油气地球化学勘查中的分析测试技术和方法_汪双清

第24卷󰀁第4期2005年12月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁岩󰀁矿󰀁测󰀁试ROCKANDMINERALANALYSIS󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vo.l24,No.4December,2005

文章编号:02545357(2005)04027106国土资源地质大调查分析测试技术专栏

油气地球化学勘查中的分析测试技术和方法

汪双清,孙玮琳(国家地质实验测试中心,北京󰀁100037)

󰀁󰀁摘要:回顾了油气地球化学勘查在中国石油工业发展历史中的作用和贡献,分析了其现状和发展前景;总结和介绍了油气地球化学勘查中的常见分析测试技术和方法,在油气资源调查工作中的优势、应用范围及其发展趋势;并在此基础上提出对我国油气地球化学勘查研究工作的四点建议:立足理论研究,开拓应用技术;大力开展海洋油气资源勘查的室内外地球化学分析测试技术研究;积极构建管理和技术平台,整合地球化学勘查技术和数据资源;协调开展综合油气勘查工作。关键词:油气;地球化学勘查;技术和方法中图分类号:P618.130.2󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

收稿日期:2005󰀁01󰀁11;修订日期:2005󰀁08󰀁03基金项目:国土资源地质大调查项目(200120190106󰀁01)作者简介:汪双清(1961),男,湖北武汉市人,研究员,从事有机地球化学研究。1󰀁油气地球化学勘探的历史和作用油气藏地球化学勘查已有70多年的历史,目前仍处于发展和完善阶段。应用地球化学方法找油气,大致可以包括两方面的工作:一是评价生油岩和原油的地球化学特征;二是根据原生油气所形成的地球化学异常,选择适当的地球化学特征来找矿。目前,人们对于油气形成过程中的原生油气迁移和聚集的机制尚存在不同认识。但原生油气在其迁移和聚集的过程中,在周围介质环境中所遗留下的某些痕迹和影响是公认的[1~6]。由于原生油气迁移和聚集所产生的痕迹和影响,以及储层烃类垂向微渗逸并在近地表形成各种各样的地球化学效应,使周围的土壤、岩石和地下水等介质中的组分发生了显著变化,从而造成局部的地球化学异常,使之成为寻找油气的信息,这也是近地表油气藏地球化学找矿的依据。在石油勘探历史的早期,人们利用油气苗就已在世界上找到了许多大油田。当可见的油气苗变得不显著时,则需借助新技术以检测油气的微渗出量及表层土壤中由烃类引起的化学、物理和微生物的效应。近地表油气藏地球化学勘查方法最初是用Laubmeyer于1929年创建的土壤气测法[7]。经历了近60年的坎坷发展后,这一技术在勘查的领域、对象和技术方法等多方面都得到巨大的发展,并于上世纪80年代后期全面复兴。它因具有方法新、指标全、成本低、直接、高效等优点,日益受到石油工业界的重视与支持,已被广泛地应用于油气勘探的各个阶段,成为油气勘查中的一种有效的技术手段。显示其发展的主要标志是:预测成功率高,取得了明显的经济效益;新技术新方法迅速发展,数据处理及解释趋于系统化。在我国,上世纪90年代以前,近地表油气藏地球化学勘查工作十分活跃,并在80年代后期至90年代初出现高潮,积累了大量的工作经验[8~10],为寻找和确立大庆、胜利、塔里木、土哈等大中型油气田做出了重要贡献[11]。90年代后期,由于油气勘探条件的变化,勘探本身难度的增加和技术方面的困难,以及经济体制变革等多方面的原因,这方面的工作被严重削弱。事实上,油气地球化学勘查在我国仍有着巨大的需求。我国除了要在陆地上继续寻找大型整装油气藏外,当前更主要的目标是寻找非常规油气藏。在这方面,油气地球化学勘查技术有其独到的优势,应扮演重要的角色。此外,在一些特殊的勘探领域,󰀁271󰀁如在水域油气勘探和海上及冻土地区的气体水合物勘探方面,该技术更有优势。但是,现在的石油企业基本上不开展油气地球化学勘查工作,而更多的关心是如何在已知油气田中获取更高的产量;普遍采用地震反射法进行勘探,寻找可能有油气聚集的有利地质构造或构造单元,因而出现了一些不可避免的结果,即遗漏了许多边缘和近边缘的构造起伏小的远景区,而且无论所用设备的精度如何,仍然几乎会遗漏所有的地层圈闭。因此,作者认为,地质调查工作中应该重视油气地球化学的勘查。

2󰀁油气地球化学勘查的现状2.1󰀁主要化探方法及其特点油气地球化学勘查的方法很多,并且仍在继续发展中。这里就当前应用的主要技术方法作一简介。2.1.1󰀁气体测量法包括土壤和沉积物游离烃气体测量法[12,13]、酸解烃吸附气体测量法[6,13~16]及大气游离烃气体测量法[17]三种,是目前应用最广泛的方法之一。这种方法的依据是天然气的迁移,即深埋于地下的储油层中的天然气,有可能沿着岩石的空隙与裂缝往上扩散而到达地表。其中一部分直接扩散到大气中,另一部分则被土壤吸附或吸收。因此,在所勘查的地区采集大量的底土空气样(游离气法)或者底土试样(吸附气法),分析其中的甲烷、重碳氢化合物的含量,有可能发现天然气特别富集的异常区,其下覆地层中就有可能存在储油层。高灵敏度气相色谱仪和电子信息技术在化探领域中的应用[12,14,18],使土壤烃气资料的分析可靠程度和解释水平大大提高。从过去局限于单指标烃数据进行简单解释,扩展到用烃组分的组成结构及烃与其他化探指标相关联的组合指标(如因子载荷、判别函数值、多维空间距等)和多种数据处理相结合的方法(如迭代统计、稳健统计、滤波法、梯度矢量法、D函数法等)来评价异常,使解释效果更明显。气体测量法是一种直接的油气藏找矿方法,在海洋油气地质勘探中尤其有效。一般在离油气苗源区10km,甚至20km,仍可探测到油气异常。气体测量法的缺憾之处是在勘查结果的推断解释方面往往会遇到困难。这是因为天然气迁移的路线非常复杂,土壤、岩石和地下水吸附与溶解气体的能力又不相同,同时土壤中的腐泥和有机质可能产生不同种类、不同数量的天然气并与储油层所产生的源生油气相混,而且气体中的油气含量随季节、温度等因素的变化而变化,以及生物的改造作用和人文活动的影响,导致勘查效果极不稳定。为了解决这一问题,地球化学家们一直在寻求抗干扰能力强,效果稳定的化探标识化合物。这一努力借助超灵敏、高分辨的探测技术的发展取得了可喜的成果。其中,苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)等超低含量单环芳烃被证明是前景看好的油气地球化学勘查的标识化合物[19~21],并在我国的海域油气勘查中显示了很好的效果󰀁。此外,非烃气体在油气勘查中的应用也受到了国内外石油地质工作者的关注[5,10,13,22],其中汞、氮、氦、氡和二氧化碳等气体在不同程度上得到了研究和应用。尽管这些非烃类气体在油气勘查中的应用还有争议,作为一种辅助手段仍是有价值的,其效果有时还是显著的。2.1.2󰀁沥青测量法[13,23,24]沥青法就是在研究区域采集样本并测定其中沥青质的存在和含量。有发光法和萃取法两种,分别是通过对样本进行紫外线照射(发光法)或溶剂萃取(萃取法)来研究和测定沥青质的含量。从油藏扩散出来的各种气态和液态的有机物质是该方法的物质基础。将测量结果填在平面图上,查明含沥青物质浓度增高的地段及其分布规律,结合地质资料进行解释取得的各种结果,就可以作出可能含油气的结论。该方法的优点是简单易行,缺点是必须采集到足够数量的含沥青样品,因此,其应用场合受到极大的限制。2.1.3󰀁水文地球化学测量法[6,13]该方法主要在区域调查过程中进行,对研究区土壤和底土水进行水文地球化学测量,以查明它们受深处矿床渗出的碳氢化合物气体影响的痕迹。目前应用于找油气的地球化学指标主要有水中Na+、Cl-的浓度及矿化度,水中各种阴离子含量大小排列顺序,水中有机质组分和地下水温度等,并逐渐向以检测有机指标(苯系物、酚、溶解烃等)为主的方向发展。该方法适用于地层水发育区开展测量,取样条件的限制可能会影响它的广泛应用。为了弥补这一缺陷,我国有关科技工作者进行了沉积物压榨水成分特征研究[11],并在我国东北地区成功地预测了某油田圈闭[25]。

󰀁刘海生.芳烃BTEX在海洋油气勘查中的应用.清华大学博士后研究报告.2005.󰀁272󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁岩󰀁矿󰀁测󰀁试󰀁http://ykcs.chinajourna.lnet.cn󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷󰀁󰀁水文地球化学特征与含油气性有着密切的关系。地层水中多项地球化学指标既是新构造活动的标志,也是储油层的显示。文献报道[5],在南曼格施拉克的含油水溶液中CO2含量高达171.6~537.7󰀁g/L,而其下伏非油层水溶液中仅10~15󰀁g/L。在研究区的含油气层水溶液中,碘的最高含量达185~200󰀁g/L,铵最高达1890󰀁g/L,一般为155~220󰀁g/L。而不含油气的地层水中,碘含量仅0~4󰀁g/L,铵的含量每升仅几十微克。2.1.4󰀁生物地球化学测量法[13]该方法又称细菌法,以甲烷、乙烷和戊烷氧化菌的实用价值最大。这些微生物具有选择性地氧化上述碳氢化合物的特性,在有利的条件下可以吸收并改变从油气藏渗透到地表介质中的大部分可燃气体。因此,测定岩石或含水层中是否存在能消耗各种碳氢化合物的细菌及其数量就是生物地球化学测量法的主要任务。该方法在实验操作上有一些特殊要求,而且在定量研究方面也有其局限性,一般用于区域普查和预测-踏勘阶段,与气体测量法和水文地球化学测量法配合使用。据文献[5]报道,国外一些研究者还把用于近地表油气化探的微生物法扩展到对储层的性质与动态进行研究。在生产油气田测出的微生物值常常形成特征性的分布形式,据此可以相当准确地了解底下储层的性质与动态。2.1.5󰀁同位素地球化学法[10,13,15,26~28]该方法是随着油气生成和迁移理论的发展,以及质谱仪精度的提高而形成和不断发展起来的前景非常看好的油气地球化学勘探和勘查的技术方法,已引入油气化探的各个阶段。运用最多的是利用碳同位素比值(󰀁13C)来确定碳氢化合物的类型、成熟度和成因,进行含油气区预测。2.1.6󰀁蚀变碳酸盐法(󰀁C法)[6,9,15,29]该方法是基于油藏逸出烃类对其上覆土壤的蚀变作用形成碳酸盐蚀变产物󰀁化石异常󰀁而进行的。据报道[5],这种󰀁化石异常󰀁晕与油气田的符合率达85%。其优点是所测的蚀变产物是稳定的,不受压力和温度影响,故不必采取特别的样品采集和保存技术措施,从而成为油气地球化学勘查的传统项目。其不足之处是不能反映深部的情况。据报道[11],国内将󰀁C与󰀁13C󰀁C分析相配合,在吉林地区和大庆、长庆、中原、江汉等油田取得了较好的效果。2.1.7󰀁其他方法[11,13,30~35]除上述6类化探方法外,还有放射性法[11]、金属元素法[13]、氧化-还原电位法、遥感地球化学法[2,13,31,36,37],以及一些改进的技术方法,如K-V指纹技术[18]、三维荧光指纹技术[23,24]和脂肪酸石油化探法[38]等也是非常有效的油气地球化学勘查技术手段,在此不一一介绍。上述化探方法中,最常用、适用范围最广、效果最好,也是最成熟的是有机气体测量法,尤其是K-V指纹技术、单体同位素技术,以及以单环芳烃为代表的新的化探标识化合物的引入,使该法的信息量和抗干扰性都得到大大的提高。值得一提的是,近年来,以水溶有机物为基础的水文地球化学测量法在海洋油气勘查中已显示出优势和很好的应用前景(内部资料)。2.2󰀁所涉及的主要领域及其技术方法2.2.1󰀁区域定洼选带或靶区的优选在一些工作程度较低的盆地或大坳陷,通过区域交叉剖面法对其中的各洼陷和构造带的酸解烃、蚀变碳酸盐、吸附相态汞、电导率、二价铁等指标从组分含量平均值、方差、异常百分数、平均衬度诸方面进行比较,便可从中优选出油气聚集有利的洼陷带、构造带和靶区。2.2.2󰀁圈闭含油气性评价这项工作在国内外开展得最广泛,在我国已有很多成功的经验。一般是在建立各类型油气藏异常综合模式的基础上,通过对待评价区各指标异常特征、烃类组成线性相关关系、烃类与蚀变碳酸盐间的消长关系、异常模式等方面的分析,即可对构造、圈闭的含油气性做出评价并圈定油气聚集的有利远景区。2.2.3󰀁深部油气预测这项工作成本高,只宜在明确的靶区开展,是油气勘查的末期工作。该方面的理论和技术已在国内外得到深入研究和广泛应用,属石油地球化学范畴。主要是通过钻孔垂向剖面各组分(指标)特征的分析(包括浓度和各类比值)和异常模式比较等方法,对深部含油气性进行预测。我国在该方面拥有雄厚的研究基础和技术能力。2.2.4󰀁油气异常成因分析这项工作是油气地球化学勘探的一个重要环节。其目的是筛选与油气有关的异常信息,识别和剔除无意义的干扰异常,为探索油气分布规律,指导油气勘探提供确切的地球化学依据。所采用的技术手段包括烃类组分线性相关分析、甲烷碳同位素分析、三维荧光光谱分析,以及异常模式分析。󰀁273󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁汪双清等:油气地球化学勘查中的分析测试技术和方法󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷