什股壕地区上古生界天然气运聚特征与成藏机理探讨

2016-10-27孙晓

石油地质与工程 2016年5期

关键词：杭锦旗烷烃水溶

孙　晓

(中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南郑州 450001)

什股壕地区上古生界天然气运聚特征与成藏机理探讨

孙晓

(中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南郑州 450001)

经过对大量天然气的组分特征、同位素特征及成藏条件的研究，认为什股壕地区下石盒子组确实存在天然气的长距离侧向运移事件，同时，也存在与该区域南部泊尔江海子断裂以南相似的气藏特征，应该是长距离侧向运移+原地运移的混合气藏。天然气成藏机理应该存在地层抬升减压降温脱溶成藏与水溶气顺层侧向运移减压脱溶成藏两种形式，水溶气的脱溶成藏是什股壕地区盒2+3段大面积岩性气藏发育及天然气规模聚集的重要成藏机理，也解释了什股壕地区下石盒子组盒1气藏普遍含水且气水关系复杂的现象，以及北部烃源岩发育差、盒2+3段却能形成大规模天然气聚集的重要原因。

鄂尔多斯盆地；杭锦旗区块；什股壕地区；天然气；运聚特征；成藏机理

什股壕地区位于鄂尔多斯盆地北部杭锦旗探区泊尔江海子断裂的北部，构造位置上位于伊盟隆起杭锦旗断阶东部(图1)。晚古生代沉积前，什股壕地区一直处于长期隆起状态，基底主要由太古-元古界混合化变质岩系组成。至晚石炭世接受沉积以来，先后沉积了石炭系太原组和二叠系山西组、上下石盒子组及石千峰组地层。其中，断裂带附近局部发育的太原组和山西组的暗色泥岩、煤层是本区的烃源岩，山西组、下石盒子组发育的砂岩构成本区上古生界天然气主要储集层，上石盒子组及石千峰组厚层泥岩形成区域封盖层[1]，现今构造轮廓呈东北翘，西南倾的单斜形态，是天然气长期运移的有利指向区[2]。自1977年在什股壕构造的伊深1井下石盒子组获得天然气突破之后，近年来又相继发现了锦11井区、锦33井区、锦66井区等大中型岩性气藏叠合发育区，主要产气层为下石盒子组盒2+3段，其次是盒1段、山1段，天然气藏类型主要为岩性气藏与构造-岩性气藏，盒2+3段具有气藏丰度低、气层薄、低产天然气井广泛分布、含气面积大、不含水等特征，盒1、山1段气藏具有含水较普遍、气水关系复杂等特征。目前，普遍认为下石盒子组天然气的成藏机理仍是常规天然气的运聚[3-4]，只是盒1段砂岩厚度太大，天然气的供给不足故而普遍含水，但本次研究认为，什股壕地区气藏还存在另一个重要成藏机理，即水溶气的脱溶成藏。水溶气脱溶为天然气成藏提供了大量天然气源，成为什股壕地区盒2+3段天然气大面积成藏的重要机理。

1　天然气运移特征

正常条件下天然气的运移以垂向运移为主，溶于地层水的天然气则可以随地层水的流动长距离侧向运移，并在运移途径中随地层流体温度、压力降低或盐度加大而脱溶[5]。通过开展流体性质与特征研究，发现了水溶气脱溶成藏的天然气组分变化依据与碳同位素特征变化依据：远离气源区的气藏具有运移距离越远、天然气相对密度越小、天然气越干、异构烷烃与正构烷烃比值变大、成藏越晚，重同位素13C越富集等特征[6-8]。这一变化规律从杭锦旗地区天然气性质的变化与天然气甲、乙烷碳同位素值变化得到了证明，从而证实了什股壕地区下石盒子组气藏存在天然气的长距离侧向运聚特征。

1.1天然气组分特征

杭锦旗地区构造形态为北东高西南低的单斜，断裂以北山西组、太原组烃源岩较发育，煤层厚度10～18 m，埋藏深，热演化程度也相对较高，Ro值多在1.2%以上；什股壕地区源岩不发育，煤层普遍小于6 m，仅靠近断裂附近局部地区发育，煤层厚度6～10 m，埋藏较浅，烃源岩的热演化程度也较低，Ro值小于1.0%[9]，处于煤系热演化生排湿气阶段，其天然气应该偏湿，应存在甲烷含量偏低的天然气组分特征。按照源岩热演化的整体趋势，其天然气性质的变化应该存在断裂以南地区甲烷含量高、天然气较干、天然气密度低的特征，而断裂以北地区，则应该呈现与之相反的特征。然而在断裂带以北的地区，天然气性质的上述参数却出现了相反的情况，即存在向北呈现出甲烷含量变高、天然气变干、相对密度变小的特征(图2)。这一现象不仅很难用烃源岩热演化程度差异来解释，而且也很难用外来气源来解释，而用天然气的侧向运移与脱溶成藏则可以很好地对这一现象进行解释。甲烷分子小，扩散速度快，在地层水中的溶解度也大于其他烃类气体[10]，即天然气的侧向运移受分子扩散速度差的影响，具有运移越远、天然气气质越干、相对密度越小、成藏越晚等特征。另外，气源特征也表明该区天然气应该来自断裂带以南烃源岩，甲烷含量的异常变化很可能是天然气脱溶成藏引起的，远离气源区的天然气脱溶气藏具有甲烷含量高、相对密度小、干燥系数较大的特征。另外，也存在与断裂以南重叠的区域，说明应该也存在部分原地的近源气。

图1　什股壕地区位置及构造背景

1.2异构烷烃与正构烷烃比值

图2　杭锦旗地区下石盒子组天然气组分特征

天然气中iC4/nC4、iC5/nC5值分布特征也证明了侧向运移过程的存在。通常，异构烷烃在水中的溶解度大于同碳数的正构烷烃，异构烷烃随地层水运移能力稍强于同碳数的正构烷烃；另外，异构烷烃的扩散系数大于同碳数的正构烷烃，因此，异构烷烃的运移速度要稍大于同碳数的正构烷烃；随着运移距离的加大，异构烷烃会相对富集，出现异构烷烃与正构烷烃比值加大的现象(图3)。如断裂带以南地区天然气iC4/nC4与iC5/nC5值较小，分别为0.58～1.63与0.39～2.25；而气源中心相对较远的断裂带以北气藏，其天然气iC4/nC4与iC5/nC5值则相对较大，分别为0.48～0.92与0.8～2.08，显示出侧向运移特征。

图3　杭锦旗地区气藏iC4/nC4、iC5/nC5值分析

因此，从天然气的组分特征来看，什股壕地区存在天然气长距离侧向运移，天然气在运移路径上脱溶成藏。由图3还可以看出，断裂带以北气藏iC4/nC4与iC5/nC5值较分散，说明该气藏可能既有远距离运移来的天然气，也有部分近源气。

1.3天然气同位素特征

根据碳同位素在地层中的分馏原理，地层水中溶解气脱溶时，早期脱溶气的碳同位素较轻、晚期脱溶气的碳同位素较重[8，11]。

基本处于同一运移方向上的十里加汗气藏与什股壕气藏相距45～60 km，相对靠近气源中心的十里加汗地区气藏甲烷与乙烷碳同位素较轻，分别为-36.20‰与-24.80‰；而相对远离气源中心的什股壕地区气藏具有较重的甲烷与乙烷碳同位素特征，分别为-32.21‰～-24.20‰(表1)。碳同位素分布特征从另一角度证明杭锦旗地区天然气长距离侧向运移并大量脱溶聚集成藏是可能的。

表1　杭锦旗地区天然气样品同位素分析结果

因此，断裂以北什股壕地区下石盒子组气藏存在长距离侧向运移特征，而且其具有越向北，气藏形成越晚，甲烷越富集重同位素13C的规律。

从甲烷-乙烷碳同位素交会图(图4)可以看出，苏里格地区数据点分布范围较大，这与其气田范围大、气层埋深变化大和烃源岩成熟度跨度大有关。有意义的是大牛地气田、什股壕和浩绕召三区数据点具有各自相对独立的分区。

图4　鄂北古生界天然气甲烷-乙烷碳同位素交会图

根据产气井与烃源岩分布以及所处的构造位置来分析，可以初步得出以下认识：大牛地气田数据点的位置代表了近源成藏的特征，天然气运移范围不大；浩绕召数据点的位置代表了天然气异地运移成藏的特征；而什股壕数据点可能代表了原地+异地运移天然气混合成藏的特征，异地运移应该是主要因素。

2　天然气成藏机理探讨

沉积盆地的有机质在生物改造和热化学动力学作用下生成的油气，从源岩排出和在储集层运移过程中，其中一部分会溶解在地层水中，随着地层水的流动而发生运移，成为水溶气。在地质条件发生改变的情况下(如温度、压力的降低等)，水溶气从地层水中脱溶聚集形成天然气藏。水溶气的区域性脱溶成藏，要有富含天然气水体的广泛分布，而且还必须有区域性的地层隆升与剥蚀，并造成区域性的地层压力降低。杭锦旗区块下石盒子组盒1段普遍含水，断裂南部源岩发育，燕山中晚期发生区域强烈抬升等都表明该区具有水溶气富集和脱溶成藏的的良好条件。

依据杭锦旗区块构造特征、源岩特征、圈闭特征、气藏特征等，什股壕地区下石盒子组天然气脱溶成藏主要存在地层抬升减压脱溶成藏与水溶气顺层侧向运移减压脱溶成藏两种机理形式。原地抬升减压脱溶气主要是近源气，而顺层侧向运移减压脱溶气则是异地运移来的天然气与近源气的混合气。

2.1地层抬升减压脱溶成藏机理

泊尔江海子断裂在印支-燕山运动活动加剧，燕山中晚期杭锦旗地区强烈抬升[1]，此时，杭锦旗地区构造格局也由北西高南东低转变为北东高南西低，什股壕地区地层抬升更为明显(图5)。天然气在地层中主要以吸附、溶解与游离3种形式存在。天然气的溶解度主要与温度、压力及盐度有关，正常条件下天然气的溶解度随压力升高而增大，而随盐度的升高而减小。所以，在地层温度与压力降低、盐度增大的条件下，天然气就会从地层水中脱溶出来，脱溶气与分散的游离气及吸附气结合，形成气泡并不断增大成气团，在浮力的作用下，向地层高部位的圈闭中运聚。因此，天然气的抬升减压脱溶成藏不只是简单的水溶性天然气脱溶成藏，而是水溶气脱溶后不断结合分散游离气及吸附气，并聚集成藏的过程(图6)。在地层抬升前，储集层中存在一定游离气与吸附气，抬升过程中，原分散的游离气与脱溶气汇聚，并逐渐使气团变大，在浮力作用下在构造高部位聚集成藏，且具有干燥系数较大的特点。如断裂以北什股壕地区盒1气藏，天然气干燥系数一般大于0.95，而位于断裂以南盒1气藏的天然气干燥系数普遍小于0.95(见图2a、2b)。

图5　杭锦旗地区锦6井上古生界埋藏史

2.2水溶气侧向运移减压脱溶成藏机理

水溶气的顺层侧向运移减压脱溶成藏过程非常复杂，且主要发育于以压差驱动为主的致密砂岩发育地区。这一天然气脱溶成藏机理，在杭锦旗地区实际上经历了超高压带侧向压差驱动运移、高压带侧向压差驱动与浮力驱动共同作用运移及常压-低压带浮力驱动运聚等3个不同动力机制作用阶段(图7)，即：①在断裂南侧源岩发育，烃源岩生烃作用可以形成巨大的压力能量，经计算大牛地气田山西组源岩的生烃排驱压力是64～73 MPa，杭锦旗地区源岩埋藏更深，推测生烃膨胀产生异常高压会更高，在高剩余地层压力的顺层侧向压差驱动下，超高压与高压致密砂岩中的天然气随盒1段地层水在致密储集层中作幕式运移，即由于储集层的非均质性，层状储集体致密区下倾高压一侧的压力不断聚集，当聚集到能突破阻力时，便推动流体越过致密区向上倾方向运移，如此反复不断，同时致密储集层的压力逐渐降低，在这个过程中水溶气逐渐减压脱溶；②越过泊尔江海子断裂后，盒1段含水量逐渐增大，构造位置变高，浮力驱动作用慢慢增加，在侧向压差驱动与浮力驱动的共同作用下，脱溶气与先前存在的游离气结合、运移并聚集成局部气团；③越向什股壕地区东北方向，构造位置越高，地层抬升越快，浮力作用更加明显，局部聚集气团在以浮力为主的作用下在盒1段构造高部位或者向上继续运移至盒2+3段聚集成藏。

图6　抬升减压型天然气脱溶成藏演化机理与模式

这一脱溶成藏条件与机理主要发生在杭锦旗地区的致密砂岩中，该区致密砂岩的单层厚度为20～45 m，孔隙度为8%～10%，渗透率多为(0.1～1.0)×10-3μm2，以非达西流为主。断裂以南埋深大地区，由于地层压力达25～30 MPa，远大于天然气浮力，因此该区带的天然气在高压下溶于地层水，在压差驱动下，随地层水沿地层上倾方向运移，随压力的降低，部分水溶气脱溶，少部分与先前分散游离气汇聚成局部气团，赋存于致密砂岩储集层中。断裂带附近，地层压力为21～22MPa，仍远大于天然气浮力，随着局部气团的变大，浮力在致密砂岩中也起一定作用，因此这一区带是侧向压差与浮力共同驱动的区带，既有水溶气随水的侧向运移，也有游离气在浮力作用下的局部聚集。在断裂以北什股壕区带，地层压力为16～17 MPa，仍然大于天然气浮力，但是由于局部聚集的气团数量增多、规模加大，浮力对天然气脱溶聚集成藏的作用更加明显。该区天然气的运移动力机制虽然还存在侧向压差驱动，但因较多天然气团的聚集而转化为以浮力驱动为主，在盒1构造高部位或向上继续运移至盒2+3段聚集成藏，天然气聚集规模较大、面积较广。常压-低压带水溶气的运移与脱溶成藏，不仅促进了该区带大面积的天然气聚集成藏，而且也解释了什股壕地区烃源岩不发育但盒2+3段天然气却大规模聚集的原因。

图7　杭锦旗地区下石盒子组盒1段致密砂岩中水溶气运移与脱溶成藏演化模式

3　结论

(1) 断裂以北什股壕地区下石盒子组气藏具有运移距离远、成藏晚、甲烷含量高、干燥系数较大、相对密度小、异构烷烃与正构烷烃比值大、甲烷与乙烷碳同位素较重等异地运聚特征，同时，也存在与断裂以南相似的特征，表明什股壕地区下石盒子组气藏具有长距离侧向+原地运移特征，从源岩分布来看，长距离侧向运移天然气应该是什股壕地区主要气源。

(2)天然气性质与碳同位素特征等证明杭锦旗区块什股壕地区有大量脱溶气的存在与聚集。水溶气的脱溶成藏主要存在地层抬升减压脱溶与水溶气侧向运移减压脱溶两种机理。天然气的脱溶成藏是什股壕地区下石盒子组盒2+3段岩性气藏大面积发育的重要机理之一，天然气脱溶成藏很可能是抬升减压脱溶与侧向运移减压脱溶共同作用的结果。

[1]薛会，张金川，王毅，等. 鄂北杭锦旗探区构造演化与油气关系[J].大地构造与成矿学，2009，33(2)，206-214.

[2]聂海宽，张金川，薛会，等. 杭锦旗探区储层致密化与天然气成藏的关系[J]..西安石油大学学报(自然科学版)，2009,24(1)：1-7.

[3]张杰，薛会，王毅，等. 鄂北杭锦旗探区上古生界天然气成藏类型[J]. 西安石油大学学报(自然科学版)，2009,24(3)：1-6.

[4]薛会，王毅，徐波，等. 鄂尔多斯盆地杭锦旗探区上古生界天然气成藏机理[J].石油实验地质，2009,31(6)：551-556.

[5]维索茨基. 天然气地质学[M]. 北京: 石油工业出版社, 1986：60-80.

[6]李伟，秦胜飞，胡国艺，等. 水溶气脱溶成藏-四川盆地须家河组天然气大面积成藏的重要机理之一[J].石油勘探与开发，2011，38(6)：662-670.

[7]李伟，秦胜飞，胡国艺.四川盆地须家河组水溶气的长距离侧向运移与聚集特征[J].天然气工业，2012，32(2)：32-37.

[8]秦胜飞，赵靖舟，李梅，等．水溶天然气运移地球化学示踪[J].地学前缘，2006，13(5)：524-532．

[9]薛会，张金川，徐波，等. 鄂尔多斯北部杭锦旗探区上古生界烃源岩评价[J].成都理工大学学报(自然科学版),2010,37(1)：21-28.

[10]邹才能, 陶士振, 朱如凯, 等. “连续型”气藏及其大气区形成机制与分布——以四川盆地上三叠统须家河组煤系大气区为例[J].石油勘探与开发, 2009, 36(3)：307-319.

[11]Galimov E M. 同位素有机地球化学[M].北京：石油工业出版社, 2007：26-45.

编辑：王金旗