论 文第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月塔里木盆地海相成因天然气的两种聚集模式王红军① 赵文智① 胡国艺② 胡剑风③(① 中国石油勘探开发研究院, 北京100083; ② 中国石油勘探开发研究院廊坊分院, 廊坊065000;③ 中国石油塔里木油田分公司研究院, 库尔勒841000. E-mail: whj@ )摘要 塔里木盆地台盆区发现的和田河气田、轮古东气田、塔中气田属于海相成因天然气藏, 气源来自寒武系烃源岩. 模拟实验表明, 滞留于烃源岩内的分散可溶有机质晚期裂解成气, 是海相天然气的主要成因. 分散可溶有机质裂解气通过两种方式聚集成藏, 一种是在晚期构造运动强烈的断裂带上一次成藏, 形成和田河典型的干气气藏气田; 另一种是在轮南和塔中继承性隆起带上形成的凝析气藏, 通过裂解气与原油的混合模拟实验证实, 是由于这些隆起带上早期发生过大规模的原油聚集, 晚期分散可溶有机质裂解气对古油藏充注混合后形成的.关键词 塔里木盆地 海相 天然气 成因 裂解 成藏2006-12-20收稿, 2007-05-08接受国家重点基础研究发展计划项目(编号: 2001CB209100)资助塔里木海相克拉通盆地天然气藏具有相似的气源成因, 天然气乙烷、碳同位素值轻于−28‰, 表明其来源于寒武系烃源岩[1~4]. 寒武系烃源岩目前实测R o值达到 1.9%~3.3%, 属于高-过成熟演化阶段. 对海相Ⅰ, Ⅱ型干酪根成烃演化的研究表明, 原始母质结构决定这类烃源岩在成熟阶段主要以生油为主, 高- 过成熟阶段以液态烃裂解成气为主[5]. 赵文智等人[6]最近提出有机质“接力成气”模式, 重点研究了滞留于烃源岩内的分散可溶有机质在高-过成熟演化阶段的成气时机与潜力评价问题, 指出在中国一些海相盆地中, 广泛分布着中低有机质丰度的烃源岩. 如塔里木盆地寒武系烃源岩, 分布面积很大, 但总体上有机质丰度TOC = 1.0%左右, 与国外海相盆地烃源岩差别很大. 这类烃源岩排液态烃效率在40%~60%之间, 大量液态烃滞留于烃源岩内部, 在高-过成熟阶段发生裂解成气. 从机理上回答了高-过成熟烃源岩生气潜力的问题, 对于开辟新的勘探领域具有重要的理论指导价值. 本文遵循有机质“接力成气”的思想, 选择塔里木盆地海相成因天然气藏进行实例研究, 论证了分散可溶有机质成气的现实性, 并通过进一步的天然气与原油混合实验, 建立了天然气聚集的两种模式, 以期对克拉通盆地天然气勘探潜力评价提供可借鉴的依据.1 典型海相成因天然气藏的基本特征塔里木盆地已发现和田河、塔中、轮古东、英南2、满东1等一批海相成因天然气(田)藏和含气构造(图1). 天然气主要赋存于古生界奥陶系碳酸盐岩和志留系碎屑岩中. 塔中和塔北隆起奥陶系气(田)藏的圈闭类型以大型古隆起上的(潜山)背斜圈闭和斜坡区的礁滩体岩性圈闭为主, 为凝析气藏; 巴楚隆起和田河气藏圈闭类型以奥陶系风化壳以及石炭系构造地层圈闭为主, 为干气藏; 北部凹陷满东1气藏属志留系砂岩背斜圈闭类型, 为湿气藏.和田河气田位于巴楚隆起玛扎塔格断裂带上, 构造型圈闭, 储层为石炭系生屑灰岩奥陶系碳酸盐岩风化壳. 探明储量超过600×108 m 3, 是目前发现的台盆区最大的气田. 天然气组分中甲烷含量74.6%, 乙烷以上重烃含量1.2%, 非烃气体含量24.2%, 表现为干气气藏. 甲烷、碳同位素值−37.6‰, 乙烷、碳同位素值−37.2‰. 储层中仅发育一期与气态烃共生的流体包裹体, 均一温度75~90℃, 与目前储层实际地温相当, 反映天然气是晚期充注圈闭成藏的[7,8].轮古东奥陶系气藏位于轮南凸起东部, 属于构造-岩性圈闭, 储层为奥陶系颗粒灰岩. 探明储量近300×108 m 3. 天然气组分中甲烷含量84.5%, 乙烷以上重烃含量7.2%, 非烃气体含量8.3%, 表现为凝析气藏. 甲烷、碳同位素值−33.8‰, 乙烷、碳同位素值−32.5‰. 储层中发育三期与烃类共生的流体包裹体, 均一温度为67~95℃及104~115℃的包裹体反映加里东晚期与喜山期储层地层温度, 代表早期两次液态烃的充注成藏. 均一温度为136~142℃的包裹体与气第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月论 文图1 塔里木盆地结构及克拉通盆地天然气藏分布示意图态烃共生, 与目前储层实际地温相当, 反映天然气是 晚期充注圈闭成藏的[9,10]. 塔中奥陶系气藏位于塔中隆起北部斜坡, 属于岩性圈闭, 储层为奥陶系颗粒及生屑灰岩, 探明储量近800×108 m 3. 天然气组分中甲烷含量69.8%, 乙烷以上重烃含量11.5%, 非烃气体含量18.7%, 表现为凝析气藏. 甲烷、碳同位素值域分布很宽, 均值为−38.5‰, 乙烷、碳同位素值−35.3‰. 储层中发育三期与烃类共生的流体包裹体, 均一温度为60~90℃及100~120℃的包裹体反映加里东晚期与喜山期储层地层温度, 代表早期两次液态烃的充注成藏. 均一温度为120~150℃的包裹体与气态烃共生, 高于储层目前地温110℃, 一方面反映天然气的晚期充注事件, 另一方面也表明晚期天然气的充注与深部热液活动有关[10,11].2 天然气成因判识2.1 二次裂解气的判识国内学者利用Behar 等人[12]和Prinzhofer 等人[13]建立的lnC 1/C 2与lnC 2/C 3关系图版及Prinzhofer 等人[13]建立的ln(C 2/C 3)与δ 13C 2~δ 13C 3 关系图版等方法进行了判识, 结果大体一致: 和田河气藏天然气为原油裂解气; 塔中天然气为干酪根和原油裂解气的混合, 轮南地区天然气以干酪根裂解气为主, 混有原油裂解气; 满东地区天然气为原油裂解气[10,12~17]. 胡国艺等人[18]针对海相干酪根及原油裂解气的判识开展了热模拟实验, 发现为干酪根裂解气和原油裂解气轻烃组成存在差异,在C 7轻烃组成中,原油裂解气中甲基环己烷/ 正庚烷和(2-甲基己烷+3-甲基己烷)/正己烷均论 文第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月明显高于干酪根裂解气, 据此提出新的轻烃判识指标, 得出相同的判识结论[18](图2).图2 利用轻烃指标判识海相天然气的成因图版(据文献[18]修改)海相Ⅰ型干酪根的油潜力碳含量大于气潜力碳, 在生烃演化过程中总生油量大于总生气量, 即生油多于生气, 在进入R o >2.0%以后的高-过成熟演化阶段干酪根的生气潜力基本耗尽, 主要发生的是二次裂解成气过程[19~22]. 前人对海相盆地高-过成熟阶段关注的重点主要是古油藏的裂解. 如四川盆地川东飞仙关鲕滩大气田的形成主要是早期古油藏发生二次裂解后形成的, 在储层中发现了大量原油裂解后留下的沥青证据[23，24]. 而塔里木盆地和田河气藏, 储层中并没有发现大量原油裂解后的沥青, 而且从构造演化史角度分析, 和田河气藏所在的构造单元长期处于单斜状态, 没有形成大型古油藏的圈闭条件[3,4,8,10]. 赵文智等人[6]在对高-过成熟阶段烃源岩生烃潜力研究的基础上, 提出有机质的“接力”成气模式, 细化了高-过成熟阶段主要的生气母质与产气时机, 指出对于塔里木盆地低有机碳丰度的海相干酪根在大量生油阶段. 滞留于烃源岩内部的液态烃可占总生烃量的40%~60%, 它们呈分散状保持在地层中, 至干酪根进入高-过成熟阶段后开始大量生气, 这种分散可溶有机质是高-过成熟阶段重要的生气母质及成气途径[6]. 这一认识与塔里木盆地的实际地质情况相吻合, 但又与前述轮南、塔中地区地区天然气主要来自干酪根裂解的判识结果不相符. 2.2 分散可溶有机质裂解气的判识为了验证分散可溶有机质对塔里木盆地海相天然气成藏的贡献, 胡国艺等1)进行了原油热裂解和热催化裂解对比实验. 模拟样品为塔里木盆地塔中15井奥陶系原油(4656~4673 m 井段), 在封闭体系下开展热模拟实验, 加热温度为550℃, 分别开展3种情况下的热模拟实验: 原油、原油+碳酸钙+碳酸镁、原油+蒙脱石.模拟实验结果如表1所示, 从中可以看出, 在原油未添加矿物催化剂的条件下, 其热裂解产物主要以链烷烃为主, 环烷烃及苯含量较少, 仅占20.9%和7.5%; 但在原油+碳酸钙＋碳酸镁组合中, 裂解气轻烃中环烷烃相对含量非常高, 占51.7%, 原油+蒙脱石组合中, 热解产物中环烷烃含量也非常高, 占48.15%, 这些表明, 催化裂解有利于环烷烃的生成.表1 550℃时C 7轻烃相对含量组成实验系列 链烷烃 (%)环烷烃 (%)甲苯 (%)原油 71.5 20.9 7.5 原油+碳酸钙+碳酸镁 47.1 51.7 11.2 原油+蒙脱石41.2 48.5 10.3在聚集型原油裂解气中, 由于储层中也存在少量的黏土矿物, 古油藏中原油裂解时也存在少量的催化裂解, 为了研究黏土矿物含量对原油裂解气轻烃组成的影响, 开展了不同黏土含量的原油裂解气模拟实验(表2), 实验样品同样为塔中15井奥陶系原油, 实验环境封闭体系, 加热温度为550℃, 实验系列分别为: 100%原油, 50%原油+50%蒙脱石, 20%原油+80%蒙脱石, 5%原油+95%蒙脱石, 1%原油+99%蒙脱石.从表2中可以看出, 随着原油含量的相对降低和表2 分散型和聚集型可溶有机质热催化裂解实验结果类型 实验系列 温度/℃环烷烃/(2-甲基环己烷＋3甲烷)甲基环己烷/正庚烷100%原油 550 1.14 0.4350%原油＋50%蒙脱石 550 0.85 0.44聚集型20%原油＋80%蒙脱石550 0.83 0.445%原油＋95%蒙脱石 550 9.32 3.38分散型1%原油＋99%蒙脱石550 18.143.481) 胡国艺. 国家重点基础研究发展计划项目(编号: 200CB209100)研究成果第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月论 文蒙脱石相对含量的增高, 环烷烃、甲基环己烷相对含量的变化具有非常好的规律性, 在原油相对含量高的情况下, 特别是原油占总量的20％以上时, 环烷烃/(2-甲基环己烷＋3甲烷)、甲基环己烷/正庚烷比很低; 但在原油相对含量较低时, 环烷烃/(2-甲基环己烷+3甲烷)、甲基环己烷/正庚烷值迅速增高, 表明催化剂相对含量的变化对原油裂解气轻烃的组成变化影响很大, 因此, 应用这些指标时可以鉴别分散型原油裂解气和聚集型原油裂解气.对比和田河气田与川东罗家寨气田的轻烃组成特征发现, 和田河天然气轻烃中环烷烃含量高, 罗家寨天然气轻烃中链烷烃含量高, 环烷烃、苯含量低, 前者为分散可溶有机质裂解气, 后者为聚集型原油裂解气(图3).图3 和田河气藏与川东罗家寨气藏轻烃相对含量对比3 天然气聚集模式3.1 轮南、塔中天然气成因判识轮南与塔中地区是塔里木盆地重要的富油气单元, 目前在古生界探明的油气当量均达到亿吨级. 长期以来被看作石油勘探的重要领域, 发现了轮南-塔河奥陶系亿吨级油田以及塔中4石炭系等大油气田. 最近几年, 随着勘探力度的增加, 钻井深度不断向深层延伸, 在6000 m 以下的奥陶系相继发现了更多的天然气储量, 深层天然气勘探展示出良好的前景. 一方面, 寒武系烃源岩成熟度很高, 学者们普遍认为晚期生气的潜力有限, 应以勘探古油藏裂解气为主; 另一方面, 勘探家认为目前发现的亿吨级油田本身就是古油藏, 塔里木的古油藏并没有完全被破坏. 分散可溶有机质裂解气成因的提出, 为解决这一矛盾提供了途径.张水昌[25]对轮南地区凝析油的形成提出过天然气与原油的混合、组分富化, 是形成凝析气油的一种重要机制. 目前轮南与塔中奥陶系中发现的气都是凝析气, 并且在含气储层中均存在多期与烃类共生的流体包裹体, 证实现在的气藏曾经是早期原油聚集的场所. 那么, 这种天然气的晚期充注与混合效应是否对判识天然气的成因产生了影响? 为此作者进行了一组模拟实验. 选取轮南与塔中地区的原油注入纯净的灰岩储层中配置成人工“油藏”, 以和田河气藏气样分别对这些油藏进行气洗, 间隔72, 120和168 h 后抽出气样, 再用如图2相同的指标检验, 以验证气洗油藏后对天然气成因判识结果的影响.实验中岩样采自塔里木盆地轮南地区寒武纪灰岩, 粉碎后取10~60目粒度, 称重150 g, 用以模拟储层. 原油分别选取了奥陶系中的稠油、正常油和轻质油. 气样选自塔里木盆地和田河 玛4井奥陶系天然气. 实验流程如下:表3列出了和田河原始气样及气洗油藏后不同样品的组分及轻烃指标. 将气洗后样品的轻烃数据论 文第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月表3 和田河气样气洗轮南塔中原油后天然气组分及轻烃指标轻烃指标样名(2-+3-甲基己烷)/正己烷甲基环己烷 /正庚烷 甲基环己烷/环己烷 和田河玛4＃天然气 0.623 1.918 1.04 72 h 0.475 0.695 0.901 120 h 0.666 0.627 0.94 气洗轻质油 168 h 0.405 0.510 1.000 72 h 0.687 0.795 1.358 120 h 0.656 0.580 1.134 气洗普通油168 h 1.596 0.976 0.976 72 h0.891 0.941 1.176 120 h 0.948 1.017 1.657 气洗稠油168 h0.9830.9441.057投在图2的图版中, 发现这些样品都落入干酪根裂解气与混合气分布区, 与原始样品和田河气样(分散可溶有机质裂解气)相差甚远(图4). 由此判定, 气藏形成过程影响了对气源的判识, 轮南、塔中的天然气其母源仍是分散可溶有机质裂解气. 3.2 天然气的两种聚集模式和田河、轮南与塔中天然气均源自分散可溶有机图4 天然气与原油混合后轻烃指标的变化气洗样本为和田河气样, 轻烃指标与图2中和田河气样在原油裂解气区域; 气洗后的样品轻烃指标落入干酪根裂解气或混合气区, 与实际采集的轮南、塔中气样相当质裂解, 通过两种不同的聚集模式成藏, 导致了现今气藏在相态和组分上的差别.和田河气藏的形成过程, 主要受喜山期断裂活动和分散可溶有机质裂解气晚期充注的控制. 晚加里东—早海西期, 气藏所处位置是一个北倾斜坡. 寒武系优质烃源岩分布于北部的阿瓦提凹陷, 自奥陶纪末期开始成熟, 由于没有形成合适的圈闭, 油气在向斜坡上倾方向运移的过程中大量滞留于烃源岩层系内部及奥陶系地层中(图5). 早、中喜山期, 控制图5 塔里木和田河气藏成藏过程示意图第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月论 文圈闭形成的玛扎塔格断裂强烈活动, 在断层上盘形成了由南向北逆冲的褶皱背斜带. 同时前陆凹陷内堆积了3000~5000 m 厚的陆源碎屑. 海西期滞留在寒武系—奥陶系中的分散可溶有机质被迅速埋深在5000ｍ以下, 为其裂解成气提供了必要的温度条件. 晚喜山运动,玛扎塔格断裂构造带(褶皱背斜带)的形成, 出现一系列由断层夹持的背斜圈闭构造, 强烈的抬升与地层的剥蚀必然导致整个玛扎塔格断裂构造带与裂解气区的压力势差, 为深部天然气的运移提供了主要驱动力, 最终天然气并沿断裂向上运移聚集形成现今的和田河气藏.轮南、塔中地区气成藏过程复杂, 经历了早期古油藏的形成和晚期分散可溶有机质裂解气的充注, 形成现今的凝析气藏. 加里东晚期—海西早期, 轮南与塔中地区中、上奥陶统盖层与志留系盖层形成之后, 发生过油气成藏. 由于早海西期和晚海西期构造运动十分强烈, 造成隆起顶部古生界地层大量缺失, 从而造成晚加里东—早海西期形成的第一期古油藏基本上已被完全破坏, 地层中留下大量分散可溶有机质.海西晚期是主要的油气成藏期, 奥陶系地层岩性圈闭中形成大规模的古油藏. 后期保存条件相对较差的地区原油遭受浅部破坏(水洗氧化)形成重质油藏(轮南1、轮南西斜坡、塔河4号等油藏), 保存条件相对较好的地区则为正常油藏(轮南8、轮南17以及塔中奥陶系古油藏). 喜山期, 寒武系烃源岩进入高-过成熟演化阶段, 在塔中与塔北隆起上, 分散可溶有机质裂解形成的干气充注早期古油藏, 形成现今的凝析气藏(图6).4 结论塔里木盆地和田河、轮南与塔中奥陶系气藏属于海相成因天然气藏, 天然气主要来自分散可溶有机质裂解气. 存在两种天然气聚集模式: 一种是以和田河气藏为代表, 晚期分散可溶有机质裂解气在新构造运动形成的圈闭中聚集成藏; 二是以塔中、轮南奥陶系凝析气藏为代表, 晚期分散可溶有机质裂解气对早期图6 塔里木轮南地区天然气藏成藏过程示意图论 文第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月古油藏发生气侵, 形成组分“富化型”凝析气藏.致谢 郑建京与孟仟祥研究员为本文中气洗实验提供了原始样品和实验数据检测, 在此表示感谢.参 考 文 献1 戴金星, 裴锡古, 戚厚发. 中国天然气地质学(卷一). 北京: 石油工业出版社, 1996. 35—862 秦胜飞, 李先奇, 肖中尧, 等. 塔里木盆地天然气地球化学及成因与分布特征. 石油勘探与开发, 2005, 32(4): 70—573 周新源, 王清华, 杨文静, 等. 塔里木盆地天然气资源及勘探方向. 天然气地球科学, 2005, 16(1): 8—114 赵孟军, 周兴熙. 塔里木盆地天然气分布规律及勘探方向. 北京:石油工业出版社, 2002. 38—515 赵文智, 王兆云, 张水昌, 等. 油裂解生气是海相气源灶高效成气的重要途径. 科学通报, 2006, 51(5): 589—5956 赵文智, 王兆云, 张水昌, 等. 有机质“接力成气”模式的提出及其在勘探中的意义. 石油勘探与开发, 2005, 32(2): 1—7 7 赵靖舟. 塔里木盆地烃类流体包裹体与成藏年代分析. 石油勘探与开发, 2002, 29(4): 21—258 张光亚, 宋建国. 塔里木克拉通盆地改造对油气聚集和保存的控制. 地质论评, 1998, 44(5): 511—5219 黄第藩, 赵孟军, 刘宝泉, 等. 塔里木盆地东部天然气的成因类型及其成熟度判识. 中国科学D 辑: 地球科学, 1996, 26(4): 365—37210 赵孟军, 张水昌. 塔里木盆地天然气成因类型及成藏条件. 中国石油勘探, 2001, 6(2): 27—3211 周兴熙, 王红军. 略论天然气甲烷碳同位素的累积效应. 石油勘探与开发, 1999, 26(1): 10—1112 Behar F, Kressmann S, Rudkiewicz L, et al. 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