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天然气|石油和天然气的成因

石油
石油 ， 地质勘探的主要对象之一 ， 是一种粘稠的、深褐色液体 ， 被称为"工业的血液" 。 地壳上层部分地区有石油储存 。 主要成分是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物 。 石油的成油机理有生物沉积变油和石化油两种学说 ， 前者较广为接受 ， 认为石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成 ， 属于生物沉积变油 ， 不可再生;后者认为石油是由地壳内本身的碳生成 ， 与生物无关 ， 可再生 。 石油主要被用来作为燃油和汽油 ， 也是许多化学工业产品 ， 如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料 。
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生物成油理论(罗蒙诺索夫假说)
研究表明 ， 石油的生成至少需要200万年的时间 ， 在现今已发现的油藏中 ， 时间最老的达5亿年之久 。 但一些石油是在侏罗纪生成 。 在地球不断演化的漫长历史过程中 ， 有一些"特殊"时期 ， 如古生代和中生代 ， 大量的植物和动物死亡后 ， 构成其身体的有机物质不断分解 ， 与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层 。 由于沉积物不断地堆积加厚 ， 导致温度和压力上升 ， 随着这种过程的不断进行 ， 沉积层变为沉积岩 ， 进而形成沉积盆地 ， 这就为石油的生成提供了基本的地质环境 。 大多数地质学家认为石油像煤和天然气一样 ， 是古代有机物通过漫长的压缩和加热后逐渐形成的 。 按照这个理论石油是由史前的海洋动物和藻类尸体变化形成的 。 (陆上的植物则一般形成煤 。 )经过漫长的地质年代这些有机物与淤泥混合 ， 被埋在厚厚的沉积岩下 。 在地下的高温和高压下它们逐渐转化 ， 首先形成腊状的油页岩 ， 后来退化成液态和气态的碳氢化合物 。 由于这些碳氢化合物比附近的岩石轻 ， 它们向上渗透到附近的岩层中 ， 直到渗透到上面紧密无法渗透的、本身则多空的岩层中 。 这样聚集到一起的石油形成油田 。 通过钻井和泵取人们可以从油田中获得石油 。 地质学家将石油形成的温度范围称为"油窗" 。 温度太低石油无法形成 ， 温度太高则会形成天然气 。
实际上 ， 这个假说并不成立 ， 原因是即使把地球所有的生物都转化为石油的话 ， 成油量与地球上探明的储量相差过大 。
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非生物成油理论
非生物成油的理论天文学家托马斯·戈尔德在俄罗斯石油地质学家尼古莱·库德里亚夫切夫(Nikolai Kudryavtsev)的理论基础上发展的 。 这个理论认为在地壳内已经有许多碳 ， 有些碳自然地以碳氢化合物的形式存在 。 碳氢化合物比岩石空隙中的水轻 ， 因此沿岩石缝隙向上渗透 。 石油中的生物标志物是由居住在岩石中的、喜热的微生物导致的 。 与石油本身无关 。 在地质学家中这个理论只有少数人支持 。 一般它被用来解释一些油田中无法解释的石油流入 ， 不过这种现象很少发生 。
天然气
天然气是指自然界中存在的一类可燃性气体 ， 是一种化石燃料 ， 包括大气圈、水圈、和岩石圈中各种自然过程形成的气体(包括油田气、气田气、泥火山气、煤层气和生物生成气等) 。 而人们长期以来通用的"天然气"的定义 ， 是从能量角度出发的狭义定义 ， 是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物 。 在石油地质学中 ， 通常指油田气和气田气 。 其组成以烃类为主 ， 并含有非烃气体 ， 因而燃烧产生黄色或蓝色火焰
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天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中 ， 包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等 ， 也有少量出于煤层 。 它是优质燃料和化工原料 。
天然气主要用途是作燃料 ， 可制造炭黑、化学药品和液化石油气 ， 由天然气生产的丙烷、丁烷是现代工业的重要原料 。 天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成 。
天然气的成因是多种多样的 ， 天然气的形成则贯穿于成岩、深成、后成直至变质作用的始终 ， 各种类型的有机质都可形成天然气 ， 腐泥型有机质则既生油又生气 ， 腐植形有机质主要生成气态烃 。
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生物成因
成岩作用（阶段）早期 ， 在浅层生物化学作用带内 ， 沉积有机质经微生物的群体发酵和合成作用形成的天然气称为生物成因气 。 其中有时混有早期低温降解形成的气体 。 生物成因气出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中 ， 以含甲烷气为主 。 生物成因气形成的前提条件是更加丰富的有机质和强还原环境 。
最有利于生气的有机母质是草本腐植型—腐泥腐植型 ， 这些有机质多分布于陆源物质供应丰富的三角洲和沼泽湖滨带 ， 通常含陆源有机质的砂泥岩系列最有利 。 硫酸岩层中难以形成大量生物成因气的原因 ， 是因为硫酸对产甲烷菌有明显的抵制作用 ， H2优先还原SO42-S2-形成金属硫化物或H2S等 ， 因此CO2不能被H2还原为CH4 。
甲烷菌的生长需要合适的地化环境 ， 首先是足够强的还原条件 ， 一般Eh
有机成因
沉积有机质特别是腐泥型有机质在热降解成油过程中 ， 与石油一起形成的天然气 ， 或者是在后成作用阶段由有机质和早期形成的液态石油热裂解形成的天然气称为油型气 ， 包括湿气（石油伴生气）、凝析气和裂解气 。
与石油经有机质热解逐步形成一样 ， 天然气的形成也具明显的垂直分带性 。 在剖面最上部（成岩阶段）是生物成因气 ， 在深成阶段后期是低分子量气态烃（C2～C4）即湿气 ， 以及由于高温高压使轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气 。 在剖面下部 ， 由于温度上升 ， 生成的石油裂解为小分子的轻烃直至甲烷 ， 有机质亦进一步生成气体 ， 以甲烷为主石油裂解气是生气序列的最后产物 ， 通常将这一阶段称为干气带 。
由石油伴生气凝析气干气 ， 甲烷含量逐渐增多 ， 故干燥系数升高 ， 甲烷δ13C1值随有机质演化程度增大而增大 。
煤型气
煤系有机质（包括煤层和煤系地层中的分散有机质）热演化生成的天然气称为煤型气 。
煤田开采中 ， 经常出现大量瓦斯涌出的现象 ， 如重庆合川区一口井的瓦斯突出 ， 排出瓦斯量竟高达140万立方米 ， 这说明 ， 煤系地层确实能生成天然气 。
煤型气是一种多成分的混合气体 ， 其中烃类气体以甲烷为主 ， 重烃气含量少 ， 一般为干气 ， 但也可能有湿气 ， 甚至凝析气 。 有时可含较多Hg蒸气和N2等 。
煤型气也可形成特大气田 ， 1960S以来在西西伯利亚北部K2、荷兰东部盆地和北海盆地南部P等地层发现了特大的煤型气田 ， 这三个气区探明储量22万亿立方米 ， 占世界探明天然气总储量的1/3弱 。 据统计（M.T哈尔布蒂 ， 1970） ， 在世界已发现的26个大气田中 ， 有16个属煤型气田 ， 数量占60% ， 储量占72.2% ， 由此可见 ， 煤型气在世界可燃天然气资源构成中占有重要地位 。
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成煤作用与煤型气的形成：成煤作用可分为泥炭化和煤化作用两个阶段 。 前一阶段 ， 堆积在沼泽、湖泊或浅海环境下的植物遗体和碎片 ， 经生化作用形成煤的前身——泥炭；随着盆地沉降 ， 埋藏加深和温度压力增高 ， 由泥炭化阶段进入煤化作用阶段 ， 在煤化作用中泥炭经过微生物酶解、压实、脱水等作用变为褐煤；当埋藏逐步加深 ， 已形成的褐煤在温度、压力和时间等因素作用下 ， 按长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤的序列转化 。
实测表明 ， 煤的挥发分随煤化作用增强明显降低 ， 由褐煤烟煤无烟煤 ， 挥发分大约由50%降到5% 。 这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出 ， 是形成煤型气的基础 ， 煤化作用中析出的主要挥发性产物 。
1．煤化作用中挥发性产物总量端口；
2、CO2 3.H2O 4. CH4 5.NH3 6.H2S
从形成煤型气的角度出发 ， 应该注意在煤化作用过程中成煤物质的四次较为明显变化（煤岩学上称之为煤化跃变）：
第一次跃变发生于长焰煤开始阶段 ， 碳含量Cr=75-80%,挥发分Vr=43% ， Ro=0.6%；
第二次跃变发生于肥煤阶段 ， Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；
第三次跃变发生烟煤无烟煤阶段 ， Cr=91% ， Vr=8%,Ro=2.5%；
第四次跃变发生于无烟煤变质无烟煤阶段 ， Cr=93.5%,Vr=4% ， Ro=3.7% ， 芳香族稠环缩合程度大大提高 。
在这四次跃变中 ， 导致煤质变化最为明显的是第一、二次跃变 。 煤化跃变不仅表现为煤的质变 ， 而且每次跃变都相应地为一次成气（甲烷）高峰 。
煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关 ， 而且还与煤的煤岩组成有关 ， 腐殖煤在显微镜下可分为镜质组、类脂组和惰性组三种显微组分 ， 中国大多数煤田的腐殖煤中 ， 各组分的含量以镜质组最高 ， 约占50～80% ， 惰性组占10～20%（高者达30～50%） ， 类脂组含量最低 ， 一般不超过5% 。
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在成煤作用中 ， 各显微组分对成气的贡献是不同的 。 长庆油田与中国科院地化所（1984）在成功地分离提纯煤的有机显微组分基础上 ， 开展了低阶煤有机显微组分热演化模拟实验 ， 并探讨了不同显微组分的成烃贡和成烃机理 。 发现三种显微组分的最终成烃效率比约为类脂组：镜质组：惰性组=3:1:0.71 ， 产气能力比约为3.3:1:0.8 ， 说明惰性组也具一定生气能力 。
无机成因
地球上的所有元素都无一例外地经历了类似太阳上的核聚变的过程 ， 当碳元素由一些较轻的元素核聚变形成后的一定时期里 ， 它与原始大气里的氢元素反应生成甲烷 。
地球深部岩浆活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体 ， 以及岩石无机盐类分解产生的气体 ， 都属于无机成因气或非生物成因气 。 它属于干气 ， 以甲烷为主 ， 有时含CO2、N2、He及H2S、Hg蒸汽等 ， 甚至以它们的某一种为主 ， 形成具有工业意义的非烃气藏 。
稀有气体He、Ar等 ， 由于其特殊的地球化学行为 ， 科学家们常把它们作为地球化学过程的示踪剂 。 He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然气成因的极重要手段 ， 因沿大气壳源壳、幔源混合幔源 ， 二者不断增大 ， 前者由1.39×10-6>10-5 ， 后者则由295.6>2000 。 此外 ， 根据围岩与气藏中Ar同位素放射性成因 ， 还可计算出气体的形成年龄（朱铭 ， 1990） 。
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甲烷
无机合成：CO2+H2CH4+H2O 条件：高温（250℃）、铁族元素
地球原始大气中甲烷：吸收于地幔 ， 沿深断裂、火山活动等排出
板块俯冲带甲烷：大洋板块俯冲高温高压下脱水 ， 分解产生的H、C、CO/CO2CH4
【天然气|石油和天然气的成因】CO2
天然气中高含CO2与高含烃类气一样 ， 同样具有重要的经济意义 ， 对于CO2气藏来说 ， 有经济价值者是CO2含量>80%（体积浓度）的天然气 ， 可广泛用于工业、农业、气象、医疗、饮食业和环保等领域 。 中国广东省三水盆地沙头圩水深9井天然气中CO2含量高达99.55% ， 日产气量500万方 ， 成为有很高经济价值的气藏 。
世界上已发现的CO2气田藏主要分布在中—新生代火山区、断裂活动区、油气富集区和煤田区 。 从成因上看 ， 共有以下几种：
无机成因：
上地幔岩浆中富含CO2气体当岩浆沿地壳薄弱带上升、压力减小 ， 其中CO2逸出 。
碳酸盐岩受高温烘烤或深成变质可成大量CO2 ， 当有地下水参与或含有Al、Mg、Fe杂质 ， 98～200℃也能生成相当量CO2 ， 这种成因CO2特征：CO2含量>35% ， δ13CCO2>-8‰ 。
碳酸盐矿物与其它矿物相互作用也可生成CO2 ， 如白云石与高岭石作用即可 。
另外 ， 有机成因有：
生化作用、热化学作用、油田遭氧化、煤氧化作用
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N2
N2是大气中的主要成分 ， 据研究 ， 分子氮的最大浓度和逸度出现在古地台边缘的含氮地层中 ， 特别是蒸发盐岩层分布区的边界内 。 氮是由水层迁移到气藏中的 ， 由硝酸盐还原而来 ， 其先体是NH4+ 。
N2含量大于15%者为富氮气藏 ， 天然气中N2的成因类型主要有：
有机质分解产生的N2：100-130℃达高峰 ， 生成的N2量占总生气量的2.0% ， 含量较低；（有机）
地壳岩石热解脱气：如辉绿岩热解析出气量 ， N2可高达52% ， 此类N2可富集；
地下卤水（硝酸盐）脱氮作用：硝酸盐经生化作用生成N2O+N2；
地幔源的N2：如铁陨石含氮数十～数百个ppm；
大气源的N2：大气中N2随地下水循环向深处运移 ， 混入最多的主要是温泉气 。
同位素特征看 ， 一般来说最重的氮集中在硝酸盐岩中 ， 较重的氮集中在芳香烃化合物中 ， 而较轻的氮则集中在铵盐和氨基酸中 。
H2S
全球已发现气藏中 ， 几乎都存在有H2S气体 ， H2S含量>1%的气藏为富H2S的气藏 ， 具有商业意义者须>5% 。
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据研究（Zhabrew等 ， 1988） ， 具有商业意义的H2S富集区主要是大型的含油气沉积盆地 ， 在这些盆地的沉积剖面中均含有厚的碳酸盐一蒸发盐岩系 。
自然界中的H2S生成主要有以下两类：
生物成因（有机）：包括生物降解和生物化学作用；
热化学成因（无机）：有热降解、热化学还原、高温合成等 。 根据热力学计算 ， 自然环境中石膏（CaSO4）被烃类还原成H2S的需求温度高达150℃ ， 因此自然界发现的高含H2S气藏均产于深部的碳酸盐—蒸发盐层系中 ， 并且碳酸盐岩储集性好 。
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