青海平安地區(qū)CO2氣藏成藏模式研究

鄭長遠(yuǎn)，張徽，師延霞，胡麗莎，張超

(1.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點實驗室，青海 西寧　810008；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定　071051)

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青海平安地區(qū)CO2氣藏成藏模式研究

鄭長遠(yuǎn)1，張徽2，師延霞1，胡麗莎2，張超2

(1.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點實驗室，青海 西寧810008；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051)

地質(zhì)安全性評定是碳儲工程開展的重要依據(jù)，研究天然CO2氣藏成藏模式可以從反向思維上論證深部咸水層碳儲工程的可行性。對其泄漏的監(jiān)測工作可以作為突發(fā)狀態(tài)下碳儲工程地質(zhì)安全性評定的一種論證。以青海平安地區(qū)天然CO2氣藏為研究對象，采用CO2捕集、利用與儲存(CCUS)的理念，對其氣藏的成因、運(yùn)移和成藏模式進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示: 青海平安地區(qū)天然CO2氣體屬無機(jī)殼源成因，由高含CO2氣體間歇性高壓自噴井(ZK10)首次揭露了青海東部白堊系地層中CO2氣水混合層, 區(qū)內(nèi)晚白堊紀(jì)民和組和古近紀(jì)系西寧群2套地層為理想的CO2地質(zhì)儲存儲層。區(qū)內(nèi)斷裂及之間相互溝通關(guān)聯(lián)的次級斷裂構(gòu)成了CO2氣藏的疏導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，斷裂相交的位置更是高純度CO2氣藏發(fā)育的有利區(qū)，也是本區(qū)域最有利于以后碳儲工程開展的深度范圍。

CO2氣藏；CO2地質(zhì)封存；氣藏成因分析；青海平安地區(qū)

隨著第21屆聯(lián)合國氣候變化大會在巴黎的落幕，節(jié)能減污、控制碳排放、緩解溫室氣體對地球和人類的危害，已成為國際社會及我國面臨的重要問題。CO2捕集與儲存(CCS)被認(rèn)為是一項非常有潛力的CO2減排技術(shù)，已成為今后重要的研究方向。高純CO2氣有較高的商用價值，對CO2地質(zhì)儲存不單以儲存為目的，要做到儲存與利用雙軌同行。在此前提下我國提出的CO2捕集、利用與儲存(CCUS)的理念，此觀點已在世界范圍內(nèi)被廣泛接受(強(qiáng)薇等，2006；張鴻翔，2010)。國內(nèi)迄今對東部油氣區(qū)和大陸架(戴金星，1996)、近海陸架盆地(何家雄等，2005)、廣東三水盆地(唐忠馭，1980)等CO2氣藏(田)及高含CO2油氣藏形成條件及分布規(guī)律與勘探評價方法和綜合利用的有較系統(tǒng)研究。

2002年底，西部嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查項目“青海省互助、平安縣嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查”，在青海平安縣祁家川河谷階地后緣鉆探揭露出了高含CO2氣水混合高壓自流熱水井(井編號ZK10)。自此，發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)淺層富含高濃度CO2氣藏，從而為CO2的地質(zhì)儲存提供了難得的類比場地。也對天然CO2氣體成因、運(yùn)移和聚集規(guī)律、成藏規(guī)律和模式研究提供了實驗場所。

1　地質(zhì)概況

平安地區(qū)構(gòu)造位置處于西寧盆地小峽凸起以東平安凹陷內(nèi)，地層展布受拉脊山深斷裂帶和西寧盆地控制，區(qū)內(nèi)主要分布以中生代白堊紀(jì)砂巖、砂礫巖及新生代古近、新近紀(jì)泥巖、粉砂巖為主，且第四紀(jì)地層風(fēng)積、沖積、冰水堆積物及少量的鈣華沉積廣泛分布，大部固結(jié)較弱，結(jié)構(gòu)松散，厚度不一(圖1)。

2　高含CO2氣體間歇性高壓自噴井

實地測量表明，ZK10地?zé)峋g歇式自噴周期約為10min，自噴持續(xù)時間210s，周期穩(wěn)定，最大瞬時自噴水量達(dá)5 834.94m3/d(圖2)。自上而下，鉆孔涌水量逐漸增大，礦化度逐漸變小，其中0.00～115.00m以上，地下水礦化度為5.44g/L，水溫17℃；孔深187.00m時，孔口地下水混合礦化度為3.90g/L。ZK10地?zé)峋珻O2間歇性高壓自噴現(xiàn)象的形成類似于CO2洗井。必備的條件是井管內(nèi)有良好的儲水、氣配置空間、CO2氣源儲層及排氣通道。儲層內(nèi)的CO2氣不斷進(jìn)入井筒，壓力同步聚集，當(dāng)超過其上覆含水層流入井管內(nèi)形成的水柱高度時，隨之發(fā)生突然噴發(fā)，將井內(nèi)的水柱以氣水混合兩相流噴出井口，產(chǎn)生氣舉作用，形成含CO2間歇性高壓自噴現(xiàn)象。當(dāng)井管內(nèi)聚集的CO2壓力得以釋放后，一方面含水層地下水不斷流入井管形成一定高度的水柱，另一方面，底部CO2儲層內(nèi)的CO2氣體同時不斷地進(jìn)入井筒，重復(fù)上一過程。ZK10號孔首次揭露了青海東部白堊系中CO2氣水混合層。水質(zhì)分析資料表明，ZK10號孔揭露的承壓自流水滿足礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中游離CO2、Li、Si、Zn四項界限指標(biāo)達(dá)標(biāo)。這一發(fā)現(xiàn)為平安地區(qū)深部咸水層碳儲工程提供了一個良好了試驗及監(jiān)測場地。

3　儲蓋層組合確定及其特性

平安地區(qū)已發(fā)現(xiàn)冰凌山、上堯莊、三合鎮(zhèn)3處高純CO2泄漏點，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育晚白堊紀(jì)民和組(K2m)和古近紀(jì)系西寧群(Exn)2套區(qū)域性儲蓋層組合。垂向上表現(xiàn)出以組或段級地層單位粗細(xì)相間的沉積韻律性，具有圈閉式地?zé)醿?，是理想的資源化CO2地質(zhì)儲存儲層。

晚白堊世民和組(K2m)上部第三段(K2m3)上部為區(qū)域性蓋層，中、下部為良好儲層。盆地中心地帶總體具蓋層性質(zhì)。儲層孔隙率為20.05%，滲透率為1661.76×10-3μm2。區(qū)域性儲蓋層組合以泥膏巖類蓋層占優(yōu)勢，代表性剖面有：南部近盆緣帶沙溝晚白堊世民和組(K2m)剖面，巖性組合為砂巖與砂礫巖互層，偶夾粉砂質(zhì)泥巖，為良好的儲層，剖面控制厚度494.86m，砂厚比為93.87%。中部民和組第一段(K2m1)為砂巖、泥巖段，巖性組合為棕紅色含粉砂泥巖，含石膏、含鈣芒硝砂巖，底部為砂礫巖，可構(gòu)成儲層，厚度9.20～32.94m；民和組第二段(K2m2)為石膏巖段，巖性組合為上、中部泥質(zhì)鈣芒硝巖與鈣芒硝質(zhì)泥巖互層，下部泥質(zhì)石膏巖與棕紅色泥巖互層，總體為區(qū)域性蓋層，厚度85.38～201.44m。

1.西寧群；2.民和組；3.河口群；4.泥盆紀(jì)小峽英云閃長巖；5.劉家臺組；6.阿夷山組；7.實測正斷層；8.實測逆斷層；9.隱伏或物探推測斷裂；10.鉆孔：左上為編號，下為孔深(m)；右為井口水溫(℃)；11.溫泉：左右任一側(cè)注記為溫度(℃)圖1　平安地區(qū)三合鎮(zhèn)地質(zhì)簡圖(石維棟等，2006)Fig.1　Safe area Sanhe Town geological diagram

古近紀(jì)西寧群(Exn)巖性多變，儲蓋層組合復(fù)雜。上部馬哈拉溝組(E3m)為區(qū)域性主力蓋層；中部洪溝組(E2h)在盆地中心地帶為蓋層，周邊中下部為儲層，中上部為蓋層，代表剖面有：西寧盆地中部的膠水廠北溝始新世洪溝組(E2h)剖面，巖性組合為膏、泥巖為主的地層，控制厚度209.91m，為良好的區(qū)域性蓋層。

下部祁家川組(E1q)在盆地中心地帶為蓋層，周邊為儲層，代表剖面有：膠水廠北溝古新世祁家川組(E1q)剖面，巖性組合為泥巖夾石膏巖，所夾砂巖厚度極薄，剖面控制厚度78.77m，總體構(gòu)成蓋層，地層中下部所夾的砂巖、砂質(zhì)礫巖儲層賦存有低溫地下熱水，流量大小懸殊。

4　CO2氣體成因的判別

據(jù)該區(qū)域地表出露CO2氣水混合天然露頭，可知地下水氣樣中各組分較單一，主要成分為CO2，其他為N2、O2和微量Ar。

而H2、He、C2H6、H2S、C3H8、C4H10、SO2等烷烴類等均未檢出(表1，表2)。淺層土壤氣樣中主要為H2S和烷烴類，與地下水中氣體成因不一致，主要來源與植被根系呼吸、微生物發(fā)酵以及通過土壤-空氣界面交換的氣體。測定的δ13CCO2值僅供參考。

圖2　三合鎮(zhèn)ZK10高壓自噴井結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Sanhe Town ZK10 high-pressure flowing well structure

序號取樣點氣體樣品組分?jǐn)?shù)據(jù)(%)N2CH4O2ArCO2H2、He、C2H6、H2S、C3H8、C4H10、SO2PDB/δ13CCO2精度:±(0.2～0.5)‰1上堯莊7.450.002.170.1090.280.00-1.942冰凌山14.590.001.400.06793.950.00-2.24～-3.273冰凌山24.440.001.350.06794.140.00-2.534ZK10井9.660.002.580.1387.630.00-1.46

表2　地下水氣樣組成及CO2成因的判別表

CO2氣藏天然氣組分以CO2為主，含量為87.6.%～94.14%，一般大于90%，是典型的CO2氣藏；其次為氮氣，含量為4.44%～9.66%。CO2的δ13CCO2值分布特征，即大部分δ13CCO2值分布在為-3.27‰～-1.46‰，平均值為-2.37‰，處于碳酸鹽巖變質(zhì)成因的CO2的δ13CCO2值0±3‰中。同時，CO2伴生的He同位素比值R/Ra(其中R為樣品的3He/4He值，Ra為大氣的3He/4He值)均不小于2，CO2氣藏的主要組分及同位素組成密切相關(guān)，CO2含量、δ13CCO2值和R/Ra值之間互呈正相關(guān)系(戴金星,1993)。據(jù)此判該區(qū)CO2氣藏中的CO2均為無機(jī)成因，而He同位素分析結(jié)果表明，R/Ra值均小于1，或等于1(冰凌山-1，R/Ra=0.72；冰凌山-2，R/Ra=0.44；試驗場地，R/Ra=0.04；上堯莊，R/Ra=1.01)，殼源和幔源He的含量大小,直接與影響油氣形成的大地構(gòu)造活動程度和熱流值大小有關(guān)。由熱流值q=6.993ln(3He/4He)+165.16計算不同地點的大地?zé)崃髦怠＝Y(jié)果顯示，這些取樣點具有很高的熱流值，這說明天然CO2在形成和運(yùn)移聚集過程中缺乏地幔流體的參與,主要依靠盆地埋深增溫和地殼中放射性物質(zhì)生成的熱發(fā)揮作用。而較高的3He/4He值證明CO2主要來源于地殼。這些值表明天然CO2伴生氣中He具有典型的殼源成因特征,說明該地區(qū)天然CO2在形成和運(yùn)移聚集過程中缺乏地幔流體的參與。另外,He同位素組成都分布在同一數(shù)量級內(nèi),反映了天然CO2形成的地質(zhì)環(huán)境的一致性。

5　氣藏分布

斷裂活動是平安凹陷構(gòu)造變動的主要活動形式，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育規(guī)律明顯。從分布上看，往往成帶狀成組出現(xiàn)；就展布方向，分為東西向斷層、南北向斷層、北東向斷層、北西向斷層及復(fù)合斷層等，沿祁家川有一北北東的區(qū)域張扭性斷裂(F1)發(fā)育；斷面傾向總體為北西向。自西而東由8條斷層組成，這些斷層密集分布，成束成帶狀展出(圖3)。以祁家川為界，溝東坡為一正斷層，對地層的控制作用主要表現(xiàn)在晚白堊紀(jì)一古新世，成為洪水泉凹地的東界；溝西坡為一逆斷層，對地層的控制作用主要表現(xiàn)在始新世—漸新世，成為下店至洪水泉高地的東界。通過追索發(fā)現(xiàn)，祁家川兩側(cè)山體白堊紀(jì)地層巖性明顯不同，西側(cè)出露民和組上巖段(K2m)上部細(xì)粒相泥巖夾石膏，為一相對下降的地塹；東側(cè)出露民和組上巖段(K2m)下部粗粒相地層，為一相對上升的地壘。在三合鎮(zhèn)南近東西向發(fā)育一北傾壓扭性斷裂(F2)，受其影響，東西及南北向呈凹凸間列的棋盤格狀，在不同的壘塹構(gòu)造單元內(nèi)水文地質(zhì)條件不同，水質(zhì)差異較大。此外，在F2斷裂之北總體發(fā)育一軸向近南北向展布，樞紐向南傾伏的開闊、舒緩向斜構(gòu)造，向斜軸部發(fā)育祁家川河流。這些斷裂及之間相互溝通關(guān)聯(lián)的次級斷裂構(gòu)成了本區(qū)內(nèi)CO2氣藏的疏導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(張森琦等，2013)。

1.咸水河組；2.車頭溝組；3.謝家組；4.馬哈拉溝組；5.洪溝組；6.祁家川組；7.上白堊統(tǒng)；8.下白堊統(tǒng)；9.中侏羅統(tǒng)；10.中元古界；11.古元古界；12.加里東中期花崗閃長巖；13.平行不整合界線；14.角度不整合界線；15.實測及推測逆斷層；16.實測及推測正斷層；17.實測及推測性質(zhì)不明的斷層；18.物探推測的隱伏斷裂；19.背斜；20.向斜圖3　平安地區(qū)三合鎮(zhèn)斷裂構(gòu)造示意圖Fig.3　Faults schematic Sanhe town safe area

6　結(jié)論

(1)平安地區(qū)CO2屬于天然無機(jī)成因氣，且是殼源-巖漿氣，其形成、釋放與成藏過程與區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)烈息息相關(guān)，分布主要受斷裂控制，斷裂相交的位置更是高純度CO2氣藏發(fā)育的有利區(qū)。其泄漏點CO2氣藏濃度高的地點多為斷裂分布密集帶，且多為斷裂相交處。研究區(qū)內(nèi)幔源氣的顯示并不明顯，與所得測試數(shù)據(jù)基本吻合，原因在于它們新生代活動以走滑為主，伸展分量小，開啟性差。但當(dāng)其與北東向伸展斷裂交匯后即成為幔源氣上升的有利場所。

(2)區(qū)內(nèi)晚白堊紀(jì)民和組和古近紀(jì)系西寧群2套地層具有足夠的厚度、連續(xù)性，且具封堵性強(qiáng)，分布范圍大，穩(wěn)定性好等特征，是天然理想的蓋儲層結(jié)構(gòu)組合。該區(qū)地層區(qū)組或段級地層粗細(xì)相間的沉積韻律儲蓋層結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)證了CO2氣體成藏期為晚白堊紀(jì)以后，新近紀(jì)之前，氣藏的類型主要為與火成巖有關(guān)的斷塊或其他氣藏。氣藏伴隨著強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，在氣體上移的過程中在凹陷盆地的圈閉中聚集并隨之成藏。

(3)區(qū)內(nèi)天然泄露的CO2氣藏，即可作為一種天然有價值的資源得以利用，同時也可以作為大規(guī)模碳儲工程地質(zhì)安全評價監(jiān)測場地，通過對此區(qū)域的研究，可以從反向思維上論證深部咸水層碳儲工程的可行性，并對其泄露的監(jiān)測工作作為突然狀態(tài)下碳儲工程安全評定的一項指標(biāo)。

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Study on Carbon Dioxide Gas Reservoir Accumulation Mode in Ping’an Region, Qinghai Province

ZHENG Changyuan1, ZHANG Hui2,SHI Yanxia1, HU Lisha2, ZHANG Chao2

(1.KeyLaboratoryofHydrogeologyandGeothermalGeologyofQinghaiProvince,QinghaiProvincialSurveyInstituteofHydrogeology,EngineeringGeologyandEnvironmentalGeology,Xining810008,Qinghai,China;2.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,CGS,Baoding071051,Hebei,China)

Geologicalsafetyassessmentisanimportantbasisforthedevelopmentofcarbonstorageengineering.ToresearchthereservoirmodelofnaturalCO2gascandemonstratethefeasibilityofcarbonstorageprojectbuiltinthedeepsaltwaterlayer.ThemonitoringofCO2leakagecanbeusedasademonstrationforthegeologicalsafetyevaluationofthecarbonstorageunderemergency.Throughusingthecarbondioxide(CO2)capture,utilizationandstorage(CCUS)concept,theformation,migrationandaccumulationmodelofCO2gasreservoirinPing’anregionofQinghaiprovincehavebeenanalyzedinthispaper.Resultsshowthat: ①thenaturalCO2gasinthisregionisinorganicgases. ②thehighcontentofCO2gasfromtheintermittenthighpressureflowingwells(ZK10)revealsthatthemixedlayerofCO2gasandwateriscontainedinthecretaceousstrataineasternQinghai. ③MinheandXiningGroupsaretwosetsidealstratatostorageCO2gas.ThechannelnetworkofCO2gasreservoirisconnectedeachotherbysecondaryfracture,andthelocationoffractureintersectionisagooddevelopmentareaforhighlypurifiedofmantle-derivedCO2gas,whichisalsothemostbeneficialregionofcarbonstorageprojectsinthefuture.

CO2gasreservoirs;CO2geologicalsequestration;gasreservoirformationanalysis;Ping’anregioninQinghaiProvince

2016-02-03；

2016-05-26

中國地質(zhì)調(diào)查局“二氧化碳地質(zhì)儲存環(huán)境影響與監(jiān)測技術(shù)”(12120113006400)和青海省科學(xué)技術(shù)廳“西寧盆地二氧化碳地質(zhì)儲存適宜性研究”(2013-Z-708)共同資助

鄭長遠(yuǎn)(1983-)，男，漢族，工程碩士，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)研究工作。E-mail: 56295158@qq.com

P611

A

1009-6248(2016)03-0148-07