壤中游離氣方法及其在油氣化探中的應(yīng)用

王國(guó)建,盧麗,楊俊,李吉鵬,任春,唐俊紅,李武

(1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126; 2.杭州電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

油氣藏中的輕烴在地下驅(qū)動(dòng)力作用下能夠以微弱但可檢出的量近似垂直地滲漏到地表土壤中，這是油氣地球化學(xué)勘探的理論基礎(chǔ)[1-6]。微滲漏烴類在土壤中主要以吸附態(tài)(包括物理吸附和化學(xué)吸附)、游離態(tài)、水溶態(tài)存在，另有一部分被氧化成為衍生物[5]，其中游離烴是以游離態(tài)形式存在于土壤介質(zhì)或巖屑空隙中的烴類物質(zhì)(通常為C1～C5)，能夠反映深部油氣藏?zé)N類的現(xiàn)代補(bǔ)償性活躍微滲漏。壤中游離氣方法以其直接、快速、受干擾小而成為地球化學(xué)勘探最受推崇的方法之一[7-11]。中國(guó)石油東方地球物理公司擁有采集土壤游離氣的車載動(dòng)力機(jī)械鉆[7]，但該方法需要車隊(duì)相隨，設(shè)備龐大，難以適應(yīng)復(fù)雜地形條件。中國(guó)石化無(wú)錫石油地質(zhì)研究所經(jīng)過(guò)多年的研究和反復(fù)試驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)并研制了可快速拆卸組裝、采氣操作方便、采氣深度較大、工藝先進(jìn)的便攜式壤中游離氣采集新裝置，游離氣方法在渤海灣盆地臨南地區(qū)、塔里木盆地阿克亞蘇地區(qū)油氣勘探中取得了良好效果。

1 方法的技術(shù)要素

1.1 采集裝置

圖1是壤中游離氣采集裝置的結(jié)構(gòu)示意，主要由螺旋鉆頭、集氣室、封蓋螺旋、鉆桿、毛細(xì)管、手動(dòng)把手等組成。最底部是螺旋鉆頭，其作用是在鉆進(jìn)的過(guò)程中將土壤剖開(kāi)，使土壤顆?？障吨械挠坞x氣釋放出來(lái)進(jìn)入其上部的集氣裝置，再上部是封蓋螺旋，起到密封壤氣不與大氣交換的作用，集氣部位由毛細(xì)管連接到鉆桿把手處，可以由取氣孔抽取壤中氣。

圖1 壤中游離氣鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of spiral auger for collecting soil gas

該裝置優(yōu)點(diǎn)在于：通過(guò)在進(jìn)氣通道入口處設(shè)置彈性件，有效解決野外施工過(guò)程中進(jìn)氣口易堵的問(wèn)題，提高取氣質(zhì)量；通過(guò)彈性件與多個(gè)進(jìn)氣通道配合設(shè)置，提高氣體排空效果，也使鉆具強(qiáng)度和使用壽命得以提高；通過(guò)反轉(zhuǎn)防脫落接口多級(jí)連接鉆桿，確保鉆具適應(yīng)第四系沉積層不同深度的氣體采集需要。

1.2 采氣方法

該鉆具采集壤中游離氣的原理是將鉆具鉆至第四系沉積層的目的采氣層位，土壤中的游離氣經(jīng)過(guò)濾器擴(kuò)散到集氣管中，以螺旋葉片作為隔絕空氣的密封圈，用直接排水真空取氣法排去毛細(xì)管中的空氣，然后就可以有效地抽取目的采氣層位中的游離氣，密封在鹽水瓶中(圖2)。壤中游離氣采集過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：①集氣瓶要注滿飽和鹽水，不能有較大的空氣氣泡(氣泡直徑一般不大于2 mm)以免稀釋所采集的壤中烴類濃度。②采樣前,排空的氣體體積要根據(jù)集氣腔體積與毛細(xì)管體積之和(V空)而定，一般排空體積(V排)要大于V空2～3 mL，確保下步采集氣樣為地下土壤中游離氣。③在用一次性注射器進(jìn)行抽取氣體時(shí)，無(wú)論是排空或是采氣，活塞抽動(dòng)要緩慢均勻，以防空氣因負(fù)壓進(jìn)入注射器，不慎操作會(huì)導(dǎo)致這部分空氣進(jìn)入到集氣瓶中，影響樣品真實(shí)性。④現(xiàn)場(chǎng)抽入集氣瓶的氣體的壓強(qiáng)一般是負(fù)壓，需要在拔出注射器針頭前，關(guān)閉連接毛細(xì)管氣路，并向集氣瓶中注入少量鹽水，使得集氣瓶中氣壓恢復(fù)常壓或少許正壓，再拔出針頭，將集氣瓶口朝下倒置存放。

圖2 游離氣野外采集示意Fig.2 Schematic diagram of soil gas collection in field

1.3 測(cè)試分析

將采集的游離氣樣品送到實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試，抽取集氣瓶中的氣體進(jìn)入氣相色譜儀分析C1～C5組份濃度。氣相色譜儀配置：氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)； 分流/ 不分流進(jìn)樣系統(tǒng)；色譜工作站；色譜柱(HP—PLOT/ Al2O3型50 m×0.53 mm毛細(xì)柱)。需要說(shuō)明的是，盡量建立野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，對(duì)游離氣樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采集不合格樣品可立即進(jìn)行復(fù)采，也可對(duì)高濃度異常樣品進(jìn)行查證。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷南坡臨南—錢官屯地區(qū)

2.1.1 地質(zhì)背景及化探部署

臨南—錢官屯地區(qū)位于濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷南坡，其油氣來(lái)源為惠民凹陷臨南洼陷沙四上亞段—沙三中亞段泥質(zhì)烴源巖。沙四段—沙三段砂巖為區(qū)域儲(chǔ)層，臨南油田主力產(chǎn)層為沙三中、下亞段，錢官屯油田主力產(chǎn)層為沙四段[12-14]。夏口斷層為控洼向北陡傾的正斷層，斷層以北為臨南洼陷，斷層以南為臨南斜坡，臨南洼陷位于洼陷邊緣，錢官屯油田位于斜坡部位。夏口斷層在臨南洼陷斷塊油氣藏油氣系統(tǒng)中起著非常重要的作用[15-16]。油氣自臨南洼陷向南部斜坡運(yùn)移，斷層、不整合以及砂體組成疏導(dǎo)體系，在臨南洼陷邊緣、錢官屯寬緩斜坡帶形成多個(gè)斷塊油氣藏[17-19](圖3)。

圖3 臨南—錢官屯油田構(gòu)造圖及游離烴化探部署Fig.3 Structural map and study area of soil gas geochemical exploration in Linnan-Qianguantun oilfield

剖面化探：對(duì)錢15井—錢6井—錢4井—錢斜5井—錢斜141井—錢斜14井—夏52—夏326井—夏31井聯(lián)井剖面近地表進(jìn)行游離烴化探測(cè)量(圖3)，剖面長(zhǎng)32 km，點(diǎn)距100 m。解剖臨南—錢官屯地區(qū)烴類垂向微滲漏的近地表游離烴異常特征，結(jié)合地質(zhì)特征，建立烴類微滲漏的地質(zhì)—地球化學(xué)模型，研究游離烴化探異常成因。

面積化探：對(duì)臨南—錢官屯地區(qū)進(jìn)行游離烴化探精查，化探精查面積覆蓋北部洼陷區(qū)、臨南油田區(qū)、錢官屯油田區(qū)、背景區(qū)(圖3)，勘查面積130 km2，測(cè)量網(wǎng)度0.25 km×0.25 km進(jìn)行二維空間結(jié)構(gòu)分析，解剖游離烴微滲漏異常與下伏油藏分布的關(guān)系。

2.1.2 聯(lián)井剖面游離烴化探異常特征

相關(guān)分析結(jié)果表明，聯(lián)井剖面地表游離烴甲烷與重?zé)N相關(guān)系數(shù)為0.22，盡管在數(shù)理統(tǒng)計(jì)上通過(guò)顯著性檢驗(yàn)認(rèn)為它們之間顯著相關(guān)，但是相關(guān)系數(shù)仍然偏低，說(shuō)明游離烴甲烷和重?zé)N在來(lái)源上還是有很大的不同。地表游離烴甲烷的來(lái)源相對(duì)復(fù)雜，容易受到地表因素影響，而乙烷以上重?zé)N在地表環(huán)境不易生成(即使生成也是極微量)，受近地表干擾小[20]。因此，選擇游離烴重?zé)N作為代表性指標(biāo)來(lái)研究地球化學(xué)異常與地下油藏分布的關(guān)系。

圖4是錢15井—錢6井—錢4井—錢斜5井—錢斜141井—錢斜14井—夏52井聯(lián)井剖面近地表游離烴重?zé)N濃度分布特征。由北向南，近地表地球化學(xué)剖面可以看到，在臨南洼陷區(qū)夏31井南部存在高濃度的游離烴重?zé)N異常帶，主要可能是由于存在營(yíng)子街深大斷層，深切至古近系孔店組，向上延伸至新近系地層[21]，因其向北傾，傾角為72°[22]，斷層面朝南向上覆地層延伸，街斜2油藏?zé)N類沿?cái)鄬酉蛏蠞B漏，在地表形成的高豐度異常。夏52井(臨南油田及夏口斷層)—錢斜14油藏—錢斜141油藏上方均存在游離烴濃度異常帶，夏52井?dāng)鄩K為高產(chǎn)油藏，錢斜14油藏、錢斜141油藏目前均存在產(chǎn)能，因此滲漏源豐度充足，油藏?zé)N類在地下各種驅(qū)動(dòng)力的作用下垂向微滲漏在地表形成高濃度游離烴異常。而再往南的錢斜5井目前為撈油，錢4井已停產(chǎn)，錢6井為干井，滲漏源不足或無(wú)滲漏源，游離烴則沒(méi)有出現(xiàn)濃度異常。可見(jiàn)，聯(lián)井剖面上游離烴濃度與下伏油藏分布特征吻合度較高，能指示下伏油氣藏的“生命體征”：在主力產(chǎn)區(qū)，地球化學(xué)異常更顯著，在停產(chǎn)區(qū)，則沒(méi)有明顯地球化學(xué)異常。

圖4 臨南—錢官屯地區(qū)聯(lián)井剖面近地表游離烴重?zé)N濃度分布特征Fig.4 Distribution characteristics of hydrocarbon concentration (C2+) of soil gas through the joint well section of Linnan-Qianguantun area

2.1.3 面積精查游離烴化探異常特征

應(yīng)用壤中游離氣方法，對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷南坡臨南—錢官屯地區(qū)進(jìn)行化探精查，化探精查面積覆蓋北部洼陷區(qū)、臨南油田區(qū)、錢官屯油田區(qū)、背景區(qū)(圖3)。圖5展示了精查區(qū)游離烴地球化學(xué)指標(biāo)異常分布特征，游離烴重?zé)N濃度異常在不同的區(qū)域內(nèi)具有不同的分布特征：①?gòu)呐R南油田區(qū)到錢斜14井油藏上方地表，游離烴重?zé)N濃度呈現(xiàn)一個(gè)較大的環(huán)狀異常暈，包含了臨南油田、錢斜14井油藏，較好地反映了下伏油藏垂向微滲漏信息。②寬緩斜坡帶上的錢斜141井油藏、錢斜19井油藏、錢斜5井油藏、錢4井油藏區(qū)上方地表，游離烴重?zé)N濃度在錢斜141井油藏北邊緣地表出現(xiàn)游離烴異常，并與錢斜14井油藏區(qū)地表異常連成一片；錢斜19井油藏區(qū)上方地表游離烴異常呈半環(huán)狀分布。錢斜5井油藏目前為撈油、錢4井油藏已停產(chǎn)，它們正上方地表游離烴無(wú)明顯異常，只在東南邊緣出現(xiàn)一塊異常，可能與錢4井殘余油藏?zé)N類沿?cái)鄬游B漏有關(guān)。③研究區(qū)的典型背景區(qū)指西北角的北部洼陷區(qū)、東北角的無(wú)油氣發(fā)現(xiàn)區(qū)、錢斜5井油藏和錢4井油藏的西部地區(qū)，北部洼陷區(qū)作為生烴供烴洼陷，游離烴指標(biāo)只有零星異常分布，東北角游離烴無(wú)明顯地球化學(xué)異常，該區(qū)域經(jīng)多口井鉆探無(wú)油氣發(fā)現(xiàn)。錢斜5井油藏、錢4井油藏區(qū)西部地區(qū)的游離烴指標(biāo)分布特征與異常區(qū)明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，無(wú)明顯異常顯示。上述不同地質(zhì)單元內(nèi)，游離烴類指標(biāo)具有不同的分布規(guī)律，化探異常與下伏油藏分布相關(guān)性密切。

圖5 臨南—錢官屯地區(qū)近地表游離烴濃度異常分布特征Fig.5 Distribution characteristics of hydrocarbon concentration anomalies of soil gas in Linnan-Qianguantun area

2.2 塔里木盆地阿克亞蘇地區(qū)X井區(qū)

X井區(qū)位于塔里木盆地沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起南部，X井是阿克亞蘇地區(qū)X區(qū)塊三疊系油氣藏內(nèi)的第一口發(fā)現(xiàn)井[23]。通過(guò)對(duì)X井區(qū)的三維地震資料重新處理解釋，認(rèn)為X井區(qū)中油組圈閉西部存在一個(gè)圈閉A，在地質(zhì)上認(rèn)為有兩種可能，一是A圈閉與X井圈閉整體為同一圈閉，油水界面一致，后期可向東評(píng)價(jià)、向西產(chǎn)建，進(jìn)一步落實(shí)構(gòu)造。二是A圈閉與X井圈閉是兩個(gè)獨(dú)立的圈閉，A圈閉油水界面與X井不一致，可進(jìn)一步西擴(kuò)評(píng)價(jià)。

應(yīng)用游離烴方法在X井區(qū)開(kāi)展了高密度精查， 游離烴甲烷指標(biāo)和游離烴重?zé)N指標(biāo)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93，為顯著相關(guān)，說(shuō)明游離烴甲烷與重?zé)N來(lái)源基本相同，受地表生物甲烷干擾很小。圖6是X井區(qū)游離烴甲烷濃度異常分布圖?？梢钥吹?，X井圈閉及其西部的A圈閉上方的游離烴甲烷分別以較好的環(huán)狀異常形態(tài)圍繞X井圈閉和A圈閉，兩個(gè)圈閉的游離烴甲烷異常明顯具有連續(xù)性，圈定的A圈閉游離烴甲烷異常區(qū)與X井圈閉的游離烴異常區(qū)相接，顯示兩個(gè)圈閉應(yīng)屬同一油水界面，這在后期的鉆探中得到了驗(yàn)證，說(shuō)明游離烴化探方法的有效性。

圖6 阿克亞蘇地區(qū)X井區(qū)游離烴濃度異常分布Fig.6 Geochemical anomalies distribution of hydrocarbon concentration of soil gas in well X, Akyasu area

3 結(jié)論

1) 便攜式壤中游離氣采集裝置操作簡(jiǎn)便、取氣效果好，適用于多種地形地貌野外現(xiàn)場(chǎng)，是游離烴方法的重要技術(shù)之一。

2) 壤中游離氣方法作為地球化學(xué)勘探活動(dòng)態(tài)烴類的代表性方法，是反映現(xiàn)今油氣藏是否存在的最直接指標(biāo)，通過(guò)在渤海灣盆地臨南地區(qū)和塔里木盆地阿克亞蘇地區(qū)的應(yīng)用，采集和提取的烴類氣體異常較好地響應(yīng)了下伏油藏分布位置，指示了下伏油氣藏的“生命體征”。

3) 壤中游離氣方法適用范圍包括地表油氣地球化學(xué)勘探、礦產(chǎn)勘查、環(huán)境調(diào)查等，具有較廣闊的應(yīng)用前景。