天然气是怎么形成的？

　　几乎所有的天然气都是在地下储集层中发现的，且常常与石油伴生。天然气与石油是那些千万年前死亡的植物和动物遗体沉积到湖泊或海洋底部形成的。大部分的这种有机质在空气中被分解 （氧化）并散失在大气中，但有一些则在被分解之前就掩埋了，或者在不流通的、缺氧的水体中沉积下来，不会被氧化破坏。

　　随着时间的推移，砂、泥和其他沉积物被石化了（被压缩成岩石）。随着这些沉积物的向上堆积，这些有机质就被保存在沉积岩内。最终，在这些不断积累的沉积层中，重量产生的压力和热力将这些有机质转变成了天然气和石油。沉积的“源”岩包括煤层、页岩及一些石灰岩，由于富含有机质而呈暗色。许多沉积盆地主要生成天然气。

　　煤是由木质在一定的温度与时间条件下形成的。木质与煤具有一种相似的化学性质——它们只能生成甲烷。这就是煤矿为什么危险而且能够发生爆炸的原因。钻井常常钻入煤层去勘探煤层气，这是当木质被转化为煤时常形成纯甲烷气。这种煤层气可以被煤层吸附并沿着煤的天然裂隙分布，这些裂隙一旦被破坏，先释放出水，然后放出甲烷。产出煤层气的盆地有新墨西哥州与科罗拉多州的SanJuan盆地和阿拉巴马州的Black Warrior盆地。

　　在其他类型的沉积盆地中，决定生成石油或天然气的主要原因是温度。在相对较浅的深度，温度尚未达到生成石油的高度，细菌的活动迅速地生成了生物成因（或微生物）的天然气，它们几乎全为甲烷 （图1.1）。

　　图1.1石油与天然气生成示意图（引自Norman Hyne所著《石油勘探与开发》，PennWell， 1995）

　　在通常说的沼泽气中，这种生物成因的天然气很难被保存下来，它们大部分渗漏到了大气中。然而，世界上最大的天然气田——西伯利亚的尤里根（Urengoy）气田就是生物成因的。那里天然气被圈闭在不具渗透性的封冻层 （永冻层）之下，该气田的储量达285×1012ft3（8× 1012m3）。

　　在较深的层位和较高的温度下（高于300℉或150℃），可以生成热成因气。这种天然气可以被圈闭在地下的储集层内，储集层上面有一套非渗透性的“盖层”岩石，它可以阻止天然气向上渗漏。在一些天然气储集层中，高温会汽化较重的液态烃类。当天然气生成，而且温度下降时，这些烃类会重新液化并形成凝析油。这种液体几乎全是汽油，常常被称为天然汽油。在除去乙烷、丙烷和丁烷后，这种凝析油被称为天然气液化 （NGL）。“湿”气是含有凝析油的以气体形态储存在储集层中的天然气 （甚至在开采时依然保持这种状态），可一旦开采到地表，就成为凝析油。“干”气是纯的甲烷，其不论在储集层中还是在地表，都不会出现液体状态。

　　在更大的深部层位，如在 18000ft（5500m）以下的更高温深处，石油也会被转化为天然气和石墨 （碳），发生了与炼油厂内相似的热“裂解”作用，在那里，较大的烃类分子被分解。在这一深度之下，储集层中仅有气体存在，绝大多数深井都是为了寻找天然气而钻探的。在许多深钻井进入砂岩天然气藏时都会发现，那些砂粒被碳包裹着。显然，原来的石油被埋藏得过深并被热裂解成了天然气。

　　关于天然气成因的一种不寻常的理论是无机成因学说 （非生物形成），是由Thomas Gold提出的。他是一位天体物理学家，他提出的这一理论受到了石油工业界的怀疑。根据这一理论，无机成因的天然气是这样形成的：陨星撞击地球时所携带的碳与大气层中丰富的氢结合先形成了固态的烃类，然后被加热形成甲烷。如果这一理论成立，那么，地球就可能在更深的部位含有比目前人们想像的更为丰富的天然气资源，而且其分布的位置也不是目前所发现天然气的常规区域和层位。为了验证这一假设勘探人员在瑞士的Siljan Ring钻了一口深井，井位布在一块古老的变质岩脉上，但并未发现什么天然气。由于遇到了难以钻穿的花岗岩岩层，该井于1989年在22824ft（6957m）的深度完钻。

　　天然气有两种途径可以从其生成的烃源岩中被排出：一是随着岩石埋深的加大，压力增加，岩石被压紧，岩石中的孔隙空间被减少，天然气就被挤出。二是，随着天然气的不断生成，它的体积增加，岩石中就会产生裂隙，将气体排出。由于天然气的密度小，它会随着裂隙与断层面向上运移，或者沿水平方向运移，然后沿着可渗透性岩石层向上运移。这种来自烃源岩的天然气垂直于水平方向上的运动称为运移。

　　天然气在地下被圈闭需要有一些非渗透性的、分布在其上方的盖层岩石。如果在运移的途中没有圈闭，天然气就会向上渗透，最终散失到地表。实际上，地史时期所形成的天然气绝大多数并没有被圈闭住，而是散失了。这就是为什么许多探井无法产出天然气的原因。此外，由于这种运移，原来在地球较深部位生成的天然气可以在较浅的部位被圈闭。

　　一旦天然气运移进入了圈闭，就会聚集在圈闭的顶部并充填岩石内的孔隙。如果圈闭中也存在石油，与石油“伴生”的天然气或者在油层之上的储层中，或者溶解在石油中。伴生的天然气含有许多除甲烷之外的烃类物质。圈闭内“非伴生气”与油层并不接触。在非伴生气的井中，产出的天然气几乎全为甲烷。

　　含有天然气的储集层岩石必须是孔隙性和渗透性的。孔隙度是测量储集岩储集流体 （天然气或石油）能力的指标。渗透率是测量这类流体流过岩石难易程度的指标。绝大多数储集岩是可以在“致密的”（低渗透率）的地层中被发现的。