中国石油勘探 2002年3月 China Petroleum Exploration 第7卷第l期 冀中坳陷北部天然气类型 成藏模式及成藏条件研究 梁宏斌降栓奇杨桂茹淡伟宁王文英 (华北油田勘探开发研究院,河北省任丘市062552) 摘要:从天然气的地球化学特征入手,结合天熊气飖的地盾环璄.划分岀生物成因气、生物改造气、生 热催化过渡带气、热解气、煤成气和爍层气等种成因类型的氏然气。以此为线索,深入剖析了各类天然气的形成条件 及形成机制,总结了持续沉降髙濱化气、二次丛气、浅蜃运移、生物一热催化作用和浅层(后期式)生物作用等5种成 藏模式,发现了煤成气和汉第三亲气源岩的天然气两种成藏序列,对天然气勘探具有重要的指导意义。 关键词:冀中蚴陷天然气类型成藏条件成藏序列成藏模式 冀中坳陷天然气勘探沉寂十余年之后,于“九五”开拓了人们的视野,认识到古生界是寻找高产富集气藏 后期迎来了天然气勘探第二高峰,在成藏条件研究方面的重要领域。 也取得了一定的进展 (2)重大突破阶段(1980~1989):以苏桥油气田 的发现为代表,其间天然气勘探几乎年年都有新的发 1勘探历程 现,如永清和别古庄气藏等。特别是1982年位于文安 斜坡上苏桥油气田及1984年文安油气田的发现,不仅 冀中北部包括廊固、武清、霸县三大凹陷及其周邻进一步丰富了坳陷内的成气理论,而且使储量也上了 地区,总面积约1100km2。它是华北油田主要油气生产个很大的台阶。1985年l1月实现了向首都北京的正式 区之一,数十年的油气勘探积累了丰富的地质资料和分供气,从而使冀中均陷天然气勘探和开发进入了一个新 析化验数据。已完成l:20万重、磁、电勘査,二维地震的阶段。截至1989年底,探明天然气藏15个,含气面 勘测覆盖全区,测网密度(lkm×Ikm)-(2kmx4km),积49.4km2,天然气储量1823×10ym3。 部分油气区还完成了三维地震和高精度重力勘探,完成 (3)徘徊不前阶段(1990~1998):“八五”以来, 各类钻井近1500口。截至2000年底,已探明天然气地虽然进行了一系列的天然气地质研究工作,除大城煤层 质储量282.17×10m3。回顾冀中坳陷北部天然气勘探气初见端倪外,其他地区并未获得进展。至1996年底, 历程,大致分为四个阶段 探明天然气藏16个,含气面积46.5km2,天然气储量 (1)初期探索阶段(1966~1979):以河1井、霸178.24×10m3 21井获工业气流为标志。1966年3月位于廊固凹陷凤 (4)二次突破阶段(1999年至今):以苏49气藏和廊 河营地区的河1井在上第三系首次获得工业气流,日产固凹陷旧州一固安构造带浅层生物气的发现为标志。1999 天然气4×10m3,发现了坳陷内的第一个天然气藏:年,霸县凹陷文安斜坡北段的信安镇北潜山(苏49)于奥 1977年8月位于霸县凹陷顾辛庄潜山的霸21井在奥陶陶系碳酸盐岩喜获高产油气流。之后,又在廊固凹陷的旧 系地层中获日产天然气27.3410m3,这是冀中坳陷州、柳泉、河西务等构造带发现数个浅层气藏,从而使华 的第一口高产气井。该阶段虽然实现了天然气勘探零的北油田天然气储量大幅度增长,探明天然气地质储量约 突破,但地质储量小,难以形成规模,然而在认识上则100×10m3,形成了天然气储量增长的第二个髙峰 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://ww.cnki.ner
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中国石油勘探 2002年3月 2天然气基本地质条件 母质类型较差、成熟度偏低,致使可溶有机质含量较低, 氯仿沥青“A”平均为00730‰,总烃为610×106,为 21两套主要气源岩是天然气藏形成的物质基础 套中等一好烃源岩 冀中北部主要发育石炭系煤系和下第三系暗色泥岩 下第三系暗色泥岩在不同地区具有不同的埋藏史和 两套气源岩 热演化史,因而在不同的地质条件下形成了多种成因类 石炭系煤系烃源层主要分布在冀中均陷东北部的大型的天然气。 城凸起、霸县凹陷、武清凹陷和廊固凹陷河西务地区。 霸县凹陷苏桥一文安地区煤层厚度一般在10-25m;暗22储集层发育、物性好是获得高产气流的关键 色泥岩厚度一般在200m左右。石炭系煤系为一套好气冀中坳陷发背多套天然气储集层自下而上有奥陶 源岩,煤岩的有机碳平均含量为50.14%,暗色泥岩的系碳酸盐岩、二歪系妙岩、下第三系的沙四、沙三、沙 有机碳平均含量为265%,碳质泥岩的有机碳平均含量二、沙一段和上第三系明化镇组,均获得了工业气流。 为1543%;煤岩、暗色泥岩和碳质泥岩的生烂潜力平 奥陶系碳酸盐岩:是冀中坳陷天然气的主要产层 均分别为l145mg/g、305mg/g和347g/g;氯仿占探明天然气储量的60%以上奥陶系碳酸盐岩储集层 沥青“A”平均值分别为20548%、0.1037%、0.1988%;在沉积期形成的原生孔隙大部分消失,但经成岩后生作 总烃则为4796×10、296×106、588×106。燕山用,特别是表生期淋滤溶蚀作用和构造应力作用的改 期末,煤系气源岩的R值约为05%~07%,未达到排造,产生了大量的溶蚀孔洞和构造缝据岩心及铸体薄 烃高峰;喜山期凹陷内的煤系被大幅度深埋,热演化程片观察,常见的储集空间按形态、大小和成因可分为 度进一步加大,从而具备二次生烃条件,提供了丰富的洞、缝、孔三类。奥陶系碳酸盐岩储集层的发育具有明 煤成气资源 显的规律性 下第三系沉积旋回最厚近万米,从孔店组底部的红 1)随着埋深的增加,溶洞裂缝型的储集类型减 层、砾石层充填式堆积,发展到沙三段中部以暗色泥岩少,微缝孔隙型储集类型增加。这反映出浅层碳酸盐岩 为主的湖相沉积,最后到东营组末期的漫滩红层堆积,潜山油气藏,岩溶发育,深层(埋深>3500m)潜山碳 构成了一个粗一细粗、红一黑一红、浅深一浅的完酸盐岩油气藏岩溶不发育。 整大旋回。冀中北部主要发育沙四一孔店和沙三段两套 (2)奥陶系之上若无石炭一二叠系覆盖,岩溶充分, 暗色泥岩。 大缝大洞发育,多为溶洞裂缝型的储集类型,若有石炭 沙四—孔店组烃源层最厚可达200m,孔店组上部一二叠系覆盖,因埋藏较深,岩溶不发育,多为微缝孔 含膏,沙四段中上部夹砂砾岩和火山喷发岩。廊固和坝隙型的储集类型。目前所探明的气藏均分布于石炭一二 县凹陷的有机碳含量多大于1%,氯仿沥青“A”大多数叠系覆盖区,孔、渗条件并不十分理想。据苏桥潜山(苏 大于02%,为中等一好烃源岩。有机质类型以Ⅱ2-Ⅲ1-4井)凝析油气藏岩心分析,平均孔隙度为269%。岩 型为主,干酪根H/C原子比较低,一般小于1.2。 心上微裂缝十分发育,缝宽一般为10~260μm,但绝 沙三段是冀中坳陷的主要生油气层段,整个冀中北大部分被完全充填。这些特征说明,该潜山储集空间 部凹陷带内沙三段暗色泥岩都很发育北部廊固凹陷暗色主要为孔隙和微裂缝,物性为低孔低渗。在开发动态 泥岩最厚,可达280m以上,主要集中在沙三中、下段,上,该类型油气藏关井压力恢复曲线呈陡峭型。如苏 泥岩连续厚度大,砂岩夹层少,较深湖相发育;霸县凹1井关井后700min才开始出现压力稳定点,压力恢复 陷夹多层页岩和碳质泥岩。该套暗色泥岩的有机质丰度缓慢计算渗透率为(23~41)×103pm2。采油指 高,霸县凹陷有机碳平均值为235%,氯仿沥青“A”平数为0.38-09t/(0.MPa·d),反映出微缝孔隙型低渗 均值为01152%,总烃平均值为1064×10,均达到了好透性油气藏的特点。但是,该类储集层易于改造,经酸 烃源岩的标准廊固凹陷有机碳平均为120%,但由于其化压裂后,一般可获得(10-20)×10m2的工业产能。 201994-2007chinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nwww.cnki.ner
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第7卷第1期 梁宏斌等:冀中坳陷北部天然气类型、成藏模式及成藏条件研究 二叠系砂岩:储集层位于上石盒子组下部,在区域细封闭和浓度封闭,二次生烃区还具备超压封闭,是研 上为差储集层但苏桥一文安地区二叠系上石盒子组具究区最好的盖层。从分析数据推测,其排替压力大于 有好的储集条件,主要表现在: 5MPa,可以封闭500~1000m的气柱。苏4井潜山气藏 (1)处在河流相的主河道位置,砂层发育,岩性好,气柱高度为504m,说明了该套盖层封闭的高效性。 产气层都以块状砂岩为特征,厚度较大,单层厚度可达 2)二叠系上石盒子组大砂岩顶部泥岩段,由于有 9-14m(苏20井),往东西两侧则处在边滩和漫滩位机质含量低,不具生烃能力,不具备浓度封闭,其封闭 置上,分叉变薄,出现泥砾,单层厚度只有4-8m。(苏能力比煤系地层差。但由于该套泥岩分布稳定,厚度 18井)。苏23井单层厚度也只有5-6m。苏20井为纯大,处于晚成岩早期,应具一定的封盖性能。已知气藏 石英含砾粗砂岩,石英占陆源矿物成分的含量高达的气柱高度,如苏20并为122m,文23井为162m,如 91%;泥质以髙岭土为主,只占胶结物的8% 果不是气源不足造成的,那么该套盖层的最大封闭能力 (2)地史时期曾大幅度抬升,遭受风化淋滤。岩石不会超过200m气柱。因此,二叠系大砂岩应寻找低幅 颗粒溶蚀现象较普遍,而且方解石交代碎屑后的戣余物庋豳闭,高幅度圈闭形成气藏的规模较小。 被溶蚀后形成的溶孔也较明显,胶结物也被容蚀,胶结 (3)下第三系盖层在地层层位方面,以ES4F、ES3 类型为孔隙式和接触式,孔噥发育, Es3和沙一泥岩发育段较好;在埋深上,廊固凹陷 (3)具有较好的物性,从苏20井压汞物性对比中可以1600~2300m和3000~3550m具备超压封闭,盖层 以看出,3767.5~3687m气层段物性较好,面孔率达条件较好,其中后者优于前者。霸县凹陷则为2400 13.33%,喉道半径可达3:02μm,孔隙度达164%,渗2600m,2900-3100m,3800m以下为有利区带。已知 透率达224426m2,但在纵向上,在气层段以下的地气藏的最大气柱高度,曹5井埋深3600m以下为284m, 层(水层)中,都显著变差,面孔率仅354%,渗透率京51井埋深l500m为230m,其盖层满足了成藏要求。 只有5.23×10-3um2。 但廊固凹陷多为高角度圈闭,在钻探时必须考虑盖层可 (4)电性特征表现出好的物性以苏20井为例,自封存的最大气柱高度,以钻探圈闭的较高部位最佳 然电位呈箱状,自然伽马很低,为33~45mV,反映了 4)地层压力系数分布规律表明,凤河营、旧州 好的渗透性能,声波时差达260μs/m,声波孔隙度14%,固安、别古庄、中岔口压力系数低,对盖层要求不高, 大者达156% 易于成藏;而柳泉、王居、琥珀营、杨税务、廊东沙三 (5)产量高,苏20井该套产层日产油104t,天然气段地层压力系数高形成具一定储量规模天然气藏的难 219×10m3。 度大。如果高压区存在低压带,也应为有利的勘探区。 下第三系砂岩:目前发现的下第三系天然气藏埋深 一般小于2500m,处于早成岩阶段B期。砂岩颗粒间以3天然气成因类型 线接触为主,原生粒间孔较发育,其次为方解石溶解形 成的粒间溶孔,少量长石溶蚀形成的粒内溶孔。孔隙度 不同地区由于构造发育源岩母质类型和热演化过 32%~34.2%,平均20.4%,渗透率(0.02~11497) 程的差异,天然气成因类型千差万别,表现出明显的差 103μm2,平均46.8×10-3μm2。该套储集层的产能异性。根据天然气的组分、同位素组成和伴生轻烃等综 般可达到4×10m3以上 合判别标志,将冀中北部的天然气划分为6种类型 23良好的保存条件是天然气藏形成的保障 31生物成因气 冀中坳陷北部发育三套区域性盖层,其封存性能和 生物成因气指有机质演化早期阶段,微生物群体的 特点各不相同: 发酵和合成作用而形成的以甲烷气体为主的天然气廊 (1)石炭一二叠系本溪一山西组煤系具备较好的毛固凹陷在浅层已发现的40余口工业纯甲烷气流井中 2 01994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htp: /hnnw. cnki ner
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中国石油勘探 2002年3月 部分为较典型的生物成因气 cH含量/% 可将廊固凹陷的天然气明显划分为四种成因类型 (图1),生物气位于图中的A区。气藏的埋深一般小于 1700m,以泉99井和固13井为代表,其地化特征主要 泉36泉7 有以下几点: 生物气1生物改 泉104|·泉103 新泉4“新泉 8C1/ 22 安46 安313(Es1) 69-11 京39(Es4 1750m 3500 4500 图2廊固、霸县凹陷天然气CH4含量与埋深关图 Fig. 2 The relationship between natural gas CHa content and burial depth in Langgu and Baxian sags 固15 的运移特征。图1中凊楚地反映出生物改造气埋深浅于 图1廊固凹陷天然气δuc1与埋深关系图 1750m,甚至比生物气更浅一些。其主要地化特征如下 Fig. I The relationship between natural gas 8CI and (1)湿气含量低,甲烷碳同位素分布范围较宽。 burial depth in Langgu sag 甲烷含量大于95%,湿气含量低,均小于5%,气组 A一生物气区:B一生物热催化气区 C一热解气区:D一生物改造气区 分特征与生物气相近。但其甲烷碳同位素比生物气重,分 布范围宽(-35%~-51‰),大多数介于-41%~-45‰之 (1)天然气组分中,甲烷含量大于95%,以新泉2间,相当于热解气的同位素范围(图3)。徐永昌对我国 井为例,其甲烷含量达9904%(图2)。 改造气研究发现,碳同位素变化不大,与相应原生气 (2)甲烷碳同位素较轻,这是生物气最典型的特征致。这一认识与廊固凹陷的实际相吻合,说明生物改造 之一。δ"C一般为-5%‰~-60‰,最轻可达-61.7‰气是深部热解气运移到浅层后,经生物改造形成的。 (泉99井)。 从京9井断块构造剖面中可以看出,下第三系断层 (3)以纯甲烷气藏为特征,一般没有伴生轻质油错综复杂断层形成时间多在东营组沉积末期至馆陶组 或凝析油。 沉积时期,这个时期正是下第三系大量油气生成和运移 时期,它一方面破坏了早期油气藏,另一方面也沟通了 32生物改造气 深部油气向浅层储集层运移的通道,使深部油气沿断面 正常热演化形成的天然气经后期生物作用,使某运移到浅层。另外,再加上东营期末长时间的生物(细 些地化特征发生变化而重新形成的天然气,具有明显菌)改造,形成诸多断块状小型浅层甲烷气藏 2 01994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htp: /hnnw. cnki net
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第7卷第l期 梁宏斌等:冀中坳陷北部天然气类型、成藏模式及成藏条件研究 21 油比的增加,油的相对密度不是降低,而是增高(图4)。 同样,正常油气的甲烷含量随着向凝析气或湿气的演 化,甲烷含量越来越髙,到过成熟阶段才变成纯甲烷 气,但是生物改造气是随着油的相对密度增大而变成纯 甲烷气(图5),说明它们是生物改造气,而不是早期成 岩阶段的生物成因气。 33生物一热催化过渡常天然气 该类天然气是近几年提出的一种新的天然气成因 类型。永昌等对辽河盆地天然气的地球化学特征研 5生物成因气 生物改造气 究过程甲,发现了一组地化特征介于生物气和热催化 湿气含量/% 生物一松催化气气(热解气)之间的过渡类型的天然气。 Stahl(1975) ●热解气 c煤成气 Schoell(1983)等把具有这种特点的气体划为生物气 和热催化气二者的混合气。通过深入研究认为,该类气 体在形成机制上既不同于生物气,也不同于热催化气, 图3冀中坳陷天然气中甲烷碳同位素与湿气含量变化关系图应划分为一个新的成因类型,即生物一热催化过渡带 Fg3 The relationship between natural gas methane C isotope气。并初步把过渡带气的特征归纳为:甲烷碳同位素轻, and wet gas content in Jizhong depression 61C1为-55‰~-46‰,有一定量乙烷以上的重烃 C1/(C1~C5)为070~098,R为0.4%~0.55%,个别 (2)生物改造气常与生物降解油伴生。 达0.7%,埋深可达3000m。有人也将这种天然气称为 这种生物降解油的相对密度大于09,在饱和烃色低熟气 谱中,正构烷烃全部被吃掉,例如京225井油的正构烷 通过对冀中坳陷天然气地化特征研究,发现也存在 烃几乎被全部吃掉,只剩下环烷烃,异构烷烃(姥鲛烷、该种类型的天然气,同时也具备形成该类天然气藏的地 植烷等)也不明显。也有的正构烷烃正在被吃掉(如别质条件。平面上,它主要分布于冀中北部的廊固、霸县 古庄油田),生物降解油之上带甲烷气顶。 凹陷;垂向上分布于1800-3200m,大多在2000 3)生物降解油的成熟度较高,运移距离较远。3000m,这是受母质类型的差异和地温场的不同所决定 该种降解油虽然埋深浅,但成熟度较高。例如京9的。其有机地化特征为: 井断块上京225井生物降解油的20/(20S+20R)C2 (1)天然气甲烷碳同位素、氢同位素较轻 为3273%,(5β+14阝)/C2为4271%。22S22RC3 图6表明,该类天然气的C除比生物气重外,比 也大于1,表明原油已经成熟,而ββ峰特别高,表明其他各成因类型的天然气轻,在-46‰~-55‰之间,大 运移距离比较远。这种生物降解油的甾烷、萜烷、生物部分为48‰~-52‰;氢同位素也较轻,小于-200 标志物可与附近或深部未受生物降解的原油对比,京9最小可达-239%(泉30),一般在-210‰~-225‰之间。 井断块的油可与北部京57井沙四下段或务7井沙四上 (2)天然气组分中湿气含量较高 段的原油对比,它们的整体峰型很相似。表明生物降解 甲烷含量相对低,湿气含量高是生物一热催化气 油是来自深部的成熟油气 的重要特征。天然气的甲烷含量比其他各类天然气都 (4)气油比较大,具反常的油气演化趋势。 低,甲烷含量小于77%,温气含量平均在20%~30% 生物改造气藏中气油比常常很大,达2000~C1/(C1~C5)分布范围大,为067~0.87 10000m3/m3。它与正常油气的演化趋势不同,随着气 (3)常与轻质油或凝析油伴生。 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.ner
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