哈拉哈塘凹陷含硫化氢天然气地球化学特征

何大祥, 李博偲, 胡锦杰, 莫少武, 唐友军

(1.长江大学非常规油气省部共建协同创新中心,湖北武汉 430100; 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249)

硫化氢是油气藏中常见的非烃气体之一,在世界上许多油气藏中均含有一定的硫化氢,其中90%以上分布在碳酸盐岩—蒸发岩地层中[1-3]。中国四川、塔里木、鄂尔多斯、渤海湾及松辽盆地等含油气盆地中发现含硫化氢天然气藏[4-10]。由于硫化氢的成因、来源具有多样性,分析油气藏中硫化氢的成因和来源对研究油气藏的成藏过程和特征具有很好的指导意义[11-16]。目前硫化氢成因普遍认为包括微生物硫酸盐还原成因(BSR)、烃类物质的硫酸盐热化学还原作用成因(TSR)、烃类的热裂解成因(TDS)、岩浆-火山岩成因、幔源成因等。近年来塔里木盆地台盆区的油气勘探表明,该区下古生界碳酸盐岩油气藏中也普遍发现含有H2S,尤其是深层的油气藏中硫化氢的质量分数普遍较高[17-18]。吴碧波等[19]研究发现塔里木盆地D气藏中的H2S很可能为下部奥陶系硫酸盐热化学还原反应(TSR)产生,侧向运移到气藏中。笔者根据天然气组分、同位素特征,提取塔里木盆地塔北地区哈拉哈塘凹陷奥陶系天然气类型、成熟度等地球化学信息,分析其天然气中硫化氢的成因和来源。

1 地质背景

哈拉哈塘凹陷位于塔北隆起轮台凸起以南、英买力低凸起以东、轮南低凸起以西,南邻满加尔凹陷,是油气由低向高运移的指向区,区域位置十分有利,勘探面积达4 369 km2[20-24](图1)。目前在哈拉哈塘凹陷周缘已发现多个油气田:东侧的塔河油田、东南侧的哈得逊油田、北侧的牙哈油田、西北侧的东河塘油田以及西侧的英买力油气田。研究区发育多套储集层(石炭系、志留系和奥陶系),储层非均质性较强,成藏规律较为复杂。2006年以来在哈拉哈塘凹陷中部钻探的哈6井在石炭系底砾岩获得低产工业油气流,在奥陶系和志留系见到良好油气显示[25];在邻近区域钻探的艾丁4井在中奥陶统一间房组获得高产工业油气流,展示了哈拉哈塘地区有着良好的勘探前景。

图1 哈拉哈塘凹陷构造位置示意图及采样井位分布Fig.1 Structural location diagram and sampling well location distribution of Halahatang sag

2 样品与实验条件

天然气体样品均直接采自油气井口,采样容器为0.5～1.0 L双阀铝合金不锈钢瓶。采样时首先对采样管线和不锈钢瓶进行10～15次冲洗以便排除采样瓶中空气的污染。容器内采集的天然气压力一般要高于0.5 MPa。气体同位素组成由中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成,分析仪器为质谱仪。气体化学组分及同位素由MAT-271质谱仪分析,其中离子源为EI;电能为86 eV;质量为1～350 u;分辨率为3 000;加速电压为8 kV;发散强度为0.200 mA;真空(压力小于1.0×10-7Pa)。

3 天然气组分特征

哈拉哈塘地区奥陶系天然气组分主要以烃类气体为主(表1中列出了含H2S天然气地球化学特征;部分样品未检测出H2S,但在分析研究区天然气整体地球化学特征时均在统计范围内),且分布较为集中,主要在90.0%～95.0%,表现为有机成因气的特征,其中甲烷的质量分数在50.0%～80.0%,且分布较为离散,重烃质量分数较高,大多超过25%。天然气非烃气体主要以CO2和N2为主,且较相邻区如英买力低凸起天然气(H2S质量分数0～0.01%)而言[26],H2S质量分数较高(平均质量分数为1.4%)。气体相对密度分布在0.79～1.15,平均为0.88。研究区天然气干燥系数(w(C1)/w(C1-5))基本都小于0.85,分布在0.45～0.85,表现为典型的湿气,指示天然气热演化程度较低。干燥系数值分布范围较为集中,反映了研究区天然气成因机制及来源相对比较简单,结合烃类气体碳同位素特征判断天然气以来自中上奥陶统热演化程度较低的原油伴生气为主(图2)。

表1 哈拉哈塘凹陷含H2S天然气组分及同位素数据

图2 哈拉哈塘地区奥陶系含H2S天然气δ13C1-δ13C2关系Fig.2 Relationship between δ13C1-δ13C2 in Ordovician H2S-bearing gases in Halahatang area

如图3所示,塔北哈拉哈塘地区奥陶系天然气由南向北,从热普3井区到新垦9井区、从新垦9井区到哈11井区、从哈9井区到哈7井区其干燥系数逐渐变小,其中干燥系数最小的天然气样品出现在研究区东北部的哈7井区,其干燥系数平均为0.59,最大值出现在南部的热普3井区,其干燥系数平均值为0.81,均表现为典型的湿气特征,这主要是后期天然气充注前期已形成油藏发生的气侵作用结果,由此推测哈拉哈塘地区天然气大致充注方向为由南向北方向。

图3 哈拉哈塘地区奥陶系天然气组分平面分布特征Fig.3 Composition distribution characteristics of Ordovician natural gases in Halahatang area

4 天然气同位素及成熟度特征

如图4所示,根据天然气δ3C1、δ13C2及δ13C3判断研究区天然气均为油型气,少部分天然气δ3C1较轻,成熟度较低,具有生物气特征。天然气烷烃气碳同位素均呈正碳同位素系列分布(图5),即δ3C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4,且具有相近分布特征,天然气有机成因特征表现明显,同时也指示其成因与来源比较单一。

图4 哈拉哈塘地区奥陶系含H2S天然气δC1-δC2-δC3分布特征Fig.4 Composition distribution characteristics of δ13C1, δ13C2 andδ13C3 in Ordovician H2S-bearing gases in Halahatang area

图5 哈拉哈塘地区奥陶系含H2S天然气烃类气碳同位素特征Fig.5 Carbon isotopic characteristics of Ordovician H2S-bearing gas in Halahatang area

如图6所示,塔北哈拉哈塘地区奥陶系天然气甲烷碳同位素平面分布总体呈现南重北轻的特征,平均最低值出现在研究区东北部的哈7井区,其甲烷碳同位素平均值为-52.9‰,最高值出现在南部的热普3井区,其甲烷碳同位素平均值为-47.1‰;区内乙烷、丙烷及丁烷等重烃碳同位素值差异相对较小,但也出现研究区东北部哈6井区、哈7井区和哈9井区等和其他南部井区的重烃碳同位素的明显差别,这可能与研究区东北部油气藏微生物次生作用有关。

图6 哈拉哈塘地区奥陶系烃类气碳同位素平面分布特征Fig.6 Plane distribution of carbon isotopic characteristics of Ordovician gases in Halahatang area

天然气甲烷碳同位素(δ13C1)值主要受热演化程度影响,前人对δ13C1与烃源岩热演化程度(Ro)之间的关系进行了大量的研究发现,δ13C1与Ro存在显著的线性关系,而且在不同类型、不同地区的烃源岩具有不同的线性关系。中国学者通过大量的热模拟实验及实际地质资料,建立了适合于中国不同地区油型气的δ13C1-Ro关系式。利用δ13C1-Ro关系式来确定天然气成熟度,是目前研究天然气成熟度较为常用的方法。

如图7所示,塔北哈拉哈塘地区奥陶系天然气成熟度总体呈现南高北低的分布特征,其成熟度最低值在东北部的哈7井区,为0.23～0.64,平均为0.41;成熟度最高分布在南部的热普3井区,为0.50～1.01,平均为0.73。值得注意的是,该区东北部部分井区发现较强烈的微生物活动,微生物活动对甲烷碳同位素的影响较大,成熟度计算可能会出现相应不同程度的偏差。

图7 哈拉哈塘地区奥陶系天然气成熟度平面分布特征Fig.7 Plane distribution characteristics of maturity of Ordovician nature gases in Halahatang area

5 硫化氢成因

哈拉哈塘凹陷天然气干燥系数随H2S质量分数的增加没有表现出明显的增加趋势,其相关性并不明显(图8(a)),同样CO2质量分数和H2S质量分数也不具有明显的相关性(图8(b)),这与李志生等[30]发现的四川盆地天然气中TSR成因H2S质量分数与CO2质量分数呈正相关明显不同,指示该地区H2S可能并非TSR成因。

图8 H2S质量分数与干燥系数、CO2质量分数的关系Fig.8 Relationship between H2S mass fraction and dry coefficient,CO2 mass fraction

李志生等[30]发现四川盆地天然气中TSR成因的H2S质量分数与烃类气体同位素值呈正相关,模拟实验也证明TSR可以造成天然气组分中非烃气体质量分数、干燥系数的增加及烃类碳同位素的变重[31]。哈拉哈塘凹陷天然气中δ13C1、δ13C2、δ13C3及δ13C4随H2S质量分数的增加均呈减小的趋势(图9),同样指示TSR作用并非哈拉哈塘地区天然气H2S的主要成因机制。此外从地质角度来看,哈拉哈塘地区没有像塔中地区有大范围的膏盐岩层,不太具备发生TSR的条件。哈拉哈塘不发育寒武系烃源岩,但作为哈拉哈塘天然气的主力烃源层，无论是哈拉哈塘地区[32]或其南部地区(满西地区)[22]的中-上奥陶统碳酸盐岩,其所生成的原油具有较高的硫芴质量分数[21],与塔里木盆地泥页岩烃源岩有明显的区别,因此含硫碳酸盐岩为天然气中BSR作用提供了物质基础。

图9 H2S质量分数与烷烃气碳同位素关系Fig.9 Relationship between H2S mass fraction and δ13C1, δ13C2, δ13C3 and δ13C4

哈拉哈塘地区奥陶系天然气H2S高值区主要集中在哈6区块(最高值为HA7-H12井天然生气中H2S质量分数为0.105 1),在研究区南部地区,天然气H2S质量分数普遍较低。天然气主要为来自中上奥陶统成熟度较低的原油伴生气,结合H2S质量分数与烃类碳同位素的关系,推测该区H2S可能是生物硫酸盐还原作用(BSR)形成。BSR是指硫酸盐还原菌在无氧条件下吸收硫酸盐,氧化有机物获取能量将硫酸盐还原生成H2S排出的代谢过程,BSR作用发生需要3个条件:有机质、硫酸盐和硫酸盐还原菌[33]。

海相、海陆交互相及成岩阶段的海侵是BSR成因的物质基础。从沉积环境来看,对轮南1井奥陶系烃源岩取样分析,同位素资料指示早奥陶世是一个海面上升的过程,塔北隆起整个下奥陶统是一个海水由浅变深的海侵旋回[34]。至中奥陶世,塔北南缘各井奥陶系一间房组及鹰山组沉积了层状大面积分布的礁灰岩、亮晶棘屑灰岩[35],也就是说,中—晚奥陶世,整个哈拉哈塘地区都处于缺氧的分层水体中。在这种情况下,作为严格的厌氧微生物,硫酸盐还原微生物功能群将硫酸盐经过BSR作用转化为H2S,部分以金属硫化物(主要为FeS2)的形式沉淀下来,奥陶系的沉积环境为哈拉哈塘地区天然气中H2S的BSR成因提供了可能。此外,常象春等[36]也在哈拉哈塘凹陷奥陶系原油中普遍检测到25-降藿烷,且25-降藿烷质量分数较高,表明该区早期充注原油曾受到强烈的生物降解作用。该地区存在强烈的微生物活动为BSR作用的产生提供了佐证。

6 结 论

(1)塔北哈拉哈塘凹陷含H2S天然气以原油伴生气为主,哈6区块天然气具有生物气特征,成熟度较低。

(2)哈拉哈塘凹陷南部天然气干燥系数、成熟度较北部高,指示该区天然气可能由南向北运移。

(3)天然气中H2S质量分数与干燥系数和CO2质量分数无明显相关性,但与随烃类气体的碳同位素值具有明显相关,即随着天然气中H2S质量分数增加,δ13C1、δ13C2、δ13C3及δ13C4的减小,结合烃源岩特征、沉积环境及该区原油的微生物降解特征,推测该地区H2S可能为BSR成因。