鶯歌海盆地富CO2氣藏形成的有利條件及分布規(guī)律研究

劉江濤，黃志龍，童傳新，朱建成

(1.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3.中國海洋石油有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524047)

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鶯歌海盆地富CO2氣藏形成的有利條件及分布規(guī)律研究

劉江濤1,2，黃志龍2，童傳新3，朱建成3

(1.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101； 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3.中國海洋石油有限公司 湛江分公司，廣東 湛江 524047)

以鶯歌海盆地富CO2氣藏地球化學(xué)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)條件分析，探討了CO2的成因類型，分析了富CO2氣藏形成的有利地質(zhì)條件和分布規(guī)律。結(jié)果表明：研究區(qū)富CO2氣藏CO2主要為無機巖石化學(xué)成因，有少量幔源氣混入；富CO2氣藏主要分布在中央底辟帶底辟構(gòu)造1 000～2 000 m深度范圍內(nèi)，東方區(qū)CO2體積分數(shù)分布于0～18%和54%～88%這2個區(qū)間，且同一底辟構(gòu)造內(nèi)，下部儲層CO2含量高于上部儲層，斷裂附近儲層CO2含量高于遠離斷裂儲層，樂東區(qū)CO2體積分數(shù)介于0～88%，CO2分布沒有明顯的規(guī)律性，兩區(qū)底辟發(fā)育特征不同是CO2分布特征差異的根本原因；中央坳陷帶底辟區(qū)巨厚鈣質(zhì)砂泥巖沉積、高地溫場和大地?zé)崃鞅尘凹澳嗟妆俚闹芷谛曰顒邮歉籆O2氣藏形成的有利地質(zhì)條件；中央坳陷帶非底辟區(qū)和鶯東斜坡帶無成規(guī)模富CO2氣藏分布。

富CO2氣藏；成藏條件；分布規(guī)律；底辟；鶯歌海盆地

劉江濤，黃志龍，童傳新，等.鶯歌海盆地富CO2氣藏形成的有利條件及分布規(guī)律研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，31(4)：25-31.37

LIU Jiangtao,HUANG Zhilong,TONG Chuanxin，et al.Favorable forming conditions and distribution rules of rich CO2gas reservoirs in Yinggehai Basin[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(4):25-31,37.

引　言

CO2是天然氣中常見的非烴氣組分，也是整個自然界碳循環(huán)系統(tǒng)中較穩(wěn)定的氣體。目前在世界多個中新生代盆地中發(fā)現(xiàn)CO2氣藏，包括我國東部陸上及海域的沉積盆地，如松遼、渤海灣、蘇北、三水、東海及南海北部等，其中萬金塔、黃橋和沙頭圩等CO2氣田已經(jīng)投入開發(fā)，并取得了顯著的經(jīng)濟效益[1]。自20世紀60年代以來，迄今已在鶯歌海盆地發(fā)現(xiàn)多個天然氣藏和含氣構(gòu)造，這些氣藏和含氣構(gòu)造以烴類氣體和非烴類氣體含量變化大為顯著特點，非烴類氣體特別是CO2氣體在一些含氣儲層中體積分數(shù)超過50%，例如F1-1-2井鶯歌海組二段1 331～1 361.5 m氣層CO2體積分數(shù)為57%、1 414～1 452.5 m氣層CO2體積分數(shù)為66.7%，這對于海上天然氣勘探開發(fā)而言，無疑是一個十分不利的因素，引起地質(zhì)學(xué)家的重視并展開了大量的研究工作[2-10]。何家雄、王振峰、陳傳平、魏喜等[3-9]系統(tǒng)研究了鶯歌海盆地高豐度CO2氣藏的成因和運聚成藏特征，陳勝紅等[10]對CO2氣藏形成的地質(zhì)條件和主控因素進行了分析。前人的大量研究對于認識鶯歌海盆地CO2氣藏的來源和分布規(guī)律具有積極意義，但限于CO2分布的復(fù)雜性，對其分布規(guī)律及原因的研究還不夠充分，對其地質(zhì)條件的剖析也不夠充分。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，分析CO2氣藏地球化學(xué)特征和氣藏形成的有利地質(zhì)條件，剖析CO2的分布規(guī)律，以期為研究區(qū)規(guī)避勘探風(fēng)險提供理論依據(jù)，同時也為今后CO2氣藏的綜合開發(fā)利用提供理論支持。

1　地質(zhì)背景

鶯歌海盆地位于南海北部大陸架邊緣西部的印支地塊和華南地塊之間的古縫合帶上，是自晚白堊世—古新世發(fā)展起來的轉(zhuǎn)換-伸展盆地，受到巖石圈拉伸和紅河斷裂走滑雙重機制的控制[11](圖1)。鶯歌海盆地具有非常高的沉降速率(500～1 400 m/Ma)，沉積了巨厚的新生代地層(最大厚度可達17 km)。上第三系—第四系地層以泥質(zhì)細粒沉積為主，除與底辟相關(guān)的小斷距斷裂外幾乎不發(fā)育斷裂，地溫梯度約為4.6 ℃/100 m，明顯高于世界各沉積盆地的平均地溫梯度(3.0 ℃/100 m)[12]，屬于典型的熱盆地。在鶯歌海盆地中央底辟帶發(fā)現(xiàn)的多個氣藏或含氣構(gòu)造均含不同豐度的CO2，給天然氣勘探和生產(chǎn)帶來一定的困難，嚴重影響了勘探步伐和經(jīng)濟效益。

圖1　鶯歌海盆地及鄰區(qū)大地構(gòu)造單元Fig.1　Basic framework of tectonic units in Yinggehai Basin and its neighbor areas

2　CO2氣藏地球化學(xué)特征

鶯歌海盆地中淺層氣藏天然氣組成包括烴類氣體(以甲烷為主，為典型干氣)、非烴氣(CO2、N2)和極少量的He、Ar等稀有氣體，其中CO2含量變化極大，體積分數(shù)分布在0～88.9%(表1)，平均體積分數(shù)約為32%，CO2和N2體積分數(shù)基本呈負相關(guān)。

何家雄、陳傳平等[8,13-14]對鶯歌海盆地CO2的成因和來源進行了深入研究，認為該區(qū)CO2主要為無機殼源巖石化學(xué)成因。戴金星等[15]分析國內(nèi)外碳同位素數(shù)據(jù)，指出有機成因CO2的δ13C小于-10‰，而無機成因CO2的δ13C大于-10‰；另外w(3He)/w(4He)是判斷殼源和幔源成因的重要參數(shù)，一般R/Ra(Ra是大氣的w(3He)/w(4He)，R是氣體樣品中的w(3He)/w(4He))>1表明有幔源成因氣的加入，而R/Ra>2則表明氣體為幔源無機成因氣[16-17]。以此為依據(jù)，建立了識別CO2成因的圖版，并對比了CO2氣樣δ13C值和體積分數(shù)之間的關(guān)系(圖2)，可以看出研究區(qū)CO2的δ13C值主要位于-21‰～7.9‰，R/Ra值為0～1.5，兼有無機成因和有機成因2種類型，同時混入了少量幔源CO2，無機成因CO2的R/Ra值整體上大于有機成因CO2，這也從側(cè)面說明了CO2氣體中有幔源CO2氣體的混入；從含量來看，有機成因CO2的體積分數(shù)普遍低于1.1%，無機成因CO2氣體的體積分數(shù)在0～93%之間。綜合分析認為，研究區(qū)有機成因CO2的含量極低，主要伴生于富烴氣層中，絕大部分CO2氣體為殼源無機巖石化學(xué)成因，有少量幔源氣混入。

表1　 鶯歌海盆地部分井氣層氣組分特征Tab.1　Composition characteristic of gas samples from a part of gas wells in Yinggehai Basin

圖2　鶯歌海盆地CO2成因類型識別Fig.2　Identification of genetic types of CO2 in Yinggehai Basin

3　CO2氣藏形成的有利地質(zhì)條件

迄今僅在鶯歌海盆地中發(fā)現(xiàn)罕見儲量巨大的殼源型巖石化學(xué)成因氣藏，中淺層CO2預(yù)測儲量超過2 000×108m3。因此，研究區(qū)CO2的形成和聚集必有其特殊性。

3.1鈣質(zhì)泥巖的快速沉積

在晚第三紀及第四紀海相坳陷沉積時期，鶯歌海盆地沉積了巨厚的海相砂泥巖地層，沉積速率可達1.4 mm/a，沉積厚度超過萬米。其中上漸新統(tǒng)—下中新統(tǒng)下部陵水組地層、下中新統(tǒng)上部三亞組地層、中中新統(tǒng)梅山組地層、上中新統(tǒng)黃流組和上新統(tǒng)鶯歌海組地層均發(fā)育含鈣砂泥巖沉積或灰?guī)r沉積。近年來的研究表明，在高含碳酸鹽和黏土礦物的長石砂巖或泥巖中，通過巖石化學(xué)反應(yīng)生成CO2的潛力巨大[18-19]。上第三系海相泥巖熱模擬生氣實驗也表明CO2的生氣效率遠遠高于烴類氣，每噸巖石生成CO2氣的效率約為烴類氣的4～15倍[20]。此外，對研究區(qū)梅山組和三亞組鈣質(zhì)泥巖樣品進行的生氣模擬實驗表明，在地層溫度達到300 ℃時，樣品通過巖石化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生大量CO2(超過10 m3/t)，并且所產(chǎn)生的CO2碳同位素特征與研究區(qū)淺部地層無機來源的CO2相當(dāng)[21]，這表明研究區(qū)無機CO2可能來源于三亞組和梅山組碳酸鹽成分的高溫分解。

3.2高地溫場及大地?zé)崃鞅尘?/p>

在鶯歌海盆地演化過程中，發(fā)生了3次較大規(guī)模的伸展活動，導(dǎo)致盆地巖石圈厚度明顯減薄，同時軟流圈地幔熱流上涌，加之盆地廣泛發(fā)育超壓，熱流體排泄不暢，研究區(qū)地層溫度普遍很高。根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)，盆地平均地溫梯度超過4.0 ℃/100 m，明顯比世界各沉積盆地3.0 ℃/100 m的平均水平高，尤其是在中央凹陷帶底辟帶上，地溫梯度可達到4.6 ℃/100 m以上；巖石熱導(dǎo)率的測試結(jié)果表明，盆地內(nèi)平均地表熱流值高達84.1 mW/m2，底辟帶超過86.0 mW/m2。鶯歌海盆地高地溫場及高大地?zé)崃鞅尘芭c天然氣中CO2等非烴含量高有直接關(guān)系[6]，理論和實驗均表明，碳酸鹽或富含碳酸鹽的砂泥巖在強熱力作用下，其CO2產(chǎn)率隨溫度增加而增大，熱力作用越強、溫度越高，CO2產(chǎn)率和產(chǎn)量就越大[22]。研究區(qū)勘探實踐也證實了這一點，相鄰的瓊東南盆地大地?zé)崃髦当妊芯繀^(qū)低10 mW/m2左右，平均溫度梯度約低0.5 ℃/100 m，其氣體組成中烴氣體積分數(shù)約為77%，CO2體積分數(shù)約為19%，遠遠低于鶯歌海盆地(圖3)。

圖3　鶯歌海盆地與瓊東南盆地氣體組分含量對比Fig.3　Comparison of gas components of Yinggehai Basin with Qiongdongnan Basin

3.3泥底辟活動

快速沉降、沉積物顆粒細及新近系斷裂不發(fā)育導(dǎo)致鶯歌海盆地缺少流體垂向運移和釋放的通道，因此，新近系及第四系巨厚海相泥頁巖壓實不均衡，排出流體困難，加之盆地大地?zé)崃髦蹈撸鹚疅嵩鰤汉蜕鸁N，在中央坳陷區(qū)形成了強烈的超壓，在強超壓和區(qū)域右旋走滑斷裂活動的共同作用下，該區(qū)域發(fā)育了大規(guī)模的泥底辟活動構(gòu)造帶[23]。由于泥底辟的周期性活動，泥底辟產(chǎn)生的斷裂輸導(dǎo)系統(tǒng)為天然氣的垂向運移提供了良好的通道，并且由于底辟形成時導(dǎo)致地層上拱變形或斷塊垮塌，形成了縱向疊置的底辟背斜構(gòu)造和斷塊構(gòu)造，與底辟區(qū)發(fā)育的砂體配合，形成了大量的構(gòu)造-巖性圈閉，為天然氣的聚集提供了良好的場所。當(dāng)前在中央坳陷帶已發(fā)現(xiàn)的淺層底辟圈閉有14個，面積大于100 km2的中深層圈閉就有9個，該區(qū)域含氣構(gòu)造和氣藏幾乎都與底辟活動有關(guān)。

4　分布規(guī)律

4.1充注時間

研究區(qū)含鈣砂泥巖樣品的生氣物理模擬實驗和已發(fā)現(xiàn)天然氣藏地球化學(xué)特征均表明，研究區(qū)CO2的生成晚于烴源巖的大量排烴期[21]。流體包裹體是地質(zhì)時期流體充注歷史和流體成分的直接證據(jù)。鶯歌海盆地東方1-1氣田儲層砂巖流體包裹體均一溫度介于120～230 ℃，并可分為3期，對應(yīng)的均一溫度分別為：120～160 ℃、160～200 ℃及200 ℃以上，其中前兩期包裹體主要含烴，第三期流體包裹體則為烴類和CO2的混合流體，并且僅發(fā)育于富CO2的氣層中。因此，第一、二期流體充注以混相烴類為主，無機CO2氣體的充注則主要發(fā)生在第三期[13]，何家雄等[6]依據(jù)盆地?zé)崃黧w和底辟活動歷史，推斷該期充注發(fā)生在距今1.9 Ma以后，屬于晚期快速成藏。

圖4　東方1-1氣田儲層流體包裹體均一化溫度分布Fig.4　Homogenization temperature distribution of fluid inclusion in Dongfang1-1 gas field

4.2富CO2氣藏分布規(guī)律

4.2.1 區(qū)域分布特征從盆地范圍來看，研究區(qū)富CO2氣藏主要分布于中央底辟帶北部東方區(qū)和南部樂東區(qū)2個底辟集中發(fā)育區(qū)域。鶯東斜坡帶為常溫常壓區(qū)，地層埋藏淺，不具備CO2形成的有利地質(zhì)條件，除LT35-1井在1 630 m儲層獲得體積分數(shù)為85%的富CO2氣層(該氣層天然氣為鄰近樂東區(qū)底辟帶天然氣沿三角洲砂體運移而來)外，在1號斷裂附近至鶯東斜坡區(qū)各井均未見CO2體積分數(shù)超過2%的氣層；中央坳陷帶非底辟區(qū)，如坳陷區(qū)西部LG20-1井區(qū)和東南部LD30-1井區(qū)，盡管也位于高溫高壓發(fā)育區(qū)，但由于底辟不發(fā)育，缺乏垂向輸導(dǎo)通道，也不具備形成富CO2氣藏的條件，均未發(fā)現(xiàn)富CO2天然氣藏。從CO2富集區(qū)域CO2體積分數(shù)與深度的關(guān)系(圖5)來看， CO2體積分數(shù)超過5%的氣層(以無機CO2為主)主要分布在1 000～2 000 m范圍內(nèi)，基本呈深度越大體積分數(shù)越高的趨勢。樂東區(qū)和東方區(qū)CO2體積分數(shù)表現(xiàn)出不同的特征，東方區(qū)CO2體積分數(shù)主要分布在0～18%和54%～88%2個區(qū)間，樂東區(qū)CO2體積分數(shù)在0～88%之間均有分布，這和2個地區(qū)底辟發(fā)育特征的差異有關(guān)，后面將對其原因進行詳細闡述。

圖5　鶯歌海盆地CO2體積分數(shù)與深度的關(guān)系Fig.5　Relationship between volume fraction of CO2and depth in Yinggehai Basin

4.2.2區(qū)塊分布特征黃志龍等[24]指出底辟熱流體活動強度差異引起的熱流體上侵活動規(guī)律及運聚通道的差異影響和控制了CO2的充注，并對不同類型底辟構(gòu)造CO2的分布特征進行了詳細分析。何家雄等[25]根據(jù)熱流體活動的強弱將其劃分為強能量底辟和弱能量底辟。不同類型底辟由于活動能量、噴出程度和侵入高度的不同，輸導(dǎo)通道發(fā)育特征有很大差異，從而導(dǎo)致CO2分布區(qū)域的顯著差異[25]。分區(qū)域來看，這些泥底辟構(gòu)造以坳陷南部與樂東區(qū)相鄰的昌南6-1構(gòu)造為中心，向外圍泥底辟的強度逐漸減弱，樂東區(qū)底辟能量總體上大于東方區(qū)。從CO2剖面分布特征可以看出，CO2的分布明顯受到斷裂的控制，具有以下特征：同一構(gòu)造，下部儲層的CO2含量高于上部儲層，距離斷裂越近，CO2含量越高；東方區(qū)富CO2氣藏與斷裂關(guān)系更密切，主要分布在斷裂附近，而樂東區(qū)在距離斷裂較遠的儲層中仍可見富CO2氣層。

圖6　鶯歌海盆地不同底辟構(gòu)造CO2剖面分布特征Fig.6　Profile distribution of CO2 in different diapirs of Yinggehai Basin

4.2.3 原因分析CO2在水中的溶解度非常大，范泓澈等[26]根據(jù)CO2溶解度模擬實驗結(jié)果建立了CO2的溶解度模型，根據(jù)該模型計算了鶯歌海盆地東方1-1構(gòu)造溫壓條件下CO2溶解度(圖7(a))，可以看出，4 000 m深度處CO2的溶解度可達38.64 m3/m3，這可能是研究區(qū)中深層未發(fā)現(xiàn)富CO2氣藏的主要原因。研究區(qū)實測壓力數(shù)據(jù)表明，樂東區(qū)和東方區(qū)各構(gòu)造的超壓界面在1 500～2 200 m(圖7(b))，在該深度段內(nèi)，由于壓力的驟降，導(dǎo)致CO2溶解度迅速降低，在1 500 m深度處，溶解度降至24.5 m3/m3，從而導(dǎo)致水中大量CO2出溶為游離氣，充注進入底辟帶儲層中，形成富CO2氣藏。

前已述及，CO2的充注晚于烴類氣體，因此，后期CO2的充注會對前期富烴氣層進行改造。樂東區(qū)底辟能量較強，底辟斷裂數(shù)量多，斷距大(一般超過50 m)，甚至在底辟上部形成斷塊垮塌，因此,含CO2的熱流體的充注活動更加強烈，對前期富烴氣層的改造也更強烈，導(dǎo)致CO2的分布更加廣泛，不僅僅限于斷裂附近，CO2含量變化也較大，體積分數(shù)從0～88%均有分布；而東方區(qū)底辟能量相對較弱，斷裂發(fā)育少，斷距小，CO2氣體的充注對富烴氣層的改造較弱，一般位于斷裂附近或者富烴氣層的下部，與原有富烴氣層發(fā)生混合的情況很少，導(dǎo)致該區(qū)氣層或者為富烴氣層，或者為富CO2氣層，混合氣層少，這也是東方區(qū)CO2含量兩極分布的原因。

5　結(jié)　論

(1)鶯歌海盆地具備CO2氣藏形成的有利條件：巨厚鈣質(zhì)泥巖沉積是CO2氣藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，高地溫場及大地?zé)崃鞅尘笆荂O2大量生成的關(guān)鍵因素，泥底辟活動提供了輸導(dǎo)通道和儲集場所。

(2)富CO2氣藏主要分布在中央底辟帶與底辟相關(guān)的構(gòu)造中淺層1 000～2 000 m深度范圍內(nèi)；在同一構(gòu)造內(nèi)，下部儲層CO2含量高于上部儲層，距離斷裂越近，CO2含量越高；樂東區(qū)底辟活動整體上較東方區(qū)強烈，CO2分布也比東方區(qū)復(fù)雜。鶯東斜坡帶、中央坳陷帶非底辟區(qū)不具備CO2氣藏形成的有利條件，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模富CO2氣藏分布。

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責(zé)任編輯：王 輝

Favorable Forming Conditions and Distribution Rules of Rich CO2Gas Reservoirs in Yinggehai Basin

LIU Jiangtao1,2,HUANG Zhilong2,TONG Chuanxin3,ZHU Jiancheng3

(1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;3.Zhanjiang Branch,CNOOC,Zhanjiang 524057,Guangdong,China)

The genetic type of CO2,and the favorable forming conditions and the distribution rules of rich CO2gas reservoirs are studied based on the analysis of the geochemical characteristics and the geological conditions of rich CO2gas reservoirs in Yinggehai Basin.It is shown that:the CO2in the gas reservoirs is mainly CO2of inorganic lithochemical origin,and a small amount of CO2gas of mantle origin is mixed;the rich CO2gas reservoirs mainly distribute in the depth range of 1 000～2 000 m of the mud diapiric structures in the central diapir zone.In Dongfang area,the volume fraction of CO2is in two ranges of 0～18% and 54%～88%,in the same diapiric structure,CO2content in the lower reservoirs is higher than that in the upper reservoirs,and CO2content in the reservoirs near to faults is higher than that in the reservoirs far away faults.In Ledong area,the volume fraction of CO2is in 0～88%,there is on obvious rule in the distribution of CO2.The difference of two areas in the diapir development features is the key reason leading to different CO2distribution characteristic in two areas.In the diaper area of central depression zone,the giant thick calcareous sand mudstone,the high ground temperature field,the high terrestrial heat flow background and the periodic activity of the mud diapirs are favorable geological conditions for the formation of rich CO2gas reservoirs.The large rich CO2gas reservoir has not been found in the non-diaper area of central depression zone and the slope zone in eastern Yinggehai Basin.

rich CO2gas reservoir;accumulation condition;distribution rule;diaper;Yinggehai Basin

A

2015-11-20

“十二五”國家科技重大專項“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣成藏主控因素及勘探突破方向”(編號:2011ZX05023-004-008)

劉江濤(1981-)，男，博士，主要從事油氣成藏與分布規(guī)律研究。E-mail：ljt0310@163.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.04.005

TE122.1

1673-064X(2016)04-0025-07