您好,欢迎来到化拓教育网。
搜索
您的当前位置:首页南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究

南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究

来源:化拓教育网
第24卷第3期 2010年6月 现代地质 V01.24 No.3 GE0SCIENCE Jun.2010 南海北部天然气水合物钻探区烃类气体 成因类型研究 黄 霞,祝有海,卢振权,王平康 (中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037) 摘要:南海北部天然气水合物钻探区水合物气、顶空气样品和沉积物样品烃类气体组分和甲烷同位素特征测试结果表 明,气体样品中烃类气体以甲烷为主,含微量乙烷和丙烷,C /(C:+C )值均大于或接近1 000。甲烷的碳同位素值为 54.1%o~一62.2%o,氢同位素值为一180%o~一255%0,属于微生物气或是以微生物气为主的混合气,甲烷由CO 还 原生成,由原地提供或侧向运移而来。沉积物样品酸解烃分析显示多数样品甲烷丰度大于90%,含一定量的乙烷、丙 烷及少量的丁烷,C,/(C +C )值均小于50。甲烷的碳同位素值为一29.8%0~一48.2%e,呈现典型的热解气特征,显示 由深部运移而来。 关键词:南海北部;天然气水合物;气体成因类型 中图分类号:P744.4;P59 文献标志码:A 文章编号:1000—8527(2010)03—0576—05 Study on Genetic Types of Hydrocarbon Gases from the Gas Hydrate Drilling Area,the Northern South China Sea HUANG Xia,ZHU You—hai,LU Zhen—quan,WANG Ping—kang (Institute ofMineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Be ̄iing 100037,China) Abstract:Gas composition and isotopes of gas hydrate,headspace gas and sediment samples from the gas hy— drate drilling area,the Northern South China Sea,are analysed.Results show that gas hydrate and headspace gas are nearly composed of methane with trace ethane and propane.Their ratios of C1/(C2+C3)are higher than or close to 1,000.6 C1 values range from一54.1%o to一62.2%0,and 6DcH values vary from一180%0 to 一255%o.Hence they are mainly bacterial or mixed with bacterial gases,derived from CO2 reduction and pro— duced in situ or by side migration.Results of acid—degassed gases of sediment samples also indicate that meth— ane is mostly higher than 90%,with some ethane,propane and minor butane.The ratios of C1/(C2+C3)are lower than 50 and 6H C 1 values change from一298%。to一48.2%。.These features are indicative of typical .thermogenic gases migrated up from the depth. Key words:the Northern South China Sea;gas hydrate;genetic—types of gases 0引 言 括为具有“北油南气、西气东油”和“北部陆架浅水 区富油、西部陆架浅水区富气、南部陆坡深水区 我国南海北部沉积盆地油气资源丰富,海底 富气为主”的规律及特点¨ 。2007年4__6月,中 天然气渗漏发育,根据迄今所获油气勘探成果及 国地质调查局在南海北部陆坡神狐海域实施了天 油气地质综合研究,其油气运聚分布特征可以概 然气水合物钻探,取得了天然气水合物实物样品, 收稿日期:2010—03—16;改回日期:2010—05—10;责任编辑:楼亚儿。 基金项目:国家“973”项目(2009CB219501);级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(K0909)。 作者简介:黄霞,女,助理研究员,博士,1982年出生,地质学专业,主要从事天然气水合物气体成因来源的研究工作。 Email:huangxia@live.COB。 第3期 黄霞等:南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究 577 C/kinl】 。沉积物以粉砂和粘土 为南海北部能源战略布局开辟了新领域。由于南 梯度为45~67.7 ̄海北部含油气盆地发育,气源丰富,类型众多, 质粉砂为主,富含有孔虫和钙质超微化石,硅质 深部热解气、浅层微生物气均有可能形成天然气 生物贫乏,孔隙度为40%~60%。沉积物主要由 水合物,究竟哪种气源形成天然气水合物?它们 陆源物质和海洋生物碳酸盐组成。水合物赋存区 如何形成天然气水合物?本文通过南海北部陆坡 不同时期沉积物的有机碳含量大体为0.39%~ 2]水合物钻探区SH1、SH2、SH3、SH5、SH7站位 1.8%l1钻探站位8个,取心孔5个,其中在3 。气体样品和沉积物样品的测试分析,研究天然气 个站位(SH2、SH3、SH7)取得天然气水合物实物 水合物烃类气体成因,探讨烃类气体来源,以便 样品,通过钻探、测井、取心、原位温度测量和 为南海北部天然气水合物的成藏机理研究和资源 调查、评价及其以后的开发利用奠定基础。 天然气水合物是指由气体分子与水分子组成 的一种冰状结晶固体物质,其中的气体分子以烃 类气体(主要是甲烷)为主。烃类气体是天然气水 合物的物质基础,是气体资源最重要的组成部分。 不同成因类型的烃类气体具有不同的成生机制、 不同的运移聚集过程,并影响到天然气水合物的 成矿过程及其分布特征。 海底天然气水合物的烃类气体成因,常见的 大致可以分为微生物气、热解气以及混合气成 因 -5]。微生物气是指沉积物中的有机质在厌氧 细菌作用下分解产生的气体,主要由二氧化碳还 原以及醋酸根发酵作用形成 J。由于绝大多数天 然气水合物均由微生物气组成,如布莱克海岭、 南海海槽等 ,故微生物气的生成过程得到较多 的关注。许多学者详细研究了水合物产区附近产 甲烷菌的分布特征及其生物地球化学作用,探讨 微生物气的成气机理和成气过程,并取得了重要 进展 J。热解气是指沉积物中的有机质在一定 的温度、压力条件下,经裂解作用产生的气体。 热解气在其运移富集过程中常常与浅部的原地微 生物气发生混合形成混合气。热解气是常规天然 气藏的主要气源。在天然气水合物领域,过去并 没有太多重视热解气研究,随着墨西哥湾、里海、 黑海及加拿大Mallik等地发现热解气或混合气型 天然气水合物 。J,国外学者逐渐关注起热解气 及混合气的成生运移机制。 1 钻探区地质特征及样品介绍 南海北部陆坡水合物钻探区位于神狐暗沙东 南海域附近,即西沙海槽与东沙群岛之问的海域, 晚中新世以来沉积速率较高,更新世平均沉积速 率为4—8 cm/ka,上新世平均沉积速率为2~6 cm/ka,区内流体活动比较强烈,介于74.0~78.0 mW・1TI,平均热流值为76.2 mW・Ill,地温 孔隙水取样、现场测试分析等表明,含天然气水 合物沉积层位于海底之下153~225 m,厚度为10 ~25 In,最高天然气水合物饱和度分别为25%、 44%和48% 。 本文对钻探区SH1、SH2、SH3、SH5、SH7 共5个站位的样品进行了采集,具体为:(1)4个 气体样品,包括水合物分解后的气体样品(编号为 SH2B一12R、SH3B一13P)和顶空气样品(SH3B一 7P、SH5C一11R);(2)113个沉积物样品,其中 SHIB站位32个,SH2B站位25个,SH5C站位37 个,SH7B站位19个。对气体样品进行气体组分 和碳、氢同位素测试,对沉积物样品进行酸解烃 分析,测试气体组分和碳同位素,测试由中国科 学院兰州地质研究所地球化学测试部完成。 2结果与讨论 2.1气体组分特征 水合物气和顶空气样品气体组分主体上以烃 类丰度高、含少量非烃气体为特征。烃类气体以 甲烷为主,含微量重烃。将测试数据剔除掉大气 组分后,按100%烃类气体来进行换算,分析测试 结果见表1。从表1中可以看出:水合物气样品中 甲烷相对含量高达99.89%和99.9l%,与钻探现 场水合物样品甲烷含量测试结果(99.82%)非常相 近¨ J,乙烷、丙烷相对含量低(表1)。C /(C + C )(气体成分比,也称干燥系数,下同)值为 1 000左右。顶空气样品中甲烷相对含量均为99% 以上,乙烷、丙烷的相对含量也非常低(表1)。 C /(C,+C )值大于1 000。 沉积物样品酸解烃分析显示,SH1B站位甲烷 相对含量为76.48%一94.69%,平均90.56%,甲 烷丰度大于90%的占75%,C。/(C:+C )值为5.0 ~22.7;SH2B站位甲烷相对含量为75%~ 93.93%,平均90.80%,甲烷丰度大于90%的占 80%,C1/(C2+C3)值为4.7~20.9;SH5C站位 甲烷相对含量为78.27%~94.95%,平均84.80%, 578 现代地质 表1 南海北部天然气水合物钻探区样品烃类气体组分及其同位素数据 Table 1 Hydrocarbon gas composition and isotope of samples from natural gas hydrate drilling area,the Northern South ChiHa Sea 注:烃类气体相对含量单位为%,碳、氢同位素单位为‰。 甲烷丰度大于90%的占24%,大于80%的占57%, c1/(c2+C )值为5.8~24.4;SH7B站位甲烷相 对含量为78.42%~94.15%,平均89.34%,甲烷 丰度大于90%的占63%,C /(C +C )值为5.9~ 22.2。整体上来看,沉积物样品中甲烷分布范围 较大,多数样品甲烷丰度大于90%,均含一定量 的乙烷、丙烷,此外还有少量的丁烷等。湿度比 高,大于5%。C /(C:+C )值较低,均小于50。若>且问  体一据气积 孑 II] 在天然气领域,一般来说甲烷含量在90%以 上的叫干气;甲烷含量低于90%,而乙烷、丙烷 等烷烃的含量在10%以上的叫湿气。在天然气水 合物领域,较少使用气体组分来划分类型。按照 气体组分测试结果,气体样品属于干气,与此不 同,沉积物样品呈现湿气特征。对测试结果进一 步分析发现,1 13个沉积物样品酸解烃甲烷含量有 随深度增加而逐渐增加的趋势,显示沉积物中烃 类气体更多地可能来自深部。 2.2同位素组成特征 甲烷的碳同位素组成:水合物气样品甲烷的 碳同位素值 C 为一56.7%v和一60.9%o(PDB标 准,下同),顶空气样品甲烷的碳同位素值6”C 为一62.2%e~一54.1‰(表1),沉积物样品酸解烃 甲烷的碳同位素值 ”C 值偏高,为一29.8%o~ 图1南海北部水合物钻探区天然气水合物甲烷的碳l司 一48.2‰,平均一39.47‰,大于一50‰。 位素值 C 与C /(C +C )投点图 甲烷的氢同位素组成:水合物气样品甲烷的 Fig.1 Interpretative plot of molecular ratios of hydrocarbon 氢同位素值 D 为一199%e和一180%c(SMOW标准, VS.carbon isotope of methane from samples of natu— ral gas hydrate drilling area,the No.hem South Chi— 下同),顶空气样品甲烷的氢同位素值6D 为 Ha Sea 一255%o和一191%。(表1)。 2.3 C1/(C2+C3)一 ”C1的关系 水合物气、顶空气样品甲烷的碳同位素 C 气体组分和同位素组成的相互关系可以反映 值为一54.1%o~一62.2%0,C1/(C2+C3)值均大于 其来源、成因、演化和运聚特征。碳、氢同位素 或接近1 000,从C /(C:+C )值以及烃类气体成 组成可以反映母质类型、沉积环境和演化环境, 因类型判识图(图1)分析,南海北部天然气水合 是气体类型划分、运移特征的重要参数。 物钻探区水合物、顶空气样品中的烃类气体应是 Matsumoto等曾利用甲烷的碳同位素值 ”C. 微生物气或是以微生物气为主的混合气。根据钻 和C。/(c +C )比值来判别不同成因的水合物, 探区各站位大型重力活塞沉积物岩心及钻探岩心 第3期 黄霞等:南海北部天然气水合物钻探区烃类气体成因类型研究 579 沉积物孔隙水的硫酸根浓度和甲烷变化趋势,计 甲烷氢同位素组成的差别。通过二氧化碳还原形 算出研究区硫酸盐一甲烷界面(SMI)的深度普遍较 成的甲烷氢同位素值8D 一般大于一250%o 深¨ 。这说明形成天然气水合物的甲烷气体的垂 (SMOW标准),典型值为一191‰±19%0,如果甲 向通量较小。由此可见,水合物气、顶空气样品 烷由醋酸根发酵形成,其8D : 值通常小于 中的烃类气体很可能由原地生成,或因存在水平 方向侧向挤压作用,由附近的微生物气侧向运移 至此。 一250%。,——般为一355%。~一290%0。 为了更好地对烃类气体成因进一步进行判断, 我们将6D 和6 C 值一起投图,结果显示所有 沉积物样品的酸解烃甲烷碳同位素分析显示, 数据投点均位于CO 还原型微生物气或其边缘, 6”C。值明显偏高,均大于一50%0,而C./(C + 显示出应是CO 还原型甲烷(图2)。CO 可能来 C )值较低,除甲烷外,乙烷、丙烷等重烃组分含 量较高,湿度比也较高。沉积物样品各项指标以 及烃类气体成因类型判识图均显示出其属于典型 的热解气(图1),应来源于深部。 由于水合物气、顶空气中的气体主要包括游 离气以及部分弱吸附烃和水溶烃,而酸解烃中的 气体主要是包裹于碳酸盐等次生矿物及胶结物中 的吸附烃。有专家认为顶空气(溶解气)具有直接 的指示意义,而酸解烃(吸附气)可能指示成岩时 沉积物中的空问信息¨ ,且碳酸盐的含量在一定 程度_卜对酸解烃的分析数据有影响 ” 。因此, 水合物气、顶空气和酸解烃样品中烃类气体成因 不同。 此外,来源于深部的热解气要在较浅的沉积 物中形成天然气水合物,必须要有良好的输导体 系,保证有充足的流体载体、运移动力以及运移 的通道¨ 。虽然神狐海域海底地形起伏较大,其 下伏地层中的断裂发育,很多断层切穿较新的沉积 层延伸至海底附近,可为天然气向浅部水合物稳定 带运移创造有利条件,但深部的热解成因气要在 浅部聚集形成天然气水合物,要求更为苛刻的低 温和高压环境,热解气很有可能尚未形成水合物 就大规模散失。这可能也是水合物、顶空气和沉 积物样品中烃类气体成因不同的原因。 虽然用酸解烃测试数据直接分析水合物烃类 气体成冈来源存在一定的问题 ,但这至少表 明该地区存在热解成因类型的烃类气体,它很可 能在运移富集过程中与浅部的微生物气发生混合, 最终形成混合气型天然气水合物。 2.4 ”C1—8DcH 的关系 Matsumoto等人利用水合物中甲烷氢同位素组 成进一步判别微生物成因的方式 ,如果甲烷由 二氧化碳还原生成,那么甲烷中氢来源于周围的 水,而当甲烷山醋酸根发酵形成时,甲烷中氢有 3/4来源于有机质,只有1/4来源于水,从而导致 源于有机质降解,即埋于地层深处的动植物遗骸 等有机质被氧化为CO ,而后由产甲烷菌还原为 甲烷。 图2南海北部水合物钻探区天然气水合物甲烷碳和氢 同位素值投点图 Fig.2 Interpretative plot of carbon isotope VS.hydrogen isotope of methane from samples of natural gas hydrate drilling area,the No ̄hern South China Sea 3 结论 南海北部天然气水合物钻探区水合物气、顶 空气样品均为微生物气或以微生物气为主的混合 气,更确切地说为CO 还原所生成的甲烷,这和 世界上已发现的绝大多数天然气水合物成因类型 一致。水合物气和顶空气样品中甲烷气体垂向通 量较小,很可能由原地生成或由附近的微生物气 侧向运移至此。沉积物样品酸解烃分析结果 示 出热解气特征,说明其烃类气体来源于深部,通 过下伏地层发育的断裂等有利构造向上运移至浅 部。南海北部天然气水合物钻探区水合物气、顶 空气和沉积物样品分析测试表明该地区存在两种 不同成因类型和来源的烃类气体,有可能形成微 生物气型水合物或是以微生物气为主的混合气型 水合物 580 现代地质 2010正 [rl [rL rl&at e:inferences fr rom a compairrlson of  observations and numerical 参考文献: 2 3 4 5 6 7 8 ]]●J ] ] ]1J 1J models[J].Earth and Planetary Science Letters,2003,206: [1] 何家雄,刘海龄,姚永坚,等.南海北部边缘盆地油气地质 5l一63. 及资源前景[MI.北京:石油工业出版社,2008:1—2. [9] Ginsburg G D,Milkov A V,Dadashev A A,et a1.Gas hydrate of Claypool G E,Kvenvolden K A.Methane and other hydrocarbon the southern Caspian[J].International Geology Review,1992, gases in marine sediments[J].Annual Review of Earth and 34(8):765—782. Planetary Sciences,1983,11(1):299—327. [10] Kastner M.Gas hydrate in convergent margins:formation,occur- Dillon W P,Max M D.Oceanic gas hydrate[M]//Michael D rence,geochemistyr and global signiifcance[M]//Paull C K, M,Natural Gas Hydrate in Oceanic and Permafrost Environ— Dillon W P.Natural Gas Hydrates:Occurrence,Distirbution, ments.Dordrecht:Kluwer Academic Publishers.2000:61—76. nad Detection.Washington D C:American Geophysical Union, Kvenvolden K A.A review of the geochemistry of methane in 2001:67~86. natural gas hydrate[J].Organic Geochemistry,1995,23(1 1/ [11] 吴能友,张海放,杨胜雄,等.南海神狐海域天然气水合物 12):177—189. 成藏系统初探[J].天然气工业,2007,27(9):1—6. Matsumoto R,Uehida T,Waseda A,et a1.Occurrence,stnrc. [12] 杨胜雄.国家重点基础研究发展计划(973计划)项目: ture and composition of naturla gas hydrate recovered from the 2009年度总结报告[R].广州:广州海洋地质调查局, Blake Ridge,Northwest Atlantic[M]//Paull C K,Matsumoto 2009:3. R,Wallace P J,et a1.Proceedings of the Ocean Drilling Pro— [13] 吴能友,梁金强,王宏斌,等.海洋天然气水合物成藏系统 gram,Scientiifc Results.Texas:Texas A&M University,2000. 研究进展[J].现代地质,2008,22(3):62—63. 164:13~28. [14] 付少英.海底沉积物中不同形式烃类气体的地球化学意义 Wasada A,Uchida T.Origin of methane in natural gas hydrates [J].地学前缘,2005,12(3):253—257. from the Mackenzie Delta and Nankai Trough[M].Proceedings [15] 李广之,岳向阳.浅析酸解烃[J].油气化探,1999,6 of the Fourth International Conference on Gas Hydrates.Yokoha— (3):17—19. ma,Keio University,2002:169—174. [16] 卢振权,吴必豪.海底水合物地球化学探测方法的试验研究 Boetius A,Ravenschlag K,Schubert C J,et a1.Microscopic [J].现代地质,2002,16(3):299—304. identiifcation of a microbial consortium apparently mediating anae— [17] 龚建明,张敏,陈建文,等.天然气水合物发现区和潜在区 robic methane oxidation above marine gas hydrate[J].Nature, 气源成因[J].现代地质,2008,22(3):415—419. 2000,407:623—626. [18] 付少英.烃类成因对天然气水合物成藏的控制[J].地学前 Davie M K,Buffett B A.Sources of methane for marine gas hy一 缘,2005,12(3):263—267. 石 石 ;、 石 穹 石 、 石 -、 _1、 \I \I石 \l l'、 \l石\l 石 e石 石 -、 石 .、蛤 (上接第575页) [40]Whiticar M J.Carbon and hydrogen isotope systematics of bacteri- and B geochemistry[J].Earth and Planetary Science Letters, al formation and oxidation of methane[J].Chemical Geology, 2005,239:106—121. 1999,161:291—314. [46]Tryon M D.The development and application of a new benthic a— [41]Jorgensen B B,Btittcher M E.Anaerobic methane oxidation and a queous flux meter for very low to moderate discharge rates[D]. deep H2 S sink generate isotopically heavy sulfides in Black Sea San Diego:University of California,2002. sediments[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2004,68 [47]Hensen C,Wallnmnn K.Fluid expulsion related to mud extrusion (9):2095—2118. off Costa Rica:A window to the subducting slab[J].Geology, [42]MacDonald I R,Leifer I.Transfer of hydrocarbons from natural 2004,32(3):2O1—204. seeps to the water column and atmosphere[J].Geofluids,2002, [48]Bohrmann G,Greinert J,Suess E,et a1.Authigenic carbonates 2(2):95—107. rfom the Cascadia subduction zone and their relation to gas hydrate [43]Milkov A V.Global estimates of hydrate—bound gas in marine stability[J].Geology,1998,26:647—650. sediments:how much is really out there?[J]Earth—Science Re— [49]Ira Leifera J B.Measurement of marine hydrocarbon seep flow views,2004.66:l83—197. through fractured rock and unconsolidated sediment[J].Marine [4_4]Sloan E D.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].New and Petroleum Geology,2005,22:551—568. York:Marcel Dekker Inc,1998:1—721. [5O]Tryon M D,Brown K M.Measurements of transience and down- [45]Teichert B M A,Torres M E.Fluid sources,fluid pathways and ward fluid flow near episodic methane gas vents,Hydrate Ridge, diagenetie reactions across an accretionary prism revealed by Sr Cascadia[J].Geology,1999,27:1075—1078. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- huatuo9.cn 版权所有 赣ICP备2023008801号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务