含油氣盆地淺層混源天然氣成因分析

含油氣盆地淺層混源天然氣成因分析

0淺層混源天然氣含油氣盆地的大部分平坦層都處于成巖作用階段，在這一階段，生物化學(xué)作用活躍，易形成并積累生物起源（細(xì)菌起源）的氣藏。低于生油門限溫度的熱作用,也能使一些化學(xué)或熱不穩(wěn)定組分發(fā)生變化,生成低溫?zé)岢梢蛱烊粴?。在?gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍和斷層、裂隙較發(fā)育的地區(qū),淺層又是次生運(yùn)移天然氣聚集的場(chǎng)所。因此,不同成因天然氣易在淺層聚集在同一氣藏內(nèi)而形成淺層混源天然氣藏。天然氣中甲烷及其同系物的碳同位素組成特征與源巖母質(zhì)類型和源巖熱演化程度密切相關(guān),其相關(guān)性是判識(shí)天然氣成因與來(lái)源的主要地球化學(xué)指標(biāo)。但對(duì)于淺層混源天然氣而言,這些指標(biāo)變得復(fù)雜而難以應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外諸多天然氣研究資料對(duì)淺層混源天然氣的判識(shí)僅限于指出可能的兩類混合端元,在一些研究中也估算了混合端元所占的比例,但很少計(jì)算混源氣的資源量或預(yù)測(cè)其勘探前景。已有的天然氣研究文獻(xiàn)對(duì)淺層混源天然氣的判識(shí)多依據(jù)甲烷的碳同位素特征,認(rèn)為δ13C1在-60‰至-50‰之間的天然氣為生物氣與熱成因氣的混合氣。然而,怎樣有效判識(shí)淺層混源氣藏中天然氣的成因類型并進(jìn)行氣-源對(duì)比研究,目前還缺乏足夠的資料。本文將通過對(duì)可能形成淺層混源氣藏的單一氣源天然氣碳同位素特征及變化規(guī)律的討論,分析淺層混源天然氣判識(shí)的碳同位素指標(biāo)及其有效性。1氣和運(yùn)移至淺層運(yùn)移淺層天然氣包括生成于淺層的原生天然氣、經(jīng)微生物改造的次生改造天然氣和運(yùn)移至淺層的次生運(yùn)移天然氣等。淺層原生天然氣又有生物成因(細(xì)菌成因)氣和低溫?zé)岢梢驓?生物-熱催化過渡帶氣)。由于不同成因天然氣成烴母質(zhì)和成氣機(jī)理的不同,其地球化學(xué)特征也存在一定程度的差異。1.1氣和晚期生物成因氣生物成因氣又可分為早期(原生)生物成因氣和晚期(次生)生物成因氣。生物成因氣約占世界天然氣資源的20%。沉積物的快速沉積是生物成因氣生成與聚集的關(guān)鍵因素。(1)生物成因氣中重?zé)N組分的含量早期生物成因氣是指在沉積物埋藏早期,有機(jī)質(zhì)在甲烷菌的生物化學(xué)作用下生成于淺層的(<1000m)天然氣。生物成因氣一般具有很高的甲烷含量,乙烷以上重?zé)N氣體在烴類組分中的比例多低于0.05%,C1/(C2+C3)比值通常大于1000。一般認(rèn)為生物成因氣甲烷的δ13C值小于-60‰,但也有學(xué)者將該值劃為-55‰。圖1是依據(jù)發(fā)表文獻(xiàn)中197個(gè)生物成因氣甲烷δ13C數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后繪制的δ13C1分布圖,所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)90%以上分布于<-60‰的范圍,可見以-60‰作為劃分生物成因氣的甲烷δ13C值比較合理。對(duì)生物成因氣藏中微量或痕量乙烷以上重?zé)N氣體的成因有兩種觀點(diǎn):一種認(rèn)為與甲烷同源,即微生物成因;另一種認(rèn)為是有機(jī)質(zhì)低溫?zé)峤獬梢?。微生物成因的觀點(diǎn)目前尚缺乏有說(shuō)服力的證據(jù),而低溫?zé)峤獬梢蚩蓮囊韵聨讉€(gè)方面證明:①甲烷菌和未熟有機(jī)質(zhì)的生化模擬實(shí)驗(yàn)生成的氣態(tài)產(chǎn)物不含重?zé)N氣體;②幾十米至上千米的深海鉆探中所得到天然氣的組分中乙烷與甲烷比值隨深度增加而增加;③生物氣中的重?zé)N含量往往與沉積物的溫度、地層時(shí)代及有機(jī)質(zhì)含量有關(guān);④熱解成因氣的成烴溫度可低至60℃(甚至20℃)。由于生物氣中重?zé)N組分含量低,重?zé)N組分碳同位素的研究資料也較少。戴金星等對(duì)我國(guó)生物成因氣甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素研究表明:δ13C1在-91‰～-55‰之間、δ13C2在-46.5‰～-30.7‰之間和δ13C3在-32.5‰～-23.5‰之間,且δ13C1、δ13C2和δ13C3值具有隨重?zé)N含量增加而變重的趨勢(shì),可能更多地反映了重?zé)N組分的熱成因特征。(2)生物氣的生成指在較近的地質(zhì)時(shí)期(幾萬(wàn)年至幾百萬(wàn)年)在古沉積巖(特別是煤層)中生成的氣體,其生成與活躍的地下水系統(tǒng)密切相關(guān)。晚期生物成因氣可以在區(qū)域水動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)育的各種煤級(jí)的煤層中生成,這是由于水的活動(dòng)將氧及一些喜氧細(xì)菌帶入煤層,使煤層中的復(fù)雜有機(jī)化合物經(jīng)過喜氧氧化作用變?yōu)閰捬醯漠a(chǎn)甲烷菌能夠利用的簡(jiǎn)單化合物,并隨著水中溶解氧的消耗形成厭氧環(huán)境而生成生物氣。晚期生物成因氣往往與熱成因煤成氣混合而儲(chǔ)集在煤層中,因此其甲烷碳同位素組成偏輕(<-50‰),而乙烷、丙烷碳同位素組成則顯示熱成因氣的特征。1.2不同油液中有機(jī)質(zhì)的降解低溫?zé)岢梢驓馐菬N源巖熱演化尚未進(jìn)入生油門限的未成熟-低成熟條件下,有機(jī)質(zhì)經(jīng)低溫?zé)峤到庾饔枚傻奶烊粴?。?duì)低溫?zé)岢梢驓獾恼J(rèn)識(shí)目前也存在不同的觀點(diǎn)。(1)engoy超氣田的天然氣構(gòu)成Galimov針對(duì)西西伯利亞Urengoy超大型氣田天然氣的特征,提出了腐殖型有機(jī)質(zhì)早期(Ro=0.5%～0.7%)轉(zhuǎn)化成烴的認(rèn)識(shí)。認(rèn)為以甲烷為主、δ13C1在-50‰～-46‰之間和δ13C2在-29.5‰±0.4‰的Urengoy超大氣田的天然氣既不是生物成因氣,也非深部來(lái)源的過成熟氣,而是腐殖型有機(jī)質(zhì)熱演化早期經(jīng)熱化學(xué)反應(yīng)生成的早期熱成因氣。Schaefer等針對(duì)西西伯利亞天然氣的形成,進(jìn)行了低熟烴源巖在開放系統(tǒng)中的程序加溫?zé)崮M實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)即使在西西北利亞廣泛分布的陸相沉積Pokur組所處的低溫條件下(Ro=0.4%～0.55%),早期熱成因甲烷的生成也能夠在一定的但較小的程度上發(fā)生。然而,考慮到相應(yīng)的產(chǎn)氣面積和這類氣體在氣藏中的聚集,甲烷的生成量是能夠達(dá)到Urengoy這樣的氣聚集量級(jí)的。因此認(rèn)為早期熱成因甲烷至少部分地對(duì)Urengoy天然氣藏的聚集做出了貢獻(xiàn)。在同樣的熱模擬實(shí)驗(yàn)下,Cramer等測(cè)得低溫下(260～300℃)所生成甲烷的δ13C在-50.0‰～-53.5‰。(2)源巖熱演化程度對(duì)烴類組分間關(guān)系Rowe等對(duì)加拿大西部沉積盆地Colorado組淺層(<500m)源巖吸附氣的研究發(fā)現(xiàn),烴類氣體具有很輕的碳同位素組成,其中δ13C1在-67.7‰～-63.0‰之間,δ13C2在-54.1‰～-43.6‰之間,δ13C3在-44.9‰～-34.9‰之間,正丁烷δ13C在-38.0‰～-32.4‰之間,C1/(C2+C3)比值在65～285之間。而且重?zé)N氣體具有熱成因氣碳同位素變化的3個(gè)明顯特征,即:①δ13C值隨源巖熱演化程度增加而增加;②在相同熱演化條件下,δ13C值隨碳數(shù)增加而增加;③源巖熱演化程度越低,烴類組分間δ13C值差異越大。因此除認(rèn)為Colorado組淺層源巖吸附氣中除甲烷氣體中有生物成因氣混入外,還認(rèn)為重?zé)N氣體為低溫?zé)岢梢驓?其成烴溫度可低至60℃(甚至20℃),相應(yīng)的Ro分布范圍為0.25%～0.3%。(3)過渡帶氣為生物氣王萬(wàn)春等通過對(duì)遼河盆地天然氣地質(zhì)及地球化學(xué)特征的研究,認(rèn)為該盆地東部凹陷甲烷δ13C值在-55‰～-50‰之間,埋深較淺,是自生自儲(chǔ)氣藏中的天然氣為生物化學(xué)作用基本結(jié)束、熱作用大量成烴尚未開始的過渡階段生成的生物-熱催化過渡帶氣。徐永昌等經(jīng)過進(jìn)一步研究則認(rèn)為過渡帶氣的甲烷具有較輕的碳同位素組成(δ13C1值為-60‰～-48‰,C1/C1-5比值在0.7～0.9之間),過渡帶氣并非是典型的干氣;過渡帶氣相應(yīng)的源巖成熟度Ro為0.25%～0.6%、埋深為1000～2500m。劉文匯通過對(duì)我國(guó)10多個(gè)沉積盆地過渡帶氣組分和同位素組成的分析認(rèn)為:過渡帶氣是以甲烷為主,含一定量重?zé)N的烴類天然氣,其δ13C1為-60‰～-45‰;各種類型的母質(zhì)在演化的早期階段均可形成過渡帶氣,但以偏腐殖型母質(zhì)最為有利。而戴金星則提出上述生物-熱催化過渡帶氣是亞生物氣。盡管不同學(xué)者對(duì)烴源巖在未成熟至低成熟演化階段生成的低溫?zé)岢梢蛱烊粴馓岢隽瞬煌母拍?但對(duì)這類天然氣的總體認(rèn)識(shí)是一致的,即它們是有機(jī)質(zhì)經(jīng)低溫?zé)嶙饔蒙傻?是以甲烷為主要組分的且甲烷碳同位素組成較輕(δ13C1值為-60‰至-50‰)的天然氣,其烴源巖熱演化程度在0.25%～0.6%的范圍。對(duì)低溫?zé)岢梢驓庵兄責(zé)N組分的含量及其碳同位素組成的研究資料較少,目前尚無(wú)較為一致的認(rèn)識(shí)。1.3微生物增加儲(chǔ)層碳同位素組成淺層次生天然氣包括運(yùn)移至淺層的熱成因天然氣和經(jīng)微生物改造的天然氣。運(yùn)移至淺層的次生熱成因天然氣除組分組成相對(duì)變干外,各烴類組分的碳同位素組成基本不變,因此其成因及來(lái)源相對(duì)較易判識(shí)。經(jīng)微生物改造的次生天然氣指已形成氣藏中的烴類組分被微生物(細(xì)菌)有選擇地降解后的氣體,其結(jié)果是使殘留的烴類組分碳同位素組成變重。如甲烷被甲烷氧化菌氧化時(shí),輕同位素12C比重同位素13C較快地被消耗。當(dāng)生物成因天然氣運(yùn)移到喜氧環(huán)境中并被細(xì)菌部分氧化后,殘余氣體甲烷的碳同位素組成將與熱成因氣的相似。然而,微生物對(duì)儲(chǔ)層中烴類組分的改造更多地作用于濕氣組分。強(qiáng)烈的微生物改造能夠使?jié)駳饨M分幾乎全部消失而導(dǎo)致氣藏中的天然氣成為干氣而這種干氣又容易與過成熟干氣相混淆。在微生物改造天然氣的初始階段,丙烷組分優(yōu)先被破壞,使殘余氣體丙烷組分減少且丙烷碳同位素組成顯著變重。因此,對(duì)氣藏中烴類組分受微生物降解作用的正確認(rèn)識(shí)將有助于氣—源對(duì)比及烴源巖熱演化研究,特別是有助于對(duì)淺層天然氣藏成因的判識(shí)。2氣藏中所占比例影響淺層混源天然氣碳同位素組成的因素較多,可大致分為成藏期(氣藏形成期)與成藏后期(氣藏保存期)兩個(gè)方面。氣藏形成過程中的影響因素主要是指淺層混源天然氣藏中所聚集天然氣的成因類型及其在氣藏中所占比例。淺層天然氣藏中所聚集的天然氣依據(jù)源巖熱演化程度及生氣機(jī)理不同有生物氣、低溫?zé)岢梢驓饧盁岢梢驓庵?依據(jù)源巖母質(zhì)類型不同有油型氣與煤型氣之分。當(dāng)兩種類型以上的天然氣聚集在淺層氣藏中后,各烴類組分含量及其碳同位素組成都將隨所聚集天然氣的類型及其聚集量的變化而發(fā)生變化。氣藏形成后的影響因素主要是指淺層氣藏中的微生物降解作用。淺部?jī)?chǔ)層中不同程度的生物降解作用使天然氣中的濕氣組分減少,重?zé)N組分特別是丙烷的碳同位素組成變重,從而使烴類組分碳同位素出現(xiàn)異常分布,如我國(guó)濟(jì)陽(yáng)拗陷濱海地區(qū)的淺層天然氣以及大港及華北油田的天然氣。3不同性質(zhì)中微量重?zé)N氣體的碳同位素分布目前對(duì)各類成因天然氣的研究已積累了大量資料,也有比較明確的烴類組分碳同位素劃分標(biāo)準(zhǔn)。如生物成因氣甲烷含量高且δ13C1低于-60‰;低溫?zé)岢梢驓猞?3C1在-60‰～-50‰之間;熱成因氣δ13C1一般高于-50‰;熱成因油型氣和煤型氣以δ13C2為-28‰作為區(qū)分界限等。然而,生物成因氣與熱成因氣的混合氣δ13C1也分布于-60‰～-50‰之間,其乙、丙烷碳同位素分布范圍比較寬;生物成因氣中微量重?zé)N氣體也有較寬的乙、丙烷碳同位素分布范圍,它們與熱成因氣及低溫?zé)岢梢驓庖?、丙烷碳同位素分布范圍相互重疊,在實(shí)際應(yīng)用中往往具有多解性。因此必須緊密結(jié)合淺層天然氣藏形成的地質(zhì)背景才能進(jìn)行有效的成因判識(shí)。(1)生物成因天然氣3種對(duì)于淺層天然氣而言,有3種情況可以造成其組分中有很高的甲烷含量:一是其為生物成因天然氣;二是其為較長(zhǎng)距離運(yùn)移的次生運(yùn)移天然氣,三是其為遭受微生物次生改造后的天然氣。對(duì)這3中情況需結(jié)合甲烷的碳同位素組成特征進(jìn)行判識(shí)。δ13C1低于-60‰時(shí),可判定其為生物成因天然氣;δ13C1高于-50‰時(shí),可判定其為次生運(yùn)移天然氣或遭受微生物次生改造后的天然氣。在第3種情況下,又需結(jié)合乙烷及丙烷的碳同位素組成特征和生氣母質(zhì)類型進(jìn)行判識(shí)。次生運(yùn)移天然氣重?zé)N組分的碳同位素應(yīng)具有正序分布特征;遭受微生物次生改造后的天然氣重?zé)N組分由于受微生物的選擇性降解,其碳同位素分布會(huì)出現(xiàn)局部反序的現(xiàn)象。(2)正常原油伴生氣其一般為正常原油伴生氣或低熟油伴生氣,也可為原油伴生氣與生物成因氣的混合氣。此時(shí)需依據(jù)各烴類組分的碳同位素組成進(jìn)行判識(shí),如當(dāng)δ13C1>-50‰、δ13C2>-35‰和δ13C3-δ13C2<5‰時(shí),可能為正常原油伴生氣;當(dāng)δ13C1<-50‰、δ13C2<-40‰和δ13C3-δ13C2>6‰時(shí),可能為未熟—低熟油伴生氣;當(dāng)δ13C1<-50‰、δ13C2>-35‰和δ13C3-δ13C2<5‰時(shí),可能為原油伴生氣與生物成因氣的混合氣。4淺層混源天