桂中坳陷天然气组分特征及其非烃组分成因

2014-10-11黄羚王鹏万罗宪婴

海相油气地质 2014年1期

董庸，黄羚，王鹏万，罗宪婴，李丽

（中国石油杭州地质研究院）

桂中坳陷为滇黔桂盆地次级单元，泥盆系—石炭系广泛出露，局部残存二叠系—三叠系（图1）。2007年桂中1井的钻探，有力地推进了坳陷生储盖组合［1-4］、沥青成因［5］、保存条件［6-8］、天然气成藏［9］等方面的研究。桂中坳陷裂解气藏为主要勘探方向、忻城-合山一线以西地层深埋区具有较好的保存条件等已成共识。该坳陷浅层泥盆系—三叠系天然气显示丰富，但目前对其组分类型、空间分布特点、非烃组分的成因以及对烃类天然气成藏研究的意义等尚缺乏系统的论述。笔者以此为线索，整理了区内11口井的气体组分资料（除桂中1井外，其余为20世纪70年代的钻井），从成因定性分析入手，对气体组分类型的空间分布与保存条件的关系进行了梳理与研讨。

1 天然气显示及其组分类型

桂中坳陷浅层（埋深一般小于2000m），气显示较丰富（图1），平面上集中在柳城（下石炭统气苗）、柳江、南丹（泥盆系气苗）及合山（三叠系油气苗）（表1），钻井中多次发生气喷。气体组分主要包括富N2气体和富CH4气体两类。结合天然气显示所在地质层位的分析，可见下列特征：

（1）下石炭统泥灰岩、石灰岩气样中，N2体积分数占主导，为76%～99%。

（2）南丹县ZK-1井中下泥盆统泥岩（214.8～228.3m）气样中CH4体积分数52.1%～54.9%，N2体积分数在44.99%～47.9%，两者比例相当；柳江县柳1井在中泥盆统1260.5～1267m和1360～1390m两处，气体组分N2体积分数均超过91%，CH4体积分数在10%以内。

（3）对于二叠系—三叠系残存部位，如合山县D907井，泥灰岩气样中CH4的体积分数达82%。

与上述石炭系富N2不同，近年完钻的桂中1井富 CH4和 CO2（表 2）。其中，仅 1207～1209m 石灰岩中气测异常明显，全烃含量最高为4.721%，烃类组分全；CH4相对含量高达93.98%，解释为差气层。其余井段CH4与CO2共存，CO2的含量均大于25%。

图1 桂中坳陷出露地层与天然气显示分布图

表1 桂中坳陷天然气显示表（据文献［8］，① 楼章华，金爱民，朱蓉，等.黔南桂中海相地层油气成藏和保存条件研究［R］.浙江大学，2008.整理）

从气体组分类型看，桂中坳陷主要存在CH4、N2、CO2等三种。从天然气显示的空间分布看，自北向南，河池、柳城、柳江一带，地表石炭系广泛出露区的气样组分以N2为主；忻城、合山一带的桂中1井石炭系见CH4与CO2共存；合山的二叠系—三叠系残存区见到CH4相对富集。此外，据南丹ZK-1井揭示，泥盆系泥质岩发育段CH4也见相对富集。

表2 桂中坳陷桂中1井气测解释简表

由此可见，研究区气体的地质时空分布复杂，那么,形成不同类型气体聚集的地质条件，其特殊性又何在呢？这种分布现象对区内天然气成藏有何研究价值？笔者试图对这些问题进行尝试性的探讨。

2 非烃组分成因分析

如上所述，桂中坳陷天然气的非烃组分主要是N2和CO2。关于其成因，主要是根据理论研究与具体地质条件进行定性分析，目前尚缺乏同位素等方面的数据。

中国多旋回地质演化的特点产生了海相碳酸盐岩地层油气成藏的整体观和晚期观［10-12］。桂中坳陷具有两个基本地质特点：一是高热演化［2，5，9］，二是燕山期以来的强烈改造［5-7］，特别是喜马拉雅期以来滇黔桂地区整体抬升导致了碳酸盐岩裸露，岩溶广泛发育。桂中地区地面海拔高度一般为200～400m，总体上，发育岩溶的层系为上泥盆统和石炭系，中泥盆统泥岩由于区域分布广且较厚，起到隔层作用，阻止了区域性大气水下渗，因而中泥盆统及其以下地层岩溶不发育。钻井和录井资料显示，发生漏失井段一般为420～873m。柳深1井钻遇了中泥盆统泥岩隔层，岩溶主要发育于泥岩隔层之上。

目前对“富二氧化碳气体主要属深部来源，或者是和深部热源有关的碳酸盐热分解”［13-15］已成为共识。具体到桂中1井区，这种CO2生成机制获得了等效镜质体反射率数据的支持，在Ro-深度关系图（图2）上，泥盆系与石炭系呈现明显的两段特征，石炭系镜质体反射率（2.6%～3.0%，变化梯度较大）高于上泥盆统（2.2%，向下呈线性增加，变化梯度明显小于石炭系），显示石炭系具有地温超补偿特征。考虑到海西期泥盆系—石炭系相对连续沉积的区域地质背景，邻区热演化研究中［16-17］也未见到类似的石炭系地温超补偿的报道，因此推断所述的地温倒转为局部异常，可能与局部地区热事件例如深部热液或者岩浆上涌有关。

图2 桂中坳陷桂中1井烃源岩等效镜质体反射率(Ro)与深度关系图［5］

N2成因是多方面的［18-20］，热液气中富CO2贫N2［21］，伴随烃类热解产生的有机氮一般小于5%［19，22］，结合坳陷晚期改造强烈的特点看，河池、柳城、柳江一带N2富集应当与岩溶作用有一定关系。

对于南方海相地层，富氮气体（N2体积分数大于20%的气体）中绝大部分N2主要来自于大气，通过地面水下潜携带到地下（例如盆地边缘地层露头区或断裂破碎带），然后以过饱和方式脱出并达到一定程度富集。富氮气体通常与淡化地层水相伴，反映了地层水曾经或至今仍与地表水发生缓慢交替［22-23］。

把现有气体组分分析结果与井区水型资料结合起来分析，有助于理解两者的关系。

（1）石深1井中泥盆统泥灰岩中的N2体积分数高达80%，在454～455m深度时水型为Na2SO4，到460m时向NaHCO3型转化。

（2）柳1井中泥盆统泥灰岩中的N2体积分数达95%，附近的柳深1井200～649 m（上泥盆统）水型为NaHCO3。桂参1井820 m深处上泥盆统所采集的水样矿化度为11.253 g/L，水型为NaHCO3；在1920m深处中泥盆统测得水样矿化度为5.756g/L，水型为NaHCO3。

（3）北1井石炭系N2体积分数高达95%～100%，于478.14m采集的水样水型为Na2SO4，处于水文自由交替带；值得注意的是，北2井在上泥盆统408.2m处N2体积分数达98.5%，未见水型资料，在下伏深部地层2565.5～2567.5m和2824.6～2852.9m两处取得水样的水型均为MgCl2型，矿化度分别为206.93 g/L和255.84 g/L，这说明桂中坳陷区存在垂直水文地质分带，深部发育相对封闭的环境。

结合储盖组合、保存条件评价成果［6-8］分析，桂中坳陷天然气显示及其组分的空间分布特点正是保存条件空间差异的响应。

桂中坳陷主要发育两套储盖组合：中泥盆统泥岩盖层是最重要的区域盖层，岩溶作用主要发育在其之上，在ZK-1井该套泥岩内气体组分中CH4与N2体积分数比例相当，这与其它井石炭系高N2含量形成了鲜明的对比（表1）；下石炭统泥岩盖层局部残留。自北向南，天然气组分类型随盖层残存程度不同，呈现明显的分异。河池、柳城、柳江一带石炭系广泛出露，石炭系残存厚度小，区域盖层之上的上泥盆统—石炭系保存条件差，天然气显示多见岩溶作用下的富N2气体聚集，钻进中常发生气喷，烃类聚集应当发育于中泥盆统区域盖层之下；忻城、合山一带中泥盆统区域盖层与石炭系局部盖层均发育，岩溶程度低，保存条件较好，反映到气体组分上，桂中1井区石炭系气测组分分析为CH4与CO2共存；合山二叠系—三叠系覆盖区D907井钻进中在下三叠统发生了CH4气喷。据此分析，天然气组分类型及其空间分布可作为桂中坳陷保存条件的直接反映，它可为区带评价提供参考。