利用土壤游離烴技術(shù)判別油氣藏性質(zhì)及保存條件

周亞龍，孫忠軍，楊志斌，張富貴，張舜堯，王惠艷

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球表層碳-汞地球化學(xué)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

利用土壤游離烴技術(shù)判別油氣藏性質(zhì)及保存條件

周亞龍1,2，孫忠軍1,2，楊志斌1,2，張富貴1,2，張舜堯1,2，王惠艷1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球表層碳-汞地球化學(xué)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

土壤游離烴技術(shù)通過(guò)直接檢測(cè)受地表景觀介質(zhì)變化影響小的游離態(tài)輕烴異常來(lái)獲取地下油氣信息。塔里木盆地試驗(yàn)區(qū)已知油氣藏上方具有良好的游離烴化探異常顯示，干燥系數(shù)在8.40～19.89之間，顯示游離烴異常與深部油氣的熱演化相關(guān)。土壤游離烴組分平衡系數(shù)、濕度系數(shù)、特征系數(shù)等指標(biāo)預(yù)測(cè)與判斷地下油氣藏性質(zhì)的結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)結(jié)果相吻合。近地表游離烴的甲烷/丙烷指標(biāo)均值高達(dá)25～116，由北向南依次增大，說(shuō)明油氣藏埋藏深度依次增大。丁烷異構(gòu)比和戊烷異構(gòu)比特征顯示雅克拉油氣區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度最高。結(jié)果表明：游離烴的輕烴組分和含量變化特征能夠預(yù)測(cè)與判斷地下油氣藏的位置、性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)成熟度和保存條件。

游離烴；油氣藏性質(zhì)；保存條件；成熟度；塔里木盆地

0 引 言

油氣化探的理論基礎(chǔ)是油氣微滲漏，烴類(lèi)組分運(yùn)移至近地表，導(dǎo)致土壤中烴類(lèi)濃度出現(xiàn)異常，油氣化探通過(guò)檢測(cè)近地表烴類(lèi)及其衍生物的地球化學(xué)異常來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)地下含油氣情況[1]。根據(jù)油氣微滲漏的基礎(chǔ)理論，近地表土壤烴類(lèi)主要以3種形式存在[2]：(1)存在于土壤顆粒之間的游離態(tài)——游離烴；(2)吸附于細(xì)粒物質(zhì)表面或礦物晶格之中的吸附態(tài)——吸附烴；(3)溶解于地下水中的水溶態(tài)——溶解烴。土壤樣品中解脫出的烴在很大程度上受到次生烴、地表景觀、取樣介質(zhì)等因素的干擾，而土壤游離烴的成分與下伏油氣藏中油氣成分的相似度很高，受地表景觀介質(zhì)變化影響小[3]，利用地表游離氣組分特征，可以判別其地下油氣藏的性質(zhì)和保存條件。

1 土壤游離烴測(cè)量

1.1 研究區(qū)概況

圖1 塔北隆起構(gòu)造單元及游離氣采樣點(diǎn)位圖 (據(jù)賈存善匯編，2010)Fig.1 Structural division and location of samples in the north Tarim uplift

研究區(qū)位于塔里木盆地北部的一個(gè)一級(jí)正向構(gòu)造單元——塔北隆起，是塔里木盆地油氣最富集的一級(jí)構(gòu)造單元之一。塔北隆起北臨庫(kù)車(chē)坳陷，南與北部坳陷相接，是有利的油氣聚集區(qū)，發(fā)育4個(gè)隆起和2個(gè)凹陷，分別為輪臺(tái)斷隆、英買(mǎi)力低凸起、輪南低凸起、庫(kù)爾勒鼻隆、哈拉哈塘凹陷和草湖凹陷[4-5]。塔里木盆地具有多套烴源巖，多個(gè)油氣系統(tǒng)，生排烴時(shí)期長(zhǎng)，油氣具有多源多種類(lèi)型的特點(diǎn)，而塔北隆起主要發(fā)育寒武系—下奧陶統(tǒng)腐泥型-混合型海相碳酸鹽巖和泥巖、中—上奧陶統(tǒng)腐泥型-混合型海相泥巖、石炭系—二疊系海陸過(guò)渡相混合型偏腐殖型暗色灰?guī)r泥巖和三疊系—侏羅系湖泊、沼澤相腐殖型暗色泥巖和煤巖4套烴源巖[6]。油氣藏的類(lèi)型主要為凝析氣藏和凝析油藏，此外還有原油伴生氣。本次游離氣樣品采集區(qū)域主要位于輪臺(tái)斷隆和哈拉哈塘凹陷兩個(gè)構(gòu)造單元內(nèi)(圖1)。

1.2 樣品采集及分析

游離氣樣品采集工具采用中石化無(wú)錫石油地質(zhì)研究所研制的“HT-1型地氣采集器”。“HT-1型地氣采集器”的取氣原理是將取氣裝置鉆至所需的地下取氣層位，土壤中的游離氣經(jīng)過(guò)濾器擴(kuò)散到集氣管中，以螺旋葉片作為隔絕空氣的密封圈，用直接排水真空取氣法排去毛細(xì)管中的空氣，從而有效地抽取取氣層位中的游離氣，密封在鹽水瓶中[7]。本次樣品采集深度1.2 m以下，共采集100件游離氣樣品(圖1)。樣品測(cè)試分析以《石油天然氣地球化學(xué)勘查技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T0185—1997)和《油氣化探試樣測(cè)定方法》(中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6009.1-9—2003)為標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)試工作中，采用空白樣、管理樣、重復(fù)密碼樣監(jiān)控、異常點(diǎn)復(fù)測(cè)等方法保證測(cè)試質(zhì)量。

2 土壤游離烴地球化學(xué)異常特征

2.1 地球化學(xué)基本特征

對(duì)土壤游離烴各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。研究發(fā)現(xiàn)：(1)游離烴輕烴組分齊全，具有C1>C2>C3>C4>C5的含量特征，表明所監(jiān)測(cè)的游離態(tài)輕烴組分不是由地表污染或生油巖出露地表等因素引起的；(2)土壤中游離烴氣濃度不高，但是其重?zé)N絕大多數(shù)被檢出，而空氣中基本無(wú)重?zé)N檢出，因此大氣對(duì)土壤中游離烴氣的影響可忽略不計(jì)；(3)與塔里木盆地土壤酸解烴數(shù)據(jù)對(duì)比[8]，研究區(qū)土壤游離烴各指標(biāo)含量相對(duì)較低，變異系數(shù)基本小于1，屬于均勻化的地球化學(xué)場(chǎng)。

2.2 油氣田上方化探異常模式

本次土壤游離烴測(cè)量剖面主要跨越了牙哈、雅克拉和塔河3個(gè)已知油氣區(qū)。圖2是土壤游離烴試驗(yàn)剖面圖。近地表微生物活動(dòng)對(duì)甲烷的生成和消耗具有強(qiáng)烈的傾向性，易導(dǎo)致甲烷與重?zé)N異常吻合度下降，而本次試驗(yàn)剖面上游離烴甲烷和重?zé)N異常吻合度較高，同一測(cè)量點(diǎn)，其甲烷和重?zé)N含量變化一致，說(shuō)明為同一烴源，非生物成因氣。

圖2 塔里木盆地土壤游離烴地球化學(xué)剖面Fig.2 Soil geochemical profile of free hydrocarbon of Tarim Basin

Table 1 The characteristic values of soil free hydrocarbon of Tarim Basin

指標(biāo)檢出率/%平均值X中位數(shù)M標(biāo)準(zhǔn)偏差S 變異系數(shù)Cv最大值最小值甲烷1004723912480531387195乙烷100046029040087227005乙烯100046027050109297007丙烷100024018018073098005丙烯100038025037098212003異丁烷83004003002057014001正丁烷95010008007069037001正戊烷72003002002064012001異戊烷85005004003067015001重?zé)N/176118152086894036

注：游離烴單位為μL/L。

近20年的塔里木盆地北部地區(qū)地表油氣化探成果表明：在已知油氣藏(田)上方地表化探平面上顯暈圈或環(huán)狀異常、剖面上呈邊高中低的異常模式[8-9]。庫(kù)車(chē)坳陷大宛齊油田上方土壤游離烴化探強(qiáng)異常顯示的斷塊是有利的含油斷塊，地表化探成果成為滾動(dòng)調(diào)整部署的重要依據(jù)[10～13]。塔里木盆地游離烴化探異常模式具典型油氣化探異常模式特征，即地表平面上在局部構(gòu)造周?chē)纬蓴嗬m(xù)的環(huán)狀、半環(huán)狀異常,同時(shí)在某些斷裂附近呈線(xiàn)形串珠狀異常，且異常強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。

此次土壤游離烴測(cè)量剖面結(jié)果表明：研究區(qū)已知的牙哈油氣田區(qū)、雅克拉氣田、塔河油田上方土壤游離烴顯示明顯的地球化學(xué)異常，異常范圍與已知油氣田地質(zhì)邊界相吻合，游離烴甲烷和重?zé)N等指標(biāo)剖面特征顯示，已知油氣田上方顯示為低值特征，在地下油氣田的油水邊界或斷裂帶上方顯示烴類(lèi)高值特征，地表游離烴化探異常模式以環(huán)狀或半環(huán)狀異常為主，說(shuō)明游離烴對(duì)地下油氣藏具有很好的指示作用。

3 土壤游離烴技術(shù)的應(yīng)用

3.1 油氣藏位置、性質(zhì)的預(yù)測(cè)

根據(jù)油氣化探的微滲漏理論，烴類(lèi)組分運(yùn)移至近地表，導(dǎo)致土壤中烴類(lèi)濃度出現(xiàn)異常，而游離烴幾乎不受巖性等因素影響，因此地表土壤中監(jiān)測(cè)出的不同含量烴類(lèi)組分，與地下油氣藏關(guān)系密切，其組成和含量特征可直接反映地下油氣藏的特征和性質(zhì)[14-15]。利用游離輕烴的組成和含量變化對(duì)橫向剖面上油氣藏的位置、性質(zhì)作出預(yù)測(cè)與判斷[16]。地下油氣藏邊界的氣水過(guò)渡帶和控制油氣藏的斷裂帶是烴類(lèi)物質(zhì)垂向微滲漏較強(qiáng)的部位，因此土壤游離烴平面上的異常環(huán)帶反映了地下油氣藏的位置。雅克拉凝析氣田上方游離烴甲烷指標(biāo)在構(gòu)造上方呈環(huán)狀異常，其范圍與下白堊統(tǒng)背斜圈閉凝析氣藏的范圍較為吻合，凝析氣藏邊部的氣水過(guò)渡帶是烴類(lèi)垂向微滲漏較強(qiáng)的部位，重?zé)N指標(biāo)在凝析氣藏上方仍然形成了環(huán)狀或半環(huán)狀異常，但烴濃度表現(xiàn)出明顯的北高、南低的特征，異常的分布與形態(tài)有一定的變化。酸解烴甲烷與重?zé)N在空間展布上的差異，與油氣藏上方蓋層由西南向北東方向逐漸變薄有直接關(guān)系。

利用游離輕烴的組成判斷油氣藏的成因類(lèi)型，當(dāng)干燥系數(shù)(C1/(C2+C3))在0～50之間，為深部成因氣，當(dāng)干燥系數(shù)大于1 000，則反映地表生物成因特征。測(cè)區(qū)內(nèi)該系數(shù)均值為8.40，最大值為19.89，表明檢測(cè)的近地表土壤游離烴與深部油氣的熱演化相關(guān)。

據(jù)中國(guó)科學(xué)院李志明等[17-18]、中石化勘探開(kāi)發(fā)研究院合肥地質(zhì)研究所李廣之等[19]以及孫忠軍等[20]的研究結(jié)果表明：(1)濕度系數(shù)(Wh=100(C2+C3+C4+C5)/(C1+C2+C3+C4+C5))越大，標(biāo)志著沉積物有機(jī)質(zhì)向石油方面演化的程度越高；(2)平衡系數(shù)(Bh=(C1+C2)/(C3+C4+C5))在近代生物地球化學(xué)作用強(qiáng)烈的地區(qū)高達(dá)幾百，生油巖和油氣淺層地球化學(xué)效應(yīng)地區(qū)平衡系數(shù)多小于10；(3)對(duì)于氣藏上方地表而言，Wh值很小，Bh值很大，特征系數(shù)Ch(Ch=(C4+C5)/C3)值很小，C1/C4值非常高；對(duì)于重質(zhì)油及中質(zhì)油油藏上方地表而言，分子量較大的重?zé)N含量較高，C1/C4值較大，Wh值較小，Bh值很大，Ch值較大，輕烴濃度嚴(yán)格按C1—C5的組分順序遞減；凝析氣(油)及輕質(zhì)油層中成熟度較高，C1/C4值很小，而Wh值很大，Bh值很小，Ch值較大，輕烴濃度一般并非按C1—C5的組分順序遞減，相反，C1或C2以后的某些組分的濃度會(huì)突然增大。

表2為3個(gè)已知油氣區(qū)的游離烴特征值統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：測(cè)區(qū)1(牙哈試驗(yàn)區(qū))的土壤游離烴特征值顯示W(wǎng)h值相對(duì)較大、C1/C4值很小，為凝析油屬性，與牙哈油氣田以凝析油氣為主[21]的地質(zhì)特征相吻合；測(cè)區(qū)2(雅克拉試驗(yàn)區(qū))的土壤游離烴特征值則反映為凝析油與輕質(zhì)油為主的油氣屬性[22]；測(cè)區(qū)3(塔河試驗(yàn)區(qū))的土壤游離烴特征值與重質(zhì)油特征類(lèi)似，C1/nC4指標(biāo)異常高，顯示油氣藏類(lèi)型含濕氣特征，與塔河油田油氣藏以重質(zhì)油與濕氣為主[23]的特征相同。

表2 土壤游離烴特征值與油氣藏類(lèi)型關(guān)系

3.2 油氣藏保存條件分析

據(jù)許衛(wèi)平等[24]的研究，在烴類(lèi)垂向運(yùn)移過(guò)程中，地層對(duì)烴類(lèi)組分中的重質(zhì)組分有明顯的選擇性吸附作用，改變了輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分之間的比例關(guān)系。當(dāng)油氣藏的保存條件相對(duì)較好時(shí)，烴類(lèi)物質(zhì)的垂向運(yùn)移是一個(gè)緩慢的、微弱的過(guò)程。蓋層對(duì)重質(zhì)烴類(lèi)組分的選擇性吸附作用相對(duì)明顯，大分子的重?zé)N組分運(yùn)移至地表的能力相對(duì)較弱。近地表采集的樣品中輕烴組分/重?zé)N組分指標(biāo)呈高值特征。當(dāng)油氣藏的保存條件較差時(shí)(如油氣藏被斷層切割并斷至淺層甚至地表)，烴類(lèi)物質(zhì)將以激烈的、破壞性的形式運(yùn)移至地表。由于具有良好的運(yùn)移通道，蓋層對(duì)重質(zhì)烴類(lèi)組分的選擇性吸附作用不明顯，重質(zhì)烴類(lèi)運(yùn)移至地表的垂向運(yùn)移增強(qiáng)，近地表采集的樣品中輕烴組分/重?zé)N組分指標(biāo)呈低值特征。

利用近地表檢測(cè)到的烴類(lèi)樣品中輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分之間的比例關(guān)系，可以反演垂向運(yùn)移過(guò)程中地層對(duì)烴類(lèi)物質(zhì)的作用過(guò)程，提出以甲烷/丙烷指標(biāo)來(lái)定性地判斷油氣藏的保存條件和埋藏深度。

研究區(qū)內(nèi)近地表游離烴的甲烷/丙烷指標(biāo)高達(dá)25～116，牙哈、雅克拉、塔河3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的甲烷/丙烷指標(biāo)均值依次增大，說(shuō)明塔河油氣藏保存最好，同時(shí)也說(shuō)明油氣藏埋藏深度依次增大，與牙哈油氣藏埋深4 900～5 600 m、雅克拉油氣藏埋深5 300～6 000 m、塔河油氣藏埋深達(dá)6 000 m以上的實(shí)際油氣地質(zhì)條件[23,25]相吻合。

3.3 利用輕烴iC4/nC4、iC5/nC5值判斷有機(jī)質(zhì)成熟度

在有機(jī)質(zhì)未成熟的生物化學(xué)階段，微生物優(yōu)先消耗正構(gòu)烷烴，而異構(gòu)烷烴有較強(qiáng)的抵抗力，導(dǎo)致了iC4/nC4和iC5/nC5呈現(xiàn)高值特征。而在有機(jī)質(zhì)成熟過(guò)程中，直鏈正構(gòu)烷烴主要通過(guò)自由基斷裂反應(yīng)來(lái)完成，帶支鏈的異構(gòu)烷烴則主要是通過(guò)碳陽(yáng)離子反應(yīng)形成的，并且低溫下以碳陽(yáng)離子為主，高溫下以自由基斷裂為主。所以，隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，iC4/nC4、iC5/nC5比值逐漸降低[26-28]。Hunt[29]研究結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)在低溫階段容易生成支鏈烴，而高溫階段則容易生成正構(gòu)烷烴，在生烴高峰階段，輕烴中異構(gòu)烷烴/正構(gòu)烷烴值減小。因此，可以利用iC4/nC4、iC5/nC5比值來(lái)判斷烴源巖的有機(jī)質(zhì)成熟度。

研究區(qū)iC4/nC4、iC5/nC5比值特征(表3)顯示，測(cè)區(qū)2(雅克拉油氣區(qū))烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度比測(cè)區(qū)1(牙哈油氣區(qū))和測(cè)區(qū)3(塔河油氣區(qū))高。這一結(jié)論與雅克拉油氣區(qū)原油(氣)來(lái)自J1、O、和Z的高成熟—過(guò)成熟度烴源巖[22,30]，牙哈油氣區(qū)原油(氣)主要來(lái)自白堊系、第三系成熟碳酸鹽巖和泥巖烴源巖[31]，塔河油氣區(qū)則主要是以正常-高成熟的奧陶系油氣的聚集為主相吻合[32]。

表3 土壤游離烴iC4/nC4、iC5/nC5特征值

Table 3 The characteristic values of iC4/nC4, iC5/nC5of soil free hydrocarbon

類(lèi)型iC4/nC4iC5/nC5測(cè)區(qū)1(牙哈油氣區(qū))048030～083068046～083測(cè)區(qū)2(雅克拉油氣區(qū))035025～053055035～085測(cè)區(qū)3(塔河油氣區(qū))052034～077061027～085

注：劃線(xiàn)上方數(shù)字為平均值，劃線(xiàn)下方數(shù)字表示最小、最大值范圍。

4 結(jié) 論

土壤游離烴直接來(lái)源于下伏油氣藏中的油氣微滲漏，受地表景觀介質(zhì)變化影響小，其異常對(duì)地下油氣藏具有良好的指示作用。塔里木盆地土壤游離烴試驗(yàn)結(jié)果顯示，直接檢測(cè)近地表土壤中游離態(tài)烴類(lèi)組分和含量上的變化特征，利用這些變化特征及相關(guān)特征指數(shù)可直接判斷地下油氣藏的特征和性質(zhì)、油氣藏的相對(duì)保存條件和有機(jī)質(zhì)成熟度。但是土壤游離烴技術(shù)與其他化探方法一樣，也存在使用上的局限性，因此在油氣化探中應(yīng)該多種化探方法結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析。

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Application of Soil Free Hydrocarbon to Distinguish Properties and Preservation Conditions of Oil and Gas

ZHOU Yalong1,2，SUN Zhongjun1,2，YANG Zhibin1,2，ZHANG Fugui1,2，ZHANG Shunyao1,2，WANG Huiyan1,2

(1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，Chinese Academy of Geological Sciences , Langfang，Hebei 065000, China;2.KeyLaboratoryofGeochemicalCyclingofCarbonandMercuryintheEarth’sCriticalZone,ChineseAcademyofGeologicalSciences，Langfang，Hebei065000,China)

Soil free hydrocarbon technique by directly detecting free light hydrocarbon anomalies affected by the landscape medium of little influence is introduced to obtain underground oil information in this paper. The known petroleum reservoir has a good show of free hydrocarbon geochemical anomalies in the test area in Tarim Basin, the aridity coefficient between 8.40 and 19.89 of which indicates that free hydrocarbon geochemical anomalies is related to the thermal evolution of deep oil and gas. The underground oil and gas reservoir properties predicted and judged by the balance coefficient, soil humidity coefficient and characteristic coefficient of free hydrocarbon component are consistent with the actual geological results. The average of CH4/C3H8index of near-surface free hydrocarbon from north to south is between 25 and 116,which illustrates that the depth of oil and gas reservoir increases in turn. The feature of the butane heterogeneous ration and pentane heterogeneous ration shows that Yakela petroleum region has the highest maturity of organic matter. The result indicates that the component and the content variation of free hydrocarbon can forecast and judge the location, character, maturity of organic matter and preservation condition of underground oil and gas reservoir.

free hydrocarbon; reservoir property; preservation condition; maturity; Tarim Basin

2016-03-16；改回日期：2016-09-22；責(zé)任編輯：樓亞兒。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)專(zhuān)項(xiàng)(1212011120974)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物勘查與試采專(zhuān)項(xiàng)(GZHL20110324)。

周亞龍，男，工程師，1984年出生，石油地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，主要從事油氣地球化學(xué)勘查研究。Email:zhouyalong@igge.cn。

P618.13； TE122

A

1000-8527(2016)06-1370-06