海拉尔盆地乌尔逊地区幔源—岩浆含氦CO2气藏赋存的地质表征

王 江

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712）

海拉尔盆地乌尔逊地区幔源—岩浆含氦CO2气藏赋存的地质表征

王 江*

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712）

在海拉尔盆地乌尔逊地区含氦CO2气藏和片钠铝石研究基础上,根据乌尔逊地区含氦CO2气藏中CO2的碳同位素、氦同位素,片钠铝石的碳、氧同位素实测数据,以及CO2气藏与断裂和火山岩的分布关系,对乌尔逊地区CO2的成因及其与片钠铝石的关系进行了研究。认为乌尔逊地区的CO2为幔源—岩浆无机成因,且形成片钠铝石的CO2与幔源芯岩浆CO2同源；片钠铝石是CO2运移聚集的“示踪矿物”,记录了地质历史时期CO2的聚集；地层水和原油中溶有大量的无机成因CO2,经CO2改造的地层水具有高矿化度及Na+、K+、HCO-3、CO2-3浓度高的特点。依据片钠铝石与CO2的关系,地层水中离子浓度的变化,以及原油中溶解大量CO2的事实,总结了乌尔逊地区幔源—岩浆含氦CO2赋存的地质表征。

海拉尔盆地乌尔逊地区;幔源—岩浆CO2;片钠铝石;地层水

CO2是一种能够溶于水的“活性气体”（Worden, 2006）,当CO2充注到含水的砂岩时,形成的弱酸性孔隙流体将引起骨架碎屑及早期胶结物的溶蚀和溶解作用，当阳离子积累到一定浓度时，孔隙流体将转变为弱碱性，就会引起片钠铝石等自生矿物的沉淀（黄善炳, 1996）,海拉尔盆地目前发现的幔源CO2气藏主要分布于乌尔逊断陷的苏仁诺尔、巴彦塔拉和乌西断裂构造带。这些地区CO2气藏的分布不但与断裂和火山岩的分布有关,而且CO2的成因与片钠铝石的关系也比较密切。本文以海拉尔盆地乌尔逊凹陷幔源—岩浆CO2充注历史的含片钠铝石砂岩为研究对象,依据片钠铝石与CO2的关系,地层水中离子浓度的变化,以及原油中溶解大量CO2的事实,总结了乌尔逊地区幔源—岩浆CO2赋存的地质表征。

1 CO2气藏直接表征了幔源—岩浆含氦CO2的赋存

1.1 乌尔逊地区CO2气藏CO2成因

海拉尔盆地乌尔逊断陷具有富集含氦天然气的特殊地质条件,气藏中烃类气与CO2气共存,其中CO2含量为37.6%～99.19%,大部分在90%以上,甲烷含量为0.043%～20.21%,重烷烃含量为0.176%～1.49%,以乙烷为主,此外还含有一定量的N2和He等稀有气体。在乌尔逊地区钻探的15口CO2气井中均发现氦异常,氦含量为0.003%～0.198%,已达到工业品位。

图1 CO2气成因鉴别图

乌尔逊地区δ13CCO2为-11.36‰～-8.20‰,集中分布于-10‰左右。根据戴金星等建立的有机和无机成因二氧化碳判别图版[1],将乌尔逊地区气藏中CO2的组分含量与碳同位素值与判断标准进行对比（图1）,发现CO2的组分含量与碳同位素值均位于无机二氧化碳区,表明乌尔逊地区CO2气藏中CO2为无机成因。

据徐永昌（1996）研究结果,气体中的3He/4He值与R/Ra值（Ra是大气的3He/4He值,为1.4×10-6;R是气体样品的3He/4He值）是判断有无幔源成因气的重要参数。地壳气R/Ra值为0.01～0.025,陆地岩石气R/Ra值为0.06～0.35,大洋中脊玄武岩的R/Ra值为3.5～6.0,凡是R/Ra＞1的均表示有幔源氦的加入[1]。海拉尔盆地乌尔逊地区CO2气藏所含氦气的3He含量普遍较高,3He/4He值变化范围为（2.08～1.68）×10-6,R/Ra值为1.20～1.49，40Ar/36Ar为289.6×10-6，38Ar/36Ar为0.1837×10-6,说明乌尔逊地区CO2气藏中有大量幔源氦的加入,因此,乌尔逊地区CO2气藏中CO2为幔源—岩浆成因。

1.2 乌尔逊地区幔源—岩浆含氦CO2气藏分布

目前在乌尔逊地区的苏仁诺尔构造带、乌西断阶带和巴彦塔拉构造带等地区发现多处幔源—岩浆CO2气藏和富含CO2气井,这些CO2气藏和富含CO2气井表征了CO2的赋存,是幔源—岩浆CO2聚集的直接地质表征。

海拉尔盆地乌尔逊断陷内含氦CO2气主要分布在白垩系南一段、铜钵庙组和古生界基岩风化壳,其中苏仁诺尔CO2气藏中CO2主要赋存于南屯组一段砂砾岩中,累计含气砂岩厚度40～200m,最厚为267.8m（苏2井）,孔隙度一般为8%～12%,最高可达16.3%,渗透率一般为（0.5～4）×10-3μm2,孔隙类型以粒间和次生孔隙为主,同时发育有少量裂隙。在该套含气砂砾岩储层之上为大套的南二段欠压实泥岩,泥岩厚度50～207.2m,是该区比较理想的盖层;乌西断阶带乌208-54和乌46井区CO2气藏中CO2含量也比较高,最高达94.86%,CO2主要集中于南屯组二段的砂岩中,其上部大磨拐河组一段厚层泥岩为其盖层;乌尔逊南部巴彦塔拉构造带的储集层主要为冲积扇相沉积的铜钵庙组砂岩和砂砾岩以及古生界基岩风化壳,其中铜钵庙组砂砾岩平均孔隙度在13%左右,平均渗透率为0.13×10-3μm2;基岩风化壳孔隙度一般为8.9%～9.05%,渗透率一般为（0.01～0.03）×10-3μm2,为中孔低渗透性储层,尽管该区储层物性偏差,但大量发育的裂缝、溶洞对储层物性有很好的改善,在两套含气储层之上南一段为巨厚的泥岩盖层,泥岩单层厚度为43～140m,泥岩段累计最大厚度为250m,厚度横向变化小,封盖条件好,是铜钵庙组和基岩风化壳储集层的有利盖层。

根据砂泥岩配置关系,气层上部均发育有厚层泥岩,且岩石致密,封盖性能好,同储集层构成良好的储盖关系。乌尔逊地区自下而上可划分出4套含气的储盖组合,即基岩风化壳（储层）、南一段（盖层）组合;铜钵庙组（储层）、南一段（盖层）组合;南一段（储层）、南二段（盖层）组合及南二段（储层）、大一段（盖层）组合。

在平面上,乌尔逊地区无机CO2气藏主要分布于继承性断裂带和深大断裂带、燕山期花岗岩侵入体附近,反映了CO2气与深大断裂及火山活动的成因联系。高含CO2气的苏2井、苏6井和乌13井都分布在深大断裂附近。沿断裂带分布的深源岩浆活动表明,断裂向深部贯通性能较好,是深源无机成因气的有利通道。CO2气藏形成于南屯组、铜钵庙组及基岩风化壳的砂岩和砂砾岩中,圈闭类型以断块、断背斜和古潜山为主。

综观乌尔逊地区多年勘探实践,乌尔逊地区CO2气藏主要分布于德尔布干深大断裂之上,而且岩浆活动和深断裂为气藏形成提供了气源和运移通道。同时乌尔逊地区无机CO2气藏多分布于火山岩发育区或其附近,乌尔逊凹陷苏仁诺尔CO2气藏附近的铜1井钻遇燕山期花岗岩;苏8井、苏3井、苏16井等高产CO2的井也钻遇到粗面岩和凝灰岩等火山岩。天然气成分均以CO2气为主,并认为为无机的深源气,无疑深大断裂必然成为深源CO2气的运移通道,使得气藏沿着深大断裂分布,受控于深大断裂活动而形成的断块或断背斜圈闭。这些圈闭幅度大,含气段长,最大含气高度为195.6m（苏6井）。目前在苏仁诺尔构造带发现气藏4个,预测含气面积13.6km2,各个气藏具有不同的气水系统,没有统一的气水界面,独立成藏。

2 乌尔逊地区片钠铝石表征了地质历史时期CO2富集

2.1 片钠铝石是CO2气体运移聚集的“示踪矿物”

根据片钠铝石合成实验结果以及片钠铝石地质实例,片钠铝石的形成与CO2关系密切,高CO2分压是片钠铝石形成的首要条件。Bader早在1938年就已在实验室中首次人工合成了片钠铝石,他认为通过钠铝酸盐和碳酸钠溶液合成片钠铝石时必须剩余有大量的二氧化碳[2],而且天然片钠铝石的分布也支持此观点。乌尔逊凹陷含片钠铝石钻井的CO2分压多数位于高压区,不含片钠铝石的钻井均处于低压区[3],且片钠铝石主要分布于CO2储集层中,与CO2含量密切相关:当CO2含量高时,片钠铝石含量高[4-6];CO2含量低时,片钠铝石含量也较低[7]。如苏仁诺尔构造带的苏2井发育片钠铝石的层位产气量为22191m3/d,天然气中富含96%的CO2;在巴彦塔拉构造带乌10井中的粉砂岩和泥质粉砂岩中片钠铝石比较发育,其天然气中CO2含量达到91%以上;而乌13井中片钠铝石含量低,天然气中CO2含量也较低,占天然气成分的37.6%～80.2%,可以说明片钠铝石是CO2运移聚集的“示踪矿物”。

2.2 形成片钠铝石的CO2与幔源—岩浆CO2同源

乌尔逊地区片钠铝石δ13C值分布连续,变化范围为-5.253‰～-1.210‰,主要分布在-2.5‰～4.5‰之间,平均为-3.467‰。片钠铝石δ18O值变化范围为-24.896‰～-20.960‰,主要分布在-21.5‰～24.5‰区间,平均为-22.415‰。片钠铝石的碳氧同位素数据与目前已经证实的、形成于无机CO2背景、且同岩浆活动有成因联系的片钠铝石的碳氧同位素数据（比如松辽盆地孤店气田、也门Shabwa盆地、澳大利亚BGS分地系、澳大利亚Upper Hunter Valley和阿尔巴尼亚北部Koman地区）极为相近[2,8-12]。

为确定片钠铝石的成因,计算与片钠铝石平衡的CO2碳同位素数据[13-15],在乌尔逊地区,与片钠铝石平衡的CO2碳同位素为-11.82‰～-8.17‰,主体分布于-11.00‰～-8.00‰之间。按照无机成因δ13CCO2大于-8‰,有机成因δ13CCO2小于-10‰,无机与有机混合δ13CCO2介于-10‰～-8‰的标准[12],乌尔逊地区的片钠铝石绝大部分形成于无机与有机CO2混合背景,少量形成于无机CO2背景。由于含片钠铝石砂岩与CO2的分布都受控于深大断裂和γ5花岗岩,且与片钠铝石平衡的CO2碳同位素同CO2气藏中碳同位素基本一致（表1）,说明形成片钠铝石的无机CO2与乌尔逊地区幔源—岩浆CO2同源,表征了地质历史时期幔源—岩浆CO2的聚集。

2.3 片钠铝石的平面分布

乌尔逊凹陷片钠铝石主要分布于的乌南次凹、乌北次凹、苏仁诺尔断裂带以及巴彦塔拉断裂带,片钠铝石的含量为2%～22%,在贝尔凹陷的苏德尔特断裂带也有片钠铝石分布。目前,海拉尔盆地已有27口钻井发现片钠铝石,主要分布于下白垩统的南屯组和铜钵庙组。乌尔逊北部的苏仁诺尔构造带、黄旗庙构造带等地区均有片钠铝石发现,其中苏12井1309.9～1332.68m井段5件砂岩样品中片钠铝石的含量均大于14%;巴彦塔拉构造带的巴斜2井1819.23～1821.74m井段5件砂岩样品中片钠铝石的含量为1%～6%,平均为3.4%。

平面上,与岩浆作用有关的幔源CO2气井和含片钠铝石的井分布相吻合,均位于燕山期花岗岩分布区或近邻燕山期花岗岩分布区的深大断裂带上,如位于哈拉哈河断裂附近的乌10井、沿皇德—扎根呼热断裂分布的铜6、苏2、苏12、新乌1、苏4、苏6等井均为含片钠铝石的CO2气井。另外沿皇德—扎根呼热断裂分布的铜3、乌101、苏101、乌1、苏16、苏3等井,位于磋岗—辉索木断裂的铜1井、甘珠尔庙断裂的乌20井均含片钠铝石,而没有发现CO2气,这可能与CO2气不易保存有关。因此,海拉尔盆地乌尔逊凹陷的岩浆活动—砂岩成岩（片钠铝石形成）—幔源CO2气成藏,不论在物质成分上还是在时空上均具备较好的耦合关系。在燕山运动期,地幔软流圈中熔融的岩浆沿深大断裂向上运移,温度骤降冷凝形成花岗岩侵入体,在冷凝过程中释放出所携带的CO2气,析出后的CO2气沿断裂运移至两侧的南屯组和铜钵庙组砂岩中,溶于富含钠铝离子的地层中,溶于富含钠铝离子的地层水形成片钠铝石胶结物或自生矿物。

3 幔源—岩浆含氦CO2气藏赋存的有利构造部位

3.1 地层水表征了CO2的运移

CO2是一种可以溶解于水而形成酸性流体的“活性气体”。酸性流体可使矿物发生溶解,导致地层水中的Na+、K+、HCO-3和 CO2-3等离子浓度增大,进而使地层水的矿化度增高,因此地层水中离子浓度的变化记录了CO2的运移过程。在乌尔逊地区由于大量幔源—岩浆CO2的注入,导致地层水的HCO-3、Na+和K+浓度保持较高的数值,并且HCO-3和Na++K+与矿化度之间的相关性很好,相关系数分别为0.997和0.983,Na+、K+和HCO3-之和占总矿化度的86.6%HCO-3占总矿化度57.4%,Na+和K+占阳离子总量的97%以上[16]。由于片钠铝石是CO2运移、聚集的示踪矿物,因此含片钠铝石层位的地层水必然有CO2运移的证据,乌尔逊地区含片钠铝石层位的地层水即具有高矿化度,高Na+、K+、HCO-3和CO2-3离子浓度的特点。

3.2 氦异常表征了幔源—岩浆含氦CO2气藏的富集程度

根据乌尔逊地区氦异常分布特点,氦异常均出现于盆地内部隆起与坳陷、凸起与凹陷的交接部位。在乌尔逊断陷中,氦异常集中出现于苏仁诺尔、乌西断阶和巴彦塔拉构造带,其中苏仁诺尔构造带氦含量较高,而巴彦塔拉构造带氦含量较低。氦的富集同氮含量有关,氮含量越高氦异常也越高,两者呈正相关关系。苏仁诺尔构造带天然气组分中氮气含量较高,表现出氦的含量也高;而巴彦塔拉构造带氮气含量较低,相应氦气含量也相对较低,位于苏仁诺尔构造带的新乌1井氮气含量为35%～42%,氦气含量为0.17%～0.18%;而位于巴彦塔拉构造带的乌13井氮气含量为4%～18%,氦气含量则仅为0.018%～0.04%,这些部位多发育深大断裂和派生断裂,氦异常主要出现在断裂的交叉部位。

根据苏北盆地溪桥气田的勘探经验,R/R值的大小直接决定CO2气藏CO2气的富集程度,在断裂交叉部位的R/R值一般大于0.6,CO2气富集,远离断裂带的氦异常R/R值相对减小,一般为0.43～0.47,反映断裂带附近的氦异常幔源成分不断增加。苏仁诺尔构造带上的苏6井位于两个断层的交叉部位,R/Ra=1.49,氦气的幔源份额可达17.9%。

海拉尔盆地含氦天然气勘探应着重于盆地边缘隆起与坳陷的转换部位,或坳陷内部凸起于凹陷的交接部位。这些部位大多发育有深大断裂,这些深大断裂的存在为深源CO2气向上运移提供了必要的运移通道。在这些构造部位的勘探重点应是两组或多组不同方向深大断裂交汇处的断块和断鼻、断背斜构造。由乌尔逊地区断裂展布的特征来看,无机成因CO2气的分布与区域性北东向和北西向断裂有关,高含CO2气的苏2、苏6和乌13井都分布于德尔布干断裂带附近。该断裂带的边界断棱阿尔公断裂和皇德—扎根呼热断裂形成于古生代早期,是两条切壳断裂,对盆地的产生与演化起到决定作用,其中皇德—扎根呼热断裂位于嵯岗隆起东侧,是嵯岗隆起与贝尔湖坳陷间的转换断裂,是与乌尔逊断陷深源无机成因CO2气聚集成藏的主要运移通道。

4 结论

（1）海拉尔盆地乌尔逊地区的含氦CO2以幔源—岩浆无机成因为主,氦异常大,δ13C值高,CO2气藏直接表征了幔源—岩浆CO2的赋存。

（2）片钠铝石是CO2运移、聚集的“示踪矿物”,深大断裂是深源CO2气的运移通道;且形成片钠铝石的CO2与幔源—岩浆CO2同源,片钠铝石表征了地质历史时期CO2的聚集。

（3）地层水及原油中能溶解大量CO2,在发生过CO2运移、聚集过程的地层中,地层水具有高矿化度,高Na+、K+、HCO-3、CO2-3浓度的特点。

（4）海拉尔盆地具有富集含氦天然气的有利地质条件,具有形成深部含氦气藏的有利地质背景,受控于深大断裂的局部构造同近岸水下扇、冲积扇砂体的有利配合,是CO2气藏富集高产的主要因素。

[1]戴金星,宋岩,戴春森,等.中国东部无机成因气及其气藏形成条件[M].北京:科学出版社,1995:1-10.

[2]Baker J C,Bai G P,Hamilton P J,et al.Continenta-l Scale Magmatic Carbon Dioxide Seepage Recorded by Dawsonite in the Bowen-Gunnedah-Sydney Basin System,Eastern Australia[J].Journalof Sedimentary Research,1995,65（3a）:522-530.

[3]徐衍彬,陈平,徐永成.海拉尔盆地碳钠铝石分布与油气的关系[J].石油与天然气地质,1994,15（4）:322-327.

[4]高玉巧,刘立,曲希玉.海拉尔盆地乌尔逊凹陷片钠铝石及研究意义[J].地质科技情报,2005,24（2）:45-50.

[5]徐衍彬,冯子辉,要丹.海拉尔盆地二氧化碳气藏成因[J].大庆石油地质与开发,1995,14（1）:9-11.

[6]宋荣华,王军,何艳辉,等.荧光图像技术判断储层流体性质研究[J].油气井测试,2000,9（4）:28-32.

[7]孙玉梅,郭迺嬿,王彦.莺）琼气区天然气主气源及注入史分析[J].中国海上油气（地质）,2000,14（4）:240-247.

[8]隋少强,宋丽红,张金亮.海拉尔盆地乌尔逊凹陷大磨拐河组成岩作用研究[J].大庆石油地质与开发,1996,15（4）:12-16.

[9]Golab A N,Carrb P F,PalamaraD R.Influence of Localised Igneous Activity on Cleat Dawsonite Formation in Late Permian coal Measures,Upper Hunter Valley,Australia[J].International Journal of Coal Geology,2006,66（4）:296-304.

[10]Worden R H.Dawsonite Cement in the Triassic Lam Formation,Shabwa Basin,Yemen:A Natural Analoguefor a Potential Mineral Product of Subsurface CO2Storage for Greenhouse Gas Reduction[J].Marine and Petroleum Geology, 2006,23（1）:61-77.

[11]Vincenzo F,Lucio M,Caterina D V,et al.The Koman Dawsonite and Realgar-orpiment Deposit,Northern Albania:Inferences on Processes of Formation[J].The Canadian Mineralogist,2003,41（2）:413-427.

[12]戴金星,石昕,卫延召.无机成因油气论和无机成因的气田概略[J].石油学报,2001,22（6）:5-10.

[13]高玉巧,刘立,杨会东,等.松辽盆地孤店二氧化碳气田片钠铝石的特征及成因[J].石油学报,2007,28（4）:62-67.

[14]高玉巧,刘立,张福松,等.海拉尔盆地乌尔逊片钠铝石的碳氧同位素组成及流体来源探讨[J].岩石学报,2007,23（4）: 831-838.

[15]刘立,高玉巧,曲希玉,等.海拉尔盆地乌尔逊凹陷无机CO2气储层的岩石学与碳氧同位素特征[J].岩石学报,2006,22（8）:2229-2236.

[16]霍秋立,申家年，等.海拉尔盆地地层水特征及成因分析[J].世界地质,2006,25（2）:172-176.

TE122

A

1004-5716（2015）08-0027-04

2014-08-25

王江（1966-），男（汉族），黑龙江安达人，高级工程师，现从事石油勘探生产部署、石油地质研究以及三维地震解释与方法研究工作。