istry and habitat of natural gases in Po Basin, Northern Italy [J ]. AA PG Bull. , 1983, 67: 223922254. [ 17 ] L ittke R, Cram er B, Gerling P, et al. Gas generation and ac2 cum ulation in theW est Siberian Basin[J ]. AA PG Bull. , 1999, 83: 164221665. [ 18 ] R ice D D. Composition and origins of coalbed gas[A ]. L aw B E, R ice D D. Hydrocarbons from Coal[C ]1Am erican A ssocia2 tion of Petroleum Geologists Studies in Geology, 199311592 184. [ 19 ] Schaefer R G, Galushkin Y I, Kolloff A , et al. Reaction kinet2 ics of gas generation in selected source rocks of theW est Siberi2 an Basin: imp lication for the m ass balance of early2thermogenic m ethane[J ]. Chem ical Geology, 1999, 156: 41265. [ 20 ] Cram er B, KroossB M , L ittke R. M odelling isotope frac2 tionation during p rim ary cracking of natural gas: A reaction ki2 netic app roach[J ]. Chem ical Geology, 1998, 149: 2352250. [ 21 ] Jam es A T. Correlation of natural gas by use of carbon iso2 top ic distribution betw een hydrocarbon components[J ]. AA 2 PG Bull. , 1983, 67: 117621191. [ 22 ] Clayton C. Carbon isotope fractionation during natural gas gen2 274 天 然 气 地 球 科 学 V ol114 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
No.6王万春等浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析 gratin from kerogen() Marine Petroleum( Geobgy), 1991, stable carbon is topes of methane in process of m robo ical oxidaton[J) Geokhm ia, 1979: 291-297. [23]王万春,刘文汇,徐永昌,等辽河盆地天然气地球化学特征[30] Coleman dd, Risattij B, Schoellm. Fractionation of A↓中国科学院兰州地质研究所生物气体地球化学开放研 bon iso topes by methane-ox iiing bactera[J l Geochem ia et 究实验室研究年报(1987)[C].兰州:甘肃科学技术出版社, 3-1037 1988.30-46 [31]张林晔李学田济阳坳陷滨海地区浅层天然气成因卩}石 [24]徐永昌,沈平,刘文汇,等一种新的天然气成因类型—生物 油勘探与开发,1990,(1):1-7 一热催化过渡带气U}中国科学B辑),1990,(9):975-98032]戴金星概论有机烷烃气碳同位素系列倒转的成因问題卩 [25]刘文汇过渡带天然气地球化学特征卩}地球化学,1995,24 天然气工业,1990,10(6):15-20 (4):368-378 [33]徐永昌,沈平郑建京,等云南中、小盆地低演化天然气地球 [26]戴金星各类烷烃气的鉴别卩}中国科学(B辑),1992,22 化学特征科学通报,199,44(8):887-890 (2):187-193 [34]王万春,刘文汇,高波,等我国浅层复合气藏中天然气的成 [27] Jenden P D, Newell K D, Kap lan IR, et al Compositon and 因鉴别[J}天然气工业,2003,23(3):20-23 bk- iso tope geochem istry of natural gases from Kansas, M id[35]刘文汇,刘全有,徐永昌,等天然气地球化学数据的获取和应 ntinent, U SA[I Chem ical Geobgy, 1988, 71: 117-147 用[}天然气地球科学,2003,14(1):21-29 [28] JamesA t, Bumsb j m crobial alteration of subsurface natu-[36]徐永昌,刘文汇,沈平,等天然气地球化学的重要分支—稀 ral gas accum ulatons[J) AAPG Bull, 1984, 68: 957-960 有气体地球化学U}天然气地球科学,2003,14(3):157-166 [29] Zyakun A M, Bondar V A, Nam saraev B B. Fractonaton of ANALY SES OF THE CARBON ISOTOPIC GEOCHEM ITRY OF THE M -SOURCED SHALLOW RESERVO IR NA TURAL GAS DENT IFICATON WANGW an-chun",LU Wen-hui,L U Quan-you (1 Lanzhou Institute of Geology, Ch inese A cadeny of Sciences, L an: hou 730000, China, 2 Graduate School of the Chinese A cadem y of Sciences, B ej ing 100039, China) Abstract Becau se of the co-effects of the bi-chem ical degradat in the them al degradation and the tecton i ac- tiv ity, natural gases of varous orig ins tend to accum u late in one shalbw reservo ir and fo mm sourced shallow gas reservo irs in the oil and gas-bearing basins In th is paper, the com ponent and carbon iso top c distributon characteristics of the orig inal shalbw gases (ie, bigen ic gas and bw-tem perature themolgen ic gas) and the secondary orig inated shalbw gases(ie, secondary m grated gas and bi-degraded gas) have been expounded the m ain factors w hich affect the carbon iso top ic com posit Dns of the m ix-sourced shalbw reservo ir gases have been d iscussed, and the geochem ical ind icators for the differentiat n of natural gases in the m sourced shalbw gas reservo irs have been analyzed Key words N atural gas Carbon iso tope, Shalbw reservo ir, M ied sources 201994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.allrightsreserved.http:/nnscnkiner
eration from kerogen [J ]. M arine Petroleum (Geology) , 1991, 8: 2322240. [ 23 ] 王万春, 刘文汇, 徐永昌, 等. 辽河盆地天然气地球化学特征 [A ]. 中国科学院兰州地质研究所生物、气体地球化学开放研 究实验室研究年报(1987) [C ]1 兰州: 甘肃科学技术出版社, 1988130246. [ 24 ] 徐永昌, 沈平, 刘文汇, 等. 一种新的天然气成因类型——生物 —热催化过渡带气[J ]. 中国科学(B 辑) , 1990, (9): 9752980. [ 25 ] 刘文汇. 过渡带天然气地球化学特征[J ]. 地球化学, 1995, 24 (4): 3682378. [ 26 ] 戴金星. 各类烷烃气的鉴别[J ]. 中国科学(B 辑) , 1992, 22 (2): 1872193. [ 27 ] Jenden P D, N ew ell K D, Kap lan I R, et al. Composition and stable2isotope geochem istry of natural gases from Kansas, M id2 continent, U S A [J ]. Chem ical Geology, 1988, 71: 1172147. [ 28 ] Jam es A T, BurnsB J. M icrobial alteration of subsurface natu2 ral gas accum ulations[J ]. AA PG Bull. , 1984, 68: 9572960. [ 29 ] Zyakun A M , Bondar V A , N am saraev B B. F ractionation of stable carbon isotopes of m ethane in p rocess of m icrobiological oxidation[J ]. Geokhim iya, 1979: 2912297. [ 30 ] Colem an D D, R isattiJ B, SchoellM. F ractionation of car2 bon isotopes by m ethane2oxidizing bacteria [J ]. Geochem ica et Cosmochem ica A cta, 1981, 45: 103321037. [ 31 ] 张林晔, 李学田. 济阳坳陷滨海地区浅层天然气成因[J ]. 石 油勘探与开发, 1990, (1): 127. [ 32 ] 戴金星. 概论有机烷烃气碳同位素系列倒转的成因问题[J ]. 天然气工业, 1990, 10 (6): 15220. [ 33 ] 徐永昌, 沈平, 郑建京, 等. 云南中、小盆地低演化天然气地球 化学特征[J ]. 科学通报, 1999, 44 (8): 8872890. [ 34 ] 王万春, 刘文汇, 高波, 等. 我国浅层复合气藏中天然气的成 因鉴别[J ]. 天然气工业, 2003, 23 (3): 20223. [ 35 ] 刘文汇, 刘全有, 徐永昌, 等. 天然气地球化学数据的获取和应 用[J ]. 天然气地球科学, 2003, 14 (1): 21229. [ 36 ] 徐永昌, 刘文汇, 沈平, 等. 天然气地球化学的重要分支——稀 有气体地球化学[J ]. 天然气地球科学, 2003, 14 (3): 1572166. ANALY SES OF THE CARBON ISOTOP IC GEOCHEM ISTRY OF THE M IX-SOURCED SHALLOW RESERVO IR NATURAL GAS ID ENTIF ICATION WAN GW an2chun1, 2 , L IU W en2hui1 , L IU Q uan2you 1 (1. L anzhou Institute of Geolog y , Ch inese A cad em y of S ciences, L anzhou 730000, Ch ina; 2. G rad uate S chool of the Ch inese A cad em y of S ciences, B eij ing 100039, Ch ina) Abstract: Because of the co2effects of the bio2chem ical degradation, the therm al degradation and the tectonic ac2 tivity, natural gases of various origins tend to accum ulate in one shallow reservoir and form m ix2sourced shallow gas reservoirs in the oil and gas2bearing basins. In th is paper, the component and carbon isotop ic distribution characteristics of the original shallow gases (i. e. , biogenic gas and low 2temperature thermolgenic gas) and the secondary originated shallow gases (i. e. , secondary m igrated gas and bio2degraded gas) have been expounded, the m ain factors w h ich affect the carbon isotop ic compositions of the m ix2sourced shallow reservoir gases have been discussed, and the geochem ical indicators for the differentiation of natural gases in them ix2sourced shallow gas reservoirs have been analyzed. Key words: N atural gas; Carbon isotope; Shallow reservoir; M ixed sources. N o16 王万春等: 浅层混源天然气判识的碳同位素地球化学分析 374 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
