威远气田富氦天然气分布规律及控制因素探讨

2022-09-05 07:28刘凯旋陈践发杨佳佳
关键词:气藏氦气气田

刘凯旋,陈践发,付 娆,汪 华,罗 冰,戴 鑫,杨佳佳

(1.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)),北京 102249;2.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249;3.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,四川成都 610041;4.国家地质实验测试中心,北京 100037)

威远气田发现于1964年,不仅是中国最早发现的海相大气田,也是国内唯一开展工业制氦的天然气田[1]。自发现威远富氦天然气田至今,整个四川盆地除发现资阳和荷包场含气构造的氦气含量可达到工业开采价值(氦体积分数大于0.1%)以外[2-4],再未见有关富氦天然气的报导。由于威远气田开发时间较长,目前天然气资源几近枯竭,寻找可供替代的富氦天然气藏已迫在眉睫。针对威远气田氦气的研究,自20世纪80年代以来中国学者已开展大量的工作,但研究成果主要集中在氦气成因及来源判识方面,普遍认为该气藏氦气属于壳源放射性成因,即使有幔源氦的加入,也占比极少[1,5-6]。在氦气来源方面当下仍存在较大的争议,部分学者认为灯影组气藏中的氦气主要来源于寒武系筇竹寺组泥页岩[1,7],另一部分学者认为主要来源于下伏的前震旦系花岗岩[4,8-9]。这些研究主要是将氦气作为辅助地化参数用以解决威远气田的气源问题,鲜有针对氦气成藏进行系统的研究,致使威远气田富氦天然气(氦体积分数不低于0.1%)空间分布规律、运聚成藏过程和主要控制因素方面的研究十分薄弱。笔者在搜集整理前人发表的天然气数据以及最新常规和非常规天然气样品分析测试的基础上,结合威远气田实际地质条件,探讨威远气田富氦天然气的分布特征及主要控制因素,以期为四川盆地进行富氦天然气藏的勘探工作提供借鉴。

1 地质背景

威远气田地处四川省内江市威远县、资中县和自贡市荣县境内(图1),是盆地内乐山—龙女寺古隆起现今核部上的一个大型穹隆背斜气藏,产层主要为震旦系灯影组(图2)[5]。

图1 四川盆地天然气藏氦气丰度示意图(据文献[10]修改)Fig.1 Schematic diagram of helium abundance in natural gas reservoirs in Sichuan Basin (After citation[10],modified)

图2 威远气田地层综合柱状图(据文献[1]修改)Fig.2 Comprehensive histogram of Weiyuan gas field strata(After citation [1],modified)

威远气田钻遇地层自下而上如图2所示,从前震旦系到晚三叠系须家河组。其中前震旦系花岗岩成因类型属于A2型花岗岩[11],与盆地周边同类岩石年龄较为相似(约为794 Ma)[12]。下震旦系陡山沱组已被证实为一套良好的泥质烃源岩,总有机碳含量(TOC)平均值为2.06%,威远气田该层厚度约为14 m,与下伏前震旦系花岗岩呈不整合接触[13]。上震旦系灯影组以白云岩为主,总厚度约为590 m,灯影组共分4段,其中灯一段系厚度约为12 m的砂质白云岩,灯二和灯四段以藻白云岩为主,藻类丰富,具葡萄状结构,缝-洞体系发育,是该气田主要的产气层,与上覆寒武系呈假整合接触[1,5]。

下寒武统筇竹寺组是一套区域上分布稳定的暗色泥页岩,气田内厚度为409~514 m,TOC平均为1.88%,是威远气田最主要的生烃层系[14]。中、上寒武统以白云岩夹薄层砂岩为主,奥陶系则主要为白云岩夹生物灰岩。威远气田部分地区志留系地层缺失,主要为厚度0~140 m的黑色页岩。下二叠统为厚度约300 m的暗色灰岩,上二叠统龙潭组为一套厚度约200 m的海陆过渡相泥页岩。三叠系地层因构造抬升现今已部分出露,下部飞仙关组以灰岩夹薄煤层为主,嘉陵江组和中三叠统雷口坡组则主要为白云岩、灰岩夹膏岩层,上三叠统须家河组以砂泥岩夹薄煤层为主,三叠系整体可视为一套良好的区域性盖层[1]。

在二叠纪以前,乐山—龙女寺古隆起历经多次构造升降成为一个继承性古隆起,二叠纪后经印支、燕山和喜山历次运动最终形成现今的构造形态[15]。三叠纪时期,受控于整个扬子地台的构造反向运动,资阳古隆起形成,同时期的威远构造为一西北倾向的单斜[16]。晚白垩纪以来,因受喜山期挤压运动影响,古隆起各部隆升幅度不一,期间威远构造抬升近4 000 m,形成如今的大型穹窿状背斜[17]。

2 样品和方法

本次研究共采集威远气田不同层位生产井的9个天然气样品(表1)以及搜集自前人已发表的70个天然气数据[1,4,5,7,18-19]来分析威远气田富氦天然气的分布规律及主要控制因素。所有的天然气样品均使用最大压力15 MPa的双阀耐压钢瓶(直径10 cm,体积7 000 cm3)自分离器采集,现场通过用天然气反复冲洗钢瓶4~6次(每次2~3 min)以避免空气污染。

表1 威远气田天然气采样信息Table 1 Natural gas sampling information of Weiyuan gas field

天然气的化学组成分析工作在中国地质调查局国家地质实验测试中心完成,采用气相色谱仪Agilent 7890B,仪器为4阀7柱3检测器结构,配以FID和双TCD三检测器,其中FID检测器用以分析C1到C5以及C6/C6+;第一个TCD检测器(载气为氦气He),用以分析CO2、CO、O2、N2和H2S组分;第二个TCD检测器(载气为氮气N2),用以分析H2和He。前进样口温度250 ℃,压力107.08 kPa,分流进样,分流比80∶1,隔垫吹扫 3 mL/min;柱箱初始温度为60 ℃,持续时间1 min,然后以20 ℃/min的升温速率升高至80 ℃,再以30 ℃/min的升温速率升高至190 ℃,持续7 min。

3 天然气分布规律

威远气田纵向上各层均有天然气显示,其中前震旦系为花岗岩裂隙气,除震旦系主力气层外,寒武系、奥陶系和二叠系均为小型工业气藏,三叠系只有微量天然气产出。由表2可知,威远气田纵向上从前震旦系到三叠系整体呈现出烃类气体逐渐增加,非烃气体和稀有气体逐渐减小的特征,其中烃类气体以甲烷为主,甲烷体积分数平均值由69.78%逐渐增大到98.36%;非烃气体中二氧化碳无明显变化规律,氮气体积分数平均值自下而上从23.69%逐渐减小至0.40%。稀有气体氦、氩呈现出相同的变化规律,即自下而上具有逐渐减小的特征,其中氦气体积分数平均值从0.811%减小至0.033%,氩气体积分数平均值从0.199%减小至0.005%。

由表2可知,威远气田除三叠系和部分二叠系天然气氦含量较低以外,其余层位的天然气藏氦体积分数普遍大于0.1%,其中作为该气田主力气层的震旦系灯影组氦气平均体积分数最高(前震旦系花岗岩裂隙气除外),为0.260%。灯影组天然气氦体积分数平面分布如图3所示,自气藏边缘向核部随着地层埋深的减小,氦气含量呈现规律性的升高,在核部的构造高部位处氦气含量普遍较高,体积分数一般大于0.250%,如威117井氦气体积分数高达0.404%;而气藏边缘处的氦体积分数则普遍较低,一般小于0.200%,如威基井氦体积分数仅为0.120%。

表2 威远气田常规天然气组分特征Table 2 Characteristics of conventional natural gas components in Weiyuan gas field

图3 威远气田震旦系灯影组气藏氦气含量平面分布Fig.3 Plane distribution of helium content in Sinian Dengying Formation gas reservoir in Weiyuan gas field

4 讨 论

4.1 氦气来源

天然气中的氦有大气来源、壳源和幔源3个主要来源,不同来源的氦气具有明显不同的3He/4He值,各自分别为1.4×10-6、2×10-8和1.1×10-5[20]。由图4可知,威远气田富氦天然气的3He/4He比值较低,标准化处理((3He/4He)样品/(3He/4He)空气)之后氦同位素值为0.013~0.041(平均为0.024),指示氦主要是由地壳中的铀钍元素放射性衰变形成,较高的(40Ar/36Ar)样品/(40Ar/36Ar)空气值表明天然气中的氩是由放射性钾-40衰变形成[1,5]。

Brown[22]认为,氦气生成量主要取决于岩石中放射性元素含量、岩石形成时间和岩石体积3个因素。如表3所示,威远气田钻遇的前震旦系花岗岩(794±11 Ma)铀元素质量分数为(2.55~16.94)×10-6(平均为7.19×10-6)、钍元素质量分数为(21.8~49.1)×10-6(平均为32.7×10-6)、钾质量分数为5.07%~7.31%(平均为5.23),明显高于Turekian[23]统计的地壳中花岗岩铀、钍和钾含量平均值;威117井在震旦系灯四段底部发现的厚度约为4 m的蓝灰色泥岩也具有丰富的放射性元素,其中钍质量分数约为1×10-5,钾质量分数为4%~5%[7],虽未见有铀含量数据的报导,但在测井曲线上可明显见到伽马曲线相比于相邻地层呈现较大幅度的升高,表明铀元素含量也相对较大;寒武系筇竹寺组页岩和志留系龙马溪组页岩其放射性元素含量亦明显高于地壳平均值,可为威远富氦气田的形成提供充足的氦气和氩气来源。

从研究结果可以看出,无论是语际错误,还是语内错误中的词汇错误与句法错误,知识能力的不足都是其根本原因。

图4 威远气田富氦天然气稀有气体同位素分布(据文献[21]修改)Fig.4 Distribution of rare gas isotope of helium-rich natural gas in Weiyuan gas field(After citation[21],modified)

威远气田下伏前震旦系花岗岩基底和沉积层系从放射性元素含量的角度可以看出均具有良好的生氦能力,但如表4所示,威远地区志留系龙马溪组竖井威201产出的页岩气中氦气体积分数并不高,仅为0.046%,即使压裂过后的水平井威201-H1中的氦气含量也仅仅刚达到工业开采价值,筇竹寺组页岩气中的氦气含量也具有上述特征,表明寒武系筇竹寺组页岩所排出的含氦天然气不足以支撑震旦系灯影组气藏如此大规模的氦气富集。通过对比花岗岩裂隙气和筇竹寺组页岩气中的氦气含量,认为气田下伏的前震旦系花岗岩基底是震旦系灯影组富氦气藏主要的氦源岩,寒武系筇竹寺组泥页岩和震旦系灯四段蓝灰色泥岩是次要的氦源岩。

表3 威远气田及周边地层放射性同位素含量Table 3 Radio isotope content of Weiyuan gas field and surrounding formations

表4 威远地区页岩气组分特征Table 4 Characteristics of shale gas components in Weiyuan area

4.2 断裂系统控制氦气的富集

4.2.1 促进氦源中氦气的释放

放射性成因4He自矿物中形成以后大部分保留在矿物晶格中,一般主要有4种途径可以促使氦气从矿物中释放出来,主要有衰变反冲、扩散、破裂和矿物转化[20]。在大型构造运动过程中,不仅会形成一系列的断层和裂缝,往往也会伴随有岩石中矿物的破裂,从而促使保存在矿物晶格中的氦气进行释放。Roques等[28]通过观察花岗岩类在水力压裂过程中氦和氩浓度的变化表明,随着注入流体的增加形成的超压使得地应力状态发生变化,进而造成岩石及矿物的破裂,释放岩石中早先积聚的氦气和氩气造成地下流体中的氦和氩浓度升高。如图5所示,未实施水平压裂技术的威201井和威202井志留系龙马溪组及筇竹寺组页岩气中氦气体积分数为(240~500)×10-6,而实施水平压裂技术的威201-H1井志留系龙马溪组[27]和威201-H3井寒武系筇竹寺组页岩气中氦气体积分数则为(973~1 375)×10-6,已达到工业开采品位,两者相比之下进一步证实水力压裂技术明显有利于促进岩石中氦气的释放。与此同时,20世纪80年代末期发现的初始氦、氩体积分数分别高达1.877%和0.340%的前震旦系花岗岩裂隙气[5],亦可说明裂缝有利于花岗岩中氦和氩的大规模释放。

图5 威远地区不同开采方式页岩气氦气含量分布Fig.5 Distribution of helium content of shale gas in different production methods in Weiyuan area

4.2.2 控制氦气等地下流体的运聚

李玉宏等[29]在研究渭河盆地氦气成藏问题时认为盆地内发育的深大断裂可作为饱含氦气等气体组分的地下水及常规气体的优势运移通道,促进富氦天然气藏的形成。美国的Panhandle-Hugoton富氦气田、俄罗斯西伯利亚的Chayandinskoye富氦气田和中国柴达木盆地的马北富氦气田附近均存在广泛发育的深大断裂[30-32],进一步说明断裂系统在氦气运移和聚集过程中的重要性。前文已述及,威远构造是在喜马拉雅运动时期的强烈挤压应力作用下形成的大型穹隆背斜,地层的快速抬升造成顶部的三叠系区域盖层发生部分剥蚀,对气藏的封盖性大幅降低;其次在隆升过程中,强烈的挤压运动形成一系列的断层和裂缝,不仅有利于下伏前震旦系花岗岩体和寒武系筇竹寺组泥页岩等“氦源岩”中氦气的大规模释放和运移进入震旦系灯影组气藏中,而且使得威远构造纵向上地层连通性增强,造成震旦系灯影组气藏天然气的向上缓慢扩散,形成如今的天然气组分纵向分布特征。

放射性衰变生成的壳源氦气不仅生成速度极为缓慢,而且由于较小的分子质量和直径,使得其扩散能力较强,因此在地壳中氦气很难以游离态的单一气相进行运移,主要是以水溶态或者由其他气体携带进行运移[29]。Brown[22]研究美国高含氦天然气的形成过程认为,大量的古老地层水是天然气中氦气富集的主控因素之一。后来,进一步利用来源于空气的稀有气体同位素(36Ar和20Ne)计算得到的原始气水比(Vg/Vw)来半定量表征上述氦气富集现象[30],即天然气相遇的古老地层水体积越大,随着气-水相互作用的不断发生,则天然气中氦气含量越高,表明古老地层水在氦气富集成藏过程中发挥着重要作用。

威远气田震旦系灯影组气藏属于背斜型底水块状气藏,地层水体积达136.06×108m3[1],水体氢氧同位素研究表明地层水保存较好,未受地表水等水体干扰[33],呈现出原生高矿化度水的特征,有利于常规气体组分和稀有气体的保存。震旦系地层沉积以后历经多次构造运动,使得灯影组内部裂缝较为发育,其中在构造顶部、长轴部位多发育立斜缝,边缘部位多发育平缝,上述裂缝与桐湾运动时期形成的溶孔和溶洞共同组成了灯影组裂缝-孔洞型储集空间[34-36]。地层水主要赋存在裂缝体系及其连通的高孔隙(洞穴)空间中,由于不同构造部位缝-洞体系发育特征和气藏开采程度的差异,因此底水的侵入在气藏范围内具有较大的差异(图6,底图改自资料(1)中国石油西南油气田分公司.威远气田震旦系气藏二次开发,2010.)。

图6 威远气田震旦系气藏氦气含量与底水水侵特征相关性Fig.6 Correlation between helium content and bottom water invasion characteristics of Sinian gas reservoirs in Weiyuan gas field

5 结 论

(1)威远气田主力震旦系气藏氦气含量平面上自背斜边缘向核部呈现出逐渐增加的趋势,纵向上各层系天然气随着埋深的减小,烃类气体含量逐渐增大,非烃气体除二氧化碳无明显规律外其余组分均呈现逐渐减小的特征。

(2)稀有气体氦氩同位素特征表明威远气田天然气中的氦气和氩气主要为壳源放射性衰变成因,该地区广泛发育的富含放射性元素的花岗岩基底是该气田最重要的氦气来源,同时寒武系筇竹寺组泥页岩和震旦系灯四段兰灰色泥岩对于威远地区富氦天然气藏的形成也有一定的贡献。

(3)四川盆地喜山期强烈的构造挤压活动在威远构造内形成的一系列断层和裂缝不仅有利于氦气从氦源岩中的释放,而且作为良好的渗流通道形成威远气田富氦天然气现今空间上的差异分布规律。

猜你喜欢
气藏氦气气田
“黄金气体”全球短缺
大牛地气田奥陶系碳酸盐岩元素录井特征分析
跟气球上天
港北潜山奥陶系气藏增储建产研究实践
致密砂岩气藏开发工程技术研究
坦桑尼亚发现巨型氦气田
气举排液采气工艺在千米桥古潜山气田的应用