四川盆地前震旦系勘探高含氦天然气藏的可行性
张健1, 杨威2, 易海永1, 谢武仁2, 谢增业2, 曾富英2, 岑永静1
1.中国石油西南油气田公司
2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

作者简介:张健,1960年生,教授级高级工程师;1982年毕业于原成都地质学院石油系,现任中国石油西南油气田公司勘探处副处长,中国石油天然气集团公司高级技术专家;长期从事石油天然气勘探研究和管理工作。地址:(610051)四川省成都市府青路一段3号。E-mail:zhang-jian@petrochina.com.cn

摘要

目前,我国的氦气资源主要依赖进口,寻找大中型高含氦天然气田是改变这一现状最现实的途径。为此,对四川盆地威远地区高含氦天然气藏的成藏机理和氦气来源进行了分析,以探讨在该盆地前震旦系勘探高含氦天然气藏的可行性。首先根据盆地周缘12条野外露头剖面和4口钻穿震旦系单井的资料,系统分析了前震旦系的岩石学、沉积相、烃源岩等特征,认为前震旦系发育的沉积地层为南华系,东南缘露头剖面的地层序列为南沱组、大塘坡组、古城组和莲沱组,推测盆地内部可能发育相同的地层序列;南沱组、古城组和莲沱组主要为冰川沉积,为砂砾岩夹泥岩;而大塘坡组为间冰期沉积,发育一套砂泥岩地层,其下部泥页岩的有机质含量高,为较好烃源岩。进一步的研究表明:南沱组砂砾岩储层、大塘坡组烃源岩和地层中侵入的花岗岩“氦源岩”可形成较好的高含氦天然气藏成藏组合;前震旦系沉积岩的分布主要受早期裂谷控制,在裂谷内部充填厚层的沉积岩地层。结合地震资料预测了威远—资阳地区沉积岩和花岗岩的分布,结论认为在资阳地区对震旦系—前震旦系进行高含氦天然气藏的勘探是可行的。

关键词: 四川盆地; 前震旦纪; 氦气; 天然气藏; 成藏机理; 氦源岩; 沉积岩; 成藏组合; 裂谷; 资阳地区
Feasibility of high-helium natural gas exploration in the Presinian strata of the Sichuan Basin
Zhang Jian1, Yang Wei2, Yi Haiyong1, Xie Wuren2, Xie Zengye2, Zeng Fuying2, Cen Yongjing1
1.Southwest Oil & Gasfield Company, PetroChina, Chengdu, Sichuan 610051, China
2.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang, Hebei 065007, China
Abstract

The consumption of helium in China highly depends on imports at present so it is the most practical way searching for medium-to-large high-helium natural gas fields. Based on the studies of the hydrocarbon accumulation mechanism and the helium origin of the Weiyuan high-helium natural gas reservoir, we discussed the feasibility of such exploration in the Presinian strata of the Sichuan Basin, where twelve outcrop sections around here and data of four wells in the Presinian strata were integrated to systematically analyze the petrological features, sedimentary facies and source rocks. It was believed that the sedimentary formation developed in the Presinian is the Nanhua system, and the stratigraphic sequence on outcrop section in the eastern margin, which may also occur within this basin, consists of the Nantuo, Datangpo, Gucheng and Liantuo groups. The Nantuo, Gucheng and Liantuo groups are mainly glacial deposits consisting of glutenites interbedded by mudstone; the Datangpo group is interglacial deposits consisting of sandstones and shales, the lower part of which is organic-rich shales with good source rock quality. Thus, the Nantuo coarse-grained clastic reservoirs, the Datangpo source rocks and the intruded granite "helium source rock" possibly formed good high-helium gas systems. The distribution of the Presinian sedimentary rocks was mainly controlled by the early rifting. Thick sedimentary rocks were deposited inside the rift. The prediction of sedimentary rocks and granite distributions in the Weiyuan and Ziyang areas by use of the seismic data revealed that it is feasible to explore high-helium gas reservoirs in the Ziyang area, Sichuan Basin.

Keyword: Sichuan Basin; Presinian; Helium; Gas reservoir; Hydrocarbon accumulation mechanism; Helium source rock; Sedimentary rock; Petroleum system; Rift; Ziyang area

氦气是一种重要的工业原料, 其提取主要来源于含氦天然气, 但是受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高, 我国的氦气(特别对于高纯度、超高纯度氦气)资源主要依赖进口, 寻找大中型高含氦天然气田是解决我国氦资源短缺最现实的途径。

四川盆地威远气田震旦系探明天然气储量400× 108 m3, 氦气含量相对较高[1], 天然气中氦气的含量介于1 178~2 212 μ g/g, 平均为1 598 μ g/g, 是我国目前规模开发提取氦气的气田。该气田已经开采近50年。

笔者在前人研究成果的基础上, 通过对高含氦威远气田的氦气来源进行分析, 认为威远气田中的氦气主要来源于下伏侵入的花岗岩[2], 这里称其为“ 氦源岩” 。因此, 针对高含氦天然气藏的勘探, 寻找“ 氦源岩” 及与其相近的储层是关键。在大量调研的基础上, 通过系统研究前震旦系地层、沉积相特征、泥质烃源岩特征及分布特征等, 认为与“ 氦源岩” 侵入的花岗岩相近的前震旦系可能发育较好的储层, 前震旦系大塘坡组泥质烃源岩具备较好的生烃潜力, 二者可形成高含氦天然气藏的源储组合, 应该是四川盆地下一步寻找高含氦天然气藏的勘探方向。

1 前震旦系地层和沉积相

前人对四川盆地基底的结构及地层发育情况进行了大量研究, 观点基本相似[1, 3, 4, 5, 6], 由一套岩浆岩和变质岩组成, 厚度数千至万米[1]。包括结晶基底和沉积基底, 太古代— 早元古代的康定群经中条运动成为深部结晶基地(距今1 700~1 900 Ma); 中元古代— 晚元古代的峨边群— 板溪群经晋宁运动成为盆地褶皱基底(距今780~1 700 Ma), 这套褶皱基底以沉积岩为主, 在部分地区受后期的变质作用, 形成浅变质岩[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]。近年来, 张健等通过地震资料并结合盆地周缘前震旦系发育情况, 推测四川盆地在这套结晶变质基底之上、震旦系之下还发育巨厚的沉积岩, 厚度介于3 000~5 000 m, 其层位可能是新元古界南华系[12, 14], 但由于目前无钻井揭示, 具体层位及其岩性不明确, 推测为碎屑岩, 具有一定的天然气勘探价值。笔者在前期研究的基础上, 针对四川盆地前震旦系是否存在沉积岩、沉积岩的特征和分布情况等进行了初步研究, 对盆地周缘12条野外露头剖面和盆地内部4口钻穿震旦系的单井(威15井、威117井、威28井、女基井)资料, 结合四川盆地新采集的二、三维地震资料解释成果进行了系统分析。

1.1 地层特征

四川盆地前震旦系主要为南华系和青白口系(表1)[15, 16, 17]。盆地东侧川东地区南华系为莲沱组、古城组、大塘坡组和南沱组, 根据川东地区地层发育特征和控制因素推测, 川中地区地层发育特征可能与川东地区相似, 在澄江组之上可能发育南华系的中上统地层。下面以川东地区为代表阐述地层特征(图1)。

表1 四川盆地及周边地区震旦系及下部地层划分表

图1 川东地区前震旦系沉积综合柱状图

1.1.1 莲沱组

为一套含凝灰质成分较多的粗碎屑岩。底部含有灰绿色砂砾岩, 顶部为一层浅灰绿色及暗紫色凝灰质岩屑砂岩; 下部为紫红、灰绿色粗— 中粒长石石英砂岩及长石砂岩; 上部主要为紫红色及灰白色晶屑、玻屑凝灰岩、凝灰质砂岩及岩屑砂岩, 见交错层理。莲沱组以河流相沉积为主, 地层厚度不均匀, 分布于50~260 m, 系河流相为主的陆相沉积物。

1.1.2 古城组

为冰川堆积物, 野外露头分布在湘、鄂、川和黔等地区。为灰绿色冰渍砂砾岩或含砾冰渍泥岩, 砾石排列杂乱无章、大小悬殊、成分复杂, 有砂岩、粉砂岩、花岗岩、岩脉和泥灰岩等; 砾石磨圆度差, 常具擦痕, 厚度一般为数米至十米, 与下伏莲沱组呈假整合关系。

1.1.3 大塘坡组

20世纪60 年代末, 以贵州省松桃县大塘坡锰矿区为代表剖面, 建立了大塘坡组[18], 定义为“ 一套碳锰质和细屑沉积, 以底部黑色碳质岩或锰质岩与下伏杂砂岩分界” 。主要为黑色含粉砂质页岩, 深灰色、灰绿色含粉砂质绿泥石页岩(图2-a、2-b), 水平层理发育, 局部夹凝灰岩条带, 厚度不均匀, 分布于200~300 m。

图2 四川盆地东部地区南华系沉积岩图片

1.1.4 南沱组

该地层大面积分布, 为冰川堆积, 底部为灰绿色块状泥砂质砾岩, 顶部为黄绿色含砾砂质黏土岩, 中部见巨块状冰碛泥砾岩, 总体呈绿灰色, 少数呈紫红色, 砾石大小不一, 分选性差, 形状多样, 成分复杂, 见擦痕(图2-c、2-d)。

1.2 沉积特征

1.2.1 沉积环境

南华系是新元古界最早一次冰期沉积物与最晚一次冰期沉积物之间所有沉积物的总和[19], 包括莲沱组间冰期、古城冰期、大塘坡间冰期、南沱冰期。南沱组为冰期沉积, 沉积环境为滨岸冰川杂砾岩相, 以灰色绢云母板岩、粉砂岩、砂岩为主, 夹数层砂砾岩, 含砾板岩。大塘坡组处在2个冰期地层之间, 含有明显代表温暖气候的含锰碳酸盐岩和黑色碳质页岩; 主要为一套陆源碎屑沉积组合, 垂向上表现为向上变细又变粗, 从正粒序向反粒序转化的规律, 为受拉张构造背景下控制的盆地充填序列; 特别是底部的碳酸盐岩相当于下冰期的盖帽碳酸盐岩, 属于冰期之后温暖气候的沉积, 是冰期结束的典型标志。古城组冰期不同的古地理位置, 发育程度有差异, 完整且沉积厚度大的冰期发育在扬子板块东南部的盆地相区, 如桂北的三江地区; 而从扬子板块的东南部向西北方向, 冰期的发育程度依次变化, 至湖北峡东地区古城组几近缺失(图3)。

图3 四川盆地川东地区南华系分布对比图

莲沱组为一套含凝灰质成分较多的粗碎屑岩, 是以河流相为主的陆相沉积物。

1.2.2 沉积相类型

通过四川盆地东南缘野外地质剖面的观察研究和沉积构造标志的分析, 并与邻区进行了对比, 将南华系沉积相划分为冰川相、斜坡相、陆棚相和盆地相。

以松桃剖面为例, 该区南华系自下而上可分为莲沱组、古城组、大塘坡组和南沱组4个岩石地层单元, 莲沱组和古城组主要为一套含砾的陆源碎屑岩, 其沉积环境可从河湖相→ 滨海→ 浅海盆地相, 为砾岩— 含细砾粗砂岩的陆上冰河相沉积序列, 与下伏板溪群粉砂质板岩间为一个低角度至平行不整合面。大塘坡组从岩性上可以分为3段:①大塘坡组一段岩性以黑色碳质页岩为主夹数层菱锰矿, 为局限浅海陆架盆地相沉积, 厚度薄(介于5~20 m), 少数厚达50 m, 代表海侵体系域沉积序列的凝缩层, 与下伏古城组为一个假整合面或相应的整合面; ②大塘坡组二段岩性主要为灰色— 深灰色粉砂质页岩, 局部夹砂岩, 少量含砾粉砂质黏土岩等, 为陆架边缘盆地相沉积, 厚度介于70~300 m; ③大塘坡组三段代表海平面处于缓慢脉动式下降阶段, 属陆棚边缘盆地相纹层状粉砂质页岩、厚层粉砂质黏土岩(偶见细砾石)序列。之上的南沱组为冰川相, 岩性主要为含砾砂岩、含砾粉砂质黏土岩, 局部间夹粉砂质页岩等, 厚度较大(160~250 m), 与下伏大塘坡组为一个假整合面(图3)。

2 大塘坡组烃源岩特征

大塘坡组下部以黑色碳质页岩为主, 夹数层菱锰矿, 为局限浅海陆架盆地相沉积, 厚度薄, 发育大量蓝绿藻化石, 一般厚度介于5~20 m, 少数厚达50 m, 代表海侵体系域沉积序列的凝缩层; 中部岩性主要为灰色/深灰色粉砂质页岩局部夹砂岩, 少量含砾粉砂质黏土岩等, 为陆架边缘盆地相沉积, 厚度介于70~320 m; 顶部发育纹层状粉砂质页岩、厚层粉砂质黏土岩夹厚层块状粉砂质黏土岩。在松桃大塘坡地区, 沉积厚度一般介于200~300 m, 最厚可达600 m, 与上下地层呈整合接触, 且界线清楚。

通过对秀山大、小茶园剖面进行取样分析, 发现该套地层含较丰富的藻类、菌类和疑源类等生物化石, 为深水环境下浮游型微生物组合, 有机碳含量分布在0.25%~15.86%(25个样品), 平均为4.8%, 为优质烃源岩; 测算其全岩反射率Ro分布在2.02%~2.37%, 干酪根δ 13C分布于-31.9‰ ~33.8‰ , 以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型烃源岩为主; S1介于0.002 3~0.04 3 mg/g, 平均为0.014 mg/g, 为较好烃源岩, 具有一定的生烃潜力。

3 气藏氦气来源和成藏机理
3.1 高含氦气天然气藏的氦气来源

关于高含氦气的天然气藏的成因前人做了大量的研究[2, 20, 21, 22, 23, 24, 25]。威远气田烃类气体成因存在两种观点:有机成因论和无机成因论。有机成因论认为来源于寒武系筇竹寺组(九老洞组)泥岩, 或来自灯影组白云岩, 或二者均有贡献[21, 22, 23, 24, 25]; 无机成因论认为是上地幔脱气产生的烃类沿深大断裂向上运移造成的[20]。关于天然气中氦气的成因, 主要认为是深部地幔[20]或震旦系底部的峨眉花岗岩中的U、Th衰变所释放的氦气[2]。对比与威远气田相邻的高石梯— 磨溪震旦系气藏, 其氦气含量分布于103~539 μ g/g, 要低得多[26], 高石梯— 磨溪震旦系气藏的天然气主要来源于震旦系和寒武系筇竹寺组烃源岩[26]

笔者认为该区天然气中的烃类气体主要来源于下伏前震旦系、震旦系和寒武系泥质烃源岩, 天然气中的氦气主要来源于侵入花岗岩中的U、Th衰变所释放的氦气[2]。因此, 前震旦系中侵入的花岗岩为“ 氦源岩” 。“ 氦源岩” 产生的氦气与烃源岩产生的烃类气体一起进入震旦系、寒武系和奥陶系的储层, 形成高含氦天然气藏。

3.2 高含氦气天然气藏的成藏机理

这里以威远气田为例, 说明高含氦气天然气藏的成藏机理。威远气田发现于1964年, 探明天然气地质储量400× 108 m3, 为一个背斜构造气藏, 主要储层为震旦系灯影组白云岩, 其烃源岩为寒武系筇竹寺组泥页岩、震旦系泥岩和碳酸盐岩[22, 25]。其特点是天然气中氦气含量高(主要分布于1 178~2 212 μ g/g, 平均为1 598 μ g/g), 有较大的工业开采价值。后来发现震旦系之上的寒武系和奥陶系也有部分井产工业气流[27], 其氦含量也较高, 如威5井寒武系氦气含量为2 000 μ g/g、威72井奥陶系的氦气含量为1 700 μ g/g。说明威远气田的多套储层都具有高含氦气的特点。

关于威远气田的形成, 现已基本形成共识。该构造在晚三叠世前(即古油藏原油大量裂解前)处于乐山— 龙女寺古隆起的南斜坡带; 喜马拉雅期, 构造隆起成为该古隆起上埋深最浅、闭合幅度最大的背斜圈闭; 天然气成藏经历了古油藏→ 原油裂解→ 隆升调整, 形成背斜构造气藏[28]

因此高含氦气藏的成藏机理概括为:①震旦系、寒武系和奥陶系沉积之后, 震旦系、寒武系烃源岩成熟产生大量的原油, 同时下伏“ 氦源岩” — — 侵入的花岗岩脱气, 产生大量的氦气; ②原油与氦气一起运移进入震旦系、寒武系和奥陶系储层中, 形成高含氦气的油藏(图4); ③上三叠统须家河组开始沉积时, 油藏开始裂解形成气藏; ④喜马拉雅期, 古构造发育变化, 气藏通过调整形成现今气藏, 氦气含量一直保存在储层中。

图4 威远地区高含氦天然气藏成藏模式图

4 勘探方向
4.1 前震旦系高含氦天然气藏成藏组合

对比高含氦气天然气藏的成藏机理, 可见四川盆地前震旦系与侵入的花岗岩组成较好的高含氦天然气藏成藏组合(图5):①前已述及大塘坡组烃源岩厚度较大且具有较好的生烃潜力, 为成藏提供了充足的烃类资源; ②侵入的花岗岩体为“ 氦源岩” , 脱气产生大量的氦气, 与烃类气体一起向上运移; ③其上覆南沱组砂砾岩和大塘坡组粉砂岩可成为较好储层, 南沱组砂砾岩主要由砂质砾岩和含砾砂岩组成, 含泥量少(图2-c、图2-d), 其与上覆陡山沱组为不整合接触关系, 南沱组砂砾岩由于长期暴露可形成风化壳岩溶储层(图2-d), 为下伏地层产生的烃类气体和氦气提供储集空间; ④南沱组砂砾岩上覆震旦系陡山沱组泥岩和灯影组一段致密泥晶白云岩可形成较好的盖层。因此, 在四川盆地前震旦系中探索高含氦天然气藏是可行的。

图5 前震旦系高含氦天然气藏成藏组合图

4.2 勘探方向探讨

前震旦系沉积地层分布主要受早期裂谷发育的控制[28, 29], 通过川东南地区露头剖面可以推测盆地内地层的分布:裂谷发育地区, 沉积地层保存相对较完整, 从南沱组到莲沱组均发育, 沉积地层厚度相对较大(500~2 000 m); 在裂谷不发育的地区, 沉积地层厚度相对较薄, 如川中地区的女基井, 钻穿震旦系, 钻遇花岗岩, 震旦系直接与花岗岩相接触。威远地区, 从地震剖面上看, 一些地区受火山岩后期的侵入, 呈现杂乱反射的地震特征, 如威117井钻穿震旦系, 钻遇花岗岩。

高含氦天然气藏勘探方向选择要考虑以下3个因素:①前震旦系沉积岩发育; ②“ 氦源岩” 发育, 即花岗岩侵入到前震旦系中或直接与灯影组接触(类似威远气田); ③应考虑到勘探的经济性和保存条件, 埋藏深度要适中, 在可钻遇范围。裂谷和花岗岩都发育的地区, 是高含氦天然气藏勘探的有利区, 比如资阳地区:①沉积岩和花岗岩都有分布, 推测其沉积岩与川东地区露头发育的沉积组合一致, 从地震剖面看, 花岗岩杂乱反射的特征和沉积岩连续反射的特征明显, 花岗岩和沉积岩互相穿嵌在一起(图6-a), 形成较好的成藏组合; ②勘探目的层(前震旦系的沉积岩)埋藏深度适中, 在5 000~5 500 m; ③花岗岩分布范围较大(图6-b), 说明氦源岩供气面积大, 氦气充足; ④钻探证实震旦系灯影组含氦气, 说明其也是高含氦气天然气藏的重要勘探层系。

图6 资阳地区前震旦系岩性分布预测图

5 结论

1)四川盆地前震旦系具备勘探高含氦天然气藏的可能性。

2)前震旦系发育的沉积地层为南华系, 东南缘地层序列为南沱组、大塘坡组、古城组和莲沱组, 推测盆地内部可能发育相同的地层序列。南沱组、古城组和莲沱组主要为冰川沉积, 为砂砾岩夹泥岩; 大塘坡组为间冰期沉积, 发育一套砂泥岩地层, 其下部泥页岩有机质含量高, 为较好烃源岩。南沱组砂砾岩储层、大塘坡组粉砂岩储层、大塘坡组烃源岩和地层中侵入的花岗岩“ 氦源岩” 形成较好的高含氦天然气藏成藏组合。

3)前震旦系沉积岩的分布主要受早期裂谷控制, 在裂谷内部充填厚层的沉积岩地层。应用地震资料, 预测盆地内部有大面积沉积岩和花岗岩分布, 在资阳地区对震旦系— 前震旦系进行高含氦天然气藏勘探是可行的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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