延安地區(qū)奧陶系馬家溝組儲(chǔ)層硫化氫成因及聚集規(guī)律

羅騰躍，胡 靜，魏 虎，王念喜，白 寧，王冠男

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065；2.斯倫貝謝長(zhǎng)和油田工程有限公司，陜西 西安 710021；3.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司油氣勘探公司，陜西 延安 716000)

0 引 言

鄂爾多斯盆地是中國(guó)第二大能源盆地，延安地區(qū)下古生界奧陶系馬家溝組氣藏探明儲(chǔ)量1.5×1011m3。盆地奧陶系馬家溝組普遍含有硫化氫，含量變化范圍大，個(gè)別氣井硫化氫含量高達(dá)51 000 mg/m3，給鉆井、集輸、環(huán)境帶來(lái)了一系列復(fù)雜問(wèn)題，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和重大安全事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，硫化氫成因及分布一直是含硫地區(qū)的重要研究方向。

戴金星提出含硫化氫天然氣的分類方案和成因類型，對(duì)含硫化氫天然氣的分布規(guī)律和氣藏類型進(jìn)行分析和解剖[1-2]。王新洲等開(kāi)展硫化氫生成的熱模擬試驗(yàn)，證明硬石膏在有機(jī)質(zhì)的參與下可以生成碳酸鹽和硫化氫[3]。樊廣鋒、劉如杰等總結(jié)含硫化氫天然氣地化特征，解剖重點(diǎn)氣藏硫化氫成因控制因素，提出含硫化氫天然氣預(yù)測(cè)模型[4-5]。近年來(lái)四川盆地高含硫化氫天然氣不斷發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為四川盆地的硫化氫主要是硫酸鹽熱化學(xué)反應(yīng)形成的，硫化氫的含量與石膏層的分布密切相關(guān)[6-10]。鄂爾多斯盆地硫化氫含量普遍較低，發(fā)現(xiàn)了奧陶系中下組合天然氣硫化氫含量較高，甚至達(dá)到中、高含硫級(jí)別。代金友等認(rèn)為富硫區(qū)不受膏巖控制，而與富水區(qū)疊置耦合，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和地層埋藏演化史分析，從硫化氫生成條件及地層流體運(yùn)動(dòng)學(xué)角度探討了這一現(xiàn)象的成因[11]。倪春華等通過(guò)地球化學(xué)特征分析認(rèn)為富古4井硫化氫為熱化學(xué)成因。因此，前人對(duì)硫化氫成因進(jìn)行了詳細(xì)研究，但在硫化氫運(yùn)移、聚集、保存等方面研究薄弱，硫化氫作為一種氣體受生成、運(yùn)移和保存等條件的影響較大，筆者通過(guò)硫化氫的生成、運(yùn)移和保存等方面的研究，分析硫化氫聚集規(guī)律[12]。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地位于華北臺(tái)地西部，是一個(gè)矩形的克拉通盆地[13]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部(圖1(a)、(b))，自下而上依次分為馬一段～馬六段6個(gè)段，頂部出露馬五段白云巖，馬五段又被分為馬五1～馬五10共10個(gè)亞段[14-15]。其中馬五1為泥-細(xì)粉晶云巖、含泥云巖、砂屑云巖、紋層狀云巖，普遍含石膏假晶，溶蝕孔洞發(fā)育，是主力氣層；馬五2上部為深灰色泥-細(xì)粉晶白云巖，見(jiàn)毫米級(jí)條板狀石膏，溶蝕孔洞較發(fā)育，普遍含氣，下部為含泥質(zhì)及泥質(zhì)白云巖；馬五3為深灰色、灰黑色云質(zhì)泥巖、泥云巖、泥晶云巖，夾云質(zhì)膏巖、硬石膏巖；馬五4頂部為灰、淺灰色細(xì)粉晶云巖、角礫狀云巖，斑狀溶孔及裂縫發(fā)育，為主要產(chǎn)氣層，中下部為灰色泥晶云巖、深灰色云質(zhì)泥巖或硬石膏互層；馬五5為灰黑色泥晶灰?guī)r；馬五6、馬五8和馬五10亞段發(fā)育以膏鹽巖為主的蒸發(fā)巖，局部夾有碳酸鹽巖，是鹽下氣藏的重要的烴源巖和蓋層；馬五7和馬五9亞段則以碳酸鹽沉積為主，是鹽下最主要的油氣儲(chǔ)集層(圖1(c))。

圖1 延安地區(qū)構(gòu)造位置及地層特征

2 硫化氫形成

根據(jù)硫化氫的成因機(jī)理，硫化氫分為3大類5種成因類型：生物成因(生物降解、微生物硫酸鹽還原)、熱化學(xué)成因(熱分解、硫酸鹽熱化學(xué)還原)和火山噴發(fā)成因等[1]。通過(guò)對(duì)天然氣中有機(jī)硫、碳、硫同位素對(duì)比研究，認(rèn)為天然氣中硫化氫為硫酸鹽熱化學(xué)還原成因。

2.1 硫化氫成因證據(jù)

2.1.1 有機(jī)硫含量

延安地區(qū)馬家溝組天然氣色譜分析結(jié)果表明總有機(jī)硫含量較低，分布于1.78～12.25 mg/m3之間，有機(jī)硫來(lái)自含硫有機(jī)質(zhì)裂解和有機(jī)質(zhì)脫氫、脫氧加硫2個(gè)方面，由于天然氣中有機(jī)硫含量低，表明有機(jī)質(zhì)裂解產(chǎn)生的硫化氫的能力相對(duì)較弱(圖2(a))。

2.1.2 碳同位素

硫酸鹽熱化學(xué)還原消耗烴類的過(guò)程中，12C—12C鍵優(yōu)先破裂，參與硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)，而13 C更多保留在殘留的烴類中，使得殘留的烴類中相對(duì)富集13C，而12C更多轉(zhuǎn)移到次生方解石和二氧化碳中[18]，延安地區(qū)天然氣中乙烷中δ13C多數(shù)分布在-26‰～-34‰，相對(duì)較高，接近煤成氣碳同位素特征，與常規(guī)的油型氣相比均偏重，也可判定與硫酸鹽熱化學(xué)還原對(duì)烴類的蝕變作用密切相關(guān)(圖2(b))。

2.1.3 硫同位素

硫酸鹽熱化學(xué)還原成因的硫化氫硫同位素分餾小，比硫酸鹽硫同位素偏低5‰～15‰，絕大多數(shù)在10‰左右[19]。延安地區(qū)馬家溝組硫同位素主要分布16.06‰～19.32‰，平均17.85‰，奧陶系碳酸鹽巖中硬石膏硫同位素主要分布25.78‰～28.00‰，平均為27.36‰，與奧陶系儲(chǔ)層天然氣中H2S硫同位素相比高出10‰。因此認(rèn)為奧陶系儲(chǔ)層H2S主要來(lái)自于硫酸鹽的熱化學(xué)還原作用(圖2(c))。

圖2 硫化氫成因地球化學(xué)特征

2.1.4 二氧化碳含量

在硫酸鹽熱化學(xué)還原過(guò)程中，也會(huì)生產(chǎn)一定的二氧化碳，烴類與硫酸鹽反應(yīng)生成的中間產(chǎn)物硫磺(S)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易與烴類發(fā)生持續(xù)反應(yīng)形成二氧化碳[20]。延安地區(qū)馬家溝組含硫化氫天然氣富含CO2，多在3% 以上，證明硫酸鹽熱化學(xué)還原作用是硫化氫生成主要原因(表1)。

表1 延安地區(qū)部分氣井天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2 地質(zhì)因素

據(jù)研究結(jié)果，硫酸鹽非生物還原產(chǎn)生H2S主要條件是溫度須大于100 ℃，具備硫酸鹽、地層水、含烴有機(jī)質(zhì)[5]。

2.2.1 膏巖分布

馬家溝組馬五1～馬五4白云巖中廣泛發(fā)育毫米級(jí)、厘米級(jí)硬石膏柱狀晶和小結(jié)核等蒸發(fā)礦物[21]，在表生期巖溶水階段，使上部馬五1、馬五2層石膏晶體大量溶蝕，消失殆盡；馬五3-4由于侵蝕基準(zhǔn)面之下，接近風(fēng)化殼底部，巖溶作用微弱，石膏晶體溶蝕量有限，石膏巖殘余厚度較大，但由于裂縫作用，可發(fā)生穿越溶蝕，造成局部石膏巖殘余厚度的差異；馬五5以下大量發(fā)育膏巖層(圖3)。膏巖分布與硫化氫含量有很大相關(guān)性(圖4)，馬五5以下硫化氫含量最高，馬五4次之，馬五1、馬五2較低。

圖3 延安地區(qū)馬五膏巖巖性特征

圖4 膏巖分布與硫化氫含量關(guān)系

2.2.2 地層水

實(shí)驗(yàn)研究表明地層水在硫化氫生成過(guò)程中具有重要意義[11]。馬五1+2儲(chǔ)層的非均質(zhì)性強(qiáng)，受構(gòu)造反轉(zhuǎn)影響流體重新分布，出現(xiàn)了局部高孔、滲部位為水，低孔、滲部位為氣的分布局面，水的分布呈斑狀或透鏡狀；馬五4氣藏孔、滲條件較好，有利于水的保存，存在明顯邊、底水，馬五5以下地層中地層水主要包括底部滯留水、氣水同層、透鏡狀水3種形式，由西到東逐漸由底部滯留水過(guò)渡到透鏡狀水。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)充注及溫度條件

依據(jù)埋藏史結(jié)果，奧陶系地層至白堊系晚期埋藏深度最大，處于4 000～4 800 m之間，地層溫度處于120～160 ℃。對(duì)奧陶系碳酸鹽巖包裹體進(jìn)行測(cè)溫，包裹體均一溫度范圍相對(duì)較廣(100～230 ℃)，集中在130～140 ℃之間(圖5)。研究表明馬家溝組經(jīng)歷了2期油氣充注，第1期油氣充注主要發(fā)生在中侏羅世至早白堊早期，第2期油氣充注發(fā)生在早白堊世晚期[22]。在流體充注期間，奧陶系馬家溝組地層溫度相對(duì)較高(大于110 ℃)具備硫酸鹽熱化學(xué)還原產(chǎn)生硫化氫的地質(zhì)條件。

圖5 延安地區(qū)馬家溝組氣藏埋藏史與油氣充注期次

3 硫化氫運(yùn)移

3.1 本溪組硫化氫來(lái)源

部分本溪組氣層含有硫化氫，但本溪組地層不含石膏，不具備形成硫化氫的條件，而下伏馬五1+2具備生產(chǎn)硫化氫的條件，通過(guò)對(duì)比本溪、馬五1+2的天然氣組分，本溪組含硫化氫氣體組分與馬五1+2氣體組分性質(zhì)相近，反映本溪組和馬家溝組儲(chǔ)層中天然氣一定程度保持動(dòng)態(tài)平衡(表1)。

3.2 運(yùn)移通道

奧陶系馬家溝組沉積后經(jīng)歷了1.38億年沉積間斷，經(jīng)受長(zhǎng)期的風(fēng)化淋濾剝蝕，形成了巖溶古地貌，發(fā)育東西向枝狀古溝槽，本溪組和馬家溝組之間存在不整合面[23-24]。古溝槽、不整合面是上古生界烴源巖生產(chǎn)天然氣進(jìn)入下古生界奧陶系馬家溝組儲(chǔ)層的主要通道，隨著上、下古生界之間的壓力變化，它們亦可成為下古生界馬家溝組天然氣運(yùn)移到上古生界本溪組的主要通道，研究發(fā)現(xiàn)古溝槽部位馬家溝組氣井硫化氫含量普遍較低，遠(yuǎn)離溝槽部位馬家溝組氣井硫化氫含量較高，反之，本溪組氣層靠近溝槽部位普遍含有硫化氫，遠(yuǎn)離溝槽部位不含硫化氫。

4 硫化氫聚集

根據(jù)膏巖含量的變化，結(jié)合運(yùn)移和保存地層配置框架，建立延安地區(qū)下古生界儲(chǔ)層內(nèi)硫化氫聚集模式。

4.1 馬五1+2硫化氫聚集規(guī)律

根據(jù)鉆井巖芯觀察和薄片分析，奧陶系馬家溝組馬五1+2為含膏白云巖，發(fā)育毫米級(jí)、厘米級(jí)的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核等蒸發(fā)礦物，受風(fēng)化淋濾作用影響，靠近溝槽部位水動(dòng)力作用強(qiáng)，石膏大量被溶蝕形成大量膏?？?，遠(yuǎn)離溝槽部位水動(dòng)力作用較弱，局部白云巖儲(chǔ)層中殘留硬石膏結(jié)核。上古生界流體通過(guò)溝槽進(jìn)入馬五1+2儲(chǔ)層，與殘余石膏發(fā)生熱化學(xué)還原反應(yīng)，形成硫化氫，在遠(yuǎn)離溝槽及鋁土巖分布的地方進(jìn)行聚集，在溝槽部位和鋁土巖缺失的部位散失。因此，馬五1+2儲(chǔ)層中在溝槽部位和鋁土巖缺失部位硫化氫含量較低，在遠(yuǎn)離溝槽且鋁土巖分布穩(wěn)定區(qū)域硫化氫含量較高。作為與之接觸的本溪組砂巖在靠近溝槽或者缺失鋁土巖的區(qū)域易檢測(cè)出硫化氫(圖6)。

4.2 馬五4硫化氫聚集規(guī)律

圖6 延安地區(qū)奧陶系馬家溝組儲(chǔ)層硫化氫聚集規(guī)律

4.3 馬五5以下硫化氫聚集規(guī)律

馬五5以下地層發(fā)育膏鹽巖，部分地層發(fā)育碳酸鹽巖，形成石膏巖和白云巖互層組合。受中央隆起的影響，盆地西部馬五5以下地層與上古地層不整合接觸，是上古流體充注的主要通道，在環(huán)繞中央隆起帶附近發(fā)現(xiàn)多個(gè)天然氣氣藏，硫化氫含量較高，主要是具有充足的膏巖，有地層水參與反應(yīng)且處于封閉環(huán)境，天然氣中硫化氫含量相對(duì)較高，甚至達(dá)到中高含硫級(jí)別(圖6)。

5 結(jié) 論

1)有機(jī)硫、天然氣組分、同位素等多種證據(jù)表明，延安地區(qū)馬家溝組氣藏硫化氫為含硫酸鹽地層發(fā)生熱化學(xué)還原反應(yīng)的結(jié)果。

2)馬家溝組膏巖發(fā)育，在中侏羅世、早白堊世流體充注期，地層溫度120～160 ℃，為硫化氫生成提供了基礎(chǔ)地質(zhì)條件。

3)上、下古生界之間不整合面、古溝槽是硫化氫運(yùn)移主要通道，本溪組硫化氫是馬家溝組硫化氫通過(guò)不整合面和古溝槽運(yùn)移聚集形成。

4)馬五1+2儲(chǔ)層中硫化氫聚集于遠(yuǎn)離溝槽和鋁土巖分布穩(wěn)定區(qū)域；馬五4儲(chǔ)層中硫化氫聚集于遠(yuǎn)離不整合面和溝槽部位；馬五5以下儲(chǔ)層中硫化氫含量普遍較高。