青海平安地区CO2气藏成藏模式研究

郑长远，张徽，师延霞，胡丽莎，张超

(1.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁　810008；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定　071051)



青海平安地区CO2气藏成藏模式研究

郑长远1，张徽2，师延霞1，胡丽莎2，张超2

(1.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁810008；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051)

地质安全性评定是碳储工程开展的重要依据，研究天然CO2气藏成藏模式可以从反向思维上论证深部咸水层碳储工程的可行性。对其泄漏的监测工作可以作为突发状态下碳储工程地质安全性评定的一种论证。以青海平安地区天然CO2气藏为研究对象，采用CO2捕集、利用与储存(CCUS)的理念，对其气藏的成因、运移和成藏模式进行分析。研究结果显示: 青海平安地区天然CO2气体属无机壳源成因，由高含CO2气体间歇性高压自喷井(ZK10)首次揭露了青海东部白垩系地层中CO2气水混合层, 区内晚白垩纪民和组和古近纪系西宁群2套地层为理想的CO2地质储存储层。区内断裂及之间相互沟通关联的次级断裂构成了CO2气藏的疏导网络，断裂相交的位置更是高纯度CO2气藏发育的有利区，也是本区域最有利于以后碳储工程开展的深度范围。

CO2气藏；CO2地质封存；气藏成因分析；青海平安地区

随着第21届联合国气候变化大会在巴黎的落幕，节能减污、控制碳排放、缓解温室气体对地球和人类的危害，已成为国际社会及我国面临的重要问题。CO2捕集与储存(CCS)被认为是一项非常有潜力的CO2减排技术，已成为今后重要的研究方向。高纯CO2气有较高的商用价值，对CO2地质储存不单以储存为目的，要做到储存与利用双轨同行。在此前提下我国提出的CO2捕集、利用与储存(CCUS)的理念，此观点已在世界范围内被广泛接受(强薇等，2006；张鸿翔，2010)。国内迄今对东部油气区和大陆架(戴金星，1996)、近海陆架盆地(何家雄等，2005)、广东三水盆地(唐忠驭，1980)等CO2气藏(田)及高含CO2油气藏形成条件及分布规律与勘探评价方法和综合利用的有较系统研究。

2002年底，西部严重缺水地区地下水勘查项目“青海省互助、平安县严重缺水地区地下水勘查”，在青海平安县祁家川河谷阶地后缘钻探揭露出了高含CO2气水混合高压自流热水井(井编号ZK10)。自此，发现了该地区浅层富含高浓度CO2气藏，从而为CO2的地质储存提供了难得的类比场地。也对天然CO2气体成因、运移和聚集规律、成藏规律和模式研究提供了实验场所。

1　地质概况

平安地区构造位置处于西宁盆地小峡凸起以东平安凹陷内，地层展布受拉脊山深断裂带和西宁盆地控制，区内主要分布以中生代白垩纪砂岩、砂砾岩及新生代古近、新近纪泥岩、粉砂岩为主，且第四纪地层风积、冲积、冰水堆积物及少量的钙华沉积广泛分布，大部固结较弱，结构松散，厚度不一(图1)。

2　高含CO2气体间歇性高压自喷井

实地测量表明，ZK10地热井间歇式自喷周期约为10min，自喷持续时间210s，周期稳定，最大瞬时自喷水量达5 834.94m3/d(图2)。自上而下，钻孔涌水量逐渐增大，矿化度逐渐变小，其中0.00～115.00m以上，地下水矿化度为5.44g/L，水温17℃；孔深187.00m时，孔口地下水混合矿化度为3.90g/L。ZK10地热井含CO2间歇性高压自喷现象的形成类似于CO2洗井。必备的条件是井管内有良好的储水、气配置空间、CO2气源储层及排气通道。储层内的CO2气不断进入井筒，压力同步聚集，当超过其上覆含水层流入井管内形成的水柱高度时，随之发生突然喷发，将井内的水柱以气水混合两相流喷出井口，产生气举作用，形成含CO2间歇性高压自喷现象。当井管内聚集的CO2压力得以释放后，一方面含水层地下水不断流入井管形成一定高度的水柱，另一方面，底部CO2储层内的CO2气体同时不断地进入井筒，重复上一过程。ZK10号孔首次揭露了青海东部白垩系中CO2气水混合层。水质分析资料表明，ZK10号孔揭露的承压自流水满足矿泉水水质标准，其中游离CO2、Li、Si、Zn四项界限指标达标。这一发现为平安地区深部咸水层碳储工程提供了一个良好了试验及监测场地。

3　储盖层组合确定及其特性

平安地区已发现冰凌山、上尧庄、三合镇3处高纯CO2泄漏点，区内主要发育晚白垩纪民和组(K2m)和古近纪系西宁群(Exn)2套区域性储盖层组合。垂向上表现出以组或段级地层单位粗细相间的沉积韵律性，具有圈闭式地热储，是理想的资源化CO2地质储存储层。

晚白垩世民和组(K2m)上部第三段(K2m3)上部为区域性盖层，中、下部为良好储层。盆地中心地带总体具盖层性质。储层孔隙率为20.05%，渗透率为1661.76×10-3μm2。区域性储盖层组合以泥膏岩类盖层占优势，代表性剖面有：南部近盆缘带沙沟晚白垩世民和组(K2m)剖面，岩性组合为砂岩与砂砾岩互层，偶夹粉砂质泥岩，为良好的储层，剖面控制厚度494.86m，砂厚比为93.87%。中部民和组第一段(K2m1)为砂岩、泥岩段，岩性组合为棕红色含粉砂泥岩，含石膏、含钙芒硝砂岩，底部为砂砾岩，可构成储层，厚度9.20～32.94m；民和组第二段(K2m2)为石膏岩段，岩性组合为上、中部泥质钙芒硝岩与钙芒硝质泥岩互层，下部泥质石膏岩与棕红色泥岩互层，总体为区域性盖层，厚度85.38～201.44m。

1.西宁群；2.民和组；3.河口群；4.泥盆纪小峡英云闪长岩；5.刘家台组；6.阿夷山组；7.实测正断层；8.实测逆断层；9.隐伏或物探推测断裂；10.钻孔：左上为编号，下为孔深(m)；右为井口水温(℃)；11.温泉：左右任一侧注记为温度(℃)图1　平安地区三合镇地质简图(石维栋等，2006)Fig.1　Safe area Sanhe Town geological diagram

古近纪西宁群(Exn)岩性多变，储盖层组合复杂。上部马哈拉沟组(E3m)为区域性主力盖层；中部洪沟组(E2h)在盆地中心地带为盖层，周边中下部为储层，中上部为盖层，代表剖面有：西宁盆地中部的胶水厂北沟始新世洪沟组(E2h)剖面，岩性组合为膏、泥岩为主的地层，控制厚度209.91m，为良好的区域性盖层。

下部祁家川组(E1q)在盆地中心地带为盖层，周边为储层，代表剖面有：胶水厂北沟古新世祁家川组(E1q)剖面，岩性组合为泥岩夹石膏岩，所夹砂岩厚度极薄，剖面控制厚度78.77m，总体构成盖层，地层中下部所夹的砂岩、砂质砾岩储层赋存有低温地下热水，流量大小悬殊。

4　CO2气体成因的判别

据该区域地表出露CO2气水混合天然露头，可知地下水气样中各组分较单一，主要成分为CO2，其他为N2、O2和微量Ar。

而H2、He、C2H6、H2S、C3H8、C4H10、SO2等烷烃类等均未检出(表1，表2)。浅层土壤气样中主要为H2S和烷烃类，与地下水中气体成因不一致，主要来源与植被根系呼吸、微生物发酵以及通过土壤-空气界面交换的气体。测定的δ13CCO2值仅供参考。

图2　三合镇ZK10高压自喷井结构图Fig.2　Sanhe Town ZK10 high-pressure flowing well structure

序号取样点气体样品组分数据(%)N2CH4O2ArCO2H2、He、C2H6、H2S、C3H8、C4H10、SO2PDB/δ13CCO2精度:±(0.2～0.5)‰1上尧庄7.450.002.170.1090.280.00-1.942冰凌山14.590.001.400.06793.950.00-2.24～-3.273冰凌山24.440.001.350.06794.140.00-2.534ZK10井9.660.002.580.1387.630.00-1.46

表2　地下水气样组成及CO2成因的判别表

CO2气藏天然气组分以CO2为主，含量为87.6.%～94.14%，一般大于90%，是典型的CO2气藏；其次为氮气，含量为4.44%～9.66%。CO2的δ13CCO2值分布特征，即大部分δ13CCO2值分布在为-3.27‰～-1.46‰，平均值为-2.37‰，处于碳酸盐岩变质成因的CO2的δ13CCO2值0±3‰中。同时，CO2伴生的He同位素比值R/Ra(其中R为样品的3He/4He值，Ra为大气的3He/4He值)均不小于2，CO2气藏的主要组分及同位素组成密切相关，CO2含量、δ13CCO2值和R/Ra值之间互呈正相关系(戴金星,1993)。据此判该区CO2气藏中的CO2均为无机成因，而He同位素分析结果表明，R/Ra值均小于1，或等于1(冰凌山-1，R/Ra=0.72；冰凌山-2，R/Ra=0.44；试验场地，R/Ra=0.04；上尧庄，R/Ra=1.01)，壳源和幔源He的含量大小,直接与影响油气形成的大地构造活动程度和热流值大小有关。由热流值q=6.993ln(3He/4He)+165.16计算不同地点的大地热流值。结果显示，这些取样点具有很高的热流值，这说明天然CO2在形成和运移聚集过程中缺乏地幔流体的参与,主要依靠盆地埋深增温和地壳中放射性物质生成的热发挥作用。而较高的3He/4He值证明CO2主要来源于地壳。这些值表明天然CO2伴生气中He具有典型的壳源成因特征,说明该地区天然CO2在形成和运移聚集过程中缺乏地幔流体的参与。另外,He同位素组成都分布在同一数量级内,反映了天然CO2形成的地质环境的一致性。

5　气藏分布

断裂活动是平安凹陷构造变动的主要活动形式，区内断层发育规律明显。从分布上看，往往成带状成组出现；就展布方向，分为东西向断层、南北向断层、北东向断层、北西向断层及复合断层等，沿祁家川有一北北东的区域张扭性断裂(F1)发育；断面倾向总体为北西向。自西而东由8条断层组成，这些断层密集分布，成束成带状展出(图3)。以祁家川为界，沟东坡为一正断层，对地层的控制作用主要表现在晚白垩纪一古新世，成为洪水泉凹地的东界；沟西坡为一逆断层，对地层的控制作用主要表现在始新世—渐新世，成为下店至洪水泉高地的东界。通过追索发现，祁家川两侧山体白垩纪地层岩性明显不同，西侧出露民和组上岩段(K2m)上部细粒相泥岩夹石膏，为一相对下降的地堑；东侧出露民和组上岩段(K2m)下部粗粒相地层，为一相对上升的地垒。在三合镇南近东西向发育一北倾压扭性断裂(F2)，受其影响，东西及南北向呈凹凸间列的棋盘格状，在不同的垒堑构造单元内水文地质条件不同，水质差异较大。此外，在F2断裂之北总体发育一轴向近南北向展布，枢纽向南倾伏的开阔、舒缓向斜构造，向斜轴部发育祁家川河流。这些断裂及之间相互沟通关联的次级断裂构成了本区内CO2气藏的疏导网络(张森琦等，2013)。

1.咸水河组；2.车头沟组；3.谢家组；4.马哈拉沟组；5.洪沟组；6.祁家川组；7.上白垩统；8.下白垩统；9.中侏罗统；10.中元古界；11.古元古界；12.加里东中期花岗闪长岩；13.平行不整合界线；14.角度不整合界线；15.实测及推测逆断层；16.实测及推测正断层；17.实测及推测性质不明的断层；18.物探推测的隐伏断裂；19.背斜；20.向斜图3　平安地区三合镇断裂构造示意图Fig.3　Faults schematic Sanhe town safe area

6　结论

(1)平安地区CO2属于天然无机成因气，且是壳源-岩浆气，其形成、释放与成藏过程与区内构造运动的强烈息息相关，分布主要受断裂控制，断裂相交的位置更是高纯度CO2气藏发育的有利区。其泄漏点CO2气藏浓度高的地点多为断裂分布密集带，且多为断裂相交处。研究区内幔源气的显示并不明显，与所得测试数据基本吻合，原因在于它们新生代活动以走滑为主，伸展分量小，开启性差。但当其与北东向伸展断裂交汇后即成为幔源气上升的有利场所。

(2)区内晚白垩纪民和组和古近纪系西宁群2套地层具有足够的厚度、连续性，且具封堵性强，分布范围大，稳定性好等特征，是天然理想的盖储层结构组合。该区地层区组或段级地层粗细相间的沉积韵律储盖层结构特点，应证了CO2气体成藏期为晚白垩纪以后，新近纪之前，气藏的类型主要为与火成岩有关的断块或其他气藏。气藏伴随着强烈的构造运动，在气体上移的过程中在凹陷盆地的圈闭中聚集并随之成藏。

(3)区内天然泄露的CO2气藏，即可作为一种天然有价值的资源得以利用，同时也可以作为大规模碳储工程地质安全评价监测场地，通过对此区域的研究，可以从反向思维上论证深部咸水层碳储工程的可行性，并对其泄露的监测工作作为突然状态下碳储工程安全评定的一项指标。

强薇,李义连,文冬光,等.温室性气体地质处置研究进展及其问题[J].地质科技情报,2006,25(2)：10-14.

QIANGWei,LIYilian,WENDongguang,etal.AdvancesandProblemsofGeologicalDisposalofGreenhouseGases[J].GeologicalScienceandTechnologyInformatio,2010,25(3)：335-340.

张鸿翔,李小春.二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析[J].地球科学进展,2010,25(3)：335-340.

ZHANGHongxiang,LIXiaochun.TheMajorTechnologyTrackandAnalysisaboutCarbonDioxideCaptureandStorage[J].AdvancesinEarthScience,2010,25(3)：335-340.

戴金星.中国东部和大陆架CO2气田(藏)及其气的类型[J].大自然探索,1996,15(4):18-20.

DAIJinxing.ChinaEasternandthecontinentalshelftypeCO2gasfields(reservoirs)andgas[J].DiscoveryofNature,1996,15(4):18-20.

何家雄,夏斌,刘宝明,等.中国东部及近海陆架盆地CO2成因及运聚规律与控制因素研究[J].石油勘探与开发,2005,32(4)：42-49.

HEJiaxiong,XIABing,LIUBaoming,etal.Origin,migrationandaccumulationofCO2inEastChinaandoffshoreshelfbasins[J].PetroleumExplorationandDevelopment,2005,32(4)：42-49.

唐忠驭.广东三水盆地CO2气藏地质特征及成因探讨[J].石油实验地质,1980,3(4):10-18.

TANGZhongyu.DiscussionCO2gasreservoirgeologicalcharacteristicsandcausesSanshuiBasin[J].PetroleumGeologyandExperiment,1980,3(4):10-18.

石维栋,张森琦. 西宁盆地北西缘地下热水分布特征[J].中国地质,2006,33(5)：1131-1136.

SHIWeidong,ZHANGSenqi.DistributioncharacteristicsofgeothermalwateronthenorthwesternmarginoftheXiningbasin[J].GeologyinChina,2006,33(5)：1131-1136.

戴金星.天然气碳氢同位素特征和各类天然气鉴别[J].天然气地球科学,1993,4(2-3):1-40.

DAIJinxing.Hydrocarbonisotopiccharacteristicsofnaturalgasandtheidentificationofvarioustypesofnaturalgas[J].NaturalGasGeoscience,1993, 4(2-3):1-40.

张森琦,徐伟林,石维栋,等.西宁盆地地热地质[M].北京：地质出版社,2013.

ZHANGSenqi,XUWeilin,ShiWeidong,etal.Xiningbasingeothermalgeology[M].Beijing:GeologicalPublishingHouse,2013.

郭森,马致远,李劲彬,等.我国地热供暖的现状及展望[J].西北地质,2015,(4):204-209.

GUOSen,MAZhiyuan,LIJinbin,etal.StatusandProspectsofGeothermalHeatinginChina[J].NorthwesternGeology,2015,(4):204-209.

严维德,王焰新,高学忠,等.共和盆地地热能分布特征与聚集机制分析[J].西北地质,2013,46(4):223-230.

YANWeide,WANGYanxin,GAOXuezhong,etal.DistributionandAggregationMechanismofGeothermalEnergyinGongheBasin[J].NorthwesternGeology, 2013,46(4):223-230.

Study on Carbon Dioxide Gas Reservoir Accumulation Mode in Ping’an Region, Qinghai Province

ZHENG Changyuan1, ZHANG Hui2,SHI Yanxia1, HU Lisha2, ZHANG Chao2

(1.KeyLaboratoryofHydrogeologyandGeothermalGeologyofQinghaiProvince,QinghaiProvincialSurveyInstituteofHydrogeology,EngineeringGeologyandEnvironmentalGeology,Xining810008,Qinghai,China;2.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding071051,Hebei,China)

Geologicalsafetyassessmentisanimportantbasisforthedevelopmentofcarbonstorageengineering.ToresearchthereservoirmodelofnaturalCO2gascandemonstratethefeasibilityofcarbonstorageprojectbuiltinthedeepsaltwaterlayer.ThemonitoringofCO2leakagecanbeusedasademonstrationforthegeologicalsafetyevaluationofthecarbonstorageunderemergency.Throughusingthecarbondioxide(CO2)capture,utilizationandstorage(CCUS)concept,theformation,migrationandaccumulationmodelofCO2gasreservoirinPing’anregionofQinghaiprovincehavebeenanalyzedinthispaper.Resultsshowthat: ①thenaturalCO2gasinthisregionisinorganicgases. ②thehighcontentofCO2gasfromtheintermittenthighpressureflowingwells(ZK10)revealsthatthemixedlayerofCO2gasandwateriscontainedinthecretaceousstrataineasternQinghai. ③MinheandXiningGroupsaretwosetsidealstratatostorageCO2gas.ThechannelnetworkofCO2gasreservoirisconnectedeachotherbysecondaryfracture,andthelocationoffractureintersectionisagooddevelopmentareaforhighlypurifiedofmantle-derivedCO2gas,whichisalsothemostbeneficialregionofcarbonstorageprojectsinthefuture.

CO2gasreservoirs;CO2geologicalsequestration;gasreservoirformationanalysis;Ping’anregioninQinghaiProvince

2016-02-03；

2016-05-26

中国地质调查局“二氧化碳地质储存环境影响与监测技术”(12120113006400)和青海省科学技术厅“西宁盆地二氧化碳地质储存适宜性研究”(2013-Z-708)共同资助

郑长远(1983-)，男，汉族，工程硕士，工程师，主要从事水工环地质研究工作。E-mail: 56295158@qq.com

P611

A

1009-6248(2016)03-0148-07