水溶相天然气出溶成藏条件及成藏模式.pdf

2 0 1 2年 1 1 月 第 2 7卷第 6期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n NO V．2 01 2 V o l _ 2 7 No ． 6 文章编号 1 6 7 3 - 0 6 4 X 2 0 1 2 0 6 - 0 0 3 1 -05 水溶相天然气 出溶成藏条件及成藏模式 刘江涛， 李三国 中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 水溶相天然气是一种重要的非常规天然气资源． 通过实例分析， 认为水溶相天然气出溶成藏 需要 满足 3个要素 充足的气源供给是物质基础 ， 高天然气溶解度差是 重要条件 ， 引起 温压变化 的 地质事件是关键因素． 与常规天然气相比， 水溶相天然气析 出后具有干燥系数大， 异构烷烃、 芳香 烃、 苯和甲苯富集， 碳同位素偏重， 非烃类 C O 和 N 富集等一系列地球化学特征， 可以作为识别出 溶气藏的证据． 根据地质条件和成藏过程的不同， 认为水溶相天然气成藏存在 3种模式 断裂垂 向 短距 离输导模式、 输导层侧向长距 离运移模式和构造抬升原地成藏模式． 关键词 水溶相天然气； 溶解度 ； 地球化学特征 ； 成藏条件 ； 成藏模 式 中图分类号 T E 1 2 2 文献标识码 A 在地下含油气系统内， 地下水始终伴随着油气 生成、 运移和聚集的全过程， 天然气广泛而大量地溶 解于水无可置疑， 这种溶解在水 中或与水溶作用有 关的天然气被称为水溶气， 根据其赋存状态可以分 为游离相和水溶相 2种类型 ， 本文特指水溶相 天然 气． 全世界水溶气资源丰富， 美国、 意大利、 匈牙利、 菲律宾、 伊朗和 日本等国家都发现有水溶气藏⋯， 世界水溶性天然气资源量比常规天然气的总储量高 数十至上百倍 j ． 对水溶气的研究可以追溯到2 0 世 纪中叶 ， 在随后的几十年里 ， 对水溶气的研究从未间 断． 从 天 然气 的溶解 机 理 、 溶解 度 物 理模 拟 实 验 引、 水溶气运 移 的地球化 学指标 特征 引、 水溶 气对气藏形成的影响 等各个方面都进行了大量 研究． 目前 的研究主要集 中在水溶相 天然气 出溶形 成游离气藏的机制、 条件和证据等方面． 尽管在水溶气运移成藏方面前人做了大量工 作， 但往往是针对一个地区的水溶气成藏条件或者 地球化学特征进行研究． 本文试 图在前人研究的基 础上， 对水溶气出溶成藏的普遍适用地质条件和地 球化学特征进行研究， 总结其不同地质条件下的成 藏模式， 以期对未来我国水溶气的勘探提供理论 依据． 1 天然气在水中的溶解度特征 付晓泰等 通过实验研究认为， 天然气在地层 水中的溶解主要有 2种机理 一种是天然气分子与 水分子作用形成水合分子， 即 “ 化学溶解” ； 另一种 则是天然气分子填充在水分子 的间隙中， 即“ 物理 溶解” ． 无论是哪一种机理， 它们的溶解度大小都应 受到温度和压力变化的影响． 压力增大 ， 天然气在地 层水中的总溶解度增大； 反之则减小． 温度对其影响 相对较为复杂， 当温度小于 8 0℃时， 天然气溶解度 随温度升高而减小 ； 当温度大于 8 0 时 ， 溶解度随 温度升高而逐渐增大． 袁剑 通过物理模拟实验测 定 了压力 2 0～1 2 0 MP a 、 温度 9 0～2 0 0 o c条件下天 然气 主要成分为甲烷 在水中的溶解度 图 1 ， 并 结合前人在地温条件下的试验数据， 建立了天然气 溶解度方程． 收稿日期 2 0 1 2 - 0 6 - 0 8 基金项目国家“ 9 7 3 ” 重点基础研究发展计划项 目 编号 2 0 0 7 C B 2 0 9 5 0 3 作者简介 刘江涛 1 9 8 1 - ， 男， 工程师 ， 博士， 主要从事油气成藏与分布规律研究． E m a i l t 0 3 1 0 1 6 3 ． c o m 一 3 2 一 西安石油大学学报 自然科学版 确定天然气在不 同温压条件下的溶解度对于研 究水溶相天然气 的出溶成 藏具有十分重要的意义 ， 主要体现在两个方面 一个是水溶气析 出成藏的时 机 ， 即什么情况下最容易析出成藏 ； 一个是水溶气出 溶成藏的量， 即在温压条件发生改变时， 单位体积的 水析出天然气量． 童 图1 天然气在不同矿化度地层水中的溶解度 Fi g ． 1 S o l u bi l i t y c u r v e s o f n a t u r e g a s i n t he f o r ma ti o n wa t e r o f d i ffe r e n t mi ne r a l i z a t i o n 2 水溶气析出成藏的地质条件 水溶气成藏的实质是在温度和压力降低 的情况 下 ， 溶解于水的天然气过饱和脱溶成为游离气而成 藏． 必须满足 3个条件 充足的气源 、 较高的溶解度 、 引起水溶气温度和压力改变 的地质事件． 目前在 国 内已经找到了一大批具有水溶气成藏贡献的大气 田， 如 四川盆地威 远气 田、 塔里木盆地和 田河气 田、 克拉 2 气田以及鄂尔多斯盆地下古生界气田等． 结 合各气田的实际情况， 从上述 3 个方面来分析水溶 气析出成藏的地质条件． 2 ． 1 充足的气源供给 烃源岩是油气生成的物质基础⋯ ， 因此只有充 足的气源供给才能保证天然气大规模地溶解于地层 水中． 烃源岩在埋藏过程中， 随着有机质演化成熟 ， 会有大量 的油气生成 ， 在高一过成熟阶段 ， 主要以生 气为主， 尤其是煤系烃源岩． 例如川中地区上三叠统 须家河组是大型陆相浅水湖相沉积 ， 以煤 系烃源岩 为主， 有机质含量高， 现今 值在 1 ． 3 ％ 一 2 ． 0 ％之 间， 处于煤系地层的大量生气时期； 塔里木和田河气 田烃源岩为寒武系海相烃源岩， 现今埋深大约为 8 0 0 0 1 0 0 0 0 in ， 有机质丰度较高， 有机碳质量分 数平均可达 0 ． 8 6 ％ ， 为高一过成熟的烃源岩 ； 南海 北部莺歌海盆地烃源岩为中新统煤系海相烃源岩 ， 盆地中央某井钻遇烃源岩厚度 4 5 0 I n左右 ， 有机碳 质量分数为 1 ． 5 2 ％ 一 2 ． 4 0 ％， 埋深超过4 0 0 0 Il l ， 已 进入高成熟阶段． 分析国内几个与水溶气有关的气藏的烃源岩特 征发现 ， 它们具有煤系地层 丰富 、 埋深大 、 生气量大 且周期长 、 烃 源岩 处于 高一过成 熟 阶段等 共 同特 征 ∞ ． 2 ． 2 高天然气溶解度差 在温度和压力条件改变前后存在较大的天然气 溶解度差， 有利于水溶气析出成为游离气， 形成气 藏． 前 已述及 ， 天然气在水 中的溶解度受温度和压力 的影响极大． 因此， 在不同地质条件下， 单位水量的 溶气能力差异很大． 在正常地层压力含油气盆地中， 天然气在水 中的溶解度一般是 1～5 12 1 ／ m 1 4 ] ． 超 压盆地中天然气溶解度要高得多， 最高可以超过 1 0 m ／ m ． 因此 ， 当饱含天然气的水 由高温超压环境进 入常温常压环境时， 会释放出大量 的游离气． 例如， 威远气田的震旦系由于地层压力和温度 下降， 地层水中的溶解气大量逸出， 估算 1 in 。 水中 逸出的天然气达5 in 。 ， 这些脱溶的天然气占据了威 远背斜顶部 2 5 ％的空间， 形成了储量达 4 0 0 X 1 0 。 m 的大气田 ． 莺歌海盆地中深层压力系数高达 2 ． 0以上 ， 天然气溶解度超过 8 m ／ m ， 中浅层压力 系数 1 ． 01 ． 2 ， 天然气 溶解度约 为 2 ． 5 m ／ m ， 因 此 ， 当中深层天然气运移 至浅层 后 ， 1 m 饱含 天然 气的水释放出的天然气量约为 5 ． 5 m 1 6 ] ． 2 ． 3 引起水溶气温压变化的地质事件 水溶气出溶是由于不同地质条件下天然气的溶 解度差造成的， 当水溶气所处的地质环境改变后， 随 着温度和压力的改变， 天然气的溶解度也会发生变 化． 如果满足气源供给充足的条件， 那么当温度和压 力降低后 ， 水溶相天然气必然达到过饱和 ， 从而释放 出游离相天然气． 在含油气盆地中， 导致水溶气温度 和压力降低主要有 3种情况 1 沿断裂垂向向上运移． 该情况最为常见 ， 尤 其是在超压盆地． 随着深层超压的聚集， 当超过地层 的破裂压力时 ， 就会产生断裂 ， 从而沟通烃源岩和浅 部砂岩储层， 而烃源岩与砂体之间的流体压力差是 烃源岩排烃的主要动力 】 ， 驱使流体向砂岩储层运 移． 超压盆地深浅层巨大的压力差， 非常有利于水溶 相天然气出溶成藏． 例如， 莺歌海盆地中央凹陷带深 层3 0 0 0 m处压力系数高达 2 ． 0以上， 天然气溶解 度超过 8 ． 0 m ／ m ． 由于中新世 以来的多期底辟 活 动， 水溶相天然气沿着底辟形成的断裂快速运移至 浅层， 压力系数骤降至 1 ． 01 ． 2 ， 天然气溶解度降 到2 ． 5 1T I ／ m 左右， 大量的水溶气析出成为游离气， 刘江涛等 水溶相天然气出溶成藏条件及成藏模式 一3 3一 形成中浅层气藏 ． 2 沿侧向输导层长距离运移． 由于构造应力 不均和沉积环境 的差异 ， 常常形成倾 斜 的地层 ， 因 此， 地层流体往往在浮力作用下沿着输导层由深向 浅运移， 在运移过程中由于温度和压力逐渐降低， 会 出现水溶气析出成藏的情况． 但由于该情况下， 温度 和压力变化一般不会很大 ， 因此释放 出的游离相天 然气量有限， 只能形成规模较小的气藏或者对气藏 形成具有较小贡献． 例如， 塔里木盆地和田河气田西 部气藏压力明显低于气田东部， 东部井区气藏压力 平均为 2 2 ． 8 0 M P a ， 西部井区气藏压力平均为 1 6 ． 1 3 M P a ． 深部地层水溶相天然气沿气田东部的断裂往 上运移至和田河气田位置较低的东部圈闭中， 释放 出的部分游离气在气田东部圈闭中成藏， 然后沿不 整合面往气田西部长距离运移， 随着压力进一步释 放， 气体再次从水中游离出来， 在气田西部的圈闭中 成藏 ， 形成条带状分布的和田河气 田． 3 构造运动导致地层抬升． 该情况 比较少见 ， 由于在构造运动中， 常常造成保存条件的破坏， 因 此， 气藏往往散失； 但是地层抬升后由于温度和压力 变化比较大， 水溶气出溶量也很大． 例如， 威远气田 的震旦系在喜马拉雅期构造活动前， 埋深 7 5 0 0 m， 地层水中天然气溶解量为 7 ． 5 m 。 ／ m ， 喜马拉雅期 后， 震旦系上隆至埋深 2 8 0 0 m， 地层压力从 7 7 ． 7 M P a 下降为现今的2 8 ． 0 M P a ， 地层温度从 2 1 9℃降 为9 0℃． 由于地层压力和温度的下降， 使得地层水 中溶解气大量逸出， 从而形成了威远背斜大气田， 储 量高达 4 0 0 X 1 0 。 m。 [ 1 5 ] ． 3 水溶气 出溶成藏的地球化学指标 天然气组分一般包括烃类气体和非烃气体 2 类， 前者主要指甲烷、 乙烷、 丙烷等烷烃气， 后者常见 的有 C O 、 H S 、 N 及 H e 、 A r 等稀有气体 ． 由于天 然气各组分在水 中的溶解度不同 ， 天然气溶解于水 并释放后， 组分特征会发生变化， 这就为判别水溶气 出溶成藏提供了依据． 根据付晓泰物理模拟实验的研究结果 J ， 在相 同温度和压力条件下， 不同的天然气组分的溶解度 从大到小顺序为 C O ， C H 4 ， N 2 ， C 2 H 6 ， C 3 H 8 ， n c 4 H i C 4 H 10 ， n C 5 H 1 2 ， c 5 H 1 2 ． 当地层水中溶 解的天然气过饱和析出时， 溶解度较大的低碳数烷 烃气体就会优先大量析出， 而溶解度小的气体析出 量逐渐降低， 从而导致天然气在经过水溶作用再析 出后， 与溶解之前的原始气相比， 溶解度大的气体组 分会富集． 因此， 水溶相天然气出溶后会有“ 甲烷 化” 、 异构烷烃富集、 芳香烃、 苯和甲苯富集的特征， 另外非烃气 C O 和 N 的体积分数也会有所增加． 水溶作用还可以使碳同位素发生分馏作用H 蚴] ． 由 于6 C H 极性大于 8 C H ， 导致 8 ” C H 溶解度大于 81 2 CH ，水溶气中会富集 8 13 C H ， 温度、 压力降低后， 释放出的天然气的碳同位素也会偏重． 因此， 可以用 C O 和 N 体积分数、 干燥系数、 异构烷烃与正构烷 烃体积分数之比、 芳香烃、 苯和甲苯的体积分数及碳 同位素来作为判别水溶气的地球化学指标． 张晓宝、 秦胜飞对吐哈盆地台北凹陷气藏和塔里木盆地和田 河气藏 圳的天然气地球化学特征 的研究证 明了利 用这些指标进行水溶气判别是可行的． 对莺琼盆地 、 四川盆地一些气藏天然气的地球化学特征进行统计 对比 图 2 ， 可 以看出有水溶气贡献的气藏与常规 c 1 中芳烃体积分数／ ％ a 芳香烃体积分数 f C 与 c 体积分数之比 b 正构烷烃和异构烷烃体积分数之比 6 C ／‰ c 碳同位素特征 图2 水溶相天然气出溶后的地球化学特征 Fi g ． 2 Ge o c he mi c a l c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e e x s o l v e d g a s i n wa t e r - di s s o l v i ng ph a s e 刘江涛等 水溶相天然气出溶成藏条件及成藏模式 一3 5一 G a s I n d u s t r y ， 1 9 9 4， 1 4 4 1 8 - 2 1 ． [ 3 ] 付晓泰， 卢双舫， 王振平 ， 等． 天然气组分的溶解特征 及其意义[ J ] ． 地球化学 ， 1 9 9 7， 1 6 3 6 0 - 6 6 ． F U Xi a o - t a i ， L U S h u a n g - f a n g， W ANG Z h e n p i n g， e t a1． Di s s o l v i n g c h a r a c t e r f o r t h e c o mp o n e n t s o f n a t u r al g a s a n d s i g n i fi c a n c e [ J ] ． G e o c h i m i c a ， 1 9 9 7 ， 1 6 3 6 0 -66 ． [ 4 ] 郝石生， 张振英． 天然气在地层水中的溶解度变化特 征及地质意义[ J ] ． 石油学报 ， 1 9 9 3 ， 1 4 2 1 2 - 2 2 ． HAO S h i s h e n g ， Z HANG Z h e n - y i n g ． T h e c h a r a c t e ris t i c o f t h e s o l u b i l i t y o f n a t u r a l g a s i n f o r ma t i o n wa t e r s a n d i t s g e o l o g i c al s i g n i fi c a n c e [ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 1 9 9 3 ， 1 4 2 1 2 - 2 2 ． [ 5 ] 袁剑． 莺歌海盆地高温高压水溶相背景下天然气成藏 特征[ D ] ． 北京 中国石油大学 北京 ， 2 0 0 9 3 0 3 1 ． [ 6 ] 刘朝露 ， 李剑， 方家虎， 等． 水溶气运移成藏物理模拟 实验技术[ J ] ． 天然气地球科学， 2 0 0 4 ， 1 5 1 3 2 - 3 6 ． UU Z h a o - l u， L I J i a n， F ANG J i a h u， e t a 1 ． Ex p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n p h y s i c al s i mu l a t i o n o f g a s d i s s o l v e d i n w a t e r d u ri n g m i g r a t i o n[ J ] ．N a t u r al G a s G e o s c i e n c e ， 2 0 0 4， 1 5 1 3 2 3 6 ． [ 7 ] 陈安定 ， 李剑锋． 天然气运移 的地球化学指标研究 [ J ] ． 天然气地球科学， 1 9 9 4 ， 5 4 3 8 -6 7 ． C HEN A n - 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