壤中游离气方法及其在油气化探中的应用

王国建,卢丽,杨俊,李吉鹏,任春,唐俊红,李武

(1.中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126; 2.杭州电子科技大学 材料科学与环境工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

油气藏中的轻烃在地下驱动力作用下能够以微弱但可检出的量近似垂直地渗漏到地表土壤中，这是油气地球化学勘探的理论基础[1-6]。微渗漏烃类在土壤中主要以吸附态(包括物理吸附和化学吸附)、游离态、水溶态存在，另有一部分被氧化成为衍生物[5]，其中游离烃是以游离态形式存在于土壤介质或岩屑空隙中的烃类物质(通常为C1～C5)，能够反映深部油气藏烃类的现代补偿性活跃微渗漏。壤中游离气方法以其直接、快速、受干扰小而成为地球化学勘探最受推崇的方法之一[7-11]。中国石油东方地球物理公司拥有采集土壤游离气的车载动力机械钻[7]，但该方法需要车队相随，设备庞大，难以适应复杂地形条件。中国石化无锡石油地质研究所经过多年的研究和反复试验，自行设计并研制了可快速拆卸组装、采气操作方便、采气深度较大、工艺先进的便携式壤中游离气采集新装置，游离气方法在渤海湾盆地临南地区、塔里木盆地阿克亚苏地区油气勘探中取得了良好效果。

1 方法的技术要素

1.1 采集装置

图1是壤中游离气采集装置的结构示意，主要由螺旋钻头、集气室、封盖螺旋、钻杆、毛细管、手动把手等组成。最底部是螺旋钻头，其作用是在钻进的过程中将土壤剖开，使土壤颗粒空隙中的游离气释放出来进入其上部的集气装置，再上部是封盖螺旋，起到密封壤气不与大气交换的作用，集气部位由毛细管连接到钻杆把手处，可以由取气孔抽取壤中气。

图1 壤中游离气钻具结构示意Fig.1 Schematic diagram of spiral auger for collecting soil gas

该装置优点在于：通过在进气通道入口处设置弹性件，有效解决野外施工过程中进气口易堵的问题，提高取气质量；通过弹性件与多个进气通道配合设置，提高气体排空效果，也使钻具强度和使用寿命得以提高；通过反转防脱落接口多级连接钻杆，确保钻具适应第四系沉积层不同深度的气体采集需要。

1.2 采气方法

该钻具采集壤中游离气的原理是将钻具钻至第四系沉积层的目的采气层位，土壤中的游离气经过滤器扩散到集气管中，以螺旋叶片作为隔绝空气的密封圈，用直接排水真空取气法排去毛细管中的空气，然后就可以有效地抽取目的采气层位中的游离气，密封在盐水瓶中(图2)。壤中游离气采集过程中要注意以下几点：①集气瓶要注满饱和盐水，不能有较大的空气气泡(气泡直径一般不大于2 mm)以免稀释所采集的壤中烃类浓度。②采样前,排空的气体体积要根据集气腔体积与毛细管体积之和(V空)而定，一般排空体积(V排)要大于V空2～3 mL，确保下步采集气样为地下土壤中游离气。③在用一次性注射器进行抽取气体时，无论是排空或是采气，活塞抽动要缓慢均匀，以防空气因负压进入注射器，不慎操作会导致这部分空气进入到集气瓶中，影响样品真实性。④现场抽入集气瓶的气体的压强一般是负压，需要在拔出注射器针头前，关闭连接毛细管气路，并向集气瓶中注入少量盐水，使得集气瓶中气压恢复常压或少许正压，再拔出针头，将集气瓶口朝下倒置存放。

图2 游离气野外采集示意Fig.2 Schematic diagram of soil gas collection in field

1.3 测试分析

将采集的游离气样品送到实验室分析测试，抽取集气瓶中的气体进入气相色谱仪分析C1～C5组份浓度。气相色谱仪配置：氢火焰离子化检测器(FID)； 分流/ 不分流进样系统；色谱工作站；色谱柱(HP—PLOT/ Al2O3型50 m×0.53 mm毛细柱)。需要说明的是，尽量建立野外现场测试实验室，对游离气样品进行现场分析测试，发现采集不合格样品可立即进行复采，也可对高浓度异常样品进行查证。

2 应用实例

2.1 渤海湾盆地济阳坳陷惠民凹陷南坡临南—钱官屯地区

2.1.1 地质背景及化探部署

临南—钱官屯地区位于济阳坳陷惠民凹陷南坡，其油气来源为惠民凹陷临南洼陷沙四上亚段—沙三中亚段泥质烃源岩。沙四段—沙三段砂岩为区域储层，临南油田主力产层为沙三中、下亚段，钱官屯油田主力产层为沙四段[12-14]。夏口断层为控洼向北陡倾的正断层，断层以北为临南洼陷，断层以南为临南斜坡，临南洼陷位于洼陷边缘，钱官屯油田位于斜坡部位。夏口断层在临南洼陷断块油气藏油气系统中起着非常重要的作用[15-16]。油气自临南洼陷向南部斜坡运移，断层、不整合以及砂体组成疏导体系，在临南洼陷边缘、钱官屯宽缓斜坡带形成多个断块油气藏[17-19](图3)。

图3 临南—钱官屯油田构造图及游离烃化探部署Fig.3 Structural map and study area of soil gas geochemical exploration in Linnan-Qianguantun oilfield

剖面化探：对钱15井—钱6井—钱4井—钱斜5井—钱斜141井—钱斜14井—夏52—夏326井—夏31井联井剖面近地表进行游离烃化探测量(图3)，剖面长32 km，点距100 m。解剖临南—钱官屯地区烃类垂向微渗漏的近地表游离烃异常特征，结合地质特征，建立烃类微渗漏的地质—地球化学模型，研究游离烃化探异常成因。

面积化探：对临南—钱官屯地区进行游离烃化探精查，化探精查面积覆盖北部洼陷区、临南油田区、钱官屯油田区、背景区(图3)，勘查面积130 km2，测量网度0.25 km×0.25 km进行二维空间结构分析，解剖游离烃微渗漏异常与下伏油藏分布的关系。

2.1.2 联井剖面游离烃化探异常特征

相关分析结果表明，联井剖面地表游离烃甲烷与重烃相关系数为0.22，尽管在数理统计上通过显著性检验认为它们之间显著相关，但是相关系数仍然偏低，说明游离烃甲烷和重烃在来源上还是有很大的不同。地表游离烃甲烷的来源相对复杂，容易受到地表因素影响，而乙烷以上重烃在地表环境不易生成(即使生成也是极微量)，受近地表干扰小[20]。因此，选择游离烃重烃作为代表性指标来研究地球化学异常与地下油藏分布的关系。

图4是钱15井—钱6井—钱4井—钱斜5井—钱斜141井—钱斜14井—夏52井联井剖面近地表游离烃重烃浓度分布特征。由北向南，近地表地球化学剖面可以看到，在临南洼陷区夏31井南部存在高浓度的游离烃重烃异常带，主要可能是由于存在营子街深大断层，深切至古近系孔店组，向上延伸至新近系地层[21]，因其向北倾，倾角为72°[22]，断层面朝南向上覆地层延伸，街斜2油藏烃类沿断层向上渗漏，在地表形成的高丰度异常。夏52井(临南油田及夏口断层)—钱斜14油藏—钱斜141油藏上方均存在游离烃浓度异常带，夏52井断块为高产油藏，钱斜14油藏、钱斜141油藏目前均存在产能，因此渗漏源丰度充足，油藏烃类在地下各种驱动力的作用下垂向微渗漏在地表形成高浓度游离烃异常。而再往南的钱斜5井目前为捞油，钱4井已停产，钱6井为干井，渗漏源不足或无渗漏源，游离烃则没有出现浓度异常。可见，联井剖面上游离烃浓度与下伏油藏分布特征吻合度较高，能指示下伏油气藏的“生命体征”：在主力产区，地球化学异常更显著，在停产区，则没有明显地球化学异常。

图4 临南—钱官屯地区联井剖面近地表游离烃重烃浓度分布特征Fig.4 Distribution characteristics of hydrocarbon concentration (C2+) of soil gas through the joint well section of Linnan-Qianguantun area

2.1.3 面积精查游离烃化探异常特征

应用壤中游离气方法，对济阳坳陷惠民凹陷南坡临南—钱官屯地区进行化探精查，化探精查面积覆盖北部洼陷区、临南油田区、钱官屯油田区、背景区(图3)。图5展示了精查区游离烃地球化学指标异常分布特征，游离烃重烃浓度异常在不同的区域内具有不同的分布特征：①从临南油田区到钱斜14井油藏上方地表，游离烃重烃浓度呈现一个较大的环状异常晕，包含了临南油田、钱斜14井油藏，较好地反映了下伏油藏垂向微渗漏信息。②宽缓斜坡带上的钱斜141井油藏、钱斜19井油藏、钱斜5井油藏、钱4井油藏区上方地表，游离烃重烃浓度在钱斜141井油藏北边缘地表出现游离烃异常，并与钱斜14井油藏区地表异常连成一片；钱斜19井油藏区上方地表游离烃异常呈半环状分布。钱斜5井油藏目前为捞油、钱4井油藏已停产，它们正上方地表游离烃无明显异常，只在东南边缘出现一块异常，可能与钱4井残余油藏烃类沿断层微渗漏有关。③研究区的典型背景区指西北角的北部洼陷区、东北角的无油气发现区、钱斜5井油藏和钱4井油藏的西部地区，北部洼陷区作为生烃供烃洼陷，游离烃指标只有零星异常分布，东北角游离烃无明显地球化学异常，该区域经多口井钻探无油气发现。钱斜5井油藏、钱4井油藏区西部地区的游离烃指标分布特征与异常区明显区分开来，无明显异常显示。上述不同地质单元内，游离烃类指标具有不同的分布规律，化探异常与下伏油藏分布相关性密切。

图5 临南—钱官屯地区近地表游离烃浓度异常分布特征Fig.5 Distribution characteristics of hydrocarbon concentration anomalies of soil gas in Linnan-Qianguantun area

2.2 塔里木盆地阿克亚苏地区X井区

X井区位于塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起南部，X井是阿克亚苏地区X区块三叠系油气藏内的第一口发现井[23]。通过对X井区的三维地震资料重新处理解释，认为X井区中油组圈闭西部存在一个圈闭A，在地质上认为有两种可能，一是A圈闭与X井圈闭整体为同一圈闭，油水界面一致，后期可向东评价、向西产建，进一步落实构造。二是A圈闭与X井圈闭是两个独立的圈闭，A圈闭油水界面与X井不一致，可进一步西扩评价。

应用游离烃方法在X井区开展了高密度精查， 游离烃甲烷指标和游离烃重烃指标相关系数达到0.93，为显著相关，说明游离烃甲烷与重烃来源基本相同，受地表生物甲烷干扰很小。图6是X井区游离烃甲烷浓度异常分布图。可以看到，X井圈闭及其西部的A圈闭上方的游离烃甲烷分别以较好的环状异常形态围绕X井圈闭和A圈闭，两个圈闭的游离烃甲烷异常明显具有连续性，圈定的A圈闭游离烃甲烷异常区与X井圈闭的游离烃异常区相接，显示两个圈闭应属同一油水界面，这在后期的钻探中得到了验证，说明游离烃化探方法的有效性。

图6 阿克亚苏地区X井区游离烃浓度异常分布Fig.6 Geochemical anomalies distribution of hydrocarbon concentration of soil gas in well X, Akyasu area

3 结论

1) 便携式壤中游离气采集装置操作简便、取气效果好，适用于多种地形地貌野外现场，是游离烃方法的重要技术之一。

2) 壤中游离气方法作为地球化学勘探活动态烃类的代表性方法，是反映现今油气藏是否存在的最直接指标，通过在渤海湾盆地临南地区和塔里木盆地阿克亚苏地区的应用，采集和提取的烃类气体异常较好地响应了下伏油藏分布位置，指示了下伏油气藏的“生命体征”。

3) 壤中游离气方法适用范围包括地表油气地球化学勘探、矿产勘查、环境调查等，具有较广阔的应用前景。