趙厚祥

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

目前國內(nèi)外對非烴氣成因機制的研究存在不同的看法，對于非烴氣的分析并不是很系統(tǒng), 主要是由于非烴氣成藏條件難以把握，而且純非烴氣藏非常少，擁有的資料也不多。本文旨在對國外盆地非烴氣的產(chǎn)狀以及分布進行綜合分析，以期達到借助有效的方法對非烴氣特征進行詳細判別、對其成因機制進行評價并能進一步分析烴類氣的生成、運移、聚集成藏的目的。

1 非烴氣研究進展

天然氣中主要非烴組分為CO2、N2、H2、Hg、H2S和稀有氣體(He/Ar等)[1-2]。非烴氣體大多數(shù)情況下以微量組分存在于天然氣中。在特殊的地質(zhì)條件下，也可以富集成藏。研究天然氣非烴組分及其同位素組成可以探討天然氣的來源、運移和聚集等問題。

(1)CO2是天然氣中常見的非烴組分之一。有機成因CO2是有機質(zhì)在不同地球化學(xué)作用中形成的。有機質(zhì)在生物化學(xué)作用、熱解作用和裂解作用等成烴作用下形成CO2,也可以經(jīng)煤的氧化作用形成。有機質(zhì)氧化生成CO2、熱模擬產(chǎn)生的氣體和大部分石油伴生氣中CO2的碳同位素組成比較輕[3]。無機成因的CO2是無機礦物或元素在各種化學(xué)作用下形成的。無機成因CO2的形成有多種途徑:①巖漿-火山源成因的CO2；②變質(zhì)成因的CO2；③地幔成因的CO2；④宇宙說。

對于CO2成因的判識標準有多種方法，目前比較統(tǒng)一的認識是基于CO2同位素的統(tǒng)計分類[2,4-6],其它方法δ13CCO2-CO2含量關(guān)系圖版[5]以及δ13CCO2-δ13C1關(guān)系圖版[7]可綜合判定。

(2)在天然氣地質(zhì)研究中,H2S氣體地質(zhì)研究比烷烴氣地質(zhì)研究薄弱得多。盡管如此，我國以往對H2S天然氣地質(zhì)研究獲得了一個重要結(jié)論:我國高含H2S天然氣均在碳酸鹽巖儲集層中,碎屑巖H2S含量絕大部分在民用安全標準(20 mg/m3，相當于13.9 ppm)之下。此規(guī)律與世界含H2S氣藏的分布規(guī)律(大約有400個,其中360個以上分布在硫酸鹽巖-碳酸鹽巖地層組合中)一致[8]。

H2S分為有機成因和無機成因兩大類。無機成因H2S來自地球深處,與火山活動有關(guān),至今沒有發(fā)現(xiàn)由其形成的氣田(藏)。目前發(fā)現(xiàn)的高H2S氣田的H2S氣體均為有機成因：高溫還原成因、生物還原成因、裂解成因[9]。高溫還原成因主要見于硫酸鹽與碳酸鹽沉積組合中[9-10]；生物還原成因常見于經(jīng)歷地質(zhì)時期相對較短,成熟度相對較低的氣藏[10-12]；裂解成因H2S往往賦存于碳酸鹽巖地層中[9-10]。H2S與CO2含量具有一定的相關(guān)性[12]。研究發(fā)現(xiàn),H2S的形成過程可以促進儲層次生孔隙的發(fā)育[13]。

非烴氣的成因分析、非烴氣對烴源巖的生、運、聚指向以及工程防護都是非烴氣下步研究方向[1-13]。

2 緬甸瑞寶盆地地質(zhì)特征

2.1 盆地概況

緬甸中央盆地是晚白堊世以來發(fā)育的中-新生代盆地，沉積了厚度達20～25 km的上白堊統(tǒng)及新生界地層。瑞寶次盆是中央盆地的二級盆地，位于中央盆地的中北部，西部與中央盆地的另一次級盆地——欽敦盆地隔中央島弧帶相望。瑞寶次盆面積26 506 km2，目前有探井3口，均位于中央島弧帶控盆深大斷裂附近。

2.2 盆地基底

一般將前中生界作為盆地基底?；仔螒B(tài)較為單一(圖1、2)，基底巖性主要由火山巖、板巖及頁巖等巖性構(gòu)成。在盆地西部島弧帶鉆井揭示基底為淺色花崗閃長巖，其它基底巖性主要出露在盆地西部山前隆起區(qū)。

圖1 欽敦、瑞寶盆地重力異常

圖2 欽敦、瑞寶盆地航磁異常

2.3 盆地蓋層及烴源巖

瑞寶盆地蓋層主要發(fā)育上白堊統(tǒng)、古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)、上新統(tǒng)以及第四系地層。白堊系-始新統(tǒng)，海相-三角洲相沉積為主，主要發(fā)育淺海相-濱岸相-三角洲相沉積夾雜火山碎屑沉積，局部發(fā)育瀉湖相沉積。白堊系巖性主要為暗灰色泥巖和灰白色砂巖互層。盆地西緣的S-1井在深部鉆遇阿爾必-森諾曼期灰?guī)r，層理發(fā)育，含碳質(zhì)，局部夾綠灰色泥巖或砂質(zhì)灰?guī)r條帶，厚度149.6 m。I-1井鉆遇泥灰?guī)r2 m。古新統(tǒng)上部為灰色、棕黑色碳質(zhì)泥巖、煤層與灰色粉砂巖互層，夾灰白色泥灰?guī)r；始新統(tǒng)巖性主要為暗灰色泥巖和灰白色砂巖互層。中新統(tǒng)-上新統(tǒng)，河流相沉積，三角洲-辮狀河沉積為主，中新統(tǒng)巖性主要為灰色、綠灰色泥巖與灰白色砂巖互層；上新統(tǒng)-第四系巖性主要為灰色砂巖、含礫中砂巖與灰色泥巖互層。

據(jù)相鄰欽敦盆地勘探資料分析，欽敦盆地主要發(fā)育上白堊統(tǒng)-始新統(tǒng)煤系烴源巖，局部地區(qū)存在漸新統(tǒng)烴源巖。瑞寶盆地演化史與之相同，預(yù)測也存在類似烴源巖，但勘探程度低、鉆井少。據(jù)有限的鉆井和野外露頭樣品表明，始新統(tǒng)Yaw組和Pondaung組泥巖總碳為0.20%～3.38%，平均為0.73%，有機碳為0.17%～2.49%，平均為0.51%，產(chǎn)烴潛量為0.03～4.62 mg/g，平均為0.70 mg/g，為差烴源巖(依據(jù)煤系烴源巖標準)；漸新統(tǒng)Shwezetaw組泥巖總碳平均為0.86%，有機碳平均為0.49%，產(chǎn)烴潛量平均為1.16 mg/g，也為差烴源巖。HI-Tmax關(guān)系圖表征有機質(zhì)類型為Ⅱ2—Ⅲ型。在包裹體中有少數(shù)樣品顯弱藍白色熒光，說明油氣充注差，油氣成熟度低。深層位的烴源巖基本成熟，R0在0.6%～1.2%之間。

2.4 火山巖

瑞寶盆地火山巖包含淺成侵入花崗巖、閃長巖、安山巖、粗面巖、流紋巖，以及較少的枕狀玄武巖。鉆探揭示了白堊紀—古新世、始新世—中新世兩大火山旋回，每個旋回又具有多期、間歇性噴發(fā)的特點。

白堊紀—古新世火山巖旋回主要發(fā)育鉀玄巖-高鉀鈣堿性玄武巖及玄武質(zhì)安山巖，多發(fā)育在俯沖作用相關(guān)的構(gòu)造背景；始新世-中新世火山旋回主要發(fā)育鈣堿性玄武質(zhì)安山巖-流紋巖，多發(fā)育在板塊匯聚邊緣及造山環(huán)境中。

由于探井在勘探相帶及層位上未能揭示盆地?zé)N源巖的真實潛力，為了充分利用分析化驗資料，挖掘盆地勘探潛力，下面通過研究非烴氣的特征，探討非烴氣的成因，深化地質(zhì)認識，分析評估上白堊統(tǒng)和始新統(tǒng)烴源巖潛力和成藏特征。

3 非烴氣分布特征

瑞寶盆地非烴類氣包括CO2、N2、H2、CO、H2S氣體(表1)，根據(jù)I-3井測試氣樣、I-1井錄井氣樣可知，烴類氣與非烴氣混合賦存于儲層中，暫未發(fā)現(xiàn)非烴氣單獨成藏。本文主要針對CO2、H2S進行分析研究。

表1 氣體樣品地球化學(xué)參數(shù)

3.1 CO2

瑞寶盆地CO2氣體縱向主要分布在始新統(tǒng)-古新統(tǒng)，深度介于965～2 312 m。平面上分布在盆地西部島弧帶(圖1、2)。CO2氣體含量主要分布于3%～15%，最大含量為20.18%。

3.2 H2S

通過錄井氣體組分分析及測試中探測儀檢測，均證實H2S氣體存在。垂向上分布于始新統(tǒng)1 150～1 254.3 m，平面上分布在盆地西部島弧帶(圖1、2)。測試中探測儀記錄H2S氣體含量0.061%(610 ppm),遠超安全標準。

4 成因類型分析

由于非烴氣與烴類氣伴生及混合賦存狀態(tài)，利用非烴氣的組分及碳同位素分析數(shù)據(jù)等地化特征(表1)，通過單因素、多因素圖版解讀及相互驗證，并結(jié)合烴類氣的成因分析及沉積背景，綜合判定非烴氣的成因。

4.1 烴類氣成因分析

I-1取樣點層段為始新統(tǒng)1 161.0～2 032.0 m,氣體組成中烷烴氣占68.869%～88.053%，甲烷氣占比高，最高達87.968%；非烴氣中CO2含量最高。I-3取樣點層段為始新統(tǒng)1 150.0～1 254.3 m，烷烴氣占40.823%，CH4為主，非烴氣占59.177%，以N2、H2、CO和CO2為主。

4.1.1 -1井2 032 m、1 267 m氣樣分析

δ13C1≥-20‰是判別氣體無機成因標志之一[2]。I-1井2 032 m、1 267 m深度點氣樣δ13C1都在有機、無機成因界限附近，難以判斷其成因。根據(jù)二元關(guān)系—天然氣組分及甲烷碳同位素圖版(圖3)判定，位于圖版Ⅴ1無機氣區(qū)域[5]。由于同深度點的混合賦存的CO2中δ13Cco2數(shù)值處于有機成因區(qū)域(圖4)，需參考其它因素關(guān)系再判別。進一步利用δ13C1與R0、δ13CH4與δ13CCO2二元關(guān)系圖版進行分析驗證。根據(jù)δ13C1-R0圖版(圖5)鑒定I-1取樣點烷烴氣，樣品點處于煤成氣區(qū)域下方偏態(tài)區(qū)域。前蘇聯(lián)學(xué)者提出過CH4和CO2共生關(guān)系[7](圖6)，通過δ13CH4與δ13CO2二元關(guān)系圖版認為2 032 m、1 267 m深度點氣樣位于Ⅲ區(qū)—有機質(zhì)熱變質(zhì)生成的CH4和CO2邊緣區(qū)。

地質(zhì)分析：I-1井2 032 m屬于古近系，下部2 000 m緊鄰數(shù)百米厚白堊紀—古新世火山噴發(fā)巖；1 267 m為始新統(tǒng)，其上1 200 m為始新世—中新世噴發(fā)火山巖，2個深度點沉積環(huán)境相似，地化分析指標數(shù)值基本相同，且都不具備典型有機成因煤成氣特征，δ13C1、δ13Cco2數(shù)值都比典型有機成因煤成氣重；取樣點附近發(fā)育斷穿至基底深大斷裂；2個氣樣中甲烷含量高，2 032 m氣體組分中重?zé)N含量低，更具有幔源氣特征[2]。綜合判斷為有機煤成天然氣中混入部分無機成因CH4和CO2氣體。

圖3 鑒別各類甲烷δ13C1-C1/C2+3圖版[5]

4.1.2 I-1井1 161～1 166 m、1 195 m氣樣分析

I-1取樣點1 161 m、1 195 m深度點地化數(shù)值特征較2 032 m、1 267 m兩深度點分布更為偏態(tài)(圖3、4、5)，分析其組分特征、生物標志化合物含量及δ13C1、δ13Cco2數(shù)值，在圖6中位于Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)的中間區(qū)域，即內(nèi)生CH4和CO2區(qū)與有機質(zhì)熱變質(zhì)生成CH4和CO2區(qū)的混合區(qū)，同時考慮該深度點處于火山巖發(fā)育層段，其基本特征與2 032 m、1 267 m兩深度點相同，綜合判定為有機煤型氣與無機火山成因混源氣[14]。

4.1.3 I-3井1 150 m～1 254.3 m氣樣分析

I-3取樣點氣樣根據(jù)圖3、4、5判定知氣體為煤成氣、油型裂解氣與無機氣混合物，有機氣含量高。

地質(zhì)分析：I-1、I-3井區(qū)域1 200 m以上發(fā)育數(shù)百米厚的始新世-中新世噴發(fā)火山巖,對1 150～1 254 m深度點氣體影響較大，分析認為火山活動或深大斷裂應(yīng)該是無機氣的來源。盆地多發(fā)育碳質(zhì)泥巖及煤層烴源巖，是煤成氣主要來源。I-3井相對I-1井更趨于沉積中心，有機質(zhì)類型由Ⅲ型逐步改變?yōu)棰蛐?，氣、油同生，后期形成部分油型裂解氣。該樣品點CO2同位素數(shù)值為有機成因且數(shù)值偏輕，具有油型裂解氣的特征。綜合判定I-3取樣點氣體是有機成因煤型氣為主，混有部分油型裂解氣及少量無機成因天然氣。

圖4 中國有機成因和無機成因二氧化碳δ13Cco2頻率[5]

圖5 我國煤成氣和油型氣δ13C1-R0關(guān)系[5]

4.2 CO2成因類型分析

4.2.1 成因判別

瑞寶盆地二個取樣點的5個樣品的CO2濃度在3.5%～13.1%之間，δ13Cco2數(shù)值都小于-10‰，依據(jù)有機成因和無機成因二氧化碳δ13Cco2頻率圖(圖4)判別為有機成因[2,5]?？紤]到同深度點甲烷氣以有機成因為主，并含有部分無機氣的混源特征以及火山沉積背景，利用δ13Cco2-δ13C1關(guān)系圖版(圖6)判別CO2為有機成因與無機成因混源氣，有機成因為主，無機成因為輔。

圖6 自然界CH4與CO2共生體系的δ13C1值和δ13Cco2值分布[7]

4.2.2 氣體來源

分析認為煤和干酪根熱解是CO2有機成因的主要來源；在沉積有機質(zhì)煤化過程中，纖維素在泥炭化和腐殖煤轉(zhuǎn)化的過程中產(chǎn)生CO2[2]，可用式(1)表示。瑞寶盆地R0一般處于0.6%～1.2%之間，達到了烴源巖成熟門限，煤和干酪根熱解產(chǎn)生大量CO2。

4C4H10O5→7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O

(1)

火山活動與碳酸鹽巖的高溫還原反應(yīng)是CO2無機成因的主要來源。瑞寶盆地縱向上發(fā)育白堊紀-古新世、始新世-中新世兩期火山沉積，平面上沿火山島弧帶與控盆深大斷裂分布；鉆探證實瑞寶盆地發(fā)育碳酸鹽巖，硫酸鹽巖和碳酸鹽巖常共同分布[15-16]。硫酸鹽在有機物(以C為代表)或烴類(以CH代表)的參與下發(fā)生高溫還原作用,形成CO2和H2S[2],其反應(yīng)式為

2C+CaSO4+H2O→CaCO3+H2S+CO2或

∑CH+CaSO4→CaCO3+H2S+H2O

(2)

4.3 H2S成因類型分析

根據(jù)烷烴氣成因、CO2與H2S的相關(guān)性[1-2]并結(jié)合沉積背景分析H2S的成因。

4.3.1 成因分析

在埋深、地溫適宜的地層條件下，含碳酸鹽巖地層有機質(zhì)熱演化過程中，有機質(zhì)和H2使硫酸鹽還原，在有機質(zhì)的熱演化過程中烴類物質(zhì)的參與下生成H2S[16]。考慮到烷烴氣與CO2氣有機成因居多，認為H2S有機成因占較大比例。

4.3.2 高溫還原成因

瑞寶盆地發(fā)育硫酸鹽巖和碳酸鹽巖，根據(jù)反應(yīng)式(2)地層產(chǎn)生H2S。H2S的分布與碳酸鹽巖沉積具有密切的關(guān)系。

瑞寶盆地I-1、I-3取樣點石英顆粒流體包裹體均一溫度范圍81.9～158.1℃，平均溫度125.3℃，代表了流體運移時的溫度狀況，適于碳酸鹽巖-硫酸鹽巖熱化學(xué)還原作用的溫度范圍100～140℃[17-18]，認為瑞寶盆地H2S高溫還原成因占有一定比例。

4.3.3 火山成因

瑞寶盆地發(fā)育白堊紀-古新世、始新世-中新世兩期火山沉積，I-1、I-3采樣點為始新統(tǒng)底部，深度位于兩期火山沉積之間；瑞寶盆地斷裂具有早期張性、晚期壓扭的特點；結(jié)合烷烴氣、CO2的部分無機成因，綜合認為H2S無機火山、地幔成因占有一定比例。

5 非烴氣賦存的地質(zhì)意義

非烴氣在很大程度上與烴類天然氣的生成、運移、聚集成藏有著很大的聯(lián)系,同時也可以從反面論證油氣成藏所必須具備的儲、蓋、保條件,對于油氣源的判識也有很大的幫助。從上述分析看，兩個采樣點五個深度氣藏中，I-1取樣點4個深度點氣藏均為有機煤成氣、無機幔源(火山)氣與有機、無機非烴氣的混源氣藏。I-3取樣點氣體為有機成因煤成氣和部分油型裂解氣、無機成因幔源(火山)氣與有機、無機成因非烴氣的多源氣藏。

(1)CO2、H2S等非烴氣的有機成因及賦存證明了烴源巖的發(fā)育以及油氣運移與聚集過程；在盆地勘探初期，相關(guān)資料較少情況下對油氣成藏研究尤其具有重要指導(dǎo)意義。

(2)非烴氣的存在證明具備了形成油氣藏的基本條件。

H2S富集需要嚴格的封存條件，說明儲蓋組合優(yōu)越；H2S化學(xué)性質(zhì)較烴類氣活潑，極易逸散和氧化，保存需要致密蓋層、封閉的遮擋斷裂體系、地層水不具氧化性質(zhì)以及不含金屬離子等條件。

CO2、H2S的存在，一定條件下(一般認為是高溫高壓)可以產(chǎn)生溶蝕孔隙，形成較好的儲集層[13,16]；瑞寶盆地白堊系-始新統(tǒng)儲層致密，沉積相、巖性相及成巖相的綜合研究是尋找有利儲層的關(guān)鍵。瑞寶盆地火山巖發(fā)育，地溫梯度高，部分儲層段發(fā)育溶蝕孔隙，非烴氣體的研究為優(yōu)質(zhì)儲層的判斷提供了佐證。

(3)非烴氣成因判別是天然氣成因判別的重要補充。

(4)天然氣成因受烴源、運移、成藏環(huán)境多因素影響，單因素判別多存在誤差，多因素成因判別更趨準確。

6 結(jié)論

(1)瑞寶盆地天然氣具有有機成因烴類氣與無機成因烴類氣、非烴氣混源特征；烴類氣以CH4為主，含量為40.7%-87.9%；非烴氣為N2、H2、CO2、CO及H2S，其中CO2含量在3.1%～20.1%之間，H2S含量不低于0.061%；

(2)適用于瑞寶盆地天然氣成因判別方法有天然氣組分法、δ13C1-R0圖版、δ13Cco2-δ13C1關(guān)系圖版；單因子判別存在一定誤差，結(jié)合二元關(guān)系圖版判別效果好。

(3)有機成因烴類氣主要來源于煤系烴源巖，有機成因非烴氣主要來源于煤和干酪根的熱解；無機成因烴類氣、非烴氣主要來源于碳酸鹽巖的高溫還原作用和火山活動。

(4)油型裂解氣的存在推測瑞寶盆地深層可能發(fā)育成熟泥巖烴源巖。

(5)非烴氣的賦存對烴源巖的演化、油氣運移聚集、儲層改造以及成藏組合都有積極的地質(zhì)指向意義。