固市凹陷非常規(guī)水溶甲烷氣成因及來源

劉建朝，張 林，王行運，白建峰，馮 龍

(1.長安大學(xué)資源學(xué)院，西安710054;2.陜西金奧能源開發(fā)有限公司，陜西渭南714000;3.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅酒泉735019;4.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司S00550隊，甘肅慶陽745113)

0 引言

水溶天然氣 (簡稱水溶氣)是指溶解在地層水中的氣體，氣體成分以甲烷為主，還含有少量乙烷等重?zé)N類氣體和氫氣、氮氣、CO2等非烴氣體以及氦氣等稀有氣體，是一種非常規(guī)能源［1］。這種尚未被充分開發(fā)的天然氣資源在全球范圍內(nèi)分布很廣，潛在資源量很大。全世界含油氣盆地、含煤盆地以及其他水文盆地地層水中溶解的甲烷氣資源預(yù)計總量約為n×1016～n×1018m3，超過全球已探明的油氣及煤炭資源總量的若干倍。盆地中已查明的水溶性天然氣資源量約為33837×1012m3，是常規(guī)天然氣資源量的100多倍。日本、美國、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克、烏茲別克、阿塞拜疆、土庫曼、匈牙利、意大利、菲律賓、尼泊爾、伊朗等國都發(fā)現(xiàn)了水溶天然氣，并開展了勘探、開發(fā)及地質(zhì)綜合研究，尤其在日本，大約四分之一國土都發(fā)現(xiàn)了水溶氣，并累計了70多年的勘探開發(fā)工作經(jīng)驗［2］。

從理論上講，水溶氣資源領(lǐng)域較常規(guī)天然氣的分布領(lǐng)域更加廣泛［2］。但由于水溶氣在中國還屬于一個較新的、研究較少的新型非常規(guī)能源，勘探開發(fā)還處于初步階段，很多研究工作屬于空白。

原地質(zhì)礦產(chǎn)部第三普查勘探大隊 (以下簡稱三普)在20世紀(jì)60年代對渭河盆地進行了油氣資源普查，曾先后兩上渭河盆地，打出油氣普查井32口，其中發(fā)現(xiàn)氣測異常井15口，并完成《汾渭盆地石油普查階段地質(zhì)成果報告》。1974年在西安地區(qū)油氣普查中，三普在渭深13井發(fā)現(xiàn)8個組的氣測異常，并測得產(chǎn)氣量208 L/d［1］。其后因工作重點轉(zhuǎn)移和工業(yè)價值效果不明顯而未受到重視，使得盆地的資源勘探程度非常低。近幾年隨著對渭河盆地的重新認識和勘探，在固市凹陷鉆探的地?zé)峋吞烊粴馓骄l(fā)現(xiàn)水溶甲烷氣存在，且含量較高，預(yù)示了非常好的勘探前景，成為極具工業(yè)價值的水溶甲烷氣資源開發(fā)潛力盆地。

1 水溶甲烷氣類型分析

渭河盆地位于陜西省中部 (關(guān)中平原)，是秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地2個大地構(gòu)造單元接合部位的新生代斷陷盆地，其地層屬華北地層區(qū)南緣分區(qū)。研究區(qū)固市凹陷位于渭河盆地東部，屬于渭河盆地的次級凹陷［1］(見圖1)。固市凹陷富含多種資源，主要包括水溶天然氣、富氦水溶氣、地?zé)崴Y源等。

圖1 渭河盆地構(gòu)造-地質(zhì)略圖Fig.1 A structural-geological map of Wehe Basin

1.1 甲烷氣成因分類

研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的水溶氣以甲烷為主，是一種多成因氣體，可分為生物化學(xué)有機成因和宇宙無機成因兩大類，水溶氣中碳同位素和重?zé)N含量的組合是判斷其成因的主要參數(shù)。

①生物化學(xué)成因氣:有機鹽和無機鹽被微生物分解后形成，如烴類氣體、二氧化碳、氮氣、氨氣、硫化氫等。

②宇宙無機成因氣體:地球形成時保留下來的氣體，如惰性氣體及部分無機成因的二氧化碳、甲烷氣等［2］。

生物化學(xué)有機成因甲烷氣又分為生物和熱演化成因2種，可根據(jù)甲烷碳同位素含量多少區(qū)分其成因類型。一般認為，生物成因氣碳同位素值小于-60‰，而且?guī)缀醪缓責(zé)N氣體組分;熱演化成因氣分為油型氣和煤型氣，油型氣隨著演化程度的增高，重?zé)N含量減少，煤型氣以重?zé)N含量低為特征。不同熱演化階段甲烷碳同位素特征值不同，一般為-28‰～-45‰，隨著演化程度的增高，甲烷碳同位素值增大［3～4］(見表1)。

表1 有機成因天然氣不同階段甲烷碳同位素分布［4］Table 1 Distributions of the methane carbon isotope in the natural gas of organic origin in different stages

1.2 研究區(qū)甲烷氣成因

①高熱演化甲烷氣:煤型熱解氣的典型特征為甲烷碳同位素值分布在-45‰～-28‰，重?zé)N含量低。

此次分析中6個藍田—灞河組較深層地?zé)崴軞鈽悠返奶纪凰刂捣植加?28.1‰～-39.8‰?yún)^(qū)間 (見表2)，證明藍田—灞河組深層水溶氣屬于典型的煤型熱解氣，而該層不發(fā)育烴源巖，因此水溶氣應(yīng)該來源于下部地層。

表2 固市凹陷天然氣碳同位素分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the natural gas in Gushi Sag

②生物甲烷氣:此次分析中WN6井氣樣采于淺層張家坡組，其甲烷碳同位素 (δ13C1)值為-65.6‰ (見表2)，國內(nèi)外大多數(shù)生物氣成因的δ13C1值定為-85‰～-55‰，據(jù)此得出張家坡組淺層水溶甲烷氣為典型的有機成因淺層生物化學(xué)氣，結(jié)合烴源巖和有機質(zhì)類型，該層水溶甲烷氣來源于本層含碳質(zhì)泥灰?guī)r，屬自生自儲的生物氣。

腐泥型熱解氣和腐殖型熱解氣的乙烷碳同位素具有典型的母質(zhì)繼承性，分布也明顯不同。一般腐泥型熱解氣的乙烷碳同位素值小于-29‰，而腐殖型熱解氣的乙烷碳同位素值大于-29‰［5］;從這一標(biāo)準(zhǔn)也可以看出固市凹陷水溶天然氣屬于有機成因，且藍田—灞河組較深層地?zé)崴軞鈱儆诟承蜔峤鈿?(見表2)。

從固市凹陷13口井所采地?zé)崴軞鈽悠窔怏w組分數(shù)據(jù)表 (見表3)可以看出，可燃氣體所占比例最高，全烴含量平均高達72.23%，甲烷氣質(zhì)量分數(shù)大多在70%～90%，最高為99.03%，已大大超過水溶可燃天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (30%)，有個別井偏低，不排除取樣時的誤差。CO2質(zhì)量分數(shù)多數(shù)小于10%，個別井較高 (見表3)。

表3 固市凹陷水溶天然氣組分Table 3 Water soluble gas composition in Gushi Sag

固市凹陷生烴源巖層主要為張家坡組泥灰?guī)r段，有機碳含量雖多在0.5%以下，但仍有較封閉的淺湖區(qū)達到0.86%的水平，具有生氣的源巖條件，顯示未成熟的生物氣生烴潛力相當(dāng)可觀。

1.3 二氧化碳成因

CO2可以是有機成因，也可以是無機成因。有機成因的CO2碳同位素δ13CCO2值一般小于-10‰;無機成因CO2的碳同位素δ13CCO2值一般大于-10‰，無機成因的CO2中，幔源成因的碳同位素δ13CCO2值一般在-8‰～-4‰之間［3］。

固市凹陷13口井所采樣品中CO2的特征為:含量低，質(zhì)量分數(shù)大部分都小于10%，不排除個別取樣誤差;其δ13CCO2和伴生烴類氣的δ13CCH4偏輕，所有井樣品的δ13CCO2值均小于-10‰ (見表2)，為典型的殼源型有機成因［5］。

2 生物氣地質(zhì)條件

2.1 有機質(zhì)特征

生物成因氣形成和聚集的有利地質(zhì)條件主要包括5個方面，即高沉積速率、低地溫梯度、充足的有機質(zhì)、缺氧的還原環(huán)境及儲蓋組合形成的良好圈閉［5］。

①固市凹陷張家坡組沉積速率較高，上覆地層三門組的沉積速率更高。以最大沉降幅度與沉積厚度相當(dāng)進行測算，盆地新生代 (距今50 Ma)的沉降速率為0.14 mm/a，其中始新世—中新世 (距今38 Ma)時期的沉降速率為0.1 mm/a，上新世 (距今8.8 Ma)時期為0.11 mm/a，第四紀(jì) (距今3.2 Ma)時期為0.74 mm/a，幾乎與我國著名的第四紀(jì)鶯歌海生物氣盆地的沉積速率 (0.8 mm/a)和柴達木三湖凹陷生物氣沉積速率 (0.715 mm/a)相當(dāng)(見表4)。

表4 固市凹陷與柴達木三湖地區(qū)生物氣資源類比Table 4 Comparison of biogas resources in Gushi Sag and Qaidam Sanhu area

②固市凹陷張家坡組具有中等的地溫梯度和低于80℃的地層溫度。固市凹陷張家坡組產(chǎn)氣層深度均在2000 m以內(nèi)，根據(jù)WN6井1461～1550 m深度測試，求得平均地層溫度為65.75℃，地溫梯度3.43℃/100 m。在張家坡組沉積時期，古氣候是溫帶向趨涼方向轉(zhuǎn)化的時期，固市凹陷張家坡組最高地層溫度在80℃以內(nèi)，是生物氣生成的理想地溫條件。

③固市凹陷張家坡組氣源巖實測結(jié)果:張家坡組氣源巖有機碳含量平均0.49%，氯仿瀝青“A”含量平均0.043%，生烴潛量平均0.98 mg/g。有機質(zhì)類型多為Ⅱ1型，其次為Ⅰ型，即腐殖腐泥型和腐泥型，鏡質(zhì)體反射率 (Ro)平均0.55%，巖石熱解最高解溫 (Tmax)平均428℃ (見表5—表8)，均表明有機質(zhì)熱演化程度較低，處于未成熟階段，以生化作用和部分熱催化作用的生物甲烷氣為主。

2.2 凹陷基底及氣源分析

根據(jù)前人研究，渭河盆地基底以渭河斷裂為界，斷裂以北基底為下古生界碳酸鹽巖地層，斷裂南部基底為秦嶺北側(cè)的太古界花崗巖和變質(zhì)巖層［7］。固市凹陷沉積于渭河斷裂之上，在斷裂南北均有分布，因此凹陷南部基底為花崗巖和變質(zhì)巖，斷裂北部基底屬于下古生界碳酸鹽巖地層的范圍。

固市凹陷西部三原凸起某探井中鉆遇二疊系［8］，也佐證了固市凹陷北部基底有下古生界碳酸鹽巖地層沉積。

凹陷內(nèi)深層藍田—灞河組大量分布高熱演化煤型裂解甲烷氣與有機成因的CO2氣，證實固市凹陷北部鄂爾多斯南緣下部可能沉積高熱演化的煤系地層，經(jīng)過水動力系統(tǒng)運移至凹陷中心，而固市凹陷新生界烴源巖成熟度低，難以大量生成CO2，因此CO2來源也說明了該凹陷周邊下部存在高熱演化煤系地層。

表5 陸相烴源巖有機質(zhì)豐度評價指標(biāo)Table 5 Evaluation indicators of organic matter abundance in continental hydrocarbon source rocks

表6 固市凹陷張家坡組有機碳、氯仿瀝青“A”含量Table 6 Contents of organic carbon and chloroform bitumen“A”in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

表7 固市凹陷張家坡組烴源巖熱解分析數(shù)據(jù)Table 7 Pyrolysis analysis data of hydrocarbon source rock in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

表8 固市凹陷張家坡組鏡質(zhì)體反射率分析結(jié)果Table 8 Vitrinite reflectance of hydrocarbon source rock in Zhangjiapo Formation in Gushi Sag

3 油氣地質(zhì)分析

基礎(chǔ)地質(zhì)資料、地?zé)峋c水溶氣井鉆井資料顯示，固市凹陷新近系沉積厚度達數(shù)千米，以河湖相沉積為主，巖性組合為砂 (礫)巖-泥灰?guī)r組合，表現(xiàn)為下粗上細的正旋回沉積特征，即旋回下部河流相為良好的儲集層，上部為巨厚的湖相泥灰?guī)r，是良好的蓋層，縱向上構(gòu)成了良好的儲蓋組合。自下而上發(fā)育2～3套下粗上細的儲蓋組合，分別為高陵群、藍田—灞河組、張家坡組［1］。

新近系張家坡組、藍田—灞河組儲層均為層狀砂巖體，屬中、高孔隙-裂隙型儲層，砂巖孔隙性和滲透性好，為主要的地?zé)崴x水層段和水溶甲烷氣成藏層段。鉆探顯示，該區(qū)潛在油氣藏的主要蓋層巖性為湖相泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖，單層厚度一般為數(shù)米，分布面積較廣。

高陵群早期為河流相，晚期為湖相—河流相沉積，其中冷水溝組巖性主要為紫紅色泥巖、砂巖，寇家溝組巖性為棕紅色、桔黃色泥巖和灰白色、棕黃色砂巖。由下向上巖性變細，構(gòu)成一套儲蓋組合，儲層物性相對較好。

藍田—灞河組與高陵群具有相似的沉積相特征及巖性組合，為一套紅色調(diào)為主的砂泥巖交替沉積。其中藍田組巖性主要為深紅色黏土及棕紅、灰白色礫巖，屬河湖相沉積;灞河組是河流相為主的河湖相沉積，上部以泥頁巖為主，普遍含石膏，下部砂體發(fā)育?？紫抖绕骄?5%左右;滲透率一般在30×10-3μm2以上。

張家坡組為淺湖—半深湖相沉積，以泥灰?guī)r為主;張家坡組砂巖儲層滲透率普遍較大，分布在128.5×10-3～1529.0×10-3μm2之間，平均386.5×10-3μm2，儲層物性較好，孔隙度在15.20%～42.30%，平均29.65%，相對較高;非儲集層巖性以泥灰?guī)r為主，尤其是上部泥灰?guī)r厚度大，分布面積廣，為該凹陷水溶天然氣成藏的良好蓋層。

固市凹陷新生界發(fā)育多套良好儲蓋組合，張家坡組又發(fā)現(xiàn)了儲量豐富的非常規(guī)水溶甲烷生物氣。該區(qū)張家坡組雖然埋藏深度不大，深埋歷史較短，但其斷裂體系發(fā)育，具有良好的運移通道［9］，而且發(fā)育良好儲蓋結(jié)合，為固市凹陷新生界生物氣藏成藏提供了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過對地層水溶甲烷氣碳同位素δ13C1及重?zé)N的含量研究發(fā)現(xiàn)，不同層位的水溶甲烷氣成因類型不同。新近系張家坡組水溶甲烷氣主要為有機成因生物氣，來源于本層含碳質(zhì)較高的灰黑色泥灰?guī)r生物分解，為自生自儲式;下部藍田—灞河組水溶甲烷氣以未成熟的煤型熱解氣 (煤型腐殖型熱解氣)為主，來源于下部地層。

對CO2碳同位素的分布范圍和質(zhì)量分數(shù)的含量進行分析得出δ13CCO2小于-10‰，為典型的殼源型有機成因。

結(jié)合CO2碳同位素和乙烷碳同位素分析認為，藍田—灞河組水溶甲烷氣和CO2來源于下部地層的混合型氣，即下部地層可能存在有機成因的煤型熱解氣層系。

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