中国煤成气湿度和成熟度关系

戴金星，倪云燕，张文正，黄士鹏，龚德瑜，刘丹，冯子齐

（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 中国石油长庆油田公司石油勘探开发研究院）

中国煤成气湿度和成熟度关系

戴金星1，倪云燕1，张文正2，黄士鹏1，龚德瑜1，刘丹1，冯子齐1

（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 中国石油长庆油田公司石油勘探开发研究院）

鉴于煤成气组分中分子种类少、分子结构简单、分子量小、分子直径小、易扩散且易长途运移，确定气源岩成熟度可利用的科学信息较少、难度大的问题，研究天然气湿度和气源岩成熟度的相关性。通过分析中国鄂尔多斯、四川、渤海湾、琼东南、准噶尔和吐哈盆地49口煤成气井天然气组分中分子种类最多、含气量最大的烷烃气组合的湿度及其与气源岩Ro值的关联性，发现随Ro值增大，天然气湿度变小，二者呈负相关关系，据此得出中国煤成气湿度与成熟度的关系，从而快速获取气源岩Ro值，为确定气源岩层位和天然气资源评价提供重要科学依据。图2表1参11

煤成气；湿度；成熟度；气源岩；天然气资源评价

0 引言

煤成气是中国天然气储量和产量的主体[1-3]。截至2013年底，中国共发现天然气探明储量大于等于300×108m3的大气田51个，其2013年天然气总产量为922.72×108m3，占全国天然气总产量的76.3%，其中煤成气大气田产量为710.13×108m3，占全部大气田总产量的76.96%[4]。所以煤成气的研究在中国天然气研究中具有重要意义。

由于天然气存在组分中分子种类少、分子结构简单而缺少异构体、分子量小、分子直径小、易扩散、运移距离比石油远得多等特点，致使其可供研究的科学信息有限而造成研究难度大。然而，天然气（煤成气）组分中一般含量最大、分子种类最多且具有相似结构和成因的烷烃气（CH4、C2H6、C3H8、C4H10和C5H10）组合的湿度（W = C2—5/C1—5），比天然气中其他种类分子信息量大，利于相关问题的探索。同时天然气组分分析往往是气井天然气分析的首要工作，是基层单位可以分析的基本项目，故湿度是最易获取的数据。因此，湿度的研究是深化天然气研究的一个重要途径和手段。

Stahl、戴金星、刘文汇等[5-7]研究了天然气δ13C1值与气源岩Ro值的关系，得出δ13C1-Ro关系式，对天然气研究具有重要贡献。利用天然气δ13C1值，可以推算出气源岩Ro值，为天然气勘探确定气源岩提供了重要支撑。但是由于基层单位一般没有测定δ13C1值的手段，使δ13C1值无法快速获取。因此，若能确定天然气湿度和气源岩成熟度的相关规律性，可在气井现场或者基层单位迅速获得气源岩成熟度信息，为天然气资源评价提供科学支撑。

1 煤成气W-Ro关系

基于中国鄂尔多斯、四川、渤海湾、琼东南、准噶尔和吐哈盆地49口井的W、Ro和碳同位素资料[8-10]（见表1），利用δ13C1-C1/C2+3鉴别图（见图1）[11]对49口井天然气母质类型进行鉴别，确定全部井天然气均为来自Ⅲ型、Ⅱ2型干酪根的煤成气，其Ro值为0.59%～2.54%，涵盖低成熟、成熟、高成熟、过成熟整个热演化阶段；湿度为0.45%～36.61%，随Ro值增大，湿度变小。根据表1编制了煤成气W-Ro关系图（见图2），从而导出W-Ro关系式：

表1 中国不同盆地煤成气烃源岩Ro值、天然气湿度和碳同位素组成数据表

煤成气湿度的变化是烷烃气中各种分子热力学性质不同导致的，随气源岩温度增加（Ro增大），其生成的天然气中高碳数分子逐渐减少甚至缺失，说明W和Ro存在相关性。根据W-Ro关系式，若已知天然气W值则可推导出气源岩Ro值。特别是在勘探新区，在获得煤成气湿度后就可推算得到Ro值，这为确定煤成气烃源岩层位和天然气资源评价提供了重要科学支持，具有重要实践和科学意义。

图1 δ13C1-C1/C2+3鉴别图（据文献[11]修改）

图2 中国煤成气W-Ro关系图

2 结论

由于煤成气组分具有分子种类少、分子结构单一且缺少异构体、分子量小等特点，造成煤成气地球化学研究中信息量比原油少得多，故研究难度大。煤成气组分中烷烃气（CH4，C2H6，C3H8，C4H10和C5H10）是具有相似结构和成因的不同种类分子，其具有随热演化程度增加（即Ro值的增大），高碳数分子逐渐减少甚至缺失的特征，所以湿度与Ro值应存在相关性。本文研究利用煤成气的湿度（W=C2—5/C1—5）和气源岩Ro值的关联性，首次提出两者关系式：Ro=-0.419lnW+ 1.908。

由于天然气组分是天然气探井最先分析可得到的基础资料，因此湿度往往是最易获得的天然气参数，利用该参数应用（1）式，即可获得气源岩Ro值，从而确定气源岩层位，为天然气勘探和天然气资源评价提供理论支撑，具有重要实践和科学意义。

[1] 戴金星. 中国煤成气理论研究30年来勘探的重大进展[J]. 石油勘探与开发, 2009, 36(3): 264-279. DAI Jinxing. Major developments of coal-formed gas exploration in the last 30 years in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2009, 36(3): 264-279.

[2] 赵文智, 王红军, 钱凯. 中国煤成气理论发展及其在天然气工业发展中的地位[J]. 石油勘探与开发, 2009, 36(3): 280-288. ZHAO Wenzhi, WANG Hongjun, QIAN Kai. Progress of coal-formed gas geological theory and its status in natural gas industry in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2009, 36(3): 280-288.

[3] 戴金星, 倪云燕, 黄士鹏, 等. 煤成气研究对中国天然气工业发展的重要意义[J]. 天然气地球科学, 2014, 25(1): 1-22. DAI Jinxing, NI Yunyan, HUANG Shipeng, et al. Significant function of coal-derived gas study for natural gas industry in China[J]. Natural Gas Geoscience, 2014, 25(1): 1-22.

[4] 戴金星, 吴伟, 房忱琛, 等. 2000年以来中国大气田勘探开发特征[J]. 天然气工业, 2015, 35(1): 1-9. DAI Jinxing, WU Wei, FANG Chenchen, et al. Exploration and development of large gas fields in China since 2000[J]. Natural Gas Industry, 2015, 35(1): 1-9.

[5] STAHL W J, GARE B D. Source-rock identification by isotope analyses of natural gases from field in the Val Verde and Delaware Basins, West Texas[J]. Chemical Geology, 1975, 16(4): 257-267.

[6] 戴金星, 戚厚发. 我国煤成烃气的δ13C-Ro关系[J]. 科学通报, 1989, 34(9): 690-692. DAI Jinxing, QI Houfa. δ13C-Rorelationship of coal derived gas in China[J]. Chinese Science Bulletin, 1989, 34(9): 690-692.

[7] 刘文汇, 徐永昌. 煤型气碳同位素演化二阶段分馏模式及机理[J].地球化学, 1999, 28(4): 359-366. LIU Wenhui, XU Yongchang. A two stage model of carbon isotopic fractionation in coal gas[J]. Geochimica, 1999, 28(4): 359-366.

[8] HU G Y, LI J, SHAN X Q, et al. The origin of gas and the hydrocarbon charging history of the Yulin gas field in the Ordos Basin, China[J]. International Journal of Coal Geology, 2010, 84(4): 381-391.

[9] 戴金星, 夏新宇, 卫延召, 等. 四川盆地天然气的碳同位素特征[J]. 石油实验地质, 2001, 23(2): 115-121. DAI Jinxing, XIA Xinyu, WEI Yanzhao, et al. Carbon isotope characteristics of natural gas in the Sichuan basin, China[J]. Petroleum Geology and Experiment, 2001, 23(2): 115-121.

[10] 戴金星, 裴锡古, 戚厚发. 中国天然气地质学: 卷一[M]. 北京:石油工业出版社, 1992: 40-42. DAI Jinxing, PEI Xigu, QI Houfa. China natural gas geology: Volume 1[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1992: 40-42.

[11] WHITICAR M J. Carbon and hydrogen isotope systematics of bacterial formation and oxidation of methane[J]. Chemical Geology, 1999, 161(1/2/3): 291-314.

（编辑 魏玮 王大锐）

Relationships between wetness and maturity of coal-derived gas in China

DAI Jinxing1, NI Yunyan1, ZHANG Wenzheng2, HUANG Shipeng1, GONG Deyu1, LIU Dan1, FENG Ziqi1
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China; 2. PetroChina Changqing Oil Company, Xi’an 710021, China)

Owing to its limited homologous, simple structure, small molecular weight and radius, natural gas could diffuse easily and migrate in a long distance, which greatly increases the difficulties of the study of source rock maturity. So in this paper we study the relationship between natural gas wetness and source rock maturity. Based on 49 coal-derived gas samples from the Ordos, Sichuan, Bohai Bay, Qiongdongnan, Junggar and Turpan–Hami basins in China with integral molecular series, it is discovered that the wetness of natural gas decreases with the maturity (Ro) of source rock. The negative correlation between wetness and maturity was established. Since the wetness could be easily acquired, the Rocould be quickly calculated based on the relationship, which provides important basis for gas source definition and resource evaluation.

coal-derived gas; wetness; maturity; gas source rock; gas resource evaluation

中国石油天然气股份有限公司科技管理部项目（2014B-0608）

TE122

A

1000-0747(2016)05-0675-03

10.11698/PED.2016.05.01

戴金星（1935-），男，浙江温州人，中国科学院院士，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事天然气地质与地球化学研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院院部，邮政编码：100083。E-mail: djx@petrochina.com.cn

2016-04-05

2016-08-08