天然氣的主要成因是什么？其化學(xué)成分有哪些

【專家解說】：天然氣是指自然界中天然存在的一切氣體，包括大氣圈、水圈、和巖石圈中各種自然過程形成的氣體（包括油田氣、氣田氣、泥火山氣、煤層氣和生物生成氣等）。而人們長期以來通用的“天然氣”的定義，是從能量角度出發(fā)的狹義定義，是指天然蘊藏于地層中的烴類和非烴類氣體的混合物。在石油地質(zhì)學(xué)中，通常指油田氣和氣田氣。其組成以烴類為主，并含有非烴氣體。
天然氣蘊藏在地下多孔隙巖層中，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等，也有少量出于煤層。它是優(yōu)質(zhì)燃料和化工原料。
天然氣主要用途是作燃料，可制造炭黑、化學(xué)藥品和液化石油氣，由天然氣生產(chǎn)的丙烷、丁烷是現(xiàn)代工業(yè)的重要原料。天然氣主要由氣態(tài)低分子烴和非烴氣體混合組成。
隨著天然氣價格改革的加速落實，“十三五”大力推動天然氣發(fā)展預(yù)期的逐步臨近，以及近期天氣轉(zhuǎn)涼天然氣使用量的大幅增加，天然氣的發(fā)展將迎來歷史性機遇
天然氣是存

在于地下巖石儲集層中以烴為主體的混合氣體的統(tǒng)稱，比重約0.65，比空氣輕，具有無色、無味、無毒之特性。
天然氣主要成分烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣和少量一氧化碳及微量的稀有氣體，如氦和氬等。天然氣在送到最終用戶之前，為助于泄漏檢測，還要用硫醇、四氫噻吩等來給天然氣添加氣味。
天然氣不溶于水，密度為0.7174kg/Nm3，相對密度（水）為約0.45(液化)燃點(℃)為650，爆炸極限(V%)為5-15。在標準狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。甲烷是最短和最輕的烴分子。
有機硫化物和硫化氫(H?S)是常見的雜質(zhì)，在大多數(shù)利用天然氣的情況下都必須預(yù)先除去。含硫雜質(zhì)多的天然氣用英文的專業(yè)術(shù)語形容為"sour(酸的)"。
天燃氣每立方燃燒熱值為8000大卡至8500大卡。每公斤液化氣燃燒熱值為11000大卡。氣態(tài)液化氣的比重為2.5公斤/立方米。每立方液化氣燃燒熱值為25200大卡。每瓶液化氣重14.5公斤，總計燃燒熱值159500大卡，相當(dāng)于20立方天然氣的燃燒熱值。
天然氣的成因是多種多樣的，天然氣的形成則貫穿于成巖、深成、后成直至變質(zhì)作用的始終，各種類型的有機質(zhì)都可形成天然氣，腐泥型有機質(zhì)則既生油又生氣，腐植形有機質(zhì)主要生成氣態(tài)烴。

生物成因
成巖作用（階段）早期，在淺層生物化學(xué)作用帶內(nèi)，沉積有機質(zhì)經(jīng)微生物的群體發(fā)酵和合成作用形成的天然氣稱為生物成因氣。其中有時混有早期低溫降解形成的氣體。生物成因氣出現(xiàn)在埋藏淺、時代新和演化程度低的巖層中，以含甲烷氣為主。生物成因氣形成的前提條件是更加豐富的有機質(zhì)和強還原環(huán)境。
最有利于生氣的有機母質(zhì)是草本腐植型—腐泥腐植型，這些有機質(zhì)多分布于陸源物質(zhì)供應(yīng)豐富的三角洲和沼澤湖濱帶，通常含陸源有機質(zhì)的砂泥巖系列最有利。硫酸巖層中難以形成大量生物成因氣的原因，是因為硫酸對產(chǎn)甲烷菌有明顯的抵制作用，H2優(yōu)先還原SO42-→S2-形成金屬硫化物或H2S等，因此CO2不能被H2還原為CH4。
甲烷菌的生長需要合適的地化環(huán)境，首先是足夠強的還原條件，一般Eh<-300mV為宜（即地層水中的氧和SO42-依次全部被還原以后，才會大量繁殖）；其次對pH值要求以靠近中性為宜，一般6.0～8.0，最佳值7.2～7.6；再者，甲烷菌生長溫度O～75℃，最佳值37～42℃。沒有這些外部條件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷氣。

有機成因
油型氣
沉積有機質(zhì)特別是腐泥型有機質(zhì)在熱降解成油過程中，與石油一起形成的天然氣，或者是在后成作用階段由有機質(zhì)和早期形成的液態(tài)石油熱裂解形成的天然氣稱為油型氣，包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。
與石油經(jīng)有機質(zhì)熱解逐步形成一樣，

天然氣的形成也具明顯的垂直分帶性。在剖面最上部（成巖階段）是生物成因氣，在深成階段后期是低分子量氣態(tài)烴（C2～C4）即濕氣，以及由于高溫高壓使輕質(zhì)液態(tài)烴逆蒸發(fā)形成的凝析氣。在剖面下部，由于溫度上升，生成的石油裂解為小分子的輕烴直至甲烷，有機質(zhì)亦進一步生成氣體，以甲烷為主石油裂解氣是生氣序列的最后產(chǎn)物，通常將這一階段稱為干氣帶。
由石油伴生氣→凝析氣→干氣，甲烷含量逐漸增多，故干燥系數(shù)升高，甲烷δ13C1值隨有機質(zhì)演化程度增大而增大。
煤型氣
煤系有機質(zhì)（包括煤層和煤系地層中的分散有機質(zhì)）熱演化生成的天然氣稱為煤型氣。
煤田開采中，經(jīng)常出現(xiàn)大量瓦斯涌出的現(xiàn)象，如重慶合川區(qū)一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高達140萬立方米，這說明，煤系地層確實能生成天然氣。
煤型氣是一種多成分的混合氣體，其中烴類氣體以甲烷為主，重?zé)N氣含量少，一般為干氣，但也可能有濕氣，甚至凝析氣。有時可含較多Hg蒸氣和N2等。
煤型氣也可形成特大氣田，1960S以來在西西伯利亞北部K2、荷蘭東部盆地和北海盆地南部P等地層發(fā)現(xiàn)了特大的煤型氣田，這三個氣區(qū)探明儲量22萬億立方米，占世界探明天然氣總儲量的1/3弱。據(jù)統(tǒng)計（M.T哈爾布蒂，1970），在世界已發(fā)現(xiàn)的26個大氣田中，有16個屬煤型氣田，數(shù)量占60%，儲量占72.2%，由此可見，煤型氣在世界可燃天然氣資源構(gòu)成中占有重要地位。
成煤作用與煤型氣的形成：成煤作用可分為泥炭化和煤化作用兩個階段。前一階段，堆積在沼澤、湖泊或淺海環(huán)境下的植物遺體和碎片，經(jīng)生化作用形成煤的前身——泥炭；隨著盆地沉降，埋藏加深和溫度壓力增高，由泥炭化階段進入煤化作用階段，在煤化作用中泥炭經(jīng)過微生物酶解、壓實、脫水等作用變?yōu)楹置?；?dāng)埋藏逐步加深，已形成的褐煤在溫度、壓力和時間等因素作用下，按長焰煤→氣煤→肥煤→焦煤→瘦煤→貧煤→無煙煤的序列轉(zhuǎn)化。
實測表明，煤的揮發(fā)分隨煤化作用增強明顯降低，由褐煤→煙煤→無煙煤，揮發(fā)分大約由50%降到5%。這些揮發(fā)分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等氣態(tài)產(chǎn)物的形式逸出，是形成煤型氣的基礎(chǔ)，煤化作用中析出的主要揮發(fā)性產(chǎn)物。
1．煤化作用中揮發(fā)性產(chǎn)物總量端口；
2、CO2 3.H2O 4. CH4 5.NH3 6.H2S
從形成煤型氣的角度出發(fā)，應(yīng)該注意在煤化作用過程中成煤物質(zhì)的四次較為明顯變化（煤巖學(xué)上稱之為煤化躍變）：
第一次躍變發(fā)生于長焰煤開始階段，碳含量Cr=75-80%,揮發(fā)分Vr=43%，Ro=0.6%；
第二次躍變發(fā)生于肥煤階段，Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；
第三次躍變發(fā)生煙煤→無煙煤階段，Cr=91%，Vr=8%,Ro=2.5%；
第四次躍變發(fā)生于無煙煤→變質(zhì)無煙煤階段，Cr=93.5%,Vr=4%，Ro=3.7%，芳香族稠環(huán)縮合程度大大提高。
在這四次躍變中，導(dǎo)致煤質(zhì)變化最為明顯的是第一、二次躍變。煤化躍變不僅表現(xiàn)為煤的質(zhì)變，而且每次躍變都相應(yīng)地為一次成氣（甲烷）高峰。
煤型氣的形成及產(chǎn)率不僅與煤階有關(guān)，而且還與煤的煤巖組成有關(guān)，腐殖煤在顯微鏡下可分為鏡質(zhì)組、類脂組和惰性組三種顯微組分，中國大多數(shù)煤田的腐殖煤中，各組分的含量以鏡質(zhì)組最高，約占50～80%，惰性組占10～20%（高者達30～50%），類脂組含量最低，一般不超過5%。
在成煤作用中，各顯微組分對成氣的貢獻是不同的。長慶油田與中國科院地化所（1984）在成功地分離提純煤的有機顯微組分基礎(chǔ)上，開展了低階煤有機顯微組分熱演化模擬實驗，并探討了不同顯微組分的成烴貢和成烴機理。發(fā)現(xiàn)三種顯微組分的最終成烴效率比約為類脂組：鏡質(zhì)組：惰性組=3:1:0.71，產(chǎn)氣能力比約為3.3:1:0.8，說明惰性組也具一定生氣能力。

無機成因
地球上的所有元素都無一例外地經(jīng)歷了類似太陽上的核聚變的過程，當(dāng)碳元素由一些較輕的元素核聚變形成后的一定時期里，它與原始大氣里的氫元素反應(yīng)生成甲烷。
地球深部巖漿活動、變質(zhì)巖和宇宙空間分布的可燃氣體，以及巖石無機鹽類分解產(chǎn)生的氣體，都屬于無機成因氣或非生物成因氣。它屬于干氣，以甲烷為主，有時含CO2、N2、He及H2S、Hg蒸汽等，甚至以它們的某一種為主，形成具有工業(yè)意義的非烴氣藏。
稀有氣體He、Ar等，由于其特殊的地球化學(xué)行為，科學(xué)家們常把它們作為地球化學(xué)過程的示蹤劑。He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然氣成因的極重要手段，因沿大氣→殼源→殼、幔源混合→幔源，二者不斷增大，前者由1.39×10-6→>10-5，后者則由295.6→>2000。此外，根據(jù)圍巖與氣藏中Ar同位素放射性成因，還可計算出氣體的形成年齡（朱銘，1990）。[2]
甲烷
無機合成：CO2+H2→CH4+H2O 條件：高溫（250℃）、鐵族元素
地球原始大氣中甲烷：吸收于地幔，沿深斷裂、火山活動等排出
板塊俯沖帶甲烷：大洋板塊俯沖高溫高壓下脫水，分解產(chǎn)生的H、C、CO/CO2→CH4
CO2
天然氣中高含CO2與高含烴類氣一樣，同樣具有重要的經(jīng)濟意義，對于CO2氣藏來說，有經(jīng)濟價值者是CO2含量>80%（體積濃度）的天然氣，可廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療、飲食業(yè)和環(huán)保等領(lǐng)域。中國廣東省三水盆地沙頭圩水深9井天然氣中CO2含量高達99.55%，日產(chǎn)氣量500萬方，成為有很高經(jīng)濟價值的氣藏。
世界上已發(fā)現(xiàn)的CO2氣田藏主要分布在中—新生代火山區(qū)、斷裂活動區(qū)、油氣富集區(qū)和煤田區(qū)。從成因上看，共有以下幾種：
無機成因 ：
① 上地幔巖漿中富含CO2氣體當(dāng)巖漿沿地殼薄弱帶上升、壓力減小，其中CO2逸出。
②碳酸鹽巖受高溫烘烤或深成變質(zhì)可成大量CO2，當(dāng)有地下水參與或含有Al、Mg、Fe雜質(zhì)，98～200℃也能生成相當(dāng)量CO2，這種成因CO2特征：CO2含量>35%，δ13CCO2>-8‰。
③碳酸鹽礦物與其它礦物相互作用也可生成CO2，如白云石與高嶺石作用即可。
另外，有機成因有：
生化作用
熱化學(xué)作用
油田遭氧化
煤氧化作用
N2
N2是大氣中的主要成分，據(jù)研究，分子氮的最大濃度和逸度出現(xiàn)在古地臺邊緣的含氮地層中，特別是蒸發(fā)鹽巖層分布區(qū)的邊界內(nèi)。氮是由水層遷移到氣藏中的，由硝酸鹽還原而來，其先體是NH4+。
N2含量大于15%者為富氮氣藏，天然氣中N2的成因類型主要有：
① 有機質(zhì)分解產(chǎn)生的N2：100-130℃達高峰，生成的N2量占總生氣量的2.0%，含量較低；（有機）
② 地殼巖石熱解脫氣：如輝綠巖熱解析出氣量，N2可高達52%，此類N2可富集；
③ 地下鹵水（硝酸鹽）脫氮作用：硝酸鹽經(jīng)生化作用生成N2O+N2；
④ 地幔源的N2：如鐵隕石含氮數(shù)十～數(shù)百個ppm；
⑤ 大氣源的N2：大氣中N2隨地下水循環(huán)向深處運移，混入最多的主要是溫泉氣。
從同位素特征看，一般來說最重的氮集中在硝酸鹽巖中，較重的氮集中在芳香烴化合物中，而較輕的氮則集中在銨鹽和氨基酸中。
H2S
全球已發(fā)現(xiàn)氣藏中，幾乎都存在有H2S氣體，H2S含量>1%的氣藏為富H2S的氣藏，具有商業(yè)意義者須>5%。
據(jù)研究（Zhabrew等，1988），具有商業(yè)意義的H2S富集區(qū)主要是大型的含油氣沉積盆地，在這些盆地的沉積剖面中均含有厚的碳酸鹽一蒸發(fā)鹽巖系。
自然界中的H2S生成主要有以下兩類：
① 生物成因（有機）：包括生物降解和生物化學(xué)作用；1
② 熱化學(xué)成因（無機）：有熱降解、熱化學(xué)還原、高溫合成等。根據(jù)熱力學(xué)計算，自然環(huán)境中石膏（CaSO4）被烴類還原成H2S的需求溫度高達150℃，因此自然界發(fā)現(xiàn)的高含H2S氣藏均產(chǎn)于深部的碳酸鹽—蒸發(fā)鹽層系中，并且碳酸鹽巖儲集性好。