南海北部油氣化探研究
——以甲烷濃度為例

王慶光, 徐瑞松, 王 潔, 陳 彧,2

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院 研究生院,北京 100049; 3. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系, 廣東 廣州 510635; 4. 華東師范大學(xué) 河口海岸研究所, 上海200062)

南海北部油氣化探研究
——以甲烷濃度為例

王慶光1,2,3, 徐瑞松1, 王 潔4, 陳 彧1,2

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院 研究生院,北京 100049; 3. 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程系, 廣東 廣州 510635; 4. 華東師范大學(xué) 河口海岸研究所, 上海200062)

利用油氣化探方法分析南海北部采樣點(diǎn)海水中的甲烷氣體的濃度, 發(fā)現(xiàn)在甲烷濃度分布圖中有7個(gè)異常高的位置, 其中的一些區(qū)域已經(jīng)探明有油氣藏的存在, 結(jié)果表明通過海水甲烷濃度來探測油氣藏是可行的, 對今后的海洋油氣探測具有重要的指導(dǎo)意義。

油氣化探; 甲烷; 烴類滲漏

油氣地球化學(xué)勘探(簡稱油氣化探)是在石油地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門綜合性油氣資源勘查應(yīng)用科學(xué)[1]。油氣化探作為一種油氣勘探技術(shù)方法, 已被列入中國油氣資源勘查技術(shù)方法系列,它以地質(zhì)研究為指導(dǎo), 以巖石、近地表土壤、地下水、海底沉積物、海水中氣體等為研究介質(zhì), 用微量或超微量測試手段檢測深部油氣藏運(yùn)移至近地表(或海表)的烴類及其蝕變產(chǎn)物和油氣伴生物, 并以這些檢測結(jié)果為基礎(chǔ)資料, 通過對測試分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析, 指出油氣聚集的遠(yuǎn)景區(qū)帶或有利部位, 為區(qū)域含油氣遠(yuǎn)景、有利油氣集聚區(qū)帶以及圈閉含油氣情況的評價(jià)和最終部署鉆井提供地化依據(jù), 為油氣田的勘探和開發(fā)服務(wù)[2]。

1 海洋油氣化探

1.1 理論基礎(chǔ)

海底烴類滲漏是海洋環(huán)境的普遍現(xiàn)象, 對于油氣資源勘探和全球氣候變化研究具有重要意義。地下油氣藏中的烴類因向地表方向運(yùn)移而在油氣藏上方形成包括烴類組分和濃度在內(nèi)的一些異常效應(yīng)。海域油氣藏中的烴類組分同樣會向上運(yùn)移, 從而在海域形成一系列滲漏烴異常效應(yīng)。海域滲漏烴異常效應(yīng)主要表現(xiàn)為海底沉積物烴濃度異常、海水烴濃度異常以及海面油膜的廣泛發(fā)育。滲漏烴已經(jīng)成為海域油氣勘探中不可缺少的測量指標(biāo), 尤其是在缺乏鉆井資料的較深水區(qū), 滲漏烴的檢測是評價(jià)海上油氣遠(yuǎn)景區(qū)為數(shù)不多的重要方法之一。

1.2 海洋油氣化探指標(biāo)

海洋油氣化探已經(jīng)經(jīng)歷了近50年發(fā)展歷程, 在地球化學(xué)探測方法上, 已經(jīng)從單一的海水烴類組分測定, 發(fā)展到海底表層沉積物、海水以及海面低空大氣等多介質(zhì)油氣地球化學(xué)探測方法[3~6]。在國外采用的油氣化探分析指標(biāo)以烴類為主, 包括烴類氣體、中等分子烴類和高分子重?zé)N類以及各種烴類的同位素分析等。非烴類指標(biāo)如微生物、碳的含量變化等也得到了有效的應(yīng)用。中國海洋油氣化探工作是嘗試地球化學(xué)指標(biāo)最多的國家之一。目前已經(jīng)采用的地球化學(xué)指標(biāo)包括烴類氣體(酸解烴、頂空氣、熱釋烴)、吸附絲、紫外光譜、熒光光譜(二維熒光光譜和三維熒光光譜)、全萃取氣相色譜、生物標(biāo)志物以及各種烴類的同位素等直接與烴類有關(guān)的指標(biāo), 還包括熱釋汞、微生物、磁化率、微量元素、特征礦物、可溶性鐵比值、碳的含量變化、CO2和放射性氣體等指標(biāo)。

1.3 海底滲漏烴的來源

海底滲漏烴的來源主要包括來自海底生物成因和深部油氣滲漏的烴類, 也包括二者的混合, 因此海底烴類滲漏的成因可分為生物成因、熱成因以及熱成因與生物成因的混合成因。對深部油氣具有指示意義的烴類滲漏主要是熱成因或混合成因滲漏。利用烴類氣體及同位素組成能夠指示滲漏烴的來源。在烴類氣體中, 甲烷可以是熱成因也可以是生物成因, 而重?zé)N氣體(乙烷、丙烷、丁烷、戊烷)主要來自熱成因源區(qū)[7]。生物成因的烴類主要為氣體并且以甲烷氣體為主。熱成因烴類氣體組分中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等均具有一定比例。

2 化探指標(biāo)的選擇

在海底烴類滲漏區(qū), 烴會從沉積物中滲漏到海水中形成烴類異常顯示。在海洋環(huán)境, 海水是最早用于檢測海底烴類滲漏的介質(zhì)。海水柱不僅可抑制細(xì)菌對烴的氧化作用, 而且提供了觀察滲漏現(xiàn)象的絕好介質(zhì), 肉眼或借助儀器可以很容易識別出在海水及其表面的滲漏顯示。并且海底尤其是深海海底沉積物巖芯采集費(fèi)用很高, 技術(shù)難度大, 所以海水中烴滲漏異常的檢測有很大的優(yōu)勢。海水采集容易, 并且海水烴濃度的分析方法簡單容易, 海水烴濃度分析是比較經(jīng)濟(jì)、方便的海上油氣化探技術(shù)。

油氣圈閉內(nèi)的惰性氣體甲烷由于微滲漏沿構(gòu)造裂隙上升到海底, 之后由于其浮力作用繼續(xù)向上遷移。油氣區(qū)甲烷氣體的含量明顯較周圍海水高, 所以通過探測海水中甲烷的存在, 可尋找和發(fā)現(xiàn)活動的油氣資源。海底存在油氣資源及其滲漏活動的關(guān)鍵證據(jù)之一, 是海水中出現(xiàn)高異常含量的甲烷。

海底油氣發(fā)生微滲漏后, 甲烷氣能否到達(dá)海表面？事實(shí)證明是可以的[8]。海底環(huán)境因素發(fā)生改變,油氣資源的烴類會發(fā)生分解, 分解后的甲烷等烴類氣體向海表面運(yùn)移。甲烷等烴類氣體上升過程中會受到上升流和洋流等作用的影響, 致使甲烷等氣體不能垂直于海底油氣富集帶向海表面上升, 相對于海底油氣資源富集帶, 海面甲烷氣異常帶的位置會有一定程度的偏移。但對南海等油氣田的分布進(jìn)行探測和圈定發(fā)現(xiàn), 多數(shù)油氣田的面積都很大, 并且由前人對南海進(jìn)行的化探發(fā)現(xiàn)化探異常特點(diǎn)的形成與區(qū)域內(nèi)地溫梯度高、地層壓力梯度大, 與新生代拉張應(yīng)力作用伴生的斷裂及熱流體上傾活動引起的烴類垂向微運(yùn)移有關(guān), 所以, 在海面探測到的甲烷氣的分布與油氣資源在海底的分布可以對應(yīng)起來, 所以本文選取海水中甲烷氣體的濃度作為南海油氣化探檢測指標(biāo)。

3 南海北部海水表層甲烷的測定

南海北部邊緣盆地廣闊, 發(fā)育有一系列新生代盆地(個(gè)別地區(qū)有中生代殘留盆地), 海域水深在50~3 000 m之間。按巴西等國家采用的以300 m水深作為淺水區(qū)和深水區(qū)界限的標(biāo)準(zhǔn), 這些盆地可分為3類: (1)全部發(fā)育在淺水區(qū)的盆地, 包括北部灣盆地和鶯歌海盆地; (2)跨越淺水區(qū)和深水區(qū)的盆地,包括臺西南盆地、珠江口盆地和瓊東南盆地; (3)完全處于深水區(qū)的盆地, 包括中建南盆地、中沙西南盆地和筆架南盆地等[9]。

作者于2007年8月隨“實(shí)驗(yàn)3號”調(diào)查船對南海北部進(jìn)行了調(diào)查, 調(diào)查海區(qū)及站位如圖1所示。其中包括 7 個(gè)斷面, 在 110o~120oE、18o~23oN 的范圍內(nèi)布設(shè)了56個(gè)站位點(diǎn)。每個(gè)站位采集了表層海水樣品, 對南海北部海水表層中的甲烷氣體的濃度進(jìn)行分析, 為研究海域油氣資源勘探和評價(jià)提供地球化學(xué)依據(jù)。

圖1 南海北部研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Sampling points in the northern South China Sea

3.1 樣品的采集和保存

為避免由船本身燃油造成的污染, 當(dāng)船一停穩(wěn)就開始立即采集水樣, 并且是在船頭部位采集。海水樣品用10 L塑料桶采集, 現(xiàn)場用一頭帶有玻璃管的管或虹吸管將水樣分裝到已準(zhǔn)確校正過體積的玻璃瓶中。橡皮管要求半透明, 以便觀察管中是否有氣泡,玻璃管管口要大小適中, 既要能順利地把管中的氣泡排掉, 又要能迅速采水。首先用少量海水沖洗瓶子兩遍, 然后把玻璃管插到瓶底, 讓海水注入, 注入速度要快, 但又不應(yīng)使瓶中水流產(chǎn)生大的渦流。當(dāng)水裝滿并且溢出約瓶體積的一半時(shí), 慢慢抽出玻璃管,再用塑料注射器吸取1 mL飽和HgCl2, 快速加入液面以下, 然后將一插有 5號注射器針頭的反口橡皮塞迅速塞上并旋緊, 將多余的水通過針頭排出, 最后將樣品瓶上下顛倒幾次, 以使HgCl2均勻分散開。每份樣品采雙樣, 樣品采集后應(yīng)倒立并放在遮光的箱子內(nèi)保存。由于加入的 HgCl2濃度較低, 因此對CH4的溶解度影響較小, 可以忽略。如此處理和保存的樣品可以放置2個(gè)月左右[10]。

3.2 溶解甲烷的分析測定步驟

海水樣品中溶解甲烷濃度測定采用氣體抽提法測定, 該測定方法主要由起泡、收集(吸附)、解吸和測定4個(gè)步驟組成。測定時(shí)首先將100 mL的水樣用高純 He轉(zhuǎn)移到底部有砂心玻璃板的玻璃抽提室中,然后將高純He以80 mL/min的流度從抽提室底部通入吹掃8 min, 抽提氣經(jīng)砂心玻璃板時(shí)產(chǎn)生大量細(xì)小氣泡, 并將水體中氣體吹掃出。吹掃氣體經(jīng) K2CO3干燥管除去水蒸氣, 再經(jīng)過裝有 20~30目的Ascarite(II)(ThomasScientific, USA)的吸附管去除二氧化碳, 最后富集于內(nèi)填有活性碳(80~100目, 后同)分子篩并置于液氮中的不銹鋼吸附管中, He氣排放到大氣中。提取過程結(jié)束后, 改變 He氣氣路, 進(jìn)入色譜, 把吸附管放入沸水浴將吸附管迅速加熱, 被吸附的甲烷經(jīng)解析并進(jìn)入氣相色譜儀(安捷倫 6820,經(jīng)裝有 80~100目 Porapak Q并置于 50℃的色譜柱(3 m×3 mm)分離), 然后由FID檢測器檢測。保留時(shí)間大約為 3 min。檢測器信號采用 55×10－6CH4/He標(biāo)氣(國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)校正。將固定體積的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體注入空白水樣(空白水樣用高純 He吹掃之后得到)用相同的提取方法測定, 氣體的回收率大于90%。本實(shí)驗(yàn)用約5 nmol/L的溶解甲烷海水樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次, 進(jìn)行精密度實(shí)驗(yàn)測定, 得標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6%。

3.3 海水中溶解CH4的測定結(jié)果

經(jīng)過2007年8月南海航次調(diào)查采樣及實(shí)驗(yàn)測定表明, 南海北部表層海水中甲烷的濃度范圍為2.69~41.65 nmol/L(表 1)。

表1 各采樣點(diǎn)的海水中甲烷濃度Tab.1 Methane concentrations in seawater at different sampling points

近幾年來, 中國通過大量的海底地質(zhì)綜合勘查工作, 在東沙群島和西沙海槽附近發(fā)現(xiàn)了與水合物有關(guān)的沉積物和間隙水地球化學(xué)異常, 同時(shí)還找尋到“冷泉”碳酸鹽和碳酸鹽結(jié)核或者結(jié)殼, 以及標(biāo)志冷泉生態(tài)系統(tǒng)的生物殼體, 這些發(fā)現(xiàn)揭示了天然氣水合物存在的可能性。2007年5月中國在探測到明顯甲烷高含量異常的東沙群島西南神弧海域, 成功鉆取獲得了高純度天然氣水合物實(shí)物樣品, 揭示了南海存在天然氣水合物區(qū)[11~15]。

在海底特殊的地質(zhì)作用下, 海底來源的甲烷可造成深層海水出現(xiàn)甲烷含量異常。這種外來輸入的甲烷來源主要有: 天然氣水合物受到擾動分解釋放出甲烷[16], 與洋中脊和擴(kuò)張中心有關(guān)的熱液體系中蛇紋石化反應(yīng)生成的大量非生物成因的甲烷, 近海底表層油氣藏的泄漏等。這些外來輸入的甲烷以溶解態(tài)或氣泡形式由海底進(jìn)入水柱, 造成水體中甲烷氣體的含量較正常海水高出數(shù)倍、數(shù)十倍甚至更高。

綜上所述, 南海海水中如果出現(xiàn)甲烷的異常,很有可能是由于海底油氣藏等資源的泄露, 從而可以由甲烷的高含量來指示油氣藏的存在。

4 油氣化探異常提取

把采樣點(diǎn)海水中甲烷濃度作圖進(jìn)行比較分析,提取異常信息。我們從海水深淺和總的南海北部的海水中甲烷分布兩個(gè)方面來分析。

4.1 淺水區(qū)與深水區(qū)表層海水中甲烷的分布

按 300 m作為淺水區(qū)和深水區(qū)的界限, 分別看看兩類區(qū)域的海水中甲烷氣的含量。

由圖2與圖3可以看出, 淺水區(qū)海水中甲烷平均濃度大于深水區(qū)的平均濃度, 這可能是因?yàn)橛蜌馕B漏在往海面輸送過程中會有一部分損失。所測的甲烷最高濃度是位于深水區(qū)的CF12采樣點(diǎn), 比一般大洋中的甲烷氣體濃度高了近20倍。這一采樣點(diǎn)位于珠江口盆地的白云凹陷, 與國外一些石油公司勘探預(yù)測白云凹陷有大型的油氣藏分布相一致。

4.2 南海北部表層海水中甲烷濃度水平分布

測量 56個(gè)點(diǎn)的表層海水中的甲烷氣體的濃度,把數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值, 得出整個(gè)南海北部的甲烷水平分布圖(圖4), 由圖4可以看出, 南海陸架區(qū)表層海水中甲烷濃度基本上高于海盆區(qū)。

圖2 淺水區(qū)海水中甲烷濃度Fig. 2 Methane concentrations in shallow seawater

圖4 南海北部研究區(qū)表層海水中甲烷濃度水平分布圖Fig. 4 The distribution of methane level concentration in northern South China Sea surface water

雖然采樣點(diǎn)比較少, 南海北部的范圍是如此的廣闊, 進(jìn)行線性插值后的圖像可能有些地方會失真,但是從這個(gè)線性插值的圖中還是能獲得一些信息。由圖 4中可以看出, 除了近岸水體的甲烷濃度較大之外, 還有一些突出的亮點(diǎn)區(qū)域, 表明甲烷的濃度較大, 很可能賦存油氣藏。

排除近岸高濃度甲烷區(qū)域, 主要的亮點(diǎn)區(qū)域有圖4中標(biāo)注的7個(gè)區(qū)域: (1)標(biāo)志1所指的位置對照地質(zhì)圖發(fā)現(xiàn)是位于珠江口盆地的西江凹陷和恩平凹陷,其甲烷的濃度較高, 最高能接近10 nmol/L。(2)第2個(gè)亮點(diǎn)區(qū)域大概包括珠江口盆地的惠州凹陷、陸豐凹陷和東沙盆地。其甲烷濃度分布在 15~25 nmol/L之間。(3)標(biāo)志 3所在的高甲烷濃度的位置是屬于瓊東南盆地的松濤凹陷附近。(4)第 4個(gè)甲烷高濃度區(qū)域如圖標(biāo)志4標(biāo)出, 是位于珠江口盆地的西部, 包括文昌凹陷和神狐隆起, 最高的甲烷濃度達(dá)到13 nmol/L。(5)第5個(gè)甲烷濃度較高的區(qū)域也是位于珠江口盆地, 包括南部隆起、開平凹陷和順德凹陷的一部分區(qū)域, 最高甲烷濃度在 10 nmol/L左右。(6)標(biāo)志 6所在的位置是本次出?？疾熘屑淄闈舛茸罡? 最為異常的區(qū)域。此區(qū)域甲烷的最高濃度在 40 nmol/L左右, 包括珠江口盆地南部隆起和白云凹陷的大部分地區(qū), 還有番禺低隆起與白云凹陷搭界的區(qū)域。(7)最后一個(gè)甲烷濃度較高的區(qū)域大概位于臺西南盆地和筆架南盆地的西部, 最高甲烷濃度接近15 nmol/L。并且其附近珠江口盆地的潮汕凹陷區(qū)域甲烷的濃度也比較高。

5 南海北部油氣藏的分布預(yù)測

據(jù)莫杰[17]研究測定, 海洋中水樣的平均甲烷濃度小于 100 nL/L(4.46 nmol/L)為無油區(qū), 大于200 nL/L(8.93 nmol/L)為含油區(qū), 介于兩者之間為貧油區(qū)。剔除掉近岸的采樣點(diǎn), 把其他點(diǎn)根據(jù)海水中甲烷濃度這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行油氣區(qū)分類, 得到的結(jié)果如表2所示(根據(jù)表層海水中溶解甲烷的濃度分類)。

表2 采樣點(diǎn)與油氣藏分布的關(guān)系Tab. 2 The relationship between the sampling points and distribution of oil and gas reservoir

由表 2結(jié)合采樣點(diǎn)的地質(zhì)位置可以發(fā)現(xiàn), 含油區(qū)主要分布在臺西南盆地、筆架南盆地和珠江口盆地的白云凹陷、惠州凹陷、東沙隆起、神狐隆起、西江凹陷、海豐凸起等地質(zhì)區(qū)域。瓊東南的松濤西凹陷也是含油區(qū), 但是盆地的其他東部地區(qū)甲烷濃度較少, 已經(jīng)在瓊東南西北部的崖北崖男凹陷探明有油氣, 但東部區(qū)域還沒有什么進(jìn)展, 也可能是因?yàn)樯钏畢^(qū), 勘探的技術(shù)手段達(dá)不到要求。并且深水區(qū)從海底微滲漏擴(kuò)散到海表的甲烷氣體有很大的損耗,所以測得的表層海水中甲烷的濃度相對于其他采樣點(diǎn)來說比較低。分析可能有兩個(gè)原因: (1)海底油氣藏的形成和富集需要一定的地質(zhì)構(gòu)造條件, 一般發(fā)育賦存于沉積盆地中, 而此斷面的盆地分布較少, 大多數(shù)的采樣點(diǎn)都分布在盆地的外圍, 沒有具備油氣成藏及形成大中型油氣田的基本地質(zhì)條件, 所以很可能這一區(qū)域沒有油氣藏的存在。(2)這些采樣點(diǎn)的深度都大于1 000 m, 最深達(dá)4 000 m多, 即使有油氣藏的存在, 甲烷氣體能擴(kuò)散到海表的濃度會比較低, 由于微生物的消耗, 水平擴(kuò)散等諸多復(fù)雜的因素, 所以還有待測試海底深層水中溶存甲烷的濃度來進(jìn)一步解釋問題。最后得到此地質(zhì)構(gòu)造區(qū)內(nèi)的賦存油氣藏的情況, 結(jié)果如表3所示。

表3 各沉積盆地油氣藏區(qū)的分布Tab. 3 The distributions of oil and gas reservoir in each sedimentary basin

6 總結(jié)與討論

表 3中大多數(shù)結(jié)果與已經(jīng)探明的實(shí)際情況比較吻合, 但是有個(gè)別點(diǎn)有些出入。采樣點(diǎn)E706位于珠江口盆地的恩平凹陷之內(nèi), 測得其表層海水中甲烷濃度比較低, 但是據(jù)中國海洋石油總公司的一些探測報(bào)告表明, 已經(jīng)在恩平凹陷探明EP11-1和EP18-1l兩個(gè)油田, 還有幾個(gè)油氣顯示井。有可能是作者這個(gè)點(diǎn)樣品的采集測量出現(xiàn)了問題, 有待重新測試求證,或者和其他資料進(jìn)行綜合分析。

總體上, 根據(jù)海水溶存甲烷的濃度來指示海底油氣藏的存在還是可行的, 雖然也出現(xiàn)一些不確定性, 需要進(jìn)一步驗(yàn)證和其他資料進(jìn)行多元復(fù)合分析,但評價(jià)的結(jié)果與已經(jīng)探明的實(shí)際情況大部分吻合,表明通過海水中甲烷濃度來探測油氣藏, 結(jié)果值得信賴。

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Oil and gas geochemical exploration in the northern South China Sea——A case study of methane concentration

WANG Qing-guang1,2,3, XU Rui-song1, WANG Jie4, CHEN Yu1,2
(1. Key Laboratory of Marginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochemistry, the Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Department of Water Resources Engineering,Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering, Guangzhou 510635, China; 4. Institute of Estuarine and Coast, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

May, 12, 2009

gas exploration; methane; hydrocarbon seepage

We measured the concentrations of methane in seawaters at diiferent sampling points in the northern South China Sea, and found that there were seven locations with unusually high concentrations of methane. Some of these locations had proved to be the sites of reservoirs, indicating information of seawater methane concentration may provide important guidance for future marine oil and gas exploration.

P744

A

1000-3096(2010)06-0009-07

2009-05-12;

2010-03-29

國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目(2007CB41170501)

王慶光(1976-), 男, 江西泰和人, 博士研究生, 講師, 主要從事地球化學(xué)研究, 電話: 15918600708, E-mail: ths96412@163.com

(本文編輯: 劉珊珊)