彭己君张金川唐 玄张 鹏黄宇琪尉菲菲邓恩德吕艳南

(1.中国地质大学(北京)能源学院; 2.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室)

东海西湖凹陷非常规天然气分布序列与勘探潜力*

彭己君1,2张金川1唐 玄1张 鹏1黄宇琪1尉菲菲1邓恩德1吕艳南1

(1.中国地质大学(北京)能源学院; 2.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室)

依据天然气成藏分布序列理论,分析了东海西湖凹陷非常规天然气的地质特点及富集条件,并以盆地为对象预测多类型天然气的分布。研究表明,西湖凹陷特殊的构造-沉积条件决定了其与理想模式下天然气分布序列存在差异,平湖组与花港组下段是多类型天然气富集的主要层系,垂向上符合下部煤层气或页岩气、中部致密砂岩气、上部发育常规(储层)天然气藏的分布序列,平面上则呈由沉降-沉积中心向凹陷边缘依次为页岩气—致密砂岩气—常规(储层)气—煤层气的递变分布序列。常规(储层)气和致密砂岩气是西湖凹陷现实的天然气勘探类型,而煤层气和页岩气也应加强研究,明确其资源潜力及勘探方向。

东海;西湖凹陷;非常规天然气;分布序列;成藏条件;勘探潜力

中国东部近海含油气盆地已经开展了大量的油气勘探工作,但基本上都是以常规油气藏为勘探目标[1-6],对非常规油气领域的关注几乎空白。中国东部近海含油气盆地与陆上盆地具有很多的相似性[4-5,7],陆上盆地近年来在非常规油气勘探方面的成就促使我们用非常规油气成藏的观点重新审视中国东部近海含油气盆地[8-12]。笔者以东海西湖凹陷为例,以天然气成藏序列理论为指导,分析盆地内各种非常规天然气的生成、赋存条件及可能分布,为该地区油气勘探新方向选择提供参考,也为中国东部近海其他盆地油气勘探提供借鉴。

1 天然气成藏机理序列概念

天然气成藏机理序列[11-12]考虑了多种类型天然气的地质特点及富集条件,将静态的连续型天然气模型[13]进行动态化表征,在此基础上进行关联性研究。从成藏条件分析,常规(储层)气处于天然气成藏与分布序列的顶端,非常规天然气聚集的成藏下限条件较常规(储层)气藏要低,因此常规(储层)气藏的发现预示着非常规类型气藏的发育。天然气分布序列打破了以含油气系统、连续型天然气聚集为基础的油气地质研究方法,按照气源岩控制天然气分布的地质规律进行多类型天然气成藏条件分析及分布预测,在已有常规(储层)气发现的盆地中按成藏机理进行天然气聚集新类型的分布预测,可以分析并预测碎屑岩盆地可能发育的天然气类型、数量及“甜点”。

构造作用控制了沉积作用,在沉积盆地中不同构造部位及构造演化的不同时期,沉积作用及其演化,沉积体的类型、分布均有一定的规律性。通常情况下,碎屑岩盆地的演化均经历了初期短暂的河流—沼泽、早期发育的深湖—浅湖、中期普遍发育的浅湖—三角洲及晚期复杂的三角洲—河流平原沉积环境,因此盆地中烃源岩干酪根类型分布受沉积相带的控制十分明显,有机质类型从沉降-沉积中心向盆地边缘、由底部到顶部地层依次出现从腐泥型向腐殖型的转变,有机质成熟度纵向上由浅及深逐渐增大,加之不同类型有机质生烃演化模式和产物的差异性,致使多类型天然气在盆地纵向上和横向上有规律的发育。碎屑岩盆地多期旋回、持续沉降,沉积环境具有多样性及规律性演化的特点,致使天然气发育随盆地形成、埋藏及沉积演化而具有一定的规律性,纵向上具有煤层气—页岩气—致密砂岩气—常规(储层)气发育分布规律,横向上从沉降-沉积中心向盆地边缘出现页岩气—致密砂岩气—常规(储层)气—煤层气的发育分布规律。

2 西湖凹陷非常规天然气形成的地质条件

2.1 地质概况

西湖凹陷位于东海陆架盆地浙东坳陷中部,天然气储量巨大,已实现常规油气商业开发。该凹陷分为5个二级构造单元,分别为西部斜坡带、西部次洼带、中央隆起带、东部次洼带及东部断阶带(图1)。

西湖凹陷盆地原型为地堑式盆地,先后经历了古新世—始新世裂陷期、渐新世—中新世拗陷期、上新世—第四纪区域沉积期等演化阶段[14],凹陷东、西边界均有控盆断裂控制,构造格局呈东西分带、南北分块、纵向上多构造层叠合的特征。新生界地层累计厚度逾万米,自下而上发育了古新统—下始新统(?),始新统平湖组,渐新统花港组,中新统龙井组、玉泉组及柳浪组,上新统三潭组,更新统东海群地层(图2)。其中,古新世—早中新世是西湖凹陷重要的成盆期,始新统平湖组和渐新统花港组巨厚的碎屑沉积构成了油气赋存和现今勘探的主体。

渐新世末花港运动挤压反转的构造作用,使西湖凹陷中部隆起为反转背斜带,形成了多类型常规圈闭,勘探证实常规圈闭气藏为西湖凹陷天然气的主力产区。在已知的天然气分布区中,除了典型的常规气藏以外,还表现出了一系列非常规气藏的特征,如含气砂岩储层致密、气源丰富、地层压力异常、含油气井段长、气水关系不明等。在钻井剖面中,煤层、页岩层以及与气源岩紧邻的上覆致密储层中均显示幅度较大的含气异常。成藏机理序列分析结果表明,西湖凹陷具备发育天然气成藏机理序列的地质条件。

图1 西湖凹陷构造单元划分

图2 西湖凹陷构造演化及地层沉积特征(据文献[15],修改补充)

2.2 非常规天然气成藏条件

始新统平湖组沉积时期,西湖凹陷形成了主体以深灰色泥岩、灰质泥岩、煤层、粉细砂岩、细砂岩与泥页岩频繁互层的湖相—沼泽相沉积,岩性横向变化较大,砂体分布呈凹陷中间厚两边薄的特点;花港组沉积时期,岩性变化相对稳定,主要为深灰色泥岩、粉—细砂岩与泥页岩互层、煤层的河湖相沉积,凹陷内砂体分布具有北厚南薄的特点。非常规天然气成藏条件不像常规气藏那样苛刻,煤层气、页岩气为自生自储的原地成藏,致密砂岩气成藏要求砂泥互层且大面积接触。西湖凹陷始新世—渐新世时在气源岩(煤及泥页岩)、致密砂岩及源储配置上初步满足煤层气、页岩气、致密砂岩气及常规(储层)气的递变成藏条件。

2.2.1页岩气

勘探实践表明,西湖凹陷平湖组和花港组富含有机质的泥页岩发育,单层厚度大,分布广,具有良好的页岩气资源潜力。西湖凹陷平湖组暗色泥岩单层厚度多为20～50 m,累计厚度超过1 000 m的分布面积超过2.2万km2。花港组下段暗色泥岩厚度较大,实钻暗色泥岩厚度在120～364 m之间,约占整个花港组地层厚度的43%～58%;花港组上段暗色泥岩有机质丰度较低,属较差烃源岩。西湖凹陷平湖组暗色泥岩有机碳(TOC)含量多数分布在0.5%～5.0%,平均值为1.03%,碳质泥岩TOC介于5.0%～29.1%[16]。位于西部斜坡带的平湖斜坡带平北区平湖组泥页岩TOC主要介于0.61%～1.81%之间[17],平湖斜坡带平湖油气田5口井470个样品的有机质丰度统计表明,平湖组与花港组下段TOC＞6%的泥页岩厚度分别为92～234 m和31～65 m[18];位于中央隆起带的黄岩构造带平湖组和花港组下段TOC平均值分别为1.67%和0.95%[19]。研究区不同含油气构造120个泥页岩样品TOC统计结果表明,平湖组与花港组下段泥页岩TOC超过1.5%的高丰度区分别集中在西湖凹陷的南部和中西部,有机质丰度在区域上表现出“南富北贫”的特点[20]。对研究区7口典型井(位于中央隆起带南部和西部斜坡带)平湖组和花港组泥页岩有机质丰度纵向分布特征进行分析表明,平湖组有机质丰度普遍高于花港组下段,有机质丰度呈“上贫下富”的特点(图3)。

图3 西湖凹陷烃源岩有机碳含量随深度的变化关系

研究表明,西湖凹陷平湖组(主体在3 200 m以深)多处于成熟—高成熟阶段(Ro≥0.7%),凹陷中心泥页岩埋深更大,已进入高成熟—过成熟阶段;花港组下段(主体在3 000 m以深)烃源岩处于低成熟—成熟阶段,凹陷中央埋深较大区达到高成熟阶段,具有较强的生气能力(图4)。平湖组与花港组下段暗色泥岩有机质类型均表现出煤系泥岩干酪根特征,以Ⅲ型干酪根为主,利于生气。

目前尚未对西湖凹陷开展系统的页岩气研究,类比陆上盆地勘探资料,西湖凹陷平湖组与花港组下段高碳泥岩及暗色泥页岩发育,且有机质丰度高,类型以生气型为主,热演化程度适中,在凹陷边缘斜坡及构造深部广泛分布,其生气量远远超出了泥页岩本身的吸附聚集量,具备了页岩气存在条件。

图4 西湖凹陷平湖组顶花港组底镜质体反射率(Ro)平面分布图(据文献[21],修改)

2.2.2煤层气

西湖凹陷始新统—中新统各套地层中均发育有煤层,且煤层层数多,单层厚度较薄,但累积厚度较大。始新统—中新统煤岩TOC在47.24%～62.31%之间,氯仿沥青“A”含量在16 875×10-6～20 130×10-6之间,总烃含量在4 491.58×10-6～8 566.94×10-6之间[22],表明西湖凹陷煤岩有机质丰度高,且均以Ⅲ型干酪根为主,这为凹陷天然气的生成奠定了物质基础。

分析认为,西湖凹陷中新统玉泉组、龙井组及渐新统花港组煤层单层厚度薄,不具备商业勘探开发价值。始新统平湖组煤层单层厚度虽薄(多数钻井揭露为小于0.5 m的薄煤层或煤线),不足以成为具有商业开发价值的煤层气藏,但其层数多,累计厚度大,具有较强的生烃潜力,是常规气藏气源岩之一。目前钻遇平湖组煤层的钻井资料统计结果表明,平湖组煤层单层厚度最大为4.46 m(西部斜坡带WYT1井),最小单层厚度多在0.5 m左右(图5),单层厚度超过1 m的层数约占60%(图6),累计厚度在30～50 m,局部超过50 m(WYT1井、PH1井、BYT1井累计厚度分别为67.5、60.8、64.5 m),是煤层气勘探的主力层系。从图5可以看出,平湖组煤层主要发育于西湖凹陷两侧斜坡带,主要为浅湖沼泽和海陆过渡环境下的沼泽沉积环境,因此在平面上的分布为两侧边缘斜坡区较厚、凹陷中心较薄的特点。

笔者结合其他学者对平湖组煤岩进行的高温高压热模拟实验结果[23](图7),从煤的生气能力来评价研究区平湖组煤层气潜力。实验结果表明,西湖凹陷平湖组煤层在成熟—高成熟阶段生成的天然气量占总气量的60%左右,高成熟—过成熟阶段仍能生成较多的天然气(Ro＞2%阶段产气量约占总产气量的40%)。从生气能力分析,西湖凹陷平湖组煤层具有高的产气率,且随热演化程度增加,累计生成的甲烷增多,煤层的吸附能力增强,煤层中吸附的气量也随着增高。西湖凹陷平湖组煤层整体处于成熟—高成熟阶段,煤层生气量大,残余在煤层中的吸附气量也较高。日本、韩国在西湖凹陷东北边缘钻探的JDZ-V-1井揭示1 900～2 500 m井段富含煤层,并有气测异常,表明西湖凹陷浅层低熟煤层中有天然气的富集[24],推测凹陷中深层成熟—高成熟平湖组煤层具有较大的煤层气潜力。

图5 西湖凹陷平湖组煤层单层厚度分布

图6 西湖凹陷平湖组煤层厚度百分比统计

图7 西湖凹陷PH5井煤岩产烃率曲线(样品:TOC=73.13%;IH=257 mg/g)[23]

西湖凹陷平湖组煤层热演化程度整体达到成熟—高成熟阶段,且单层厚度超过2 m的层数约占钻遇层数(多数钻井未钻穿该组)的3.3%。我国陆上煤层气勘探区煤层厚度与产量之间的关系表明,中高煤阶煤层单层厚度大于2 m条件下煤层气开发具有较好的效果[25],按照该厚度下限,西湖凹陷平湖组煤层应具有较高的勘探效果,但由于其埋深已超出煤层气商业开发1 500 m的深度下限,开采成本及技术难度大,在目前的经济技术条件下尚不具备开发价值,但其资源潜力值得研究。

2.2.3致密砂岩气

图8 西湖凹陷2口井岩性柱状图(据文献[26-27],有修改)

根据现有的勘探资料,西湖凹陷平湖组与花港组致密砂岩主要分布在西部次洼上倾斜坡带(西部斜坡带、中央隆起带),平湖组和花港组砂岩与组内煤层及暗色泥页岩频繁交互并大面积接触(图8)。平湖组中部广泛发育潮控三角洲和潮汐海岸砂岩,其中潮汐海岸砂岩孔隙度为5%～10%,渗透率普遍小于5 mD,潮控三角洲砂岩物性较潮汐海岸砂岩稍好,部分达到中孔中渗,但总体仍属致密砂岩范畴;平湖组顶部砂岩部分为致密砂岩,部分为中孔低渗或中渗砂岩[15]。西部次洼带花港组下段(埋深＞3 500 m)孔隙度小于12%,渗透率基本小于1 mD[28-29]。中央隆起带花港组砂岩储层总体孔渗条件较差,其中南部天外天-黄岩构造带(平均孔隙度为8%)好于北部宁波-嘉兴构造带(平均孔隙度为12.9%)[30]。根据中国海洋石油总公司确定的近海海域盆地致密气评价标准(孔隙度5%～15%、渗透率小于10 mD划为致密气),西湖凹陷中深层(埋深≥3 500 m)砂岩储层为致密砂岩储层。

西湖凹陷平湖组与花港组下段致密储层区域性分布,与气源岩紧邻,构成了天然气活塞式推进运移的基本条件。已有钻井的含油气构造带气水分布关系研究发现,西湖凹陷中央反转构造带平湖组主要为气层,凹陷西部平湖构造带花港组多数井为气水层,部分井为水层;花港组表现出气水同层—水层—油水同层—油气水同层逐渐向构造高部位过渡的特征。油气水分布整体表现出从凹陷中心往斜坡上倾方向含气饱和度逐渐减小,含水饱和度逐渐增高的趋势。这种气水倒置的现象也表明西湖凹陷存在致密砂岩气藏。

此外,西湖凹陷致密砂岩气的存在已在勘探开发过程中得到证实,例如平湖斜坡带B7井平湖组P82致密气层压裂前无产能,进行加砂压裂改造后日产气量约12万m3(表1)[31];同样,对XX-1井花港组H11气层及XX-2井花港组H8气层(压裂前无商业产能)进行水力压裂改造后天然气产能分别增加近20倍和100倍,达到商业开发标准[32]。

表1 西湖凹陷西部斜坡带部分生产井平湖组致密砂岩压裂测试产能数据[31]

3 西湖凹陷天然气藏分布序列模式及勘探建议

西湖凹陷煤岩和页岩生成的天然气将首先满足自身的吸附成藏作用,形成煤层气藏和页岩气藏,过剩的天然气被排出后在浮力作用下按照置换运移方式垂向或侧向运移,形成西湖凹陷平湖、春晓、天外天气田等常规(储层)气藏。当储层致密时,天然气无法按照常规方式成藏,而是以气源岩生烃膨胀力为推动力的活塞式运移至致密储层,形成致密砂岩气藏。西湖凹陷多类型天然气成藏条件的差异性导致同一盆地中不同类型天然气藏在剖面及平面上的分布具有一定的规律性。其中,平湖组主要发育页岩气、煤层气及致密砂岩气;花港组下段主要发育页岩气和致密砂岩气;平湖组与花港组下段生成的天然气通过运移通道进入自身构造高部位储集性好的常规储层中形成常规(储层)天然气藏。西湖凹陷地质条件复杂,每种类型的气藏均有可能出现多层位变化,从而导致天然气分布序列趋于复杂化和多样化,但整体上形成了下部发育煤层气或页岩气,中部发育致密砂岩气,上部发育常规(储层)气的天然气藏分布序列格局(图9)。

图9 西湖凹陷天然气成藏分布序列模式预测

平面上,西部次洼带是页岩气发育的有利区域,煤层气主要分布在厚度较大的西部斜坡带(东部断阶带缺乏钻井证实),致密砂岩气主要分布在西部次洼两侧构造上倾斜坡带(图1)。不同类型天然气分布区域具有一定的差异性,但整体上符合从凹陷沉降-沉积中心向凹陷边缘出现页岩气—致密砂岩气—常规(储层)气—煤层气的发育分布规律。

在勘探过程中,建议重视不同类型天然气藏赋存规律与烃源岩的关系,根据地质特点及现有技术,常规(储层)气和致密砂岩气是目前具有勘探开发价值的天然气类型,而煤层气和页岩气也应加强研究,明确其资源潜力及勘探方向。

4 结论及建议

1)位于西湖凹陷中心的始新统—渐新统泥页岩沉积厚度大,有机质丰度高,处于成熟—高成熟阶段,有利于页岩气成藏;位于盆地斜坡带的泥页岩与致密砂岩频繁互层致使烃源层、储层大面积接触,成熟—高成熟阶段的泥页岩及煤层提供动力强大的热成熟气,且勘探实践均已证实西湖凹陷存在致密砂岩气;生气能力及气测异常间接表明西湖凹陷发育煤层气;常规(储层)气藏已在勘探生产中证实。因此,西湖凹陷满足多类型天然气成藏序列条件,具备天然气资源丰富、储集介质多样、圈闭发育以及生储盖有效配置等优势。

2)剖面上,西湖凹陷煤层气主要分布于中深层平湖组,页岩气主要分布于平湖组和花港组埋藏较深处,致密砂岩气主要分布于平湖组和花港组上倾构造斜坡带,常规圈闭气藏主要出现于构造高部位的平湖组(西部斜坡带)及花港组(中央反转背斜带)层位中。平面上,由沉降-沉积中心向凹陷边缘依次出现页岩气—致密砂岩气—常规(储层)气—煤层气的递变分布序列。

3)西湖凹陷的天然气勘探须重视不同类型天然气藏赋存规律与烃源岩的关系,加强煤层气和页岩气相关研究,明确其资源潜力及勘探方向。

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Unconventional gas distribution sequence and exploration potential in Xihu sag,East China Sea

Peng Jijun1,2Zhang Jinchuan1Tang Xuan1Zhang Peng1Huang Yuqi1Wei Feifei1Deng Ende1LüYannan1
(1.School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing,100083;2.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environment Geology,Shandong,266071)

Based on the theory of distribution sequence of natural gas accumulation,the geology and enrichment of unconventional gas were analyzed in Xihu sag,and the distribution was predicted for multiple types of gas in the basin.The reseaches have suggested that the special tectonic-sedimentary conditions in Xihu sag may result in a distribution sequence of gas accumulation which is different from the ideal model,and that there is a vertical distribution sequence from lower coalbed methane or shale gas,middle tight sand gas to upper conventional reservoir gas in the main intervals with various gas enrichments in Xihu sag,i.e.Pinghu Formation and Lower Member of Huagang Formation.Areally, there is a lateral distribution sequence of shale gastight sand gas-conventional reservoir gas-coalbed methane successively from the subsidence-sedimentation center to the sag margin.Both conventional reservoir gas and tight sand gas are the actual gas type with exploration potential,and the researches on coalbed methane and shale gas should also be enhanced,in order to confirm their resource potential and exploration direction.

East China Sea;Xihu sag;unconventional gas;distribution sequence;accumulation condition;exploration potential

2014-03-25改回日期:2014-08-06

(编辑:周雯雯)

*国家自然科学基金“风化作用对我国南方页岩含气性影响定量研究(编号:41102088)”、国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室项目“中国近海主要类型非常规天然气资源潜力研究(编号:MRE201201)”、“海洋油气资源与环境地质战略研究与国际合作(编号: 201211086-09)”公益性行业科研专项项目部分研究成果。

彭己君,男,在读硕士研究生,研究方向为非常规油气地质。E-mail:peng6270@163.com。