一种He和N2联合判识煤成气、油型气的方法及其应用

摘要

本发明提供了一种He和N2联合判识煤成气、油型气的方法及其应用。该方法包括以下步骤：采集天然气样本、测定N2含量、测定氮同位素比值、测定氦同位素比值和建立综合判识指标体系，判识天然气样本的；其中，该判综合识指标体系为：R/Ra≤0.2，N2含量≤9％，且δ15NN2≥5‰，则该天然气样本为煤成气；R/Ra≤0.2，N2含量＞9％，且δ15NN2≤5‰，则该天然气样本多为油型气；R/Ra≤0.2，N2含量≤9％，且δ15NN2≤‑5‰，则该天然气样本多为油型气；R/Ra≤0.2，N2含量≤9％，且‑5‰＜δ15NN2＜5‰，则该天然气样本为煤成气或油型气或二者混合成因气。

说明书

技术领域

本发明属于油气勘探技术领域，涉及一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法及其应用。

背景技术

天然气主要由CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀等烃类气体，少量CO₂、N₂等非烃气体以及痕量到微量的稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe等组成。中国的天然气以煤成气为主。煤成气是我国天然气储量和产量增长的主体，在我国天然气工业的发展中占据了举足轻重的地位。开展煤成气、油型气的判识，对于明确天然气成因及来源，指导天然气勘探、推动我国天然气工业快速发展具有重要意义。当前，煤成气和油型气的判识主要从天然气碳同位素及组分、轻烃、生物标志物等指标考虑。虽然非烃气体和稀有气体作为天然气的重要组成部分，与烃类气体具有十分密切的关系，但目前尚无涉及利用稀有气体He和非烃气体N₂联合判识天然气为煤成气或油型气的方法及指标。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，该方法能够利用天然气中的稀有气体He和非烃气体N₂联合判识该天然气为煤成气或油型气。

为了达到前述的发明目的，本发明提供的一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，其包括以下步骤：

采集天然气样本；

测定所述天然气样本中N₂含量；

测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值

测定所述天然气样本中氦的同位素比值R/Ra或者³He/⁴He；

建立综合判识指标体系，判识所述天然气样本；

其中，所述判综合识指标体系为：

R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且则所述天然气样本多为煤成气；

R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量＞9％，且则所述天然气样本多为油型气；

R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且则所述天然气样本多为油型气；

R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且则所述天然气样本为煤成气或油型气或二者混合成因气。

在上述方法中，所述天然气包括天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物。

在上述方法中，所述天然气包括但不限于油田气、气田气、煤层气、页岩气、泥火山气或生物气等。

在上述方法中，氦的同位素比值R/Ra和氦的同位素比值³He/⁴He为氦的同位素比值的不同表示方法，两者可以根据R/Ra＝(³He/⁴He)/(1.4×10^-6)关系式相互转化。

在上述方法中，所述判综合识指标体系为综合判识指标体系，所述综合判识指标体系为两步法判识指标体系，其中，指标判识所述天然气样本中的非烃气体N₂的成因，指标(即指标)判识所述天然气样本为煤成气、油型气、煤成气或油型气或二者混合成因气(即煤成气和/或油型气不确定)。

在上述方法中，当R/Ra≤0.2时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为有机成因；

所述有机成因包括三大成因，其中，

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为生物成因，主要来自微生物反硝化或氮化作用控制；

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为有机质热解成因，主要来自成熟、高成熟阶段有机质的热氨化作用；

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为有机质热解成因，主要来自过成熟阶段有机质的裂解作用。

在上述方法中，所述指标主要划分为三大区域，即所述天然气样本包括三大：煤成气型、油气型、煤成气和/或油型气不确定。

在上述方法中，所述天然气样本为煤成气和/或油型气不确定(即煤成气或油型气或二者混合成因气)为不能根据所述指标判识该天然气样本具体为煤成气、油气型或者煤成气和油型气混合。

在上述方法中，优选地，所述采集天然气样本的方法为：将高压钢瓶抽至10^-1Pa以下，然后采集天然气的中段气流，直至所述高压钢瓶的气体压力为3-6MPa，得到天然气样本。

在上述方法中，所述高压钢瓶的最大工作压力为15MPa。

在上述方法中，优选地，该测定所述天然气样本中N₂含量的方法为：利用微量进样针从取样阀提取天然气样品，并注入气相色谱仪中测定所述天然气样品中N₂含量。

在上述方法中，优选地，该测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值的方法为：利用气相色谱仪和同位素质谱仪，或者气相色谱同位素质谱联用仪测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值

在上述方法中，优选地，该测定所述天然气样本中氦的同位素比值R/Ra或者³He/⁴He的方法为：将所述高压钢瓶与天然气中稀有气体制样装置相连，通过所述天然气中稀有气体制样装置从所述天然气样本中分离出He，并将所述He送入稀有气体同位素质谱仪中，测定所述天然气样本中的氦同位素比值R/Ra或者³He/⁴He。

在上述方法中，优选地，所述高压钢瓶为带有双阀和双接口的高压钢瓶。

在上述方法中，所述双阀包括减压阀和/或取样阀。

在上述方法中，优选地，在所述采集天然气样本的步骤前还包括清洗所述高压钢瓶的步骤；

该步骤为将所述高压钢瓶抽至10^-1Pa以下，然后将所述高压钢瓶的第一接口通过第一减压阀连接与所述采样井口连接，向所述高压钢瓶内通入天然气进行反复冲洗。

在上述方法中，在对所述高压钢瓶清洗数次后可以直接采集天然气样本。

在上述方法中，所述高压钢瓶包括不锈钢高压钢瓶等，但不限于此。

在上述方法中，所述第一减压阀通过连接管线与天然气井阀门连接，然后从该天然气井中获得天然气冲洗所述高压钢瓶，并采得上述天然气样本。

在上述方法中，在所述采集天然气样本的步骤和/或所述清洗高压钢瓶的步骤中，采用机械泵等真空泵将所述高压钢瓶抽真空，抽真空至10^-1Pa以下。

在上述方法中，在所述测定所述天然气样本中N₂含量的步骤中，所述气相色谱仪可以为常规组分含量分析检测的气相色谱仪。

在上述方法中，在该测定所述天然气样本中N₂含量的步骤中，所述天然气样品的用量通过所述微量进样针控制，该用量为本领域常规用量。

在上述方法中，优选地，该测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值的步骤是将所述天然气样本经所述气相色谱仪分离出N₂，然后送入所述同位素质谱仪中进行氮同位素的测定，并以空气中N₂为标准，计算得到所述天然气样本中N₂的氮同位素比值

在上述方法中，优选地，在该测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值的步骤中，所述高压钢瓶的第二接口连接所述取样阀，利用微量进样针从该取样阀处提取天然气样品，并将天然气注入气相色谱仪,经过气相色谱仪分离出N₂，利用同位素质谱仪测定所述天然气样品中N₂的氮同位素比值

在上述方法中，在该测定所述天然气样本中N₂的氮同位素比值的步骤中，所述天然气样品的用量通过所述微量进样针控制，该用量为本领域常规用量。

在上述方法中，所述天然气样品中N₂含量也为该天然气样本中N₂含量；所述天然气样品中的N₂的氮同位素比值也为该天然气样本中的N₂的氮同位素比值

在上述方法中，优选地，在该测定所述天然气样本中氦的同位素比值R/Ra或者³He/⁴He的步骤中，所述高压钢瓶的第二接口连接第二减压阀，该第二减压阀连接所述天然气中稀有气体制样装置上的进样口、薄膜规和微量取样阀，并通过所述薄膜规和微量取样阀控制进入所述天然气中稀有气体制样装置的天然气进样量。

在上述方法中，所述天然气进样量根据具体实施需要而定。

在上述方法中，在该测定所述天然气样本中氦的同位素比值R/Ra或者³He/⁴He的步骤中，采用所述天然气中稀有气体制样装置净化、除去稀有气体以外的活性气体，并进行稀有气体的分离，分离出He。

在上述方法中，优选地，在该测定所述天然气样本中氦的同位素比值R/Ra或者³He/⁴He的步骤中，所述天然气中稀有气体制样装置包括用于制备天然气中稀有气体的制样装置或天然气中稀有气体痕量分析装置，但不限于此。

在上述方法中，优选地，在所述清洗高压钢瓶的步骤中，所述反复冲洗的方法为： 利用天然气反复冲洗4-6次，每次冲洗时间为10分钟以上。

在上述方法中，优选地，建立综合判识指标体系，判识所述天然气样本的步骤中，所述天然气样本为煤成气或油型气或二者混合成因气时，需测定所述天然气样本中烷烃的碳同位素比值，并根据所述碳同位素比值区分所述天然气样本为煤成气、油型气或者煤成气和油型气混合。

在上述方法中，所述测定所述天然气样本中烷烃的碳同位素比值可以本领域常规方法。

在上述方法中，所述根据所述碳同位素比值区分所述天然气样本为煤成气、油型气或者煤成气和油型气混合的方法为本领域常规技术。

在上述方法中，优选地，该方法还包括将所述综合判识指标体系制成图版，并根据所述图版直观判识所述天然气样本的步骤。

本发明还提供了上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法在天然气勘探中的应用。

本发明提供的上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，可以利用天然气中稀有气体He和非烃气体N₂对该天然气为煤成气或油型气进行快速、准确、有效判识，该方法具有操作简便、高效、可靠的特点，这为深化天然气成因和来源研究、指导天然气勘探提供了技术支持。将上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法应用于天然气勘探中，对于开展天然气成因和来源研究、指导天然气勘探具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1-3的He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法流程图；

图2为实施例1在R/Ra≤0.2条件下的判识图版；

图3为实施例1-3和验证例1-2的He和N₂联合判识煤成气、油型气的成果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，其按照以下步 骤进行：

采用塔里木盆地天然气田开采的天然气(即塔中油气田)作为研究样本，按照图1所示的流程进行检测和分析：

选用容积为1L带有双阀和双接口的不锈钢高压钢瓶，在天然气样本采集前利用机械泵将上述不锈钢高压钢瓶抽真空至10^-1Pa以下；

将上述不锈钢高压钢瓶的第一接口通过连接管线和第一减压阀与天然气井口相连，利用天然气反复冲洗上述钢瓶4-6次，每次持续10分钟以上，然后采集该天然气的中段气流，直至所述钢瓶的气体压力为3-6MPa，然后停止采样，获得待测天然气样本；

将该采集天然气样本的高压钢瓶的第二接口与取样阀相连，利用微量进样针从所述取样阀处取适量第一天然气样品，注入常规组分含量分析检测的气相色谱仪中测定所述第一天然气样品中N₂含量，以百分比计(％)；

将该采集天然气样本的高压钢瓶的第二接口与取样阀相连，利用所述微量进样针再从所述取样阀处取适量第二天然气样品，注入该气相色谱同位素质谱联用仪中，所述第二天然气样品经过气相色谱分离出天然气中的N₂，然后将该分离出的N₂送入相连的同位素质谱仪中进行氮同位素的测定，以空气中N₂为标准，计算所述第二天然气样品中N₂的氮同位素比值以千分比计(‰)；

将采集有天然气样本的高压钢瓶的第二接口通过第二减压阀依次与天然气中稀有气体痕量分析装置上的进样口、薄膜规和微量取样阀相连，然后通过所述薄膜规和微量取样阀控制天然气样本的进样量，利用该天然气中稀有气体痕量分析装置净化、去除所述天然气样本中除稀有气体以外的活性气体，并进行稀有气体的分离，将分离的He送入稀有气体同位素质谱仪中，测定该天然气样本中稀有气体氦的同位素比值，以³He/⁴He或R/Ra计；

利用上述天然气样本中稀有气体氦的同位素比值R/Ra、非烃气体N₂含量和N₂的氮同位素比值建立He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，该版图如图2所示，所述综合判识指标体系为：

(1)当R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且时，则所述天然气样本一般多为煤成气，如图2第Ⅳ区所示；

(2)当R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量＞9％，且时， 则所述天然气样本一般多为油型气，如图2第Ⅰ区所示；

(3)当R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且时，则所述天然气样本一般多为油型气，如图2第Ⅱ区所示；

(4)当R/Ra≤0.2或者³He/⁴He≤2.8×10^-7，N₂含量≤9％，且时，则所述天然气样本为煤成气或油型气或二者混合成因气，如图2第Ⅲ区所示，此时需要测定所述天然气样本中烷烃的碳同位素比值，并根据该碳同位素比值进一步区分所述天然气样本为煤成气、油型气或者煤成气和油型气混合。

经以上检测分析，本实施例采用的塔里木盆地天然气田开采的天然气，其中稀有气体氦的同位素³He/⁴He基本在10^-8量级，R/Ra＜0.1，因此，该天然气中的稀有气体He为典型的壳源成因；

根据He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中指标的判识，所述天然气样本测得的R/Ra＜0.1，因此，该天然气中的非烃气体N₂为壳源有机成因；

所述有机成因包括三大成因，其中，

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为生物成因，主要来自微生物反硝化或氮化作用；

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为有机质热解成因，主要来自成熟、高成熟阶段有机质的热氨化作用；

当R/Ra≤0.2，时，所述天然气样本中的非烃气体N₂为有机质热解成因，主要来自过成熟阶段有机质的裂解作用；

本实施例采用的塔里木盆地天然气田开采的天然气中的非烃气体N₂的氮同位素比值主要落在的范围中，个别落入的范围中，因此，本实施例采用的塔里木盆地天然气田开采的天然气中的非烃气体N₂主要为有机质成因，主要来自成熟、高成熟阶段有机质热解作用；

进一步利用根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中的指标对该天然气的烃类气体进行煤成气和油型气的判识，该天然气样本测得的N₂含量和的范围落在N₂含量＞9％且和N₂含量≤9％且的区域中，如图3中的第Ⅰ区和第Ⅱ区所示；联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，本实施例采用的塔里木盆地 天然气田开采的天然气基本为油型气。

本实施例中，实际塔里木盆地天然气田开采的天然气基本为油型气，这与本实施例提供的He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法的判识结果一致。

由此可见，本实施例提供的He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，可以利用天然气中稀有气体He和非烃气体N₂对该天然气为煤成气或油型气进行快速、准确、有效判识，该方法具有操作简便、高效、可靠的特点，为深化天然气成因和来源研究、指导天然气勘探提供了技术支持。

实施例2

本实施例提供了一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，其按照以下步骤进行：

本实施例采用迪娜2气田开采的天然作为研究样本，按照图1所示的流程进行检测和分析：

本实施例采用实施例1的方法来对所述迪娜2气田开采的天然气样本进行采样，并对该天然气样本进行N₂含量的检测、N₂的氮同位素比值及氦的同位素比值R/Ra的检测；然后根据实施例1建立的He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版对本实施例天然气样本测得的氦同位素比值R/Ra、非烃气体N₂含量以及N₂的氮同位素比值进行分析；

经测定，该天然气样本中稀有气体氦的同位素比值R/Ra＜0.1(即R/Ra≤0.2)，且³He/⁴He＜2.8×10^-7，因此，该天然气样本中的稀有气体He为典型的壳源成因；根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中指标的判识，所述天然气样本中的非烃气体N₂的氮同位素比值落在的范围中，因此，该天然气样本中的非烃气体N₂为有机质成因，主要来自过成熟阶段有机质裂解作用；

进一步利用根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中的指标该天然气样本中的烃类气体进行煤成气和油型气的判识，该天然气样本测得的N₂含量和的范围落在N₂含量≤9％且的区域中，如图3中的第Ⅳ区所示；联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，本实施例采用的迪娜2气田开采的天然气基本为煤成气。

本实施例中，实际迪娜2气田开采的天然气基本为煤成气，这与本实施例提供的He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法的判识结果一致。

实施例3

本实施例提供了一种He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，其按照以下步骤进行：

本实施例采用克拉2气田开采的天然作为研究样本，按照图1所示的流程进行检测和分析：

本实施例采用实施例1的方法来对所述克拉2气田开采的天然气样本进行采样，并对该天然气样本进行N₂含量的检测、N₂的氮同位素比值及氦的同位素比值R/Ra的检测；然后根据实施例1建立的He和N₂联合判识煤成气、油型气的R/Ra-δ¹⁵N_N2-N₂指标体系及图版对本实施例天然气样本测得的氦同位素比值R/Ra、非烃气体N₂含量以及N₂的氮同位素比值进行分析；

经测定，该天然气样本中稀有气体氦的同位素比值R/Ra＜0.1(即R/Ra≤0.2)，且³He/⁴He＜2.8×10^-7，因此，该天然气样本中的稀有气体He为典型的壳源成因；根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中指标的判识，所述天然气样本中的非烃气体N₂的氮同位素比值落在-10‰＜的范围中，因此，该天然气样本中的非烃气体N₂为有机成因，主要来自成熟、高成熟阶段有机质热氨化作用；

进一步利用根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中的指标对该天然气样本中的烃类气体进行煤成气和油型气的判识，该天然气样本测得的N₂含量和的范围落在N₂含量≤9％且的区域中，即煤成气或油型气或二者混合成因气区域中，如图3中的第Ⅲ区所示，因此，联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，本实施例采用的克拉2气田开采的天然气还需进一步测定该天然气样本中烷烃的碳同位素比值，并根据该碳同位素比值对该天然气样本为煤成气、油型气或者煤成气和油型气混合加以区分。

此外，本实施例还对大北气田、柯克亚气田、东河塘油气田、轮南油气田采集的天然气样本分别采用实施例1的方法进行测试和分析，均测得天然气样本中的非烃气 体N₂为壳源有机成因；此外，测得各天然气样本的N₂含量和的范围均落在N₂含量≤9％且的区域中，即煤成气或油型气或二者混合成因气区域中，如图3中的第Ⅲ区所示，因此，联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，对大北气田、柯克亚气田、东河塘油气田、轮南油气田开采的天然气还需分别进一步测定各中烷烃的碳同位素比值，并根据该碳同位素比值对各天然气样本为煤成气、油型气或者煤成气和油型气混合分别加以区分。

验证例1

本验证例采用和田河油气田开采的天然气作为验证对象，按照实施例1的方法来对所述和田河油气田开采的天然气样本进行测试，然后根据实施例1建立的He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版对本验证例天然气样本测得的氦同位素比值R/Ra、非烃气体N₂含量以及N₂的氮同位素比值进行验证分析；

该天然气样本中稀有气体氦的同位素比值R/Ra＜0.2，且³He/⁴He＜2.8×10^-7，因此，该天然气样本中的稀有气体He为典型的壳源成因；根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中指标的判识，所述天然气样本中的非烃气体N₂的氮同位素比值落在的范围中，因此，该天然气样本中的非烃气体N₂为有机成因，主要来自成熟、高成熟阶段有机质热氨化作用；

进一步利用根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中的指标对该天然气样本中的烃类气体进行煤成气和油型气的判识，该天然气样本测得的N₂含量和的范围落在N₂含量＞9％且的区域中，如图3中的第Ⅰ区所示；联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，本验证例采用的和田河油气田开采的天然气基本为油型气，该判识结果与实际结果一致。

验证例2

本验证例采用牙哈气田开采的天然气作为验证对象，按照实施例1的方法来对所述牙哈气田开采的天然气样本进行测试，然后根据实施例1建立的He和N₂联合判 识煤成气、油型气的指标体系及图版对本验证例天然气样本测得的氦同位素比值R/Ra、非烃气体N₂含量以及N₂的氮同位素比值进行验证分析；

该天然气样本中稀有气体氦的同位素比值R/Ra＜0.2，且³He/⁴He＜2.8×10^-7，因此，该天然气样本中的稀有气体He为典型的壳源成因；根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中指标的判识，所述天然气样本中的非烃气体N₂的氮同位素比值落在的范围中，因此，该天然气样本中的非烃气体N₂为有机成因，主要来自过成熟阶段有机质的裂解作用；

进一步利用根据上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系中的指标该天然气样本中的烃类气体进行煤成气和油型气的判识，该天然气样本测得的N₂含量和的范围落在≤9％且的区域中，如图3中的第Ⅳ区所示；联合上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的指标体系及图版，本验证例采用的牙哈气田开采的天然气基本为煤成气，该判识结果与实际结果一致。

综上所述，本发明提供的上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法，可以利用天然气中稀有气体He和非烃气体N₂对该天然气为煤成气或油型气基本进行快速、准确、有效判识，该方法具有操作简便、高效、可靠的特点，这为深化天然气成因和来源研究、指导天然气勘探提供了技术支持。将上述He和N₂联合判识煤成气、油型气的方法应用于天然气勘探中，对于开展天然气成因和来源研究、指导天然气勘探具有重要意义。