中國(guó)天然氣地質(zhì)理論研究和勘探新進(jìn)展

隨著天然氣地質(zhì)調(diào)查的逐步深入和勘探結(jié)果的不斷擴(kuò)大，中國(guó)建立了天然氣地質(zhì)理論體系，有效地指導(dǎo)了天然氣勘探，天然氣儲(chǔ)量持續(xù)增長(zhǎng)。1機(jī)成因氣“多元論”天然氣成因理論從20世紀(jì)80年代以前單一油型氣的“一元論”發(fā)展到煤成氣、油型氣和無(wú)機(jī)成因氣的“多元論”;認(rèn)識(shí)到氣源巖中的有機(jī)質(zhì)在不同熱演化階段,可多階連續(xù)形成地球化學(xué)特征不同的天然氣;在腐植型有機(jī)質(zhì)演化成氣模式、生物氣、生物-熱催化過(guò)渡帶氣和煤成氣的成因機(jī)理及分布規(guī)律的研究方面取得了重大進(jìn)展,建立了不同類(lèi)型天然氣成因鑒別指標(biāo)。1.1煤巖顯微組成我國(guó)學(xué)者提出煤系是最有潛力的天然氣勘探領(lǐng)域,對(duì)煤系生氣機(jī)理、煤成氣地化特征、鑒別指標(biāo)及分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。煤系有機(jī)質(zhì)主要是來(lái)自高等植物的腐植型有機(jī)質(zhì),形成于還原—弱還原的沼澤相或海陸交互相環(huán)境,以多含烷基側(cè)鏈及含氧官能團(tuán)的縮合多核芳香結(jié)構(gòu)為主,具有低H/C和高O/C原子比,生成的氣、油相對(duì)含量取決于煤巖顯微組成的富氫程度,氣/油比殼質(zhì)組最低,惰質(zhì)組最高,鏡質(zhì)組居中,氣/油比隨H/C原子比增加而明顯下降。我國(guó)煤系顯微組成多以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主,故在不同熱演化階段都以生氣為主、生油為輔。我國(guó)大中型煤成氣田幾乎遍布主要煤系發(fā)育區(qū),已發(fā)現(xiàn)的32個(gè)大中型氣田中,探明儲(chǔ)量約1000億m3的大型氣田(克拉2氣田、長(zhǎng)慶氣田、蘇里格氣田、東方1-1氣田、崖13-1氣田)均為煤成氣田。1.2生物-熱催化重?zé)N生物-熱催化過(guò)渡帶氣系指在生物氣與熱解氣形成的過(guò)渡階段(Ro值為0.3%~0.6%,溫度為50~85℃),在一定礦物的催化作用下,有機(jī)質(zhì)通過(guò)脫羧、脫基團(tuán)和縮聚作用而形成的天然氣,各類(lèi)母質(zhì)均可形成該類(lèi)氣體,但Ⅱ—Ⅲ型干酪根是主要類(lèi)型。生物-熱催化過(guò)渡帶氣的δ13C1值為-60‰~-46‰,有一定量的乙烷以上重?zé)N,C1/C1~5值為0.7~0.98。近年來(lái)的研究證明,前蘇聯(lián)西西伯利亞北部烏連戈伊大氣田的天然氣是較典型的生物-熱催化過(guò)渡帶氣,其氣源巖的Ro值為0.4%~0.5%,天然氣的δ13C1值主要為-55‰~-50‰。1.3氧化碳的賦存形式無(wú)機(jī)成因氣指非生物成因天然氣。我國(guó)許多學(xué)者近十幾年對(duì)無(wú)機(jī)成因氣進(jìn)行了較深入的研究,將其列為天然氣重要的成因類(lèi)型之一。研究較多的無(wú)機(jī)二氧化碳?xì)庵饕袃煞N成因類(lèi)型:①巖石化學(xué)成因,即碳酸鹽巖在高溫作用下變質(zhì)而形成二氧化碳?xì)怏w;②幔源成因,即地下巖漿活動(dòng)釋放出的二氧化碳?xì)怏w。目前已發(fā)現(xiàn)的無(wú)機(jī)成因二氧化碳的主要賦存形式是:二氧化碳?xì)獠?與有機(jī)成因烴類(lèi)氣藏伴生;以氣苗形式與溫泉或冷泉伴生;存在于巖石包裹體中。我國(guó)無(wú)機(jī)成因二氧化碳?xì)獠刂饕植荚跂|部地區(qū),如松遼盆地萬(wàn)金塔氣藏、黃驊坳陷翟莊子氣藏、濟(jì)陽(yáng)坳陷平方王氣藏、蘇北盆地黃橋氣藏、三水盆地水深9井氣藏等,二氧化碳含量均達(dá)95%~99%。這些地區(qū)的共同特點(diǎn)是斷裂和巖漿活動(dòng)頻繁,均分布有碳酸鹽巖,因此我國(guó)無(wú)機(jī)成因二氧化碳除幔源-巖漿成因的外,還有部分碳酸鹽巖在巖漿高溫烘烤作用下產(chǎn)生的。隨著無(wú)機(jī)成因氣研究的深入,氦同位素的研究和應(yīng)用進(jìn)展較大。天然氣中的氦主要有兩種成因,即放射性元素衰變成因(稱(chēng)為殼源氦,3He/4He值較低,為1×10-8)和幔源-巖漿成因(稱(chēng)為幔源氦,3He/4He值較高,為1×10-5)。研究者常根據(jù)共生氣體同源性的特點(diǎn),依據(jù)天然氣中氦同位素的特征,判斷與其伴生的天然氣中的其它組分的成因。1.4不同油氣中烴氣碳同位素組成我國(guó)天然氣工作者已總結(jié)出較完整的各類(lèi)成因天然氣的鑒別標(biāo)志,成為我國(guó)天然氣地質(zhì)理論的重要組成部分。烷烴氣碳同位素組成受控于天然氣的母質(zhì)類(lèi)型和成熟度,無(wú)機(jī)成因氣碳同位素組成較有機(jī)成因氣的重,煤成氣碳同位素組成較油型氣的重,同一類(lèi)型母質(zhì)形成的天然氣碳同位素組成隨其成熟度增加而變重。因此烷烴氣碳同位素組成是判別各類(lèi)成因天然氣的最有效和最常用的指標(biāo),另外,還有天然氣組分、輕烴、稀有氣體同位素等指標(biāo)。2氣藏成藏模式天然氣藏的復(fù)雜成藏過(guò)程一直是天然氣地質(zhì)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。近年來(lái),隨著天然氣勘探和地質(zhì)綜合研究的不斷深入,提出了天然氣成藏動(dòng)平衡理論、天然氣多期成藏、晚期成藏理論;建立了不同類(lèi)型大中型氣田成藏模式;初步建立了成藏過(guò)程中天然氣聚散定量評(píng)價(jià)方法和成藏期次的確定方法。同時(shí),在非常規(guī)天然氣藏(如深盆氣藏、煤層氣藏)形成機(jī)制的研究方面也取得了重要進(jìn)展。2.1運(yùn)聚動(dòng)平衡模型在天然氣擴(kuò)散和滲流作用下,烴源巖生成的天然氣進(jìn)入儲(chǔ)集層運(yùn)移聚集,也不斷由已形成的氣藏中散失,此過(guò)程中同時(shí)存在氣體散失和烴源巖生氣補(bǔ)充,當(dāng)?shù)叵绿烊粴獾纳⑹Ш脱a(bǔ)充達(dá)到某種程度的相對(duì)平衡時(shí),即出現(xiàn)天然氣運(yùn)聚動(dòng)平衡。天然氣運(yùn)聚動(dòng)平衡模型將天然氣由烴源巖中生成并排出、在運(yùn)載層中二次運(yùn)移和聚集、成藏后散失的過(guò)程描述為動(dòng)態(tài)的連續(xù)過(guò)程。當(dāng)天然氣補(bǔ)充量大于散失量時(shí),天然氣在氣藏中不斷富集;反之,圈閉中的天然氣不斷減少,乃至全部散失。氣源充注強(qiáng)度和時(shí)間以及封蓋保存條件是氣藏能否形成的重要因素。2.2氣藏的自然恢復(fù)天然氣晚期成藏理論基于天然氣成藏動(dòng)平衡原理和氣藏的保存要求而提出,即天然氣藏的成藏期晚和現(xiàn)今仍有氣源供給是大中型氣田形成的關(guān)鍵。我國(guó)主要含油氣盆地被構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁改造,天然氣藏一般經(jīng)歷多期成藏過(guò)程,而早期形成的氣藏受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造和破壞難以保存,只有最后一期較晚成藏的氣藏才可能保存至今。例如,四川盆地川東石炭系氣藏以下古生界為氣源巖,成烴高峰期相對(duì)較早,但現(xiàn)今氣藏是經(jīng)喜馬拉雅期改造調(diào)整后再成藏的產(chǎn)物。2.3深盆氣藏油氣地質(zhì)條件研究深盆氣是非常規(guī)天然氣。美國(guó)、加拿大等對(duì)深盆氣的研究和勘探、開(kāi)發(fā)居于世界前列,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)在20世紀(jì)90年代初對(duì)鄂爾多斯盆地、四川盆地川西地區(qū)深盆氣成藏條件進(jìn)行了研究和勘探實(shí)踐,在深盆氣成藏機(jī)理研究方面也取得了重要進(jìn)展。深盆氣藏是一種上傾水封、散失與聚集動(dòng)態(tài)平衡“滿(mǎn)盆氣”的特殊類(lèi)型氣藏,形成的地質(zhì)條件主要有:①關(guān)鍵條件之一是有充足而持續(xù)的氣源供給。勘探實(shí)踐表明,富含有機(jī)質(zhì)的煤系是最理想的深盆氣藏的氣源巖。②要有有利的儲(chǔ)集條件,即儲(chǔ)集層連片分布,孔喉半徑要小于一定的臨界值,沿上傾方向物性變好,使天然氣既能排驅(qū)孔隙中的自由水,又能在毛細(xì)管力的作用下整體向上傾方向推進(jìn)。③在地層傾角適當(dāng)?shù)男逼聨?順層方向的浮力分量小于儲(chǔ)集層孔隙喉道的毛細(xì)管力,深盆氣向儲(chǔ)集層上傾方向的繼續(xù)運(yùn)移被毛細(xì)管力阻礙,這是深盆氣藏形成的有利構(gòu)造條件。由于深盆氣成藏特征和地質(zhì)條件的復(fù)雜性,我國(guó)有些學(xué)者對(duì)中國(guó)深盆氣藏的形成也提出了異議。2.4煤源巖煤氣藏成巖機(jī)理煤層氣是一種非常規(guī)天然氣。我國(guó)學(xué)者經(jīng)過(guò)十幾年的研究,認(rèn)為煤層氣在地下的賦存形式與常規(guī)天然氣不同,主要表現(xiàn)在:①煤層氣以吸附狀態(tài)賦存在煤層孔隙內(nèi)表面,吸附量主要與煤的變質(zhì)程度、組成及溫壓條件有關(guān);②煤源巖生成的煤層氣被煤層吸附聚集,幾乎不經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移,其聚集受溫壓場(chǎng)影響,不受流體動(dòng)力場(chǎng)的控制;③煤層氣藏一般無(wú)明顯邊界,只有含氣豐度的差別;④煤層氣以吸附氣、游離氣和水溶氣形式存在,吸附氣約占80%。3天然氣富集理論勘探實(shí)踐表明,含氣盆地天然氣遵循一定地質(zhì)規(guī)律,呈區(qū)帶狀富集分布。3.1天然氣聚集和開(kāi)采放放量“源控論”來(lái)自石油勘探實(shí)踐,對(duì)于天然氣,由于其流動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)移距離長(zhǎng),故氣源中心對(duì)天然氣成藏的控制作用以往未被足夠重視。盡管天然氣可以遠(yuǎn)離生氣中心聚集,但其散失速率比石油高得多,要形成規(guī)模較大的天然氣聚集,不僅要有足夠的供氣量,而且要有較高的供氣速率,這才能保證在一定地質(zhì)時(shí)期內(nèi)天然氣聚集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散失量,從而形成并保存大中型天然氣田。顯然,越靠近生氣中心,天然氣的供氣量和供氣速率就越大,因此規(guī)模較大的天然氣聚集受生氣中心控制。“八五”期間,通過(guò)對(duì)我國(guó)大中型氣田分布規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn),大中型氣田均分布在生氣中心及其周緣,生氣強(qiáng)度一般大于20億m3/km2。3.2優(yōu)質(zhì)蓋層對(duì)大氣田的封蓋作用地質(zhì)家早已認(rèn)識(shí)到,蓋層的封蓋性能對(duì)天然氣成藏有重要作用。隨著天然氣勘探和對(duì)天然氣成藏、富集規(guī)律研究的逐步深入,特別是在塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷這樣復(fù)雜的地質(zhì)背景下發(fā)現(xiàn)了克拉2大氣田后,區(qū)域蓋層在大氣田形成中的重要作用被倍加關(guān)注。優(yōu)質(zhì)的蓋層不僅要有良好的微觀封蓋能力,還要區(qū)域性穩(wěn)定分布,塑性強(qiáng)而不易破裂,特別是在構(gòu)造變形強(qiáng)烈的地區(qū)。克拉2大氣田的氣源巖是侏羅系,由于庫(kù)車(chē)坳陷古近系的膏鹽層分布面積廣,在喜馬拉雅期強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造變形過(guò)程中,大部分?jǐn)嗔严в谶@套塑性強(qiáng)的膏鹽層內(nèi),因此侏羅系生成的天然氣大部分被這套膏鹽層封蓋,在之下聚集成藏。分布穩(wěn)定、塑性較強(qiáng)的區(qū)域蓋層能封蓋住下伏烴源巖生成的大部分天然氣,既與烴源巖分布共同控制著氣層的縱向分布,同時(shí)控制著天然氣的富集程度。3.3大型繼承性水下古起落架控制天然氣聚集的作用古隆起控氣是克拉通盆地古生界天然氣富集的重要特征。古生界烴源巖成熟度高、生烴高峰期早,早期形成的天然氣是否能有適宜的圈閉得以聚集,是古生界天然氣藏形成與保存的關(guān)鍵。研究和勘探實(shí)踐表明,大型繼承性水下古隆起對(duì)天然氣的聚集具有極其重要的控制作用:①這種古隆起形成時(shí)間早且發(fā)育在大型穩(wěn)定沉積盆地中,無(wú)論是圈閉與主要生烴期的時(shí)間配合,還是圈閉與主要生氣區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系,均有利于早期生成的天然氣聚集,而且在這種圈閉中形成的氣藏能得到較好的保存,為二次成藏提供優(yōu)越的條件。②水下古隆起水體較淺,在高能環(huán)境下發(fā)育的碳酸鹽巖(如亮晶砂礫屑碳酸鹽巖、鮞粒灰?guī)r等)不僅發(fā)育原生孔隙,也有利于被后期成巖作用改造而形成次生溶蝕孔隙,同時(shí)水下古隆起常露出水面,較有利于發(fā)生混合白云巖化作用和蒸發(fā)作用,形成的白云巖是良好的儲(chǔ)集體。3.4前陸盆地地質(zhì)特征前陸盆地的形成、演化、構(gòu)造變形和沉積特征與造山帶密切相關(guān),對(duì)天然氣生成、運(yùn)移、聚集和保存十分有利。中國(guó)勘探家們從新的視角,用前陸盆地理論重新審視我國(guó)西部山前盆地,在庫(kù)車(chē)、川西、準(zhǔn)南、柴北緣獲得天然氣勘探突破,特別是庫(kù)車(chē)前陸盆地克拉2大氣田的發(fā)現(xiàn)直接推動(dòng)了我國(guó)前陸盆地天然氣勘探的進(jìn)程。中國(guó)的前陸盆地不僅在構(gòu)造演化、空間位置和沉積充填等方面有別于傳統(tǒng)的前陸盆地,而且有其獨(dú)特的油氣地質(zhì)特征:①烴源巖以三疊系—侏羅系為主,且為煤系,故以生氣為主、生油為輔;②以陸相三角洲、沖積扇、濱淺湖砂巖為主要儲(chǔ)集層,具較強(qiáng)的非均質(zhì)性;③晚期構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,形成前陸