无机成因油气及其资源前景

2015-12-15王丹

地下水 2015年1期

王丹

(西北大学地质学系，陕西西安 710069)

油气成因理论在油气勘探中起着重要的作用，包括有机成因论和无机成因论。根据长期的勘探实践，有机成因论在油气地质学中占主导地位，无机成因论则一直都存在争议。无机成因论认为油气是由地球深部简单的非烃物质(如重金属碳化物等)和早期存在于大气圈的碳氢化合物(如甲烷)经过无机化学反应合成的。石油地质学家们对无机成因理论的研究从未停止过，国内的戴金星、张景廉等一直致力于无机成因理论的研究，来自地球化学的证据为无机成因气的存在提供了有力的科学依据，目前的证据显示有一部分天然气是无机成因的，石油几乎都是有机成因的。

1 提出及发展

1876年，俄国化学家门捷列夫的“碳化物说”代表着油气无机成因论的提出，他认为石油是地下深处炽热的重金属碳化物与沿裂缝下渗的水相互作用而生成，所生成的石油蒸汽在涌向地壳过程中冷凝在多孔岩层中，条件适宜时就形成油气藏。1889年索科洛夫提出“宇宙说”，其依据是太阳系中行星天体光谱分析发现有甲烷，以及烃类化合物可由费－－－托合反应无机合成。他认为碳氢化合物是在地球尚处于熔融状态时就已存在于大气圈中，后随着地球冷却收缩凝结于地壳上部，并沿裂隙分离出来，当有孔隙性地层和其上被非渗透层覆盖时则可聚集成油气藏。20世纪中叶，库德梁采夫(1951)提出“岩浆说”，他认为地球深部基性岩浆中存在大量碳和氢，他们在高温高压下合成烃类混合物，在析出和向上运移聚集过程中形成石油[1，2，11]。上述这些都是早期的油气无机成因论，只是定性的进行描述，缺乏定量依据，还不能作为无机成因论的有力证据。之后的不少学者对油气无机成因也进行了研究，Gold等提出了地幔脱气说、杜乐天提出了地幔烃碱流体说，岳中琦提出壳幔间层的甲烷气层等，此外还有中地壳与费－托地质合成以及板块构造与费－托地质合成理论[2]。

2 无机成因油气的科学依据及其判别

近几十年来先进的勘探技术和大量天然气地球化学研究已经证实，无机成因气的存在已被确定，且在我国东部探明和确定了一些无机成因气藏[3]，但还没有证据证明无机成因石油的存在。因而以下就对无机成因气的科学依据进行阐述。

2.1 科学依据

(1)地幔与地核中大量的碳和氢 Fe－Ni组成的地核是碳的重要储集场所(Spera，1987)。地幔中也含有较多的碳(Trull，1993)。同时，地核中熔解了大量的氢，并不断释放出来(Bai，1994)。通过实验认为地幔中橄榄石可能是氢的主要储集体[4]。张恺(1998)[5]从宇宙、天文学角度探讨地球内部富含氢，通过宇宙元素合成理论(B2FH理论，1957)、天文学家对木星的新认识、室内试验、太阳系的冷凝聚模型以及地球未发生热核反应保留有大量氢等间接讨论地球内部氢的丰度和氢存在的相态。

(2)无机成因烃类的来源地球原始大气中含有大量的甲烷(Gold等，1982)，地球开始凝聚时，含有甲烷的原始大气被“吸收”保存在地球内部，之后在地球脱气作用下释放出来。此外实验证明，地壳内部的 CO2、CO、和 H2在高温高压条件下，在铁族元素的催化作用下可形成甲烷。另外，富含水的大洋板块在俯冲过程中，俯冲板块上的上地幔岩在高温高压条件下形成榴辉岩，并生成安山岩浆，此过程中分解产生氢、碳和碳的氧化物，再经高温高压合成甲烷。

(3)地幔深处有甲烷存在根据现代油气生成的地球动力学数学模拟和高温高压实验证明:高温高压不仅有抑制烃类系列化合物热解的作用，而且可促进烃类的环化、聚合作用、凝析作用，向着复杂烃类系列演化，即油气能在1 500℃～1 800℃、4 000～12 000 Mpa条件下，氧逸度高的，相当于深度在100～200 km左右地幔软流圈不同深度稳定存在。据T.戈尔德的实验，理论的压力—温度线位于地表到30 km深处的压力—温度范围之上，在理论压力—温度线上，甲烷开始破坏。向下一直到30 km深度，甲烷似乎基本上是稳定的耐热分解，直至低于30 km深度处，以甲烷形式保持的那部分已降到10%。也许在约600 km的深度的某处，人们才能认为是甲烷可能存在的最低极限。二氧化碳的稳定性也很高，分解温度高达 2000℃，相当于上、下地幔交界处温度[5]，且在地幔岩、火山岩和花岗岩包裹体中都有发现二氧化碳气体，因此，在地慢和地壳深部高温高压条件下，无机成因的CH4与CO2也可以形成和稳定存在，但在较高氧逸度和低压下以CO2为主，在较低氧逸度或高压下以CH4为主。当深部CH4向地壳表层运移时，将可能出现下列几种情况:

(1)向地表运移时，当压力降低，而氧逸度高时，CH4将氧化成CO2;

(2)高速或高压向地表运移时，仍能保持CH4达到地表;

(3)在向地表运移途中，进入氧逸度低的地区，如沉积盆地中的还原环境，或进入各类圈闭时，能很好的保持CH4和其系列物不受氧化。

另外，地表和海洋上无机成因烃类渗漏的现象，也能证明上述(2)和(3)的运移保存途径是存在的。

2.2 无机成因天然气的判别依据

无机成因的CO2是由无机矿物或元素经过化学作用形成的，来源有火山喷发的热液、温泉，高温变质作用产生的CO2以及地幔成因的CO2等。天然气中 CO2组分大于60%是无机成因的，有机成因的 δ13CCO2值在－10‰ ～－30‰，当δ13CCO2值≥－8‰时则为无机成因二氧化碳[7]。对无机成因烷烃气体的判别主要有碳同位素、烷烃碳同位素系列、与烷烃气体伴生的稀有气体含量等方法。目前公认的判别依据有:

2.2.1 无机成因甲烷的碳同位素值

表1是世界各地一些代表性的无机成因甲烷碳同位素的值，这些值一般都大于－30‰，因此把 δ13C1≥ －30.0‰作为无机成因甲烷的地球化学指标。

2.2.2 无机成因烷烃气的碳同位素组成

有机成因烷烃气是干酪根降解产生的，其碳同位素组成受同位素动力学分馏效应的制约，12C－12C键较12C－12C键弱而优先断裂，12C将优先进入烷烃气体中，从而构成随烷烃分子中碳数增大δ13C变重的正碳同位素系列 (δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4)。无机成因烷烃气是由简单的含碳分子聚合形成的，同样受同位素动力学分馏效应的影响，12C－12C键较12C－13C键弱而优先断裂，12C将优先进入聚合反应形成的烷烃气体中，先形成的烷烃气体保留较重的δ13C值[8，9]，后生成的烷烃气体则有较轻的δ13C值，使得无机成因烷烃气体具有负碳同位素系列(δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4)的特征，这也是判别无机成因烷烃气的重要指标之一。

表1 世界范围内无机成因甲烷的碳同位素值[8]

2.2.3 与烷烃气相伴生的稀有气体同位素

除了烷烃气体本身的地球化学特征外，稀有气体同位素的组成也可以作为烷烃气体成因的佐证。

(1)Jenden指出天然气中 R/Ra值大于0.1时说明有幔源氦的存在，戴金星等人研究了我国东部的裂谷型含油气盆地如渤海湾盆地、松辽盆地、东海盆地等大量井的 R/Ra值与其碳同位素组成特征，发现只有在 R/Ra＞0.5，δ13C1－δ13C2＞0时烷烃气体才是无机成因的。

(2)CH4/3He比值也被用来研究烷烃气的成因。戴金星[8]等分析了我国数个含油气盆地的 126个气样 CH4/3He比值，发现其区间为 104－1012，其中 CH4/3He值为 108－1012时具有正碳同位素系列的特征，也就是说当CH4/3He值在108－1012之间时，烷烃气是有机成因的，而 CH4/3He值在104－109时具有无机成因气的地球化学特征;Jenden等研究了美国加利福尼亚等地区众多油气田中101个气样的CH4/3He比值和 δ13C1及 R/Ra的关系，CH4/3He比值区间为107－1011，这些气中甲烷都是有机成因的，除此之外还有6个气样为无机成因甲烷，这6个气样的 CH4/3He比值为109－1011。因此可以得出 CH4/3He≤ 106是无机成因烷烃气(甲烷)，CH4/3He≥1011是有机成因烷烃气，CH4/3He比值在107－1011之间时，δ13C1－δ13C2＞0为无机成因烷烃气，反之则是有机成因的。

3 无机成因气藏及资源前景

3.1 无机成因气藏

目前在我国东部松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、三水盆地、东海盆地等已发现35个无机成因 CO2气藏或含气构造，区域上位于我国东部环太平洋断裂带[9]。在松辽盆地也发现了无机成因的烷烃气藏—昌德气藏，首次确定了无机成因烷烃气藏的存在。

(1)二氧化碳气藏—农安村气藏。该气藏位于松辽盆地徐家围子断陷，包括芳深9井、芳深7井、芳深701井和芳深6井，但只有芳深9井具有CO2气藏的特征[11]。该CO2气藏是一个在世界范围内都很少见的纯无机成因气藏，其中CO2含量为 84.20% ～90.38%，δ13CCO2值为－4.06‰ ～－5.46‰，岩浆—幔源 δ13CCO2值在－6‰ ±2‰范围内[11]，其烷烃气具负碳同位素系列特征，因此所含烷烃气也是无机成因的，该天然气中氦含量达2.743%，是松辽盆地天然气氦含量最高的，同时幔源氦3He达 38.2%，R/Ra为 3.00～3.21[11]，这些数据都指明了该气藏属纯无机成因气藏。

(2)烷烃气田—昌德气藏。该气田位于松辽盆地徐家围子断陷西缘安达——肇州背斜带中部变质岩基底隆起上发育起来的昌德——大青山背斜构造内。昌德气田包括芳深1井、芳深2井、芳深3、4井。其中芳深1，2井烷烃气不仅具有负碳同位素系列，而且所有 δ13C1值均很重，从－16.4‰ ～－22.51‰。芳深 2井基岩天然气 δ13C1值为－22.01‰，与其上沉积岩中的 δ13C1值－22.51‰接近，说明甲烷来自深部，是无机成因的;但 δ13CCO2值为－ 19.15‰([3]，具有机成因特征。芳深3，4井气藏虽也有基岩无机成因气向上运移，但其在向上运移中却遇到了生成有机成因气的烃源岩，于是便聚集为两种气的混合气藏[11]。因而，一般认为芳深1井和芳深2井为无机成因烷烃气藏。由此可见，无机成因烷烃气藏的聚集成藏需要很苛刻的条件，很难发现纯无机成因烷烃气藏，目前勘探和开发的都是无机—有机混合气藏。

3.2 资源前景

我国把无机成因天然气作为一种资源，并把这种资源转化为储量而加以开发利用。其中无机成因CO2气藏(见表2)的勘探和开发居于世界前列。除了无机成因CO2气藏外，我国还研究和探明了世界上第一个无机成因烷烃气藏—昌德气藏。该气藏的芳深1井和芳深2井为纯无机成因气藏，探明地质储量32.66×108m3[10]，反映出我国良好的无机成因天然气资源前景。

表2 我国主无机成因CO2气田(藏)及其探明储量[10]

我国目前在无机成因CO2气藏的勘探和研究已趋于成熟，在东部和大陆架盆地资源潜力巨大。但关于无机成因烷烃气藏的研究勘探还很薄弱，仅有昌德气藏的芳深1井和芳深2井有发现。在沉积盆地，由于烃源岩存在能形成大量有机成因烃类气体，即使盆地深部有非生物烷烃气运移至盆地沉积层中，也往往与有机成因的烷烃气体混合，很难分辨。根据天然气地质和地球化学条件，我国东部裂谷型盆地中有来自深部的无机成因烷烃气[8，15]，如:辽河坳陷界 3井的甲烷中有5%左右为来自深部的非生物成因;昌德气藏的芳深3、芳深4井中也混有高比例的无机成因的烷烃气等。以上都说明在我国东部裂谷盆地有非生物烷烃气运移入沉积层中，并部分参与不同程度的成藏，但这种非生物资源至今未被人们充分认识和研究[8，15]。

4 结语

(1)来自地球科学的证据:地幔与地核中大量的碳和氢、地球原始大气中大量的甲烷以及部分烃类气体、二氧化碳可以在地幔深处高温高压条件下存在等，均表明了无机成因气体的存在，但是还没有直接证据显示石油是无机成因的。

(2)判别无机成因 CO2和烷烃气的地球化学指标有:天然气中CO2组分大于 60%且 δ13CCO2值≥ －8‰;无机成因甲烷的 δ13C1≥ －30.0‰;具有负碳同位素系列，即 δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4;无机成因烷烃气的 R/Ra＞0.5 且δ13C1－ δ13C2＞0，CH4/3He≤ 106。

(3)我国无机成因天然气资源潜力巨大，目前勘探和开发较为成熟的是我国东部裂谷盆地以及大陆架盆地的无机成因CO2气藏;对于无机成因烷烃气藏仅在松辽盆地发现昌德气藏，勘探尚未成熟，但仍具有很大潜力。

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