王 江
(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)
海拉爾盆地烏爾遜地區(qū)幔源—巖漿含氦CO2氣藏賦存的地質(zhì)表征
王 江*
(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶163712)
在海拉爾盆地烏爾遜地區(qū)含氦CO2氣藏和片鈉鋁石研究基礎(chǔ)上,根據(jù)烏爾遜地區(qū)含氦CO2氣藏中CO2的碳同位素、氦同位素,片鈉鋁石的碳、氧同位素實測數(shù)據(jù),以及CO2氣藏與斷裂和火山巖的分布關(guān)系,對烏爾遜地區(qū)CO2的成因及其與片鈉鋁石的關(guān)系進行了研究。認為烏爾遜地區(qū)的CO2為幔源—巖漿無機成因,且形成片鈉鋁石的CO2與幔源芯巖漿CO2同源;片鈉鋁石是CO2運移聚集的“示蹤礦物”,記錄了地質(zhì)歷史時期CO2的聚集;地層水和原油中溶有大量的無機成因CO2,經(jīng)CO2改造的地層水具有高礦化度及Na+、K+、HCO-3、CO2-3濃度高的特點。依據(jù)片鈉鋁石與CO2的關(guān)系,地層水中離子濃度的變化,以及原油中溶解大量CO2的事實,總結(jié)了烏爾遜地區(qū)幔源—巖漿含氦CO2賦存的地質(zhì)表征。
海拉爾盆地烏爾遜地區(qū);幔源—巖漿CO2;片鈉鋁石;地層水
CO2是一種能夠溶于水的“活性氣體”(Worden, 2006),當CO2充注到含水的砂巖時,形成的弱酸性孔隙流體將引起骨架碎屑及早期膠結(jié)物的溶蝕和溶解作用,當陽離子積累到一定濃度時,孔隙流體將轉(zhuǎn)變?yōu)槿鯄A性,就會引起片鈉鋁石等自生礦物的沉淀(黃善炳, 1996),海拉爾盆地目前發(fā)現(xiàn)的幔源CO2氣藏主要分布于烏爾遜斷陷的蘇仁諾爾、巴彥塔拉和烏西斷裂構(gòu)造帶。這些地區(qū)CO2氣藏的分布不但與斷裂和火山巖的分布有關(guān),而且CO2的成因與片鈉鋁石的關(guān)系也比較密切。本文以海拉爾盆地烏爾遜凹陷幔源—巖漿CO2充注歷史的含片鈉鋁石砂巖為研究對象,依據(jù)片鈉鋁石與CO2的關(guān)系,地層水中離子濃度的變化,以及原油中溶解大量CO2的事實,總結(jié)了烏爾遜地區(qū)幔源—巖漿CO2賦存的地質(zhì)表征。
1.1 烏爾遜地區(qū)CO2氣藏CO2成因
海拉爾盆地烏爾遜斷陷具有富集含氦天然氣的特殊地質(zhì)條件,氣藏中烴類氣與CO2氣共存,其中CO2含量為37.6%~99.19%,大部分在90%以上,甲烷含量為0.043%~20.21%,重烷烴含量為0.176%~1.49%,以乙烷為主,此外還含有一定量的N2和He等稀有氣體。在烏爾遜地區(qū)鉆探的15口CO2氣井中均發(fā)現(xiàn)氦異常,氦含量為0.003%~0.198%,已達到工業(yè)品位。
圖1 CO2氣成因鑒別圖
烏爾遜地區(qū)δ13CCO2為-11.36‰~-8.20‰,集中分布于-10‰左右。根據(jù)戴金星等建立的有機和無機成因二氧化碳判別圖版[1],將烏爾遜地區(qū)氣藏中CO2的組分含量與碳同位素值與判斷標準進行對比(圖1),發(fā)現(xiàn)CO2的組分含量與碳同位素值均位于無機二氧化碳區(qū),表明烏爾遜地區(qū)CO2氣藏中CO2為無機成因。
據(jù)徐永昌(1996)研究結(jié)果,氣體中的3He/4He值與R/Ra值(Ra是大氣的3He/4He值,為1.4×10-6;R是氣體樣品的3He/4He值)是判斷有無幔源成因氣的重要參數(shù)。地殼氣R/Ra值為0.01~0.025,陸地巖石氣R/Ra值為0.06~0.35,大洋中脊玄武巖的R/Ra值為3.5~6.0,凡是R/Ra>1的均表示有幔源氦的加入[1]。海拉爾盆地烏爾遜地區(qū)CO2氣藏所含氦氣的3He含量普遍較高,3He/4He值變化范圍為(2.08~1.68)×10-6,R/Ra值為1.20~1.49,40Ar/36Ar為289.6×10-6,38Ar/36Ar為0.1837×10-6,說明烏爾遜地區(qū)CO2氣藏中有大量幔源氦的加入,因此,烏爾遜地區(qū)CO2氣藏中CO2為幔源—巖漿成因。
1.2 烏爾遜地區(qū)幔源—巖漿含氦CO2氣藏分布
目前在烏爾遜地區(qū)的蘇仁諾爾構(gòu)造帶、烏西斷階帶和巴彥塔拉構(gòu)造帶等地區(qū)發(fā)現(xiàn)多處幔源—巖漿CO2氣藏和富含CO2氣井,這些CO2氣藏和富含CO2氣井表征了CO2的賦存,是幔源—巖漿CO2聚集的直接地質(zhì)表征。
海拉爾盆地烏爾遜斷陷內(nèi)含氦CO2氣主要分布在白堊系南一段、銅缽廟組和古生界基巖風(fēng)化殼,其中蘇仁諾爾CO2氣藏中CO2主要賦存于南屯組一段砂礫巖中,累計含氣砂巖厚度40~200m,最厚為267.8m(蘇2井),孔隙度一般為8%~12%,最高可達16.3%,滲透率一般為(0.5~4)×10-3μm2,孔隙類型以粒間和次生孔隙為主,同時發(fā)育有少量裂隙。在該套含氣砂礫巖儲層之上為大套的南二段欠壓實泥巖,泥巖厚度50~207.2m,是該區(qū)比較理想的蓋層;烏西斷階帶烏208-54和烏46井區(qū)CO2氣藏中CO2含量也比較高,最高達94.86%,CO2主要集中于南屯組二段的砂巖中,其上部大磨拐河組一段厚層泥巖為其蓋層;烏爾遜南部巴彥塔拉構(gòu)造帶的儲集層主要為沖積扇相沉積的銅缽廟組砂巖和砂礫巖以及古生界基巖風(fēng)化殼,其中銅缽廟組砂礫巖平均孔隙度在13%左右,平均滲透率為0.13×10-3μm2;基巖風(fēng)化殼孔隙度一般為8.9%~9.05%,滲透率一般為(0.01~0.03)×10-3μm2,為中孔低滲透性儲層,盡管該區(qū)儲層物性偏差,但大量發(fā)育的裂縫、溶洞對儲層物性有很好的改善,在兩套含氣儲層之上南一段為巨厚的泥巖蓋層,泥巖單層厚度為43~140m,泥巖段累計最大厚度為250m,厚度橫向變化小,封蓋條件好,是銅缽廟組和基巖風(fēng)化殼儲集層的有利蓋層。
根據(jù)砂泥巖配置關(guān)系,氣層上部均發(fā)育有厚層泥巖,且?guī)r石致密,封蓋性能好,同儲集層構(gòu)成良好的儲蓋關(guān)系。烏爾遜地區(qū)自下而上可劃分出4套含氣的儲蓋組合,即基巖風(fēng)化殼(儲層)、南一段(蓋層)組合;銅缽廟組(儲層)、南一段(蓋層)組合;南一段(儲層)、南二段(蓋層)組合及南二段(儲層)、大一段(蓋層)組合。
在平面上,烏爾遜地區(qū)無機CO2氣藏主要分布于繼承性斷裂帶和深大斷裂帶、燕山期花崗巖侵入體附近,反映了CO2氣與深大斷裂及火山活動的成因聯(lián)系。高含CO2氣的蘇2井、蘇6井和烏13井都分布在深大斷裂附近。沿斷裂帶分布的深源巖漿活動表明,斷裂向深部貫通性能較好,是深源無機成因氣的有利通道。CO2氣藏形成于南屯組、銅缽廟組及基巖風(fēng)化殼的砂巖和砂礫巖中,圈閉類型以斷塊、斷背斜和古潛山為主。
綜觀烏爾遜地區(qū)多年勘探實踐,烏爾遜地區(qū)CO2氣藏主要分布于德爾布干深大斷裂之上,而且?guī)r漿活動和深斷裂為氣藏形成提供了氣源和運移通道。同時烏爾遜地區(qū)無機CO2氣藏多分布于火山巖發(fā)育區(qū)或其附近,烏爾遜凹陷蘇仁諾爾CO2氣藏附近的銅1井鉆遇燕山期花崗巖;蘇8井、蘇3井、蘇16井等高產(chǎn)CO2的井也鉆遇到粗面巖和凝灰?guī)r等火山巖。天然氣成分均以CO2氣為主,并認為為無機的深源氣,無疑深大斷裂必然成為深源CO2氣的運移通道,使得氣藏沿著深大斷裂分布,受控于深大斷裂活動而形成的斷塊或斷背斜圈閉。這些圈閉幅度大,含氣段長,最大含氣高度為195.6m(蘇6井)。目前在蘇仁諾爾構(gòu)造帶發(fā)現(xiàn)氣藏4個,預(yù)測含氣面積13.6km2,各個氣藏具有不同的氣水系統(tǒng),沒有統(tǒng)一的氣水界面,獨立成藏。
2.1 片鈉鋁石是CO2氣體運移聚集的“示蹤礦物”
根據(jù)片鈉鋁石合成實驗結(jié)果以及片鈉鋁石地質(zhì)實例,片鈉鋁石的形成與CO2關(guān)系密切,高CO2分壓是片鈉鋁石形成的首要條件。Bader早在1938年就已在實驗室中首次人工合成了片鈉鋁石,他認為通過鈉鋁酸鹽和碳酸鈉溶液合成片鈉鋁石時必須剩余有大量的二氧化碳[2],而且天然片鈉鋁石的分布也支持此觀點。烏爾遜凹陷含片鈉鋁石鉆井的CO2分壓多數(shù)位于高壓區(qū),不含片鈉鋁石的鉆井均處于低壓區(qū)[3],且片鈉鋁石主要分布于CO2儲集層中,與CO2含量密切相關(guān):當CO2含量高時,片鈉鋁石含量高[4-6];CO2含量低時,片鈉鋁石含量也較低[7]。如蘇仁諾爾構(gòu)造帶的蘇2井發(fā)育片鈉鋁石的層位產(chǎn)氣量為22191m3/d,天然氣中富含96%的CO2;在巴彥塔拉構(gòu)造帶烏10井中的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中片鈉鋁石比較發(fā)育,其天然氣中CO2含量達到91%以上;而烏13井中片鈉鋁石含量低,天然氣中CO2含量也較低,占天然氣成分的37.6%~80.2%,可以說明片鈉鋁石是CO2運移聚集的“示蹤礦物”。
2.2 形成片鈉鋁石的CO2與幔源—巖漿CO2同源
烏爾遜地區(qū)片鈉鋁石δ13C值分布連續(xù),變化范圍為-5.253‰~-1.210‰,主要分布在-2.5‰~4.5‰之間,平均為-3.467‰。片鈉鋁石δ18O值變化范圍為-24.896‰~-20.960‰,主要分布在-21.5‰~24.5‰?yún)^(qū)間,平均為-22.415‰。片鈉鋁石的碳氧同位素數(shù)據(jù)與目前已經(jīng)證實的、形成于無機CO2背景、且同巖漿活動有成因聯(lián)系的片鈉鋁石的碳氧同位素數(shù)據(jù)(比如松遼盆地孤店氣田、也門Shabwa盆地、澳大利亞BGS分地系、澳大利亞Upper Hunter Valley和阿爾巴尼亞北部Koman地區(qū))極為相近[2,8-12]。
為確定片鈉鋁石的成因,計算與片鈉鋁石平衡的CO2碳同位素數(shù)據(jù)[13-15],在烏爾遜地區(qū),與片鈉鋁石平衡的CO2碳同位素為-11.82‰~-8.17‰,主體分布于-11.00‰~-8.00‰之間。按照無機成因δ13CCO2大于-8‰,有機成因δ13CCO2小于-10‰,無機與有機混合δ13CCO2介于-10‰~-8‰的標準[12],烏爾遜地區(qū)的片鈉鋁石絕大部分形成于無機與有機CO2混合背景,少量形成于無機CO2背景。由于含片鈉鋁石砂巖與CO2的分布都受控于深大斷裂和γ5花崗巖,且與片鈉鋁石平衡的CO2碳同位素同CO2氣藏中碳同位素基本一致(表1),說明形成片鈉鋁石的無機CO2與烏爾遜地區(qū)幔源—巖漿CO2同源,表征了地質(zhì)歷史時期幔源—巖漿CO2的聚集。
2.3 片鈉鋁石的平面分布
烏爾遜凹陷片鈉鋁石主要分布于的烏南次凹、烏北次凹、蘇仁諾爾斷裂帶以及巴彥塔拉斷裂帶,片鈉鋁石的含量為2%~22%,在貝爾凹陷的蘇德爾特斷裂帶也有片鈉鋁石分布。目前,海拉爾盆地已有27口鉆井發(fā)現(xiàn)片鈉鋁石,主要分布于下白堊統(tǒng)的南屯組和銅缽廟組。烏爾遜北部的蘇仁諾爾構(gòu)造帶、黃旗廟構(gòu)造帶等地區(qū)均有片鈉鋁石發(fā)現(xiàn),其中蘇12井1309.9~1332.68m井段5件砂巖樣品中片鈉鋁石的含量均大于14%;巴彥塔拉構(gòu)造帶的巴斜2井1819.23~1821.74m井段5件砂巖樣品中片鈉鋁石的含量為1%~6%,平均為3.4%。
平面上,與巖漿作用有關(guān)的幔源CO2氣井和含片鈉鋁石的井分布相吻合,均位于燕山期花崗巖分布區(qū)或近鄰燕山期花崗巖分布區(qū)的深大斷裂帶上,如位于哈拉哈河斷裂附近的烏10井、沿皇德—扎根呼熱斷裂分布的銅6、蘇2、蘇12、新烏1、蘇4、蘇6等井均為含片鈉鋁石的CO2氣井。另外沿皇德—扎根呼熱斷裂分布的銅3、烏101、蘇101、烏1、蘇16、蘇3等井,位于磋崗—輝索木斷裂的銅1井、甘珠爾廟斷裂的烏20井均含片鈉鋁石,而沒有發(fā)現(xiàn)CO2氣,這可能與CO2氣不易保存有關(guān)。因此,海拉爾盆地烏爾遜凹陷的巖漿活動—砂巖成巖(片鈉鋁石形成)—幔源CO2氣成藏,不論在物質(zhì)成分上還是在時空上均具備較好的耦合關(guān)系。在燕山運動期,地幔軟流圈中熔融的巖漿沿深大斷裂向上運移,溫度驟降冷凝形成花崗巖侵入體,在冷凝過程中釋放出所攜帶的CO2氣,析出后的CO2氣沿斷裂運移至兩側(cè)的南屯組和銅缽廟組砂巖中,溶于富含鈉鋁離子的地層中,溶于富含鈉鋁離子的地層水形成片鈉鋁石膠結(jié)物或自生礦物。
3.1 地層水表征了CO2的運移
CO2是一種可以溶解于水而形成酸性流體的“活性氣體”。酸性流體可使礦物發(fā)生溶解,導(dǎo)致地層水中的Na+、K+、HCO-3和 CO2-3等離子濃度增大,進而使地層水的礦化度增高,因此地層水中離子濃度的變化記錄了CO2的運移過程。在烏爾遜地區(qū)由于大量幔源—巖漿CO2的注入,導(dǎo)致地層水的HCO-3、Na+和K+濃度保持較高的數(shù)值,并且HCO-3和Na++K+與礦化度之間的相關(guān)性很好,相關(guān)系數(shù)分別為0.997和0.983,Na+、K+和HCO3-之和占總礦化度的86.6%HCO-3占總礦化度57.4%,Na+和K+占陽離子總量的97%以上[16]。由于片鈉鋁石是CO2運移、聚集的示蹤礦物,因此含片鈉鋁石層位的地層水必然有CO2運移的證據(jù),烏爾遜地區(qū)含片鈉鋁石層位的地層水即具有高礦化度,高Na+、K+、HCO-3和CO2-3離子濃度的特點。
3.2 氦異常表征了幔源—巖漿含氦CO2氣藏的富集程度
根據(jù)烏爾遜地區(qū)氦異常分布特點,氦異常均出現(xiàn)于盆地內(nèi)部隆起與坳陷、凸起與凹陷的交接部位。在烏爾遜斷陷中,氦異常集中出現(xiàn)于蘇仁諾爾、烏西斷階和巴彥塔拉構(gòu)造帶,其中蘇仁諾爾構(gòu)造帶氦含量較高,而巴彥塔拉構(gòu)造帶氦含量較低。氦的富集同氮含量有關(guān),氮含量越高氦異常也越高,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。蘇仁諾爾構(gòu)造帶天然氣組分中氮氣含量較高,表現(xiàn)出氦的含量也高;而巴彥塔拉構(gòu)造帶氮氣含量較低,相應(yīng)氦氣含量也相對較低,位于蘇仁諾爾構(gòu)造帶的新烏1井氮氣含量為35%~42%,氦氣含量為0.17%~0.18%;而位于巴彥塔拉構(gòu)造帶的烏13井氮氣含量為4%~18%,氦氣含量則僅為0.018%~0.04%,這些部位多發(fā)育深大斷裂和派生斷裂,氦異常主要出現(xiàn)在斷裂的交叉部位。
根據(jù)蘇北盆地溪橋氣田的勘探經(jīng)驗,R/R值的大小直接決定CO2氣藏CO2氣的富集程度,在斷裂交叉部位的R/R值一般大于0.6,CO2氣富集,遠離斷裂帶的氦異常R/R值相對減小,一般為0.43~0.47,反映斷裂帶附近的氦異常幔源成分不斷增加。蘇仁諾爾構(gòu)造帶上的蘇6井位于兩個斷層的交叉部位,R/Ra=1.49,氦氣的幔源份額可達17.9%。
海拉爾盆地含氦天然氣勘探應(yīng)著重于盆地邊緣隆起與坳陷的轉(zhuǎn)換部位,或坳陷內(nèi)部凸起于凹陷的交接部位。這些部位大多發(fā)育有深大斷裂,這些深大斷裂的存在為深源CO2氣向上運移提供了必要的運移通道。在這些構(gòu)造部位的勘探重點應(yīng)是兩組或多組不同方向深大斷裂交匯處的斷塊和斷鼻、斷背斜構(gòu)造。由烏爾遜地區(qū)斷裂展布的特征來看,無機成因CO2氣的分布與區(qū)域性北東向和北西向斷裂有關(guān),高含CO2氣的蘇2、蘇6和烏13井都分布于德爾布干斷裂帶附近。該斷裂帶的邊界斷棱阿爾公斷裂和皇德—扎根呼熱斷裂形成于古生代早期,是兩條切殼斷裂,對盆地的產(chǎn)生與演化起到?jīng)Q定作用,其中皇德—扎根呼熱斷裂位于嵯崗隆起東側(cè),是嵯崗隆起與貝爾湖坳陷間的轉(zhuǎn)換斷裂,是與烏爾遜斷陷深源無機成因CO2氣聚集成藏的主要運移通道。
(1)海拉爾盆地烏爾遜地區(qū)的含氦CO2以幔源—巖漿無機成因為主,氦異常大,δ13C值高,CO2氣藏直接表征了幔源—巖漿CO2的賦存。
(2)片鈉鋁石是CO2運移、聚集的“示蹤礦物”,深大斷裂是深源CO2氣的運移通道;且形成片鈉鋁石的CO2與幔源—巖漿CO2同源,片鈉鋁石表征了地質(zhì)歷史時期CO2的聚集。
(3)地層水及原油中能溶解大量CO2,在發(fā)生過CO2運移、聚集過程的地層中,地層水具有高礦化度,高Na+、K+、HCO-3、CO2-3濃度的特點。
(4)海拉爾盆地具有富集含氦天然氣的有利地質(zhì)條件,具有形成深部含氦氣藏的有利地質(zhì)背景,受控于深大斷裂的局部構(gòu)造同近岸水下扇、沖積扇砂體的有利配合,是CO2氣藏富集高產(chǎn)的主要因素。
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TE122
A
1004-5716(2015)08-0027-04
2014-08-25
王江(1966-),男(漢族),黑龍江安達人,高級工程師,現(xiàn)從事石油勘探生產(chǎn)部署、石油地質(zhì)研究以及三維地震解釋與方法研究工作。