莺歌海盆地富CO2气藏形成的有利条件及分布规律研究

2016-08-16刘江涛黄志龙童传新朱建成

西安石油大学学报（自然科学版） 2016年4期

刘江涛，黄志龙，童传新，朱建成

(1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101； 2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 3.中国海洋石油有限公司湛江分公司，广东湛江 524047)

刘江涛1,2，黄志龙2，童传新3，朱建成3

以莺歌海盆地富CO2气藏地球化学特征为基础，结合地质条件分析，探讨了CO2的成因类型，分析了富CO2气藏形成的有利地质条件和分布规律。结果表明：研究区富CO2气藏CO2主要为无机岩石化学成因，有少量幔源气混入；富CO2气藏主要分布在中央底辟带底辟构造1 000～2 000 m深度范围内，东方区CO2体积分数分布于0～18%和54%～88%这2个区间，且同一底辟构造内，下部储层CO2含量高于上部储层，断裂附近储层CO2含量高于远离断裂储层，乐东区CO2体积分数介于0～88%，CO2分布没有明显的规律性，两区底辟发育特征不同是CO2分布特征差异的根本原因；中央坳陷带底辟区巨厚钙质砂泥岩沉积、高地温场和大地热流背景及泥底辟的周期性活动是富CO2气藏形成的有利地质条件；中央坳陷带非底辟区和莺东斜坡带无成规模富CO2气藏分布。

富CO2气藏；成藏条件；分布规律；底辟；莺歌海盆地

刘江涛，黄志龙，童传新，等.莺歌海盆地富CO2气藏形成的有利条件及分布规律研究[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(4)：25-31.37

LIU Jiangtao,HUANG Zhilong,TONG Chuanxin，et al.Favorable forming conditions and distribution rules of rich CO2gas reservoirs in Yinggehai Basin[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(4):25-31,37.

引　言

CO2是天然气中常见的非烃气组分，也是整个自然界碳循环系统中较稳定的气体。目前在世界多个中新生代盆地中发现CO2气藏，包括我国东部陆上及海域的沉积盆地，如松辽、渤海湾、苏北、三水、东海及南海北部等，其中万金塔、黄桥和沙头圩等CO2气田已经投入开发，并取得了显著的经济效益[1]。自20世纪60年代以来，迄今已在莺歌海盆地发现多个天然气藏和含气构造，这些气藏和含气构造以烃类气体和非烃类气体含量变化大为显著特点，非烃类气体特别是CO2气体在一些含气储层中体积分数超过50%，例如F1-1-2井莺歌海组二段1 331～1 361.5 m气层CO2体积分数为57%、1 414～1 452.5 m气层CO2体积分数为66.7%，这对于海上天然气勘探开发而言，无疑是一个十分不利的因素，引起地质学家的重视并展开了大量的研究工作[2-10]。何家雄、王振峰、陈传平、魏喜等[3-9]系统研究了莺歌海盆地高丰度CO2气藏的成因和运聚成藏特征，陈胜红等[10]对CO2气藏形成的地质条件和主控因素进行了分析。前人的大量研究对于认识莺歌海盆地CO2气藏的来源和分布规律具有积极意义，但限于CO2分布的复杂性，对其分布规律及原因的研究还不够充分，对其地质条件的剖析也不够充分。

本文在前人研究成果的基础上，分析CO2气藏地球化学特征和气藏形成的有利地质条件，剖析CO2的分布规律，以期为研究区规避勘探风险提供理论依据，同时也为今后CO2气藏的综合开发利用提供理论支持。

1　地质背景

莺歌海盆地位于南海北部大陆架边缘西部的印支地块和华南地块之间的古缝合带上，是自晚白垩世—古新世发展起来的转换-伸展盆地，受到岩石圈拉伸和红河断裂走滑双重机制的控制[11](图1)。莺歌海盆地具有非常高的沉降速率(500～1 400 m/Ma)，沉积了巨厚的新生代地层(最大厚度可达17 km)。上第三系—第四系地层以泥质细粒沉积为主，除与底辟相关的小断距断裂外几乎不发育断裂，地温梯度约为4.6 ℃/100 m，明显高于世界各沉积盆地的平均地温梯度(3.0 ℃/100 m)[12]，属于典型的热盆地。在莺歌海盆地中央底辟带发现的多个气藏或含气构造均含不同丰度的CO2，给天然气勘探和生产带来一定的困难，严重影响了勘探步伐和经济效益。

图1　莺歌海盆地及邻区大地构造单元Fig.1　Basic framework of tectonic units in Yinggehai Basin and its neighbor areas

2　CO2气藏地球化学特征

莺歌海盆地中浅层气藏天然气组成包括烃类气体(以甲烷为主，为典型干气)、非烃气(CO2、N2)和极少量的He、Ar等稀有气体，其中CO2含量变化极大，体积分数分布在0～88.9%(表1)，平均体积分数约为32%，CO2和N2体积分数基本呈负相关。

何家雄、陈传平等[8,13-14]对莺歌海盆地CO2的成因和来源进行了深入研究，认为该区CO2主要为无机壳源岩石化学成因。戴金星等[15]分析国内外碳同位素数据，指出有机成因CO2的δ13C小于-10‰，而无机成因CO2的δ13C大于-10‰；另外w(3He)/w(4He)是判断壳源和幔源成因的重要参数，一般R/Ra(Ra是大气的w(3He)/w(4He)，R是气体样品中的w(3He)/w(4He))>1表明有幔源成因气的加入，而R/Ra>2则表明气体为幔源无机成因气[16-17]。以此为依据，建立了识别CO2成因的图版，并对比了CO2气样δ13C值和体积分数之间的关系(图2)，可以看出研究区CO2的δ13C值主要位于-21‰～7.9‰，R/Ra值为0～1.5，兼有无机成因和有机成因2种类型，同时混入了少量幔源CO2，无机成因CO2的R/Ra值整体上大于有机成因CO2，这也从侧面说明了CO2气体中有幔源CO2气体的混入；从含量来看，有机成因CO2的体积分数普遍低于1.1%，无机成因CO2气体的体积分数在0～93%之间。综合分析认为，研究区有机成因CO2的含量极低，主要伴生于富烃气层中，绝大部分CO2气体为壳源无机岩石化学成因，有少量幔源气混入。

表1　莺歌海盆地部分井气层气组分特征Tab.1　Composition characteristic of gas samples from a part of gas wells in Yinggehai Basin

图2　莺歌海盆地CO2成因类型识别Fig.2　Identification of genetic types of CO2 in Yinggehai Basin

3　CO2气藏形成的有利地质条件

迄今仅在莺歌海盆地中发现罕见储量巨大的壳源型岩石化学成因气藏，中浅层CO2预测储量超过2 000×108m3。因此，研究区CO2的形成和聚集必有其特殊性。

3.1钙质泥岩的快速沉积

在晚第三纪及第四纪海相坳陷沉积时期，莺歌海盆地沉积了巨厚的海相砂泥岩地层，沉积速率可达1.4 mm/a，沉积厚度超过万米。其中上渐新统—下中新统下部陵水组地层、下中新统上部三亚组地层、中中新统梅山组地层、上中新统黄流组和上新统莺歌海组地层均发育含钙砂泥岩沉积或灰岩沉积。近年来的研究表明，在高含碳酸盐和黏土矿物的长石砂岩或泥岩中，通过岩石化学反应生成CO2的潜力巨大[18-19]。上第三系海相泥岩热模拟生气实验也表明CO2的生气效率远远高于烃类气，每吨岩石生成CO2气的效率约为烃类气的4～15倍[20]。此外，对研究区梅山组和三亚组钙质泥岩样品进行的生气模拟实验表明，在地层温度达到300 ℃时，样品通过岩石化学反应可以产生大量CO2(超过10 m3/t)，并且所产生的CO2碳同位素特征与研究区浅部地层无机来源的CO2相当[21]，这表明研究区无机CO2可能来源于三亚组和梅山组碳酸盐成分的高温分解。

3.2高地温场及大地热流背景

在莺歌海盆地演化过程中，发生了3次较大规模的伸展活动，导致盆地岩石圈厚度明显减薄，同时软流圈地幔热流上涌，加之盆地广泛发育超压，热流体排泄不畅，研究区地层温度普遍很高。根据实测温度数据，盆地平均地温梯度超过4.0 ℃/100 m，明显比世界各沉积盆地3.0 ℃/100 m的平均水平高，尤其是在中央凹陷带底辟带上，地温梯度可达到4.6 ℃/100 m以上；岩石热导率的测试结果表明，盆地内平均地表热流值高达84.1 mW/m2，底辟带超过86.0 mW/m2。莺歌海盆地高地温场及高大地热流背景与天然气中CO2等非烃含量高有直接关系[6]，理论和实验均表明，碳酸盐或富含碳酸盐的砂泥岩在强热力作用下，其CO2产率随温度增加而增大，热力作用越强、温度越高，CO2产率和产量就越大[22]。研究区勘探实践也证实了这一点，相邻的琼东南盆地大地热流值比研究区低10 mW/m2左右，平均温度梯度约低0.5 ℃/100 m，其气体组成中烃气体积分数约为77%，CO2体积分数约为19%，远远低于莺歌海盆地(图3)。

图3　莺歌海盆地与琼东南盆地气体组分含量对比Fig.3　Comparison of gas components of Yinggehai Basin with Qiongdongnan Basin

3.3泥底辟活动

快速沉降、沉积物颗粒细及新近系断裂不发育导致莺歌海盆地缺少流体垂向运移和释放的通道，因此，新近系及第四系巨厚海相泥页岩压实不均衡，排出流体困难，加之盆地大地热流值高，引起水热增压和生烃，在中央坳陷区形成了强烈的超压，在强超压和区域右旋走滑断裂活动的共同作用下，该区域发育了大规模的泥底辟活动构造带[23]。由于泥底辟的周期性活动，泥底辟产生的断裂输导系统为天然气的垂向运移提供了良好的通道，并且由于底辟形成时导致地层上拱变形或断块垮塌，形成了纵向叠置的底辟背斜构造和断块构造，与底辟区发育的砂体配合，形成了大量的构造-岩性圈闭，为天然气的聚集提供了良好的场所。当前在中央坳陷带已发现的浅层底辟圈闭有14个，面积大于100 km2的中深层圈闭就有9个，该区域含气构造和气藏几乎都与底辟活动有关。

4　分布规律

4.1充注时间

研究区含钙砂泥岩样品的生气物理模拟实验和已发现天然气藏地球化学特征均表明，研究区CO2的生成晚于烃源岩的大量排烃期[21]。流体包裹体是地质时期流体充注历史和流体成分的直接证据。莺歌海盆地东方1-1气田储层砂岩流体包裹体均一温度介于120～230 ℃，并可分为3期，对应的均一温度分别为：120～160 ℃、160～200 ℃及200 ℃以上，其中前两期包裹体主要含烃，第三期流体包裹体则为烃类和CO2的混合流体，并且仅发育于富CO2的气层中。因此，第一、二期流体充注以混相烃类为主，无机CO2气体的充注则主要发生在第三期[13]，何家雄等[6]依据盆地热流体和底辟活动历史，推断该期充注发生在距今1.9 Ma以后，属于晚期快速成藏。

图4　东方1-1气田储层流体包裹体均一化温度分布Fig.4　Homogenization temperature distribution of fluid inclusion in Dongfang1-1 gas field

4.2富CO2气藏分布规律

4.2.1 区域分布特征从盆地范围来看，研究区富CO2气藏主要分布于中央底辟带北部东方区和南部乐东区2个底辟集中发育区域。莺东斜坡带为常温常压区，地层埋藏浅，不具备CO2形成的有利地质条件，除LT35-1井在1 630 m储层获得体积分数为85%的富CO2气层(该气层天然气为邻近乐东区底辟带天然气沿三角洲砂体运移而来)外，在1号断裂附近至莺东斜坡区各井均未见CO2体积分数超过2%的气层；中央坳陷带非底辟区，如坳陷区西部LG20-1井区和东南部LD30-1井区，尽管也位于高温高压发育区，但由于底辟不发育，缺乏垂向输导通道，也不具备形成富CO2气藏的条件，均未发现富CO2天然气藏。从CO2富集区域CO2体积分数与深度的关系(图5)来看， CO2体积分数超过5%的气层(以无机CO2为主)主要分布在1 000～2 000 m范围内，基本呈深度越大体积分数越高的趋势。乐东区和东方区CO2体积分数表现出不同的特征，东方区CO2体积分数主要分布在0～18%和54%～88%2个区间，乐东区CO2体积分数在0～88%之间均有分布，这和2个地区底辟发育特征的差异有关，后面将对其原因进行详细阐述。

图5　莺歌海盆地CO2体积分数与深度的关系Fig.5　Relationship between volume fraction of CO2and depth in Yinggehai Basin

4.2.2区块分布特征黄志龙等[24]指出底辟热流体活动强度差异引起的热流体上侵活动规律及运聚通道的差异影响和控制了CO2的充注，并对不同类型底辟构造CO2的分布特征进行了详细分析。何家雄等[25]根据热流体活动的强弱将其划分为强能量底辟和弱能量底辟。不同类型底辟由于活动能量、喷出程度和侵入高度的不同，输导通道发育特征有很大差异，从而导致CO2分布区域的显著差异[25]。分区域来看，这些泥底辟构造以坳陷南部与乐东区相邻的昌南6-1构造为中心，向外围泥底辟的强度逐渐减弱，乐东区底辟能量总体上大于东方区。从CO2剖面分布特征可以看出，CO2的分布明显受到断裂的控制，具有以下特征：同一构造，下部储层的CO2含量高于上部储层，距离断裂越近，CO2含量越高；东方区富CO2气藏与断裂关系更密切，主要分布在断裂附近，而乐东区在距离断裂较远的储层中仍可见富CO2气层。

图6　莺歌海盆地不同底辟构造CO2剖面分布特征Fig.6　Profile distribution of CO2 in different diapirs of Yinggehai Basin

4.2.3 原因分析CO2在水中的溶解度非常大，范泓澈等[26]根据CO2溶解度模拟实验结果建立了CO2的溶解度模型，根据该模型计算了莺歌海盆地东方1-1构造温压条件下CO2溶解度(图7(a))，可以看出，4 000 m深度处CO2的溶解度可达38.64 m3/m3，这可能是研究区中深层未发现富CO2气藏的主要原因。研究区实测压力数据表明，乐东区和东方区各构造的超压界面在1 500～2 200 m(图7(b))，在该深度段内，由于压力的骤降，导致CO2溶解度迅速降低，在1 500 m深度处，溶解度降至24.5 m3/m3，从而导致水中大量CO2出溶为游离气，充注进入底辟带储层中，形成富CO2气藏。

前已述及，CO2的充注晚于烃类气体，因此，后期CO2的充注会对前期富烃气层进行改造。乐东区底辟能量较强，底辟断裂数量多，断距大(一般超过50 m)，甚至在底辟上部形成断块垮塌，因此,含CO2的热流体的充注活动更加强烈，对前期富烃气层的改造也更强烈，导致CO2的分布更加广泛，不仅仅限于断裂附近，CO2含量变化也较大，体积分数从0～88%均有分布；而东方区底辟能量相对较弱，断裂发育少，断距小，CO2气体的充注对富烃气层的改造较弱，一般位于断裂附近或者富烃气层的下部，与原有富烃气层发生混合的情况很少，导致该区气层或者为富烃气层，或者为富CO2气层，混合气层少，这也是东方区CO2含量两极分布的原因。

5　结　论

(1)莺歌海盆地具备CO2气藏形成的有利条件：巨厚钙质泥岩沉积是CO2气藏形成的物质基础，高地温场及大地热流背景是CO2大量生成的关键因素，泥底辟活动提供了输导通道和储集场所。

(2)富CO2气藏主要分布在中央底辟带与底辟相关的构造中浅层1 000～2 000 m深度范围内；在同一构造内，下部储层CO2含量高于上部储层，距离断裂越近，CO2含量越高；乐东区底辟活动整体上较东方区强烈，CO2分布也比东方区复杂。莺东斜坡带、中央坳陷带非底辟区不具备CO2气藏形成的有利条件，未发现大规模富CO2气藏分布。

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责任编辑：王辉

Favorable Forming Conditions and Distribution Rules of Rich CO2Gas Reservoirs in Yinggehai Basin

LIU Jiangtao1,2,HUANG Zhilong2,TONG Chuanxin3,ZHU Jiancheng3

(1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;3.Zhanjiang Branch,CNOOC,Zhanjiang 524057,Guangdong,China)

The genetic type of CO2,and the favorable forming conditions and the distribution rules of rich CO2gas reservoirs are studied based on the analysis of the geochemical characteristics and the geological conditions of rich CO2gas reservoirs in Yinggehai Basin.It is shown that:the CO2in the gas reservoirs is mainly CO2of inorganic lithochemical origin,and a small amount of CO2gas of mantle origin is mixed;the rich CO2gas reservoirs mainly distribute in the depth range of 1 000～2 000 m of the mud diapiric structures in the central diapir zone.In Dongfang area,the volume fraction of CO2is in two ranges of 0～18% and 54%～88%,in the same diapiric structure,CO2content in the lower reservoirs is higher than that in the upper reservoirs,and CO2content in the reservoirs near to faults is higher than that in the reservoirs far away faults.In Ledong area,the volume fraction of CO2is in 0～88%,there is on obvious rule in the distribution of CO2.The difference of two areas in the diapir development features is the key reason leading to different CO2distribution characteristic in two areas.In the diaper area of central depression zone,the giant thick calcareous sand mudstone,the high ground temperature field,the high terrestrial heat flow background and the periodic activity of the mud diapirs are favorable geological conditions for the formation of rich CO2gas reservoirs.The large rich CO2gas reservoir has not been found in the non-diaper area of central depression zone and the slope zone in eastern Yinggehai Basin.

rich CO2gas reservoir;accumulation condition;distribution rule;diaper;Yinggehai Basin

2015-11-20

“十二五”国家科技重大专项“莺琼盆地高温高压天然气成藏主控因素及勘探突破方向”(编号:2011ZX05023-004-008)

刘江涛(1981-)，男，博士，主要从事油气成藏与分布规律研究。E-mail：ljt0310@163.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.04.005

TE122.1

1673-064X(2016)04-0025-07