第2章　石油天然气的资源分布与消费

2.1　石油天然气的形成与发现

2.1.1　石油天然气的形成过程

石油和天然气的成因问题是石油地质学的主要研究课题之一，也是自然科学领域中争论最激烈的一个重大研究课题。解决了这个问题、有助于提高人们对客观世界的正确认识，关系到油气的勘探方向，所以多年来，它一直吸引着许多地质学家、生物化学家和地球化学家。

由于石油、天然气的化学成分比较复杂，又是流体，随着油气的迁移，找到油气的地方往往不是油气生成的地方，这就为研究油气成因问题带来了许多复杂性；同时，石油与天然气的组分很复杂，并非单一物质，且在地下运移过程中其他条件发生改变，其成分也在发生变化，现今的组成并不代表原貌，增加了油气成因研究的难度。人类对石油和天然气成因的认识，是在整个自然科学迅速发展的推动下，在油气勘探和开发实践过程中逐步加深的。

19世纪70年代以来，对油气成因问题的认识基本上可归纳为无机生成和有机生成两大学派。前者认为石油、天然气是在地下深处高温高压条件下由无机物合成的；后者主张油气是在地质历史上由分散在沉积岩中的动物、植物等有机物质生成的。人们根据当时实验室研究的证据，结合油气勘探和开采中所取得的资料进行地质推论，产生了各种假说。

由于石油工业早期找到的更多的是油，因此早期的油气成因理论更多关注的是油的成因问题，但现代的石油成因理论既包括油也包括气。概括来说，油气成因理论的发展大致经历了四个阶段，即无机成因说、早期有机成因说、晚期有机成因说和以晚期有机成因为主但兼顾其他因素贡献的成烃理论。

2.1.1.1　无机成因说

在石油工业发展早期，人们从纯化学角度出发，认为石油是无机成因的。早期的油气无机成因理论归纳起来有以下几种。

（1）碳化物说

碳化物说由俄国著名化学家Д.И.门捷列夫于1876年提出。他认为在地球内部水与金属碳化物相互作用，可以产生碳氢化合物（简称烃）：

3Fe_mC_n+4mH₂O mFe₃O₄+C_3nH_8m

碳化物说认为，在地球形成时期，温度很高，使碳和铁变为液态，互相作用而形成碳化铁。由于它们密度较大，被保存在地球深处。后来，地表水沿地壳断裂向下渗透，与碳化铁作用形成碳氢化合物，后者又沿着断裂上升到地壳的冷却部分。有些碳氢化合物浸透了岩石，形成油页岩、藻煤及其他含沥青岩石；有些碳氢化合物在地表附近受到氧化，形成地沥青等产物；如果碳氢化合物上升到地壳比较冷的部分，冷凝下来形成石油，并在孔隙性岩层中聚集便可形成油藏。

（2）宇宙说

宇宙说是由俄国学者В.Д.索可洛夫于1889年10月3日在莫斯科自然科学研究者协会年会上首次提出的。宇宙说主张在地球呈熔融状态时，碳氢化合物就包含在它的气圈中；随着地球冷凝，碳氢化合物被冷凝岩浆吸收，最后，它们凝结于地壳中而成石油。

由于上述假说在当时缺乏实际证据，20世纪以来几乎被人们所遗忘。但在近年来，宇航技术的发展和宇宙化学的发展表明，在太阳系某些星球的大气中，其主要成分为甲烷，这从一个侧面说明了太阳系星球中碳氢化合物宇宙成因的可能性，这就是现代的宇宙说（戴金星，1995）。

（3）岩浆说

1949年10月3日，在发表宇宙说六十周年纪念日的同一讲坛上，前苏联学者H.A.库得梁采夫提出了石油起源岩浆说，并且强调要发扬几乎被遗忘了的宇宙说。于是，又引起了石油成因两大学派的激烈争论。

库得梁采夫首先提到在许多天体上存在碳氢化合物、泥火山重复喷发、在地球上所谓烃源岩之上的岩浆岩和变质岩中形成和存在油气藏等都是无机生成说的论据。他认为石油的生成同基性岩浆冷却时碳氢化合物的合成有关。这个过程是在高压条件下完成的，因而可以促使不饱和碳氢化合物聚合成为饱和碳氢化合物。

他还指出，因为岩浆中形成石油的过程在不断进行着，古老的油气通过扩散作用早已逸散消失，所以，所有的油藏，包括寒武系中的油藏，都是年轻的油藏；并且，依靠石油才在地球上产生了生物，石油中含有生物所需要的一切化学元素，因此，石油不是来自有机物质，恰好相反，有机物质却是来源于石油。

（4）高温生成说

切卡留克（З.Ъ.Чекалюк，1971）根据合成金刚石的实验，用装满矿物混合物（方解石、石英、六水泻盐等）的反应器代替石墨反应器，在高压6000～7000MPa和高温1800K下，几分钟后由反应器中分离出易挥发组分，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷及少许庚烷。他从而认为在深约150km的上地幔古登堡层内，在温度超过1500K、压力达5000MPa情况下，由于有FeO及Fe₃O₄的参与，H₂O与CO₂还原而成烃类。在强烈褶皱作用时，深部石油进入地壳沉积岩，并由低分子烃转化为高分子烃及环状烃。

（5）蛇纹石化生油说

耶兰斯基（Н.Н.Еланскии，1966，l971）根据某些油田（例如俄罗斯伏尔加-乌拉尔油区的巴依土冈和丘波夫油田）在蛇纹岩及强烈蛇纹岩化的橄榄岩中被发现的事实，提出橄榄石的蛇纹石化作用可以产生烃类：

3（Fe，Mg）₂·SiO₄+7H₂O+SiO₂+3CO₂2Mg₃（OH）₄·Si₂O₅+3Fe₂O₃+C₃H₆

橄榄石的蛇纹石化作用是在埋深22～40km的地壳玄武岩层底的橄榄岩同12～22km深处的深水圈层接触的结果。这种接触发生在地壳深坳陷，由于延伸扩张、裂开，水沿萌芽状态的断裂进入橄榄岩发育带，生成烃类又沿着断裂而进入沉积岩。

上述关于石油的无机成因假说都是在石油工业发展的早期提出的，缺乏来自于油气勘探实践的证据支持，对150多年来的油气勘探实践也从未起到重要的指导作用，始终未成为油气成因的主流学说。

2.1.1.2　有机成因说

油气勘探实践和科学技术的进步促进了人们对于油气成因认识的深入。随着世界油气勘探实践的丰富和发现的油气越来越多，人们越来越发现无机成因的观点很难解释油气分布上的一些事实。

特别是近代物理学、化学、生物学及地质学等基础理论科学领域的辉煌成就，色谱、光谱、质谱、电子显微镜和同位素分析等先进技术的广泛采用，为应用有机地球化学知识来解决油气成因问题创造了良好条件，推动了对近代沉积物和古代沉积岩中烃类生成过程的研究，使石油有机生成的现代科学理论日趋完善。

回顾石油有机成因说的发展历史，有机成因说是与无机成因说在19世纪同时提出的，当时有所谓的“动物说”和“植物说”等古典有机成因说。但具有实际意义的有机成因说主要有早期成因说与晚期成因说两种观点。

（1）早期有机成因说

石油有机成因的早期说认为，石油是由沉积物（岩）中的分散有机质在早期的成岩作用阶段经生物化学和化学作用形成的。即这一学说认为，石油是在近现代形成的，由许多海相生物中遗留下来的天然烃的混合物，即它仅仅是生物体中烃类物质的简单分离和聚集。由于此时的有机质还埋藏较浅，故也被称为浅成说。这一学说在19世纪末期（Orton，1888）即被提出，但在20世纪30～60年代，受到更多的关注。

概括起来，支持油气（早期）有机成因学说的主要证据有：

①99%以上的石油产自于与有机质密切有关的沉积岩，产油的储层岩系与富含有机质的细粒岩石有密切的关系。

②许多生物标记化合物，如卟啉、异戊二烯型烷烃、甾烷、萜烷，在原油中的普遍存在及石油的旋光性强烈支持其有机成因。

上述具有特征、复杂结构的生物标记化合物只可能由生命过程合成。无机过程虽然也能合成具有旋光性的手性碳原子结构，但它所合成的左旋、右旋结构一般相当，从而表现不出旋光性，只有生命体中才能选择性地合成单一的结构，而体现出旋光性。

③石油和动植物残体之间的组成及碳同位素组成的相近性提供了两者之间成因联系的进一步证据。如自然界中无机碳（如大气中CO₂中的C）的同位素组成一般为δ¹³C=-7.0‰，而近代沉积物中有机物质的δ¹³C值范围为-30‰～-10‰，在-27‰～-20‰之间有一个最大分区。石油的δ¹³C平均值大约为-28‰（王大锐，2001）。

④在近代沉积物［如深海钻探计划（DSDP）的取样中］和有关的生物体中存在烃类及有关的化合物。如Smith（1954）引进先进分析技术，首次在现代沉积物中发现了烃类。这是一次飞跃性的突破，Smith为此获得了诺贝尔奖。

⑤部分油气区的勘探实际显示，形成较早的圈闭（如浅于600m）有油气聚集，而较晚的圈闭则为空圈闭，表明了石油的早期生成和早期运移、聚集、成藏。

尽管也有人直到20世纪90年代还坚持认为（Willson，1990），石油主要是有机质在浅埋的早期阶段生成并运移、聚集、成藏的，现今多数油藏显示成熟的特征是它们在储层中进一步熟化的结果，但绝大多数的证据并不支持大量石油的早期生成。

（2）晚期有机成因说

晚期有机成因说认为，并入沉积物中的生物聚合体首先在生物化学和化学的作用下，经分解、聚合、缩聚、不溶等作用，在埋深较大的成岩作用晚期成为地质大分子——干酪根。之后，随着埋深的进一步增大，在不断升高的热应力的作用下，干酪根才逐步发生催化裂解和热裂解形成大量的原石油（或称为沥青，包括烃类和非烃类），在一定的条件下，这些原石油从生成它的细粒岩石中运移出来，在储层中聚集成为油气藏。与早期有机成因说相同的是，它也认为油气源于有机质，但不同的是，它认为石油不是生物烃类的简单分离和聚集，而是先形成干酪根，之后在较大的埋深和较高的地温条件下才在热力的作用下转化形成。它也被称为深成说（此时有机质的埋深已经较大）和干酪根成烃说（有机质先形成干酪根，干酪根再生成油气）。

2.1.1.3　现代油气成因理论

油气现代有机成因理论指出，油气是由经沉积埋藏作用保存在沉积物中的生物有机质，经过一定的生物化学、物理化学变化而形成的，而且油气仅是这些被保存生物有机质在埋藏演化过程中诸多存在形式的一种。按照这一理论，有机质的早期成烃说和晚期成烃说就被统一起来了，它们实际上只是有机质成烃过程的两个阶段，只不过不同阶段的成烃量和影响因素不同，一般以后一阶段产烃为主。同时，在有机质成烃的过程中，可能有无机组分的参与和加入。

（1）生物有机质及其化学组成

在地质历史上生物是不断进化的，但组成生物有机体的基本有机组分并没有发生本质的变化。这些基本组分包括脂类蛋白质、碳水化合物以及木质素等，它们都具有相对稳定的化学组成和结构（图2-1）。

（2）沉积有机质

从石油天然气地质学研究的角度可以将沉积剖面中的沉积有机质粗略地划分为两大类，即不能溶解于有机溶剂中的干酪根和可以被有机溶剂溶解的沥青。正是对沉积剖面中这两类物质的组成和分布特征的深入研究导致了油气有机成因理论的建立。

（3）干酪根

干酪根（kerogen）一词来源于希腊字keros，意为能生成油或蜡状物的物质。1912年A.G.Brown第一次提出该术语，用于表示苏格兰油页岩中的有机物质，这些有机物质在干馏时可产生类似石油的物质。以后这一术语多用于代表油页岩和藻煤中的有机物质。直到20世纪60年代才明确规定为代表沉积岩中的不溶有机质。

1979年，亨特将干酪根定义为沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和常用有机溶剂的分散有机质。这一概念已逐渐被石油地质界和地球化学界所接受。与其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分称为沥青（bitumen）（图2-2）。干酪根以细分散状分布于沉积物和沉积岩中，是地壳中有机碳最重要的存在形式。它比煤和储集层中石油的有机碳总量高1000倍，比非储集层中分散的可溶有机碳总量高50倍。按有机质数量统计，干酪根是沉积有机质中分布最普遍，最重要的一类，约占地质体总有机质的95%。估计岩石中平均含干酪根0.3%，地壳中干酪根总量约为10¹⁶t（图2-3）。

（4）有机质向油气转化的阶段及一般模式

沉积有机质随着埋藏深度逐渐加大，经受地温不断升高，将发生有规律的演化。而油气的生成就是此演化过程的有机组成部分，或者说油气是沉积有机质在一定环境条件下的存在形式。由于在不同深度范围内，沉积有机质所处的物理-化学条件不同，致使有机质的转化反应及主要产物都有明显的区别，即原始有机质向石油和天然气的转化过程具有明显的阶段性。有机质演化和油气生成阶段一般划分为4个逐步过渡的阶段：即生物化学生气阶段、热催化生油气阶段、热裂解生凝析气阶段及深部高温生气阶段，分别与沉积有机质演化的未成熟阶段、成熟阶段、高成熟阶段和过成熟阶段相对应（图2-4、表2-1）。

①生物化学生气阶段　沉积有机质从形成就开始了生物化学生气阶段。这个阶段的深度范围是从沉积物顶面开始到数百米乃至一千多米深处，温度介于10～60℃，与沉积物的成岩作用阶段基本相符，相当于煤化作用的泥炭-褐煤阶段，在浅层以生物化学作用为主，到较深层以化学作用为主。

在该阶段的早期，埋藏深度较浅，温度、压力较低，适于各类细菌的生存。生物起源的聚合有机质大部分被选择性分解，转化为分子量更低的生物单体（如苯酚、氨基酸、单酪、脂肪酸等），这些生物化学单体将进一步经受各种变化。在适合生物甲烷菌生存的环境中，生物甲烷菌将利用有机化合物合成生物甲烷。部分有机质被完全分解成CO₂、NH₃、H₂S和H₂O等简单分子。少量生物化学单体（尤其是脂类化合物）通过简单反应形成保留原始生物化学结构的特殊烃类，即生物标志化合物。而生物单体的大部分以不同的途径转化形成了干酪根。此时沉积物中的烃类组成具有如下特征：烃类在有机质中所占的比重很小；高分子量正构烷烃C₂₂～C₃₄范围内有明显的奇数碳优势（少数具有偶数碳优势或没有奇偶优势）；环烷烃中1～6环均有，但以四环分子含量最高，这是广泛存在甾族衍生物所致；芳香烃显示萘和四环芳香烃双峰。

到本阶段后期，埋藏深度加大，温度接近60℃，开始生成少量液态石油，有时在特定的生源构成和适宜环境条件下生成石油的数量会较大。此时沉积物中的烃类组成特征与本阶段早期沉积物中烃类的组成特征相近，但也有明显区别，正构烷烃的奇数碳优势依然存在，但明显减弱；四环分子在环烷烃中仍然含量最高，但环烷烃的总含量降低；芳香烃显示萘和四环芳香烃双峰，且萘系明显高于四环芳香烃。

②热催化生油气阶段　随着沉积物埋藏深度超过1500～4500m，进入后生作用阶段前期，有机质经受的地温升至60～180℃，相当于长焰煤-气煤-肥煤阶段，促使有机质转化的最活跃因素是黏土矿物的热催化作用。在此阶段干酪根中的大量化学键开始断裂，从而形成大量的烃类分子，成为主要的生油时期，为有机质演化的成熟阶段，在国外常称为“生油窗”。这个阶段产生的烃类在化学结构上同原始有机质有了明显区别，而与石油却非常相似。中、低分子量的分子是正构烷烃中的主要组分，奇偶优势消失；环烷烃及芳香烃中也以低环和低碳原子数分子占优势为特征。它们与前一阶段中存在的烃类有明显的区别，没有特定的结构或者特殊的分布。

③热裂解生凝析气阶段　当沉积物埋藏深度超过4500～7500m，地温达到180～250℃时，则进入后生作用阶段后期，相当于煤化作用的焦煤-瘦煤-贫煤阶段，为有机质演化的高成熟阶段。此时残余干酪根继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量水、二氧化碳、氮和低分子量烃类。同时由于地温升高，在前期已经生成的液态烃类变得不再稳定，也开始裂解，主要反应是大量C—C键断裂，包括环烷的开环和破裂，导致液态烃急剧减少，C₂₅以上高分子正烷烃含量渐趋于零，只有少量低碳原子数的环烷烃和芳香烃可以稳定存在；相反，低分子正烷烃剧增，主要是甲烷及其气态同系物。那些在地下深处呈气态（凝析气），采至地面随温度、压力降低，凝结成的液态轻质石油，就是凝析油。

在这个阶段，烃类反应的性质可以看作是一个歧化反应。一方面石油热裂解生成较高氢含量的甲烷及其气态同系物等轻烃类；另一方面石油中含杂环和芳香环的组分产生缩合反应主要形成贫氢的固态残渣，同时残余干酪根也变得贫氢。

④深部高温生气阶段　当深度超过7500m，沉积物已进入变生作用阶段，达到有机质转化的末期，相当于半无烟煤-无烟煤的煤化阶段，为有机质演化的过成熟阶段。温度超过了250℃，以高温高压为特征，干酪根的裂解反应继续进行，由于氢以甲烷的形式脱除，干酪根进一步缩聚，H/C原子比降到很低，生烃潜力逐渐枯竭。据估计当干酪根H/C原子比降至0.45左右时，将没有液态烃的形成，而降至0.3时，则接近甲烷生成的最低限（J.M. Hunt，1979）。即使是已形成的液态烃和重烃气体也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。最终干酪根将形成碳沥青或石墨。这种现象在实验室、野外观察和深井钻探结果中都得到了证实。中国科学院地球化学研究所对石油进行高温高压试验，发现当压力固定不变，石油随湿度升高向两极明显分化，最后形成气体与固态沥青。演化过程是石油→油+气→油+气+固态沥青+液态沥青→气体+固态沥青。这种试验结果同野外观察现象十分吻合。如在四川盆地威远隆起震旦系白云岩中见到石油热演化的最终产物甲烷和固态沥青，后者呈不规则浸染状或粒状分布于白云岩的裂缝或洞穴中，成熟度高，通常为碳沥青和焦沥青。

以上各个阶段是连续过渡的，相应的反应机理和产物也是可以叠置交错的，没有统一的截然的划分标准。有机质的演化程度同时受控于有机质本身的化学组成和所处的外界环境条件，不同类型有机质达到不同演化阶段所需的温度条件不同，而不同的沉积盆地沉降历史、地温历史也不同，这就决定了不同沉积盆地中的有机质向油气转化的过程不一定全都经历这4个阶段，而且，每个阶段的深度和温度界限也可有差别。对于地质发展史较复杂的沉积盆地，可能经历过数次升降作用，烃源岩中的有机质可能由于埋藏较浅尚未成熟或只达到较低的成熟阶段就遭遇抬升，有机质没有生烃或没有完全生烃，如果有机质在抬升中不被破坏，到再度沉降埋藏到相当深度，达到了生烃温度后，有机质仍然可以生成石油，即所谓“二次生油”。

2.1.1.4　天然气的生成特点

生成天然气的物质不仅可以是不同类型的沉积有机质，也可以是无机物；天然气不仅可以由干酪根热降解和热裂解作用以及液态烃的热裂解作用形成，也可由细菌生物化学作用形成，或由无机物合成和分解作用形成；其形成的环境多样，既可以在沉积有机质埋藏极浅、温度较低的环境下由生物细菌还原作用形成，也可在埋藏中、深层条件下由干酪根和储层石油热解和裂解形成，甚至可来自高温热液或高温合成。因此，天然气有比石油更广泛的形成条件，天然气不仅能伴随石油的形成过程而生成，而且能在许多不适于生油的条件和环境中大量形成（表2-2）。

2.1.1.5　天然气的成因类型简介

随着天然气的勘探和形成机理研究的发展，人们日益认识到天然气有比石油更广泛的形成条件，天然气不仅能伴随石油的形成过程而产生，而且能在许多不适于生油的条件和环境中大量形成。随着气体地球化学、有机地球化学、微生物化学、宇宙化学和模拟试验的研究进展，对天然气的成因机理的认识不断深化。

从形成天然气的基本物质着眼，可将天然气划分为有机成因气、无机成因气和混合成因气（表2-3）。

（1）有机成因气

有机成因气是指成气的原始母质来源于有机物质的天然气。据母质类型分为以腐泥型有机质为主生成的腐泥型气和以腐殖型有机质为主形成的腐殖型气。在此基础上，根据有机质演化的阶段或由有机质转化为天然气的主要外生营力的特征，可进一步划分为生物化学气、油型气和煤型气。

①生物化学气　生物气是指在成岩作用或有机质演化早期阶段，沉积有机质通过微生物的发酵和合成作用形成的以甲烷为主的天然气，或称为细菌气、沼气、生物化学气或生物成因气等。无论是腐泥型还是腐殖型有机质都可被生物降解而生成生物化学气。

20世纪60年代以来，在俄罗斯西西伯利亚北部白垩系砂岩中，发现了一系列特大气田和大气田，经甲烷碳同位素鉴定确认为生物化学气，形成了目前世界上最大的产气区；后来，在意大利、加拿大、美国和日本也发现了生物化学气大气田。我国柴达木盆地东部三湖地区第四系也已发现多个生物化学气田。这种气藏埋藏深度浅，一般在1500m以内，时代主要是白垩纪、古近纪、新近纪和第四纪。

生物化学气的成分主要是甲烷，可高达98%以上，重烃气（）含量极低，一般小于2%，干燥系数（C₁/）在数百以上，属于干气。有时可含有痕量的不饱和烃以及少量的CO₂和N₂。生物化学气的甲烷以富集轻的碳同位素¹²C为特征。其甲烷的碳同位素δ¹³C₁的范围为-100‰～-55‰，多数在-80‰～-60‰。在有热解气混入以及厌氧氧化时，可使同位素变重。

生物气的氢同位素资料报道较少，Schoell（1983）认为，生物化学气的δD也呈低值。腐殖型生物化学气最低，δD介于-280‰～-210‰，腐泥型生物化学气约为-210‰～-150‰。

②油型气　油型气是指腐泥型或腐殖-腐泥型沉积有机质进入成熟阶段以后所形成的天然气，它包括伴随生油过程形成的湿气（原油伴生热解气）以及高成熟和过成熟阶段由干酪根和液态烃裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气。油型气分布甚广，在含油气盆地中只要发现了油藏，都有可能找到数量不等的油型气，它们可以呈不同状态存在。

油型气的形成过程包括两个演化途径：一是干酪根热解直接生成气态烃；二是干酪根热降解为石油，在地温继续增加的条件下，石油再裂解为气态烃。

各种油型气是在干酪根不同热演化阶段的产物，其化学成分存在差别。石油伴生气和凝析油伴生气的共同特点是重烃气含量高，一般超过5%，有时可达20%～50%，其中，iC₄/nC₄比值明显小于1，在热催化生油气阶段约为0.7～0.8（据Y.Héroux等，1979）；甲烷碳同位素δ¹³C₁介于-55‰～-40‰；石油伴生气偏轻，约为-55‰～-45‰；凝析油伴生气偏重，约-50‰～-40‰。过成熟的裂解干气，以甲烷为主，重烃气极少，小于1%～2%，甲烷碳同位素大于或等于-40‰～-35‰。

③煤型气　目前在有关文献中与煤型气有关的术语还有煤系气和煤成气等，这些术语的含义在不同作者的文献中存在一定的差异。煤系气最初用于描述在煤系地层中产出的天然气，后来逐渐赋予成因含义，指由煤和煤系有机质在各种作用中形成的天然气，而不论其产出的地层组合是否是煤系。煤成气最先用于煤干馏所生成的气体，是与工业上煤的气化联系在一起的。在煤系地层中广泛发现天然气后逐渐也将这一术语赋予了成因含义，现在也有人用其指煤和煤系有机质在整个演化过程中生成的天然气。为了避免含义上的混淆，徐永昌（1985）建议使用“煤型气”与“油型气”相对应，煤型气特指煤层和煤系地层中腐殖型有机质在煤化作用过程中形成的可燃天然气。

1959年在荷兰北部发现格罗宁根大气田，并在查明了二叠系赤底统风成砂岩中巨大天然气聚集来自中石炭统煤系地层以后，煤型气开始被人们所重视。后来，在北海盆地内部发现十几个大气田，探明总储量逾4.5×10¹²m³，成为世界第二大产气区。从此，俄、美、澳等许多国家普遍注意在含煤盆地中寻找煤型气气藏。据报道，在煤炭资源极丰富的德国，探明的煤型气储量占天然气总储量的93%。我国有着丰富的煤炭资源及煤系地层，煤型气将是我国天然气勘探的重要对象之一。

从国内外已知的煤型气藏的组成来看，煤型气普遍含有一定量的非烃气，如N₂、CO₂等，但其含量很少达到20%或超过20%（如库珀盆地的CO₂），大多为外来成分加入（表2-4）。尽管煤型热解气的重烃含量比煤型裂解气高，但煤型气的重烃含量也很少超过20%，主要为甲烷。

不同研究者得出的煤型气的甲烷同位素位变化较大，一般在-52‰～-24‰，主要分布区间为-38‰～-32‰。戴金星等（1985）研究表明，我国煤型气甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素值分别变化在-41.8‰～-24.9‰、-27.09‰～-23.81‰和-25.72‰～-19.16‰。煤型气甲烷的氢向位素S_D值变化在-171‰～-161.4‰，（徐永昌，1985）。而油型气甲烷系列同位素组成较煤型气偏轻，如油型气中的δ¹³C，主要分布在-40‰～-35‰。煤型气中的汞蒸气主要来源于煤系地层，由于腐殖型有机质对汞有较强的吸附能力，因此煤系地层具有较高的原始汞丰度，煤型气中汞蒸气的含量，一般含量超过1μg/m³，中欧盆地的煤型气含汞量可高达180～400μg/m³，我国东濮凹陷典型的煤型气藏汞含量为1.1～51μg/m³ （徐永昌等，1994）。

（2）无机成因气

无机成因气是指不涉及有机物质反应的一切作用和过程所形成的气体。它包括地球深部岩浆活动、变质作用、无机矿物分解作用、放射作用以及宇宙空间所产生的气体，包括烃类气体和非烃气体。烃类气体主要为甲烷，非烃类气体包括N₂、CO₂、H₂S、Hg以及稀有气体He、Ar等。

地球原始甲烷的存在已为各种科学研究所证实。地球原始甲烷是指地球形成时从星际空间捕获的以甲烷为主的气体，在地球脱气过程中，经由各种断裂体系运移至地球表层。地球深部原始甲烷主要与深大断裂有关的水热系统相伴产出，如俄罗斯勘察加热水中的天然气，美国黄石公园热泉中的甲烷，新西兰提科特雷地区和布罗兰兹地区水热体系中的甲烷以及中国腾冲地区与火山活动有关的水热系统的甲烷，均有较多的地球化学标志表明它们可能为来自地球深部的地幔原始甲烷。

（3）非烃类气体

天然气体中的非烃气体主要指N₂、CO₂、H₂S、Hg及稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。非烃气体既是重要的资源，又是天然气形成演化、成因类型识别的重要指标。

①二氧化碳　我国的三水盆地、苏北盆地、济阳坳陷和松辽盆地等都分布有含二氧化碳较高的气藏和纯二氧化碳气藏。但在大多情况下，天然气中二氧化碳的含量变化在百分之几到百分之十几。

CO₂的成因包括有机成因和无机成因两大类。有机成因主要包括有机物在厌氧细菌作用下，受生物化学降解可生成大量的CO₂；干酪根特别是Ⅲ型干酪根的热降解和热裂解也可形成一定量的CO₂；此外烃类的氧化作用也可形成CO₂。

无机成因CO₂包括碳酸盐等矿物的化学成因和岩浆成因两种机制。碳酸盐岩在高温热解、低温水解以及地下水中酸性溶解过程中均可以生成CO₂。纯碳酸盐无水时，在825℃才开始分解，但在有水时，不纯的碳酸盐在75℃就开始产生CO₂。海相成因的石灰岩在地下温度为150℃时分解产生大量CO₂。

在岩浆上升过程中，出于温度和压力降低，可析出大量CO₂。国内外许多学者对火成岩所含气体成分进行了研究，其所含的气体主要是CO₂（戴金星等，1992）。目前研究结果表明，天然气中含量大于50%的CO₂基本是无机成因的。

②氮气　在天然气中，氮气比二氧化碳更常遇到。它的含量通常不超过10%（经常为2%～3%）。天然气中氮气的来源一般认为有生物来源、大气来源、岩浆来源和变质岩来源等。生物来源是天然气中氮气的主要来源，是指在沉积有机质或石油中的含氮化合物在生物化学改造或热催化改造过程中生成的。

③硫化氢　H₂S集中分布在碳酸盐岩和硫酸盐岩储层中，而存在于陆源碎屑岩中的绝大多数都与区域上高硫化氢的碳酸盐岩、蒸发岩地层有着明显联系。目前已知几十个硫化氢含量大于10%的气田，包括我国冀中赵兰庄H₂S气藏（H₂S含量达92%），四川盆地的中7井、卧9井、卧63井等，几乎都分布在碳酸盐岩及蒸发岩中，且绝大多数埋深分布在3000m以下。

目前认为H₂S气体的成因主要为生物成因、热化学成因和岩浆成因。

2.1.2　石油天然气的发现历程

英文“petroleum”一词来源于希腊文petra（岩石）和oleum （油）之意。中文“石油”一词，来源于宋代沈括（1031～1095）的《梦溪笔谈》。实际上，人类认识油气和利用油气的历史由来已久，各文明古国都有类似的传说和记载。据考古考证，早在两河文化时代，苏美尔人（Sumer）曾使用沥青做雕刻品；巴比伦楔形文字中有关于在死海沿岸采集石油的记述；美索不达米亚地区曾用砖和沥青建造教堂；波斯帝国时代在首都苏萨附近凿有石油井（吴凤鸣，1999）。早在三千年以前古代中国人就观察到天然气燃烧的现象，两千年前就有关于石油的文献记载，1835年我国就钻成了世界上的第一口超过千米的深井。但世界石油界，特别是美国石油界，都把德雷克（Edwin Laurentin Drake，1819～1881）1859年8月27日钻成的一口油井作为世界第一口油井，并把这件事看作世界石油工业的开端（吴凤鸣，1999；王才良、周珊，2006a）。

早期利用的石油主要来自于从地层中自然流出的石油。在美国宾夕法尼亚州泰特斯维尔城附近有一条小河，河边有一系列油苗，河面上常常漂着原油，人们把这条小河叫做石油溪。近代的石油工业就是从这里开始的。l854年，佛朗西斯·布鲁尔医生买下油苗所在的西巴德农场，与合伙人成立了世界上第一个石油公司——宾夕法尼亚岩石油公司，通过挖坑采集这里的石油。后来西巴德农场落到了公司股东之一的杰姆土·汤森手里，他与人合伙于1858年3月23日成立了塞尼卡石油公司，垄断了这里的石油经营。德雷克是这个公司的股东之一，他尝试用顿钻钻井，并于1859年8月27日在钻到21m深时出油，他用蒸汽动力泵抽出了石油，这口井的日产量达到30bbl（桶，1bbl=158.9873dm³）。实际上，在中国、俄罗斯、罗马尼亚等国都有早于德雷克井的气井和油井（吴凤鸣，1999），但世界石油界还是将德雷克钻的油井看作世界第一口油井，并作为近代石油工业的开端。

我国是世界上最早发现、开采和利用石油及天然气的国家之一，根据史料记载已有三千多年的历史。由于天然气比石油更易从地层中逸出，遇到野火、雷电就会燃烧，因此，在历史上认识天然气早于石油。

最早的石油利用记载见于1900多年前班固所著的《汉书·地理志》：“高奴，有洧水，可蘸。”高奴系指今陕西省延安县一带，洧（音渭）水是延河的一条支流，“蘸”乃古代“燃”字。这是描述水面上有像油一样的东西可以燃烧。可见早在近两千年前我国就发现了能够燃烧的陕北石油。

公元267年晋朝张华在《博物志》中详细描述了甘肃酒泉石油的特征：“酒泉延寿县南山出泉水，大如筥，注地为沟，水有肥，如肉汁，取著器中，始黄后黑，如凝膏，然极明……彼方人谓之石漆。”表明当时称石油为石漆，且已开始观察和采集，用作润滑车轴和燃烧、照明。

9世纪初唐朝李延寿在《北史·西域传》中记载了“（龟兹）西北大山中，有如膏者流出成川。行数里入地，状如醍醐，甚臭”。龟兹即今新疆南部库车一带，远在1100多年前我国就发现库车一带的沥青宛如奶酪一样黏稠，具有臭味。

科学术语“石油”是北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中首次提出的：“鄜延境内有石油，旧说‘高奴县出脂水’，即此也。”“（石油）生于水际沙石，与泉水相杂，惘惘而出。”他在描述了陕北富县、延安一带石油的性质和产状后，进一步推论了石油的利用远景：“此物后必大行于世……盖石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。”他还第一次用油烟做墨，即现代的所谓炭黑。

在历史上，石油不仅用于润滑、照明、燃烧和医药，而且很早就用于军事上。《元和郡县志》记载，公元576年，酒泉人民用油烧毁突厥族攻城的武器，保全了酒泉城。北宋神宗六年（公元1073年）在京都汴梁军器监设有专门的“猛火油作”，加工石油制兵器。

我国四川因最早利用天然气煮盐而闻名于世。晋朝常璩在《华阳国志》中记载了2200多年前（公元前221～前210年）的秦始皇时代，四川临邛县郡（即今邛崃县）西南钻井开采天然气煮盐的情景：“有火井，夜时光映上昭。民欲其火，先以家火投之，顷许，如雷声，火焰出，通耀数十里，以竹筒盛其火藏之，可拽行终不灭也。井有二水，取井火煮之，一斛水得五斗盐。”有时一口火井可烧盐锅七百口。

天然气煮盐促进了我国钻井技术的迅速发展。公元前256～前251年秦朝李冰为蜀守时就发明了顿钻，并在四川广都成功地钻成了第一口采盐井。至公元前221～前210年，四川邛崃出现厂用顿钻钻凿的天然气井。

我国是世界上最早开发气田的国家，四川自流井气田的开采约有两千年历史。《自流井记》关于“阴火潜燃于炎汉”的记载表明，早在汉朝就已在自流井发现了天然气。据《富顺县志》记载，晋太康元年（公元280年）彝族人梅泽在江阳县（今富顺自流井）发现石缝中流出泉水，“饮之而咸，遂凿石三百尺，咸泉涌出，煎之成盐”。自流井即因这口井自喷卤水而得名。

宋末元初（13世纪），已大规模开采自流井的浅层天然气。《富顺县志》描述：“火井在县西九十里，深四五丈，经五六寸，中无盐水。”1840年钻成磨子井，在1200m深处钻达今三叠系嘉陵江统石灰岩第三组深部主气层，发生强烈井喷，火光冲天，号称“火井王”，估计日产气量超过40×10⁴m³，“经二十余年犹旺也”（见《自流井记》）。从汉朝末年开始，在自流井大规模开采天然气煮盐以来，共钻井数万口，采出了几百亿立方米天然气和一些石油。这样长的气田开采历史在世界上也是罕见的。