柴达木盆地YS1井岩屑气组成特征及天然气来源*

张博为

(西南石油大学资源与环境学院 四川成都)

柴达木盆地YS1井岩屑气组成特征及天然气来源*

张博为

(西南石油大学资源与环境学院 四川成都)

钻进中岩屑气中无机和有机气体组成的快速测定及评价,对油气勘探有重要意义,目前仅有岩屑气中烃类检测方法。利用气相色谱技术,采用2根填充柱(5A型分子筛和Porapak Q)、2种载气(He、N2)、3次进样(分析O2、N2、CH4组分;分析H2、He组分;分析烃气、CO2组分)、外标法和面积归一化法测定岩屑气组成。实验分析和现场应用研究结果表明,岩屑气中无机和烃类气体组分都得到了很好的分离,岩屑气组成测定方法的准确度高、重复性好;柴达木盆地北缘YS1井岩屑气及天然气主要组成为氮气和甲烷,属于富氮或高氮天然气,为过成熟煤型气,来源于深部侏罗系烃源岩。

岩屑气;气相色谱;无机气组分;烃气;评价

0 引 言

在石油天然气勘探钻井过程中,及时准确发现评价油气层至关重要。地质气测录井检测的是钻井液(钻井液吸附携带的地层气体)中的甲烷到戊烷、全烃、二氧化碳等含量,岩屑罐顶气轻烃等检测的岩屑气中轻烃组分,这些方法在识别地层流体性质及油气评价等油气勘探中发挥了重要作用[1～3]。由于钻进中钻井液携带地层流体上返过程中存在扩散作用,尤其是气层越好压力越大、气体在钻井液中扩散越严重,地质气测录井不一定能完全反映地下某段岩层中油气状况,同时,上述检测方法都不能检测岩屑气中有机和无机及氮气氦气的组成,而地层中的无机和烃类气体组成,是油气勘探评价及成藏研究的重要指标。

1 地质背景及实验样品

YS1井是柴达木盆地北缘鸭湖构造的一口预探井,钻遇上第三系地层的狮子沟组(N23)、上油砂山组(N22)、下油砂山组(N21)、上干柴沟组(N1),钻探的主要目的是搞清柴北缘鸭湖构造上第三系的生烃潜力和含油气性。为快速评价上第三系的含油气性及性质,根据勘探钻井现场气测情况,取气显示井段振动筛前的新鲜岩屑(占取样罐容积的80%),快速装入取样罐中,加入清水(占取样罐容积的10%),加盖密封,填写标签,倒置,取实验样品20件。

2 实验方法

1)仪器

GC-14C色谱仪(日本岛津公司,带有TCD热导检测器)和化学工作站,色谱填充柱。

2)样品处理

在取气检测前,充分摇晃罐体1 min,静置10 min以上,向取样罐注入清水,用注射器取出岩屑气。

3)仪器分析条件

(1)岩屑气中O2、N2、CH4组分分析条件

载气:He,流量30 mL/min;

TCD桥流150 mA,温度70℃;

色谱柱:2 m×3 mm、填充5 A分子筛,柱温40℃。

(2)岩屑气中H2、He组分分析条件

载气:N2,流量30mL/min;

TCD桥流100 mA,温度30℃;

色谱柱:2 m×3 mm、填充5 A分子筛,柱温40℃。

(3)岩屑气中烃类、CO2、H2S组分分析条件

载气:He,流量30 mL/min;

TCD桥流150 mA,温度70℃;

色谱柱:3 m×3 mm,填充Porapak Q,柱初始温度60℃、恒温2 min、以8℃/min升到240℃。

氢和氦组分色谱图、氧氮甲烷组分色谱图以及烃气和二氧化碳组分色谱图如图1、图2和图3所示。

图2 氧氮甲烷组分色谱图

图3 烃气和二氧化碳组分色谱图

4)数据处理

(1)定性

采用标样(组分N2、H2、He、CO2、CH4～C5H12)保留时间等定性。

(2)数据计算

地层天然气中应无O2,若样品中检测出,一般是取样分析过程中混入空气,计算时扣除岩屑气中O2,利用空气中N2和O2关系扣除混入岩屑气中的N2。采用外标法和归一化法定量。

岩屑气中He、H2外标法定量:

式中:CHe为岩屑气中He摩尔百分含量;A1为样品中He峰面积值;Ab1为He标样峰面积值;Sb1为He标样量;CH2为天然气中H2摩尔百分含量;A2为样品中H2峰面积值;Ab2为H2标样峰面积值;Sb2为H2标样量;S为样品量。

式中:K1为Porapak Q和分子筛填充柱分析组分的换算系数;K2为计算系数;Ci为第i个组分的摩尔百分含量(不包括He、H2、N2);CN2为N2的摩尔百分含量;Ai(混合峰)为Porapak Q柱测定时O2、N2、CH4的混合峰;Ai(O2+N2+CH4)为5A分子筛柱测定时O2、N2、CH4的峰面积值之和;Ai为第i个组分的峰面积值(不包括He、H2);Si为第i个组分的相对校正因子(不包括He、H2);AO2为K1×O2的实测峰面积;AN2为K1×N2的实测峰面积。

3 实验结果与讨论

1)精确度

(1)准确度

标准气多次测定结果与真值比较的误差都小于0.20%(摩尔分数),说明方法测定数据准确。如标准气某次测定见表 1,误差最大为 0.14%、最小为0.01%。

表1 准确度测定结果(%)

(2)重复性

同一岩屑气样品多次重复分析的差值都小于0.20%(摩尔分数),样品分析的重复性好。如YS1井2 518 m～2 520 m岩屑气样品重复性测定结果见表2,差值最大为0.11%、最小为0.00%(摩尔分数)。

表2 重复性测定结果(%)

2)岩屑脱气时间实验结果

新鲜岩屑由于脱离地下原始环境(压力、温度、地层)降压脱气而聚集于取样罐顶部空间,加入清水和摇晃取样罐有利于岩屑脱气。从YS1井不同脱气时间实验结果看,见表3,岩屑在取样罐中脱气是一个动态平衡过程,岩屑气中各组分在1 h内逐渐达到某一相对恒定值即脱气达到平衡,这时检测的岩屑气组成数据最准确,故岩屑装入取样罐1 h后方可取气分析。

表3 岩屑脱气时间实验结果(%)

3)岩屑气组成特征及天然气来源

(1)岩屑气组成特征

从柴达木盆地北缘Ys1井岩屑气组成色谱测定结果看出,见表4,气组成含量变化范围为甲烷3.37%～61.13%、乙烷0.00%～0.08%、氮气38.57%～96.04%、二氧化碳0.01%～1.78%、氢气0.00%～0.62%,主要组分为氮气和甲烷,为富氮或高氮天然气,氢含量相对较高,C1/C2＞700,甲烷占烃气组分的99%以上,属于干气。

(2)天然气成因及来源分析

表4 岩屑气样品的测定及评价结果(%)

柴达木盆地北缘天然气为煤系成因气,主要特征是组分碳同位素相对偏重,δ13C1变化在 -22‰～39‰,一般重于-30‰[5、6],天然气组分中甲烷含量较高,主要来自侏罗系中、下统的含煤烃源岩,其中鸭湖构造和碱山构造等气源岩Ro大于2.0%,处于过成熟阶段,鸭湖构造天然气δ13C1变化在-22‰～27‰。

YS1井3 184 m～3 186 m、4 890 m～4 893 m岩屑气组分同位素δ13C1分别为-23.4‰、-26.5‰,有过成熟煤型气特征,推断烃源岩Ro大于3.0%、来自深层侏罗系烃源岩。

YS1井为富氮或高氮天然气。氮气是天然气中最常见的非烃组分之一,含量一般小于10%,天然气中氮的来源一般认为有大气成因[4]、地幔或地壳深部成因[5～7]、有机成因。大气成因的是由于地表水与地下水的循环作用,将大气中的氮气带入地下并析出进入气藏或储集层,这类成因的氮气往往富集在浅部地层,另外,煤层中天然气(一般都在200 m～800 m)氮气含量较高,高的可达90%以上,一般也属于大气成因;地幔或地壳深部的富氮或高氮气天然气往往与高氦气及二氧化碳含量正相关;有机成因是天然气中氮气的主要来源,即在岩石分散有机质的氮化物或石油氮化物的生物化学改造过程或热催化改造过程生成的,生物气相对油型气更富含氮气;沉积有机质在过成熟阶段(温度超过300℃、Ro大于3.0%)裂解产生的氮气是富氮或高氮天然气的主要来源[7～9],由于岩石对氮气和甲烷的吸附能力及在水中的溶解度差异大,它们的混合气体经过1 000 m运移以后,氮气浓度比甲烷浓度可提高6%～18%,天然气通过运移,氮气的浓度最大可提高22～25%。从YS1井岩屑气组成分析(表4)看,都未检测到氦气、二氧化碳含量低,说明不是地幔或地壳深部成因;从由浅层到深层氮气含量较高看,大气成因的可能性不大。

综上所述,YS1井天然气为过成熟煤型气,富氮或高氮天然气是侏罗系烃源岩有机质裂解、长距离(运移距离在10 000 m以上)运移所致。另外,圈闭在生油高峰期捕获的天然气中氮气含量较高,生油高峰之后捕获的天然气氮气含量较低,据此可用来研究天然气成藏[6]。

4 结 论

1)岩屑气组成气相色谱测定方法,具有准确性高、分析数据可靠、简便、快速等特点,适合于钻井现场的快速测定及评价。

2)柴达木盆地北缘 YS1井岩屑气及天然气由无机组分氮气、二氧化碳、氢气和有机组分甲烷、乙烷组成,属于干气,为富氮或高氮天然气,具有过成熟煤型气特征,是深层侏罗系烃源岩有机质裂解和天然气长距离运移发生有效的地质色层分离作用的结果,为柴北缘地区及天然气成藏和成因研究、确定非烃天然气及成因、勘探评价等油气勘探提供了新依据和方法。

[1] 方锡贤,程 岩,熊玉芹,等.P2井特殊烃组分气测异常显示层探讨[J].录井工程,2006,17(1)

[2] 鲍云杰,刘金玲,金玄德.岩屑气分析技术在油气层评价中的应用[J].录井工程,2006,17(3)

[3] 张文龙.岩屑罐顶气轻烃的气相色谱分析方法[S].中华人民共和国石油天然气行业标准,SY 5259-91.北京:石油工业出版社,1992

[4] 陈安定.地下富氮气体中氮主要来自地面大气水下渗[J].天然气地球科学,1998,9(6)

[5] 朱岳年.天然气中N2的成因与富集[J].天然气工业,1999,19(3)

[6] 陈世加,付晓文,沈昭国,等.塔里木盆地中高氮天然气的成因及其与天然气聚集的关系[J].沉积学报,2000,18(4)

[7] 刘全有,刘文汇,Kroo ss B M,等.天然气中氮的地球化学研究进展[J].天然气地球科学,2006,17(1)

Composition characteristic of the detritus gas and origin of natural gas in YS1 well of Qaidam basin.

Zhang Bowei.

The detritus gas compositions are an important parameter to the exploration of oil and gas in well drilling.A gas chromatographic method is developed for the detritus gas compositions.The detritus gas compositions Determines by using two packed column(5A type molecular sieve and Porapak Q)and three inject sample(Analysis compositions of the O2and N2and CH4,of the H2and He,of the hydrocarbons gas and CO2and H2S)and external standard method and area normalization method.The results of experimental analysis and application show that all the good separation of the inorganic and hydrocarbons gas components in the detritus gas,and high degree of accuracy and repeatability of the determination method,The detritus gas and natural gas are natural gas with rich and high nitrogen in the Ys1 well of the Noth of the Qaidam basin,It is the post mature coal-related gas and to originate in deep source rock of the Jurassic.

detritus gas;gas chromatography;inorganic gas components;hydrocarbons gas;evaluation

TE271

B

1004-9134(2011)05-0058-04

国家重点基础发展规划“973”项目(编号2006CB701404)资助的成果

张博为,男,1989年生,西南石油大学资源与环境学院在读硕士,地球化学专业。邮编:610500

2011-06-28编辑高红霞)

PI,2011,25(5):58～61

·开发设计·