非常规天然气

苏北盆地CO2气藏成藏规律及富氦成因

  • 刘金华 , 1 ,
  • 葛政俊 2 ,
  • 李晓凤 2
展开
  • 1. 西南石油大学地球科学与技术学院,四川 成都 610500
  • 2. 中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院,江苏 扬州 225012

刘金华(1981-),男,山东昌乐人,博士,高级工程师,主要从事CCUS、油气储层地质、油藏精细描述等科研与教学工作.E-mail:.

收稿日期: 2022-10-10

  修回日期: 2022-11-16

  网络出版日期: 2023-03-23

The accumulation law and helium rich genesis of CO2 gas reservoir in Subei Basin

  • Jinhua LIU , 1 ,
  • Zhengjun GE 2 ,
  • Xiaofeng LI 2
Expand
  • 1. School of Geosciences and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China
  • 2. Exploration and Development Research Institute of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Yangzhou 225012,China

Received date: 2022-10-10

  Revised date: 2022-11-16

  Online published: 2023-03-23

Supported by

The SINOPEC Science and Technology Research Project(P21075-4)

本文亮点

随着“碳达峰”“碳中和”双碳目标的提出,CO2地质封存研究越来越受到重视。针对苏北盆地已发现的CO2气藏,利用δ13C值、3He/4He值等的分析,对CO2气藏分布、CO2来源以及富氦气藏He富集成因等进行研究。认为苏北盆地CO2气藏主要分布于盆地南侧的苏南隆起区、苏南隆起与东台坳陷交接处的断裂带以及断裂带外延断层发育区,苏北盆地CO2整体为幔源岩浆成因,黄桥气藏中的氦气为混合来源。在前人提出He的富集过程主要与CO2的溶解与矿化有关的基础上,提出He富集成藏可能是CO2大量溶解和散失而形成的观点。

本文引用格式

刘金华 , 葛政俊 , 李晓凤 . 苏北盆地CO2气藏成藏规律及富氦成因[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(3) : 477 -485 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.11.005

0 引言

随着“碳达峰”“碳中和”双碳目标的提出,近年来CO2地质封存方面的研究受到专家们的重视。苏北盆地以及苏北盆地下构造层的下扬子盆地发现了丰富的天然CO2气藏,特别是江苏泰州黄桥CO2气藏是我国已发现的探明储量最大的CO2气田,也是现今产量最高的CO2气田1-4。前人针对黄桥CO2气藏以及部分苏北盆地新生代地层中的CO2气藏做过大量分析,对CO2来源以及勘探前景等均有深入的研究2-5。但关于苏北地区CO2气藏的分布规律、气藏气体组分的差异以及富氦气藏的富集成因等方面仍需要进一步的梳理和深入的研究。本文通过对苏北盆地已发现CO2气藏的解剖,利用δ13C值、3He/4He值等的分析,对CO2气藏分布、CO2来源以及富氦气藏He富集成因等进行研究,可以为CO2气藏勘探提供依据,也对CO2的地质封存具有一定参考意义。

1 研究区地质概况

苏北盆地位于江苏省中北部,是苏北南黄海盆地西部的陆上部分,是我国东部的一个重要小型含油气盆地。苏北盆地是在中古生界下扬子地台上发育起来的晚白垩世—新生代盆地,为一个扭张性的断陷盆地,盆地前身是印支—燕山期鲁苏造山带南侧的中生代前陆盆地,前陆盆地的前身是扬子地台。盆地基底有3层,最底层为中元古界的变质岩基底,中间层为上元古界至下三叠统发育的海相碳酸盐岩,上层基底为上三叠统到下白垩统的中酸性火山岩与陆相碎屑岩。苏北盆地内部划分为4个呈近东西向展布的二级构造单元,由南向北分别为东台坳陷、建湖隆起、盐阜坳陷和滨海隆起(图11
图1 苏北盆地构造区划及CO2气藏位置

Fig.1 Tectonic zoning and location map of CO2 gas reservoir in Subei Basin

2 苏北盆地CO2气藏分布规律

苏北盆地已发现CO2气藏主要分布于盆地南侧的苏南隆起区、苏南隆起与东台坳陷交接处的断裂带以及断裂带外延断层发育区。现已发现的主要CO2气藏有黄桥、小纪、富44、天4、苏东203等,包含古生界的奥陶系、志留系,中生界的三叠系、白垩系以及新生界的阜宁组、三垛组、盐城组等地层。
苏北盆地已发现的最大CO2气田为黄桥气田,是我国已发现的探明储量最大的CO2气田,也是国内现今产量最高的CO2气田。气田位于江苏省泰州市黄桥镇,根据构造位置划分为上层构造层(中—新生界)和下层构造层(中—古生界),上层构造层位于中—新生代苏北盆地与苏南隆起的转折部位,下层构造层位于古生代下扬子盆地的南京凹陷东北部。由于受到古生界后期强烈构造运动的改造,黄桥地区形成了内部发育多条断层的复合背斜构造(图22-4
图2 黄桥气田中—古生界气藏剖面2

Fig.2 Profile of Mesozoic-Paleozoic gas reservoir in Huangqiao Gas Field2

黄桥气田可以分为下层和上层2套多层系的气藏,下层气藏发育于中—古生界,在志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系各地层中均有气藏发现。下层气藏为背斜裂缝型气藏,埋深为1 800~2 300 m,碳酸盐岩和砂岩储层均有发育,储集空间以裂缝型为主,由于成岩作用强烈,砂岩也转变为低孔低渗储层,因而下层气藏的主要有效储集空间为次生孔、缝、洞,并且其内部发育大量微裂缝。下层气藏的盖层为白垩系浦口组中、上部厚达400 m左右的含膏质泥岩,该层具有塑性的泥岩不仅在背斜顶部形成良好的盖层,也使圈闭的边界断层形成封闭状(图3),因此形成了良好的圈闭条件。下层气藏气体组分以CO2为主,含量为65.0%~99.8%,含有少量N2以及甲烷等气体2-7
图3 黄桥气田新生界盐城组气藏剖面5

Fig.3 Gas reservoir profile of Cenozoic Yancheng Formation in Huangqiao Gas Field5

上层气藏为发育于新近系盐城组的气藏(图45,气藏埋深370~388 m,是一个受岩性影响的背斜气藏。储层为曲流河相砂体,微相类型为边滩微相,储层厚度大、物性好,平均孔隙度约为35%,平均渗透率大于1 μm2。盖层主要是厚度约15 m的泥岩,并且在气藏顶部发育厚度为2~5 m的低渗透层,该层渗透率低于50×10-3 μm2,与气藏主体形成了较大的渗透率级差,可以产生较大的毛细管阻力,也为该气藏的成藏起到了封堵作用。气藏内气体组分以N2为主,占气藏的43.6%~65.0%,甲烷、乙烷等气态烃含量也较高,为26.7%~46.9%,并伴生少量原油及CO2。另外,该气藏发育高品位的He,He含量多分布在0.2%~1.3%之间,远远超过工业品位的标准(He>0.1%)5-7
图4 富44断块E2 s 1 4顶面构造

Fig.4 The structural map of the top of E2 s 1 4 in Fu 44 fault block

小纪气田、富148断块、富44断块均位于苏北盆地高邮凹陷南部,小纪气田是被多条断层控制的复杂断块圈闭群,包括纪1、纪2、富12-1等多个断块,并且在泰州组、阜宁组等都有成藏(图1)。富148断块位于徐家庄油田的西侧,是小纪气田向北的延续,与徐家庄油田的徐28断块、徐11断块等均为真②断层下降盘的鼻状构造(图5),但仅在富148断块形成规模CO2气藏,其他断块多层地层含有CO2,但均未形成规模,因而CO2平面富集存在明显的差异性,仅在局部形成CO2气藏。富44断块位于富148断块的正北方,是一个受断层破坏的鼻状构造,仅在三垛组的E2s1 2、E2 s 1 3中的2个砂体成藏。整体来看,小纪气田、富148断块、富44断块是发育于高邮凹陷东南部的呈南北向分布的CO2气藏分布带,是CO2从南部断裂深部沿构造相对隆起带向北部高部位运移而形成的气藏分布带。
图5 富148断块戴南组顶面构造

Fig.5 The structural map of the top of Dainan Formation in Fu 148 fault block

苏北地区除黄桥CO2气田、小纪CO2气田2个主要CO2气田聚集区,在金湖凹陷南部的天4、苏东203、真11等多个井区也有CO2的发现,大多数发现CO2的地区基本位于苏北盆地南缘控盆断层附近。

3 苏北盆地CO2来源及成藏条件

前人针对黄桥气田的CO2来源做过大量的研究,认为该区CO2主要为岩浆—幔源成因。其主要有2种成因,即有机成因和无机成因。无机成因又分为碳酸盐岩变质成因和岩浆—幔源成因,现阶段最常用的CO2来源分析方法是碳同位素分析,有机成因的 δ 13 C C O 2值在-10‰~-30‰之间,无机成因的 δ 13 C C O 2值一般≥-8‰。本文研究在借鉴前人成果基础上,利用近年来苏北盆地一些新发现CO2气藏的资料对CO2来源及成藏条件进行了梳理8-10

3.1 CO2来源分析

本文关于苏北盆地气藏CO2来源的研究仍以δ13C值的分析为主,在前人研究的基础上,通过补充近年来的研究成果,可以看出苏北盆地气藏的δ13C值可以分为2类:一类为中高纯度气藏;另一类为低含量气藏。中高纯度气藏是已发现气藏中的主要类型,其 δ 13 C C O 2值为-2.9‰~-6.5‰(表1),具明显的无机成因二氧化碳的特征(≥-8‰)。前人研究认为碳酸盐岩变质成因的 δ 13 C C O 2值较幔源岩浆成因的 δ 13 C C O 2值更大,碳酸盐岩变质成因的 δ 13 C C O 2值为-2.0‰~+2.0‰;幔源岩浆成因 δ 13 C C O 2值为-5.0‰~-9.0‰8-10。从苏北盆地气藏δ13C值可以看出中高纯度气藏为幔源岩浆成因。低含量气藏主要有黄桥地区盐城组气藏和真11断块三垛组气藏,该类气藏 δ 13 C C O 2值较小,为-10.62‰~-30.73‰(表1),从数值上分析,该类气藏为有机成因。
表1 苏北地区CO2含量与C、He稳定同位素

Table 1 CO2 content and C, He stable isotopes in Subei area

地区 井号 层位 CO2含量/% δ 13 C C O 2/‰ 3He/4He)/10-6
黄桥地区 S174 P1 q、D3 w 95.00~99.80 -2.87~-4.06 5.54
S174 S2 f 65.00~89.40 -5.14~-5.88
102 Ny 1 1.80~8.80 -10.62 3.71~4.90
富44断块 富44 E2 s 1 92.00~98.50 -4.54
富148断块 富148 E2 s 1 88.50~91.20 -4.62~-5.90
小纪地区 纪1 K2 t 1 91.50~98.50 -4.05~-6.5
真武地区 真11 E2 s 1 0.56~1.80 -13.19~-30.73
但是从研究区CO2气藏δ13C值纵向分布分析,距离气源近的气藏其δ13C值更高,例如黄桥地区的气藏δ13C值存在从下而上逐渐降低的特征,即上古生界地层中的δ13C值最大,而新近系盐城组中的δ13C值最小。另外,通过新近系盐城组中氦气成因分析,认为该气藏氦气为幔源成因,因而黄桥地区多层系气藏成因均为幔源岩浆成因,所以可以认为CO2气藏δ13C值随着运移距离的增加δ13C值逐渐降低,直至在黄桥地区盐城组的δ13C值仅为-10.62‰(表1)。苏北盆地现已发现的气藏均分布于南部控盆深大断裂附近,特别是黄桥气藏分布于苏北盆地与苏南隆起的转折部位,再结合主要气藏的δ13C值的分析结果,本文研究认为苏北盆地CO2气藏整体为幔源岩浆成因,前人根据 δ 13 C C O 2值等认为真11断块等浅层气藏为有机成因6,但对于真11断块等浅层气藏也分布于深大断裂附近,认为除有机成因CO2为主外,仍有幔源岩浆成因CO2的混入,应为混合成因气藏。王晓锋等11提出了苏北盆地浅层气藏成因是由于CO2的溶解与矿化,剩余CO2气体的碳同位素组成逐渐变轻的观点,从苏北盆地浅层气藏发育位置及层位分析,该观点更为合理。

3.2 CO2成藏条件分析

近年来,由于“双碳”目标的提出,CO2地质封存方面的研究逐渐被重视起来,对于CO2地质封存圈闭评价方面的研究与CO2气藏成藏条件有众多相同之处,因而CO2气藏成藏条件研究除对CO2气藏勘探具有研究意义外,对于CO2地质封存圈闭评价也具有重要意义。CO2气藏作为天然气藏的一种,其主要研究方向为储层的储集性能和盖层封堵性,由于苏北盆地断层异常发育,因而还需要对断层的封闭性进行研究。
苏北盆地已发现CO2气藏储层主要有2种,孔隙型砂岩储层和裂缝型储层,黄桥气藏的下层气藏为裂缝型气藏,主要有效储集空间为次生孔、缝、洞,是裂缝型储层的典型代表。小纪气田、富148断块、富44断块等新生界气藏储层均为孔隙型砂岩储层,由于CO2自身的物理性质,对储层的要求较低,低孔低渗储层也可以成为很好的储层。
苏北盆地CO2气藏盖层主要为泥岩盖层,在黄桥气田的盐城组物性对气藏的封闭性起到了一定的辅助作用。从现有气藏分析,气藏对泥岩盖层要求与油藏的要求相似,泥岩厚度在5 m以上均可起到良好的封闭作用。例如富148断块和富44断块的E2 s 1气藏中,泥岩盖层的厚度为5.0~13.5 m,黄桥地区的白垩系浦口组厚达400 m左右的含膏质泥岩是研究区最好的盖层,也为黄桥气田的CO2大量富集提供了保障。从黄桥气田的地层压力系数可以看出,较厚的泥质盖层为异常气藏压力提供了良好的封存条件,浦口组气藏压力系数可达到1.3以上(表2),其他层段的气藏压力系数很难达到1.1以上。
表2 黄桥气田不同层系地层压力系数、地层温度[5]

Table 2 Formation pressure coefficients, formation temperature of different strata in Huangqiao Gas Field[5]

井号 层位 地层压力

压力

系数

地层温度
(压力/MPa)/(深度/m) (温度/℃)/(深度/m)
S174 S2 f 25.93/2 635.90 1.003 99.4/2 630.4
D3 w 22.99/2 275.00 1.029 87.0/2 275.0
H1 C3 c—C2 h 21.74/2 073.60 1.069 79.0/2 073.6
P1 q 20.44/1 856.60 1.125 78.0/1 856.6
N9 T1 q 13.30/1 319.00 1.028
N6 K2 p 15.79/1 194.00 1.349 46.0/950.0
由于苏北盆地断层异常发育,因而断层的封闭性对CO2气藏尤为重要,通过对研究区已有气藏控藏断层的断距分析,断距从60 m到1 200 m均可成藏。并且通过已发现气藏与周边未成藏断块的类比发现,断层的封堵性与断层两盘的泥岩含量有较大关系,多数CO2气藏控藏断层的对接盘为纯泥岩地层或为泥岩含量达到80%的地层(图6)。
图6 富148断块油藏剖面

Fig.6 Reservoir profile of Fu 148 fault block

4 苏北盆地CO2气藏氦气来源及富氦成因

秦胜飞等12-13通过对我国中西部盆地大量气藏采集样品分析认为,几乎所有的气藏中都或多或少含有氦气,但含量差异很大。在苏北盆地CO2气藏的分析中也发现,大部分CO2气藏中均有微量氦气的发现,由于氦气的工业品位标准为0.1%,因而含量在0.01%以下的气藏均认为无氦气含量,但在气体组分分析时,大部分气藏都检测到了微量氦气的存在。并且,黄桥气藏的盐城组中发现了高品位的氦气藏,因而对氦气富集成因的分析,对氦气的勘探具有一定意义。

4.1 氦气来源分析

氦气有3种来源,即大气来源、壳源(亦称为放射性来源)和幔源。常用氦仅有的2种同位素比值(3He/4He)来判断氦气的成因及来源。大气来源氦3He/4He值为1.4×10-6、壳源氦3He/4He值为2×10-8、幔源氦3He/4He值为1.1×10-5[12-18
黄桥气田天然气的3He/4He值为(3.71~5.54)×10-6表1),并且上部地层盐城组的3He/4He值为(3.71~4.90)×10-6,比下部地层泥盆系中的 3He/4He值(5.54×10-6)略小。从黄桥气田的3He/4He值分析,利用R/Ra=(3He/4He)样品/(3He/4He)大气公式计算研究区的R/Ra=2.65~3.96,前人认为R/Ra>3.94时,天然气中幔源氦的份额大于50%9,所以可以看出黄桥气田天然气中的氦气应为壳源和幔源氦气混合来源。结果与前人19-28研究认为的松辽盆地、渤海湾盆地、苏北—南黄海盆地等东部断陷盆地的氦气主要为壳幔混源相一致。

4.2 富氦成因研究

在借鉴前人研究成果基础上12-28,通过3He/4He值的类比,可以看出黄桥气田盐城组富氦气藏的氦气主要是幔源成因,因而可以看出该气藏氦气与苏北盆地CO2属于同一来源,主要来自于地壳深处或者地幔,是通过深大断裂从地下深处运移到浅层聚集成藏。黄桥地区不同层系氦气含量纵向上由下而上呈现微量→中等→非常富集的变化规律,最浅层的盐城组气藏氦气含量可达到1.34%,在苏北盆地发育的大量CO2气藏中仅有少量气藏内出现了氦气富集的情况。
秦胜飞等12-13针对氦气仅在少数气藏中富集的规律,认为氦气富集原因是气藏额外捕获了古老地层水中释放出的氦气,提出“多源供氦、主源富氦”的观点,但该理论对在同一地区出现氦气含量差异巨大的问题不再适合,因而针对黄桥气藏笔者提出了“主源供氦、逐级富氦”的观点。
通过对苏北盆地CO2气藏的梳理,氦气的含量与N2的含量成正比,而与CO2含量成反比(表3),所以考虑氦气的富集过程和N2的富集过程是统一的。进一步对N2和CO2 2种组分含量较高的气体分析,是否存在CO2较N2更易散失的性质,因而导致N2和He在一定条件下富集。王晓锋等11提出幔源He的富集过程主要与CO2的溶解与矿化有关,溶解矿化使得幔源CO2大量消耗,从而导致N2和He富集,笔者在分析中得出了相似的认识。考虑到He富集程度及气藏规模,溶解与矿化的CO2数量巨大,因而笔者提出CO2经过直接或间接溶解后再通过较低渗透层发生漏失从而形成N2和He富集。
表3 黄桥气田气体组分统计[6]

Table 3 Statistical table of gas components in Huangqiao Gas Field[6]

气藏类型 气藏亚类 气体组分含量/% 含气层段
CO2 N2 C1—C2 He
CO2气藏 高纯CO2 95.1~99.8 0~4.7 0.9~1.02 0 K2 p、T1 qn、P1 q、C3 c、D3 w
含烃CO2 90.9~94.4 2.9~5.9 2.1~2.6 0.04 S3 m
含烃/氦CO2 65.0~89.4 10.4~12.0 1.5~22.9 0.10~0.20 S2 f
氦气藏 含氦气藏 1.8~4.5 43.6~49.6 40.5~46.9 0.20~0.40 Ny 1 1-2
富氦气藏 6.2~8.8 57.9~65.0 29.7~33.0 1.21~1.34 Ny 1 3-4
在苏北盆地中各类天然气成藏的主要封闭条件是断层或盖层封闭,因而天然气的散失也主要是通过断层或盖层实现的。在油气成藏和CO2地质埋存圈闭评价研究中,一般采用排替压力来反映盖层或者断层的封闭能力,排替压力是指在岩石中非润湿性流体驱替润湿性流体所需的最小压力,实际上,也就是非润湿相在岩石中流动所受到的毛细管阻力。因而需要CO2、N2和He对于盖层毛细管封闭能力的差异,通过实验发现氮气水界面张力和油水界面张力差异较小,孔隙毛细管压力主要受到温度影响。
近年来,关于CO2驱油方面的研究被大量报道,部分学者以加拿大的Weybum低渗透岩层为研究对象,研究了不同气液系统的突破压力,在59 ℃、7.3 MPa 的实验条件下,得到岩层CO2突破压力大约为N2的0.35倍29-30。通过该研究成果可以看出低渗透层对CO2与N2的封堵能力具有较大差异,低渗透性岩层中CO2突破压力比N2小,主要原因是CO2比N2更易溶于水,而地层中地层水广泛存在,使得CO2更易突破毛细管阻力29,从而说明CO2比N2更易透过盖层或者断层而散失,而He的化学物理性质与N2更为接近,都为较为稳定的气体,因而其毛细管阻力也与N2更为接近,因而可以与N2伴生。并且黄桥地区盐城组富氦气藏埋深只有370~380 m,在该深度CO2不具备形成超临界状态的条件(一般认为地层中CO2超临界状态埋深条件为>800 m)29,因而气态CO2更易突破毛细管阻力。
上述分析认为黄桥地区盐城组富氦气藏可能是由于CO2在浅层地层中更易散失,从而造成N2和He富集形成的。其形成过程为:在构造运动时期断层处于开启状态,来自于地层深处的CO2、N2和He等以CO2为主的混合天然气向浅层运移,并在黄桥地区盐城组气藏内富集,由于该气藏埋存地层较浅,CO2以气态形式聚集,顶部盖层厚度较薄且发育一段低渗透层(图2),因而造成大量的CO2散失,从而形成了以N2和He为主的气藏。该富集模式虽然是一种从地质现象反推的可能模式,并由于笔者在CO2、N2和He物理性质方面知识的匮乏,很难从理论角度开展深入分析,但这种富集模式可以较好地解决He含量与N2成正比,与CO2含量成反比等规律,因而提出该可能模式,希望为后人对该方面的研究有所启迪。

5 结论

(1)苏北盆地已发现CO2气藏平面上主要分布于盆地南侧的苏南隆起区、苏南隆起与东台坳陷交接处的断裂带以及断裂带外延断层发育区,纵向上从古生界的奥陶系、志留系到中生界的三叠系、白垩系以及新生界的阜宁组、三垛组、盐城组等地层均有分布。
(2)中高纯度气藏 δ 13 C C O 2值为-2.87‰~-6.5‰,为岩浆—幔源成因;但低含量气藏 δ 13 C C O 2值为-10.62‰~-30.73‰,前人认为该类气藏为有机成因,但苏北地区气藏δ13C值存在随着运移距离的增加δ13C值逐渐降低的规律,因而认为其原因为运移距离远,发生碳同位素分异而导致的,其来源依然以幔源岩浆成因为主,从而认为苏北盆地CO2气藏来源整体为幔源岩浆成因。
(3)黄桥气田天然气的3He/4He值为(3.71~5.54)×10-6,黄桥气田天然气中的氦气应为壳源和幔源氦气混合来源。针对研究区不同层系氦气含量纵向上由下而上出现含量中等→微量→非常富集的规律,借鉴前人在CO2驱油方面关于CO2与N2在低渗透性岩层中突破压力存在较大差异的研究成果,提出氦气富集气藏是CO2大量散失而形成的。

Abstrct:With the proposal of the goals of “carbon peak” and “carbon neutralization”, the research on CO2 geological storage has attracted more and more attention. In this paper, we have analyzed the CO2 gas reservoirs found in Subei Basin, and utilized δ13C value, 3He/4He value, etc, to study the distribution of CO2 gas reservoirs, the source of CO2 and the origin of helium enrichment in helium rich gas reservoirs. It is considered that the CO2 gas reservoir in Subei Basin is mainly distributed in the southern Sunan Uplift area on the south side of the basin, the fault zone at the junction of Sunan Uplift and Dongtai Depression and the extension fault development area of the fault zone. CO2 in Subei Basin is derived from mantle derived magma, and the helium in Huangqiao gas reservoir is a mixed source of crust source and mantle source. On the basis of predecessors' proposition that the enrichment process of helium is mainly related to the dissolution and mineralization of CO2, and we propose that the enrichment and accumulation may be caused by the dissolution and dissipation of CO2.

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