中国天然气地质理论研究和勘探新进展

中国天然气地质理论研究和勘探新进展

随着天然气地质调查的逐步深入和勘探结果的不断扩大，中国建立了天然气地质理论体系，有效地指导了天然气勘探，天然气储量持续增长。1机成因气“多元论”天然气成因理论从20世纪80年代以前单一油型气的“一元论”发展到煤成气、油型气和无机成因气的“多元论”;认识到气源岩中的有机质在不同热演化阶段,可多阶连续形成地球化学特征不同的天然气;在腐植型有机质演化成气模式、生物气、生物-热催化过渡带气和煤成气的成因机理及分布规律的研究方面取得了重大进展,建立了不同类型天然气成因鉴别指标。1.1煤岩显微组成我国学者提出煤系是最有潜力的天然气勘探领域,对煤系生气机理、煤成气地化特征、鉴别指标及分布规律进行了系统的研究。煤系有机质主要是来自高等植物的腐植型有机质,形成于还原—弱还原的沼泽相或海陆交互相环境,以多含烷基侧链及含氧官能团的缩合多核芳香结构为主,具有低H/C和高O/C原子比,生成的气、油相对含量取决于煤岩显微组成的富氢程度,气/油比壳质组最低,惰质组最高,镜质组居中,气/油比随H/C原子比增加而明显下降。我国煤系显微组成多以镜质组和惰质组为主,故在不同热演化阶段都以生气为主、生油为辅。我国大中型煤成气田几乎遍布主要煤系发育区,已发现的32个大中型气田中,探明储量约1000亿m3的大型气田(克拉2气田、长庆气田、苏里格气田、东方1-1气田、崖13-1气田)均为煤成气田。1.2生物-热催化重烃生物-热催化过渡带气系指在生物气与热解气形成的过渡阶段(Ro值为0.3%~0.6%,温度为50~85℃),在一定矿物的催化作用下,有机质通过脱羧、脱基团和缩聚作用而形成的天然气,各类母质均可形成该类气体,但Ⅱ—Ⅲ型干酪根是主要类型。生物-热催化过渡带气的δ13C1值为-60‰~-46‰,有一定量的乙烷以上重烃,C1/C1~5值为0.7~0.98。近年来的研究证明,前苏联西西伯利亚北部乌连戈伊大气田的天然气是较典型的生物-热催化过渡带气,其气源岩的Ro值为0.4%~0.5%,天然气的δ13C1值主要为-55‰~-50‰。1.3氧化碳的赋存形式无机成因气指非生物成因天然气。我国许多学者近十几年对无机成因气进行了较深入的研究,将其列为天然气重要的成因类型之一。研究较多的无机二氧化碳气主要有两种成因类型:①岩石化学成因,即碳酸盐岩在高温作用下变质而形成二氧化碳气体;②幔源成因,即地下岩浆活动释放出的二氧化碳气体。目前已发现的无机成因二氧化碳的主要赋存形式是:二氧化碳气藏;与有机成因烃类气藏伴生;以气苗形式与温泉或冷泉伴生;存在于岩石包裹体中。我国无机成因二氧化碳气藏主要分布在东部地区,如松辽盆地万金塔气藏、黄骅坳陷翟庄子气藏、济阳坳陷平方王气藏、苏北盆地黄桥气藏、三水盆地水深9井气藏等,二氧化碳含量均达95%~99%。这些地区的共同特点是断裂和岩浆活动频繁,均分布有碳酸盐岩,因此我国无机成因二氧化碳除幔源-岩浆成因的外,还有部分碳酸盐岩在岩浆高温烘烤作用下产生的。随着无机成因气研究的深入,氦同位素的研究和应用进展较大。天然气中的氦主要有两种成因,即放射性元素衰变成因(称为壳源氦,3He/4He值较低,为1×10-8)和幔源-岩浆成因(称为幔源氦,3He/4He值较高,为1×10-5)。研究者常根据共生气体同源性的特点,依据天然气中氦同位素的特征,判断与其伴生的天然气中的其它组分的成因。1.4不同油气中烃气碳同位素组成我国天然气工作者已总结出较完整的各类成因天然气的鉴别标志,成为我国天然气地质理论的重要组成部分。烷烃气碳同位素组成受控于天然气的母质类型和成熟度,无机成因气碳同位素组成较有机成因气的重,煤成气碳同位素组成较油型气的重,同一类型母质形成的天然气碳同位素组成随其成熟度增加而变重。因此烷烃气碳同位素组成是判别各类成因天然气的最有效和最常用的指标,另外,还有天然气组分、轻烃、稀有气体同位素等指标。2气藏成藏模式天然气藏的复杂成藏过程一直是天然气地质研究的难点和热点。近年来,随着天然气勘探和地质综合研究的不断深入,提出了天然气成藏动平衡理论、天然气多期成藏、晚期成藏理论;建立了不同类型大中型气田成藏模式;初步建立了成藏过程中天然气聚散定量评价方法和成藏期次的确定方法。同时,在非常规天然气藏(如深盆气藏、煤层气藏)形成机制的研究方面也取得了重要进展。2.1运聚动平衡模型在天然气扩散和渗流作用下,烃源岩生成的天然气进入储集层运移聚集,也不断由已形成的气藏中散失,此过程中同时存在气体散失和烃源岩生气补充,当地下天然气的散失和补充达到某种程度的相对平衡时,即出现天然气运聚动平衡。天然气运聚动平衡模型将天然气由烃源岩中生成并排出、在运载层中二次运移和聚集、成藏后散失的过程描述为动态的连续过程。当天然气补充量大于散失量时,天然气在气藏中不断富集;反之,圈闭中的天然气不断减少,乃至全部散失。气源充注强度和时间以及封盖保存条件是气藏能否形成的重要因素。2.2气藏的自然恢复天然气晚期成藏理论基于天然气成藏动平衡原理和气藏的保存要求而提出,即天然气藏的成藏期晚和现今仍有气源供给是大中型气田形成的关键。我国主要含油气盆地被构造运动频繁改造,天然气藏一般经历多期成藏过程,而早期形成的气藏受后期构造运动的改造和破坏难以保存,只有最后一期较晚成藏的气藏才可能保存至今。例如,四川盆地川东石炭系气藏以下古生界为气源岩,成烃高峰期相对较早,但现今气藏是经喜马拉雅期改造调整后再成藏的产物。2.3深盆气藏油气地质条件研究深盆气是非常规天然气。美国、加拿大等对深盆气的研究和勘探、开发居于世界前列,取得了巨大的经济效益。我国在20世纪90年代初对鄂尔多斯盆地、四川盆地川西地区深盆气成藏条件进行了研究和勘探实践,在深盆气成藏机理研究方面也取得了重要进展。深盆气藏是一种上倾水封、散失与聚集动态平衡“满盆气”的特殊类型气藏,形成的地质条件主要有:①关键条件之一是有充足而持续的气源供给。勘探实践表明,富含有机质的煤系是最理想的深盆气藏的气源岩。②要有有利的储集条件,即储集层连片分布,孔喉半径要小于一定的临界值,沿上倾方向物性变好,使天然气既能排驱孔隙中的自由水,又能在毛细管力的作用下整体向上倾方向推进。③在地层倾角适当的斜坡带,顺层方向的浮力分量小于储集层孔隙喉道的毛细管力,深盆气向储集层上倾方向的继续运移被毛细管力阻碍,这是深盆气藏形成的有利构造条件。由于深盆气成藏特征和地质条件的复杂性,我国有些学者对中国深盆气藏的形成也提出了异议。2.4煤源岩煤气藏成岩机理煤层气是一种非常规天然气。我国学者经过十几年的研究,认为煤层气在地下的赋存形式与常规天然气不同,主要表现在:①煤层气以吸附状态赋存在煤层孔隙内表面,吸附量主要与煤的变质程度、组成及温压条件有关;②煤源岩生成的煤层气被煤层吸附聚集,几乎不经过长距离运移,其聚集受温压场影响,不受流体动力场的控制;③煤层气藏一般无明显边界,只有含气丰度的差别;④煤层气以吸附气、游离气和水溶气形式存在,吸附气约占80%。3天然气富集理论勘探实践表明,含气盆地天然气遵循一定地质规律,呈区带状富集分布。3.1天然气聚集和开采放放量“源控论”来自石油勘探实践,对于天然气,由于其流动性强、运移距离长,故气源中心对天然气成藏的控制作用以往未被足够重视。尽管天然气可以远离生气中心聚集,但其散失速率比石油高得多,要形成规模较大的天然气聚集,不仅要有足够的供气量,而且要有较高的供气速率,这才能保证在一定地质时期内天然气聚集量远远大于散失量,从而形成并保存大中型天然气田。显然,越靠近生气中心,天然气的供气量和供气速率就越大,因此规模较大的天然气聚集受生气中心控制。“八五”期间,通过对我国大中型气田分布规律的研究发现,大中型气田均分布在生气中心及其周缘,生气强度一般大于20亿m3/km2。3.2优质盖层对大气田的封盖作用地质家早已认识到,盖层的封盖性能对天然气成藏有重要作用。随着天然气勘探和对天然气成藏、富集规律研究的逐步深入,特别是在塔里木盆地库车坳陷这样复杂的地质背景下发现了克拉2大气田后,区域盖层在大气田形成中的重要作用被倍加关注。优质的盖层不仅要有良好的微观封盖能力,还要区域性稳定分布,塑性强而不易破裂,特别是在构造变形强烈的地区。克拉2大气田的气源岩是侏罗系,由于库车坳陷古近系的膏盐层分布面积广,在喜马拉雅期强烈的挤压构造变形过程中,大部分断裂消失于这套塑性强的膏盐层内,因此侏罗系生成的天然气大部分被这套膏盐层封盖,在之下聚集成藏。分布稳定、塑性较强的区域盖层能封盖住下伏烃源岩生成的大部分天然气,既与烃源岩分布共同控制着气层的纵向分布,同时控制着天然气的富集程度。3.3大型继承性水下古起落架控制天然气聚集的作用古隆起控气是克拉通盆地古生界天然气富集的重要特征。古生界烃源岩成熟度高、生烃高峰期早,早期形成的天然气是否能有适宜的圈闭得以聚集,是古生界天然气藏形成与保存的关键。研究和勘探实践表明,大型继承性水下古隆起对天然气的聚集具有极其重要的控制作用:①这种古隆起形成时间早且发育在大型稳定沉积盆地中,无论是圈闭与主要生烃期的时间配合,还是圈闭与主要生气区的相对位置关系,均有利于早期生成的天然气聚集,而且在这种圈闭中形成的气藏能得到较好的保存,为二次成藏提供优越的条件。②水下古隆起水体较浅,在高能环境下发育的碳酸盐岩(如亮晶砂砾屑碳酸盐岩、鲕粒灰岩等)不仅发育原生孔隙,也有利于被后期成岩作用改造而形成次生溶蚀孔隙,同时水下古隆起常露出水面,较有利于发生混合白云岩化作用和蒸发作用,形成的白云岩是良好的储集体。3.4前陆盆地地质特征前陆盆地的形成、演化、构造变形和沉积特征与造山带密切相关,对天然气生成、运移、聚集和保存十分有利。中国勘探家们从新的视角,用前陆盆地理论重新审视我国西部山前盆地,在库车、川西、准南、柴北缘获得天然气勘探突破,特别是库车前陆盆地克拉2大气田的发现直接推动了我国前陆盆地天然气勘探的进程。中国的前陆盆地不仅在构造演化、空间位置和沉积充填等方面有别于传统的前陆盆地,而且有其独特的油气地质特征:①烃源岩以三叠系—侏罗系为主,且为煤系,故以生气为主、生油为辅;②以陆相三角洲、冲积扇、滨浅湖砂岩为主要储集层,具较强的非均质性;③晚期构造挤压强烈,形成前陆