王瑞麗 楊朝強(qiáng) 孫萬(wàn)華 孫曉暉 李 偉

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司研究院）

D氣田CO2成因及分布淺析

王瑞麗 楊朝強(qiáng) 孫萬(wàn)華 孫曉暉 李 偉

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司研究院）

在D氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，出現(xiàn)了高烴井和高CO2井并存的現(xiàn)象，同時(shí)在開(kāi)發(fā)初期為高烴的井也有部分開(kāi)始向高CO2井轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。根據(jù)氣田現(xiàn)有資料，查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合前人所作的相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)及成果，進(jìn)行綜合研究和分析判斷，指出CO2來(lái)自有機(jī)成因和深部殼源碳酸鹽高溫?zé)岱纸鉄o(wú)機(jī)成因，具有縱向上CO2和CH4氣體存在重力差異分布、平面上CO2含量呈北高南低分區(qū)分塊且沿?cái)嗔迅浇扛叩奶攸c(diǎn)。推斷在高CO2井區(qū)距離斷裂帶較遠(yuǎn)部位，仍有局部高烴井存在的極大可能性，建議在后續(xù)評(píng)價(jià)中對(duì)該區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。圖2表1參11

D氣田 高烴井 CO2成因 分布

0 引言

D氣田是中國(guó)海上最大的自營(yíng)氣田，位于南海北部的鶯歌海盆地。鶯歌海盆地以其“地殼厚度薄、沉降沉積快速，沉積厚度大，烴源巖演化程度高，地溫梯度高、欠壓實(shí)異常高壓、泥底辟構(gòu)造多”等眾多特點(diǎn)聞名于世［1－3］，D氣田就位于鶯歌海盆地的中央底辟帶上，儲(chǔ)集層為上新統(tǒng)鶯歌海組二段常壓氣藏，目前已進(jìn)入二期開(kāi)發(fā)，共有32口生產(chǎn)井，開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)了一些高CO2井和高烴井并存的現(xiàn)象，同時(shí)開(kāi)采過(guò)程中還存在高烴井向高CO2井轉(zhuǎn)化的狀況，這引起了地質(zhì)和油藏人員的高度關(guān)注，但至今仍沒(méi)有找到它們的明確分布規(guī)律，這給該氣田的后續(xù)開(kāi)發(fā)和調(diào)整帶來(lái)了難題。這些CO2氣體的成因是什么？是鶯歌海組儲(chǔ)層自生還是他生？CO2在空間上又是如何分布？本文擬對(duì)這些疑問(wèn)進(jìn)行一下探討，以期拋磚引玉，早日弄清CO2的規(guī)律，降低該氣田的鉆探成本，提高開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益。

1 CO2的成因類型及氣源

1.1 CO2的成因類型

根據(jù)前人研究，當(dāng)δ13CCO2＜－10‰是有機(jī)成因的CO2；當(dāng)δ13CCO2＞－10‰且δ13CCO2＜－8‰時(shí)，是有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因混合成因的CO2；當(dāng)δ13CCO2＞－8‰都是無(wú)機(jī)成因的CO2［4－6］。經(jīng)過(guò)對(duì)該氣田做過(guò)CO2碳同位素分析的取樣井研究，本氣田的CO2氣可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種基本成因。有機(jī)成因CO2在中央泥底辟帶上的D氣田2、4、5井鉆遇，其CO2含量在天然氣組成中基本小于1%，δ13CCO2分別為－15.03‰和－19.9‰，見(jiàn)表1；混合成因的CO2其實(shí)就是有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因的混合氣體，目前技術(shù)上尚無(wú)法區(qū)分出來(lái)，只在該氣田9井出現(xiàn)，δ13CCO2為－8.6‰。無(wú)機(jī)成因CO2氣分布很普遍，縱向上從淺層的鶯歌海組到中深層黃流組有分布，平面上1、2、7井，都有無(wú)機(jī)成因CO2氣產(chǎn)出，其δ13CCO2在－3.4‰～－8‰之間，大于－8‰。

無(wú)機(jī)成因的CO2根據(jù)其CO2含量高低，又可劃分為高含CO2天然氣（CO2＞60%）和含CO2天然氣（CO2＜60%）兩個(gè)亞類。高含CO2的天然氣組成中，CO2含量為62.86%～65.12%，其δ13CCO2值偏重，為－3.7‰～－3.8‰，伴生烴類氣δ13C1亦偏重，為－31.9‰～33.1‰；含CO2天然氣CO2含量較低，為7.38%左右，其δ13CCO2值為－8‰，伴生烴類氣δ13C1值為－33.1‰，均相對(duì)較輕。

根據(jù)其形成環(huán)境，無(wú)機(jī)成因的CO2還可分為幔源的地幔脫氣形成的CO2和碳酸巖高溫?zé)峄瘜W(xué)分解形成的CO2兩種［7］。幔源CO2的δ13C值多在－6‰左右；碳酸巖高溫?zé)峄瘜W(xué)分解產(chǎn)生的CO2的δ13C值多在0±3‰左右［8］。單從δ13CCO2來(lái)判斷，高含量CO2氣應(yīng)該屬于幔源成因，但由于新生代沉積巨厚，達(dá)17000 m之多［10］，從地幔運(yùn)移至淺層路途遙遠(yuǎn)，并且

從地震剖面上，也未發(fā)現(xiàn)溝通幔源與淺層的深大斷裂存在，因此來(lái)自幔源的結(jié)論與氣田現(xiàn)狀相矛盾，據(jù)此我們反推CO2來(lái)自殼源。同時(shí)D氣田天然氣伴生氦同位素特征其3He／4He值為0.881×10－7～0.949× 10－7，R／Ra為0.06～0.07，而國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，3He是地球內(nèi)部的幔源表征，4He則是地殼中放射性物質(zhì)鈾、釷的α衰變產(chǎn)物，是殼源的標(biāo)志。D氣田3He／4He、R／Ra值與劃分標(biāo)準(zhǔn)（3He／4He值＜1.4× 10－6為殼源型，1.4×10－6～2.8×10－6為殼?；旌闲?，＞2.8×10－6為幔源型，R／Ra值＜1為殼源成因型CO2，1～2為殼?；旌铣梢蛐虲O2，＞2為幔源巖漿成因型CO2）相比，屬于殼源放射型氦，幔源氦份額小于5%，多為0.49%～0.54%，這與中國(guó)東部天然氣中伴生氦的殼源特征也是完全一致的。

因此，根據(jù)高含CO2天然氣中CO2含量高、δ13CCO2值偏重、伴生烴類氣δ13C1亦偏重以及伴生氦同位素等特征，綜合分析本區(qū)高含CO2天然氣中CO2屬殼源型碳酸鹽高溫?zé)岱纸鉄o(wú)機(jī)成因。含CO2天然氣地化特征與高含CO2天然氣類似，雖然天然氣伴生氦同位素值3He／4He為4.72×10－7，R／Ra值為0.34，幔源氦份額為3.23%，要高于高含CO2天然氣的同類數(shù)據(jù)值，但仍屬于殼源型碳酸鹽高溫?zé)岱纸鉄o(wú)機(jī)成因［9］。

表1 D氣田天然氣組成及同位素特征表

1.2 CO2的氣源

前人對(duì)鶯歌海盆地海相泥巖生氣能力進(jìn)行了模擬［5］，將梅山組含鈣粉砂質(zhì)泥巖加熱到450℃，加壓11 MPa，密封恒溫24 h（Ro值為1.8%，相當(dāng)于現(xiàn)今埋深大于7500 m的中新統(tǒng)成熟度），采樣測(cè)定CO2含量高達(dá)85.8%，烴氣為12.5%，熱模擬產(chǎn)出的CO2氣的δ13CCO2值為0‰～－6‰，與D氣田富CO2氣層的天然氣組成和實(shí)際CO2氣δ13CCO2值非常接近。由于該氣田圈閉構(gòu)造形成于上新世，有效區(qū)域蓋層形成較晚，從地質(zhì)角度考慮在2 Ma后天然氣才能有效運(yùn)聚于淺部?jī)?chǔ)層中，梅山組和三亞組的模擬主生氣期在5～1 Ma和1.3 Ma，天然氣累積氣δ13C1分別為－32‰和－25‰，CO2主要形成于0.1 Ma［3］，這說(shuō)明梅山組和三亞組都極有可能成為淺層氣藏的供氣來(lái)源。

根據(jù)該氣田11口井的RO資料，D氣田生油氣門限約為2800 m（RO為0.6%），而主生氣窗5400～8400 m（RO為1.3%～2.0%），（圖1）。DF1－1氣田氣層埋深約2300～2700 m，地層埋深剛剛進(jìn)入生油氣門限，生成的少量天然氣尚未成熟。但其儲(chǔ)層中天然氣的δ13C1為－21.77‰～－36.13‰，屬高成熟天然氣，這顯然不是儲(chǔ)層自生，而是從深部?jī)?chǔ)層運(yùn)移上來(lái)的。同時(shí)5400～8400 m的主生氣窗與梅山組、三亞組儲(chǔ)層埋深也相當(dāng)，這可以作為CO2氣體來(lái)自梅山組和三亞組的一個(gè)重要佐證。

2 CO2的儲(chǔ)層分布特征

2.1 CO2的平面分布

從目前已鉆井資料來(lái)看，富CO2天然氣的分布在平面上總體具有明顯的東高西低、南高北低的分塊特點(diǎn)，西塊Ⅰ、Ⅱ氣組為低CO2富烴天然氣（CO2＜1%），而其東塊及北塊則多為低烴富含殼源型非生物CO2等非烴氣（圖2）。底辟活動(dòng)形成的斷層附近產(chǎn)層的天然氣以CO2為主；遠(yuǎn)離底辟斷層的各井區(qū)，天然氣的CO2含量明顯下降。

2.2 CO2的垂向分布

圖1 D氣田11口井RO隨深度的變化趨勢(shì)圖

縱向上，高CO2井具有與高烴井并存的特點(diǎn)，通常是不同氣組、位于上部的氣組高烴，下部的氣組高CO2，或者是同一口井下部CO2含量高，上部含量低。比如從Ⅰ氣組到Ⅲ上氣組，高CO2井占該氣組鉆探總井比例從20%升高到100%。再如2井鶯歌海組二段1331～1361.5 m氣層CO2含量為57%、1414 m～1452.5m氣層CO2含量為66.7%。

2.3 CO2的空間分布

圖2 D氣田各氣組CO2平面分布情況

不同的井CO2分布具有不同成因不同期次運(yùn)移的特點(diǎn)［11］，可以據(jù)此推斷井之間的連通性。如：①3井Ⅱ下氣組天然氣高含無(wú)機(jī)CO2，而4井的Ⅱ下氣組僅含少量有機(jī)CO2，說(shuō)明這兩口井的氣源不同，指示這兩個(gè)井區(qū)的Ⅱ下氣組不連通，這與油藏地質(zhì)研究成果相吻合，即斷層起了封隔作用；②據(jù)高分辨率地震資料解釋，8井和2井的Ⅱ下氣組是連通的，但這兩口井的天然氣性質(zhì)及成因明顯不同，前者以生物氣為主，后者則為典型無(wú)機(jī)熱成因氣。兩口井相距僅7 km，而且8井的位置較低、天然氣δ13C1值相對(duì)較輕，如果Ⅱ下氣組在兩井之間連通的話，壓差及浮力作用必然驅(qū)使它們?cè)跇O短時(shí)間內(nèi)趨于均一化，而事實(shí)與之

相悖。據(jù)此可認(rèn)為在8井和2井之間，Ⅱ下氣組可能存在一個(gè)非滲透性隔層；③一些井在開(kāi)發(fā)初期為高烴井，但到了后期開(kāi)始變成高CO2井，這也可以從氣體的充注期次和分子的擴(kuò)散速率得到解釋，由于D氣田位于盆地中央底辟帶上，底辟活動(dòng)形成的斷裂是氣體向上周期性突發(fā)運(yùn)移的主要通道。在不同期次運(yùn)移中，CH4的充注時(shí)間早于CO2，所以儲(chǔ)層中最先充注的是CH4。而在同一期次運(yùn)移過(guò)程中，擴(kuò)散速率和相對(duì)分子質(zhì)量的平方根成反比，CO2分子與CH4分子相比，相對(duì)分子質(zhì)量更大，因此到達(dá)儲(chǔ)層后CH4也會(huì)優(yōu)先充注到儲(chǔ)層空間中，這使得擴(kuò)散滯后的CO2無(wú)法進(jìn)入距離斷裂更遠(yuǎn)的儲(chǔ)層中，也就是說(shuō)淺層氣田具有“烴類早充注，CO2晚充注”的成藏特點(diǎn)，只要CH4氣充足，CO2就沒(méi)有進(jìn)駐儲(chǔ)層的份兒。但在氣田的逐漸開(kāi)采過(guò)程中，由于儲(chǔ)層的動(dòng)平衡被破壞，導(dǎo)致有些井中的CH4氣被采出后，沒(méi)有充足的后續(xù)CH4補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，儲(chǔ)層外斷層和裂縫中的CO2伺機(jī)擴(kuò)散入內(nèi)，駐留儲(chǔ)層中，使得本來(lái)有規(guī)律分布的CO2變得沒(méi)有規(guī)律可言。從這個(gè)角度出發(fā)，筆者認(rèn)為在Ⅰ和Ⅱ上氣組目前未動(dòng)用的7井區(qū)遠(yuǎn)離斷層的部位仍存在高烴井的極大可能性，建議下一步進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）D氣田CO2成因分為有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因兩種，低含量CO2為有機(jī)成因，高含量CO2為無(wú)機(jī)成因，且為殼源碳酸鹽高溫?zé)岱纸庑纬伞O2主要來(lái)源于深部地層，至少是梅山組以下的含鈣地層或者鈣質(zhì)層。

（2）CO2的分布具有平面分塊，垂向分層的特點(diǎn)，距離斷裂帶越遠(yuǎn)，CO2含量越低?？臻g上，CO2的擴(kuò)散速度弱于CH4，但后期開(kāi)發(fā)破壞了CO2的動(dòng)平衡，使得CH4補(bǔ)充不足的部位被CO2運(yùn)移占據(jù)，導(dǎo)致CO2平面分布規(guī)律日趨復(fù)雜，因此在開(kāi)采過(guò)程中要注意保持現(xiàn)有的動(dòng)平衡不被破壞。同時(shí)在遠(yuǎn)離斷裂的較淺層未動(dòng)用井區(qū)，很可能存在局部高烴區(qū)，建議上鉆驗(yàn)證。

（3）由于該區(qū)的CO2有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因兼有，成因復(fù)雜，導(dǎo)致目前的相關(guān)評(píng)判指標(biāo)特征不突出，評(píng)判指向矛盾的情況時(shí)有發(fā)生，因此，在后續(xù)工作中仍需要補(bǔ)充相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)鉆數(shù)據(jù)，進(jìn)一步加深或糾正當(dāng)前取得的認(rèn)識(shí)。

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（修改回稿日期 2013－12－25 編輯 文 敏）

王瑞麗，女，1978年出生，碩士學(xué)位，工程師；畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），現(xiàn)在中海油湛江分公司研究院，主要從事儲(chǔ)層綜合研究和油氣田開(kāi)發(fā)工作。地址：（524057）廣東省湛江市坡頭區(qū)南調(diào)路中海油湛江分公司二區(qū)研究院。電話：13726904621。E－mail：wangrl2＠cnooc.com