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1、第22卷第2期天然气地球科学Vol.22No.22011年4月NATURALGASGEOSCIENCEApr.2011天然气地球化学天然气组分、同位素分馏机理及实例分析12,33林会喜,程付启,金强(1.中国矿业大学(北京)博士后流动站,北京100083;2.胜利油田地质科学研究院,山东东营257015;3.中国石油大学(华东),山东东营257062)摘要:天然气组分、同位素的分馏伴随其生成、运移及保存的整个过程,生成过程中组分、同位素分馏效应由反应基团活化能的差异引起,表现为随成熟度升高,产物同位素组成逐渐接
2、近母质;天然气运移过程中的分馏机制与运移方式有关,以溶解相、游离相和扩散相运移的天然气,其组分、同位素分馏分别由组分或同组分不同同位素分子的溶解、吸附及扩散能力差异引起,均可用动力学理论进行解释;除扩散作用外,微生物降解是天然气藏内天然气组分、同位素分馏的重要机制,其过程受微生物种类及动力学过程控制。在此基础上,对国内外天然气运移、保存分馏实例进行了分析。关键词:天然气组分;同位素组成;分馏机理;实例分析中图分类号:TE135文献标识码:A文章编号:16721926(2011)02019506引用格式
3、:林会喜,程付启,金强.天然气组分、同位素分馏机理及实例分析[J].天然气地球科学,2011,22(2):195200.0引言1天然气组分和同位素分馏机理天然气组分、同位素特征是划分天然气类型、天然气组分和同位素分馏作用可以发生在其生判识天然气成因、追索气体来源及确定母质成熟度成、运聚及保存等各成藏阶段,不同阶段促使其组[17]的有效指标。在天然气生成及其后从源到藏和分、同位素分馏的方式和机制不同。从藏内散失的过程中,由于各组分之间及同组分不1.1生成过程中同位素分馏效应同同位素分子之间生成特征、运移和散失速
4、率的差天然气生成过程中分馏效应可以用化学反应活异,将导致天然气组分和同位素特征的不断变化,化能的概念来解释,在有机质演化生烃过程中,总是[8]即发生天然气组分、同位素分馏效应。天然气生反应活化能较低的基团(短链、碳同位素组成轻的基成及其后组分、同位素分馏效应,不仅为各成熟阶团)优先断裂,使得产物和母质的分子组成与同位素段天然气提供了相应的特征参数,也为天然气运组成产生差异(分馏效应),随着温度增加、有机质演移、聚集、散失等成藏过程示踪提供了有益的地球化程度不断升高,复杂有机体中高活化能的基团逐[9]化学信息。揭示天然气
5、组分、同位素分馏机理,渐断裂、脱落,使产物的组分、同位素特征逐渐与母[10]对准确判识天然气成因类型、追索气体来源、示踪质接近。Clayton以瑞利蒸发理论为基础,阐述运移、聚集、散失过程具有重要意义。笔者在前人了生成烃类产物碳同位素和母质碳同位素的分馏效12121313相关研究的基础上,通过对天然气生成、运聚成藏应。由于CC的键能比CC的键能小,气体1212及散失过程的物理化学过程分析,揭示了天然气成生成时CC键优先断裂,导致产物的碳同位素藏各阶段的组分、同位素分馏机理,并结合国内外组成较轻而母质碳同位素组成变
6、重。随着反应的进实例进行了分析。行,在分馏系数恒定时,气体产物碳同位素组成将逐收稿日期:20100908;修回日期:20101129基金项目:中国博士后科学基金(编号:20090451345);国家重点基础研究发展规划项目(编号:2001CB209102)联合资助.作者简介:林会喜(1969),男,山东济宁人,教授级高级工程师,博士,主要从事油气地质与地球化学研究.Email:chengfq9804@yahoo.com.cn.196天然气地球科学Vol.22*渐变重(图1)。Ao、Ao分别
7、为它们的前置因子;R为气体常数;T为[11]Cramer等将同位素分馏效应(KIE)定义为含绝对温度。轻同位素分子与含重同位素分子的反应速率之比:通过模拟实验,Cramer等发现甲烷碳同位素分**KIE=(Aoexp(-Ea/RT))/(Aoexp(-Ea/RT))馏系数KIE随温度升高而减小(图2),即同位素分*式中:Ea、Ea分别为含轻、重同位素分子活化能;馏效应减弱。[10]图1天然气生成过程中碳同位素分馏过程示意(据Clayton,1991,修改)[11]图2甲烷同位素分馏系数(KIE)与温度的关系(据Cr
8、amer等,1998)受反应活化能的控制,有机质在不同演化阶段实际上,有机质在整个生气过程中甲烷碳同位[13]降解脱落的分子基团不同。杂原子基团烷基首先降素分馏系数升、降变化很大,对于具体的气源岩解,随后是脂肪族羟基等,高演化阶段时芳环和大分还有许多工作有待深入研究。此外,有机质生烃过子烷烃也逐渐降解。由于不同基团参与反应所需
