准噶尔盆地三台油气田原油菌解气特征及成因.pdf

2 0 1 5 年 8 月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORAT1 0N AND DEVELOPM ENT V0 1 ． 42 No．4 4 25 文章编号 1 0 0 0 - 0 7 4 7 2 0 1 5 0 4 - 0 4 2 5 - 0 9 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D．2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 准噶尔盆地三 台油气 田原油菌解气特征及成 因 路俊刚 一 ，王力 ，陈世加 一 ，韩辉 一 ，张焕旭 ，黄囿霖 ， 何晓波 ，占盼 ，周世颖 ，章安然 ，李啸天 1 ．西南石油大学地球科学与技术学院；2 ．四川省天然气地质重点实验室 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3项目 “ 中国陆相致密油 页岩油 形成机理与富集规律基础研究” 2 0 1 4 C B 2 3 9 0 0 5 ；国家科技重大专项 “ 四川盆地致密油气成藏机理与富集规律” 2 0 1 1 Z X0 5 0 0 1 0 0 1 ；中国 石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发课题 “ 典型油气藏形成机制与模式” 2 0 1 4 A ． 0 2 1 4 摘要 通过综合分析天然气组分、碳 同位素组成和伴生原油的碳 同位素组成、饱和烃色谱、色谱． 质谱等资料，对准 噶尔盆地三台地 区天然气特征及其形成机制进行 了 研 究。三台油气田侏罗系天然气 乙烷碳同位素组成普遍较轻，原 油碳 同位素组成较轻、姥植 比较小，甾烷分布 以 C 2 和 C 2 8 甾烷含量较高、C 2 7 甾烷含量较低为特征，油、气主要来 自阜康凹陷二叠系平地泉组腐泥型烃源岩。天然气组成以甲烷为主，甲烷碳 同位素组成较轻，比典型的生物气重， 但 比热成因气轻；气藏埋藏较浅，与稠油伴生或邻近；伴生的稠油遭较强生物降解，出现 2 5 ． 降藿烷，表明三台油气 田侏罗系天然气属于典型的原油菌解气。微生物降解原油的过程是在细菌和热力学作用下由微 生物参与的一种水． 烃 反应， 产 甲烷菌利用 C O 和 H 2 优先对轻碳同位素进行还原反应产生碳同位素组成较轻的甲烷气。 含油气盆地中遭生 物降解的稠油和油砂分布广泛，原油菌解气藏具有良好勘探前景。图 7表 3参 2 8 关键词 准噶尔盆地；三台油气田；原油茵解气；天然气成因；碳同位素组成；微生物降解作用；水． 烃反应 中图分类号T E l 2 2 ． 2 文献标识码 A Fe a t ur e s a nd o r i g i n o f o i l de g r a de d g a s o f Sa n t a i fie l d i n J un g g a r Ba s i n ， NW Ch i na Lu J u ng a ng ， 2 W a n g Li ，C h e n S h i a ， 2 H a n H u i ， 2 Z h a n g Hu a n x u ， Hu a n g Y o u l i n ， He Xi a o bo ， Zh a n P a n ， Zho u S hi y i ng ， Zha n g An r a n ， Li Xi a o t i a n 1 ． S c h o o l o fGe o s c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S o u t h we s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S i c h u a n Ke y L a b o r a t o r y o f Na t u r a l G a s G e o l o gy， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e n a t u r a l g a s c o mp o s i t i o n ， c a r b o n i s o t o p e s an d a s s o c i a t e d o i l c arb o n i s o t o p e s ， s a t u r a t e d h y d r o c arb o n c h r o ma t o g r a ph y ,a n d g a s c h r o ma t og r a ph y ma s s s pe c t r o g r a p h y ,t h e f e a t ur e s a nd f o r ma t i o n me c h a n i s ms o f na t u r a l g a s i n Sa n t a i are a ，J u ng g ar Ba s i n are s t ud i e d ．Th e J u r a s s i c n a t ura l g a s i n S an t ai are a i s c h ara c t e r i z e d b y l i g ht e t h a n e c a r bo n i s o t o pe s ，and the f e a t u r e s o f a s s o c i a t e d O i l are l i g h t c a r b o n i s o t o p e s ， l o w P r ／ P h r a t i o ， h i g h C 2 9 a n d C 2 s s t e r ane v a l u e an d l o w C2 7 s t e r a n e v a l u e ， wh i c h s h o ws t h a t the h y droc arb o ns we r e ma i n l y d e rive d f r o m t he s a pr o p e l i c s o urc e r oc k o f the Pe rm i a n Pi ng d i q u an Fo rm a t i o n i n Fu k a n g s a g ．Th e n a t u r a l g a s c o mp o s i t i o n i s d o mi n a t e d b y me th an e ． T h e me t h an e c a r b o n i s o t o p e v a l u e o f t h e n a t u r a l g a s i s h i g h e r t h a n t h a t o f b i o g e n i c g a s ， b u t i t i s l o we r t ha n tha t o f t he r mo g e n i c g a s ． Na t ur a l g a s r e s e r v o i r s we r e b u r i e d s h a l l o wl y an d a l wa y s a s s o c i a t e d wi th o r c l os e t o h e a v y Oi l w h i c h w a s s u b j e c t e d t o s e ri o u s b i o d e g r a d a t i o n ， wi th o c c u r r e n c e o f 2 5 - n o r h o p ane ． A l l a b o v e i n d i c a t e t h a t t h e n a t u r a l g a s i n S ant a i a r e a i s t y pi c a l oi l d e g r a de d g a s b y ba c t e ria ． Bi o d e g r a d a t i o n was a p r o c e s s o fwa t e r - h 3 ， d r oc a r b o n r e a c t i o n wh i c h wa s a f f e c t e d b y the ba c t e ria an d the r mo d y na mi c s ． Th e me t ha ne ba c t e ria ma d e us e o f CO2 and HE t o r e d u c e l i g h t c arb o n i s o t o p e s p r e f e r e nt i a l l y t o g e n e r a t e me than e of l i g h t c arb o n i s o t o pi c c o mpo s i t i o ns ．Bi o d e gra d e d h e a vy o i l an d o i l s a nd a r e wi de l y d i s t rib ut e d i n the pe t r o l i f e r o us b a s i n，the r e f o r e ， r e s e r v o i r o i l d e gra d a t i o n g as ha s g o od e x p l o r a t i o n p r o s pe c t s ． Ke y wor ds J u ng g ar Ba s i n ； Sa n t a i fie l d ； O 订 d e gra d e d ga s ；na tur a l g a s o r i g i n；c arbo n i s o t o p i c c o mpo s i t i o n ；bi o de g r a da t i o n； wa t e r - h yd r o c a r bo n r e a c t i o n 0引言 近年来 ，中国在一些含油气盆地的浅层稠油分布区 相继发现了天然气藏 】 ， 这类天然气通常为干气， 其特征 与热成因天然气和典型生物气 明显不同，如其 甲烷碳同 位素组成 比典型生物气重 ，但 比热成因气轻；常以原油 溶解气、带油环气顶气或油藏上方气层气的形式出 。 】 。 研究发现这类天然气的成因与生物降解作用密切相关 ] ， 为原油遭生物降解后的产物。生物降解作用是原油稠化 的重要机制之一[ 】 ，世界上绝大多数油田都存在原油生 2 0 1 5 年 8 月 路俊 刚 等 准噶尔盆地三台油气 田原 油菌解气特征及成因 4 2 7 2油气来源 2 ． 1烃源岩 三台一北三台地 区为一长期发育的古隆起 ，本身 烃源岩不发育 ，油气主要来 自阜康 凹陷。阜康 凹陷主 要发育两套烃源岩【 】 二叠系平地泉组和侏罗系 包 括 J i b 、J l S 和 J 2 x 烃源岩。 平地泉组为半深湖一深湖相沉积 ，烃源岩有机质 丰度高 ，类型较好 以 I型和 I I 。 型为主 ，是准噶尔 盆地东部地 区主要供烃源岩[ 】 。阜康凹陷平地泉组烃 源岩在中晚侏罗世进人生烃 门限，早 白垩世进入成熟 阶段 ，古近纪早期进入高成熟阶段。该烃源岩生成原 油的碳同位素和生成天然气的乙烷碳 同位素组成较轻 小于一 3 0 ／ o o ，类异戊二烯烷烃中姥姣烷 占优势 ，姥 植比一般小于 2 ，烃源岩抽提物 C 甾烷和 C 2 8 甾烷含 量相当且均较高 ，而 C 2 7 甾烷含量较低。 中下侏罗统烃源岩以煤为主 ，有机质类型主要为 Ⅱ I 型 ，有机质丰度高但热降解生烃能力较差 。靠近阜 康凹陷中心的烃源岩在侏罗纪晚期进入生烃门限 ，在 白垩纪晚期达到生烃高峰 。该烃源岩生成原油的碳 同 位素组成和生成天然气的乙烷碳同位素组成较重 一 般大于一 2 8 ％ o ，姥植 比高 ，一般大于 2 ，部分甚至达 4 以上 ，烃源岩抽提物甾烷分布以 c 2 9 甾烷含量高、C 2 7 和 C 2 8 甾烷含量较低为特征[ 1 2 , 1 4 1 。 2 ． 2 天然气 组分 及碳 同位素组 成 2 ． 2 ． 1天然 气组分 三台油气田侏罗系齐古组不同井区、 不同砂层组天 然气组成特征基本一致 ， 普遍较干 ， 甲烷含量为 9 1 ． 5 1 ％～ 9 8 ． 3 4 ％，重烃 C 2 含量为 1 ． 2 3 ％～5 ． 1 9 ％，干燥系 数为 0 ． 9 5 ～0 ． 9 9 ，均值为 0 ． 9 8 见表 1 ，属典型干气。 表 1 三台油气田侏罗系天然气及周缘其他地区天然气组分及碳同位素组成 2 ． 2 ． 2 天然 气碳 同位 素 组成 如表 1 、图 2 所示 ， 三台油气 田侏罗系天然气甲烷 碳 同位 素组 成 普 遍 较轻 ，主 体 分布 在 一 5 1 ． 4 ％ o ～ 一 4 5 ． 7 ‰ ，比典型的生物气 甲烷碳同位素组成 一般轻 于一 5 5 ． 0 ％ o 重 ，明显不属于原生生物气 。北三台油田 与三台油气 田地质背景一致 ，构造演化和油气来源相 同，从北三台油田原油伴生气 为阜康 凹陷二叠系平 地泉组烃源岩成熟阶段的产物 特征来看 见表 1 、图 2，其 甲烷碳 同位 素组成 为一 4 5 ． 6 ％ o ～一 4 2 ． 9 ％ o ， 与之对 比，三台油气 田侏罗系天然气 甲烷碳同位素组 成 明显偏轻 ；而且 ，三台油气 田侏罗系天然气为典 型 的干气 ，说 明三台油气 田侏罗系天然气与北三台油田 - 2 6 - 28 一 3 0 3 2 - 3 4 T V cN 。 D区 ⋯⋯⋯⋯ 罩⋯⋯⋯一 o v 一一 o B区 。 T 0 0 AN。 。 V o o o 0 ”Cl ／ ％o 田三台油气田侏罗系天然气 回 北三台油田原油伴生气 团陆梁油气田白垩系原油生物降解成因气 图 2 三台油气田侏罗系天然气与周缘其他地区 天 然气碳 同位素 组成对 比图 4 3 0 石油勘探与开发 油气勘探 a 陆9 井 ，原油 ，1 1 8 6 ．O ～1 1 9 2 ．0i r l ，Kl h 2 ，饱和烃色谱 b 陆9 井，原油 ，1 1 8 6 ．0 ～1 1 9 2 ．0m，K1 h 2 ，萜烷m／ z 1 7 7 分布 c 陆9 井 ，储集层抽提物 ，2 2 2 9 ． 3 m，J 2 x，饱和烃色谱 d 陆9 井 ，储集层抽提物，2 2 2 9 ． 3 m，J 2 x ，萜烷m 1 7 7 分布 图 5 陆梁油气田深、浅层原油饱和烃色谱和萜烷 m ／ z 1 7 7分布图 T 1 6 井 、T 2 0 井和 T 2 5井也有类似现象 。 3 ． 2 ． 4伴生原油的生物降解特征 如图 6 所示 ， 三台油气田稠油大部分遭生物降解 ， 正构烷烃严重损失 ，甚至出现了 2 5 ． 降藿烷 见图 7 。 据文献报道[ 】 ，温度在 8 0℃以内，厌氧条件下 ，微生 物可降解原油并生成 甲烷气 。研究区地热梯度相对较 低 ， 为2 ． 1 C ／ 1 0 0 m， 目前侏罗系地层温度为 6 0 8 0℃， 符合厌氧条件下生物降解的条件。 a T1 0 井，J 3 q ，2 0 9 6 ． 5 ～2 2 1 0 ． 0m， b T 2 0 井 ，J 3 q ，1 8 8 0 ． 5 ～1 9 0 8 ． 0 m， c T 2 5 井 ，J 3 q ，2 0 4 5 2 0 5 9 m， d T 4 9 井 ，J 3 q ，24 3 3 ． 9 8 m 稠油 ，密度0 ． 9 1 g ／ c m3 稠油 ，密度0 ． 9 2 g ／ c m 稠油 ，密度0 ． 9 0 g ／ c m 灰色 中砂岩抽提物 f T 3 6 井 ，J 2 t ，2 3 5 2 ～2 3 6 0 m， g T 6 1 井 ，J 3 q ，2 0 0 2 2 0 1 0m， h T 1 6 井 ，J 3 q ，2 1 2 2 ． 6 3 ～21 2 5 ．0 4 m， 稠油 ，密度0 ． 9 2 g ／ c m3 稠油 ，密度0 ． 9 1 g ／ c m 灰色中砂 岩抽提物 三台油气田侏罗系气藏底部稠油及储集层抽提物饱和烃色谱图 综上所述 ，三台油气 田侏罗系天然气组成干 ，属 典型干气 ；甲烷碳 同位素组成为一 5 1 ． 4 ‰～一 4 5 ． 7 ％ o ，轻 于该 区原油伴生气 ，但 比典型的生物气重 ；气藏埋藏 较浅 ，与稠油伴生或邻近；伴生稠油均遭较强生物降 解 ，正构烷烃全部或大部分被降解 ，出现 2 5 - 降藿烷 。 天然气组分组成 、碳 同位素组成及其伴生原油特征与 准噶尔盆地陆梁地区白垩系气藏特征基本一致 ，属于 典型的原油遭生物降解成因气 。 4原油菌解气成因机制及其地质意义 4 ． 1原油菌解气特征 目前对原油遭生物降解作用产生的天然气有多种 称谓 ，主要包括稠油降解气和二次生物气 次生生物 气 。笔者认为 ，上述两种称谓均未能对原油遭生物 ● 儿 ● k ， 图 m 2 三 ．勋 密 鳓 ㈤ 2 0 1 5年 8月 路俊刚 等 准噶尔盆地 三台油气 田原油菌解 气特征及成 因 4 3 1 a B 4 7 井 ，J 2 t ，1 9 2 3 ． 1 3 m，砂岩抽提物 b T 4 9 井 ，J 3 q ，2 4 3 3 ． 9 8 m，油浸中砂岩抽提物 图 7 三台油气田侏罗系储集层抽提物萜烷 m／ z 1 7 7分布 降解而产生的天然气进行完整概括。首先 ， “ 稠油降 解气”概念并未指出稠油降解的主体是细菌作用 ；此 外 ，生物降解过程中原油稠化的程度受生物降解程度 的控制 ，在生物降解程度较轻的情况下 ，原油可能尚 未稠化到形成 “ 稠油 ”的程度。其次 ， “ 二次生物气 次生生物气 ”概念未能 突出生物 降解 的物质 为 “ 油藏中原油 ”这个基础。笔者认为 ，对于油藏 中原 油遭生物降解产生的天然气应定义为 “ 原油菌解气 ” 更为恰 当， 这个概念不仅突出了生物降解的物质基础 ， 也突出了降解作用的主体 微生物 。 基于原油菌解气成 因的特殊性 ，其特征既不同于 原生生物气 ，也不同于热成因气 ，具有特殊的地质地 球化学特征 ，主要包括以下几点 ①天然气组分组成 往往较干 ，甲烷含量通常大于 9 5 ％；② 甲烷碳 同位素 组成轻 ，通常小于一 4 5 ％ o ， 介于热成 因甲烷和典型生物 甲烷之间；③气藏埋深小 ，一般小于 2 5 0 0 m，地层温 度低于 8 0℃；④与生物降解油伴生或邻近，生物降解 油一般为烃源岩低成熟一成熟阶段产物 ；⑤通常含有 一 定量 N2 和少量 C O2 气体， 且 C O2 碳同位素组成通常 较重 [ - 。 4 ． 2 原油菌 解气形成 机制 过去对于原油菌解气的研究及其认识往往只局限 于喜氧细菌降解的层面[ 2 0 - 2 1 ] ，大量的实验也是基于喜 氧细菌对原油的破坏作用展开的 ，认为是因为油藏保 存条件差 ，氧气进入油层 ，导致喜氧细菌大量繁殖并 伴随原油的快速降解 ，但对油层在缺氧条件下厌氧细 菌的降解作用研究较少。实际上 ，地下原油的生物降 解过程包括了有氧环境和缺氧环境两个阶段 。细菌对 原油的降解作用具有典型的两面性 ，它既能使原油品 质变差 ，又可生成某些轻组分烃类 主要是 甲烷 ， 在具 良好保存条件的部位形成规模较大的气藏 原油 菌解 气藏 。 地下原油的生物降解过程除受油层温度、原油本 身特征控制外 ，还受油层 中氧气含量 、细菌种群等因 素影响 ，油层中氧气充足时，喜氧细菌的降解作用 占 主导地位 ，随着氧气 的缓慢耗尽 ，厌氧细菌大量繁殖 并主导后续的降解过程 ，因此喜氧和厌氧微生物共 同 主导了原油菌解气的形成。 L a r t e r等研究指出[ 4 - 5 ] ，微生物对原油组分的降解 具有明显的选择性和时序性 ，首先消耗的是正构烷烃 ， 原油遭轻微生物降解时 降解级别为 1 ～2级[ 6 】 ，低 分子量正构烷烃 C 一c 损失更大；当原油遭轻度 生物降解时 降解级别为 2 ～3级[ 】 ，原油中的 c 一 c 正构烷烃大量损失 ，随着降解程度的进一步增大， 高分子正构烷烃甚至其他类型化合物开始损失[ 5 】 ， 因此 原油遭生物降解往往导致其密度 、黏度增大。 随着地层中原油遭喜氧细菌和厌氧细菌的先后降 解 ，原油变稠 ，伴随产生大量 C O 。同时 ，地层 中的 硫酸盐还原菌和发酵菌继续降解原油中的烃类而产生 H及乙酸 ， 并再次通过水解作用而产生大量 H2 。最后 ， 产 甲烷菌利用 C O 和储集层内的 H2 还原产生 C H 。 产 甲烷菌属于典型的厌氧细菌 ，其在生成 甲烷的过程中 优先消耗轻碳同位素 C，导致形成的原油菌解气 甲烷碳同位素组成较轻[ 9 】 。 综上所述 ，原油菌解气 的形成过程实际上是地层 条件下存在微生物 后期主要是厌氧细菌 参与的一 种水． 烃反应 。在细菌 包括喜氧细菌和厌氧细菌 降 解原油 的过程中，原油品质变差 、稠化 ，同时伴随甲 烷气 厌氧环境下产甲烷菌 的作用 的生成。因此 ， 原油菌解气藏往往分布在稠油 生物降解残余油 区 或邻近稠油区，这也是原油遭生物降解成气必然导致 的结 果 。 4 ． 3 原油 菌解气 地质 意义 F i n k e l s t e i n 等研究指出[ 2 ， 超过 5 0 ％的油气田曾遭 受过生物降解作用 。准噶尔盆地 自形成至今遭受多期 构造运动的影响， 原油遭生物降解的现象普遍存在[ 2 3 - 2 5 】 。 盆地西北缘 、腹部 、陆东和准东地区中上侏罗统和 白 垩系均发现具严重生物降解 的稠油分布 ，且因地热梯 度低 ，储集层温度普遍处于小于 8 0℃的范围内，从成 藏至今一直处于厌氧细菌的降解过程中，产生了大量 天然气 ，可形成资源量可观的天然气藏 。据研究 ，准 噶尔盆地 西北缘浅层聚集 的原油菌解气储量预计有 1 0 00 1 0 m [ 钔 一 4 3 2 石油勘探 与开发 油气勘探 V b 1 ． 4 2 No ． 4 在中国其他含油气盆地中，原油菌解气也有巨大 勘探潜力 。松辽盆地西斜坡、长垣及其南部地 区均发 现了原油菌解气藏 ，如阿拉新气 田、二站气 田、平洋 气 田等【 ， 刚 。据不完全统计 ，目前在松辽盆地探明的原 油菌解气地质储量已超过 3 0 0 x 1 0 m。 [ 2 7 ] 。此外 ，在塔 里木盆地、柴达木盆地、吐哈盆地 、四川盆地和渤海 湾盆 地 中浅层 发现 了大 量稠 油[ 引 ，在 羌 塘盆地 及 中国 南方广西、贵州及浙西等地方发现了大量分布的油砂 ， 这些稠油和油砂普遍具有生物降解特征 ，生物降解过 程中可产生大量天然气 ，只要存在较好 的封盖条件便 可成藏。这类天然气藏资源量 巨大，可有效拓宽天然 气勘探领域。 5结论 三台油气 田侏罗系天然气 乙烷碳同位素组成主体 小于一 3 0 9 ／o o ； 油气藏底部及其周缘地区原油碳同位素主 体小于一 3 0 ％ o ，姥植比较小 ，为 1 ． 2 1 ～1 ． 5 7 ，甾烷分布 以 C 2 9 甾烷和 C 甾烷含量较高、C 2 7 甾烷含量较低为 特征 ，油气主要来 自阜康凹陷的平地泉组腐泥型烃源 岩。天然气组成 以甲烷为主，干燥系数均值为 0 ． 9 8 ； 甲烷碳 同位素组成较轻 ，比该 区周缘构造原油伴生气 轻 ，但 比典型的生物气重 ；气藏埋藏较浅 ，与稠油伴 生或邻 近；伴生的稠油遭较强生物降解 ，正构烷烃全 部或大部分损失 ，属于典型的原油菌解气。 微生物降解原油的过程是在细菌和热力学作用下 由微生物参与的一种水一 烃反应 ，喜氧和厌氧微生物共 同主导了原油菌解气的形成过程。细菌对原油组分 的 降解具有选择性和时序性 ，随着降解作用的进行 ，原 油品质变差 ，后期产甲烷菌利用 C O 和 H 优先对轻 碳 同位 素进行还原反应产生碳 同位 素组 成较轻的 甲 烷气。 原 油菌解气在封盖 条件较好 的储集层 中可形成 规模气 藏 ，含油气盆地 中遭生物 降解 的稠油和油砂 分布广泛 ，资源量 巨大，原油菌解气藏具有较好勘探 前景。 参考文献 [ 1 】 戴 金 星，秦胜 飞，陶士振 ，等 ．中 国天 然气 工业发 展趋 势和 天 然 气 地 学 理 论 重 要 进 展 【 J ] _天 然 气 地 球 科 学 ，2 0 0 5 ，1 6 2 1 2 7 ． 1 4 2 ． Da i J i n x i n g ， Q i n S h e n g f e i ， T a o S h i z h e n ， e t a 1 ． D e v e l o p i n g t r e n d s o f n a t u r a l g a s i n d u s t r y a n d t h e s i g n i fic a n t p r o g r e s s o n n a t u r a l g a s g e o l o g i c a l t h e o r i e s i n C h i n a [ J ] ． Na tu r a l G a s Oe o s c i e n c e ， 2 0 0 5 ， 1 6 2 l 2 7 一 l 4 2 ． [ 2 】 朱 光有，张水 昌，赵文智，等．中国稠油 区浅层 天然气地球 化学 特 征 与成 因机 制[ J ] ．中国科学 D 辑 地球科 学，2 0 0 7 ，3 7 s 2 8 O - 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