Natural Gas Geoscience >

2019 , Vol. 30 >Issue 11: 1600 - 1607

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.05.007

Discovery of shallow biogas and cause of formation analysis in Jianli area, southern Jianghan Basin

  • Rui Luo , 1, 2 ,
  • Dao-yong Zhang , 3 ,
  • Chao Wang 4 ,
  • Yao-hui Xu 1, 2 ,
  • Hong-yang Zhong 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology, Ministry of Education, Yangtze University, Wuhan 430100, China
  • 2. College of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan 430100, China
  • 3. Strategic Research Center for Oil and Gas Resources, Ministry of Natural Resources, Beijing 100034, China
  • 4. Oil & Gas Survey，China Geological Survey，Beijing 100083，China

Received date: 2019-04-12

  Revised date: 2019-05-21

  Online published: 2019-12-03

Fold

Highlights

Due to the irrigation of the farmland, shallow gas was founded and it could burn for a long time after ignition in the Jianli area in the southern part of the Jianghan Basin. Hence, we sampled and analyzed the shallow gas. The results show that these shallow gases are dominated by CH4 (44.11%-51.57%, average 47.03%) with no C2H6 and other hydrocarbons, C1/C1-5 ratios are 1, which are typical dry gas. Their δ 13 C C H 4(from -70.8‰ to -71.0‰, average -70.9‰), δ D C H 4(from -223‰ to -226‰, average -224‰) and δ 13 C C H 2 (from -12.6‰ to -14.7‰, average -13.9‰) values indicate that the shallow gas samples represent biogenic gas, which is generated by CO2 reduction. By comparing with the Quaternary shallow biogenic gas in the Jiangsu-Zhejiang coastal plain, the Yangtze river delta and the Dongting Basin, the characteristics of the Quaternary biogenic gas accumulation in the work area were further clarified. It is believed that the Quaternary shallow biogas in the study area has the potential for further exploration and research.

Cite this article

Rui Luo , Dao-yong Zhang , Chao Wang , Yao-hui Xu , Hong-yang Zhong . Discovery of shallow biogas and cause of formation analysis in Jianli area, southern Jianghan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2019 , 30(11) : 1600 -1607 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.05.007

0 引言

生物气不同于常规天然气，具有埋藏浅和分布范围广的特点。在我国东西部地区有关沉积盆地，江浙沿海平原，近岸浅海地区及南海北部陆架区，均发现了生物气含气区[1]。我国生物气主要赋存于古近系、新近系和第四系地层中[2]。其中，又以第四系浅层生物气埋藏浅，发育范围广，易通过简单装置收集利用，而日益受到关注和重视。
江汉—洞庭地区已发现一定数量的第四系浅层天然气气苗[3]。其中洞庭盆地气苗较多且主要分布于第四系湖相沉积中心及其周缘，如常德、汉寿及岳阳一带。近年，在洞庭地区开展了浅层生物气早期勘探工作，主要以地表化探和浅地层剖面分析为主[4,5,6,7]。相比于洞庭地区，与之相接壤的江汉盆地虽也有气苗显示，但尚未开展过相关研究与勘探工作。为数不多的报道，也仅限于村民自发使用浅层天然气的新闻。2017年湖北省监利县柘木乡村民在距自家房屋60m远的农田打水井时，意外发现抽出的井水能长时间燃烧。据此线索，前往调查发现该水井为农田灌溉用，井深45m，在出水口点火，见约50cm高黄色火焰并可持续燃烧(图1)。利用简易集气装置，通过排水收集气体法，采集3个天然气样品，并对气体组分和甲烷碳氢同位素组成进行分析，明确了浅层天然气为生物气。通过对比江汉盆地南部监利地区浅层生物气与洞庭盆地及江浙沿海平原浅层生物气在气体成因类型、气源岩有机地球化学特征、储盖特征及成藏方面的异同点，进一步明确江汉盆地南部监利地区浅层生物气的成因及资源潜力。
图1 湖北省监利县柘木乡浅层生物气采样点地理位置(a)及现场点火情况(b)

Fig.1 Location of shallow biogenic gas sampling site (a) and on-site natural gas combustion (b) in Zhemu township, Jianli county, Hubei Province

1 地质背景

江汉盆地位于我国中部地区，第四纪地貌以平原为主，盆地内发育众多河流和湖泊[8]。杨青雄等[9]依据盆地边缘第四系露头剖面及沉积中心钻孔资料，重建了江汉盆地第四纪沉积环境[图2(a)]。盆地内第四系发育，盆地中南部发育下更新统东荆河组、中更新统江汉组、上更新统沙湖组及全新统郭河组[9]。早中更新世盆地周缘剥蚀强烈，晚更新世盆地中南部下沉明显。全新世以来盆地中南部发生强烈沉降，湖泊范围在全新世中晚期达到最大。第四系沉积期，盆地沉降中心一直位于盆地中南部。浅层生物气气苗点位于盆地南部边缘，该区域更新统和全新统发育，地层厚度分别可达40~80m和20m左右[图2(b)]。
图2 江汉盆地第四系地层沉积中心(a)及南北向地层剖面(b) (修改自文献[9])

Fig.2 Quaternary stratigraphic depositional center (a) and north-south stratigraphic profile in the Jianghan Basin (b) (modified from the Ref. [9])

2 样品与实验分析

2.1　气体样品

浅层天然气样品采集于湖北省监利县柘木乡村民的农田灌溉水井。该井为村民农田灌溉使用，在抽水过程中偶然发现出水口有气体溢出并可燃烧。气体点燃后呈现约50cm高的黄色火焰并能够持续燃烧。
用排水法从井口处采集了3个气样，详细方法可见参考文献[7]。

2.2　气体组分及碳氢稳定同位素分析

天然气组分分析采用Agilent 6890N气相色谱仪，色谱柱为PLOT-Q柱(30m×0.32 mm×20μm)。载气为氦气，进样口温度为150℃，TCD检测器温度为200℃。色谱升温程序设置为初始温度40℃，恒温7.5min，然后以15℃/min速率升温至90℃，再以6 ℃/min速率升温至 180 ℃。天然气碳稳定同位素分析在GC-C-IRMS仪器上完成，由HP6890N色谱仪通过微型燃烧炉与Delta S同位素质谱仪(Thermo Fisher Scientific)连接而成。色谱升温程序设置为初始温度30℃，恒温5min，然后以8℃/min速率升温至80℃，再以5℃/min速率升温至170℃，最后以6℃/min速率升温至270℃。轻烃的氢稳定同位素分析在GC-TC-IRMS仪器上完成，由Trace GC UltraTM色谱仪通过微型热解炉与Finnigan MAT 253同位素质谱仪连接。色谱升温程序设置为初始温度40℃，恒温5min，然后以5℃/min速率升温至80℃，再以10℃/min速率升温至140℃，最后以30℃/min速率程序升温至260℃。

3 结果与讨论

3.1　天然气组分特征

3个天然气样品的组分分析结果表明(表1)，甲烷(CH4)含量介于44.11%~51.57%之间，平均为47.03%。所有气样不含乙烷(C2H6)及其他重烃气体，干燥系数(C1/C1-5)为1，属典型干气。气样组分特征与邻近的洞庭盆地、长江三角洲以及杭州湾地区的第四系浅层生物气相比[7,10,11,12,13]，明显具有低CH4含量的特点，但干燥系数相一致，指示气体成因相同，同为生物成因气。
表1 江汉—洞庭盆地及江浙沿海平原浅层天然气组分特征

Table 1 Characteristics of shallow gas compositions from the Jianghan-Dongting Basins and the Jiangsu-Zhejiang coastal plains

采样地点 井号或样品编号 组分/％ 干燥系数/(C1/∑Cn) 备注
CH4 C2H6 N2 CO2 O2
江汉盆地

监利县

柘木乡

 TM1 45.41 0.00 52.77 1.83 0.00 1 本文
TM2 51.57 0.00 46.18 2.25 0.00 1
TM3 44.11 0.00 54.81 1.08 0.00 1
洞庭盆地 沅江县共华镇和兴村 DQ1井 90.48 0.00 7.99 1.54 0.00 1 文献[7]
90.40 0.00 7.81 1.79 0.00 1
94.48 0.00 3.57 1.95 0.00 1

长江

三角洲

 江苏海门 CTHM01井 97.61 0.00 1.41 0.98 0.00 1 文献[10]
CTHM02井 96.49 0.00 2.11 1.41 0.00 1
97.17 0.00 1.01 1.82 0.00 1
江苏启东 CT14井 23.60 0.00 64.00 1.50 0.00 1 文献[11]
CT00井 96.23 0.00 1.96 1.81 0.00 1
CT08井 97.73 0.00 1.02 1.25 0.00 1

杭州湾

地区

 夹灶气田 夹1井 96.20 微量 2.08 1.04 0.00 1 文献[12]
雷甸气田 雷1井 94.20 微量 3.49 2.08 0.00 1
东1井 92.30 / 3.78 1.49 0.00 1
义盛气田 头1井 93.90 / 1.35 1.89 0.00 1

注：“/”为未测试

3.2　天然气碳、氢同位素组成特征

天然气CH4碳、氢同位素组成和CO2碳同位素组成是常用的鉴别天然气成因的可靠地球化学指标[14,15,16]。江汉盆地南部监利县采集的3个气样，CH4碳同位素值为-70.8‰~-71‰，均值为-70.9‰，氢同位素值介于-223‰~-226‰之间，均值为 -224‰。气样CO2碳同位素值分布于 -12.6‰~-14.7‰之间，均值为-13.9‰(表2)。典型生物成因气的CH4碳同位素值小于-55‰[17,18]，氢同位素值约在-310‰~-170‰之间[19]，CO2碳同位素值≤-10‰[20]。据此判断，3个气样的CH4碳、氢同位素组成和CO2碳同位素组成均符合典型生物成因气的对应参数特征，为生物成因气。
表2 江汉—洞庭盆地及江浙沿海平原浅层天然气碳氢同位素组成特征

Table 2 Characteristics of carbon and hydrogen isotopes of shallow gas in the Jianghan-Dongting Basins and the Jiangsu-Zhejiang coastal plains

采样地点 井号或样品编号 δ 13 C C H 4 / ‰ δ D C H 4 / ‰ δ 13 C C O 2 / ‰ 备注
江汉盆地 监利县柘木乡 TM1 -71.0 -223 -14.3 本文
TM2 -70.8 -226 -14.7
TM3 -70.9 -223 -12.6
洞庭盆地

沅江县

共华镇和兴村

 DQ1井 -72.4 -241 -18.1 文献[7]
-72.4 -241 -18.8
-72.5 -242 -18.1
长江三角洲 江苏海门 CTHM01井 -71.0 -219 -20.3 文献[19]
CTHM02井 -70.6 -224 -15.8
-68.9 -226 -19.1
江苏启东 CT14井 -67.7 -215 -19.3 文献[11]
CT00井 -72.2 -194 -20.4
CT08井 -72.3 -185 -21.4
杭州湾地区 夹灶气田 夹1井 -74.2 / -4.1 文献[12]
雷甸气田 雷1井 / / /
东1井 / / /
义盛气田 头1井 / / /

注：“/”为未测试

采自江汉盆地的3个气样CH4碳、氢同位素组成与洞庭盆地及长江三角洲地区第四系浅层生物气相似，但江汉盆地的3个气样CO2碳同位素值相对偏高(表2)。通常，陆相地层生物气中CH4氢同位素值小于-190‰，而海相地层生物气的CH4氢同位素值一般大于-190‰[17]。长江三角洲的启东地区2个样品(CT00、CT08)的CH4氢同位素值为-194‰和-185‰，比其他样品偏高。这可能与其气源岩的形成受海相沉积环境影响有关，而江汉盆地与洞庭盆地气样的CH4氢同位素值相比偏低，与其气源岩为陆相湖泊沉积成因背景相吻合。

3.3　天然气成因类型

在生物气类型划分上，主要根据生气机理、母质类型、气体组分及甲烷碳氢同位素组成特征，可将生物气划分为原生生物气及次生生物气。原生生物甲烷主要有2类生成途径，分别为乙酸发酵和氢气还原二氧化碳。乙酸发酵成因生物甲烷氢同位素值为-250‰~-400‰，而二氧化碳还原型则偏重，其氢同位素值为-150‰~-250‰。前述可知，此次分析的气样为第四系浅层生物成因气，但具体类型还要进一步细分。
3个气样的CH4碳同位素值介于-70.8‰~-71.0‰之间，CH4氢同位素值介于-223‰~-226‰之间，图版分析揭示生物气为氢气还原二氧化碳途径形成[21,22,23](图3)。利用生物气中CH4和CO2的碳同位素分馏系数(αc)也可以判断生物气的成因类型[21,24]，两者满足关系式：αc=( δ 13 C C O 2+103)/( δ 13 C C H 4+103)，当αc<1.055时为乙酸发酵成因；当αc>1.055时为CO2还原成因。3个气样的分馏系数分布在1.060~1.063之间，均大于1.055，进一步证实气样是CO2还原成因(图4)。因此，江汉盆地监利地区的浅层生物气与长江三角洲地区、杭州湾地区以及相邻的洞庭盆地一样，均为CO2还原成因类型。
图3 江汉盆地南部监利地区浅层生物气成因类型(底图修改自文献[23])

Fig.3 Origin types of shallow biogenic gas samples from the southern part of the Jianghan Basin (diagram modified from the Ref.[23])

图4 江汉盆地南部监利地区浅层生物气 δ 13 C C H 4与 δ 13 C C O 2关系(底图据文献[21,24])

Fig. 4 Plot of δ 13 C C H 4 vs. δ 13 C C O 2 of the shallow biogenic gas samples from the southern part of the Jianghan Basin (diagram is from the Refs.[21,24])

施之新[25]在江汉平原江陵地区钻探的江47号孔的上更新统至全新统中(46.6~2.2m)，发现了较丰富的咸水种硅藻化石，证实沉积期水体具有一定古盐度。一般低—中盐度地层水中微生物丰度高且古菌以氢气还原二氧化碳型产甲烷菌为主[26]，因此低—中盐度地层水区有利于生物气生成。江汉盆地中南部地区在第四纪，持续构造沉降，沉积水体具有一定盐度，发育咸水种硅藻，同时较高的盐度有利于抑制产甲烷菌的早期活动以及生气母质的有效保存，为该区生物气的形成提供了较为有利的条件。

3.4　浅层生物气成藏特征

3.4.1　气源岩形成的构造与古气候背景

总有机碳含量及有机质类型是控制生物气气源岩生成量的重要影响因素。由于气样采集点未有实钻井，为探讨研究区气源岩特征，利用采气点附近钻探的第四系钻孔ZL01孔的分析数据对浅层生物气的气源岩有机地球化学特征做初步分析[27]。ZL01孔第四纪地层总有机碳含量介于0.10%~2.00%之间，均值为0.74%；H/C值较低，介于0.13~0.60之间，均值为0.30(图5)。在第四纪，监利地区位于盆地沉积中心的南缘，沉积了一定厚度的第四系。该时期研究区内湖泊发育，为气源岩的形成创造了一定条件，沉积了中等丰度的有机质，推测有机质组成以陆源有机质为主，同时具有湖相水生生物的贡献，为该地区浅层生物气的形成奠定了良好的物质基础。另外，ZL01孔第四纪地层中C/N值较低(图5)，有机质中N元素丰度高，表明气源岩中氮源丰富，可能对该区生物气中氮气含量产生重要影响。
图5 江汉盆地监利县第四纪地层总有机碳含量(TOC)、氢碳

比值(H/C)和碳氮比值(C/N)随深度变化关系(改自文献[27])

Fig.5 Relationship between total organic carbon

content(TOC), hydrogen-carbon (H/C)ratio and

carbon-nitrogen (C/N) ratio as a function of

depth in the Holocene strata in the Jianli county,

Jianghan Basin (modified from the Ref.[27])

第四纪新构造运动对江汉盆地第四纪的构造格局影响较大。根据前人[28]研究成果，第四纪盆地发生多次周缘抬升和中心沉降，沉降幅度在300m以上，有利于湖泊的发育，为第四系沉积提供了一定的可容空间。更新世初期江汉盆地受中国东部地壳普遍抬升影响，盆地中南部发生相对沉降；早更新世广泛发育的深水湖泊变成浅湖和沼泽。中更新世早—中期，气温回升，降水增多，河流水量剧增，湖泊面积增大。晚更新世晚期至全新世中期湖泊水体逐渐变深和加宽[9]。全新世以来温暖湿润的气候为地表创造了适宜的水动力条件，有利于陆相环境中形成沼泽和淡水湖泊，同时为陆源生物体的代谢创造良好的环境条件，促进了陆源基岩的风化溶解，为生物体繁衍提供了大量营养物质，提高了生物生产力，从而为沉积物提供了丰富的有机质来源[29]。整体上，在更新世—全新世期间，江汉盆地气候变化较为频繁，基本呈现冷热交替的状态，冷期较暖期长，冷凉干燥的气候有利于沉积下来的有机质的保存，从而为形成江汉盆地中南部地区第四系生物气气源岩提供有利条件。

3.4.2　生储盖条件

江汉盆地第四系生物气储层发育，储层类型多样，自下而上有：①河床、河漫滩相含砾砂、中砂及粉砂层；②河流相为主夹浅湖和沼泽相淤泥的含砾砂层；③河湖交替相所夹含砾砂、细砂、黏土质粉砂及粉砂质黏土层；④湖沼积中粉质黏土、淤泥质粉质黏土和粉砂互层。
江汉盆地湖沼相的淤泥质黏土，既能作为良好的盖层，也是良好的气源岩。研究区第四系浅层生物气具有自生自储式的特征。浅层生物气是可以被上覆黏土和淤泥质黏土层所封闭，淤泥质黏土具塑性和流动性，因此具有一定的自封闭能力。这种自封闭能力可能是第四系浅层天然气保存的主要原因[3]。同时，由于研究区水动力条件较弱，盖层沉积物粒度细，孔隙度大，孔隙水压力可能对生物气藏保存起着重要的封闭作用[9]。综上所述，研究区应处于有利的构造位置，并形成了良好的浅层生物气生储盖组合模式，利于生物气生成和富集。因此，可以对该地区第四系浅层生物气的分布做进一步的勘察和研究。
江汉盆地南部地区与生物气较丰富的洞庭盆地、江浙沿海地区有较为相似的生储盖层组合特征(表3)。江汉盆地与洞庭盆地第四系以湖沼相沉积为主，气源岩主要为湖相沉积，沉积速率高，有机质以腐殖型为主，陆源有机质贡献为主，并有湖相水生生物来源有机质补充。江浙沿海地区以浅海相、滨岸相及河漫滩相沉积为主，沉积速率高，有机质以腐殖型为主，陆源有机质贡献为主，有海相浮游生物有机质的贡献。上述差异主要由不同研究区所处古地理位置不同造成，但其共同点是生物气成因类型相同，均为氢气还原二氧化碳途径生成，并具有埋藏浅和分布范围广的特点，生储盖组合特征也相似。
表3 我国第四系浅层生物气主要含气区生储盖组合特征(据文献[1,3])

Table 3 Characteristics of Quaternary shallow biogenic gas system in the main gas-bearing areas in China (modified from the Refs.[1, 3] )

浅层生物气

含气区

 面积与地层厚度 生气层 储气层 盖层
面积/(×104km2）

Qp

厚度/m

Qh

厚度/m

厚度

/m

TOC

/%

 岩性描述

厚度

/m

孔隙率

/%

 岩性描述

厚度

/m

 岩性描述

陆相

湖泊

江汉

盆地

 1.40 40~200 20~70 10~50 / 湖泊、沼泽相灰、灰黑色淤泥、黏土 0~2 / 河流相粉砂、细—中砂 10~40 湖泊、河漫滩相黏土、砂质黏土
洞庭湖盆地 1.97 100~250 5~50 >10~20 / 湖泊、河流相黏土 0.35~1.3 / 河流相中—细砂 10~15 河漫相黏土

河流

|

海陆

过渡

相

苏北

平原

 11.38 60~300 20~50 30~90 0.45~0.20 河漫滩、沼泽相黏土、浅海相淤泥质黏土 0.5~2.4 / 滨海相、河流相细砂 10~30 滨浅海相淤泥质黏土
长江三角洲平原 50~300 20~60 40~90 0.30~0.70 浅海相、滨岸沼泽、海湾泻湖相淤泥质黏土 0.5~7.0 40.0~45.0 滨海相、河流相细砂、中粗砂 10~30 滨浅海相、湖泊相黏土、砂质黏土
浙江东部沿海平原 1.72 40~320 15~60 >30 0.20~0.88 河漫滩相黏土、浅海相淤泥质黏土 0.5~9.0 28.0~43.2 浅海相、河流相或河口湾相粉砂、细砂及中粗砂 10~36 浅海相淤泥质黏土

注：Qp为更新统；Qh为全新统；TOC为总有机碳含量；“/”为数据缺失

4 结论

(1) 江汉盆地南部监利地区浅层天然气组分与同位素分析表明，气样CH4含量介于44.11%~51.57%之间，平均为47.03%，不含 C2H6及其他重烃气体，干燥系数(C1/C1-5)为1，属典型干气。CH4碳同位素值介于-70.8‰~-71.0‰之间，均值为 -70.9‰，为典型生物成因气。综合 δ 13 C C H 4与 δ D C H 4成因分类图版及 δ 13 C C H 4与 δ 13 C C O 2关系图版的分析结果，研究区浅层生物气为氢气还原二氧化碳途径形成。
(2) 第四纪监利地区位于盆地沉积中心的南缘，沉积了一定厚度的第四系。该时期研究区内湖泊发育，为气源岩的形成创造了条件，沉积了中等丰度的有机质，推测有机质组成以陆源有机质为主，同时有湖相水生生物的贡献，为该地区浅层生物气的形成奠定了物质基础。研究区内第四系生物气储层发育，储层类型多样，浅层生物气成藏具有自生自储式的特征，可对该地区第四系浅层生物气的分布做进一步的勘察和研究。

感谢地质力学研究所张林炎老师、南京大学林春明教授、中国石油勘探开发研究院李谨高级工程师以及长江大学刘金香、罗森、冯建中老师在样品采集、论文写作过程中的指导和帮助，感谢江凯禧博士对论文的修改，感谢匿名审稿专家提出的宝贵意见。

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