陳銀節(jié)，湯玉平，黃　欣

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫　214126)

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松遼盆地昌德無(wú)機(jī)氣藏近地表地球化學(xué)勘探實(shí)驗(yàn)研究

陳銀節(jié)，湯玉平，黃欣

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫214126)

松遼盆地昌德氣藏是目前世界上發(fā)現(xiàn)的唯一有充分地球化學(xué)依據(jù)，以產(chǎn)烷烴氣為主的無(wú)機(jī)成因氣藏。加強(qiáng)對(duì)昌德無(wú)機(jī)氣藏的解剖，對(duì)于拓展我國(guó)天然氣的勘探領(lǐng)域，具有重要意義。在昌德氣藏上方，布置了一條貫穿芳深1井和芳深2井的地球化學(xué)剖面，通過(guò)研究不同地球化學(xué)指標(biāo)在氣藏上方的顯示特征，確定了昌德氣藏有效地球化學(xué)方法組合及異常識(shí)別標(biāo)志。同時(shí)，結(jié)合甲烷碳同位素的分析，可以從一定程度上判斷下伏氣藏的無(wú)機(jī)成因?qū)傩浴?/p>

無(wú)機(jī)成因；地球化學(xué)；烷烴氣；昌德氣藏；松遼盆地

一個(gè)多世紀(jì)前，就有學(xué)者提出了石油天然氣的無(wú)機(jī)(非生物)成因假說(shuō)，但對(duì)其能否形成大規(guī)模油氣藏的爭(zhēng)論從來(lái)都沒(méi)有平息。不同的天然氣成因理論，會(huì)促使油氣勘探新方向、新技術(shù)及新方法的產(chǎn)生。因此，對(duì)天然氣成因類(lèi)型的探討，不僅有重要的理論意義，而且也有重大的實(shí)踐意義[1]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)也有許多學(xué)者一直致力于非生物 (無(wú)機(jī)) 成因油氣理論的研究，但是他們的研究沒(méi)有引起石油地質(zhì)學(xué)界的重視，更沒(méi)有被勘探界所采納[2]。這是由于絕大多數(shù)人員相信有機(jī)成油氣理論，在沉積盆地中尋找油氣達(dá)成了共識(shí)，并把變質(zhì)巖及火成巖的出露區(qū)當(dāng)作找油氣的禁區(qū)，以致于無(wú)機(jī)油氣田很少發(fā)現(xiàn)，這可能是油氣勘查史上的一大失誤。當(dāng)然，也由于過(guò)去無(wú)人提出具體成藏模式，勘查工作無(wú)從入手，也是重要原因[3]。

如果缺乏有效蓋層和合適的圈閉條件，自然產(chǎn)出的無(wú)機(jī)成因氣體(烷烴氣、CO2和He等)就完全散失。但在具備良好蓋層及圈閉的條件下，這些無(wú)機(jī)成因氣就有可能聚集成為氣藏，成為非生物成因氣(無(wú)機(jī)氣)資源。在沉積盆地內(nèi)，若有以上自然產(chǎn)出的非生物氣，便有可能形成非生物氣田[4]。

在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多有充分地球化學(xué)依據(jù)的非生物氣及其氣藏，其中不僅包括CO2和He等氣體及其氣藏，而且還發(fā)現(xiàn)了非生物成因的烷烴氣田。1979年Welham等研究表明，東太平洋21°N處中脊噴出的熱液(400 ℃)中，含氫氣、氦以及甲烷，每年噴出氦氣12×108m3，甲烷氣 1.6×108m3，其δ13C1值為-17.6‰～-15‰，R/Ra值約為8，說(shuō)明這些氣體是幔源成因[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南騰沖澡塘河熱泉中的天然氣，年排出天然氣 26.68×104m3，氣體組分主要為CO2，并含少量甲烷，其δ13CCO2值為-1.9‰～-6.3‰，δ13C1值為-19.95‰～-29.30‰[6]。通過(guò)許多學(xué)者對(duì)于無(wú)機(jī)成因氣田(藏)的不斷研究，在我國(guó)不僅發(fā)現(xiàn)了一批無(wú)機(jī)成因 CO2氣田(藏)，同時(shí)還首次科學(xué)地肯定了無(wú)機(jī)成因的烷烴氣藏，即昌德氣藏。昌德氣藏是目前世界上唯一有充分地球化學(xué)依據(jù)的，以產(chǎn)烷烴氣為主的無(wú)機(jī)成因氣藏[7]。

昌德氣藏地處松遼盆地北部徐家圍子斷陷，研究認(rèn)為，該斷陷具備形成非生物天然氣的有利條件，因此該地區(qū)應(yīng)該是尋找非生物天然氣的有利地區(qū)[8]，隨著昌德烷烴氣藏及昌德東氣藏的發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)已經(jīng)成為世界上非生物成因氣研究的最理想場(chǎng)所。加強(qiáng)對(duì)昌德氣藏的解剖研究，對(duì)于拓展我國(guó)天然氣的勘探方向及領(lǐng)域，具有重要的理論和實(shí)踐意義。鑒于此，在昌德氣藏上方，進(jìn)行了近地表地球化學(xué)勘探實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步拓展無(wú)機(jī)成因氣藏有效勘探技術(shù)和方法。

1　昌德氣藏特征

昌德氣藏地理位置上位于大慶市大同區(qū)、肇州縣和安達(dá)市境內(nèi)。該氣藏具有儲(chǔ)層埋藏深度大、滲透率低，氣井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差的特點(diǎn)[9-10]。該氣藏構(gòu)造上位于松遼盆地三肇凹陷的昌德—大青山構(gòu)造，其為變質(zhì)巖基底隆起上發(fā)育起來(lái)的背斜，為巖性構(gòu)造型氣藏。該構(gòu)造上發(fā)育有多條近南北及北東向斷層。斷層向上消失于泉頭組泥巖段中，斷距一般在50～100 m，但斷距向下明顯增大，在基巖面附近，斷距可達(dá)500 m以上。這些深切變質(zhì)巖基底的斷裂構(gòu)成了無(wú)機(jī)成因氣向上運(yùn)移的通道[11]。

芳深1井為該區(qū)所鉆的第一口深層探井。該井在登婁庫(kù)組氣層的2 926.0～2 940.2 m井段，日產(chǎn)氣2 000 m3。隨后對(duì)該層段壓裂后自噴求產(chǎn)，獲日產(chǎn)40 814 m3的工業(yè)氣流，這也標(biāo)志著昌德氣藏的成功發(fā)現(xiàn)。芳深1井鉆獲工業(yè)氣流后，在該地區(qū)先后部署了芳深2、芳深3及芳深4井。其中芳深2井和芳深4井也鉆獲工業(yè)氣流，芳深3井以產(chǎn)水為主[12]。

區(qū)內(nèi)各井所產(chǎn)出的氣體均以甲烷為主(甲烷含量均在80%以上)，同時(shí)含少量的重?zé)N和CO2氣體(表1)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于劃分無(wú)機(jī)成因和有機(jī)甲烷的δ13C1界限值，存在一定程度的差異，但一般都傾向于將界限值限定在25‰左右。其中戴金星綜合分析認(rèn)為[6]，將無(wú)機(jī)與有機(jī)甲烷的δ13C1界限值定為大于-30‰。而昌德氣藏(芳深1井、芳深2井)的δ13C1值均在-20‰以上，具有明顯的無(wú)機(jī)成因氣特征。同時(shí)，無(wú)機(jī)成因烷烴氣同位素的另一個(gè)明顯特征是具負(fù)碳同位素系列(即δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4)，芳深1井的δ13C1，δ13C2，δ13C3，δ13C4值分別為-18.7‰，-22.4‰，-24.1‰，-28.2‰，負(fù)碳同位素系列特征明顯。芳深2井的天然氣也具有同樣的特征。芳深1井的氦同位素R/Ra為0.5，屬殼源型。根據(jù)以上特征，判斷昌德氣藏烷烴氣體總體上是殼源無(wú)機(jī)成因是較為科學(xué)的結(jié)論。昌德氣藏是以烷烴氣為主的無(wú)機(jī)成因氣藏。該類(lèi)氣藏的發(fā)現(xiàn)不僅在國(guó)內(nèi)屬首次，國(guó)外亦未見(jiàn)報(bào)道[4]。

2　昌德氣藏地球化學(xué)指標(biāo)特征

為更好地對(duì)昌德氣藏進(jìn)行解剖，在昌德氣藏上方布置了地球化學(xué)研究剖面，剖面分別經(jīng)過(guò)芳深1井和芳深2井，由南北方向貫穿昌德氣藏，并分別向南北兩端延伸，作為地球化學(xué)研究的背景。剖面線長(zhǎng)16 km，按0.25 km的采樣間距，共布置化探測(cè)量點(diǎn)65個(gè)，并在各測(cè)量點(diǎn)采集了頂空氣、游離氣及土壤等不同介質(zhì)的樣品(圖1)。對(duì)所采樣品進(jìn)行了不同方法的地球化學(xué)分析，包括酸解烴、熱釋烴、頂空氣、游離烴、ΔC、熱釋汞、微量元素及甲烷碳同位素等(表2)。

從表3各指標(biāo)特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，與其他地區(qū)相比，酸解烴指標(biāo)表現(xiàn)為低豐度、高變異的特點(diǎn)，游離烴指標(biāo)表現(xiàn)為中等豐度的特征，其他指標(biāo)均表現(xiàn)為中低豐度、低變異的特征。

表1　松遼盆地昌德氣藏天然氣地球化學(xué)特征[12]

圖1　松遼盆地昌德氣藏地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)剖面位置

分析項(xiàng)目樣品數(shù)/個(gè)分析項(xiàng)目樣品數(shù)/個(gè)頂空氣63ΔC65熱釋烴65熱釋汞65酸解烴65微量元素65游離烴65甲烷碳同位素2

從不同方法指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系及聚類(lèi)關(guān)系來(lái)看(圖2)，除游離烴外，不同烴類(lèi)檢測(cè)方法(酸解烴、熱釋烴、頂空氣)的甲烷及其同系物間，均呈顯著相關(guān)關(guān)系，而游離烴甲烷與重組分呈弱相關(guān)關(guān)系。不同方法間相關(guān)性較差，其中頂空氣甲烷與游離烴甲烷顯著相關(guān)，熱釋汞與熱釋烴指標(biāo)呈相關(guān)關(guān)系，其他各方法指標(biāo)間均無(wú)明顯的相關(guān)關(guān)系。

3　昌德氣藏有效化探指標(biāo)篩選

近地表油氣地球化學(xué)勘探技術(shù)經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，形成了一整套較為成熟的方法指標(biāo)，根據(jù)對(duì)于油氣組分的關(guān)聯(lián)度，大致可以將油氣化探方法分為直接和間接兩大類(lèi)。直接方法檢測(cè)對(duì)象是近地表游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)的烴類(lèi)組分，具體包括游離烴、頂空氣、酸解烴、熱釋烴、吸附絲、紫外吸收光譜、熒光光譜等；間接方法檢測(cè)地表環(huán)境中，由于烴類(lèi)微滲漏所引起的各種物理、化學(xué)及生物變化，包括微生物、蝕變碳酸鹽、微量元素、汞、碘、氦、微磁、氧化還原電位及放射性等。由于深部地質(zhì)條件及油氣藏類(lèi)型的差異，不同指標(biāo)的異常顯示也不盡相同。大量化探成果表明，油氣藏上方地表及淺層基本上都有化探異常分布[13]。選擇對(duì)于本地區(qū)無(wú)機(jī)氣藏適用的地球化學(xué)方法，是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

表3　松遼盆地昌德氣藏部分化探指標(biāo)特征

圖2　松遼盆地昌德地區(qū)化探指標(biāo)聚類(lèi)分析譜系

3.1酸解烴指標(biāo)在昌德氣藏頂端顯示異常

酸解烴是地表烴類(lèi)氣體測(cè)量法中較為經(jīng)典的方法之一，其方法原理是對(duì)樣品進(jìn)行酸化處理, 然后用氣相色譜儀分析所釋放的烴類(lèi)氣體。該方法主要測(cè)定巖石、土壤等介質(zhì)所包含的碳酸鹽及其膠結(jié)物中所吸留的烴類(lèi)氣體。油氣藏中的烴組分在垂向滲散的過(guò)程中，地表的土壤經(jīng)累積吸附會(huì)引起烴類(lèi)的濃度變化，通過(guò)檢測(cè)土壤中烴類(lèi)的異常分布及形態(tài)，進(jìn)行下覆油氣藏的預(yù)測(cè)。

酸解烴方法在昌德氣藏區(qū)域發(fā)現(xiàn)了異常，呈頂端異常形態(tài)(圖3)，同時(shí)，在氣藏區(qū)域，酸解烴的濕度也明顯增大。酸解烴方法較好地指示了昌德無(wú)機(jī)成因氣藏的存在，呈現(xiàn)頂部塊狀異常特征。

3.2頂空氣指標(biāo)在昌德氣藏兩側(cè)呈現(xiàn)異常

除去微生物消耗以及吸留包裹于土壤介質(zhì)中外，還有一部分以物理吸附態(tài)被土壤或巖石顆粒表面所吸附?；綐悠凡捎妹芊馊萜鞣庋b并經(jīng)一段時(shí)間的平衡后，分析密封容器中頂部空間的氣體組成和濃度。頂空氣法是油氣化探較為成熟的方法之一，在全國(guó)不同盆地及地區(qū)的天然氣勘探中得以應(yīng)用并取得較好的效果。

頂空氣指標(biāo)在昌德氣藏的頂端與背景值相當(dāng)，但在氣區(qū)的兩側(cè)邊界附近，存在高值異常，在剖面上呈馬鞍形異常特征(圖4)，頂空氣方法在氣藏附近不僅存在組分異常，而且有組構(gòu)異常存在，其重輕比指標(biāo)也在氣藏附近呈現(xiàn)高值。頂空氣指標(biāo)較好地指示了昌德無(wú)機(jī)成因氣藏的存在，呈現(xiàn)馬鞍狀異常特征。

3.3游離烴指標(biāo)在昌德氣藏頂端及其鄰近顯示不規(guī)則異常

游離烴是油氣化探最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的方法。其方法特點(diǎn)是直接抽取近地表土壤中的氣體，然后注入氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。整個(gè)過(guò)程不經(jīng)過(guò)任何的化學(xué)處理和改造，真實(shí)地反映了所測(cè)試對(duì)象的原始成分。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，美國(guó)、加拿大等國(guó)的一些油田及公司，甚至將游離烴作為油氣化探唯一的指標(biāo)加以運(yùn)用，取得良好的效果[14]。

圖3　松遼盆地昌德氣藏酸解烴指標(biāo)地球化學(xué)剖面

圖4　松遼盆地昌德氣藏頂空氣指標(biāo)地球化學(xué)剖面

圖5　松遼盆地昌德氣藏游離烴、ΔC及熱釋汞指標(biāo)地球化學(xué)剖面

在昌德氣藏上方，游離烴指標(biāo)波動(dòng)加劇，并形成較為明顯的異常(圖5)，同時(shí)，在無(wú)機(jī)成因氣藏附近，斷裂的上傾方向，也會(huì)形成強(qiáng)烈的游離烴異常。游離烴指標(biāo)較好地指示了昌德無(wú)機(jī)成因氣藏的存在，其在氣藏頂端及鄰近呈現(xiàn)不規(guī)則尖峰異常。

3.4蝕變碳酸鹽對(duì)氣區(qū)有一定的識(shí)別能力

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，ΔC指標(biāo)對(duì)氣區(qū)有一定的反映能力。其在氣區(qū)附近波動(dòng)性明顯加劇，背景值抬升，并形成明顯的正異常。但不足的是，該方法在氣藏以外的區(qū)域，也存在一定程度的異常顯示。

表4　松遼盆地昌德、平方王測(cè)區(qū)碳同位素檢測(cè)

3.5熱釋汞、熱釋烴及微量元素指標(biāo)效果不明顯

從本區(qū)試驗(yàn)結(jié)果看，熱釋汞及微量元素指標(biāo)波動(dòng)具有極大程度的隨機(jī)性，對(duì)昌德無(wú)機(jī)成因氣藏不具有明顯的指示意義。

3.6甲烷碳同位素

甲烷的碳同位素組成，是鑒別天然氣成因類(lèi)型的一個(gè)重要方法。不同成因的天然氣具有其特征的碳同位素組成，自然界甲烷的δ13C1值分布范圍一般介于-105‰～-10‰之間[15-16]。截至目前，世界一些地區(qū)所獲得的非生物成因甲烷的δ13C1值，幾乎都大于-25‰，戴金星、王先彬等[16-17]，將甲烷的δ13C1>-30‰視為判識(shí)非生物成因甲烷地球化學(xué)指標(biāo)。昌德氣藏(芳深1井、芳深2井)的甲烷δ13C1均大于-20‰，具有明顯的無(wú)機(jī)成因天然氣特征。

由于本次在昌德地區(qū)所檢測(cè)的游離烴甲烷指標(biāo)，普遍測(cè)量值較低，為保證甲烷碳同位素測(cè)量結(jié)果的可靠性，僅有2個(gè)樣品的測(cè)量值達(dá)到甲烷碳同位素的檢測(cè)要求。這2個(gè)樣點(diǎn)位于芳深1井和芳深2井的中間地帶，其中一個(gè)樣點(diǎn)的甲烷碳同位素測(cè)量值為-20.13‰，明顯指示了無(wú)機(jī)成因氣的特征(表4)。

作為對(duì)比，同期在其他地區(qū)選擇樣品，以同樣的方式進(jìn)行了甲烷碳同位素的檢測(cè)，但這些對(duì)比組樣品甲烷碳同位素測(cè)量值，均在-31.09‰～47.96‰之間，只有昌德氣藏上方的cd42樣點(diǎn)，唯一顯示了無(wú)機(jī)成因氣特征。

4　結(jié)論

(1)對(duì)昌德無(wú)機(jī)成因氣藏的地球化學(xué)解剖研究表明，在現(xiàn)有化探技術(shù)條件下的相對(duì)有效的方法組合是：主要指標(biāo)頂空氣、酸解烴和游離烴，輔助指標(biāo)為蝕變碳酸鹽；熱釋烴、熱釋汞及微量元素指標(biāo)對(duì)于昌德氣藏反映不顯著。

(2)從已知?dú)獠厣戏礁髦笜?biāo)的異常顯示情況來(lái)看，昌德無(wú)機(jī)成因氣藏近地表地球化學(xué)識(shí)別標(biāo)志為：在氣藏上方，酸解烴及ΔC指標(biāo)顯示高值異常；在氣藏的邊緣，將出現(xiàn)頂空氣的馬鞍狀異常；在氣藏區(qū)域及其鄰近的范圍內(nèi)，游離烴指標(biāo)測(cè)量值波動(dòng)加劇，顯示為大范圍高值基礎(chǔ)上的多個(gè)尖峰狀異常。通過(guò)多方法的組合，可以有效提高無(wú)機(jī)成因氣藏勘探成功率。

(3)在上述不同地球化學(xué)指標(biāo)識(shí)別氣藏的基礎(chǔ)上，配合游離烴甲烷碳同位素的檢測(cè)，可以從一定程度上判斷下伏氣藏的無(wú)機(jī)成因?qū)傩浴?/p>

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(編輯黃娟)

Near-surface geochemical exploration in the Changde inorganic gas reservoir, Songliao Basin

Chen Yinjie, Tang Yuping, Huang Xin

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

The Changde gas reservoir in the Songliao Basin is the only inorganic gas reservoir in the world which mainly produces alkane gas with a full geochemical complement. Therefore, the study of Changde inorganic gas reservoir has a great significance for the development of China’s natural gas exploration. We designed a geochemical profile crossing wells Fangshen1 and Fangshen2 above the Changde gas reservoir, studied the near-surface display of different geochemical indicators, and selected effective geochemical methods and abnormal indicators. The analysis of methane carbon isotopes can help judge the inorganic origin of the reservoir.

inorganic origin; geochemistry; alkane gas; Changde gas reservoir; Songliao Basin

1001-6112(2016)05-0659-06doi：10.11781/sysydz201605659

2016-01-05；

2016-07-12。

陳銀節(jié)(1965—)，男，高級(jí)工程師，從事油氣地球化學(xué)勘查工作。E-mail：chenyj.syky@sinopec.com。

中國(guó)石化科技部的項(xiàng)目“非烴氣地球化學(xué)勘探技術(shù)方法研究與應(yīng)用”(P08059)。

TE122.1+13

A