“十一五”以来中国天然气重大地质理论进展与勘探新发现

发布时间：2019-12-20

　　摘要：中国天然气地质理论的发展与勘探发现相辅相成。“十一五”以来，中国天然气地质理论取得多方面重大进展，主要体现在7个方面，具体包括基础地质理论研究进展2项：①高演化煤系源岩、原油裂解气、生物气3类天然气生成机理得到深化，分别形成煤系源岩裂解生气模式、腐泥型有机质全过程生烃模式、生物气接力生气模式;②原油裂解气与干酪根裂解气、聚集型原油裂解气与分散型原油裂解气、有机成因气与无机成因气、煤型气与油型气等多种类型天然气成因鉴别理论得到进一步完善。大气田成藏地质理论进展5项：①创新提出了古老碳酸盐岩“五古控藏”成藏理论;②发展深化了克拉通盆地、前陆盆地及裂谷盆地致密砂岩气成藏理论;③建立了超深弱变形区“三微输导、近源富集、持续保存”成藏模式;④发展完善了以生烃断槽为基本单元的断陷盆地火山岩气藏成藏理论;⑤系统深化了海域高温超压和深水天然气成藏理论。天然气地质理论的进展推动了多项勘探新发现，古老碳酸盐岩成藏理论引领了中国单体储量规模最大的气田四川盆地安岳大气田的勘探;前陆冲断带致密砂岩气成藏新认识在库车形成中国首个超深层万亿立方米大气田;超深层礁滩气藏成藏理论指导了中国埋藏最深的生物礁气田元坝气田的勘探;海域成藏理论指导了中国南海海域自营区最大气田东方13-2气田以及深水勘探领域陵水17-2千亿立方米大气田的重大发现。

　　关键词：“十一五”以来;天然气;基础地质理论;大气田成藏理论;勘探新发现

　　0引言

　　天然气作为重要的清洁能源在世界一次能源消费结构中占有较大的比例，占比25%，但中国仅占6.4%(2016年)[1]，远落后世界平均消费水平，能源消费结构迫切需要尽快改变，这也对天然气勘探发现提出了更高的要求。近年来，中国天然气勘探发展迅速，先后在四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、柴达木盆地及南海莺歌海—琼东南盆地发现了一大批大、中型气田，但储量增长压力和难度非常大[2-4]。大气田的发现和储量的快速增长与天然气基础地质理论的发展密切相关[5]。勘探现状要求我们加强对天然气基础地质理论的研究，以便更好地指导大气田的发现，解决储量接替问题，保证天然气高速增长，为国家能源战略及环境保护等提供支持。

　　多年来，特别是经过天然气国家重大专项攻关以来，天然气基础地质理论取得了长足的发展，在天然气成因、鉴别、储层、盖层研究等多个方面完善了相应的理论体系，形成并深化了多种类型大气田的成藏地质理论[6-11]。综合前人研究成果，提取“十一五”以来中国天然气地质理论取得的重大进展，总结中国天然气勘探取得的重大新发现，以便我们更好地梳理下步天然气地质理论的发展方向，推动未来中国天然气地质理论的发展与进步，把握未来勘探的重点方向与热点领域，加快中国天然气勘探大发现。“十一五”以来，中国天然气重大地质理论主要在天然气生成、成因鉴别2项基础研究以及古老碳酸盐岩、致密砂岩、超深层礁滩、火山岩、海域天然气5类大气田成藏地质理论方面取得重要进展。

　　1天然气生成与成因鉴别研究取得重大进展，发展了天然气成因理论

　　天然气成因理论在中国天然气基础地质理论中居于核心地位，中国天然气成因研究发展历史可概括为“一元论”“二元论”“多元论”3个重要阶段。“一元论”向“二元论”的发展以煤成气理论被引入我国并成为指导天然气资源评价的重要理论为标志，“二元论”向“多元论”的跨越以戴金星等[12，13]首先确定了世界上第一个有充分地球化学依据的松辽盆地昌德无机天然气藏为重要里程碑。“十一五”以来，多元天然气生成与鉴别理论得到了进一步深化。

　　1.1高演化煤系源岩、原油裂解气、生物气3类天然气生成机理得到深化，分别形成煤系源岩裂解生气模式、腐泥型有机质全过程生烃模式、生物气接力生气模式

　　生成天然气的母质来源多种多样，生气机理各不相同。“十一五”以来，专家学者在高演化煤系烃源岩生气机理、原油裂解气生成机理及生物气形成机理等多方面进行了深入研究，取得了3项重大进展。

　　1.1.1高演化煤系源岩生气机理与裂解生气模式

　　前期研究[14-16]指出煤系源岩在高—过成熟阶段尚有一定的生气潜力，但高—过成熟阶段生气量及生气机理有待从实验上进一步证实、理论上进一步完善。魏国齐等[1，7]、王东良等[17]通过系列实验研究及数据统计分析，深化了高演化煤系源岩生气机理，具体表现在：①实验证实了煤系源岩RO值在2.5%～5.0%范围内仍可再生20%以上的天然气，定量评价了煤系源岩在过成熟阶段生气潜力。指出煤系源岩中煤的生气潜力高于炭质泥岩，高于煤系泥岩，煤系源岩的生气下限得到了很大延伸;②认为高演化煤系烃源岩生气机理为煤系源岩在过成熟阶段的高生气量与其干酪根特殊骨架结构有关，主要来源于煤系烃源岩生成的苯酚类等轻烃芳烃化合物，此类物质结构复杂，环化程度高、活化能高，只有在高温环境下才能裂解，因此煤系源岩在过成熟阶段仍可大量产生天然气;③在煤系源岩生气机理深化的基础上，建立了煤系源岩裂解生气模式，重新评价了煤系源岩生气潜力，鄂尔多斯、四川、库车、准噶尔、松辽等主要地区煤系源岩生气量从1776×1012m3增加到2573×1012m3，增加了797×1012m3。

　　1.1.2原油裂解气生成机理与全过程生烃模式

　　原油裂解气生成机理的研究受到实验技术水平及勘探认识等多方面的制约，随实验技术的进步及勘探认识的提升而逐步深入。魏国齐等[1]、李剑等[18，19]、谢增业等[20]利用黄金管热模拟实验与动力学研究相结合的方法，结合近年来四川、塔里木等盆地原油裂解气的勘探进展，对高演化腐泥型烃源岩的生烃潜力及生烃特征进行研究，取得以下成果：①原油大量裂解对应地层温度超过210℃，直到230℃原油裂解才结束，拓展了原油裂解气的生成下限;②除了对干酪根本身的生烃能力进行定量评价外，深层高演化有机质的油气生成演化过程还要考虑原油性质、黏土矿物、碳酸盐岩矿物、水、TSR作用等多种因素对原油裂解气生成量及时限的影响。基于上述理论认识，创建了腐泥型有机质全过程生烃模式(图1)，该模式在以下4个方面发展和完善了Tis-sot经典干酪根生烃及赵文智等[21，22]提出的有机质“接力生气”模式：①该模式体现了从油气生成到极限保存的演化全过程;②确定了滞留烃、源外液态烃及其裂解气的相对比例;③明确了高过成熟海相有机质中原油裂解气量与干酪根生气量及主生气期;④确定了C2+重烃裂解的起始和终止温度;⑤初步确定了天然气保存下限为RO≈5.0%，在深层RO≤5.0%的特高演化阶段仍然具有一定的勘探前景。

　　1.1.3生物气生成机理与接力生气模式

　　对于成气母质、形成环境及生成机理的研究是生物气研究的重点[23，24]，“十一五”以来，张水昌等[25，26]、魏国齐等[7]、丁安娜等[27]等以柴达木盆地为研究对象，结合实验研究，进一步深化了生物气的生气机理：①采用DNA提取PCR(聚合酶链式反应，PolymeraseChainReaction的简称)扩增微生物以及活性有机质检测的定量方法，证实在柴达木盆地三湖地区埋深1700m以深依然存在大量古菌和细菌，下延柴达木盆地生物气勘探下限由1700～2400m;②指出生物气形成是低温热力作用与微生物共同作用的结果，明确了高温(80℃)酸解作用较常温(20℃)酸解作用所获得的活性有机碳有不同程度的增加，地层水盐度严格控制微生物的活性，地层水矿化度与微生物活性呈反比;③浅表层由于继承性活性有机质丰富，弱成岩热力尚未发生作用，原始继承性有机质为形成生物气的主要物质来源，随埋深增加，次生活性有机质释放，形成接力生气模式。接力生气还体现在生成途径转化的连续性，浅层生物气生成以乙酸发酵为主，向深层逐渐转化为H2还原CO2方式。

　　1.2原油裂解气与干酪根裂解气、聚集型原油裂解气与分散型原油裂解气、有机成因气与无机成因气、煤型气与油型气等多种类型天然气成因鉴别理论得到进一步完善

　　天然气成因类型鉴别与定量评价是中国天然气地质理论的重要组成部分[6，7]。戴金星等[6，12，13，28]、宋岩等[29]建立了天然气组分、碳同位素、轻烃、生物标志物等四大类共28项综合判识指标及图版来鉴别煤型气和油型气，在有机成因气与无机成因气方面也提出了烷烃气碳同位素分布系列、δ13C1、δ13CCO2、CH4/3He等多项指标，基本建成了中国特色的天然气鉴别体系。但随勘探程度的增加、勘探阶段的深入，气藏类型的划分日趋精细，提出聚集型、分散型原油裂解气等多种类型[2-5]，但尚缺乏鉴别指标;高演化干气的发现日益增多[2-5]，但干气中甲烷以外的烃类信息匮乏，难以对天然气类型进行准确鉴别，已有的天然气鉴别体系无法满足勘探需求。魏国齐等[1，7]、李剑等[30]、谢增业等[20]基于室内模拟实验与勘探实践论证相结合的方法，综合考虑天然气中稀有气体、N2、CO2等多种非烃信息，对原油裂解气与干酪根裂解气、聚集型原油裂解气与分散型原油裂解气、有机成因气与无机成因气、煤型气与油型气成因进行深入研究，建立或完善了鉴别图版，丰富了中国天然气成因鉴别体系，指导了中国大气田的勘探开发。

　　1.2.1原油裂解气与干酪根裂解气

　　利用天然气中烷烃组分数据，Prinzhofer等[31]、Behar等[32]首创干酪根初次和原油二次裂解气的LnC1/C2—LnC2/C3鉴别图版，国内很多学者[33，34]对其进行了进一步的应用与发展。但Prinzhofer等[31]、Behar等[32]建立的图版未考虑样品演化程度及实验温度的影响，谢增业等[20]、李剑等[30]基于天然气国家科技重大专项的研究平台，采用高温高压黄金管体系及常规高压釜热模拟实验方法，以华北地区新元古界下马岭组低成熟腐泥型页岩为实验样品，对源于下马岭组页岩的原始干酪根、残余干酪根和原油开展了生气模拟对比实验，新建了原油裂解气的判识图版，该图版充分考虑了演化阶段及实验温度的影响，可以有效地鉴别四川盆地、塔里木盆地多套层系天然气的成因类型(图2)。

　　1.2.2聚集型与分散型原油裂解气

　　聚集型与分散型原油裂解气的鉴别意义重大，理论上可以指导烃源岩中滞留烃的研究，深化原油裂解气的生气机理，完善原油裂解气的生气模式[18-20]，实践中可以拓展天然气的勘探领域[2-5]。赵文智等[21，22]、胡国艺等[35，36]最早提出基于甲基环己烷含量和正庚烷指标鉴别和区分滞留烃(分散型液态烃)在高—过成熟阶段裂解形成的天然气，但尚存在指标建立过程中只考虑单一蒙脱石介质和固定模拟实验温度2个局限。“十一五”以来，聚集型与分散型原油裂解气的鉴别得到了进一步的发展[1，7，19，30]，应用黄金管封闭体系和温压共控条件下原油裂解模拟实验2种技术，综合考虑碳酸盐岩、黏土矿物(蒙脱石)和砂岩3种不同介质进行了不同混合比例的原油裂解实验，发现聚集状态下原油裂解气轻烃组成中∑(C6—C7)环烷烃/(正己烷+正庚烷)和甲基环己烷/正庚烷这2项比值参数随原油裂解程度的增大而增大，而蒙脱石介质中分散状态下原油裂解气轻烃组成的该2项比值参数均随原油裂解程度的增大而减小，据此新建了不同演化阶段源内分散型(黏土矿物介质)和源外聚集型原油裂解气的判识指标，促进了聚集型与分散型原油裂解气的勘探。

　　1.2.3有机与无机成因气、煤型气

　　与油型气天然气类型的鉴别存在多解性的问题，参数越多、考虑因素越多，则多解性越少、类型判识的准确度越高，利用多项参数综合判识天然气类型是类型判识发展的重要趋势[7，28，29]。李剑等[30]分析了塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地等50余个天然气样品，基于多参数综合判识的思路，新建R/Ra—δ15N判识图版以鉴别N2有机、无机成因，新建δ18OCO2—δ13CCO2判识图版以鉴别CO2的有机、无机成因，新建多步骤R/Ra—δ15N-N2判识图版[图3(a)]、R/Ra—δ13CCO2判识图版[图3(b)]以鉴别煤型气、油型气，进一步丰富了天然气成因鉴别理论。

　　2古老碳酸盐岩、致密砂岩、超深层礁滩、火山岩、海域5类大气田成藏认识得到了深化，丰富了大气田成藏地质理论

　　2.1创新提出了古老碳酸盐岩“五古控藏”成藏理论

　　古老碳酸盐岩在中西部叠合盆地深层—超深层广泛发育，是中国天然气勘探的重点领域之一[2-5]。杜金虎等[37]、魏国齐等[1，38-41]、邹才能等[42]、张璐等[43]以四川盆地安岳大气田的勘探发现为契机，发展和完善了古老碳酸盐岩成藏理论，创新形成了以古老克拉通内裂陷、古老继承性隆起、古老礁滩体储层、古老烃源灶、古今持续封闭为核心的“五古控藏”古老碳酸盐岩成藏理论(图4)，五要素的有效匹配控制了古老碳酸盐岩大气田的成藏。理论内涵如下：①绵竹—长宁古老克拉通内裂陷的发现突破了以往克拉通内部构造稳定、沉积相单一的传统认识，裂陷控制了下寒武统烃源岩的形成分布及灯影组有利沉积相带的展布[39，40];②高磨古隆起是形成于桐湾期的巨型同沉积古隆起，面积达3×104km2，对于油气运聚、龙王庙组优质储层以及古今圈闭的展布具有重要的控制作用[41];③绵竹—长宁克拉通内裂陷与高磨古隆起的形态共同决定了灯影组和龙王庙组沉积时期的岩相古地理，据此新建了灯影组克拉通内镶边台地和寒武系龙王庙组镶边台地2种碳酸盐岩沉积新模式，有效地控制了古老礁滩体储层的展布[37，42];④安岳大气田天然气主要属于聚集型古油藏原位裂解气，原位裂解的古油藏是气藏重要的古老烃源灶[38，40];⑤中下三叠统膏盐岩及二叠系继承性超压层的古今持续联合封闭对震旦系—寒武系气藏的保存起着至关重要的作用[43]，克拉通内裂陷充填的下寒武统泥页岩为克拉通内裂陷两侧的灯影组大面积油气成藏提供了良好的侧向封堵条件。

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