第21卷第4期 新疆地质 2003年12月 XINJIANG GEOLOGY Dec.2003 文章编号:1000-88452003)04-45005 中图分类号:TE132 文献标识码:A 生物气成藏条件分析及准噶尔盆地生物气探究 王静,乔文龙祖丽菲亚 (中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依834000 摘要生物气是天然气的一个大类具有气体非常干、C同位素轻的地球化学特征其主要成类型有3种①高纬度 低温永久冻土带下形成生物气②高海拔、高盐度环境下形成生物气③观代沉积物形成浅层生物气商业规模的生物 气存在于具有高沉积速率、低地温梯度的沉积盆地中和非规坏境下形成的页岩、燦层或致密砂岩中准噶尔盆地目 前虽然尚未发现确凿的生物气藏但已有种种迹象表明有生物气存在的可能 关键词准噶尔盆地;生物气地化特征;淢因;成藏条件 2002年月10日AAPG年会在美国休斯顿召但宜改称氧化降解气,其原来的成因不变0 开,生物气的形成与分布、资源潜力以及生物气与热1生物气的形成一般经历3个阶段①发酵菌分解 成因气的鉴别方法是会议讨论的重点议题之一由于类脂化合物和大分子聚合物并将其降解为有机酸 生物气分布广泛埋藏浅依据现有技术手段在地质醇以及CO2和H2等②脱氢菌进一步脱去上阶段形 上可以预测国外已将其列为研究和勘探的重要对象.成的长链酸(和乙醇以上的醇)的氢生成H2、乙酸和 世界生物气已探明储量15.5×1032m3,占世界天然气CO2③产甲烷菌利用两阶段的产物经过“CO2还原” 探明可采储量85.85×102m3的18%加上未发现的或“乙酸酵解”转化为终极产物CH 浅层生物气估计探明后可达23%全世界生物气约有1.2生物气的鉴别标志 80%集中在俄罗斯的西西伯利亚盆地中国生物气总 生物气的甲烷C同位素低微生物作用生成的 资源量估计为2300×1084000×103m3探明储量为气和菌解气一般δ1C1-20%e 51867×103m3探明率约为45%中国已发现的生8C1在55%0-20%之间是热成因气 物气多是其它油气勘探或开发的副产品属被动勘探 生物气的乙烷H同位素中氖浓度低生物气中 除柴达木盆地和浙江以外国内其它地区并未开展过乙烷H同位素中的氘浓度为180%0~280%,比热成因 系统的针对性的勘探工作 气偏低 原生生物气的乙烷C同位素比菌解气的重菌 1生物气的生成机理 解气中的乙烷是油层或腐泥型气藏遭受轻度氧化后 11生物气的形成过程 形成的因而除具有与被菌解的原油伴生的特点外, 生物气专指微生物作用生成的生物甲烷气广义乙烷C同位素普遍变轻而原生生物气一般未见菌解 的生物气包括一切在微生物作用下生成的天然气其原油故乙烷C同位素偏重 中有原生生物气及表生菌解气但不包括经历了生物 油型生物气(含原油生物改造型)的乙烷C同位 氧化降解的天然气原生生物气是有机质首先被发酵素通常比煤型生物气的重油型生物气(含原油生物 菌等微生物分解为 12、COa2 CH3COOH再由甲烷生改造型和媒型生物气的乙烷C同位素划分界限般 成菌将H、CO2 CH3COOH转化为CH;表生菌解气定为28‰大于界限值的为煤型气小于界限值的为 是煤层或油气藏被含硫酸根的地表水侵入,遭到轻微 油型气. 氧化时的产物在其生长过程中存在甲烷、乙烷和丙13生物气的地化特征 烷等烃类的生成作用生物氧化降解气是已生成的天 甲烷含量高,干燥系数高重烃含量低生物气 然气中一部分烃类如丙烷各种正构烷等被喜氧菌优组分以甲烧为主甲烷含量高达90999%CC:C) 先氧化掉而残留的气,习惯上被称之为生物降解气 0.98含重烃极少,只有在混入热成因气时重烃含 收稿日期:2002-1223;修订日期:2003-0620:作者Emal;wi@yy.xj.cnpc.com.C 第一作者简介:王静(1966-)女,安徽枞阳人,翻译1986年毕业于安徽蚌埠教育学院英语专业从事油气勘探开发信息调研和外文翻译工作 石油工业天然气科技情报协作组国外非常規天然气调研1994 S1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.n
第21卷第4期 E静等生物气成藏条件分析及准噶尔盆地生物气探究 45l 量才可能超过2%(表1):陆相沉积物中的生物气含较分硫酸盐都被还原后的强还原环境下,产甲烷菌才能 多的CO2有些第四系生物气中发现有较高的N组分,生长 这是未成熟源岩生成天然气的重要特征 硫酸盐含量沉积物孔隙水中的硫酸盐一方面 甲烷C、H同位素组成轻生物气甲烷的C同位为产甲烷菌的生长准备了条件提供产甲烷菌能利用 素6C1值呈高负值特征(100-55%FD)H同位的乙酸和CO2另一方面由于它对产甲烷菌的抑制作 素组成(δDCH4)具有分布范围宽明显受沉积环境制用避免了表层大量生气而减少有机质在浅层过多地 约的特点(368%~-158%0)但大多数生物气的H同位消耗有利于甲烷在深处生成和富集由于硫酸盐还 素δDCH4<-200%o 原菌摄取H2和乙酸註的能力比产甲烷菌强,因此硫 14生物气生成的影响因素 酸盐含量高对产甲烷潮的生长是不利的实测证明, 有机质的类型和丰度产甲烷菌利用的碳源主甲煷的大量生成必须在硫酸盐被还原之后 要是CO2和乙酸这些物质除部分来自蛋白质外,主要 pH篮产甲烷菌在水中的生长范围为pH=59 来自碳水化合物由于脂类和木质款难于降解因此-88最佳范围为68-7.8若低于或高于此值其生长 产甲烷菌营养主要存在亍草本腐殖型有机质中在水就受到抑制例如 Methanobacterium strain AZ在pH 生草本植物发育的地区和有陆源草本有机质供给的值为66或74时生长速度相当于pH=7时的一半 地区(如三角洲、湖漣、海滩等)甲烷产率高是生物气 沉积速度快速沉积造成的还原环境不仅避免 藏形成的有利地区 有机质被氧化破坏同时也减弱了从上覆水体中补 温度产甲烷菌的最佳生长温度为4~45℃嗜温给硫酸盐加拿大大马南海盆的浅层取心资料表明 型产甲烷菌生长的最佳温度为30-40℃嗜热型产甲同为埋深2m的岩心沉积速度为134cm/ka的岩心 烷菌生长的最佳温度为52~57℃,耐高温型产甲烷菌甲烷含量为21800mkg而另一沉积速度为20 生长的最佳温度为65-70℃在正常地温梯度下(30℃cm/ka的岩心甲烷含量为30-40m/kg前者比后者高 km)生物气可能形成的深度在2000m以内目前国500倍说明高沉积速度有利于甲烷的生成和保存 外发现生物气藏的最大埋深是4500m(意大利波河 空间有机质在泥页岩类细粒沉积物中最为富 盆地)这是迄今文献报导生物气埋藏的最大深度.集较疏松的细粒沉积物孔隙较大最有利于细菌的 氧化还原环境产甲烷菌在其生存环境中的氧生存和繁殖已知典型页岩孔隙是1-3μm,而厌氧菌 达0.1%时生长就会受到明显的抑制;当其暴露在空的个体平均大小是1-10μm,这必将阻碍厌氧微生 气中时,活细胞的数量4分钟内就减少到1/2,继而到物在页岩中的活动和繁殖但这种情况一般在沉积物 /10.因此、只有在介质中所有的氧、硝酸盐和绝大部埋藏深度超过2000m后才会发生,已基本超出了生 表1世界不同地区生物气的化学成分组成 Table 1 Chemical composition of biogas in different areas of the world 95~99.7 -66,4~-6 中国松辽盆地 0.442 33.7--34 中国长江三角洲 91-95 011-091.85-4.11.5-3.4 -78-68 中国江浙一带 <7.12 中国百色盆地 0.16 中国莺一琼盆地 09-2.1 9.7-775 -62-87 54.7-87 前苏联乌连戈伊 0.21 前苏联斯特立瓦波尔 前苏联北部滨海 前苏联西西伯利业 美国基奈 美国库克湾北 0.23 0.134 美国路易斯安那 70.2--52 美国叨尼苏达 0.2-52 美国型四哥湾 美国伊利诺斯 加拿大阿尔伯达 拿大北部大平原 -65-71 本北部新泻 75-65 -67,8-65 意大利波河谷 71-~55 -76~55 注:据 B. Tissot984张子枢,1984等资料综合 S1994-2007ChinaAcademicJOurmalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
452 新疆地质 003年 物气大量形成的最佳有效埋藏深度 生物气的保存好的盖层必须具备低渗透的特点石 从以上分析可以看出,凡有以上这些因素的有利膏质岩、粘土和泥质沉积是好的盖层当渗透性不是 配合沉积物又处于成岩作用初期埋藏不深有机质很低时厚度的增加可以弥补和提高封盖能力. 属未成熟的年青地层都有可能形成丰富的生物气 3生物气勘探现状及气藏特征 2生物气的成藏条件 3.1生物气勘探现状 有利的地理环境和沉积环境①干旱气候或高 世界上生物气资源相当幸富近年来仍有新的大 位沼泽沉积环境死亡植物在低含水情况下被迅速掩型生物气气田不断被发现我国陆上及大陆架生物气 埋当到达一定深度时由于地下潜水活动而使得有勘探也有新的重大突破巨前在前苏联、美国、加拿 机质含水性增加未分解的有机质大量腐烂分解,共大、锒国、意大、日本等数10个国家都发现了具有 导致生化产甲烷过程顺利进行,②地表沉积时常年气工业价值的生物气藏世界上已知生物气的聚集都分 温偏低低温可使产甲烷菌繁殖受抑制.櫝物分解不布在第四系至白垩系,纯生物甲烷气藏的确存在,然 完全生化产甲烷过程处于半停顷状态细菌可降解而生物成因气与热成因气混合的现象同样也是普遍 物较多地被储备,当到达一定深度和适宜温度时,产存在的在许多气田内原生的热成因气存在于下部 甲烷菌大量繁殖植物加速分解产甲烷过程顺利进储层中而生物成因气普遍出现在浅部 行;③高盐度水介质环境这种环境溶氧量少有利于 中国目前已在柴达木盆地、松辽盆地、二连盆地、 有机质保存而且对有机质缩聚有一定的抑制作用,江汉盆地、苏北盆地、百色盆地等陆上及大陆架上发 从而造就了大量的高产率的水溶性有机物这种有机现了具有工业价值的生物气藏在莺-琼盆地也有生 物正是产甲烷菌用来合成甲烷的物质④海相沉积环物气显示据不完全统计我国已发现有28个生物气 境海水中硫酸盐含量高而硫酸盐还原作用先于甲藏典型生物气分布地区主要在江浙沿海和长江三角 烷生成甲烷从沉积物-水界面以下的某一深度才开洲地区以及我国西部的柴达木盆地其他较为丰富的 始生成生成的大量生物甲烷气溶解在孔隙水中在地区是松辽盆地及我国南方滇黔粤桂地区的中小型 沉积物的压实、圈闭和封闭形成之前这种溶解作用盆地海域诸盆地生物气资源量占全国生物气资源量 刚好起到了捕获生物成因甲烷的作用 的60%属浅海深海相沉积有机物生成 有利的构造环境①构造活动较弱的稳定沉降32生物气气藏的地质特征及主要成因类型 期有利于生物气的富集在盆地构造和断裂活动较弱 生物气形成所需的低有机质成熟度和成岩成熟 的快速稳定沉降期沉降和沉积补偿基本上趋于平衡,度以及较低的温度决定了生物气气藏普遍具有埋藏 有利于有机质始终处于生物化学作用带中如前陆盆深度浅(<2000m)、成藏地区的地温梯度低 地中远离推覆构造带的近斜坡带沉积;⑨浅层生物气(<30℃/km)、产层时代新(白垩纪以后)、气藏规模大、 藏分布受生气坳陷控制这类气源岩所生成的天然气分布范围广的地质特征(表2、3)而第四纪冰期形成 会优先在附近的圈闭内富集形成气藏,其储层单层厚的广泛分布的冰碛岩、大面积埋藏的永久冻土层和现 度小延伸不远与生气岩系形成同生型生储组合并代浅海地区广布的富有机质沉积层为生物气的大规 与富含有机质的岩石伴生③早期圈闭及同生圈闭有模成藏和广泛分布创造了条件这也是目前世界上已 利于生物气富集生物气的圈闭有背斜圈闭、岩性圈探明生物气气藏主要分布在前苏联西西伯利亚地区 闭及背斜岩性混合圈闭沉积同期形成的背斜构造和沿海岸线浅海地区的重要原因 更具有长期和优先捕获油气的有利条件只要有较好 高纬度低温永久冻土带下形成的生物气低温 的生储盖配置,一般就有较高的勘探成功率. 对产甲烷菌的生长起抑制作用能很好地抑制生物气 良好的储盖条件和组合好的盖层可以有效地在表层大量生成和散失冰期前后的淡水沉积物可避 阻止或减缓生物气逸散并在一定条件下促成其聚集免表层大量生成的甲烷逸散掉同时产甲烷菌还可在 成藏最理想的产层遮挡是通过最好的水动力封闭作永久冻土带下温度升高时恢复活动,这对生气层的深 用实现的,而水动力封闭作用是好的区域盖层发育的埋和聚集成藏有重要意义据研究,门塔多盆地沉积 结果区域性盖层从宏观上影响着气田的丰度它与物在温度为16℃的5月份产气率是温度为4℃的1 主生气层之间的深度间隔不能过大否则不利于早期月份的100-400倍美国伊利诺斯州更新世淡水陆相 C1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectroniePublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
第21卷第4期 王静等生物气成藏条件分析及准噶尔盆地生物气探究 表2国外不同地区生物气田地质勘探参 活动,加上高盐度环境使甲烷菌在沉积后浅表条件 ble 2 Geologic exploration data in biogas fields 下的活动得到较强地抑制,有利于生气层的深埋和聚 in different areas of the world 埋深原始地质储 集成藏如我国柴达木盆地位于青藏高原东北缘是 气藏位置 含气层位 量(0m)一个中、新生代大型内陆山间盆地,具有①高海拔低 3001000 加拿大北部大平原 白垩系 地温、高沉积速率和高盐度生气层温度为35-55℃, 古近一新近系 第四纪以1mm/a以上的沉积速率沉积了厚度大于 意大利波河谷 古近一新近系 3000283 3100m的地层,测定地层岩石含盘量与海水盐度近 非洲特立尼达 占近一新近系980-3350 罗马尼亚 似非常有利于有机质的早期深存②中性水介质、缺 美国库克湾 占近一新近系90-165002(探明)硫酸盐测定地层水的pH值为6.8-72硫酸盐小于 美国墨西哥湾 更新统 0.1%这条件最适合现存甲烷菌繁殖③具微小孔 美国北部大平原 120-8402.832 隙的高烃浓度、高含水量盖层:虽然盖层存在微小孔 美国伊利诺斯 更新统 美国基奈 上新一中新统128 隙但其含水饱和度高达80%~90%,且盖层为烃源层 美国库克湾北 上新一中新 具浓度封闭能力直接盖层厚度超过5m,生物气扩散 美国加利福尼亚湾 受到抑制致2001年底,该区生物气探明储量已突破 前苏联西西伯利亚 垩系 前苏联北部滨海区 古近一新近系300-500 3000×1053m3,是我国乃至世界上重要的第四系生物气 的苏联斯特立瓦波尔白里系一古近2001200 产区 前苏联北普里阿拉尔古近一新近系300-500 现代浅海沉积物形成的浅层生物气浅海地区 前苏联乌连戈伊 白垩系 生物繁盛,为有机质的大量沉积奠定了物质基础而 前苏联麦德维热 白垩系 前苏联扎波梁 第四纪大理冰期后的大规模海侵和快速沉积作用,又 前苏联古勃金 为沿海地区众多第四系浅层生物气的形成创造了良 前苏联科母索莫尔 好条件如我国长江和东南沿海一带有厚100-200m 前苏联翁哥牲金 前苏联阿克蒂齐 的生物壳砂和有机质丰富的泥质层,全新世一更新世 注()估计75%是生物成因气25%是热解成因气:(2估计远景储量沉积了滨海泻湖、沼泽及浅湖相地层为生物气的生 据 Rice DD等1981 Barker C,1984:张子枢,1984等资料综合 成提供了较好的条件 冰碛层中的小型生物气藏也是这样得以形成和保存 的前苏联西伯利亚西北部在更新世时广泛覆盖着冻4准噶尔盆地生物气探究 土带在其下部生成的大量生物成因气被就地捕集成 藏,形成了世界上几个著名的大型生物气气田 准噶尔盆地油气资源丰富经过几十年的勘探已 高海拔、高盐度环境形成的生物气由于海拔较 探明气层气6292×105m,到目前为止还没有发现 高地区气候比较寒冷盆地边缘往往存在较多的冰川确切的生物成因气气藏但是已有种种迹象显示有 生物气存在的可能 表3中国生物气田地质勘探参数 41准噶尔盆地“生物气”浅析 3 Geologic exploration data in biogas fields in China 位置藏(个)层位埋深储层孔隙度透率探明储量 陆梁油气田陆9井960-962m和陆102井 m)若性(%)(oum)qom1010-1014m井段的气层气天然气组分分析数据 达木6Q 500粉砂岩28-32 30300表明烃气中甲烷含量极高为9513%重烃气只有含 松辽盆 量甚低的乙烷和丙烷CC1C5为09911-0.9993,且 2R800-1500粉砂岩 具有自深(侏罗系)而浅(白垩系)逐渐增大的趋势这 些都显示出生物成因气的特征但甲烷C同位素为 Q8-35.5 杭州湾 49.86%4896%大于55%,乙烷C同位素为267% 5Q29-60贝壳砂岩34.3 2626%大于-28‰,又呈现出热解气的特点另外,三 南中3R300-750粉砂岩±3030 小盆地 叠系及其之下二叠系和石炭系烃源层虽然有腐殖型 色盆地1 <300粉砂岩 有机质但以目前的埋深和温度不可能生成生物气 即便在早先具备生成生物气的条件也难以长期保存 盆地 Q140-260灰色泥岩 到现在;三个泉凸起白垩系基本上为红层有机质丰 汴:据戚厚发等资料综合,1997 1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.enki.net
新疆地质 2003年 度太低也难以生成生物气并使之聚集成藏° 和幅度非常巨大特别是古近一新近系沉积岩厚度达 拐16井1530-1537m井段的气层气天然气数千米,为生物成因气的形成创造了条件这就是能 组分分析显示烃气古99.7%,CO2古0.23%;烃气中在南缘水井中发现典型生物气的重要原因但是,在 甲烷占9995%,乙烷、丙烷和异丁烷合计只占005%;盆地的其他地区形成生物气的条件都不理想即使有 甲烷、乙烷、丙烷和全气的C同位素分别为56.02%o、生物气的生成其分布也很局限 2563%017.07%和-5593%‰.其甲烷含量之高及C同 由于准噶尔盆地缺乏形成大型生物成因气气藏 位素之轻在准噶尔盆地均前所未见,具有典型生物的沉积和地理、气候环境,形成大型生物气气藏的可 气的“干、轻”特征从其与遭受强烈生物降解的稠油能性不大加上生物气名形成于浅层而盆地南缘的 伴生来看,有可能是产甲烷菌利用油藏中的原油生成浅层又几乎没有好的区域性盖层喜玛拉雅运动对该 菌解气但其乙烷的C同位素重又与菌解气相矛盾.区的影响也比软强烈要形成大型的生物气藏几乎是 南缘水井103-165m井段(位于乌苏县128团)不可能的但这并不能排除在盆地南缘局部好的圈闭 冒出的天然气该天然气成分分析显示,甲烷含量中形成中小型生物气藏的可能另外如果拐16井的 95.85%氮气含量4.02%不含乙烷以上的重烃这些“生物气”被证实那么以此可以推测中拐凸起地区 成分特点具有明显的现代低成熟生物气特征应属生特别是较早时期就已形成的圈闭所在位置就有形成 物成因气无疑但这种天然气的分布规模有多大是生物气气藏的可能这一点是不可质疑的这是因为 否有成藏的可能性还需要进一步的做工作 ①准噶尔盆地侏罗系煤层的顶底板多为泥岩,具有较 南缘清水河901孔侏罗系浅层天然气该天然好的封闭条件;②准噶尔盆地地温梯度较低可使生 气的甲烷C同位素为-521‰o,虽属热解气的范畴,但H物甲烷生成高峰的地质时代偏晚源岩埋深变大从而 同位素为23%(生物成因气小于-180‰o),CC1C5为使煤层顶底板泥岩的封盖性能变好,地解压差变小 0.999却显示出生物成因气的特点彭作林和惠荣耀 因此在准噶尔盆地进行生物气勘探的最有利区 等(1991)曾将其归为生物热催化过渡带气时 域是南缘特别是南缘较浅层的局部有利圈闭;其次 东部马庄中浅层气和钻井录井中发现的干气在拐16井的“生物气”被证实的情况下盆地西北缘 惠荣耀和丁安娜等曾对东部马庄浅层气进行过模拟和东部(马庄)地区较早时期形成的圈闭也应列入生 实验认为气中的CH4是在微生物和低温热解共同作物气勘探的重点目标区 用下由H2+CO2还原形成但具体到实际气藏还需要 确凿的测试数据4 参考文献 42准噶尔盆地生物气成藏的可能性及勘探有利区]丁生田信义中国浅层天然气资源及开发前景石油与天然气 根据前述生物成因气有着独特的生成和成藏条2)贾承造赵文智魏国齐等国外天然气勘探与研究最新进展及发展 件而且世界大型生物成因气气藏的成因都与特殊的 趋势门天然气工业,2002,22(45-9 3]惠荣耀丁安娜连莉文等甲烷气在低演化沉积物中的形成]石油 沉积和地理、气候环境有关准噶尔盆地从古至今基 勘探与开发,1994,21(4:103-104 本处于低地温梯度环境下,中生代以来地温梯度更低, [4]彭作林惠荣耀中国西部准噶尔、柴达木、酒西盆地天然气赋存条件 及资源预测M]甘肃:甘肃科学技术出版社,199153 仅为20-30℃/km:盆地南缘新生代以来沉降速率 ANALYSIS ON TRAP CONDITION OF BIOGAS AND RESEARCH ON BIOGAS IN JUNGGAR BASIN WANG Jin, QIAO Wen- long, ZU Lifeiya Institute of Exploration and Development of Xinjiang Petroleum Company, CNPC, Xinjiang, Karamay, 834000, China) Abstract: Biogas is a braid type of natural gas, which characterized by very dry and light carbon isotope. There are three main genetic types:()Biogas generated in high-latitude and low-temperature permafrost zone; (2)Biogas generated in hig salinity environment in high elevation; 3)Biogas in shallow pay generated in recent sediment. Biogas in commercial size xisted in sedimentary basin which has high deposition velocity and low geothermal gradient and shale, coalbed ompacted sandstone in unconventional environments. Currently, although definite biogas reservoirs have not been discovered in Junggar basin, every indication shows that there possibly exists biogas in Junggar basin Key words: Jungar basin; biological gas; geochemical feature genesis; pool-forming condition 0緒龙杨海波,兰文芳等准噶尔盆地第三次油气资源评价成果及煤层 气和生物气资源勘探设想新疆油田公司2001年勘探技术座谈会发言材 料集,2000 ys1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net