PDF《四川盆地普光大型气田 H2 S 及优质储层 形成机理探讨》

注: 本文为中国石油天然气股份公司科技项目(编号 040502210201) 和国家重点基础研究发展规划项目(编号 2001CB209100) 资助成果.

收稿日期: 2005208223;

改回日期: 2006201216;

责任编辑: 周健. 作者简介: 张水昌, 男, 1961年生, 博士, 教授级高级工程师, 现任中国石油勘探开发研究院实验研究中心主任. 研究方向为油气生成及成藏 过程中的动力学行为, 海相碳酸盐岩有效烃源岩评价和分子有机地球化学的地质应用等. Em ail: sczhang@petrochina. com. cn. 四川盆地普光大型气田 H2S 及优质储层 形成机理探讨 ――读马永生教授的 四川盆地普光大型气田的发现与勘探启示 有感 张水昌, 朱光有, 梁英波 中国石油勘探开发研究院, 北京,

100083 内容提要: 四川盆地普光大型气田的发现刷新了中国海相碳酸盐岩油气田的多项记录: 储量规模最大、 储层埋 藏最深、 资源丰度最高, 同时也是中国原油裂解气藏规模最大、 天然气最干、 硫化氢储量最多的气藏;

另外它还是中 国目前发现的碳酸盐岩储层次生孔隙最发育的气藏. 深入研究后发现, 普光超大型气藏的形成具有特殊的地质地 球化学条件, 即充沛的烃源、 储层附近发育一定的膏质岩类、 储层经历过较大的埋深 (较高的温度) , 这些条件是硫 酸盐热化学还原作用(thermochem ical sulfate reduction, 简称 TSR, ) 发生所必须具备的;

而正是由于 TSR 的发生, 一方面形成了富含 H 2S、 CO 2等酸性气体的流体;

同时 TSR 过程及其形成的硫化氢等酸性流体具有腐蚀性, 对深部 碳酸盐岩储层进行强烈的溶蚀改造作用, 促进了次生大孔洞的发育和优质储层的形成, 因此 TSR 的发生是普光大 型气田形成的关键因素之一. 关键词: 普光气田;

TSR;

硫化氢;

溶蚀作用;

优质储层;

飞仙关组 中国海相地层的分布面积逾300多万平方千米, 海相油气是中国油气工业的重要勘探领域 (张水昌 等, 2002). 但是长期以来, 中国在海相碳酸盐岩层系 内的油气勘探一直呈现出徘徊不前的状态. 虽然已 在塔里木盆地、 四川盆地等发现了以碳酸盐岩为主 要烃源岩或主要储集层的气田, 如四川盆地威远、 五 百梯、 沙坪场、 卧龙河、 大池干井, 塔里木盆地和田 河、 吉拉克、 雅克拉等气田, 但是这些发现与中国碳 酸盐岩区蕴藏的巨大油气资源不成比例, 可以说海 相油气勘探并未取得令人满意的成效 (戴金星等, 2005;

李晋超等, 1998). 一些专家学者深入研究后认 为, 中国海相盆地与国外富油气海相盆地相比, 具有 以下几方面的显著差异(李晋超等, 1998;

王兆云等, 2004;

金之钧, 2005): ①海相地层时代老, 形成于叠 合盆地下组合;

②埋藏深, 有机质热演化程度高;

③ 烃源岩生烃期次多, 有机质丰度低;

④油气藏改造和 破坏严重, 保存条件复杂;

⑤油气藏分布复杂, 预测 难度大;

⑥碳酸盐岩储层非均质性, 优质储层少等特 征. 由于中国海相碳酸盐岩的特殊性和复杂性, 长期 以来制约了中国海相碳酸盐岩的勘探, 一些学者甚 至认为中国海相碳酸盐岩的勘探前景不佳.

1 四川盆地海相油气勘探的重大突破 上个世纪末, 四川盆地川东北地区(四川省宣汉 县和重庆市的开县境内) 下三叠统飞仙关组鲕滩气 藏的发现, 如渡口河气田探明储量359*108 m

3 、 罗家 寨气田探明储量581108*108 m

3 (冉隆辉等, 2005)、 铁山坡气田探明储量374*108 m

3 等, 特别是近期在 四川盆地宣汉―达县地区发现的普光超大型气田 (马永生等, 2005a, 2005b, 2005c) , 给长期从事海相 油气勘探和研究的石油科技工作者以巨大的信心和 鼓舞, 并将掀起海相碳酸盐岩的勘探和研究的热潮. 四川盆地普光大型气田的发现刷新了中国海相 碳酸盐岩油气田的多项记录: 储量规模最大、 储层埋 藏最深、 资源丰度最高, 同时也是中国原油裂解气藏 规模最大、 天然气最干、 硫化氢储量最多的气藏;

另 外它还是中国目前发现的碳酸盐岩储层次生孔隙最 发育的气藏(孔隙度大、 优质储层厚度大). 正如马永 生教授发表在 《地质论评》 中的 四川盆地普光大型 气田的发现与勘探启示 一文所言 (马永生等, 2005a) , 普光气田的发现经历了一个漫长而曲折的 勘探历程. 当然这中间有许多经验十分值得勘探家 第5

2 卷第2 期2006年3月地质论评GEOLO G ICAL REV IEW Vol .

52 No.

2 M ar .

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0 6 们学习和借鉴. 作为从事海相碳酸盐岩研究的石油 地质工作者, 在分享普光超大型气田给石油人带来 的惊喜外, 也在思考着普光飞仙关组特殊的成储和 成藏条件.

2 普光气田的形成条件 马永生教授在 四川盆地普光大型气田的发现 与勘探启示 一文中已就普光气藏的基本特征进行 了描述, 它是一个受鼻状构造和沉积相变线共同控 制的构造2岩性复合圈闭, 已提交探明储量1143163 *108 m

3 , 预计最终探明储量要远高于此数据, 目前 已 落实三级储量超过3500 *108 m

3 (马永生等, 2005a) , 可采储量878132*10

8 m

3 , 资源丰度38153*

108 m

3 km

2 (马永生等, 2005a) , 是四川盆地目前发现 的储量丰度最高的大型气田. 2003年在普光构造上 对已完钻的探井普光1井下三叠统飞仙关组561013 ~ 5666124m 井段测试, 获得日产42137*104 m

3 的高 产工业气流;

而后2004年又对相继完钻的普光2井进 行测试, 其中飞仙关组飞一段502715 ~ 510210m 井 段获得日产60102*104 m

3 、 上二叠统长兴组523710 ~ 528116m 井段获得日产58188*104 m

3 的高产工业 气流. 超大型的储量规模和高产油流的显示, 表明普 光构造具有最佳的油气成藏条件. 钻井证实, 该区发 育巨厚的优质储层, 其中普光2井测井解释飞仙关组 和长兴组储层厚度为39515m , 其中飞仙关组储层厚 为3311125m , 长兴组储层厚为641375m (马永生等, 2005a). 岩心分析结果表明, 孔隙度平均值在8111% 以上, 最高可达28186%. 飞仙关组 I 类和 II 类储层 厚度分别占总储层厚度的23% 和41% (马永生等, 2005a) , 这也是四川盆地发现的最厚的优质储层, 而 且这套优质储层平面上分布相对稳定, 这也是该区 能够形成超大型气田的重要保证. 从源岩条件来看, 该区发育了下寒武统、 下志留 统、 下二叠统、 上二叠统、 上三叠统等多套烃源岩, 具 备形成大型油气田的条件. 由于普光2井岩心中沥青 分布十分广泛, 很可能来自于原油裂解气, 而且根据 邻区天然气的碳同位素分析结果, 普光气田的天然 气应来自于腐泥型干酪根, 即来自于油型气. 志留系 龙马溪组富含笔石页岩在川东发育, 是石炭系的主 要气源, 而川东北石炭系不发育, 因此志留系烃源岩 生成的烃类很可能聚集到飞仙关组, 形成大的古油 藏, 随后发生裂解成气. 另外, 该区也发有二叠系的 腐泥型烃源岩, 特别是近期在该区钻探发现的上二 叠统龙潭组黑色泥岩, 厚度在200m 左右, TOC 高达 5% 以上, 飞仙关组储层可以优先捕集. 因此龙潭组 泥岩很可能构成了普光气田的主力源岩 (气源精细 对比研究后将另撰文论述). 普光构造发育多条油源 断层, 向下可断至寒武系烃源岩, 向上消失于中三叠 统, 因此运聚条件有利, 这些都为普光超大型气田的 形成提供了必要的保障. 另外, 普光构造幅度大, 圈 闭面积大, 成藏期较晚(喜马拉雅期) , 这也是普光超 大型气田形成的有利条件.

3 普光气田高含硫化氢天然气的形成 普光气田天然气中甲烷含量占72%~ 80% 左右, 乙烷含量小于013% , 丙烷含量很微, 几乎检测不 出, 属于很干的天然气, 在世界上都是少见的干气. 天然气中非烃类含量较高, 主要是酸性气体, 硫化氢 和二氧化碳含量占17%~ 20% 左右. 其中硫化氢含 量较高, 在天然气中的体积含量在12168%~ 16189% 之间, 质量含量为181183 ~ 242120g m

3 , 属 于典型的高含硫化氢天然气. 虽然油气藏中硫化氢 可以通过不同的渠道形成, 如微生物硫酸盐还原 (BSR )、 含硫化合物的热裂解、 硫酸盐热化学还原 ( TSR ) 和火山喷发等多种形式生成 (O rr, 1974;

Krouse et al . , 1988;

W orden et al . , 1995) , 但是由 于硫化氢对微生物的毒性和岩石中含硫化合物的数 量决定了生物成因(BSR ) 和含硫化合物热裂解形成 的硫化氢浓度一般不会超过3% , 因此高含硫化氢天 然气中硫化氢的成因目前普遍认为是硫酸盐热化学 还原作用 (TSR ) 形成的 (朱光有等, 2004;

Zhang et al . , 2005;

Zhu et al . , 2005). 而TSR 的发生, 需要具 备一定的条件. TSR (硫酸盐热化学还原作用) 是在 热动力驱动下, 烃类与硫酸盐发生化学反应, 将硫酸 盐矿物还原生成 H2S、 CO

2 等酸性气体的过程, 因此 石膏、 烃类和高温条件是 TSR 发生所必须具备的物 质 基础和热动力条件 (朱光有等, 2004, 2005a, 2005b, 2005c). 川东北飞仙关组具备这三项基本条 件: 在飞仙关组储层中夹杂有少量的膏质岩类, 而且 飞仙关组四段也发育厚层的膏盐, 因此膏盐条件具 备;

该区已形成了多个大中型气田, 气源充沛也不容 置疑;

另一条件就是温度, 从埋藏史分析得知, 该区 在喜马拉雅运动时期曾遭受抬升剥蚀, 白垩系和侏 罗系部分地层遭受剥蚀, 厚度在2000~ 3000m 左右, 随后并未再次接受沉积, 目前出露地表的是侏罗 系沙溪庙组碎屑岩地层, 因此目前埋深5000m 的储 层, 在白垩纪晚期应在7000~ 8000m 左右, 对应的 储层温度在180 ~ 200℃左右, 包裹体的均一温度也

1 3

2 第2期张水昌等: 四川盆地普光大型气田 H 2S 及优质储层形成机理探讨 在120 ~ 220℃之间. 虽然人们对 TSR 发生的最低温 度存在争议, 但多数学者认为 TSR 发生在120℃以上, 而且温度越高越有利于 TSR 进行 (M achel, 1998). 可见该区具备 TSR 发生的物质基础和热动 力条件. 由于重烃类比甲烷易于同硫酸盐发生 TSR, 因此 TSR 过程导致天然气干燥系数增大 (朱 光有等, 2005a, 2005b, 2005c). 从表1可以看出, 这些 高含硫化氢天然气干燥系数都在0199以上, 是世界 上少有的有机成因干气, 因此乙烷以上重烃类的减 少与 TSR 对重烃类的优先消耗密不可分. 另外, 高 含硫化氢天然气也富含二氧化碳, 这同样与 TSR 过程有关, 二氧化碳是TSR 的产物之一: 烃类+CaSO

4 →CaCO 3+ H 2S+ CO

2 + H2O ±S. 因此普光气 田硫化氢来自 TSR 反应. 表1川东北飞仙关组高含硫化氢气藏气体组分百分含量数据表(% ) Table

1 The data sheet of natural gas component (% ) of high contents of H2S reservoir in northeast Sichuan basin 气田 井号 井深(m ) 密度(g cm 3) CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S CO

2 He H2 A r 普光 普光1井5610.

00 0.

722 77.

50 0.

02 0.

000 0.

000 12.

68 9.

10 0.

01 0.

04 0.

62 普光2井5027.

00 0.

663 74.

46 0.

02 0.

000 0.

000 16.

89 7.

89 0.

01 0.

03 0.

46 渡口河 渡1井4300.

00 0.

699 80.

06 0.

08 0.

030 0.

000 12.

83 6.

54 0.

02 0.

02 0.

43 渡2井4374.

00 0.

694 78.

74 0.

04 0.

010 0.

000 16.

24 3.

29 0.

02 0.

06 1.

60 渡5井4790.

00 0.

681 72.

94 0.

00 0.

000 0.

000 15.

86 4.

19 0.

25 4.

41 2.

35 罗家寨 罗家7井3906.

00 0.

690 81.

37 0.

07 0.

000 0.

000 10.

41 6.

74 0.

02 0.

06 1.

34 罗家9井3158.

00 0.

697 79.

89 0.

05 0.

000 0.

000 14.

25 5.

42 0.

02 0.

04 0.

33 4 普光气田深部优质储层的形成机理 普光气田飞仙关组储层不仅厚度大、 孔渗性好, 而且埋藏深度也大. 可以说在5000m 以下的深层碳 酸盐岩领域发现如此优质的天然气储层是罕见的. 根据埋藏史分析得知, 目前的5000m 深度在白垩纪 中后期的埋深应在7000 ~ 8000m 左右. 如此深的碳 酸盐岩储层是多数学者公认的孔隙发育 死亡线 (马永生等, 2005a) , 然而次生孔隙倒是空前的发育. 最近笔者研究发现, 这套主要以鲕粒白云岩为主的 储层除了形成在有利的沉积相带、 白云化作用强烈、 油气进入储层后有机酸对碳酸盐岩进行埋藏溶蚀作 用外, 与其经历的特殊成岩演化过程 (TSR 的发生 和硫化氢) 有密切的关系. 首先, 普光飞仙关组是发育在开江一梁平陆棚 (马永生等, 2006) 东北侧高能沉积环境下的台缘鲕 粒坝(滩) 沉积, 伴随着开江―梁平的充填演化过程, 碳酸盐的快速沉........