高等石油地质学课件10-天然气成藏理论

• 至少有90%的由煤生成的气从煤中析出， 大部分气运移出煤层，一部分赋存于煤 层中并有一定规模的运移调整。在不同 演化阶段，煤层甲烷的运移特征不同。
• 吸附状态煤层甲烷是煤储集天然气的主体。 煤层甲烷由于分子力的作用而吸附于煤体 的孔隙表面，形成一层煤层甲烷气薄膜。 煤具强吸附性，具有较大的内表面积，可 以吸附大量的天然气。当煤处于一定的温 度、压力等条件下时，吸附即达到一种平 衡状态，吸附状态的天然气要能流动，必 须打破这一平衡状态，使煤层甲烷解析出 来。
• 随着上倾方向砂岩含水饱和度的增加，气相渗 透率显著降低。由于深盆区天然气还在继续生成 和持续补给而向上倾方向运移的量低于补给量， 从而导致此区致密砂岩的含气饱和度不断增高， 直至成为气藏，即形成深盆气藏。
吸附和溶解。
• 吸附气是煤层甲烷的主体，占56~96%， 溶解气不足1%，其余为游离气。随埋深
增加，吸附气减少，游离气增加3~43%。
• 游离状态的煤层甲烷，存在于煤的孔隙、 裂隙或空洞中，气体可在煤孔隙中自由 流动，其数量的多少决定于煤层内的自 由空间，也与外界的温度和压力有关。 因煤自由空间有限，所以游离状态的煤 层甲烷一般较少。
• 在气源岩有机质演化程度很低或很高两种极 端情况下，这种现象表现得尤为突出。
• 气藏在纵向上的分布要比油藏大，气藏 在纵向上分布很广,从埋深14.5m（我国 长江三角洲第四系气藏）到8088m（美 国阿纳达科盆地奥陶系阿巴克尔群气藏） 都有气藏分布。
• 世界上大气田的深度变化范围也很大,从 170m至5996m都有大气田分布；而常 规油藏的深度分布范围比气藏窄，世界 上大多数油藏都分布于埋深1000－4000 米的中等深度。
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• 与石油相比,天然气具有分子小、密度小、粘 度小、溶解度大、压缩性和扩散能力强等特 点。
• 这决定了气比油的运移活性强、运聚成藏方 式多样，这也是造成天然气与石油的分布差 异较大的重要原因之一。
（1） 油气运移方式及天然气脱溶成藏
• 天然气扩散和水溶对流是两种有别于石油 的重要运移机制。
• 天然气溶解于水中或油中沿地层上倾方向 运移，或随地壳抬升，溶解于水中或油中 的天然气由于温度和压力的降低而析离出 来，在浅部地层中形成天然气藏，这是一 种重要的成藏机制。
• 天然气的渗滤和扩散能力强, 在运移聚集过 程中,存在着一种“聚”和“散”的动态平衡 特征。
• 1、天然气聚散动平衡成藏原理
• 气藏形成过程中存在着两个同时发生的过 程，一是源岩中生成的天然气通过初次运 移和二次运移进入圈闭;另一个是聚集在圈 闭中的天然气不断地通过盖层逸散（扩散 和渗滤）。
• 当来自源岩的补充量大于通过盖层的散失 量时,圈闭中的天然气就不断富集。反之， 圈闭中的天然气就不断减少以致枯竭。天 然气成藏过程一直处于这样一种特殊的 “聚散动平衡”状态。
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• 溶解状态的煤层甲烷即煤层中的水溶气， 它的数量决定于煤层中甲烷的多少及水 对气体溶解量的大小。当水排出煤体并 随压力降低等条件的变化，溶解于水中 的天然气可以析出水而呈游离状。但除 泥炭和褐煤阶段含水量较高（5%）外， 其他煤阶段的煤含量很低，因此，水溶 煤层甲烷数量较少。
典型煤层气井的生产史示意图
碳酸盐岩层热对流系统的概念地质模型
• （3） 天然气多源复合成藏
• 天然气形成具有多源、多阶连续的特点， 运移活性强。
• 在气藏形成过程中往往是多种来源天然 气的复合，单一圈闭中聚集的天然气可 能是来自不同烃源岩、不同成因气体的 混合物。
• 天然气藏形成的多源复合现象具有普遍 性，是天然气成藏的一大特色。
• 天然气不仅与石油共生,也往往与煤系共 生，聚油盆地和聚煤盆地都可以寻找天 然气。
• 有机成因天然气的生成具有多阶段性，各个 阶段都伴随有天然气的生成。在未熟阶段,可 由生物化学作用形成生物气；在石油生成的 成熟和高成熟阶段,可形成热解气；在过成熟 阶段,可形成高温裂解气。
• 而石油则大量生成于一定埋藏深度的“液态 窗”范围内,具有明显的阶段性和局限性。
• 4、深盆气形成机理
• 当坳陷中的天然气大量生成时，作为储层的砂 岩早已致密化。天然气进入其中后，排出的水向 上倾方向孔隙性相对较好的储层中运移。
• 当天然气补给不断增加，由于储层致密，气体 运移不畅，仅部分天然气会克服毛细管阻力随水 往上倾方向运移，于是下倾部位因气体的不断积 聚，孔隙压力增大。
• 幔源气：来自地幔的气体，CO2 为主，CH4、 H2 • 岩浆岩气：岩浆岩中由高温化学作用形成， CO2 、
H2 • 变质岩气：变质岩中由高温化学变质作用形成，
CO2 、N2 、 H2 • 无机岩类分解气:沉积岩中由无机盐类化学分解产
生，如碳酸盐岩分解形成CO2 、 硫酸盐分解形成 H2S
• 二．天然气聚散动平衡成藏基本原理
• 四、煤层气源自文库成机理
• 1、基本概念： • 煤层气是一种储集在煤层中的自生自储
式的天然气； • 这类天然气基本为甲烷，也称其为煤层
甲烷。 • 在煤炭工业中的煤层瓦斯，是煤成气的
一部分，煤即可作为产油气的烃源岩， 又是煤层甲烷的产层。
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2、煤层气的赋存状态：煤层甲烷
在煤储集层中以三种方式赋存，即游离、
• 包括成熟、高成熟及过成熟阶段生成的 天然气
• 煤型气、煤成气和煤层气的差异：
• 煤成气原指煤层在煤化过程中所生成的 天然气；也可理解为煤型气的同义语。
• 煤层气是指以吸附状态存在于煤层中的 煤成气。
• 4、无机成因气
• 由无机物质形成的气体。
• 宇宙气：由放射性反应、核反应及化学反应等作用 形成，含H2 、氦
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第十章 天然气成藏理论
• 天然气的成因类型 • 天然气聚散动平衡成藏原理 • 气藏与油藏形成机理及分布特征的差异 • 煤层气形成机理 • 深盆气形成机理
一、天然气的成因类型 • 天然气分类: • 按相态：游离气、溶解气、吸附气、固态气
水合物；
• 按来源：有机成因气、无机成因气； 腐殖 型气(煤型气)、腐泥型气(油型气)；
• 按有机质成烃演化阶段：生物气、生物-热催 化过渡带气、热解气、裂解气。
表示甲烷的生成、运移和聚集 甲烷的成因包括生物成因、热成因、非生物成因三种， 世界天然气资源：80%为热成因， 20%为生物成因。
1、生物气
• 在低温(<75℃)还原环境下，厌氧细菌对沉积 物有机质进行生物化学降解作用所形成的富含 甲烷气体。
气水过渡带 甜点
岩性气藏
背斜气藏
深盆气藏
2、深盆气的特点
★气水倒置 ★异常地层压力 ★源—藏伴生 ★气藏边界不受构造等深线控制 ★地质储量大、单井产量低
3、深盆气形成的地质条件
★源岩条件——类型多为Ⅲ型、面积大，成熟度 高，供气充足 ★储集条件——低孔、低渗，大面积发育 ★盖层条件——顶、底封盖层都重要 ★保存条件——区域构造稳定、断裂发育少
• （4） 天然气运聚动平衡成藏
• 天然气成藏后距今时间的长短成为气藏 能否保存下来的一个重要影响因素。
• 气藏形成的时间距今越久远，气藏散失 量就会越大，残留量越小。
• 油藏则不会只因扩散作用而遭受破坏。
• 4． 气藏与油藏保存条件的差异
• 与石油相比，天然气的聚集效率要小得 多。天然气聚集系数一般在1%以下，个 别情况才会超过1%；
煤层中甲烷流动示意图
A甲烷自煤基质微孔隙中的解析； B甲烷通过煤基质的扩散路径； C甲烷在裂隙中的流动
• 五、深盆气形成机理
• 1、深盆气概念 • 深盆气是指盆地中央或坳陷深部致密砂岩地
层中气水关系倒置的动态圈闭气藏，是一种特 殊的非常规气藏。
概念：深盆气是一种赋存在盆地深凹陷部位、低孔渗储 层中的一种气水关系倒置的非常规气藏。
• 1、气藏与油藏形成的烃类来源比较
• 在成烃的物质来源、生成方式等方面, 天然气 比石油广泛得多。
• 天然气的形成具有多源性和多阶段性。 • 多源性一方面体现在既有有机成因的天然气,
也有无机成因气；另一方面还体现在各种类 型的有机质都能形成天然气，既有油型气,又 有煤型气。
• 石油主要是由腐泥型和腐殖-腐泥型有机 质生成的。
五 三、、气气 藏与藏油与 藏形油成藏 机理形及成分布机的制差异的主要差异
1、天然气来源具有广泛性和多源复合性 2、天然气运移方式多样性：渗滤、扩散、 水溶对流 3、天然气成藏机理多样性：水溶脱气成藏、 运聚动平衡成藏、多源复合成藏 4、天然气聚集效率低；气藏要求的储层条 件相对较低，但封盖条件高。
• 3、煤层气的富集
• 煤层甲烷在煤储集层中以吸附状态为主， 与常规天然气的聚集有很大的差别，天然气 在煤层中的储集主要依赖吸附作用，有无圈 闭无关要紧，但常规天然气必须在圈闭中。 这是与常规天然气聚集的最主要差别 。
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• 煤层的含气量一般为10~40m3/t ，而 煤的生气量至无烟煤阶段累计可达 210~490m3/t煤。
• 或称为细菌气、生物化学气或生物成因气。
• 2、油型气 • 腐泥型和腐植-腐泥型干酪根进入成熟
阶段后所形成的天然气。
• 包括伴随生油过程形成的湿气（石油伴生 气），高成熟和过成熟阶段由干酪根和液 态烃裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气。
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• 3、煤型气 • 凡与煤系有机质(包括煤层和煤系地层中
的分散有机质)热演化有关的天然气，称 为煤型气或煤成气。
• 而石油的聚集系数较大，一般大于10%。 天然气藏要求的保存条件远比油藏的严 格。
• 5. 气藏与油藏在空间分布上的差异
• 天然气的分布远比石油广泛得多。凡是发现 石油的地方,都分布有一定数量的天然气。
• “有油必有气”。
• 在许多没有发现大量石油的地区,却找到了丰 富的天然气，“有气不一定有油”。
• 水溶气本身也作为一种重要的天然气资源。
• （2）天然气水溶对流运移成藏
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• 水溶对流起因于地层水的密度和温度差 异，地层水盐度和含气量的变化致使密 度出现差异。因此溶解有大量天然气的 地层水经过对流，可使气体在温度、压 力适宜的地方聚集成藏。
• 纵向通道多数是断裂，而横向通道往往 沿地层不整合面或其它被封闭层盖层的 连续性较好渗透层
• 根据天然气运聚动平衡原理,要研究天然 气的聚集过程,就要将天然气的生成、运 移、聚集和保存作为一个整体动态连续 的过程来研究,主要应考虑:天然气的生 成量和排出量;天然气的二次运移过程 中的散失量;天然气聚集和成藏后的散 失及补充量。
• 2、天然气动态平衡成藏的四个基本条件 • 充沛的气源 • 生气高峰的时代新 • 良好的封盖条件 • 较稳定的后期构造环境。
• 生油的时空范围远比生气的时空范围小得多。
2．气藏与油藏对储、盖层条件要求的差异
• 天然气与石油性质的差异,对储、盖层条件的 要求也不一样。即气藏对储层的要求低，对 盖层的要求高；而油藏对储、盖层的要求与 此相反。
• 烃浓度封闭是天然气盖层特有的封闭机理。
• 3． 气藏与油藏形成的运聚成藏方式的异同