大型生物氣田形成與富集條件研究
——以東地中海黎凡特盆地為例

賈懷存，康洪全，王春修，邱春光，陽(yáng)懷忠，白 博

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028； 2.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100027)

隨著油氣勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，世界石油工業(yè)在近幾年的勘探中呈現(xiàn)出二大特征：一是逐步向深水邁進(jìn)；二是生物氣的發(fā)現(xiàn)逐步成為各大石油公司油氣勘探的熱點(diǎn)。如我國(guó)的柴達(dá)木盆地、埃及的尼羅河三角洲盆地、俄羅斯的西西伯利亞盆地以及孟加拉灣等多個(gè)含油氣盆地均發(fā)現(xiàn)了大量的生物氣資源。近幾年，尤其是在2009—2011年，在東地中海黎凡特(Levantine)盆地相繼發(fā)現(xiàn)的塔瑪和利維坦生物氣田均是當(dāng)年全世界十大油氣發(fā)現(xiàn)之一，2個(gè)氣田的探明+控制可采儲(chǔ)量(2P可采儲(chǔ)量)分別為2 775×108m3和4 814×108m3。2011年，美國(guó)Noble公司在黎凡特盆地的塞浦路斯海域又發(fā)現(xiàn)了阿芙羅狄生物氣藏，初步估算可采儲(chǔ)量約為1 982×108m3。盡管世界各地的很多盆地均發(fā)現(xiàn)了生物氣田，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者也對(duì)生物氣形成機(jī)制、成因類型判別、成藏特征和分布規(guī)律等方面開(kāi)展了大量的工作[1-7]，但對(duì)形成如此大規(guī)模的純生物成因的生物氣田的主控因素與預(yù)測(cè)等方面的研究還比較薄弱，尤其是在大型生物氣田成藏條件與主控因素方面[8-15]。因此，借助對(duì)黎凡特盆地大型生物氣田形成條件的探討，可以豐富對(duì)大型生物氣田成藏主控因素的認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黎凡特盆地位于東地中海，從南向北依次跨越埃及、以色列、黎巴嫩和敘利亞領(lǐng)海。盆地西部部分位于塞浦路斯海域，盆地東部和北部分別以死海走滑斷裂帶和塔爾圖斯(Tartus)斷裂帶為界，向西延伸至愛(ài)拉托辛海嶺(Eratosthenes Sea Mount)和尼羅河三角洲(Nile Delta)。全盆地面積6.8×104km2，其中5%位于陸上，85%位于深水區(qū)。盆地從二疊紀(jì)以來(lái)開(kāi)始接受沉積，沉積地層厚度最大可達(dá)15 000 m。

根據(jù)盆地構(gòu)造變形機(jī)制與沉積地層關(guān)系，將黎凡特盆地分為5個(gè)構(gòu)造單元，分別是東南沖斷帶、南部坳陷帶、中央隆起帶、北部坳陷帶和北部沖斷帶(圖1)。在構(gòu)造演化上，黎凡特盆地經(jīng)歷了較為完整的威爾遜旋回。在晚二疊世，伴隨著岡瓦納大陸裂解和特提斯洋的形成，盆地經(jīng)歷了克拉通邊緣裂谷階段，在東南部發(fā)育了一系列的正斷層。晚侏羅—早白堊世，盆地進(jìn)入裂后的被動(dòng)大陸邊緣發(fā)育期，盆地構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定，地層沉積厚度較大。晚白堊世開(kāi)始，伴隨著特提斯洋的關(guān)閉和非洲—阿拉伯板塊與歐亞板塊的會(huì)聚，盆地進(jìn)入擠壓收縮的變形階段，著名的“敘利亞弧”擠壓構(gòu)造帶就是在這一時(shí)期形成。同時(shí)，盆內(nèi)早期的正斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，北部沖斷帶和東南沖斷帶逐步形成。上新世—現(xiàn)今，受控于東部死海斷裂帶左旋走滑的影響，形成了一系列的壓扭構(gòu)造(圖2)。

圖1 黎凡特盆地構(gòu)造綱要Fig.1 Tectonic units of Levantine Basin

2 生物氣地化特征及成因類型

在黎凡特盆地中央隆起帶發(fā)現(xiàn)的利維坦、塔瑪和阿芙羅狄氣田以及上新統(tǒng)氣田，均為典型的純生物氣氣田。生物氣成因主要為乙酸發(fā)酵作用；生物氣田的烴源巖為漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)的海相泥巖，主力儲(chǔ)層為漸新統(tǒng)—下中新統(tǒng)的塔瑪組砂巖。天然氣干燥系數(shù)一般在96%～99%之間，甲烷碳同位素(δ13C1)普遍在-61‰～-63‰。

甲烷碳同位素和重?zé)N氣組分含量(C2+3)是鑒別生物氣的重要地化指標(biāo)。微生物作用形成的生物氣δ13C1一般小于-55‰，而熱成因氣δ13C1一般為-20‰～-55‰[16]。根據(jù)微生物發(fā)生生化作用的環(huán)境不同，又可以分為乙酸發(fā)酵和CO2還原作用。利用δ13C1的大小可以大致判別生物氣形成途徑，當(dāng)δ13C1<-60‰時(shí)，生物氣主要為乙酸發(fā)酵成因；當(dāng)δ13C1>-60‰時(shí)，生物氣主要為海相環(huán)境中的CO2還原作用形成的[17-21]。

根據(jù)天然氣成因類型判別指標(biāo)[16,22]，在天然氣成因類型判別圖版上(圖3)，黎凡特盆地上新統(tǒng)氣田[4]和漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)的塔瑪氣田生物氣均落在純生物氣區(qū)，表明黎凡特盆地氣田屬于典型的純生物氣田；甲烷碳同位素普遍小于-60‰，說(shuō)明生物氣形成途徑主要為乙酸發(fā)酵作用。

3 大型生物氣田形成與富集條件

3.1 優(yōu)質(zhì)烴源巖提供充足氣源

黎凡特盆地中央隆起帶發(fā)現(xiàn)的利維坦、塔瑪?shù)榷鄠€(gè)大生物氣田證實(shí)，盆地生物氣烴源巖具有類型好、品質(zhì)優(yōu)、厚度大和分布范圍廣的特征，為生成大量的生物氣提供了充足的氣源條件。

圖2 黎凡特盆地區(qū)域地質(zhì)剖面剖面位置見(jiàn)圖1的AA’。Fig.2 Regional cross section of Levantine Basin

圖3 黎凡特盆地生物氣成因類型判別Fig.3 Generation type of biogas in Levantine Basin

黎凡特盆地漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)海相烴源巖地化指標(biāo)優(yōu)，有機(jī)質(zhì)類型好，利于生成大量生物氣。前人研究表明，可溶性有機(jī)質(zhì)是產(chǎn)甲烷菌優(yōu)質(zhì)母質(zhì)，而富含藻類、微生物、類脂化合物的Ⅰ型和Ⅱ型有機(jī)質(zhì)中富含可溶性有機(jī)質(zhì)，更利于生成生物氣[22-26]。黎凡特盆地利維坦氣田的L-A井揭示，漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)的海相泥巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型，氫指數(shù)普遍在300 mg/g左右，生烴潛力S2普遍在2 mg/g左右。可見(jiàn)，黎凡特盆地漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)烴源巖地化指標(biāo)優(yōu)，有機(jī)質(zhì)類型利于生成大量生物氣。

優(yōu)質(zhì)的生物氣烴源巖厚度大，分布范圍廣，為黎凡特盆地形成大型生物氣田提供了充足氣源。黎凡特盆地漸新統(tǒng)地層厚度普遍為800～1400m，且橫向連續(xù)分布，尤其是位于中央隆起帶兩側(cè)的南部坳陷帶和北部坳陷帶，漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)海相泥巖厚度最大可達(dá)1 600 m左右。巨厚富含可溶性有機(jī)質(zhì)的海相泥巖，為中央隆起帶形成利維坦和塔瑪?shù)却笮蜕餁馓锾峁┝顺渥銡庠础?/p>

黎凡特盆地在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)烴源巖沉積時(shí)期具有較低的地溫環(huán)境，具備生成大量生物氣的地質(zhì)條件。前人研究表明，產(chǎn)甲烷菌的存活一般要求較低的地溫環(huán)境和厭氧環(huán)境，實(shí)驗(yàn)表明產(chǎn)甲烷菌存活的溫度環(huán)境為0～80 ℃，主生氣帶的溫度為30～65 ℃[27-29]。根據(jù)利維坦氣田L(fēng)-A井揭示的地溫梯度為1.6 ℃/hm，是典型的冷盆。另外，盆地東南部的YW-A井古地溫模擬(圖4)表明，在漸新世—中新世期間古地溫在30 ℃左右，進(jìn)入中新世后受“敘利亞弧”擠壓構(gòu)造帶快速形成的影響，地層溫度也快速上升，至中新世末地層溫度達(dá)到60 ℃左右，而現(xiàn)今地層溫度為80 ℃。古地溫的變化表明，漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)的海相泥巖從沉積后一直到中新世末，均位于產(chǎn)甲烷菌最佳活躍溫度范圍，烴源巖處于主力生生物氣期，而現(xiàn)今依然在生生物氣。

黎凡特盆地具有快速的地層堆積速率，利于大量生物甲烷的生成與保存。快速的地層堆積一方面可以保持厭氧環(huán)境，同時(shí)也為大量的產(chǎn)甲烷菌存在提供了有效的生存空間[28-30]，為形成高豐度的生物氣烴源巖提供了基礎(chǔ)條件。根據(jù)L-A井地層沉積速率分析，漸新世以來(lái)地層沉積速率普遍在200 m/Ma左右；晚中新世沉積速率最快，可達(dá)1 000 m/Ma?？焖俚牡貙佣逊e速率，一方面可以使沉積的有機(jī)質(zhì)分布相對(duì)分散，有效烴源巖的生氣范圍較為廣泛；另一方面可使可溶性有機(jī)質(zhì)快速進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境，免于有機(jī)質(zhì)被氧化，利于產(chǎn)甲烷菌分解有機(jī)質(zhì)生成大量生物氣。另外，快速地層堆積可以及時(shí)對(duì)早期生成的生物氣進(jìn)行有效保存，提供了較為優(yōu)越的保存條件。

圖4 黎凡特盆地YW-A井古地溫模擬Fig.4 Geothermal model of well YW-A,Levantine Basin

3.2 廣泛分布的海底扇砂巖儲(chǔ)層提供高效匯聚通道

眾所周知，生物氣往往在初次運(yùn)移就可聚集成藏，因此，及時(shí)高效的油氣匯聚通道是生成大型生物氣田的重要條件。黎凡特盆地在中新統(tǒng)發(fā)育廣泛分布的海底扇砂巖(圖5)，尤其是在中央隆起帶，下中新統(tǒng)海底扇砂巖儲(chǔ)層平面上連片分布，垂向上砂巖厚度大，儲(chǔ)層物性好，是漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)海相泥巖生成的生物氣的高效輸導(dǎo)體。中央隆起帶的利維坦氣田、塔瑪氣田和答利特氣田的多口鉆井證實(shí)，下中新統(tǒng)塔瑪組廣泛發(fā)育3期海底扇沉積，以厚層砂巖為主；儲(chǔ)層頂部最小埋深3 610 m，含砂率高，一般在55.7%～73.5%，單層砂巖最大厚度33.5～140 m，平均孔隙度為25%，平均滲透率為1 μm2。

在中央隆起帶，多期海底扇和濁積水道垂向上疊置，平面上連片分布。下中新統(tǒng)廣泛分布的厚層優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，為漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)海相泥巖生成的生物氣成藏提供了高效的匯聚通道。目前該套儲(chǔ)層是利維坦、塔瑪、答利特氣田以及塞浦路斯海域的阿芙羅狄氣田等多個(gè)大型生物氣田的主力儲(chǔ)集層，可采儲(chǔ)量占全盆地可采儲(chǔ)量的85%以上。因此，廣泛分布的海底扇優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，為形成大型生物氣田提供了高效的匯聚通道。

3.3 發(fā)育的繼承性隆起提供有利聚集場(chǎng)所

繼承性隆起構(gòu)造帶之上往往發(fā)育大型的、構(gòu)造變形相對(duì)較弱的同沉積背斜圈閉，利于及時(shí)捕集早期生成的生物氣，是大型生物氣田的主要富集區(qū)帶。而遠(yuǎn)離繼承性隆起帶，如斜坡帶和沖斷帶大型背斜圈閉往往不發(fā)育，以發(fā)育水道等規(guī)模相對(duì)較小的巖性圈閉為主，形成的氣藏規(guī)模一般較小。

黎凡特盆地中央隆起帶是繼承性發(fā)育的大型隆起帶，發(fā)育大型同沉積背斜圈閉，而生物氣往往是在早成巖階段生成，因此，同沉積圈閉是生物氣聚集的有利場(chǎng)所。通過(guò)構(gòu)造恢復(fù)表明，中央隆起帶在漸新世具有低幅度隆起特征；中新世以來(lái)，伴隨著敘利亞弧擠壓和死海斷裂帶的不斷影響，中央隆起帶受到持續(xù)的擠壓應(yīng)力作用，隆起幅度逐步增強(qiáng)，并形成了一系列的擠壓背斜圈閉。如位于中央隆起帶的利維坦、塔瑪、答利特等背斜圈閉，伴隨著晚白堊世時(shí)期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)，在漸新世逐步開(kāi)始形成，并在中新世的敘利亞?、蚱跇?gòu)造活動(dòng)中最終定型。中央隆起帶上的大型背斜圈閉一般背斜形態(tài)較為完整，圈閉規(guī)模大，圈閉面積往往在188～594km2

圖5 黎凡特盆地漸新世(a)和早中新世(b)沉積相平面分布Fig.5 Sedimentary facies of Oligocene (a) and Lower Miocene (b),Levantine Basin

左右。這些發(fā)育在繼承性隆起之上的大型同沉積背斜圈閉，為早期形成的生物氣成藏提供了有利的聚集場(chǎng)所。

黎凡特盆地斜坡帶和東南沖斷帶大型同沉積背斜圈閉不發(fā)育，主要形成水道砂巖體等巖性圈閉，圈閉規(guī)模較小。如位于斜坡帶的S-A井，在中新統(tǒng)鉆遇多支水道疊加的巖性圈閉，初步預(yù)測(cè)生物氣地質(zhì)資源量為170×108m3。

3.4 具備及時(shí)的保存條件

天然氣成藏是一個(gè)充注與散失相互平衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，上覆優(yōu)質(zhì)蓋層的及時(shí)封蓋對(duì)生物氣成藏至關(guān)重要。當(dāng)生物氣上覆蓋層厚度大于100 m、滲透率為0.1～1 μm2時(shí)，蓋層封蓋能力較好；當(dāng)蓋層厚度大于50 m、滲透率小于0.1 μm2時(shí)，蓋層封蓋能力則非常好[28,30]。巨厚優(yōu)質(zhì)的直接蓋層和分布穩(wěn)定的區(qū)域蓋層，是形成大型生物氣田的關(guān)鍵因素。

黎凡特盆地漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)發(fā)育巨厚海相泥巖，可以對(duì)聚集的生物氣提供及時(shí)的保存條件，具有優(yōu)越的儲(chǔ)蓋配置條件。塔瑪氣田的T-A井和利維坦氣田的L-A井、L-B井和L-C井均揭示，在主力儲(chǔ)層漸新統(tǒng)塔瑪組砂巖之上發(fā)育近500 m厚的海相泥巖，在上覆的中新統(tǒng)梅辛階發(fā)育區(qū)域性沉積的巨厚鹽巖，厚度可達(dá)1 500 m左右。巨厚的海相泥巖和區(qū)域性沉積的鹽巖與塔瑪組海底扇砂巖形成優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)蓋配置條件，可以為大型生物氣田的形成提供及時(shí)的保存條件。

4 結(jié)論

(1)黎凡特盆地已發(fā)現(xiàn)的大型生物氣田均為典型的純生物氣氣田，甲烷碳同位素值普遍小于-60‰，生物氣成因主要為乙酸發(fā)酵作用。

(2)黎凡特盆地形成大型生物氣田主要受控于4項(xiàng)地質(zhì)條件： ①漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)發(fā)育巨厚優(yōu)質(zhì)烴源巖，為生物氣聚集成藏提供了充足的氣源；②中新統(tǒng)海底扇優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層的連片發(fā)育，一方面為生物氣成藏提供了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集條件，同時(shí)廣泛分布的海底扇砂巖儲(chǔ)層也為生物氣運(yùn)聚提供了高效的匯聚通道；③繼承性隆起利于大型優(yōu)質(zhì)背斜圈閉的形成，為形成大型生物氣田提供有利圈閉條件；④上覆巨厚的泥巖蓋層提供了優(yōu)越的儲(chǔ)蓋配置條件，可以對(duì)形成的生物氣藏進(jìn)行及時(shí)保存。

(3)黎凡特盆地繼承性隆起帶往往發(fā)育大型的同沉積背斜圈閉，廣泛分布海底扇砂巖儲(chǔ)層，是尋找大型生物氣田的主要勘探方向。