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        固市凹陷非常規(guī)水溶甲烷氣成因及來源

        2014-12-19 07:16:54劉建朝王行運(yùn)白建峰
        關(guān)鍵詞:成因

        劉建朝,張 林,王行運(yùn),白建峰,馮 龍

        (1.長安大學(xué)資源學(xué)院,西安710054;2.陜西金奧能源開發(fā)有限公司,陜西渭南714000;3.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院,甘肅酒泉735019;4.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司S00550隊(duì),甘肅慶陽745113)

        0 引言

        水溶天然氣 (簡稱水溶氣)是指溶解在地層水中的氣體,氣體成分以甲烷為主,還含有少量乙烷等重?zé)N類氣體和氫氣、氮?dú)?、CO2等非烴氣體以及氦氣等稀有氣體,是一種非常規(guī)能源[1]。這種尚未被充分開發(fā)的天然氣資源在全球范圍內(nèi)分布很廣,潛在資源量很大。全世界含油氣盆地、含煤盆地以及其他水文盆地地層水中溶解的甲烷氣資源預(yù)計(jì)總量約為n×1016~n×1018m3,超過全球已探明的油氣及煤炭資源總量的若干倍。盆地中已查明的水溶性天然氣資源量約為33837×1012m3,是常規(guī)天然氣資源量的100多倍。日本、美國、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克、烏茲別克、阿塞拜疆、土庫曼、匈牙利、意大利、菲律賓、尼泊爾、伊朗等國都發(fā)現(xiàn)了水溶天然氣,并開展了勘探、開發(fā)及地質(zhì)綜合研究,尤其在日本,大約四分之一國土都發(fā)現(xiàn)了水溶氣,并累計(jì)了70多年的勘探開發(fā)工作經(jīng)驗(yàn)[2]。

        從理論上講,水溶氣資源領(lǐng)域較常規(guī)天然氣的分布領(lǐng)域更加廣泛[2]。但由于水溶氣在中國還屬于一個(gè)較新的、研究較少的新型非常規(guī)能源,勘探開發(fā)還處于初步階段,很多研究工作屬于空白。

        原地質(zhì)礦產(chǎn)部第三普查勘探大隊(duì) (以下簡稱三普)在20世紀(jì)60年代對渭河盆地進(jìn)行了油氣資源普查,曾先后兩上渭河盆地,打出油氣普查井32口,其中發(fā)現(xiàn)氣測異常井15口,并完成《汾渭盆地石油普查階段地質(zhì)成果報(bào)告》。1974年在西安地區(qū)油氣普查中,三普在渭深13井發(fā)現(xiàn)8個(gè)組的氣測異常,并測得產(chǎn)氣量208 L/d[1]。其后因工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移和工業(yè)價(jià)值效果不明顯而未受到重視,使得盆地的資源勘探程度非常低。近幾年隨著對渭河盆地的重新認(rèn)識和勘探,在固市凹陷鉆探的地?zé)峋吞烊粴馓骄l(fā)現(xiàn)水溶甲烷氣存在,且含量較高,預(yù)示了非常好的勘探前景,成為極具工業(yè)價(jià)值的水溶甲烷氣資源開發(fā)潛力盆地。

        1 水溶甲烷氣類型分析

        渭河盆地位于陜西省中部 (關(guān)中平原),是秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地2個(gè)大地構(gòu)造單元接合部位的新生代斷陷盆地,其地層屬華北地層區(qū)南緣分區(qū)。研究區(qū)固市凹陷位于渭河盆地東部,屬于渭河盆地的次級凹陷[1](見圖1)。固市凹陷富含多種資源,主要包括水溶天然氣、富氦水溶氣、地?zé)崴Y源等。

        圖1 渭河盆地構(gòu)造-地質(zhì)略圖Fig.1 A structural-geological map of Wehe Basin

        1.1 甲烷氣成因分類

        研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的水溶氣以甲烷為主,是一種多成因氣體,可分為生物化學(xué)有機(jī)成因和宇宙無機(jī)成因兩大類,水溶氣中碳同位素和重?zé)N含量的組合是判斷其成因的主要參數(shù)。

        ①生物化學(xué)成因氣:有機(jī)鹽和無機(jī)鹽被微生物分解后形成,如烴類氣體、二氧化碳、氮?dú)?、氨氣、硫化氫等?/p>

        ②宇宙無機(jī)成因氣體:地球形成時(shí)保留下來的氣體,如惰性氣體及部分無機(jī)成因的二氧化碳、甲烷氣等[2]。

        生物化學(xué)有機(jī)成因甲烷氣又分為生物和熱演化成因2種,可根據(jù)甲烷碳同位素含量多少區(qū)分其成因類型。一般認(rèn)為,生物成因氣碳同位素值小于-60‰,而且?guī)缀醪缓責(zé)N氣體組分;熱演化成因氣分為油型氣和煤型氣,油型氣隨著演化程度的增高,重?zé)N含量減少,煤型氣以重?zé)N含量低為特征。不同熱演化階段甲烷碳同位素特征值不同,一般為-28‰~-45‰,隨著演化程度的增高,甲烷碳同位素值增大[3~4](見表1)。

        表1 有機(jī)成因天然氣不同階段甲烷碳同位素分布[4]Table 1 Distributions of the methane carbon isotope in the natural gas of organic origin in different stages

        1.2 研究區(qū)甲烷氣成因

        ①高熱演化甲烷氣:煤型熱解氣的典型特征為甲烷碳同位素值分布在-45‰~-28‰,重?zé)N含量低。

        此次分析中6個(gè)藍(lán)田—灞河組較深層地?zé)崴軞鈽悠返奶纪凰刂捣植加?28.1‰~-39.8‰?yún)^(qū)間 (見表2),證明藍(lán)田—灞河組深層水溶氣屬于典型的煤型熱解氣,而該層不發(fā)育烴源巖,因此水溶氣應(yīng)該來源于下部地層。

        表2 固市凹陷天然氣碳同位素分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the natural gas in Gushi Sag

        ②生物甲烷氣:此次分析中WN6井氣樣采于淺層張家坡組,其甲烷碳同位素 (δ13C1)值為-65.6‰ (見表2),國內(nèi)外大多數(shù)生物氣成因的δ13C1值定為-85‰~-55‰,據(jù)此得出張家坡組淺層水溶甲烷氣為典型的有機(jī)成因淺層生物化學(xué)氣,結(jié)合烴源巖和有機(jī)質(zhì)類型,該層水溶甲烷氣來源于本層含碳質(zhì)泥灰?guī)r,屬自生自儲的生物氣。

        腐泥型熱解氣和腐殖型熱解氣的乙烷碳同位素具有典型的母質(zhì)繼承性,分布也明顯不同。一般腐泥型熱解氣的乙烷碳同位素值小于-29‰,而腐殖型熱解氣的乙烷碳同位素值大于-29‰[5];從這一標(biāo)準(zhǔn)也可以看出固市凹陷水溶天然氣屬于有機(jī)成因,且藍(lán)田—灞河組較深層地?zé)崴軞鈱儆诟承蜔峤鈿?(見表2)。

        從固市凹陷13口井所采地?zé)崴軞鈽悠窔怏w組分?jǐn)?shù)據(jù)表 (見表3)可以看出,可燃?xì)怏w所占比例最高,全烴含量平均高達(dá)72.23%,甲烷氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在70%~90%,最高為99.03%,已大大超過水溶可燃天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (30%),有個(gè)別井偏低,不排除取樣時(shí)的誤差。CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)多數(shù)小于10%,個(gè)別井較高 (見表3)。

        表3 固市凹陷水溶天然氣組分Table 3 Water soluble gas composition in Gushi Sag

        固市凹陷生烴源巖層主要為張家坡組泥灰?guī)r段,有機(jī)碳含量雖多在0.5%以下,但仍有較封閉的淺湖區(qū)達(dá)到0.86%的水平,具有生氣的源巖條件,顯示未成熟的生物氣生烴潛力相當(dāng)可觀。

        1.3 二氧化碳成因

        CO2可以是有機(jī)成因,也可以是無機(jī)成因。有機(jī)成因的CO2碳同位素δ13CCO2值一般小于-10‰;無機(jī)成因CO2的碳同位素δ13CCO2值一般大于-10‰,無機(jī)成因的CO2中,幔源成因的碳同位素δ13CCO2值一般在-8‰~-4‰之間[3]。

        固市凹陷13口井所采樣品中CO2的特征為:含量低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分都小于10%,不排除個(gè)別取樣誤差;其δ13CCO2和伴生烴類氣的δ13CCH4偏輕,所有井樣品的δ13CCO2值均小于-10‰ (見表2),為典型的殼源型有機(jī)成因[5]。

        2 生物氣地質(zhì)條件

        2.1 有機(jī)質(zhì)特征

        生物成因氣形成和聚集的有利地質(zhì)條件主要包括5個(gè)方面,即高沉積速率、低地溫梯度、充足的有機(jī)質(zhì)、缺氧的還原環(huán)境及儲蓋組合形成的良好圈閉[5]。

        ①固市凹陷張家坡組沉積速率較高,上覆地層三門組的沉積速率更高。以最大沉降幅度與沉積厚度相當(dāng)進(jìn)行測算,盆地新生代 (距今50 Ma)的沉降速率為0.14 mm/a,其中始新世—中新世 (距今38 Ma)時(shí)期的沉降速率為0.1 mm/a,上新世 (距今8.8 Ma)時(shí)期為0.11 mm/a,第四紀(jì) (距今3.2 Ma)時(shí)期為0.74 mm/a,幾乎與我國著名的第四紀(jì)鶯歌海生物氣盆地的沉積速率 (0.8 mm/a)和柴達(dá)木三湖凹陷生物氣沉積速率 (0.715 mm/a)相當(dāng)(見表4)。

        表4 固市凹陷與柴達(dá)木三湖地區(qū)生物氣資源類比Table 4 Comparison of biogas resources in Gushi Sag and Qaidam Sanhu area

        ②固市凹陷張家坡組具有中等的地溫梯度和低于80℃的地層溫度。固市凹陷張家坡組產(chǎn)氣層深度均在2000 m以內(nèi),根據(jù)WN6井1461~1550 m深度測試,求得平均地層溫度為65.75℃,地溫梯度3.43℃/100 m。在張家坡組沉積時(shí)期,古氣候是溫帶向趨涼方向轉(zhuǎn)化的時(shí)期,固市凹陷張家坡組最高地層溫度在80℃以內(nèi),是生物氣生成的理想地溫條件。

        ③固市凹陷張家坡組氣源巖實(shí)測結(jié)果:張家坡組氣源巖有機(jī)碳含量平均0.49%,氯仿瀝青“A”含量平均0.043%,生烴潛量平均0.98 mg/g。有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ1型,其次為Ⅰ型,即腐殖腐泥型和腐泥型,鏡質(zhì)體反射率 (Ro)平均0.55%,巖石熱解最高解溫 (Tmax)平均428℃ (見表5—表8),均表明有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低,處于未成熟階段,以生化作用和部分熱催化作用的生物甲烷氣為主。

        2.2 凹陷基底及氣源分析

        根據(jù)前人研究,渭河盆地基底以渭河斷裂為界,斷裂以北基底為下古生界碳酸鹽巖地層,斷裂南部基底為秦嶺北側(cè)的太古界花崗巖和變質(zhì)巖層[7]。固市凹陷沉積于渭河斷裂之上,在斷裂南北均有分布,因此凹陷南部基底為花崗巖和變質(zhì)巖,斷裂北部基底屬于下古生界碳酸鹽巖地層的范圍。

        固市凹陷西部三原凸起某探井中鉆遇二疊系[8],也佐證了固市凹陷北部基底有下古生界碳酸鹽巖地層沉積。

        凹陷內(nèi)深層藍(lán)田—灞河組大量分布高熱演化煤型裂解甲烷氣與有機(jī)成因的CO2氣,證實(shí)固市凹陷北部鄂爾多斯南緣下部可能沉積高熱演化的煤系地層,經(jīng)過水動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)移至凹陷中心,而固市凹陷新生界烴源巖成熟度低,難以大量生成CO2,因此CO2來源也說明了該凹陷周邊下部存在高熱演化煤系地層。

        表5 陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)指標(biāo)Table 5 Evaluation indicators of organic matter abundance in continental hydrocarbon source rocks

        表6 固市凹陷張家坡組有機(jī)碳、氯仿瀝青“A”含量Table 6 Contents of organic carbon and chloroform bitumen“A”in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

        表7 固市凹陷張家坡組烴源巖熱解分析數(shù)據(jù)Table 7 Pyrolysis analysis data of hydrocarbon source rock in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

        表8 固市凹陷張家坡組鏡質(zhì)體反射率分析結(jié)果Table 8 Vitrinite reflectance of hydrocarbon source rock in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

        3 油氣地質(zhì)分析

        基礎(chǔ)地質(zhì)資料、地?zé)峋c水溶氣井鉆井資料顯示,固市凹陷新近系沉積厚度達(dá)數(shù)千米,以河湖相沉積為主,巖性組合為砂 (礫)巖-泥灰?guī)r組合,表現(xiàn)為下粗上細(xì)的正旋回沉積特征,即旋回下部河流相為良好的儲集層,上部為巨厚的湖相泥灰?guī)r,是良好的蓋層,縱向上構(gòu)成了良好的儲蓋組合。自下而上發(fā)育2~3套下粗上細(xì)的儲蓋組合,分別為高陵群、藍(lán)田—灞河組、張家坡組[1]。

        新近系張家坡組、藍(lán)田—灞河組儲層均為層狀砂巖體,屬中、高孔隙-裂隙型儲層,砂巖孔隙性和滲透性好,為主要的地?zé)崴x水層段和水溶甲烷氣成藏層段。鉆探顯示,該區(qū)潛在油氣藏的主要蓋層巖性為湖相泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖,單層厚度一般為數(shù)米,分布面積較廣。

        高陵群早期為河流相,晚期為湖相—河流相沉積,其中冷水溝組巖性主要為紫紅色泥巖、砂巖,寇家溝組巖性為棕紅色、桔黃色泥巖和灰白色、棕黃色砂巖。由下向上巖性變細(xì),構(gòu)成一套儲蓋組合,儲層物性相對較好。

        藍(lán)田—灞河組與高陵群具有相似的沉積相特征及巖性組合,為一套紅色調(diào)為主的砂泥巖交替沉積。其中藍(lán)田組巖性主要為深紅色黏土及棕紅、灰白色礫巖,屬河湖相沉積;灞河組是河流相為主的河湖相沉積,上部以泥頁巖為主,普遍含石膏,下部砂體發(fā)育。孔隙度平均15%左右;滲透率一般在30×10-3μm2以上。

        張家坡組為淺湖—半深湖相沉積,以泥灰?guī)r為主;張家坡組砂巖儲層滲透率普遍較大,分布在128.5×10-3~1529.0×10-3μm2之間,平均386.5×10-3μm2,儲層物性較好,孔隙度在15.20%~42.30%,平均29.65%,相對較高;非儲集層巖性以泥灰?guī)r為主,尤其是上部泥灰?guī)r厚度大,分布面積廣,為該凹陷水溶天然氣成藏的良好蓋層。

        固市凹陷新生界發(fā)育多套良好儲蓋組合,張家坡組又發(fā)現(xiàn)了儲量豐富的非常規(guī)水溶甲烷生物氣。該區(qū)張家坡組雖然埋藏深度不大,深埋歷史較短,但其斷裂體系發(fā)育,具有良好的運(yùn)移通道[9],而且發(fā)育良好儲蓋結(jié)合,為固市凹陷新生界生物氣藏成藏提供了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。

        4 結(jié)論

        通過對地層水溶甲烷氣碳同位素δ13C1及重?zé)N的含量研究發(fā)現(xiàn),不同層位的水溶甲烷氣成因類型不同。新近系張家坡組水溶甲烷氣主要為有機(jī)成因生物氣,來源于本層含碳質(zhì)較高的灰黑色泥灰?guī)r生物分解,為自生自儲式;下部藍(lán)田—灞河組水溶甲烷氣以未成熟的煤型熱解氣 (煤型腐殖型熱解氣)為主,來源于下部地層。

        對CO2碳同位素的分布范圍和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的含量進(jìn)行分析得出δ13CCO2小于-10‰,為典型的殼源型有機(jī)成因。

        結(jié)合CO2碳同位素和乙烷碳同位素分析認(rèn)為,藍(lán)田—灞河組水溶甲烷氣和CO2來源于下部地層的混合型氣,即下部地層可能存在有機(jī)成因的煤型熱解氣層系。

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