D气田CO2成因及分布浅析

时间：2024-07-28

王瑞丽杨朝强孙万华孙晓晖李伟

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司研究院）

D气田CO2成因及分布浅析

王瑞丽杨朝强孙万华孙晓晖李伟

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司研究院）

在D气田开发过程中，出现了高烃井和高CO2井并存的现象，同时在开发初期为高烃的井也有部分开始向高CO2井转化的趋势。根据气田现有资料，查阅大量相关文献，结合前人所作的相关模拟实验及成果，进行综合研究和分析判断，指出CO2来自有机成因和深部壳源碳酸盐高温热分解无机成因，具有纵向上CO2和CH4气体存在重力差异分布、平面上CO2含量呈北高南低分区分块且沿断裂附近含量高的特点。推断在高CO2井区距离断裂带较远部位，仍有局部高烃井存在的极大可能性，建议在后续评价中对该区进行钻探验证。图2表1参11

D气田高烃井 CO2成因分布

0 引言

D气田是中国海上最大的自营气田，位于南海北部的莺歌海盆地。莺歌海盆地以其“地壳厚度薄、沉降沉积快速，沉积厚度大，烃源岩演化程度高，地温梯度高、欠压实异常高压、泥底辟构造多”等众多特点闻名于世［1－3］，D气田就位于莺歌海盆地的中央底辟带上，储集层为上新统莺歌海组二段常压气藏，目前已进入二期开发，共有32口生产井，开发过程中出现了一些高CO2井和高烃井并存的现象，同时开采过程中还存在高烃井向高CO2井转化的状况，这引起了地质和油藏人员的高度关注，但至今仍没有找到它们的明确分布规律，这给该气田的后续开发和调整带来了难题。这些CO2气体的成因是什么？是莺歌海组储层自生还是他生？CO2在空间上又是如何分布？本文拟对这些疑问进行一下探讨，以期抛砖引玉，早日弄清CO2的规律，降低该气田的钻探成本，提高开发经济效益。

1 CO2的成因类型及气源

1.1 CO2的成因类型

根据前人研究，当δ13CCO2＜－10‰是有机成因的CO2；当δ13CCO2＞－10‰且δ13CCO2＜－8‰时，是有机成因和无机成因混合成因的CO2；当δ13CCO2＞－8‰都是无机成因的CO2［4－6］。经过对该气田做过CO2碳同位素分析的取样井研究，本气田的CO2气可分为有机和无机两种基本成因。有机成因CO2在中央泥底辟带上的D气田2、4、5井钻遇，其CO2含量在天然气组成中基本小于1%，δ13CCO2分别为－15.03‰和－19.9‰，见表1；混合成因的CO2其实就是有机成因和无机成因的混合气体，目前技术上尚无法区分出来，只在该气田9井出现，δ13CCO2为－8.6‰。无机成因CO2气分布很普遍，纵向上从浅层的莺歌海组到中深层黄流组有分布，平面上1、2、7井，都有无机成因CO2气产出，其δ13CCO2在－3.4‰～－8‰之间，大于－8‰。

无机成因的CO2根据其CO2含量高低，又可划分为高含CO2天然气（CO2＞60%）和含CO2天然气（CO2＜60%）两个亚类。高含CO2的天然气组成中，CO2含量为62.86%～65.12%，其δ13CCO2值偏重，为－3.7‰～－3.8‰，伴生烃类气δ13C1亦偏重，为－31.9‰～33.1‰；含CO2天然气CO2含量较低，为7.38%左右，其δ13CCO2值为－8‰，伴生烃类气δ13C1值为－33.1‰，均相对较轻。

根据其形成环境，无机成因的CO2还可分为幔源的地幔脱气形成的CO2和碳酸岩高温热化学分解形成的CO2两种［7］。幔源CO2的δ13C值多在－6‰左右；碳酸岩高温热化学分解产生的CO2的δ13C值多在0±3‰左右［8］。单从δ13CCO2来判断，高含量CO2气应该属于幔源成因，但由于新生代沉积巨厚，达17000 m之多［10］，从地幔运移至浅层路途遥远，并且

从地震剖面上，也未发现沟通幔源与浅层的深大断裂存在，因此来自幔源的结论与气田现状相矛盾，据此我们反推CO2来自壳源。同时D气田天然气伴生氦同位素特征其3He／4He值为0.881×10－7～0.949× 10－7，R／Ra为0.06～0.07，而国内外学者普遍认为，3He是地球内部的幔源表征，4He则是地壳中放射性物质铀、钍的α衰变产物，是壳源的标志。D气田3He／4He、R／Ra值与划分标准（3He／4He值＜1.4× 10－6为壳源型，1.4×10－6～2.8×10－6为壳幔混合型，＞2.8×10－6为幔源型，R／Ra值＜1为壳源成因型CO2，1～2为壳幔混合成因型CO2，＞2为幔源岩浆成因型CO2）相比，属于壳源放射型氦，幔源氦份额小于5%，多为0.49%～0.54%，这与中国东部天然气中伴生氦的壳源特征也是完全一致的。

因此，根据高含CO2天然气中CO2含量高、δ13CCO2值偏重、伴生烃类气δ13C1亦偏重以及伴生氦同位素等特征，综合分析本区高含CO2天然气中CO2属壳源型碳酸盐高温热分解无机成因。含CO2天然气地化特征与高含CO2天然气类似，虽然天然气伴生氦同位素值3He／4He为4.72×10－7，R／Ra值为0.34，幔源氦份额为3.23%，要高于高含CO2天然气的同类数据值，但仍属于壳源型碳酸盐高温热分解无机成因［9］。

表1 D气田天然气组成及同位素特征表

1.2 CO2的气源

前人对莺歌海盆地海相泥岩生气能力进行了模拟［5］，将梅山组含钙粉砂质泥岩加热到450℃，加压11 MPa，密封恒温24 h（Ro值为1.8%，相当于现今埋深大于7500 m的中新统成熟度），采样测定CO2含量高达85.8%，烃气为12.5%，热模拟产出的CO2气的δ13CCO2值为0‰～－6‰，与D气田富CO2气层的天然气组成和实际CO2气δ13CCO2值非常接近。由于该气田圈闭构造形成于上新世，有效区域盖层形成较晚，从地质角度考虑在2 Ma后天然气才能有效运聚于浅部储层中，梅山组和三亚组的模拟主生气期在5～1 Ma和1.3 Ma，天然气累积气δ13C1分别为－32‰和－25‰，CO2主要形成于0.1 Ma［3］，这说明梅山组和三亚组都极有可能成为浅层气藏的供气来源。

根据该气田11口井的RO资料，D气田生油气门限约为2800 m（RO为0.6%），而主生气窗5400～8400 m（RO为1.3%～2.0%），（图1）。DF1－1气田气层埋深约2300～2700 m，地层埋深刚刚进入生油气门限，生成的少量天然气尚未成熟。但其储层中天然气的δ13C1为－21.77‰～－36.13‰，属高成熟天然气，这显然不是储层自生，而是从深部储层运移上来的。同时5400～8400 m的主生气窗与梅山组、三亚组储层埋深也相当，这可以作为CO2气体来自梅山组和三亚组的一个重要佐证。

2 CO2的储层分布特征

2.1 CO2的平面分布

从目前已钻井资料来看，富CO2天然气的分布在平面上总体具有明显的东高西低、南高北低的分块特点，西块Ⅰ、Ⅱ气组为低CO2富烃天然气（CO2＜1%），而其东块及北块则多为低烃富含壳源型非生物CO2等非烃气（图2）。底辟活动形成的断层附近产层的天然气以CO2为主；远离底辟断层的各井区，天然气的CO2含量明显下降。

2.2 CO2的垂向分布

图1 D气田11口井RO随深度的变化趋势图

纵向上，高CO2井具有与高烃井并存的特点，通常是不同气组、位于上部的气组高烃，下部的气组高CO2，或者是同一口井下部CO2含量高，上部含量低。比如从Ⅰ气组到Ⅲ上气组，高CO2井占该气组钻探总井比例从20%升高到100%。再如2井莺歌海组二段1331～1361.5 m气层CO2含量为57%、1414 m～1452.5m气层CO2含量为66.7%。

2.3 CO2的空间分布

图2 D气田各气组CO2平面分布情况

不同的井CO2分布具有不同成因不同期次运移的特点［11］，可以据此推断井之间的连通性。如：①3井Ⅱ下气组天然气高含无机CO2，而4井的Ⅱ下气组仅含少量有机CO2，说明这两口井的气源不同，指示这两个井区的Ⅱ下气组不连通，这与油藏地质研究成果相吻合，即断层起了封隔作用；②据高分辨率地震资料解释，8井和2井的Ⅱ下气组是连通的，但这两口井的天然气性质及成因明显不同，前者以生物气为主，后者则为典型无机热成因气。两口井相距仅7 km，而且8井的位置较低、天然气δ13C1值相对较轻，如果Ⅱ下气组在两井之间连通的话，压差及浮力作用必然驱使它们在极短时间内趋于均一化，而事实与之

相悖。据此可认为在8井和2井之间，Ⅱ下气组可能存在一个非渗透性隔层；③一些井在开发初期为高烃井，但到了后期开始变成高CO2井，这也可以从气体的充注期次和分子的扩散速率得到解释，由于D气田位于盆地中央底辟带上，底辟活动形成的断裂是气体向上周期性突发运移的主要通道。在不同期次运移中，CH4的充注时间早于CO2，所以储层中最先充注的是CH4。而在同一期次运移过程中，扩散速率和相对分子质量的平方根成反比，CO2分子与CH4分子相比，相对分子质量更大，因此到达储层后CH4也会优先充注到储层空间中，这使得扩散滞后的CO2无法进入距离断裂更远的储层中，也就是说浅层气田具有“烃类早充注，CO2晚充注”的成藏特点，只要CH4气充足，CO2就没有进驻储层的份儿。但在气田的逐渐开采过程中，由于储层的动平衡被破坏，导致有些井中的CH4气被采出后，没有充足的后续CH4补充进来，储层外断层和裂缝中的CO2伺机扩散入内，驻留储层中，使得本来有规律分布的CO2变得没有规律可言。从这个角度出发，笔者认为在Ⅰ和Ⅱ上气组目前未动用的7井区远离断层的部位仍存在高烃井的极大可能性，建议下一步进行钻探验证。

3 结论

（1）D气田CO2成因分为有机成因和无机成因两种，低含量CO2为有机成因，高含量CO2为无机成因，且为壳源碳酸盐高温热分解形成。CO2主要来源于深部地层，至少是梅山组以下的含钙地层或者钙质层。

（2）CO2的分布具有平面分块，垂向分层的特点，距离断裂带越远，CO2含量越低。空间上，CO2的扩散速度弱于CH4，但后期开发破坏了CO2的动平衡，使得CH4补充不足的部位被CO2运移占据，导致CO2平面分布规律日趋复杂，因此在开采过程中要注意保持现有的动平衡不被破坏。同时在远离断裂的较浅层未动用井区，很可能存在局部高烃区，建议上钻验证。

（3）由于该区的CO2有机成因和无机成因兼有，成因复杂，导致目前的相关评判指标特征不突出，评判指向矛盾的情况时有发生，因此，在后续工作中仍需要补充相关实验和实钻数据，进一步加深或纠正当前取得的认识。

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10 何家雄.再论莺歌海盆地CO2成因问题［J］.天然气地球化学，2003，14（5）：412－415.

11 黄春菊，陈开远，李思田.莺歌海盆地泥底辟活动期次分析［J］.石油勘探与开发，2002，29（4）：44－46.