第49卷第2期 Vol, 49 2003年 地质论评 GEOLOGICAL REVIEW Mar.2003 柴达木盆地三湖地区第四系生物气的 形成途径与运聚方式 张晓宝1)徐自远2)段簌1)马立元1)孟自芳1)周世新1)贺鹛2 1)中国科学院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室,7300 2)中国石油天然气总公司青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃敦煌,735200 内容提要柴达木盆地三湖(台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖)地区第四系生物气区是我国最大的生物气区。 笔者系统采集了该气区21个天然气样品,测量了其组分和碳回位素组成,重点探讨了生物气形成途径和运聚方式 生物气。C1和。Cc2均随深度增大而变重,显示了CO2还原途径成气的特征生物气oC、aC2和8D分布与CO2 还原方式形成的生物气的相应同位素值分布范围接近。在有关或因图解中这些数据主要位于CO2还原途径成气范围 内。生物气CO2和CH4之闯的碳同位素分溜系数a>1.055,具有CO2还原途径成气的特征。柴达木盆地第四纪干旱 的古气候、较低的亡温肥、较峂的沉积速率和水体中较高的硫酸盐含量使得甲烷菌的大量繁殖只能在较大的深度范 围内才能实现,从而,有利于CO2还原途径成气作用进行。涩北一号、涩北二号气田生物气83C1组成分布可能表明 生物气形成以后沿疏导层水平运移进入气藏,基本不存在垂向运移。该项研究对于进一步深入探讨生物气成因、形 成条件,确定生物气模拟实验方式与条件,计算生物气资源量,建立成藏模式和选择天然气有利勘探区块均具有重 要价值 关键词生物气CO2 途径运聚方式柴达木盆地 柴达木盆地台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖地 区①(三湖地区①)第四系生物气区是我国最大的生1地质背景 物气区,也是西气东输工程的主力气区之一。本区生 柴达木盆地为我国西部中、新生代大型内陆山 物气资源量为2937.6×10°m3,目前已发现5个气田间盆地生物气区位于盆地东部三湖坳陷(图1)中 (其中3个为中型气田)和一个含气构造(戴金星等,该坳陷在第四纪2Ma左右的地史时期内强烈沉降 1996)。在第四系中发现如此丰富的天然气资源,这快速沉积了巨厚的咸水湖相夹沼泽相的第四系,最 在全世界是十分罕见的。自该气区发现以来,我国学大厚度超过3200m,下部发育有1500m大套生气岩, 者(戴金星等,1993,1996;顾树松等,1993;周翥虹其中还夹有可作为较好储层的泥质细砂岩和粉砂 等,1994;陈英等,1994;戚厚发等,1997)已在该气区岩,组成自生自储的成气组合第四系暗色泥质岩、 生物气成因和气源方面做了大量工作,但对于生物碳质泥岩及碳质页岩是本区的气源岩。气源岩平均 气的成气途径研究较少。陈英等(1994)曾提及柴达有机碳含量为0.3%左右,其中滨湖沼泽相碳质泥岩 木盆地生物气碳、氢同位素组成具有CO2还原途径和碳质页岩有机碳平均为906%,最高可达 成气的特征,但尚未见到较系统的报道。目前,也没1899%。气源岩有机质类型以陆源腐殖型为主,含 有检索到从气体地球化学角度探讨柴达木盆地生物腐泥腐殖型,仅含少量混合型(戴金星等,1996)。三 气运聚方式的文献。笔者在该气区主要气田—涩湖坳陷自北向南可分为北斜坡区、中央凹陷区和南 北一号和涩北二号气田分气层组进行了系统采样,斜坡区。涩北一号和涩北二号气田位于北斜坡区内 测试了其组分和碳同位素值,并结合生物气形成的(图1)。根据涩北一号和涩北二号气田气层特征,自 地质地球化学条件,综合研究了其成气途径 上而下划分了0、I、I、Ⅲ、Ⅳ、V等6个气层组。 注:本文为中国科学院资源环境领域知识创新工程重大(重要方向)项目(编号KZCX2-111)和国家自然科学基金项目(编号49972051, 40172053)资助成果 ①有文献称台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖地区为“柴达木盆地东部”但与地理位置不符,故本文称为三湖地区, 收犒日期:202-01-07;改回日期:2002-08-27;责任编辑:周健 作者简介:张晓宝,男,1958年生。1982年毕业于长春地质学院,1991年和1998年分别在中国科学院兰州地质研究所获硕士学位和博士学位 现任中国科学院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室研究员,主要从事天然气地质地球化学研究。通讯地址:730000,甘肃省兰州 市东岗西路324号,中科院兰州地质研究所
第2期 张晓宝等:柴达木盆地三湖地区第四系生物气的形成途径与运聚方式 斜 08:6213km 图1柴达木盆地三湖地区构造分区与气田分布图 Fig. 1 Tectonic divisions and distribution of gas fields in the eastern part of the Qaidam basin 1—老山界线;2一构造分区界线;3-第四系等厚线(m)4一背斜圈闭;5逆断层;6-井号 I-Boundary of old mountains; 2-boundary of tectonic divisions: 3-cont of the Quaternary 4 4--anticline trap 2样品与实验 1986; Whiticar,1989;戴金星等,1992,1993;徐永 昌,1994)。由表1可见,柴达木盆地第四系天然气 共采集了涩北一号和涩北二号气田不同气层组8C1非常轻,分布于-68.2‰~-61.8‰范围内 的19个天然气样品和伊克雅乌汝、台吉乃尔两个含平均-64.8‰;除涩中1井C2+含量相对较高,达 气构造的2个天然气样品(表1)。分析了21个天然气3.52%外,绝大多数样品C2+含量极低,位于0.06% 样品的化学组分和甲烷的碳同位素组成 0.20%之间,平均0.12%,是典型的生物气。一般 应用装配有火焰离子和热导检测器的气相色谱认为生物气可以伴生痕量的重烃,但一般不超过0 仪测定了天然气组分。对于大多数组分,检测限平均5%(戴金星等,1992,1993),而涩中1井生物气重烃 为0.1×106~10×10-6。主要组分的分析精度在含量远远大于0.5%,可能有部分热成因气的混人 ±5%以内。数据如实报道,未考虑痕量空气污染,也3.2成气途径 没有进行数据的标准化。测试结果见表1。 生物气的形成主要有两种途径,一种为乙酸发 在一个与氧化铜炉相联的气相色谱仪上将甲烷酵途径,另一种为CO2还原途径( Rice et a.,1981; 制备成用于碳同位素分析的CO2。C分析在 Mat- Whiticar et al.1986; Whiticar,1989; Coleman et 252同位素质谱仪上完成。碳同位素组成相对于al.,1988; Schoell,1988)。判识生物气成气途径的 PDB标准报道估计碳同位素分析误差为土0.2‰。主要依据是其碳、氢同位素分布及其相互关系以及 分析结果见表1。 生物气形成的地质条件( Whiticar et al.,1986; 3结果讨论 Whiticar, 1989: Schoell, 1980, 1988) 3.216"C1和8Co2与深度的关系 3.1地球化学特征概述 图2为柴达木盆地第四系生物气8C1和8Cco 83C1与C2*是区分生物气最重要的指标与深度的关系图。由图2可见,涩北一号和涩 Schoell, 1980; Rice et al., 1981; Whiticar et al. 2 01994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reservedhttp://www.cnki.net
地质论评 表1柴达木盆地三湖地区生物气组分与碳同位素数据 Table 1 Compositions and carbon isotopes of the biogenic gases in the eastern part of the qaidam basin 气田井号 层位 OCO2稀有8 (%)(%)(%)(%)(%)(%)气体(‰)(‰) 涩23 1030.5~1061.3 涩27804-797419.0810.070480.31100103058-6.2 涩271256:2-12650980310.12.20.3400850.0657-65.2-106 涩北一号涩深15 56,2~1368.0 95,640.101.312.800.c0…1j0.)3i0.1153-64,8-4.6 涩20 76.0~1308. 涩3-41310.0~1355.0 涩深17 41.4-1355.8 涩41413738~1394.6N9.229.101:.230.380.00010.01720.0517-62.8 涩4714683-1431.2 涩28 0--791.6 95.410.091.363.000.00010.0108|0.1281-63 790.4~794.8 98080.091.360.420.00010.01460.0602-66.7 涩251041,3~1051 涩北二号混211071.0-1078.3 98100.19.250.320.0010.08550.06371-61 1132.0~1135,6 涩中11284.0~1 94.723521.100.490.00010.1043|0.0608-61.8 涩中912564-1262.0 63.0 伊克雅乌汝伊深113190-1325N98.010.170.01:.720.010.05100.0264-65.7-1.7 台吉乃尔台吉115.0-17630N47,180.206.1643.731.3710.87004870-6.2|-9 注:表中罗马数字代表气层组 北二号气田生物气∂C1和δ"Cco均随深度增大而之一( Rice et al.,l981)。此外,据研究,气藏中生物 变重。据研究( Rice et al.,1981; Schoell,1982;气碳同位素特征与海相沉积物中生物气碳同位素特 Galimov et al.,1983,1985),在深海钻探沉积剖面征可以类比( Schoell,1988)。据此推断,柴达木盆地 中由CO2还原途径形成的生物气δC1与Cco存生物气的形成可能以CO2还原途径为主 在相关关系,即随着钻井深度增加,当δCco.变重 据模拟实验结果(钱贻伯等,1998),乙酸发酵作 时,C1也变重;当C,变轻时,C也变轻。该用过程中形成的生物气8C随产气时间和温度的 关系被认为是CO2还原途径形成生物气的主要证据增加变轻,而柴达木盆地生物气。C却随深度(相 当于时间和温度)增加而变重(图2),由此推测,乙酸 °g 200400600800100012001400160018002000 2DU4006008001000120014001600 深度(m) 涩北一号。涩北二号 2柴达木盆地第四系生物气8C1和8Cc,与深度的关系图 Fig 2 Relation of 8C and aCco, with the buried depth of the Quaternary biogenic gases in the Qaidam basin 201994-2007ChinaAcademieJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第2期 张晓宝等:柴达木盆地三湖地区第四系生物气的形成途径与运聚方式 发酵作用不是柴达木盆地生物气生成的主要途径,3.2.36C1与δD的关系 从而,也反证了CO2还原途径可能是柴达木盆地生 图4为柴达木盆地第四系生物气bC1与D关 物气生成的主要途径 系图由图4可知,柴达木盆地生物气样品点位于 3225C1与6C的关系 CO2还原途径分区内( Rice et al.,1981; Schell, 由于形成途径不同,生物气中共生的CH4和1980,1988; Whiticar et al.,1986; Whitecap CO2的分馏系数也存在差异。CO2还原途径形成甲烷1989)此外,据研究( Whiticar et al.,1986),CO2还 的碳同位素分馏系数a>1.055[a=(Cc.+原途径形成的生物气的8D分布范围较窄,平均 103)/(aC1+103)],而乙酸发酵途径生成的甲烷的 192‰,而以乙酸发酵途径为主形成的生物气D 碳同位素分馏系数α<1.055( Whiticar et al 非常轻,平均一318‰。柴达木盆地生气δD较重 1986; Whitear,989)经计算,柴达木盆地生物气分布于-235%“-22%8之间,平均-230%(戴金 a分布于1.055~1.062之间,平均1.060,推澌柒达星等,1980,更接近CO还原途径形成的生物气D 木盆地生物气主要形成于CO2还原途径 的分布范围。据研究( Schell,1980),生物气D主要 图3为柴达木盆地第四系生物气8C1与8C2 取决于地层水aD,两者的关系为:DH=8Dn 160-10)‰。柴达木盆地第四系形成于咸水环 关系图由图3可知,柴达木盆地绝大多数生物气样境,其地层水盐度相应比较高,Dnp也比较重,因 品点落在CO2还原途径范围内( Whiticar et al 1986; Whiticar,1989)。此外,据研究( Whiticar et 此,生物气Dm也较淡水环境生物气重,更接近于 al.,1986; Whiticar,1989),以乙酸发酵途径为主形 海相环境生物气的δDH分布范围。 成的生物气。C大多重于-60‰,平均-58‰,而 以CO2还原途径为主形成的生物气δC1一般轻于 台南 60‰,平均值为-68‰%柴达木盆地生物气C1 分布于一68.2‰~-61.8‰范围内,平均-64.8 !△涩北二号 乙酸发酵途径 更接近以CO2还原途径为主形成的生物气C1分 C2还原途径 x盐湖 布范围。 过 CO2还原途径 解 涩北二号 图4柴达木盆地第四系生物气aC1与D关系图 口涩北一号 (图中数据据戴金星等,1996,生物气不同形成途径的 界线据 Whiticar et al.,1986; Whiticar,198 乙酸发酵途径 Fig4 Relation of aC, with dD of the Quaternary biogenic gases in the Qaidam basin (the data are from 20-110-10090-80-70-60-50-40-30 Dai Jinxing et al., 1986: the boundaries of the biogenic gases formed by different pathways in Fig 4 are draw 图3柴达木盆地第四系生物气C1与Co关系图 based on Whiticar et al., 1986: Whiticar, 1989) (图中生物气不同形成途径的界线据 Whiticar et al., 3.2.4生物气的形成条件 Fig3 Relation of 8C: with acCo, of the Quaternary Whiticar f(Whiticar et al., 1986: Whiticar m basin( the boundaries of the1989)认为生物气形成途径与沉积环境有关,即乙酸 biogenic gases formed by different pathways are draw 发酵途径主要与陆相环境有关,而海相环境主要进 based on Whiticar et al., 1986; Whiticar, 1989) 行CO还原途径的生气作用。然而,由于自然界中发 201994-2007chinaAcademiejOurnalElectroniePublishingHouse.Allrightsreservedhtp://www.cnki.net
地质论评 2003年 现了许多与上述观点不符的实例,众多学者对上述CO2还原途径成气的必然结果。这种关系在许多生 观点提出了异议( Martens et al.,1986; Coleman et物气田和沉积剖面CO2还原途径形成的生物气中都 al.,1988; Schoell,1988;戴金星等,1993;戚厚发等,能见到,如美国科罗拉多和堪萨斯州的生物气田 1997)。 Jensen等(1986)和 Schoell(1988)总结认为( Rice et al.,1981)、意大利波河谷地拉文纳地区气 生物气形成途径与沉积环境关系并不密切,而主要田 Mattavelli et al.41983)美国伊利诺斯冰积物剖 与沉积物的古温度和埋深(年代效应)有关,即气候面( Coleman et al.,1988)和现代深海钻井剖面 温暖条件下,埋藏浅(年代较轻)的沉积物更有利于( Rice et al.,1981; Galimov et al.,1983,1985)。笔 乙酸发酵途径生气作用;而气候较寒冷条件下,埋藏者认为这种关系可能是生粝气未发生过明显的垂向 深(年代较老)的沉积物更有利于CO2还原途径成气运移和混合作用的标志。涩北一号和涩北二号不同 作用。综合现有生物气形成途径资料,笔者认为这一气层组生物气。C与深度之间的正相关关系(图2) 观点比较合理 可能说明各气层组生物气为自生自储的,或生物气 柴达木盆地第四纪气温较低,年平均度在3~在生气凹陷不同深度的气源岩中形成以后,沿疏导 10C之间;以干旱气候条件为王,水体含盐度较高;层直接运移到气藏不同深度的储层中,基本未发生 沉积速率很高,平均约m/e,致使区域最大沉积厚明显的垂向运移或不同气层组天然气之间的混合。 度在300m以上;沉积水体中硫酸盐含量较高,硫柴达木盆地第四系天然气地质条件、水文地质条件 酸根含量为0.2%~0.25%,地层水中一般为20~和资源量计算结果表明,天然气水平运聚成藏是主 60mg/L,最高可达569mg/门0这些条件有效地要的。柴达木盆地三湖地区第四系浅湖相席状砂体 抑制了甲烷菌的活动,使沉积物达到一定埋深时甲连续性较好,不同砂层组之间都为较厚的泥岩盖层 烷菌才能大量繁殖并生成生物气(戚厚发等,1997)。隔开;低角度背斜圈闭连续完整,基本未受到构造运 因此,柴达木盆地第四系较低的古温度和较大的埋动的影响;涩北一号和涩北二号气田位于生气中心 深有利于CO2还原途径成气作用的进行。据研究 中央凹陷区上倾方向的北斜坡上,是天然气运 ( Jenden et al.,1986; Colemen et al.,1988),迄今所移的必经之地,这些地质条件都有利于天然气的 有乙酸发酵成因的甲烷均形成于具有淡水有机碎屑水平运移。据研究(徐自远,2002,个人通讯),柴达木 注人的年轻沉积物中,而这些甲烷主要散失到大气盆地南缘祁连山前的南斜坡区是地下水的补给区 中了,不可能保存在深部地层中据统计( Schoell,中央凹陷区是地下水溶解生物气的区域,而北斜坡 1980,19836199 Noble et al.1998),几乎所区是地下水的泄水区,也是天然气脱溶区(图1),因 有气藏中的生物气都具有CO还原途径成气的碳同此,天然气的运移方向与地下水的运移方向相一致 位素特征此外,据戚厚发等(1997)对柴达木盆地第此外,据天然气资源量计算(徐自远,200.个人通 四系剖面细菌种类的观察结果,产甲烷菌均主要以讯),涩北一号和涩北二号气田分布区内的天然气资 H2CO2作为代谢能源的碳源,未观察到利用乙酸的源量不足以形成这两个气田现今的天然气储量,需 产甲烷细菌,这与本文的认识基本相一致 要大量水平运移的天然气作为补充。 需要指出的是,尽管本文强调柴达木盆地生物 气以CO2还原途径成气作用为主,但并不排斥乙酸4结语 发酵途径生气作用的存在。事实上,自然界中生物气 柴达木盆地第四系天然气的生物气属性基本已 的形成总是上述两种生气途径并存,只不过在一定得到认可,但生物气的形成有乙酸发酵和CO还原 的沉积环境中以某一生气途径为主而已( Whiticar 两种途径,它们的成气机制和形成条件有较大差异 1986) ( Whiticar et al., 1986; whiticar, 1989; Reiner et 3.3运聚方式 al.,1996;戚厚发等,1997)。尤其是像柴达木盆地这 目前有关柴达木盆地三湖地区生物气的运聚方样形成于湖相咸水环境的生物气的形成途径,国内 式,即天然气是以垂向运聚为主,还是以水平运聚为 主,尚存在不同认识。本文的天然气地球化学资料为 探讨这一问题提供了新的论据。 ①青海石油管理局.1989.柴达木盆地东部生物气的形成条件及资 源评价 如前所述,涩北一号和涩北二号不同气层组生②青海石油管理局191.达木盆地东部第四系生物气成藏条件 物气C1与深度之间呈正相关关系,这可能是其