蘇北盆地生物降解氣特征及成藏模式

付 茜，劉世麗

(中國(guó)石化江蘇油田分公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

蘇北盆地位于蘇北-南黃海盆地陸上部分，其南北分別以蘇南隆起和魯蘇古陸為界，西至郯廬斷裂，東與南黃海盆地相接，盆地面積約為3.8×104km2[1-9]。盆地總體富油貧氣，但在石油勘探過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了部分淺層生物降解氣藏[12]。在當(dāng)前油價(jià)低迷的形勢(shì)下，生物降解氣藏由于埋藏淺，具有較好的勘探效益。前人對(duì)此類氣藏研究較少[8-11]，對(duì)其形成條件等尚未明確，故通過(guò)對(duì)蘇北盆地劉莊和周莊典型生物降解氣藏的解剖，探討其形成條件，分析成藏模式，為今后生物降解氣勘探提供依據(jù)。

1 典型氣藏解剖

1.1 金湖凹陷劉莊氣田

1.1.1 天然氣地球化學(xué)特征

劉莊氣田位于金湖凹陷西斜坡外坡帶，氣藏埋深為1 080～1 170 m，含氣層位為E1f1+2(E1f1頂部和E1f2中下部)。該氣藏類型為氣頂氣，低部位分布油環(huán)，邊部為水，油氣水重力分異作用明顯。氣田天然氣組分較干，甲烷含量為94.58%～96.53%，重?zé)N含量為0.97%～1.86%，干燥系數(shù)為0.99，iC4與nC4含量比為1.37%～2.25%，N2含量為1.85%～3.31%，CO2含量為0.26%～1.25%，屬于典型的干氣。

劉莊氣田天然氣甲烷碳同位素δ13C1組成較輕，主要分布在-51.74‰～-49.78‰，乙烷碳同位素δ13C2分布在-41.74‰～-40.18‰，丙烷碳同位素δ13C3分布在-27.03‰～-25.86‰，二氧化碳同位素δ13CO2分布在-14.28‰～-17.37‰。與永安油田的熱成因氣相比，甲烷、乙烷碳同位素偏負(fù)，同時(shí)丙烷碳同位素偏正，表明天然氣可能屬厭氧產(chǎn)甲烷氣微生物降解成因[13-14]，屬于生物降解氣。

根據(jù)劉莊氣田和金湖凹陷不同層系烴源巖碳同位素分析可知，劉莊氣田天然氣與三河次凹HC1井E1f2暗色泥巖碳同位素特征基本一致，表明形成降解氣的原油來(lái)源于三河次凹E1f2成熟的腐泥型烴源巖，原油經(jīng)生物降解后形成富含CH4的天然氣。

1.1.2 伴生油藏特征

劉莊氣藏伴生油的原油物性較差，密度為0.91～0.93 g/cm3，黏度為4.91～85.70 mPa·s，凝固點(diǎn)為8～17 ℃，屬稠油。從L11、L13、L24井原油飽和烴色譜圖可以看出(圖1)，正構(gòu)烷烴消失，姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)存在，說(shuō)明原油出現(xiàn)中等程度降解，證實(shí)原油有水洗氧化、菌解現(xiàn)象。

油藏不同部位原油降解程度有差異，越靠近氣層的部位原油降解程度越低，如L24井屬于輕度降解；越靠近底邊水的部位原油降解越嚴(yán)重，如L11井屬于重度降解。原油降解稠化是形成生物降解氣的基礎(chǔ)，大部分同類型生物降解氣藏都是與稠油油藏共生[2]。

圖1 劉莊氣田原油飽和烴色譜

1.1.3 保存條件

劉莊氣藏儲(chǔ)層以生物碎屑灰?guī)r和砂巖為主，生物碎屑灰?guī)r儲(chǔ)層物性非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)層物性總體較好。氣藏上覆蓋層為E1f2+3泥巖，E1f2頂部為深灰色泥巖、泥灰?guī)r互層，E1f3底部為灰色泥巖，蓋層累計(jì)厚度大于100 m，封蓋條件有利。另外，測(cè)得氣藏上覆E1f2泥巖蓋層突破壓力為10.75 MPa，地層剩余壓力為0.35 MPa，突破壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剩余壓力，可以對(duì)下部E1f2的含氣層形成有效的封蓋。從側(cè)向封擋條件看，劉莊氣田控圈斷層為反向斷層，斷距為140～200 m，使得氣層與E1f3下部砂巖欠發(fā)育段和E1f2上部泥巖發(fā)育段對(duì)接，側(cè)向封擋有利，氣藏保存條件好。

1.1.4 地層水特征

劉莊氣田地層水化學(xué)條件平面變化具有一定的規(guī)律性。平面上，氣藏高部位保存條件好，水型以CaCl2型為主，地層水礦化度較高，為3 350～97 070 mg/L；氣藏低部位即油層至邊水位置，保存條件較高部位略差，水型以NaHCO3型為主，地層水礦化度為4 980～9 430 mg/L，反映低部位可能有地面淡水侵入。

1.2 高郵凹陷周莊氣藏

1.2.1 天然氣地球化學(xué)化特征

周莊氣藏Z2塊氣藏類型為氣層氣，含氣層為鹽一段(N2y1)，氣藏埋深淺，深度為950～990 m。該氣藏甲烷含量為96.52%，干燥系數(shù)為1，N2含量為1.85%～3.31%，CO2含量為3.47%，屬于典型的干氣。周莊氣藏天然氣甲烷碳同位素δ13C1組成較輕，主要分布在-45.88‰，與劉莊氣田類似，屬于生物降解氣。

1.2.2 伴生油藏特征

周莊氣藏位于鹽一段(N2y1)，其下部為Z43泰州組(K2t)稠油油藏，油藏埋深為1 450～1 520 m，原油密度為0.94～0.96 g/cm3，黏度為29.3～487.9 mPa·s；從原油飽和烴色譜圖可知(圖2)，正構(gòu)烷烴消失，姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)消失，說(shuō)明K2t原油出現(xiàn)嚴(yán)重降解，遭受生物降解菌作用明顯。

圖2 周莊Z43塊K2t原油飽和烴色譜

1.2.3 地層水特征

控制周莊氣藏的吳①斷層是一條長(zhǎng)期活動(dòng)的大斷裂，可以溝通地表水下滲。Z2塊K2t地層水型以NaHCO3為主，MgCl2次之，礦化度為20 072～47 774 mg/L。

1.2.4 保存條件

N2y1儲(chǔ)集層主要以砂礫巖、中—粗砂巖、細(xì)砂巖為主，砂巖含量為40%～80%，砂巖孔隙度一般為23%～32%，滲透率為200×10-3～1 100×10-3μm3，為高孔高滲儲(chǔ)集巖，儲(chǔ)層條件十分有利。從蓋層條件來(lái)看，Z2塊鹽城組(Ny1)氣層之上發(fā)育一套穩(wěn)定的泥巖蓋層，厚度為50～60 m，可以對(duì)N2y1氣層形成有效封蓋。

Z2塊氣藏主控?cái)鄬訁洽贁鄬邮窃谥猩鷶嗔鸦A(chǔ)上發(fā)育的一條邊界大斷層，具有形成時(shí)間早、活動(dòng)期長(zhǎng)的特點(diǎn)。向下切至古生界地層，向上斷至鹽城組(N2y)內(nèi)部，一方面可以有效溝通下部K2t油藏遭受生物降解后形成的降解氣向上運(yùn)移，另一方面邊界大斷裂本身又具有很好的封閉性，蘇北盆地勘探實(shí)踐已證實(shí)這一點(diǎn)。因此，Z2塊氣藏的保存條件十分有利。

2 生物降解氣形成的地質(zhì)條件

從上述典型生物降解氣藏的解剖可知，原油降解氣的形成關(guān)鍵包括適宜厭氧微生物生存的環(huán)境、稠油帶的分布、較好的保存條件等。

2.1 適宜厭氧微生物生存的環(huán)境

研究表明，適宜厭氧微生物的生存環(huán)境一般埋藏較淺、溫度較低、水型以NaHCO3為主。厭氧產(chǎn)甲烷菌通常的生存溫度為0～80 ℃，最適宜其新陳代謝的溫度為30～55 ℃[14]。蘇北盆地根據(jù)真86井系統(tǒng)埋深測(cè)井方法獲取的新生界平均地溫梯度為30.5 ℃/km，埋深1 325 m對(duì)應(yīng)的溫度約為55 ℃，埋深2 150 m對(duì)應(yīng)的溫度約為80 ℃。因此，最適宜厭氧產(chǎn)甲烷菌新陳代謝的深度為500～1 325 m，最深不超過(guò)2 150 m，淺部?jī)?chǔ)層溫度較低，微生物可以大量繁殖。蘇北盆地已發(fā)現(xiàn)的生物降解氣及其伴生的稠油油藏埋深均在1 500 m以內(nèi)。

由于水是微生物活動(dòng)必不可少的介質(zhì)[2]，生物降解氣實(shí)質(zhì)上是微生物參與水-烴反應(yīng)的產(chǎn)物，化學(xué)反應(yīng)在水中進(jìn)行并與水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)甲烷菌還原CO2，也需從水中獲取氫元素，這也是生物降解作用通常發(fā)生在油水界面附近且稠油油藏邊部或底部往往是含水層或者油水同層的原因。從水型看，原油降解通常發(fā)生在NaHCO3型和CaCl2型地層水的含油氣系統(tǒng)中，Na2SO4型地層水不利于微生物繁殖，尤其是當(dāng)SO42-濃度高時(shí)，對(duì)厭氧菌群有抑制作用，很難形成生物降解氣。同時(shí)，高礦化度也不利于微生物活動(dòng)。蘇北盆地目前發(fā)現(xiàn)的降解氣藏均處于NaHCO3或CaCl2水型、中等礦化度的地層水中。

2.2 與稠油油藏相伴生

已發(fā)現(xiàn)的生物降解氣的分布與稠油油藏息息相關(guān)。氣藏多位于稠油油藏的上方或側(cè)上方，如劉莊氣田層位為E1f2，稠油油藏同樣為E1f2，處于氣層的低部位，降解氣與稠油處于同一層，氣層在稠油油藏的側(cè)上方；Z2塊氣藏含氣層位為N2y1，稠油油藏位于下部K2t，氣與稠油非同一層位，氣位于稠油油藏的上方。

2.3 較好的保存條件

保存條件是氣體成藏的關(guān)鍵因素，油藏遭受生物降解形成生物降解氣同樣對(duì)保存條件要求較高。劉莊、Z2塊等氣藏都存在區(qū)域性或局部性泥巖蓋層，封蓋條件有利；同時(shí)，控圈斷層多為邊界大斷裂或早期斷層，或與泥巖側(cè)向?qū)?，這些都有利于氣藏的保存。

除了上述幾個(gè)條件外，良好的儲(chǔ)集條件也更有利于厭氧產(chǎn)甲烷菌的生存和活動(dòng)，有利于微生物降解原油形成生物降解氣。

3 生物降解氣成藏模式

通過(guò)解剖蘇北盆地已發(fā)現(xiàn)的典型生物降解氣藏，建立了蘇北盆地生物降解氣“自生自儲(chǔ)”側(cè)向運(yùn)移和“下生上儲(chǔ)”縱向調(diào)整2種成藏模式。

3.1 “自生自儲(chǔ)”側(cè)向運(yùn)移模式

氣和稠油位于同一層位，即低部位原油經(jīng)生物降解后形成生物降解氣側(cè)向運(yùn)移到高部位形成氣頂(圖3)。該類氣藏的區(qū)域蓋層厚度一般較大而且斷層封閉性較好，油氣在原圈閉中正常分異形成氣頂，為“自生自儲(chǔ)”層內(nèi)聚集，例如金湖凹陷的劉莊氣田、高郵凹陷的W8塊氣藏等均屬此類成藏模式。

圖3 劉莊氣田“自生自儲(chǔ)”側(cè)向運(yùn)移模式

3.2 “下生上儲(chǔ)”縱向調(diào)整模式

氣分布于上部層位，稠油分布于下部層位，即下部層位的原油經(jīng)生物降解后形成的降解氣經(jīng)斷層垂向調(diào)整至上部層位聚集成藏(圖4)。該類氣藏其下部油藏蓋層較發(fā)育，原油被生物降解后形成的生物降解氣經(jīng)斷層縱向調(diào)整，近距離或較遠(yuǎn)距離聚集成藏，形成“下生上儲(chǔ)”縱向調(diào)整模式，如Z2塊氣藏，氣在上部N2y，稠油油藏位于下部K2t1。

4 下步勘探方向

以上分析表明，蘇北盆地生物降解氣具有埋藏較淺、與稠油油藏相伴生的特點(diǎn)，因此，稠油油藏的分布范圍是淺層生物降解氣的有利區(qū)。根據(jù)埋深、地溫及地層水特征等研究，結(jié)合已鉆井情況分析表明，蘇北盆地稠油油藏主要分布在高郵凹陷南部斷裂帶的許莊、黃玨和周莊地區(qū)，西部韋莊地區(qū)和北斜坡的外坡帶以及金湖凹陷西斜坡的外坡帶，這些地區(qū)是尋找生物降解氣的有利區(qū)。

在高郵凹陷南部斷裂帶，成藏與Z2塊相似，生物降解氣以“下生上儲(chǔ)”縱向調(diào)整模式為主，下步應(yīng)在稠油帶的上方、儲(chǔ)蓋發(fā)育且保存條件有利的地區(qū)尋找目標(biāo)圈閉；在高郵凹陷韋莊、北斜坡外坡帶及金湖凹陷西斜坡外坡帶，成藏與劉莊氣田相似，生物降解氣以“自生自儲(chǔ)”側(cè)向運(yùn)移模式為主，下步應(yīng)在稠油帶的側(cè)上方、存在良好區(qū)域蓋層且保存有利的地區(qū)尋找目標(biāo)圈閉。

5 結(jié) 論

(1) 蘇北盆地劉莊氣田和周莊氣藏均為生物降解氣，成分以甲烷為主，甲烷碳同位素值較輕，分布在-51.47%～-49.78%，介于生物氣與熱成因氣之間。

(2) 生物降解氣的形成與適宜厭氧微生物生存的環(huán)境、稠油油藏的分布、保存條件等有關(guān)。生物降解氣藏與稠油伴生，一般埋深小于1 500 m，地溫低于80 ℃，水型以NaHCO3型和CaCl2型為主，具有較好的儲(chǔ)集條件和保存條件。

(3) 蘇北盆地主要存在“自生自儲(chǔ)”側(cè)向運(yùn)移和“下生上儲(chǔ)”縱向調(diào)整2類生物降解氣成藏模式。

圖4 周莊氣藏“下生上儲(chǔ)”垂向調(diào)整模式

(4) 高郵凹陷南部斷裂帶、西部韋莊地區(qū)、北斜坡的外坡帶以及金湖凹陷西斜坡的外坡帶稠油油藏分布區(qū)是下一步淺層生物降解氣勘探的有利方向。