1、天然氣無機成因學說的開展和目前的研究進展及判別方法-謝生杰-161080291?非常規油氣地質與勘探?課程論文題目：天然氣無機成因學說的開展和目前的研究進展及判別方法班級： 地科研1601 姓名： 謝生杰 學號： 161080291 指導老師： 姚志剛 實驗日期： 2023年4月 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc479779696 1前言 PAGEREF _Toc479779696 h 1 HYPERLINK l _Toc479779697 2無機天然氣的類型 PAGEREF _Toc479779697 h 2 HYPERLINK l _Toc479779

2、698 2.1地幔說 PAGEREF _Toc479779698 h 2 HYPERLINK l _Toc479779699 2.2中地殼與費托地質合成說 PAGEREF _Toc479779699 h 2 HYPERLINK l _Toc479779700 2.3板塊構造與費托地質合成說 PAGEREF _Toc479779700 h 3 HYPERLINK l _Toc479779701 2.3.1超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反響脫蛇紋石化均是氫的地質來源 PAGEREF _Toc479779701 h 4 HYPERLINK l _Toc479779702 2.3.2 CO2來源 PAGER

3、EF _Toc479779702 h 4 HYPERLINK l _Toc479779703 2.3.3催化劑 PAGEREF _Toc479779703 h 4 HYPERLINK l _Toc479779704 3無機成因天然氣的鑒別 PAGEREF _Toc479779704 h 5 HYPERLINK l _Toc479779705 3.1烷烴氣甲烷碳同位素 PAGEREF _Toc479779705 h 5 HYPERLINK l _Toc479779706 3.2無機成因烷烴氣負碳同位素 PAGEREF _Toc479779706 h 7 HYPERLINK l _Toc47977

4、9707 3.3R/Ra0.5和13C113C20 是無機成因烷烴氣指標 PAGEREF _Toc479779707 h 8 HYPERLINK l _Toc479779708 3.4CH4/3He106是無機成因烷烴氣甲烷,CH4/3He1011是有機成因烷烴氣 PAGEREF _Toc479779708 h 8 HYPERLINK l _Toc479779709 4無機成因二氧化碳氣 PAGEREF _Toc479779709 h 8 HYPERLINK l _Toc479779710 4.1碳同位素鑒別法 PAGEREF _Toc479779710 h 9 HYPERLINK l _To

5、c479779711 4.2CO2組分含量鑒別法 PAGEREF _Toc479779711 h 9 HYPERLINK l _Toc479779712 4.3CO2含量及其碳同位素綜合鑒別法 PAGEREF _Toc479779712 h 9前言石油成因問題的爭論由來已久。目前，石油有機成因論在油氣地質學占主導地位，但是對石油無機成因的研究也似乎一直在進行著。我國無機成因油氣理論的研究走在世界的前沿。科學實踐證明，在油氣中很大局部，特別是石油是有機成因的，然而并不排除在油氣中相當多的局部，特別是天然氣是無機成因的。無機成因油氣論系指油氣的組成元素是非生物源的，其形成與生物作用無關而是無機化學

6、作用的結果。無機成因油氣田是指其中占絕對優勢的組分或各組分均是無機成因的。從18世紀中葉無機成因油氣論產生至20世紀70年代，是以地質為主，特別是以大地構造臆測為根底的古典無機成因油氣論階段，其特征是從油氣本身地球化學角度來定量研究油氣無機成因不夠，而多靠旁推側擊的地質推論來說明油氣無機成因，從而導致無機成因油氣論處于興短衰長的被動局面。從1763年至今，大量無機成因油氣論者提出了大膽的推論，可惜他們對油氣本身地球化學缺乏深入研究或沒有研究油氣主體的地球化學，只去探索油氣的附屬的地球化學，使其立論難以獲得支持。近一二十年來，非生物無機生油氣學說得到了開展。隨著石油勘探的深入與開展，干酪根熱降解

7、理論面臨越來越大的挑戰；而宇宙化學與地球形成的新學說，板塊構造學說的開展及應用，地殼超深鉆的不斷實踐，同位素地球化學特別是Pb、Sr、Nd固體同位素研究的深入，均為油氣形成機理提供了許多新的信息和思路。傳統的有機成因和無機成因油氣理論的爭論焦點是有關油氣存在的地球化學條件或依據。一般認為，無機成因的油氣是在高溫下形成的，在高溫狀況下，石油能否形成和存在，還是個有爭議并且值得深入研究的問題，而高溫條件下烴類氣特別是甲烷和二氧化碳存在和形成那么有充分的地球化學依據。油氣成因可歸結為兩大派，即無機成因和有機成因；其形成與生物作用無關而是化學作用的結果。而在現今我認為主要的天然氣無機成因又分為了地幔脫

8、氣和的費-托合成理論。無機天然氣的類型地幔說Gold等(1982；1984；1993)依據太陽系、地球形成演化的模型，認為13地球深部存在著大量的甲烷及其他非烴資源，這些甲烷在地球形成時就已存在，大最復原狀態的碳是地殼深部被加熱而釋放出來的。經過地質歷史的種種變化，這些甲烷向上運移，并大量聚集在地殼深度15km左右的地帶，形成無機成因的油氣藏。根據地球演化理論，大約在距今3500Ma，由地幔物質脫水作用形成的大氣圈是復原性的，當時沒有游離氧，但有甲烷等；當地球開始凝聚時，原始大氣中的甲烷等氣體作為“化石保存在上地慢或地殼深處。當存在怠慢柱并有深大斷裂時，這些甲烷氣便通過斷裂、火山活動或在地殼運

9、動中釋放。顯然，這種釋放過程貫穿整個地質時期，但它有幾個主要釋放期。由地慢脫氣作用釋放出來的所有氣體，大局部被逸散到大氣中，僅有局部形成了天然氣藏。就目前來說，這種氣藏多與沉積巖層有關，但是火山巖氣藏正越來越多地被發現。還有一個問題，這些深源氣也可能與有機成因氣混合。東太平洋、紅海、冰島、中國五大連池、中國云南騰沖等火山區均有這類成因的天然氣。Gold等認為2,3，大陸板塊邊緣褶皺帶、大型地殼裂谷、地震活動帶、活火山或死火山附近，以及已查明富集油氣的線性帶的外延局部，均是油氣概率極高的地區。前蘇聯科學院地質研究所極為重視地球深源氣的研究4。根據他們的理論以及實驗模擬，并從大量的地球化學資料中論

10、證了在強復原條件下形成的深源氣是氫氣、各種烴類氣及硫化氫。他們認為，在上地幔這種特有的溫度和壓力條件下，液-氣相是氫和烴的巨大儲氣庫。地球深源氣向地殼表層運移的氫和甲烷的脫氣過程受構造控制，深斷裂帶、裂谷、地塹、坳拉谷、撓折-斷層帶等均是深源氣垂直運移的通道，即“脫氣作用管。根據熱力學計算，在壓力為65kPa， 溫度為1700的條件下模擬說明，高壓一方面可使烷類熱分解得以抑制，另一方面那么促使烴類的環化、聚合作用和凝析作用，從而向高分子的烴類演化，這為深源氣合成油提供了實驗依據。中地殼與費托地質合成說沃里沃夫斯基等5提出了陸殼巖漿潛入式增長的超基性蛇紋巖底辟說。他們認為：陸殼的結晶局部不全是由

11、高變質的層狀結晶巖所構成，即在花崗巖花崗片麻巖與玄武巖中間夾有可塑性的超基性蛇紋巖。在地殼開展早期是雙層結構，后來由于可塑性的超基性巖的擠入使上下層別離，并發生破裂，即所謂的“超基性蛇紋巖底辟說。這種超基性巖在地球物理上的顯著特點是低速、高導性。根據上述機理，上層的花崗巖花崗片麻巖呈不連續的斷塊似乎飄浮在這層超基性巖上。地幔脫氣生成的CO2、CO、H2沿玄武巖的破裂帶上升到超基性的蛇紋巖帶，發生了著名的費托合成反響:CO2+H2Fe,Co,Ni,V(300400）CnHm+H2O+Q費托合成的烴類伴隨著巖漿活動如火山噴發沿花崗巖缺失的“通道上升，并運移到儲集層形成油氣藏。這樣一來，我們可以形象

12、地描述: 蛇紋石化超基性巖是油氣生成的“發生器，油氣的費托合成反響便在此帶發生; 沉積盆地由于有孔隙好的砂巖、白云巖等，成為油氣的“存儲器; 上地幔是油氣生成的“原料庫。這三者缺一不可，但必須有“通道相互連通。這是目前對地殼結構的新認識，從而為油氣非生物( 無機) 生成理論注入了新的活力，使非生物( 無機) 成因論擺脫了“烴類無法存在于上地幔的高溫條件的困境。沃里沃夫斯基等研究了上述陸殼結構與含油氣盆地的關系，特別是研究了世界 9個大型、超大型含油氣盆地的結構、地球物理參數，發現這些大型、超大型含油氣盆地的沉積層均直接與蛇紋石化超基性巖或玄武巖接觸而缺失花崗巖，他把這種盆地稱為“缺花崗巖型盆地

13、，并認為凡底部缺失花崗巖的盆地而其中地殼有低速高導層，均蘊藏著巨大的油氣資源。板塊構造與費托地質合成說費托地質合成反響能否在地質條件下實現，困難主要在于催化劑、氫氣和二氧化碳的來源問題。事實上，早在1963年，前倫敦皇家學會主席、著名化學家 Robinson6,7就注意到原油中正構烷烴的分布與費托合成“臨氫重整油中的相同。據此，他認為地球上原始石油可能是在20億年前通過費托合成反響而生成，只是以后反復經受了“臨氫重整作用，同時參加了數量日益增加的生物物質。Studier等8證實了在實驗室進行費托合成，然后重新加熱，使合成油發生鏈烷烴到芳香烴的局部轉化，就能重現碳質球粒隕石中所觀察到的那種烴類成

14、分，即低碳數烴以苯和甲苯為主，高碳數烴以脂族烴為主。Lancet等9指出: 碳質球粒隕石中烴類與碳酸鹽礦物之間碳同位素分布的巨大差異，可以通過費托合成反響而再現; 而碳質球粒隕石中可溶性有機質的13C卻與原油的13C值十分相近。化學家的上述真知灼見沒有引起石油地質學家、地球化學家的注意和重視。直到20世紀80年代，阿曼蛇綠巖帶橄欖巖的蛇紋石化生成大量氫的現象已在地質考察中觀察到，而地下鉆探、實驗研究也均證實了這一現象，地質學家才開始重新審視費托合成反響的石油地質意義。超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反響脫蛇紋石化均是氫的地質來源自然界常見到超鐵鎂巖的蛇紋石化，伴隨蛇紋石化過程有氫氣放出，如果蛇紋石與水

15、鎂石反響，那么可生成橄欖石、磁鐵礦、水和氫氣。這個反響即所謂脫蛇紋石化作用。因此，只要地殼上發生超鐵鎂巖的蛇紋石化及其逆反響脫蛇紋石化，便可產生大量的氫，而大洋中脊、板塊俯沖帶、裂谷那么都是超鐵鎂巖蝕變生氫的有利場所。CO2來源蛇綠巖、科馬提巖等超鐵鎂巖經常有白云石、菱鎂礦等碳酸鹽礦物共生，在蛇紋石化過程中，這些碳酸鹽礦物有可能局部或完全離解脫碳生成 CO2。板塊俯沖、巖漿侵入、裂谷等地質背景均適宜CO2的排放，這局部CO2可按費托合成原理轉化成烴類。催化劑研究說明:在費托合成反響中，不僅金屬鐵有催化活性，離子化氧化的鐵有與金屬鐵一樣的催化活性。在合成過程中由于CO2的離解，表層磁鐵礦會不斷氧

16、化成赤鐵礦; 同時在氫的作用下，它又重新復原成磁鐵礦。研究還說明:在500的溫度下，氧化鐵可以與它的承載物氧化硅或氧化鋁交換陽離子，即鐵離子進入了承載晶格比擬穩定的位置，因而獲得了良好的催化活性。由此推測鐵硅酸鹽可能也是費托合成反響的活潑催化劑，而磁鐵礦、赤鐵礦、鐵硅酸鹽都是地殼中常見的礦物，完全可以滿足費托合成反響的需要。無機成因天然氣的鑒別我個人通過看了文獻認為無機成因天然氣的鑒別主要分為烷烴氣的鑒別和二氧化碳氣的鑒別。但在國內外，無機成因二氧化碳氣的鑒別要遜色與無機成因烷烴氣相比。無機成因二氧化碳氣指氣的組分中二氧化碳占多，而顯而易見無機成因烷烴氣就是指在氣的組分中烷烴占主要。在無機成因

17、烷烴氣的鑒別指標主要有甲烷碳同位素、負碳同位素系列等。在無機成因二氧化碳氣的鑒別指標主要有二氧化碳的含量、二氧化碳同位素等。烷烴氣甲烷碳同位素在國內外對于無機成因天然氣的鑒別關于甲烷碳同位素存在著一些差異，每個學者在對無機成因天然氣的鑒別上也有差異，戴金星等10 ，認為無機成因甲烷一般13C1-30劃分無機成因和有機成因甲烷的13C1界限值,主要有3種意見(表1)10:第1種定為其值大于-2011;第2種定為大于-25;第3種定為大于-3010。表1 國內外學者關于無機成因天然氣的13C1界限值13C1界限值資料來源13C1界限值資料來源大于-20大于-20大于-20沈平等1991張義綱等19

18、91徐永昌等1994大于-25一般大于-30大于-30Jenden1993戴金星1988,1992Fuex1977綜合分析，劃分無機成因和有機成因甲烷的13C1界限值定為大于-30較為合理與實用。一是考慮國內外無機成因甲烷,雖有13C1-20和-25 ,但更多的,特別在地熱區那么多數是在-20至-30 。如果把界限值定為大于-20和-25 ,必然把大量無機成因甲烷錯劃在有機成因范圍；二是因為大于-20和-25也不是劃分兩種成因氣的絕對標準數值，因為在-10和-20之間也還有少量過成熟的煤成甲烷10,13,14。可用地質綜合分析法認識出這少量13C1值-10至-30的煤成甲烷,因為后者在煤系之中

19、或附近。下面我就列舉一些世界各地無機成因甲烷碳同位素的數值表215，來解釋我同意戴金星先生對于劃分無機成因和有機成因甲烷的13C1界限值定為大于-30較為合理。表2 世界各地無機成因甲烷碳同位素的值地點13C1值資料來源中國云南省騰沖縣澡塘河溫泉中國云南省騰沖縣黃瓜菁溫泉中國云南省騰沖縣硫磺塘中國云南省騰沖縣大滾鍋溫泉中國云南省騰沖縣小滾鍋溫泉中國云南省騰沖縣疊水河冷泉中國云南省彌渡縣石咀溫泉中國云南省騰沖縣珍珠泉中國云南省騰沖縣懷胎井溫泉四川省甘孜縣拖壩鎮溫泉中國內蒙古克什克騰旗熱水鎮溫泉中國吉林省長白山天池溫泉江西省尋鄔縣楊梅山溫泉-16.6-29.3-20.5-20.2-19.5-20.

20、6-30.0-28.4-21.2-21.0-23.5-26.6-21.8-22.7-24.0-36.2-27.7戴金星等加拿大安大概省薩德伯雷市美國懷俄明州黃石公園美國加里福尼亞索爾頓海區高溫深井格陵蘭島Ilmaussaq菲律賓桑巴斯氣苗-25.0-28.4-10.4-28.4-26.0-1-7-6.1-7.5Sherwood Lollar等Welhan等WelhanKonnerup-MadsenAbrajano等俄羅斯科拉半島希比尼地塊-3.2-19.3-3.2-12.8-3.2-12.8-28.6-5.4-22.4Galimov和PetersilieGalimovZorikin等Potte

21、rBeeskow等新西蘭Tikebuly地熱新西蘭Blulans地熱新西蘭白島火山噴氣孔新西蘭北島火山噴氣孔-27.3-29.5-25.6-26.9-16.1-23.3-27.9-28.5Hulston和McCabe南冰島Geysir溫泉南冰島Reykholt井南冰島Reykjanes 7井南冰島Reykjanes火山噴氣孔北冰島Reykholar溫泉-22.4-23.4-21.7-24.7-23.6Poreda等希臘米洛斯島Paleohori Bay 土耳其喀邁拉東太平洋北緯21中脊熱液流體-9.4-17.8-11.6-12.5-15.0-17.6Botz等HosgrmezWelhan和Cr

22、aig瑞典西爾揚輝綠巖瑞典西爾揚花崗巖-16.5-26.3-19.4-36.7Jeffrey和Kaplan加拿大和斯堪的納維亞(半島)的Shield rocks -22.4-44.9-33.0-40.7Sherwood Lollar等基于13C120 或-25 僅能包括所列數據表2的 40%或 79.5% 的無機成因甲烷, 而采取-30, 能包括97.4%無機成因的甲烷表2, 但有極少數無機成因甲烷13C1值可輕至-36.24 -44.9表2; 同時13C1值在-10至-30間還有少量高-過成熟煤成氣有機成因甲烷。所以認為把無機成因甲烷碳同位素上限值定為一般-30較妥. 這里“一般有兩層意思：

23、其一不是所有無機成因甲烷的上限值均-30, 還有極少數的13C1值輕于其值; 其二, 在30值內還包括少量高-過成熟煤系形成的-10-30有機成因煤成氣甲烷, 這局部甲烷可用地質分析加以排除。無機成因烷烴氣負碳同位素戴金星等15，認為當天然氣中是未受次生改造的烷烴氣時, 區別有機成因的和無機成因的烷烴氣比擬容易, 有機成因烷烴氣具有隨分子中碳數增大碳同位素隨之變重的正碳同位素系列特征, 即13C113C213C313C213C313C4。接下來給出表315，是一些具有負碳同位素特征的天然氣。表3 具有負碳同位素序列的天然氣樣品地點13C資料來源CH4C2H6C3H8C4H10中國松遼盆地芳深1

24、井中國松遼盆地芳深2井中國松遼盆地芳深9井中國松遼盆地長103井中國東海盆地天外天構造1井俄羅斯斯希比尼地塊美國黃石公園泥火山土耳其喀邁拉-18.6-18.7-16.7-27.1-21.8-17.0-3.2-21.5-11.9-23.2-22.4-19.2-30.1-26.2-22.0-9.1-26.5-22.9-24.1-24.3-30.5-28.2-29.0-16.2-23.7-28.2-33.0-28.8戴金星等郭占謙等郭占謙等楊玉峰等郭占謙等張義綱等Zorikin等Des Marais等Hosgormeg烷烴氣的鑒別僅利用烷烴氣本身的地球化學特征顯得局限性, 為克服其缺陷, 又不脫離烷

25、烴氣本身，探索烷烴氣與其伴生氣組合性指標是個方向, 以下是二項組合性鑒別指標。R/Ra0.5和13C113C20 是無機成因烷烴氣指標戴金星等15系統研究了中國東部裂谷型含油氣盆地渤海灣盆地、松遼盆地、蘇北盆地、鶯-瓊盆地、珠江口盆地和東海盆地大量井R/Ra值與13C113C213C313C113C213C313C4關系,可以發現在R/Ra0.5和13C113C20時烷烴氣才是無機成因的。CH4/3He106是無機成因烷烴氣甲烷,CH4/3He1011是有機成因烷烴氣戴金星等15研究了中國渤海灣盆地、蘇北盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地和吐哈盆地100個氣井的CH4/3He比

26、值與13C113C213C313C4及R/Ra關系；以及松遼盆地19個氣井的CH4/3He比值與13C113C213C313C4及R/Ra關系。根據以上中國119個氣樣CH4/3He比值比照分析，中國CH4/3He比值變化區間從104至1012。CH4/3He比值從108到1012，此比值范圍內所有烷烴氣均具有13C113C213C313C4正碳同位素系列也就是說具有這些特征的烷烴氣均為有機成因。戴金星等15還研究和參考了外國一些氣田，綜合諸家根據世界許多地區CH4/3He比值、13C1值和13C113C213C30組合的，那是無機成因烷烴氣，當CH4/3He和13C1-13C21。此成因的C

27、O2在天然氣中含量也往往很高。碳同位素鑒別法這是至今為止鑒別有機和無機成因二氧化碳的最有效的方法。戴金星16指出有機成因的13CCO2值主要在-10-30,而13CCO2值-8%。那么屬無機成因的二氧化碳；沈平等認為-7是無機成因二氧化碳，而有機質分解和細菌活動形成的有機成因二氧化碳的13CCO2值為-10-20。綜合國內外學者有關刮數據，可歸總為有機成因13CCO2值，主要在-10-30區間；無機成因別13CCO2值-8，主要在-8-8區間。無機成因二氧化碳中,由碳酸鹽巖變質成因的, 13CCO2值接近于碳酸鹽巖的13CCO2值,在03左右；火山-巖漿成因和幔源的二氧化碳, 13CCO2值大

28、多在-62。CO2組分含量鑒別法戴金星等16說根據我國212個和澳大利亞、泰國、新西蘭、菲律賓、加拿大、日本和前蘇聯100多個不同成因二氧化碳的組分統計,當二氧化碳含量大于60%是無機成因的；含量15%60%主要是無機成因的，局部是有機成因和無機成因混合成因；含量小于15%那么無機成因、有機成因和混合成因的皆有。CO2含量及其碳同位素綜合鑒別法戴金星等16說據我國和國外300多個二氧化碳碳同位素和組分編制了有機成因與無機成因二氧化碳鑒別圖，可鑒別各種成因的二氧化碳。I區為有機成因的二氧化碳, 區無機成因二氧化碳, 區有機成因、無機成因以及兩者混合成因區, 有機成因和無機成因混合氣區。二氧化碳氣

29、藏的分類戴金星等16認為以氣藏中CO2認含量多少來劃分二氧化碳氣藏,應表達出成因類型和氣藏工業利用因素。據此,提出以下分類：二氧化碳氣藏 氣藏中CO2含量在90%以上,很多往往在95%以上至近100%。這種氣藏中CO2是無機成因,工業上一般可直接利用。亞二氧化碳氣藏 氣藏中CO2含量在60%一90%,這種氣藏中CO2也是無機成因。根據國內外大量氣藏統計, CO2含量60%是無機成因二氧化碳一個低限標志,因為泰國灣埃拉旺氣田含CO258.99%氣藏的二氧化碳混合成因有機與無機成因二氧化碳混合，其13CCO2為-11.6。亞二氧化碳氣藏中二氧化碳在工業上一般不能直接利用,但經過處理可利用。可以把二

30、氧化碳氣藏和亞二氧化碳氣藏理解為廣義二氧化碳氣藏,因為它們都是無機成因CO2,在工業上均有價值。(3)高含二氧化碳氣藏氣藏中CO2含量大于15%至60%以下。這種氣藏的CO2成因較復雜，有混合成因和無機成因，但以無機成因為主，目前在工業上還沒有經濟價值。(4)含二氧化碳氣藏氣藏中CO2:含量從微量至15%。這種氣藏的CO2成因更復雜,同樣以有機成因為主,也沒有經濟價值。總結通過對文獻的閱讀和查詢，來了解和總結了一下無機成因天然氣開展歷程，和遇到的一些困難。對無機成因天然氣學說的分類進行了簡要的描述和了解，和國內外學者的不同意見。通過對文獻的閱讀和學習，總結出期刊中對無機成因天然氣的分類為無機成

31、因烷烴氣和無機成因二氧化碳氣。對于無機成因烷烴氣的鑒別指標有烷烴氣甲烷碳同位素、無機成因烷烴氣負碳同位素規律、R/Ra0.5和13C113C20綜合指標、CH4/3He10n。對于無機成因二氧化碳氣的鑒別指標有碳同位素鑒別法、CO2組分含量鑒別法、CO2含量及其碳同位素綜合鑒別法。而且對無機成因二氧化碳氣藏進行了分類。最后，本文因為寫的倉促，肯定有許多的缺乏和不正確的地方，望老師指正，謝謝。1Gold T. Soter S.A biogenic methane and the origin of petroleum J. Energy Exploration and Exploartion,1982, l (2): 89104.2 Gold T. Contribution to the theory of an abiogenic origin of methane and other terrestrial hyd