缅甸瑞宝盆地非烃气成因及其地质意义

2019-05-21赵厚祥

复杂油气藏 2019年1期

赵厚祥

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

目前国内外对非烃气成因机制的研究存在不同的看法，对于非烃气的分析并不是很系统, 主要是由于非烃气成藏条件难以把握，而且纯非烃气藏非常少，拥有的资料也不多。本文旨在对国外盆地非烃气的产状以及分布进行综合分析，以期达到借助有效的方法对非烃气特征进行详细判别、对其成因机制进行评价并能进一步分析烃类气的生成、运移、聚集成藏的目的。

1 非烃气研究进展

天然气中主要非烃组分为CO2、N2、H2、Hg、H2S和稀有气体(He/Ar等)[1-2]。非烃气体大多数情况下以微量组分存在于天然气中。在特殊的地质条件下，也可以富集成藏。研究天然气非烃组分及其同位素组成可以探讨天然气的来源、运移和聚集等问题。

(1)CO2是天然气中常见的非烃组分之一。有机成因CO2是有机质在不同地球化学作用中形成的。有机质在生物化学作用、热解作用和裂解作用等成烃作用下形成CO2,也可以经煤的氧化作用形成。有机质氧化生成CO2、热模拟产生的气体和大部分石油伴生气中CO2的碳同位素组成比较轻[3]。无机成因的CO2是无机矿物或元素在各种化学作用下形成的。无机成因CO2的形成有多种途径:①岩浆-火山源成因的CO2；②变质成因的CO2；③地幔成因的CO2；④宇宙说。

对于CO2成因的判识标准有多种方法，目前比较统一的认识是基于CO2同位素的统计分类[2,4-6],其它方法δ13CCO2-CO2含量关系图版[5]以及δ13CCO2-δ13C1关系图版[7]可综合判定。

(2)在天然气地质研究中,H2S气体地质研究比烷烃气地质研究薄弱得多。尽管如此，我国以往对H2S天然气地质研究获得了一个重要结论:我国高含H2S天然气均在碳酸盐岩储集层中,碎屑岩H2S含量绝大部分在民用安全标准(20 mg/m3，相当于13.9 ppm)之下。此规律与世界含H2S气藏的分布规律(大约有400个,其中360个以上分布在硫酸盐岩-碳酸盐岩地层组合中)一致[8]。

H2S分为有机成因和无机成因两大类。无机成因H2S来自地球深处,与火山活动有关,至今没有发现由其形成的气田(藏)。目前发现的高H2S气田的H2S气体均为有机成因：高温还原成因、生物还原成因、裂解成因[9]。高温还原成因主要见于硫酸盐与碳酸盐沉积组合中[9-10]；生物还原成因常见于经历地质时期相对较短,成熟度相对较低的气藏[10-12]；裂解成因H2S往往赋存于碳酸盐岩地层中[9-10]。H2S与CO2含量具有一定的相关性[12]。研究发现,H2S的形成过程可以促进储层次生孔隙的发育[13]。

非烃气的成因分析、非烃气对烃源岩的生、运、聚指向以及工程防护都是非烃气下步研究方向[1-13]。

2 缅甸瑞宝盆地地质特征

2.1 盆地概况

缅甸中央盆地是晚白垩世以来发育的中-新生代盆地，沉积了厚度达20～25 km的上白垩统及新生界地层。瑞宝次盆是中央盆地的二级盆地，位于中央盆地的中北部，西部与中央盆地的另一次级盆地——钦敦盆地隔中央岛弧带相望。瑞宝次盆面积26 506 km2，目前有探井3口，均位于中央岛弧带控盆深大断裂附近。

2.2 盆地基底

一般将前中生界作为盆地基底。基底形态较为单一(图1、2)，基底岩性主要由火山岩、板岩及页岩等岩性构成。在盆地西部岛弧带钻井揭示基底为浅色花岗闪长岩，其它基底岩性主要出露在盆地西部山前隆起区。

图1 钦敦、瑞宝盆地重力异常

图2 钦敦、瑞宝盆地航磁异常

2.3 盆地盖层及烃源岩

瑞宝盆地盖层主要发育上白垩统、古新统、始新统、渐新统、中新统、上新统以及第四系地层。白垩系-始新统，海相-三角洲相沉积为主，主要发育浅海相-滨岸相-三角洲相沉积夹杂火山碎屑沉积，局部发育泻湖相沉积。白垩系岩性主要为暗灰色泥岩和灰白色砂岩互层。盆地西缘的S-1井在深部钻遇阿尔必-森诺曼期灰岩，层理发育，含碳质，局部夹绿灰色泥岩或砂质灰岩条带，厚度149.6 m。I-1井钻遇泥灰岩2 m。古新统上部为灰色、棕黑色碳质泥岩、煤层与灰色粉砂岩互层，夹灰白色泥灰岩；始新统岩性主要为暗灰色泥岩和灰白色砂岩互层。中新统-上新统，河流相沉积，三角洲-辫状河沉积为主，中新统岩性主要为灰色、绿灰色泥岩与灰白色砂岩互层；上新统-第四系岩性主要为灰色砂岩、含砾中砂岩与灰色泥岩互层。

据相邻钦敦盆地勘探资料分析，钦敦盆地主要发育上白垩统-始新统煤系烃源岩，局部地区存在渐新统烃源岩。瑞宝盆地演化史与之相同，预测也存在类似烃源岩，但勘探程度低、钻井少。据有限的钻井和野外露头样品表明，始新统Yaw组和Pondaung组泥岩总碳为0.20%～3.38%，平均为0.73%，有机碳为0.17%～2.49%，平均为0.51%，产烃潜量为0.03～4.62 mg/g，平均为0.70 mg/g，为差烃源岩(依据煤系烃源岩标准)；渐新统Shwezetaw组泥岩总碳平均为0.86%，有机碳平均为0.49%，产烃潜量平均为1.16 mg/g，也为差烃源岩。HI-Tmax关系图表征有机质类型为Ⅱ2—Ⅲ型。在包裹体中有少数样品显弱蓝白色荧光，说明油气充注差，油气成熟度低。深层位的烃源岩基本成熟，R0在0.6%～1.2%之间。

2.4 火山岩

瑞宝盆地火山岩包含浅成侵入花岗岩、闪长岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，以及较少的枕状玄武岩。钻探揭示了白垩纪—古新世、始新世—中新世两大火山旋回，每个旋回又具有多期、间歇性喷发的特点。

白垩纪—古新世火山岩旋回主要发育钾玄岩-高钾钙碱性玄武岩及玄武质安山岩，多发育在俯冲作用相关的构造背景；始新世-中新世火山旋回主要发育钙碱性玄武质安山岩-流纹岩，多发育在板块汇聚边缘及造山环境中。

由于探井在勘探相带及层位上未能揭示盆地烃源岩的真实潜力，为了充分利用分析化验资料，挖掘盆地勘探潜力，下面通过研究非烃气的特征，探讨非烃气的成因，深化地质认识，分析评估上白垩统和始新统烃源岩潜力和成藏特征。

3 非烃气分布特征

瑞宝盆地非烃类气包括CO2、N2、H2、CO、H2S气体(表1)，根据I-3井测试气样、I-1井录井气样可知，烃类气与非烃气混合赋存于储层中，暂未发现非烃气单独成藏。本文主要针对CO2、H2S进行分析研究。

表1 气体样品地球化学参数

3.1 CO2

瑞宝盆地CO2气体纵向主要分布在始新统-古新统，深度介于965～2 312 m。平面上分布在盆地西部岛弧带(图1、2)。CO2气体含量主要分布于3%～15%，最大含量为20.18%。

3.2 H2S

通过录井气体组分分析及测试中探测仪检测，均证实H2S气体存在。垂向上分布于始新统1 150～1 254.3 m，平面上分布在盆地西部岛弧带(图1、2)。测试中探测仪记录H2S气体含量0.061%(610 ppm),远超安全标准。

4 成因类型分析

由于非烃气与烃类气伴生及混合赋存状态，利用非烃气的组分及碳同位素分析数据等地化特征(表1)，通过单因素、多因素图版解读及相互验证，并结合烃类气的成因分析及沉积背景，综合判定非烃气的成因。

4.1 烃类气成因分析

I-1取样点层段为始新统1 161.0～2 032.0 m,气体组成中烷烃气占68.869%～88.053%，甲烷气占比高，最高达87.968%；非烃气中CO2含量最高。I-3取样点层段为始新统1 150.0～1 254.3 m，烷烃气占40.823%，CH4为主，非烃气占59.177%，以N2、H2、CO和CO2为主。

4.1.1 -1井2 032 m、1 267 m气样分析

δ13C1≥-20‰是判别气体无机成因标志之一[2]。I-1井2 032 m、1 267 m深度点气样δ13C1都在有机、无机成因界限附近，难以判断其成因。根据二元关系—天然气组分及甲烷碳同位素图版(图3)判定，位于图版Ⅴ1无机气区域[5]。由于同深度点的混合赋存的CO2中δ13Cco2数值处于有机成因区域(图4)，需参考其它因素关系再判别。进一步利用δ13C1与R0、δ13CH4与δ13CCO2二元关系图版进行分析验证。根据δ13C1-R0图版(图5)鉴定I-1取样点烷烃气，样品点处于煤成气区域下方偏态区域。前苏联学者提出过CH4和CO2共生关系[7](图6)，通过δ13CH4与δ13CO2二元关系图版认为2 032 m、1 267 m深度点气样位于Ⅲ区—有机质热变质生成的CH4和CO2边缘区。

地质分析：I-1井2 032 m属于古近系，下部2 000 m紧邻数百米厚白垩纪—古新世火山喷发岩；1 267 m为始新统，其上1 200 m为始新世—中新世喷发火山岩，2个深度点沉积环境相似，地化分析指标数值基本相同，且都不具备典型有机成因煤成气特征，δ13C1、δ13Cco2数值都比典型有机成因煤成气重；取样点附近发育断穿至基底深大断裂；2个气样中甲烷含量高，2 032 m气体组分中重烃含量低，更具有幔源气特征[2]。综合判断为有机煤成天然气中混入部分无机成因CH4和CO2气体。

图3 鉴别各类甲烷δ13C1-C1/C2+3图版[5]

4.1.2 I-1井1 161～1 166 m、1 195 m气样分析

I-1取样点1 161 m、1 195 m深度点地化数值特征较2 032 m、1 267 m两深度点分布更为偏态(图3、4、5)，分析其组分特征、生物标志化合物含量及δ13C1、δ13Cco2数值，在图6中位于Ⅰ区、Ⅲ区的中间区域，即内生CH4和CO2区与有机质热变质生成CH4和CO2区的混合区，同时考虑该深度点处于火山岩发育层段，其基本特征与2 032 m、1 267 m两深度点相同，综合判定为有机煤型气与无机火山成因混源气[14]。

4.1.3 I-3井1 150 m～1 254.3 m气样分析

I-3取样点气样根据图3、4、5判定知气体为煤成气、油型裂解气与无机气混合物，有机气含量高。

地质分析：I-1、I-3井区域1 200 m以上发育数百米厚的始新世-中新世喷发火山岩,对1 150～1 254 m深度点气体影响较大，分析认为火山活动或深大断裂应该是无机气的来源。盆地多发育碳质泥岩及煤层烃源岩，是煤成气主要来源。I-3井相对I-1井更趋于沉积中心，有机质类型由Ⅲ型逐步改变为Ⅱ型，气、油同生，后期形成部分油型裂解气。该样品点CO2同位素数值为有机成因且数值偏轻，具有油型裂解气的特征。综合判定I-3取样点气体是有机成因煤型气为主，混有部分油型裂解气及少量无机成因天然气。

图4 中国有机成因和无机成因二氧化碳δ13Cco2频率[5]

图5 我国煤成气和油型气δ13C1-R0关系[5]

4.2 CO2成因类型分析

4.2.1 成因判别

瑞宝盆地二个取样点的5个样品的CO2浓度在3.5%～13.1%之间，δ13Cco2数值都小于-10‰，依据有机成因和无机成因二氧化碳δ13Cco2频率图(图4)判别为有机成因[2,5]。考虑到同深度点甲烷气以有机成因为主，并含有部分无机气的混源特征以及火山沉积背景，利用δ13Cco2-δ13C1关系图版(图6)判别CO2为有机成因与无机成因混源气，有机成因为主，无机成因为辅。

图6 自然界CH4与CO2共生体系的δ13C1值和δ13Cco2值分布[7]

4.2.2 气体来源

分析认为煤和干酪根热解是CO2有机成因的主要来源；在沉积有机质煤化过程中，纤维素在泥炭化和腐殖煤转化的过程中产生CO2[2]，可用式(1)表示。瑞宝盆地R0一般处于0.6%～1.2%之间，达到了烃源岩成熟门限，煤和干酪根热解产生大量CO2。

4C4H10O5→7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O

(1)

火山活动与碳酸盐岩的高温还原反应是CO2无机成因的主要来源。瑞宝盆地纵向上发育白垩纪-古新世、始新世-中新世两期火山沉积，平面上沿火山岛弧带与控盆深大断裂分布；钻探证实瑞宝盆地发育碳酸盐岩，硫酸盐岩和碳酸盐岩常共同分布[15-16]。硫酸盐在有机物(以C为代表)或烃类(以CH代表)的参与下发生高温还原作用,形成CO2和H2S[2],其反应式为

2C+CaSO4+H2O→CaCO3+H2S+CO2或

∑CH+CaSO4→CaCO3+H2S+H2O

(2)

4.3 H2S成因类型分析

根据烷烃气成因、CO2与H2S的相关性[1-2]并结合沉积背景分析H2S的成因。

4.3.1 成因分析

在埋深、地温适宜的地层条件下，含碳酸盐岩地层有机质热演化过程中，有机质和H2使硫酸盐还原，在有机质的热演化过程中烃类物质的参与下生成H2S[16]。考虑到烷烃气与CO2气有机成因居多，认为H2S有机成因占较大比例。

4.3.2 高温还原成因

瑞宝盆地发育硫酸盐岩和碳酸盐岩，根据反应式(2)地层产生H2S。H2S的分布与碳酸盐岩沉积具有密切的关系。

瑞宝盆地I-1、I-3取样点石英颗粒流体包裹体均一温度范围81.9～158.1℃，平均温度125.3℃，代表了流体运移时的温度状况，适于碳酸盐岩-硫酸盐岩热化学还原作用的温度范围100～140℃[17-18]，认为瑞宝盆地H2S高温还原成因占有一定比例。

4.3.3 火山成因

瑞宝盆地发育白垩纪-古新世、始新世-中新世两期火山沉积，I-1、I-3采样点为始新统底部，深度位于两期火山沉积之间；瑞宝盆地断裂具有早期张性、晚期压扭的特点；结合烷烃气、CO2的部分无机成因，综合认为H2S无机火山、地幔成因占有一定比例。

5 非烃气赋存的地质意义

非烃气在很大程度上与烃类天然气的生成、运移、聚集成藏有着很大的联系,同时也可以从反面论证油气成藏所必须具备的储、盖、保条件,对于油气源的判识也有很大的帮助。从上述分析看，两个采样点五个深度气藏中，I-1取样点4个深度点气藏均为有机煤成气、无机幔源(火山)气与有机、无机非烃气的混源气藏。I-3取样点气体为有机成因煤成气和部分油型裂解气、无机成因幔源(火山)气与有机、无机成因非烃气的多源气藏。

(1)CO2、H2S等非烃气的有机成因及赋存证明了烃源岩的发育以及油气运移与聚集过程；在盆地勘探初期，相关资料较少情况下对油气成藏研究尤其具有重要指导意义。

(2)非烃气的存在证明具备了形成油气藏的基本条件。

H2S富集需要严格的封存条件，说明储盖组合优越；H2S化学性质较烃类气活泼，极易逸散和氧化，保存需要致密盖层、封闭的遮挡断裂体系、地层水不具氧化性质以及不含金属离子等条件。

CO2、H2S的存在，一定条件下(一般认为是高温高压)可以产生溶蚀孔隙，形成较好的储集层[13,16]；瑞宝盆地白垩系-始新统储层致密，沉积相、岩性相及成岩相的综合研究是寻找有利储层的关键。瑞宝盆地火山岩发育，地温梯度高，部分储层段发育溶蚀孔隙，非烃气体的研究为优质储层的判断提供了佐证。

(3)非烃气成因判别是天然气成因判别的重要补充。

(4)天然气成因受烃源、运移、成藏环境多因素影响，单因素判别多存在误差，多因素成因判别更趋准确。