阿聯酋海域二疊系Khuff組氣藏非烴氣體成因及分布預測

陳 杰 張 劍 程緒彬 黃文明

阿聯酋海域二疊系Khuff組氣藏非烴氣體成因及分布預測

陳 杰1,2張 劍3程緒彬1,2黃文明1,2

1.中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院 2.中國石油海外天然氣技術中心 3. 中油國際（阿聯酋）公司

阿聯酋北部海域二疊系Khuff組氣藏不僅蘊含著豐富的天然氣資源，而且還含有大量的非烴氣體（CO2、H2S和N2等）且分布極不均勻，嚴重制約了該區天然氣資源的勘探與開發。為此，在分析區域地質、地球化學特征的基礎上，研究了該區非烴氣體的成因。結果表明：①Khuff組氣藏中的H2S氣體主要來源于地層中的硫酸鹽熱液化學反應（TSR作用）；②CO2為無機成因，主要來源于深部地幔，同時也受到了TSR作用的影響；③N2的成因目前還不能夠完全確定，既有可能來自于深部的地幔，也有可能由過成熟階段的有機質經氨化熱解作用而形成。進而根據該區單井非烴氣體含量，結合古構造演化、區域沉積相研究成果，探討了非烴氣體的分布范圍，并繪制了Khuff組非烴氣體含量預測分布圖。結論認為：①非烴氣體主要分布于阿布扎比的東北和東南海域，其次為西南海域，而西北海域含量則最低，后者是下一步天然氣勘探的有利區；②應加強對Khuff組稀有氣體含量與同位素的分析，以期更加準確地確定非烴氣體的成因。

阿聯酋 二疊紀 Khuff組氣藏 非烴氣體 硫化氫 二氧化碳 氮氣 TSR作用 來源及成因

中東地區天然氣資源主要蘊含在二疊系Khuff組碳酸鹽巖地層中，其中就包括世界上最大的氣田——北方—南帕斯氣田[1-5]。20世紀80年代以來，阿聯酋在其北部海域內發現多個Khuff組地層構造圈閉：截至2015年底，共計發現了55個構造圈閉，在7個構造上完成了探井鉆探和測試，發現該區域內Khuff組普遍含天然氣，但氣體中含有大量的非烴氣體（H2S、CO2和N2均存在，其中H2S含量最高達21.2%，CO2含量最高達44.7%，N2含量最高達52.7%），同時非烴氣體的分布極不均勻，不同的構造、甚至同一口井的Khuff組各小層之間的非烴氣體含量值也存在較大的變化。這嚴重影響和制約了該區天然氣資源的商業開發和下一步勘探工作推動[6]。為此，筆者基于收集到的阿聯酋北部海域Khuff組地質資料和氣體組分分析資料，結合區域地質、成藏演化以及地球化學分析等成果，探討了Khuff組氣藏非烴氣體的來源及其成因；進一步結合區域沉積相、古構造演化等研究，以單井測試資料分析為基礎，開展了Khuff組非烴氣體分布預測，以期為下一步的勘探工作奠定基礎。

1 Khuff組氣藏基本地質特征

二疊系Khuff組成藏組合是中東波斯灣盆地最重要的天然氣成藏組合。下志留統Qusaiba段熱頁巖是Khuff組氣藏的主要烴源巖，其分布廣（廣泛分布于北非與阿拉伯盆地中部）、有機質含量高（有機碳含量介于4%～12%），為傾油性的混合型干酪根。Qusaiba段烴源巖在晚白堊世大面積成熟生烴，Khuff組圈閉在晚志留世時期受波斯灣盆地前寒武系鹽隆起的影響開始發育，于中白堊世基本定型；基底斷裂是原油向Khuff組運移的主要通道，同時Khuff組下部的Unayzah組碎屑巖地層也充當了油氣橫向運移通道。Khuff組上覆的三疊系Sudair組致密泥灰巖和Khuff組內部的致密硬石膏層是Khuff組儲層的良好蓋層[3-4,6]（圖1）。

波斯灣盆地Khuff組主要沉積于新特提斯洋的邊緣，其沉積環境屬于淺水、低能的碳酸鹽巖臺地系統。阿聯酋北部海域的Khuff組在二疊紀時沉積環境主要為局限臺地—蒸發臺地環境[7-8]，現今地層埋深4 000～5 200 m，平均埋深4 300 m；地層厚622～915 m，平均厚733 m；地層巖性以球粒、鮞粒及生屑的白云巖、灰質云巖為主，夾有石膏，其中地層中部發育一段穩定的、厚約16 m的無水硬石膏層，稱為中石膏層。據此將Khuff組分為上Khuff和下Khuff共2套。

圖1 阿聯酋古生界地層綜合柱狀圖

Khuff組儲層儲集空間以粒間、晶間和粒內溶孔為主，普遍發育裂縫。儲層原生孔隙較差，但淋濾作用和白云化作用對儲層改造作用十分強烈，次生孔隙發育。縱向上各小層儲層物性變化變化較大，孔隙度平均介于3.0%～10.6%，平均為6.8%；滲透率介于0.14～18.70 mD，平均為5.70 mD。

2 天然氣組分與成因

2.1 天然氣組分

從阿聯酋海域Khuff組天然氣組分分析結果（表1）來看，該區域內Khuff組氣藏天然氣具有以下幾個特征：

烴類氣體以甲烷為主，但含量變化較大（16.38%～89.67%），均為干氣，干燥系數非常高（96.7%～99.9%）。

非烴氣體含量較高，包括N2、H2S和CO2等，各氣田中的非烴氣體含量差異極大，如：阿聯酋西北海域的Arzana氣田（NK-1井），其Khuff組天然氣中N2含量高達52.74%，H2S含量高達21.22%，CO2含量高達9.59%，總的非烴氣體占83.60%；而位于該氣田西北方向距離約20 km的Satah氣田，其Khuff組天然氣中N2含量僅為8.00%，H2S含量僅為0.12%，CO2平均含量為6.98%，非烴氣體含量為16.00%。

表1 阿聯酋海域Khuff組天然氣組分分析結果表

2.2 天然氣成因

區域地質研究表明Khuff組氣藏烴源巖主要為志留系Qushuaiba組海相頁巖，為傾油的偏腐泥混合型干酪根[3-6]。Qushuaiba烴源巖在早侏羅世（距今約200 Ma）開始生油，在晚侏羅世（距今140～150 Ma）達到生油高峰，于早白堊世（距今120～130 Ma）結束生油；隨后在中白堊世（距今100～110 Ma）達到生氣高峰，隨后進入原油裂解氣時期。中東地區二疊系Khuff組構造圈閉主要受鹽拱隆起的影響，在晚志留世時開始發育，到中白堊世時基本發育定型，到古近紀之后，受扎格羅斯構造運動的擠壓作用，又有部分鹽隆構造持續抬升，形成了現今構造形態[9-10]。

天然氣可以由2種途徑形成，即干酪根熱降解初次生成氣和原油二次裂解生氣。Khuff組氣藏中的天然氣來源于那種形式？筆者經綜合分析，認為其主要來自原油裂解[11-12]。

Khuff組中普遍存在瀝青，主要分布在溶蝕孔縫中。從儲層中固態瀝青的產狀看，其是液態烴類運移進入儲層后因熱裂解作用形成的殘留物。同時，薄片鏡下觀察中發現存在殘存瀝青（圖2）。

圖2 Khuff組孔隙中瀝青圖

根據Behar等的研究成果，干酪根初次裂解氣和原油二次裂解氣的C1/C2和C2/C3值明顯不同：干酪根初次裂解氣，C1/C2值變化較大，C2/C3值基本不變；相反原油二次裂解氣C1/C2值基本不變，C2/C3值變化范圍大[13]。將阿聯酋海域Khuff組天然氣組分分析結果繪制于Behar判識圖版上，具有明顯的原油裂解氣特征（圖3）。阿聯酋海域圈閉從二疊紀開始就受寒武系鹽隆起的作用持續發育，直到白堊紀中晚期才結束。圈閉的形成和發育與烴源巖的成熟生烴及油氣運移匹配良好。因此，Qushuaiba烴源巖生成的原油在侏羅紀晚期曾經大量充注在這些圈閉之中，但隨著烴源巖的埋深加大，溫度升高，Qushuaiba烴源開始排出天然氣，原來運移在圈閉中的原油被驅趕到更高部位的圈閉中去（阿聯酋西北沙特、東北的伊朗等境內），隨后在中—晚白堊世由于地層埋深持續較大，地層溫度持續升高（超過140 ℃），Khuff組中的原油大量裂解生成天然氣。

圖3 阿聯酋Khuff組天然氣成因判識圖版

3 非烴氣體來源及分布預測

3.1 非烴氣體來源分析

3.1.1 H2S氣體來源

對于碳酸鹽巖地層中H2S的形成原因主要有3大類：①干酪根中含硫有機物的熱解；②地層中沉積硫酸鹽（主要是石膏和硬石膏）的細菌還原作用（BSR）；③地層中硫酸鹽高溫熱化學還原作用（TSR）[14-15]。阿聯酋海域Khuff組碳酸鹽巖地層中富含的大量H2S普遍認為是由于硫酸鹽巖的熱化學反應（TSR作用）形成的[11-12]。這與阿聯酋古生界Khuff組地質特征相吻合：

1）Khuff組中普遍發育石膏，特別是Khuff組中部存在1套厚約15 m的硬石膏層。同時在Khuff組內部也廣泛分布有石膏（BushraBR-1井中，Upper Khuff中石膏含量達5.2%，Lower Khuff中石膏含量為2.3%）。

2）阿聯酋海上Khuff組埋深普遍大于4 000 m，根據BR-001井地溫梯度測算，其氣藏溫度達到140℃，超過了TSR作用發生所需的最低溫度（120 ℃）。

3）阿聯酋Khuff組各氣藏天然氣干燥系數非常高，與氣藏中H2S含量呈正相關性(圖4)。這是因為TSR反應過程中SO42-優先與重烴發生反應生成H2S，會消耗掉氣藏中大部分的重烴組分。

3.1.2 CO2氣體來源

天然氣氣藏中CO2的來源包括無機成因和有機成因2大類，其中無機成因的CO2又有地幔—巖漿成因和巖石化學成因2種主要來源，目前對于天然氣氣藏中CO2來源的判識與確定，主要有以下幾種方法[16-17]。

圖4 阿聯酋Khuff組天然氣H2S含量與干燥系數關系圖

1）根據同位素分析：有機成因的CO2其同位素值一般小于-10‰，而無機成因的其同位素值一般大于-9‰。

2）對于無機成因的CO2可以通過其CO2的含量和天然氣中稀有氣體氦氬同位素分析來進行判斷：通過CO2含量判斷，巖漿—火山成因來源的CO2在天然氣中含量一般較高，超過60%；而地幔來源的CO2，其含量通常較低，低于20%。通過稀有氣體氦氬同位素判斷，對于來源于地球深部火山幔源活動區的CO2，具有高的3He/4He值，其標準特征值一般為1.1×10-5；而來源于地表圈層地殼沉積物的CO2，具有低的3He/4He值，其標準特征值通常為2×10-8；來源于地球大氣圈的CO2，其3He/4He值特征值介于上述兩者之間，為1.4×10-6。

根據阿聯酋北部海域Satah油氣田ST-19井Khuff組天然氣同位素分析數據（表2），其CO2的碳同位素δ13C值為-7.09‰，應為無機成因。同時從阿聯酋6口井的天然氣組分分析數據來看（表1），僅BR-1井的K3層和K6層的CO2含量超過20%，其余各井CO2含量小于10%。因此，綜合分析后認為，Khuff組的CO2主要來源于地幔。區域地質研究成果表明，阿聯酋海域深層發育深大斷裂[18]。遺憾的是，目前未收集到阿聯酋海域Khuff組氣藏中氦氬同位素的分析數據，不能進一步佐證二氧化碳的來源。

3.1.3 N2來源

關于地層中N2來源，目前研究表明主要分為有機成因和無機成因2大類，其中有機成因包括：未成熟階段的烴源經微生物氨化作用，成熟、高成熟階段烴源經氨化作用和過成熟階段有機質經熱裂解作用。無機成因包括：大氣來源（淺層地層水循環帶入地下）、巖漿火山活動和地幔來源，其判識標準主要依據含N2天然氣組分及同位素組成[19-21]。

表2 ST-19井Khuff組CO2同位素分析結果表

大氣源的N2產生在淺層水循環作用帶，特征為：N2/Ar≤84，δ15N≈0。

地殼深部和上地幔源的原生N2，特征為：δ15N≈-2‰～1‰，伴生的Ar的40Ar/36Ar＞2 000和He的3He/4He＞10-6。

微生物反硝化作用形成的N2，特征為：δ15N＜-10‰，地下水中NO3-和NO2-濃度異常高。

未成熟沉積有機質經微生物作用形成的N2，特征為：δ15N≈-10‰，伴生的CH4的δ13C＜-55‰。

成熟（包括高成熟）沉積有機質經熱氨化作用形成的N2，特征為：δ15N≈-10‰～-1‰，伴生的CH4的δ13C值介于-55‰～-30‰。

經成熟沉積有機質裂解產生的N2，特征為：δ15N≈5‰～20‰，伴生的CH4的δ13C在-30‰～-20‰。

沉積巖中無機固定氮在高溫變質條件下釋放出的N2，特征為：δ15N≈1‰～3.5‰，且N2/ Ar≥84。

根據阿聯酋北部海域Satah油氣田ST-19井Khuff組天然氣中N2同位素測定值：δ15N＝-0.4‰，甲烷的同位素δ13C為-35.29‰，分析N2來源只有2種可能：①無機成因，來自于深部地幔；②有機成因，是烴源巖過成熟階段有機質經熱氨化作用生成的。

目前尚未收集到阿聯酋北部海域Khuff組氣藏稀有元素的測量數據。根據區域地質資料分析，Khuff組中N2可能是無機成因，受晚期扎格羅斯構造運動（距今約30 Ma前的古近紀時期）的影響，深部大斷裂復活，從深部地幔運移至Khuff組中[18]，但要最終確定Khuff組天然氣中N2的來源，需要開展其稀有氣體Ar和He的同位素分析。

3.2 非烴氣體分布預測

阿聯酋二疊系Khuff組普遍含有大量的非烴氣，如何預測非烴氣體的分布范圍對于Khuff組天然氣下一步的勘探具有重要的意義。綜合分析來看，Khuff組氣藏中的H2S主要是由于硫酸鹽巖的TSR作用產生，H2S的分布主要與石膏含量、分布范圍及地層埋深（地層溫度）密切相關；CO2主要是來自地幔，同時也受到TSR作用的影響；N2的來源目前認為最可能來自深部的地幔，但需要稀有氣體Ar和He同位素分析結果證明。區域研究結果表明，二疊系Khuff組沉積相帶展布呈北西—南東的條帶狀展布，西部為阿拉伯地盾，東部為古提特斯洋深水環境，阿聯酋海域基本上都處于碳酸鹽巖蒸發陸棚相[7-8]；構造上，Khuff組北淺南深。因此，根據區域地質資料、現今Khuff構造埋深，綜合考慮古構造、石膏含量、基底斷裂等因素，以各構造單井測試數據為“硬數據”編制了阿聯酋海域Khuff組氣藏中非烴氣含量分布圖（圖5）。

總的來看，阿聯酋海域Khuff組氣藏中非烴氣體在東北和東南最高，西南偏高；西北最低，為有利的勘探區域。

4 結論

1）阿聯酋北部海域二疊系Khuff組氣藏中含有大量的非烴氣，其中H2S主要來自烴類與硫酸鹽巖礦物的TSR作用；CO2為無機成因，主要是來自于深部的地幔；N2可能是晚期受波斯灣盆地扎格羅斯構造運動影響，由于深部斷裂復活，從深部的地幔運移而來。

2）綜合多種資料，分析認為阿聯酋北部海域二疊系Khuff組氣藏中非烴氣體主要分布在阿布扎比的東北和東南海域，其次為西南海域，西北海域最低，為下一步的有利勘探方向。

圖5 阿聯酋Khuff組天然氣非烴氣體分布圖

3）目前的資料還不足以對Khuff組氣藏中的非烴氣來源做出準確的判斷，需要進一步開展更多氣田的天然氣同位素、稀有元素含量和同位素分析。

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（修改回稿日期 2016-09-12 編 輯 羅冬梅）

2040年前中國天然氣需求量年均增速將達4.6%

國際能源署日前發布《2016年世界能源展望》，預測中國的天然氣需求量將以年均4.6%的速度增長，從2014年的1 880×108m3增長到2040年的6 050×108m3。

印度的天然氣需求量到2040年時將達1 890×108m3(年均增速5.2%)，東南亞地區的天然氣需求量到2040年時將達2 670×108m3(年均增速1.8%)，日本的需求量同期卻會以年均1.1%的速度下降至960×108m3。此期間俄羅斯的天然氣需求量預計不會發生變化。

與2014年9 410×108m3的數量相比，北美地區2040年時的天然氣需求量將增至1.1×1012m3。按照國際能源署的預計，2040年世界天然氣需求量將達5.2×1012m3，較2014年的3.5×1012m3增加近50%。

根據上述報告，較之于2015年，俄羅斯天然氣產量至2040年將增長19.2%，達到7 580×108m3。2020年該國天然氣產量將達6 360×108m3，并將繼續以每年提高0.7%的速度增長。該機構預計，2025年俄天然氣產量將達到6 680×108m3，2030年為6 980×108m3，2035年為7 300×108m3。根據俄羅斯能源部的數據，2015年俄羅斯天然氣產量為6 355×108m3。

該報告還稱，北美天然氣產量全年平均將增長1.1%，至2040年將達到1.239×1012m3。沙特阿拉伯將把天然氣產量每年平均提高2.1%，而2040年將達到1 480×108m3。伊朗的天然氣產量每年將增加2.3%，2040年將達到3 160×108m3。與此同時，歐洲的天然氣產量至2040年將平均每年下降1.4%，2040年將僅為1 780×108m3。

根據國際能源機構的預測，至2040年世界天然氣產量將從2014年的3.5×1012m3提高至5.2×1012m3，平均年產量增長將達到1.5%。同時，天然氣的全球需求量到2040年將上升近50%。

（天工 摘編自天然氣工業網）

Genesis of and distribution prediction on non-hydrocarbon gas in the Permian Khuff Fm gas reservoirs in UAE sea areas

Chen Jie1,2, Zhang Jian3, Cheng Xubin1,2, Huang Wenming1,2
(1. Geological Exploration & Development Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610051, China; 2. CNPC International Natural Gas Technology Center, Chengdu, Sichuan 610051, China; 3. CNPC International Company, Beijing 100034, China)

In the sea area of northern UAE, the gas reservoirs of Permian Khuff Fm contain abundant natural gas resources, as well as a large amount of non-hydrocarbon gas (e.g. CO2, H2S and N2) which is distributed quite unevenly, so the natural gas exploration and development in this area is seriously restricted. In this paper, the genesis of non-hydrocarbon gas in this area was first investigated after the regional geology and geochemical characteristics were analyzed. It is shown that H2S in Khuff Fm gas reservoirs is mainly generated by the thermal sulphate reaction (TSR) in the strata; that CO2is of inorganic origin, and it is mainly derived from the deep mantle and is also affected by TSR; and that the genesis of N2is not confirmed definitely. It may be derived from the deep mantle or generated from the overmature organic materials under the effect of thermal-cracking ammoniation. Then, according to the single-well non-hydrocarbon gas content in this area, together with the research results in paleo-structure evolution and regional sedimentary facies, the distribution range of non-hydrocarbon gas was discussed, and the distribution prediction map of Khuff Fm non-hydrocarbon gas was plotted. It is concluded that non-hydrocarbon gas is mainly distributed in the sea areas of northeastern and southeastern Abu Dhabi, and secondarily in the sea area of southwestern Abu Dhabi. The non-hydrocarbon gas content in the northwestern sea area is the lowest, so this area is the favorable region for the next natural gas exploration; and that analysis of Khuff Fm rare gas content and isotope should be strengthened so as to determine the genesis of non-hydrocarbon gas more accurately.

UAE; Permian; Khuff Fm gas reservoir; Non-hydrocarbon gas; H2S; CO2; N2; Thermal sulphate reaction (TSR); Origin and genesis

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.003

陳杰等.阿聯酋海域二疊系Khuff組氣藏非烴氣體成因及分布預測.天然氣工業，2016, 36(11): 21-27.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.21-27, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

中國石油重大科技專項“中國石油海外油氣上產2億噸開發關鍵技術研究”（編號：2011E-2501）。

陳杰，1980年生，高級工程師，碩士；主要從事碳酸鹽巖油氣藏地質綜合研究工作。地址：（610051）四川省成都市建設北路一段83號。ORCID: 0000-0001-6701-4659。E-mail: chenj-sc@cnpc.com.cn