油氣微生物對順北斷溶體油藏的近地表響應

曹飛,楊敏,鮑典,陳銀節(jié),王國建

(1.中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司,新疆 烏魯木齊 830011; 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所,江蘇 無錫 214126)

0 引言

順北地區(qū)特深斷溶體油氣藏的發(fā)現(xiàn)是近年來塔里木盆地油氣勘探的重大突破[1]。鉆井證實，順北自1號斷裂帶向西到7號斷裂帶，均有較好的油氣發(fā)現(xiàn)。但不同斷裂帶油氣富集程度不同，同一斷裂帶不同段之間的油氣富集程度也不同[2]。這是因為順北地區(qū)斷層經過多期活動改造[3]，具有發(fā)育樣式多，斷距小、水平位移小、分段性強，埋藏深(大于7000m)等特點。再加上沙漠地表吸收衰減嚴重，資料信噪比、分辨率低[4-6]，火成巖發(fā)育，次級斷裂成像難度大。而基于油氣垂向微滲漏理論的微生物勘探技術[7]，可以探測斷裂帶的含油氣性，具有直接、經濟的特點。配合地球物理，可提高順北地區(qū)斷裂帶含油氣性預測的成功率。

油氣微生物勘探，是通過檢測近地表土壤中微生物群落種類及數(shù)量來指示深部油氣藏。油氣微生物應用于近地表地球化學勘探的理論基礎是，當油氣藏中的烴類組分向地表垂直運移過程中，輕烴氣體以吸附或游離狀態(tài)被地表土壤顆粒所“捕獲”，棲息于土壤顆粒中的專性微生物能夠利用這些輕烴物質大量繁殖，并形成微生物數(shù)量高值異常，其異常分布區(qū)域對油氣藏的位置具有指示性，檢測這類油氣指示微生物的異?？深A測下伏油氣藏的分布情況[8-9]。微生物應用于近地表油氣勘探具有普遍性、垂直性及動態(tài)性3大優(yōu)勢[10-11]。就順北地區(qū)的沙漠景觀來說，由于其地表介質存在一定程度的不穩(wěn)定性(如風成流動沙)，因此，在檢測方法的選擇上，盡量避免選擇那些形成時間較長的檢測物(如酸解烴、ΔC及微量元素等)，而應該選擇一些較為活躍，在較短時間內就能達到平衡狀態(tài)的檢測物(如游離烴、頂空輕烴等)，但由于沙漠區(qū)細沙疏松，不利于這些微滲漏活躍態(tài)烴類的較高含量賦存，油氣微生物作為活躍烴類的消耗者，與活躍烴類緊密聯(lián)系，在所有存在活躍烴類的地方，都應該有油氣微生物。同時，由于沙漠地區(qū)特殊的生態(tài)條件，相較其他耕作區(qū)或植被密集區(qū)，油氣微生物檢測受其他微生物群落的干擾應該更少，理論上應該具有更好的應用效果。

勘探表明，工區(qū)內的順北5斷裂帶上多口鉆井均已獲工業(yè)油氣流，可以說區(qū)內的順北1斷裂帶和順北5斷裂帶整體含油[1,12]。順北一區(qū)斷裂主要為分段走滑斷裂，走滑斷裂傾角近于直立，模擬實驗證實：走滑斷裂帶油氣以垂向輸導模式為主。該模式可歸納為：在油氣的成藏階段，走滑斷裂帶及裂縫系統(tǒng)是重要的疏導通道，在油氣成藏后，上覆地層中的繼承性次生裂隙和微裂縫系統(tǒng)，為油氣通過蓋層及上覆地層的微滲漏提供優(yōu)勢通道[13]。直立走滑段橫向延伸相對較強，因此沿斷裂走向儲集體規(guī)模是很可觀的；在縱向上斷裂發(fā)育也相對較好，有效溝通了上下規(guī)模儲集體，因此斷穿基底的直立走滑段勘探潛力較好。

1 研究區(qū)地質概況及微生物勘探部署

順北地區(qū)在構造上是沙雅隆起的外延部分，整體處于前震旦變質基底上形成的長期巨型古隆起的斜坡部位，地層從震旦系至第四系都發(fā)育較齊全。順北工區(qū)奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層發(fā)育，西部阿瓦提—阿滿過渡帶寒武—奧陶系烴源巖發(fā)育[14]，經歷了多次生排烴過程，為順北地區(qū)提供充足油源[15]。

從目前順北一區(qū)的勘探開發(fā)成果看，該區(qū)奧陶系整體含油[16-17]，油柱高度較高，油氣整體在主干斷裂帶較為富集。儲層的發(fā)育程度是研究區(qū)奧陶系油藏的重要控制因素[18]，儲集體的發(fā)育規(guī)模決定了油氣的富集程度，儲層規(guī)模大，則產能較高。順北地區(qū)奧陶系斷裂較為發(fā)育，這些斷裂在研究區(qū)奧陶系油藏的成藏過程中起著關鍵性作用。同時，斷裂也是油氣運移的有利通道[18]，主干斷溶體油氣充注程度高，油柱高度大。綜合分析，順北區(qū)塊奧陶系的油氣成藏模式總結起來為[1,16,19]：有利儲層沿斷溶體展布，主干斷溶體上儲層的發(fā)育規(guī)模大。斷裂，尤其是斷穿基底的深大斷溶體是油氣運移的有利通道，油氣沿深大斷裂垂向運移為主，側向調節(jié)為輔，遇有利儲集體則聚集成藏，深大斷溶體附近油氣充注程度高，油氣富集。

斷裂通源性類型與斷裂帶的規(guī)模級別、產能大小具有相關性，即不同斷裂帶油氣富集程度不同。斷裂帶控縫作用解析表明，1號斷裂帶：整體以平移—張扭為主；5號斷裂帶：北部以壓隆與平移段為主，向南發(fā)育張扭段。張扭/平移段連通規(guī)模大，壓隆段內部分割性強。張扭段、平移段、壓隆段單位壓降產量依次降低，即同一斷裂帶不同段油氣富集程度不同[1,2,16]。

以順北5號斷裂帶為主要目標，開展近地表油氣微生物勘探有效方法的試驗研究。試驗區(qū)處于中石化順北一區(qū)塊范圍內，以順北5號斷裂為中心線向東西兩側延伸。SN向長約5 km，EW向寬12 km，面積近60 km2(圖1)。工區(qū)地表為沙漠地貌，沙丘走向為NE—SW向，主要土壤成分為干燥細沙。區(qū)內高程930～979 m，最大高差近40 m。中部縱貫南北的為順北5號斷裂帶，東南角少量覆蓋了順北1號斷裂帶。全區(qū)共布置1 056個試驗點,采集微生物樣品。

圖1 順北研究區(qū)微生物勘探采樣點位Fig.1 Bitmap of seismic interpretation and microbial exploration sampling points in Shunbei study area

2 油氣微生物勘探技術應用

2.1 油氣微生物指標豐度特征

試驗區(qū)的微生物檢測指標包括甲烷氧化菌(MOB)和丁烷氧化菌(BOB)，作為對比，在順北試驗區(qū)開展微生物取樣與檢測的同一時間段，還在塔北另一地區(qū)開展了同樣方式的微生物檢測工作，對比區(qū)緊鄰塔里木河位置，地表地貌為農業(yè)耕作區(qū)，這與順北的沙漠地貌形成了巨大的差異。兩種不同的地貌單元，其微生物指標顯示了一定程度的差異性(表1)。

表1 不同地貌微生物指標特征值對比

對比表明，在兩種不同的地貌單元，無論是甲烷氧化菌還是丁烷氧化菌均表現(xiàn)了一定程度的差異性，具體表現(xiàn)在農田地貌區(qū)，微生物指標具有更高的測量值和更大的指標波動系數(shù)。在各指標的特征值方面(包括極小值、極大值、均值、標準偏差及波動系數(shù)等)，農田區(qū)均明顯高于沙漠區(qū)。尤其是均值和標偏兩特征值，農田區(qū)的測量值高出沙漠區(qū)一倍左右(圖2)。

圖2 農田與沙漠地貌區(qū)微生物特征值對比Fig.2 Comparison of microbial characteristic values between farmland and desert landform areas

微生物不同菌種的比值(MOB/BOB)，反映了微生物的結構特征。從甲烷氧化菌與丁烷氧化菌的比值來看，沙漠區(qū)較農田區(qū)變異系數(shù)更大(0.80)，明顯高于農田區(qū)的0.63(表2)。但二者分布特征較為一致(圖3)，其分布的主峰位置也極為接近(沙漠區(qū)中位值為0.27，農田區(qū)為0.33)。這從一個方面表明，雖然兩個地區(qū)的地貌條件差異較大，但由于兩個研究區(qū)均有較好的油氣發(fā)現(xiàn)，因此，其微生物菌落結構具有較高的一致性。

2.2 研究區(qū)微生物指標豐度平面分布

通過指標平面等值線圖的分析，可以了解指標的測量值在整個研究區(qū)的變化規(guī)律，尤其通過分析高值區(qū)的分布與油氣藏的關系，可以從一個方面判斷該指標對于本地區(qū)的勘探有效性。圖4分別為試驗區(qū)甲烷氧化菌和丁烷氧化菌的平面分布等值線，通過分析甲烷的等值線圖可以看出，該指標在研究區(qū)的西側出現(xiàn)了一塊高強度的甲烷氧化菌異常，該處并未發(fā)現(xiàn)特殊的地表介質變化及地質特征的變化，因此，該異常區(qū)塊也就引起重視，具體成因還有待進一步探討。除此之外，試驗區(qū)的甲烷氧化菌高值區(qū)主要分布于研究區(qū)的中部位置，尤其是沿順北5號斷裂帶，有較為集中的高值異常分布(圖4a)。與甲烷氧化菌相類似，丁烷氧化菌的高值異常也主要分布于順北5號斷裂帶附近，同時，在順北1號斷裂帶附近也有較好的異常存在(圖4b)。

表2 農田與沙漠微生物結構特征對比

圖3 不同地貌區(qū)微生物結構特征直方圖Fig.3 Histogram of microbial structure characteristics in different geomorphologic areas

a—甲烷氧化菌;b—丁烷氧化菌a—methane oxidizing bacteria;b—butane oxidizing bacteria圖4 順北研究區(qū)微生物指標平面等值線Fig.4 Isoline map of microbial index plane in Shunbei study area

從異常的走向來看，在順北5號斷裂帶附近，異常為近SN走向，與順北5號斷裂帶的走向基本一致。而在試驗區(qū)的東南角，高值區(qū)走向明顯傾斜，與順北1號斷裂帶存在較高的關聯(lián)度。

順北5號斷裂帶是試驗區(qū)的主要油氣藏分布區(qū)域，因此，通過統(tǒng)計對比該斷裂帶附近與外圍的指標特征，可以從另一個側面了解微生物指標對油氣藏的反映程度。以順北5號斷裂帶為中心，向東西兩側各擴展1.4 km作為斷裂帶的核心區(qū)，而該核心區(qū)以外的區(qū)域作為外圍對比區(qū)，其中核心區(qū)以東為東區(qū)，以西為西區(qū)。在全部1 056個樣本中，各區(qū)樣本數(shù)比較接近(圖5)。由于系統(tǒng)誤差的影響(分析過程中，局部批次異常高值)，其中西側3條線(共計60個樣本點)，不參與甲烷氧化菌的統(tǒng)計對比。

圖5 順北5斷裂帶核心區(qū)與外圍對比樣本分布Fig.5 Comparison between the core area and the periphery of the Shunbei 5 fault zone

統(tǒng)計對比結果表明(表3)，位于順北5號斷裂帶上方的核心區(qū)，各指標的特征值(包括均值、標準差及變異系數(shù)等)均明顯高于其外圍，尤其是反映指標波動特性的標準差及變異系數(shù)，核心區(qū)遠高于其東西兩側。尤其甲烷氧化菌與丁烷氧化菌的比值指標，且在氣藏附近區(qū)域標準差為0.31，而其外圍區(qū)域僅為0.1～0.18，差異尤其明顯。統(tǒng)計說明，微生物指標對于順北5號斷裂氣藏表現(xiàn)為高測量值、高變異的特征。

表3 順北5號斷裂帶核心區(qū)與外圍指標特征值對比

2.3 油氣微生物指標局部變異系數(shù)特征

通過順北5號斷裂帶附近與外圍的指標特征對比表明，斷裂帶附近的指標強度及變異性均強于其外圍，變異性的差異更加明顯。變異性在平面分布上，也就是指標的波動性、標準差及變異系數(shù)是衡量指標波動性的主要參數(shù)。

標準差能很客觀準確地反映一組數(shù)據(jù)的離散程度，但當需要比較兩組數(shù)據(jù)離散程度大小的時候，如果兩組數(shù)據(jù)的測量尺度相差太大，或者數(shù)據(jù)量綱不同，標準差就缺少可比性，此時就應當消除測量尺度和量綱的影響，而變異系數(shù)可以做到這一點，它是原始數(shù)據(jù)標準差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比值，變異系數(shù)實現(xiàn)了不同量綱的客觀比較。

對化探數(shù)據(jù)而言，變異系數(shù)是對一定范圍內指標數(shù)據(jù)波動性的客觀反映，對全區(qū)局部范圍的測量數(shù)據(jù)進行滑動計算，其計算結果反映了變異系數(shù)在整個研究區(qū)的平面變化特征，進而研究指標測量值的波動特征與油氣藏關系。這種局部范圍的變異系數(shù)及其在全區(qū)的變化，稱為指標的局部變異系數(shù)。

圖6為不同微生物指標在整個研究區(qū)的局部變異系數(shù)變化平面圖，平面圖直觀的表明，無論是甲烷氧化菌還是丁烷氧化菌，在順北5號斷裂帶附近均存在局部變異系數(shù)的高值異常帶，且該高值異常帶的走向與斷裂帶的走向近乎一致。不僅如此，在試驗區(qū)的東南角順北1斷裂帶附近，微生物指標也存在局部變異系數(shù)異常，且異常走向呈NEE向，與順北1斷裂帶在試驗區(qū)的走向大體一致。

a—甲烷氧化菌;b—丁烷氧化菌a—methane oxidizing bacteria;b—butane oxidizing bacteria圖6 順北研究區(qū)微生物局部變異系數(shù)平面等值線Fig.6 Planar contour map of microbial fluctuation rate in Shunbei study area

3 結論

1)順北斷溶體油藏上方很多為沙漠地貌，與其他植被覆蓋區(qū)相比，微生物指標中無論是甲烷氧化菌還是丁烷氧化菌，沙漠地貌區(qū)均具有更低的測量值和更小的指標波動系數(shù)。但另一方面，由于沙漠地區(qū)特殊的生態(tài)條件，相較其他的耕作區(qū)或植被密集區(qū)，油氣微生物檢測受其他微生物群落的干擾更少，顯示了更好的應用前景。

2)統(tǒng)計表明，位于順北5號斷裂帶上方的核心區(qū)，各指標的特征值(包括均值、標準差及變異系數(shù)等)均明顯高于其外圍，尤其是反映指標波動特性的標準差及變異系數(shù)，核心區(qū)遠高于其東西兩側。微生物指標對于順北5號斷溶體油藏表現(xiàn)為高測量值、高變異的特征。

3)試驗區(qū)的微生物指標高值區(qū)，主要分布于研究區(qū)的中部順北5號斷裂帶附近，同時，在順北1號斷裂帶附近也有較好的異常顯示。從異常的走向來看，與斷裂帶的走向基本一致，顯示微生物異常帶與斷裂帶存在著較高的關聯(lián)度。與測量值的高值異常分布情況類似，在順北5號斷裂帶及順北1號斷裂帶附近，均存在著微生物指標(MOB、BOB)的局部變異系數(shù)異常，且異常帶的走向與斷裂帶的走向近乎一致。油氣微生物勘探技術對順北斷溶體含油氣性具有較好預測價值。