阿联酋海域二叠系Khuff组气藏非烃气体成因及分布预测

陈 杰 张 剑 程绪彬 黄文明

阿联酋海域二叠系Khuff组气藏非烃气体成因及分布预测

陈 杰1,2张 剑3程绪彬1,2黄文明1,2

1.中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院 2.中国石油海外天然气技术中心 3. 中油国际（阿联酋）公司

阿联酋北部海域二叠系Khuff组气藏不仅蕴含着丰富的天然气资源，而且还含有大量的非烃气体（CO2、H2S和N2等）且分布极不均匀，严重制约了该区天然气资源的勘探与开发。为此，在分析区域地质、地球化学特征的基础上，研究了该区非烃气体的成因。结果表明：①Khuff组气藏中的H2S气体主要来源于地层中的硫酸盐热液化学反应（TSR作用）；②CO2为无机成因，主要来源于深部地幔，同时也受到了TSR作用的影响；③N2的成因目前还不能够完全确定，既有可能来自于深部的地幔，也有可能由过成熟阶段的有机质经氨化热解作用而形成。进而根据该区单井非烃气体含量，结合古构造演化、区域沉积相研究成果，探讨了非烃气体的分布范围，并绘制了Khuff组非烃气体含量预测分布图。结论认为：①非烃气体主要分布于阿布扎比的东北和东南海域，其次为西南海域，而西北海域含量则最低，后者是下一步天然气勘探的有利区；②应加强对Khuff组稀有气体含量与同位素的分析，以期更加准确地确定非烃气体的成因。

阿联酋 二叠纪 Khuff组气藏 非烃气体 硫化氢 二氧化碳 氮气 TSR作用 来源及成因

中东地区天然气资源主要蕴含在二叠系Khuff组碳酸盐岩地层中，其中就包括世界上最大的气田——北方—南帕斯气田[1-5]。20世纪80年代以来，阿联酋在其北部海域内发现多个Khuff组地层构造圈闭：截至2015年底，共计发现了55个构造圈闭，在7个构造上完成了探井钻探和测试，发现该区域内Khuff组普遍含天然气，但气体中含有大量的非烃气体（H2S、CO2和N2均存在，其中H2S含量最高达21.2%，CO2含量最高达44.7%，N2含量最高达52.7%），同时非烃气体的分布极不均匀，不同的构造、甚至同一口井的Khuff组各小层之间的非烃气体含量值也存在较大的变化。这严重影响和制约了该区天然气资源的商业开发和下一步勘探工作推动[6]。为此，笔者基于收集到的阿联酋北部海域Khuff组地质资料和气体组分分析资料，结合区域地质、成藏演化以及地球化学分析等成果，探讨了Khuff组气藏非烃气体的来源及其成因；进一步结合区域沉积相、古构造演化等研究，以单井测试资料分析为基础，开展了Khuff组非烃气体分布预测，以期为下一步的勘探工作奠定基础。

1 Khuff组气藏基本地质特征

二叠系Khuff组成藏组合是中东波斯湾盆地最重要的天然气成藏组合。下志留统Qusaiba段热页岩是Khuff组气藏的主要烃源岩，其分布广（广泛分布于北非与阿拉伯盆地中部）、有机质含量高（有机碳含量介于4%～12%），为倾油性的混合型干酪根。Qusaiba段烃源岩在晚白垩世大面积成熟生烃，Khuff组圈闭在晚志留世时期受波斯湾盆地前寒武系盐隆起的影响开始发育，于中白垩世基本定型；基底断裂是原油向Khuff组运移的主要通道，同时Khuff组下部的Unayzah组碎屑岩地层也充当了油气横向运移通道。Khuff组上覆的三叠系Sudair组致密泥灰岩和Khuff组内部的致密硬石膏层是Khuff组储层的良好盖层[3-4,6]（图1）。

波斯湾盆地Khuff组主要沉积于新特提斯洋的边缘，其沉积环境属于浅水、低能的碳酸盐岩台地系统。阿联酋北部海域的Khuff组在二叠纪时沉积环境主要为局限台地—蒸发台地环境[7-8]，现今地层埋深4 000～5 200 m，平均埋深4 300 m；地层厚622～915 m，平均厚733 m；地层岩性以球粒、鲕粒及生屑的白云岩、灰质云岩为主，夹有石膏，其中地层中部发育一段稳定的、厚约16 m的无水硬石膏层，称为中石膏层。据此将Khuff组分为上Khuff和下Khuff共2套。

图1 阿联酋古生界地层综合柱状图

Khuff组储层储集空间以粒间、晶间和粒内溶孔为主，普遍发育裂缝。储层原生孔隙较差，但淋滤作用和白云化作用对储层改造作用十分强烈，次生孔隙发育。纵向上各小层储层物性变化变化较大，孔隙度平均介于3.0%～10.6%，平均为6.8%；渗透率介于0.14～18.70 mD，平均为5.70 mD。

2 天然气组分与成因

2.1 天然气组分

从阿联酋海域Khuff组天然气组分分析结果（表1）来看，该区域内Khuff组气藏天然气具有以下几个特征：

烃类气体以甲烷为主，但含量变化较大（16.38%～89.67%），均为干气，干燥系数非常高（96.7%～99.9%）。

非烃气体含量较高，包括N2、H2S和CO2等，各气田中的非烃气体含量差异极大，如：阿联酋西北海域的Arzana气田（NK-1井），其Khuff组天然气中N2含量高达52.74%，H2S含量高达21.22%，CO2含量高达9.59%，总的非烃气体占83.60%；而位于该气田西北方向距离约20 km的Satah气田，其Khuff组天然气中N2含量仅为8.00%，H2S含量仅为0.12%，CO2平均含量为6.98%，非烃气体含量为16.00%。

表1 阿联酋海域Khuff组天然气组分分析结果表

2.2 天然气成因

区域地质研究表明Khuff组气藏烃源岩主要为志留系Qushuaiba组海相页岩，为倾油的偏腐泥混合型干酪根[3-6]。Qushuaiba烃源岩在早侏罗世（距今约200 Ma）开始生油，在晚侏罗世（距今140～150 Ma）达到生油高峰，于早白垩世（距今120～130 Ma）结束生油；随后在中白垩世（距今100～110 Ma）达到生气高峰，随后进入原油裂解气时期。中东地区二叠系Khuff组构造圈闭主要受盐拱隆起的影响，在晚志留世时开始发育，到中白垩世时基本发育定型，到古近纪之后，受扎格罗斯构造运动的挤压作用，又有部分盐隆构造持续抬升，形成了现今构造形态[9-10]。

天然气可以由2种途径形成，即干酪根热降解初次生成气和原油二次裂解生气。Khuff组气藏中的天然气来源于那种形式？笔者经综合分析，认为其主要来自原油裂解[11-12]。

Khuff组中普遍存在沥青，主要分布在溶蚀孔缝中。从储层中固态沥青的产状看，其是液态烃类运移进入储层后因热裂解作用形成的残留物。同时，薄片镜下观察中发现存在残存沥青（图2）。

图2 Khuff组孔隙中沥青图

根据Behar等的研究成果，干酪根初次裂解气和原油二次裂解气的C1/C2和C2/C3值明显不同：干酪根初次裂解气，C1/C2值变化较大，C2/C3值基本不变；相反原油二次裂解气C1/C2值基本不变，C2/C3值变化范围大[13]。将阿联酋海域Khuff组天然气组分分析结果绘制于Behar判识图版上，具有明显的原油裂解气特征（图3）。阿联酋海域圈闭从二叠纪开始就受寒武系盐隆起的作用持续发育，直到白垩纪中晚期才结束。圈闭的形成和发育与烃源岩的成熟生烃及油气运移匹配良好。因此，Qushuaiba烃源岩生成的原油在侏罗纪晚期曾经大量充注在这些圈闭之中，但随着烃源岩的埋深加大，温度升高，Qushuaiba烃源开始排出天然气，原来运移在圈闭中的原油被驱赶到更高部位的圈闭中去（阿联酋西北沙特、东北的伊朗等境内），随后在中—晚白垩世由于地层埋深持续较大，地层温度持续升高（超过140 ℃），Khuff组中的原油大量裂解生成天然气。

图3 阿联酋Khuff组天然气成因判识图版

3 非烃气体来源及分布预测

3.1 非烃气体来源分析

3.1.1 H2S气体来源

对于碳酸盐岩地层中H2S的形成原因主要有3大类：①干酪根中含硫有机物的热解；②地层中沉积硫酸盐（主要是石膏和硬石膏）的细菌还原作用（BSR）；③地层中硫酸盐高温热化学还原作用（TSR）[14-15]。阿联酋海域Khuff组碳酸盐岩地层中富含的大量H2S普遍认为是由于硫酸盐岩的热化学反应（TSR作用）形成的[11-12]。这与阿联酋古生界Khuff组地质特征相吻合：

1）Khuff组中普遍发育石膏，特别是Khuff组中部存在1套厚约15 m的硬石膏层。同时在Khuff组内部也广泛分布有石膏（BushraBR-1井中，Upper Khuff中石膏含量达5.2%，Lower Khuff中石膏含量为2.3%）。

2）阿联酋海上Khuff组埋深普遍大于4 000 m，根据BR-001井地温梯度测算，其气藏温度达到140℃，超过了TSR作用发生所需的最低温度（120 ℃）。

3）阿联酋Khuff组各气藏天然气干燥系数非常高，与气藏中H2S含量呈正相关性(图4)。这是因为TSR反应过程中SO42-优先与重烃发生反应生成H2S，会消耗掉气藏中大部分的重烃组分。

3.1.2 CO2气体来源

天然气气藏中CO2的来源包括无机成因和有机成因2大类，其中无机成因的CO2又有地幔—岩浆成因和岩石化学成因2种主要来源，目前对于天然气气藏中CO2来源的判识与确定，主要有以下几种方法[16-17]。

图4 阿联酋Khuff组天然气H2S含量与干燥系数关系图

1）根据同位素分析：有机成因的CO2其同位素值一般小于-10‰，而无机成因的其同位素值一般大于-9‰。

2）对于无机成因的CO2可以通过其CO2的含量和天然气中稀有气体氦氩同位素分析来进行判断：通过CO2含量判断，岩浆—火山成因来源的CO2在天然气中含量一般较高，超过60%；而地幔来源的CO2，其含量通常较低，低于20%。通过稀有气体氦氩同位素判断，对于来源于地球深部火山幔源活动区的CO2，具有高的3He/4He值，其标准特征值一般为1.1×10-5；而来源于地表圈层地壳沉积物的CO2，具有低的3He/4He值，其标准特征值通常为2×10-8；来源于地球大气圈的CO2，其3He/4He值特征值介于上述两者之间，为1.4×10-6。

根据阿联酋北部海域Satah油气田ST-19井Khuff组天然气同位素分析数据（表2），其CO2的碳同位素δ13C值为-7.09‰，应为无机成因。同时从阿联酋6口井的天然气组分分析数据来看（表1），仅BR-1井的K3层和K6层的CO2含量超过20%，其余各井CO2含量小于10%。因此，综合分析后认为，Khuff组的CO2主要来源于地幔。区域地质研究成果表明，阿联酋海域深层发育深大断裂[18]。遗憾的是，目前未收集到阿联酋海域Khuff组气藏中氦氩同位素的分析数据，不能进一步佐证二氧化碳的来源。

3.1.3 N2来源

关于地层中N2来源，目前研究表明主要分为有机成因和无机成因2大类，其中有机成因包括：未成熟阶段的烃源经微生物氨化作用，成熟、高成熟阶段烃源经氨化作用和过成熟阶段有机质经热裂解作用。无机成因包括：大气来源（浅层地层水循环带入地下）、岩浆火山活动和地幔来源，其判识标准主要依据含N2天然气组分及同位素组成[19-21]。

表2 ST-19井Khuff组CO2同位素分析结果表

大气源的N2产生在浅层水循环作用带，特征为：N2/Ar≤84，δ15N≈0。

地壳深部和上地幔源的原生N2，特征为：δ15N≈-2‰～1‰，伴生的Ar的40Ar/36Ar＞2 000和He的3He/4He＞10-6。

微生物反硝化作用形成的N2，特征为：δ15N＜-10‰，地下水中NO3-和NO2-浓度异常高。

未成熟沉积有机质经微生物作用形成的N2，特征为：δ15N≈-10‰，伴生的CH4的δ13C＜-55‰。

成熟（包括高成熟）沉积有机质经热氨化作用形成的N2，特征为：δ15N≈-10‰～-1‰，伴生的CH4的δ13C值介于-55‰～-30‰。

经成熟沉积有机质裂解产生的N2，特征为：δ15N≈5‰～20‰，伴生的CH4的δ13C在-30‰～-20‰。

沉积岩中无机固定氮在高温变质条件下释放出的N2，特征为：δ15N≈1‰～3.5‰，且N2/ Ar≥84。

根据阿联酋北部海域Satah油气田ST-19井Khuff组天然气中N2同位素测定值：δ15N＝-0.4‰，甲烷的同位素δ13C为-35.29‰，分析N2来源只有2种可能：①无机成因，来自于深部地幔；②有机成因，是烃源岩过成熟阶段有机质经热氨化作用生成的。

目前尚未收集到阿联酋北部海域Khuff组气藏稀有元素的测量数据。根据区域地质资料分析，Khuff组中N2可能是无机成因，受晚期扎格罗斯构造运动（距今约30 Ma前的古近纪时期）的影响，深部大断裂复活，从深部地幔运移至Khuff组中[18]，但要最终确定Khuff组天然气中N2的来源，需要开展其稀有气体Ar和He的同位素分析。

3.2 非烃气体分布预测

阿联酋二叠系Khuff组普遍含有大量的非烃气，如何预测非烃气体的分布范围对于Khuff组天然气下一步的勘探具有重要的意义。综合分析来看，Khuff组气藏中的H2S主要是由于硫酸盐岩的TSR作用产生，H2S的分布主要与石膏含量、分布范围及地层埋深（地层温度）密切相关；CO2主要是来自地幔，同时也受到TSR作用的影响；N2的来源目前认为最可能来自深部的地幔，但需要稀有气体Ar和He同位素分析结果证明。区域研究结果表明，二叠系Khuff组沉积相带展布呈北西—南东的条带状展布，西部为阿拉伯地盾，东部为古提特斯洋深水环境，阿联酋海域基本上都处于碳酸盐岩蒸发陆棚相[7-8]；构造上，Khuff组北浅南深。因此，根据区域地质资料、现今Khuff构造埋深，综合考虑古构造、石膏含量、基底断裂等因素，以各构造单井测试数据为“硬数据”编制了阿联酋海域Khuff组气藏中非烃气含量分布图（图5）。

总的来看，阿联酋海域Khuff组气藏中非烃气体在东北和东南最高，西南偏高；西北最低，为有利的勘探区域。

4 结论

1）阿联酋北部海域二叠系Khuff组气藏中含有大量的非烃气，其中H2S主要来自烃类与硫酸盐岩矿物的TSR作用；CO2为无机成因，主要是来自于深部的地幔；N2可能是晚期受波斯湾盆地扎格罗斯构造运动影响，由于深部断裂复活，从深部的地幔运移而来。

2）综合多种资料，分析认为阿联酋北部海域二叠系Khuff组气藏中非烃气体主要分布在阿布扎比的东北和东南海域，其次为西南海域，西北海域最低，为下一步的有利勘探方向。

图5 阿联酋Khuff组天然气非烃气体分布图

3）目前的资料还不足以对Khuff组气藏中的非烃气来源做出准确的判断，需要进一步开展更多气田的天然气同位素、稀有元素含量和同位素分析。

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（修改回稿日期 2016-09-12 编 辑 罗冬梅）

2040年前中国天然气需求量年均增速将达4.6%

国际能源署日前发布《2016年世界能源展望》，预测中国的天然气需求量将以年均4.6%的速度增长，从2014年的1 880×108m3增长到2040年的6 050×108m3。

印度的天然气需求量到2040年时将达1 890×108m3(年均增速5.2%)，东南亚地区的天然气需求量到2040年时将达2 670×108m3(年均增速1.8%)，日本的需求量同期却会以年均1.1%的速度下降至960×108m3。此期间俄罗斯的天然气需求量预计不会发生变化。

与2014年9 410×108m3的数量相比，北美地区2040年时的天然气需求量将增至1.1×1012m3。按照国际能源署的预计，2040年世界天然气需求量将达5.2×1012m3，较2014年的3.5×1012m3增加近50%。

根据上述报告，较之于2015年，俄罗斯天然气产量至2040年将增长19.2%，达到7 580×108m3。2020年该国天然气产量将达6 360×108m3，并将继续以每年提高0.7%的速度增长。该机构预计，2025年俄天然气产量将达到6 680×108m3，2030年为6 980×108m3，2035年为7 300×108m3。根据俄罗斯能源部的数据，2015年俄罗斯天然气产量为6 355×108m3。

该报告还称，北美天然气产量全年平均将增长1.1%，至2040年将达到1.239×1012m3。沙特阿拉伯将把天然气产量每年平均提高2.1%，而2040年将达到1 480×108m3。伊朗的天然气产量每年将增加2.3%，2040年将达到3 160×108m3。与此同时，欧洲的天然气产量至2040年将平均每年下降1.4%，2040年将仅为1 780×108m3。

根据国际能源机构的预测，至2040年世界天然气产量将从2014年的3.5×1012m3提高至5.2×1012m3，平均年产量增长将达到1.5%。同时，天然气的全球需求量到2040年将上升近50%。

（天工 摘编自天然气工业网）

Genesis of and distribution prediction on non-hydrocarbon gas in the Permian Khuff Fm gas reservoirs in UAE sea areas

Chen Jie1,2, Zhang Jian3, Cheng Xubin1,2, Huang Wenming1,2
(1. Geological Exploration & Development Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610051, China; 2. CNPC International Natural Gas Technology Center, Chengdu, Sichuan 610051, China; 3. CNPC International Company, Beijing 100034, China)

In the sea area of northern UAE, the gas reservoirs of Permian Khuff Fm contain abundant natural gas resources, as well as a large amount of non-hydrocarbon gas (e.g. CO2, H2S and N2) which is distributed quite unevenly, so the natural gas exploration and development in this area is seriously restricted. In this paper, the genesis of non-hydrocarbon gas in this area was first investigated after the regional geology and geochemical characteristics were analyzed. It is shown that H2S in Khuff Fm gas reservoirs is mainly generated by the thermal sulphate reaction (TSR) in the strata; that CO2is of inorganic origin, and it is mainly derived from the deep mantle and is also affected by TSR; and that the genesis of N2is not confirmed definitely. It may be derived from the deep mantle or generated from the overmature organic materials under the effect of thermal-cracking ammoniation. Then, according to the single-well non-hydrocarbon gas content in this area, together with the research results in paleo-structure evolution and regional sedimentary facies, the distribution range of non-hydrocarbon gas was discussed, and the distribution prediction map of Khuff Fm non-hydrocarbon gas was plotted. It is concluded that non-hydrocarbon gas is mainly distributed in the sea areas of northeastern and southeastern Abu Dhabi, and secondarily in the sea area of southwestern Abu Dhabi. The non-hydrocarbon gas content in the northwestern sea area is the lowest, so this area is the favorable region for the next natural gas exploration; and that analysis of Khuff Fm rare gas content and isotope should be strengthened so as to determine the genesis of non-hydrocarbon gas more accurately.

UAE; Permian; Khuff Fm gas reservoir; Non-hydrocarbon gas; H2S; CO2; N2; Thermal sulphate reaction (TSR); Origin and genesis

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.003

陈杰等.阿联酋海域二叠系Khuff组气藏非烃气体成因及分布预测.天然气工业，2016, 36(11): 21-27.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.21-27, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

中国石油重大科技专项“中国石油海外油气上产2亿吨开发关键技术研究”（编号：2011E-2501）。

陈杰，1980年生，高级工程师，硕士；主要从事碳酸盐岩油气藏地质综合研究工作。地址：（610051）四川省成都市建设北路一段83号。ORCID: 0000-0001-6701-4659。E-mail: chenj-sc@cnpc.com.cn