柴达木盆地东部上石炭统海陆过渡相烃源岩生烃特征:来自天然气地球化学的证据.pdf
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1、第 43 卷第 11 期2023 年 11 月 72 天然气工业Natural Gas Industry引文:施辉,胡俊杰,杨元元,等.柴达木盆地东部上石炭统海陆过渡相烃源岩生烃特征:来自天然气地球化学的证据J.天然气工业,2023,43(11):72-82.SHI Hui,HU Junjie,YANG Yuanyuan,et al.Hydrocarbon generation characteristics of the Upper Carboniferous marine-continental transition source rocks in the eastern Qaidam B
2、asin:Evidences from natural gas geochemistryJ.Natural Gas Industry,2023,43(11):72-82.柴达木盆地东部上石炭统海陆过渡相烃源岩生烃特征:来自天然气地球化学的证据施 辉1,2,3胡俊杰1杨元元1李宗星1张 浩1方欣欣11.中国地质科学院地质力学研究所2.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室3.中国地质调查局油气地质力学重点实验室摘要:推进柴达木盆地东部(以下简称柴东地区)上石炭统油气勘探进程亟待明确其烃类地球化学特征、赋存状态及其生成过程。为此,通过天然气组分与碳同位素测试,探讨了柴东地区欧南凹陷 2 口关键井上
3、石炭统天然气的成因与来源,在此基础上厘清了上石炭统海陆过渡相烃源岩生烃过程及烃类赋存状态。研究结果表明:上石炭统天然气中烃类气平均含量为 94.51%,非烃气平均含量为 5.49%,干燥系数介于 0.28 1.00,干气为主,湿气仅发育于上石炭统浅层,深层天然气干燥系数较高;浅层气甲烷碳同位素明显偏轻,乙烷碳同位素和二氧化碳碳同位素分布范围大,低碳烷烃以腐泥型干酪根初次热解为主,早期产出的液态烃经微生物降解形成生物甲烷,高碳烷烃与原油裂解作用密切相关,腐殖型干酪根初步热解的煤成气多以吸附态形式赋存;深层低碳烷烃为裂解反应较充分的原油裂解气混入部分煤型游离气,高碳烷烃可能与腐泥型干酪根二次活化裂
4、解有关;天然气中二氧化碳不仅存在干酪根热降解有机成因类型,也发育碳酸盐矿物化学反应释放的无机成因类型。结论认为,上石炭统烃源岩混合了海洋、陆地两种环境来源的生物有机质,海相腐泥型有机质因热化学活化能低而优先进入生烃门限生成液态烃及伴生油型湿气,原油裂解和陆相腐殖型干酪根生气在高成熟阶段逐步启动,在过成熟阶段 2 种生气机制的作用愈发突显,残余腐泥型干酪根也因高温条件发生二次活化裂解并生成少量高碳烷烃。关键词:柴达木盆地东部;上石炭统;海陆过渡相;烃源岩;生烃演化;天然气;碳同位素DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.11.007Hydrocarbon genera
5、tion characteristics of the Upper Carboniferous marine-continental transition source rocks in the eastern Qaidam Basin:Evidences from natural gas geochemistrySHI Hui1,2,3,HU Junjie1,YANG Yuanyuan1,LI Zongxing1,ZHANG Hao1,FANG Xinxin1(1.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences
6、,Beijing 100081,China;2.Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Key Laboratory of Petroleum Geomechanics,China Geological Survey,Beijing 100081,China)Natural Gas Industry,Vol.43,No.11,p.72-82,11/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chin
7、ese)Abstract:In order to promote the exploration of Carboniferous oil and gas in the eastern Qaidam Basin,it is in urgent need to clarify the geochemical characteristics,occurrence state and generation process of the hydrocarbons there.In this paper,the origin and genesis of the Upper Carboniferous
8、natural gas produced by two key wells in the Ounan depression of the eastern Qaidam Basin are discussed by testing the components and carbon isotopes of natural gas.On this basis,the hydrocarbon generation process and hydrocarbon occurrence state of the Upper Carboniferous transitional source rocks
9、are clarified.And the following research results are obtained.First,the Upper Carboniferous natural gas has an average hydrocarbon gas content of 94.51%,an average non-hydrocarbon gas content of 5.49%,and drying coefficient ranging from 0.28 to 1.00.Dry gas is predominant,and wet gas is only develop
10、ed in the Upper Carboniferous shallow layer.The drying coefficient of deep gas is higher.Second,the carbon isotope of shallow methane is much lighter,and that of ethane and carbon dioxide change extensively.Low-carbon alkane is mainly the primary pyrolytic product of sapropelic type kerogen.The earl
11、y liquid hydrocarbon is biodegraded into biomethane.High-carbon alkane is closely related to the cracking of crude oil.Moreover,the coal derived gas from the primary pyrolysis of humic type kerogen is mostly in the adsorption state.Third,the deep low-carbon alkane is crude oil cracking gas through s
12、ufficient cracking reaction,mixed with some free-phase coal gas,and the high-carbon alkane may be related to the secondary activation cracking of sapropelic type kerogen.Fourth,in the natural gas,there are not only organic types of carbon dioxide from kerogen thermal degradation,but also inorganic c
13、arbon dioxide released from carbonate minerals through chemical reaction.In conclusion,the Upper Carboniferous source rocks contain marine and continental biological organic matters.Due to low thermochemical activation energy,marine sapropelic organic matter has the priority of entering the hydrocar
14、bon generation threshold to generate liquid hydrocarbon and associated oil-type wet gas.Gas generation from crude oil cracking and continental humic type kerogen starts gradually in the high mature stage,and plays an increasingly prominent role in the over mature stage.Under high temperature,residua
15、l sapropel type kerogen undergoes secondary activation cracking to generate a small amount of high-carbon alkane.Keywords:Eastern Qaidam Basin;Upper Carboniferous;Marine-Continental transitional facies;Source rocks;Hydrocarbon generation evolution;Natural gas;Carbon isotope基金项目:中国地质调查局地质调查项目“柴达木盆地东部
16、地区油气调查评价”(编号:DD20230260)、“柴达木盆地东部油气战略性矿产调查评价”(编号:DD20230313)。作者简介:施辉,1983 年生,副研究员,博士;主要从事油气地质及成藏机理研究工作。地址:(100081)北京市海淀区民族大学南路 19 号。ORCID:0000-0001-8088-611X。E-mail:通信作者:胡俊杰,1987 年生,副研究员,博士;主要从事沉积演化和古气候变化研究工作。地址:(100081)北京市海淀区民族大学南路 19 号。ORCID:0000-0001-8909-3319。E-mail:第 11 期 73 施辉等:柴达木盆地东部上石炭统海陆过渡
17、相烃源岩生烃特征:来自天然气地球化学的证据0引言柴达木盆地是中国西北地区重要的含油气盆地之一,中生界新生界为产油气的主力层位1。该盆地上石炭统发育一套海相或海陆过渡相沉积,残余地层分布广泛,受变质作用的破坏有限,油气资源潜力较大2-6。柴达木盆地已在多处发现上石炭统油沥青露头7-8,通过油源对比证实油沥青来源于上石炭统烃源岩9,而且盆地北缘侏罗系所产出的部分油气也与上石炭统烃源岩生烃有关10,如冷湖五号构造、南八仙构造和马北构造侏罗系的大部分天然气具有较高40Ar/36Ar 比值(大于 1 000),明显区别于侏罗系来源的天然气(40Ar/36Ar 比值小于 1 000),推测其具有石炭系二叠
18、系天然气40Ar/36Ar 特征,极有可能是石炭系烃源岩的生烃产物11。前人从多个方面论述了柴达木盆地石炭系烃类特征,但野外石油沥青露头经历过长时间风化破坏,所反映的生烃信息有限,且石炭系烃源岩普遍处于高过成熟热演化阶段2,12-13,天然气成为石炭系赋存的主要烃类,如 2018 年首次在上石炭统获得油气流的柴页 2 井6,13和 2021 年完钻的青德参 1 井均主要产出天然气14。天然气组分构成和稳定同位素地球化学对研究天然气成因和烃源岩生烃演化均具有重要意义,但迄今关于上石炭统天然气地球化学特征和成因来源等研究仍处于空白状态,制约了上石炭统油气勘探的拓展和深入。上石炭统海陆过渡相沉积地层
19、多发育海洋和陆地生源混合源型烃源岩,海洋和陆地来源的生烃母质、初次与二次裂解气、油型与煤型气等多种混合作用相叠合导致海陆过渡相天然气地球化学特征复杂,为天然气成因类型的鉴别增加了难度15。为此,笔者通过柴达木盆地东部(以下简称柴东地区)钻遇上石炭统的柴页 2 井和青德参 1 井开展天然气组分与碳同位素地球化学特征分析,探讨了各天然气的成因与来源,在此基础上厘清了上石炭统海洋、陆地混合烃源岩生烃过程及烃类赋存状态,为该地区油气勘查提供了依据。1地质概况柴达木盆地位于青藏高原北部,为祁连山、东昆仑山和阿尔金山所限,呈东西长 850 km、南北宽介于150 300 km 的近似菱形,面积约为 12.
20、1104 km2。柴东地区指该盆地格尔木大柴旦以东、鄂拉山以西的区域,北界以南祁连山宗务隆构造带相接,南界为东昆仑山。区域内自北向南依次发育德令哈凹陷、欧龙布鲁克凸起、欧南凹陷、埃姆尼克凸起、霍布逊凹陷等多个二级构造单元(图 1)。本次研究的柴页 2 井和青德参 1 井 2 口关键井位于欧南凹陷(图 1)。图1柴东地区域构造纲要与石炭系综合柱状图2023 年第 43 卷 74 天 然 气 工 业表1柴东地区克鲁克组天然气组分表来源井口气解吸气柴页 2 井青德参 1 井柴页 2 井样品数/个6515烃类气C1H423.75%90.41%(68.39%)89.25%92.43%(94.42%)88
21、.48%99.55%(94.29%)C2H60.50%15.52%(5.36%)0.16%0.58%(0.30%)0.14%6.30%(1.53%)C3H81.05%21.33%(7.64%)0.01%0.25%(0.10%)0 1.75%(0.18%)iC4H100.44%5.48%(2.10%)0 0.23%(0.09%)0 0.35%(0.02%)nC4H100.90%9.89%(3.91%)0 0.45%(0.19%)0 0.35%(0.03%)iC5H120.37%3.84%(1.54%)0 0.58%(0.24%)nC5H120.42%4.85%(1.91%)0 0.35%(0.1
22、5%)C6H140.32%5.58%(2.07%)0 0.77%(0.33%)非烃气H20 0.08%(0.04%)0.01%0.10%(0.05%)He0 0.21%(0.14%)0.02%0.12%(0.06%)0 0.08%(0.01%)N24.71%9.80%(6.40%)3.95%10.01%(7.61%)0 7.58%(3.58%)Ar0.06%0.16%(0.10%)0.08%0.15%(0.11%)0 0.16%(0.06%)CO20.20%0.53%(0.41%)0.16%1.05%(0.35%)0 0.94%(0.30%)干燥系数0.28 0.96(0.74)0.97 1.
23、00(0.99)0.91 1.00(0.98)注:括号内数字表示平均值。早石炭世晚期早二叠世,受宗务隆海槽自北向南海侵超覆影响,欧南凹陷发育浅海陆棚碳酸盐岩台地沉积体系的碎屑岩碳酸盐岩混合沉积,为典型海陆过渡相16-18。石炭系自下而上依次发育下石炭统城墙沟组(C1ch)和怀头他拉组(C1h)、上石炭统克鲁克组(C2k)和扎布萨尕秀组(C2zh)。城墙沟组为扇三角洲远端相砾岩和泥岩,夹砂岩、泥质粉砂岩;怀头他拉组为碳酸盐岩台地相石灰岩,夹少量泥岩;克鲁克组自下而上可分成 3 段,下段发育潮坪相含煤建造的泥岩、页岩,夹煤层、泥质粉砂岩和石灰岩,中段为三角洲相砾岩、砂岩间杂泥岩或含砾砂岩,上段为潮
24、坪相碎屑岩碳酸盐岩建造的厚层石灰岩与页岩,夹砂岩、粉砂岩及薄层泥岩;扎布萨尕秀组与中新生界呈角度不整合接触,岩性同怀头他拉组相似(图 1)。2样品与实验数据笔者实验选取的 26 个天然气样品来自于欧南凹陷柴页2井(埋深介于6501 090 m)和青德参1井(埋深介于 3 140 3 160 m)的克鲁克组和扎布萨尕秀组,产气层段所对应组内位置见图 1。其中 11 个天然气采集于柴页2井和青德参1井井口,各为6个和5个样品,其他 15 个天然气样品是利用 USBM 排水集气原理19对柴页 2 井岩心样品现场收集解吸附气体(表 1),用250 mL 盐水瓶密封保存以供气体组分及同位素测试。天然气组
25、分分析在 Agilent 7890A 气相色谱仪上完成,使用 CP-Poraplot Q 型色谱柱,以氦气为载气,检测非烃气(氢气、氦气、氮气、氩气和二氧化碳)、烷烃气(包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷,其中 n 表示正构烷,i 表示异构烷)和轻烃(己烷)含量,测试结果见表 1。天然气碳同位素测试采用 Thermo Fisher MAT 253 同位素仪,标样为国际标准 PDB 碳同位素,分析精度为 0.5,分析结果见表 2。3结果3.1天然气组成根据上石炭统 2 口关键井(柴页 2 井和青德参 1井)11 个井口气样和 15 个岩心解吸气样共 26 个天然气样品气体组分的统计结果(表 1),
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