柴達木盆地英雄嶺地區硫化氫形成機理及分布預測

田繼先，趙 健，張 靜，孔 驊，房永生，曾 旭，沙 威，王 牧

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202；3.中國石油青海油田分公司勘探事業部，甘肅敦煌 736200）

0 引言

硫化氫是碳酸鹽巖油氣藏中常見的非烴氣體之一，具有毒酸性和強烈腐蝕性，危害性大。我國含硫化氫氣藏比較豐富，在渤海灣、四川、塔里木及鄂爾多斯等多個含油氣盆地內均發現了含硫化氫油氣藏，絕大多數分布在碳酸鹽巖-蒸發巖地層中，以海相碳酸鹽為主，陸相地層中發現的硫化氫較少［1-3］。近年來，柴達木盆地英西地區針對E32湖相碳酸鹽巖的油氣勘探持續加大，陸續發現了多口日產量超過千噸的油氣井，至此，英西地區成為全盆地油氣勘探的熱點地區［4-5］。2018 年在柴達木盆地英雄嶺地區鉆探的S58 井獲得高產天然氣流，首次發現了硫化氫，其體積分數為1.75%，產出層位為古近系下干柴溝組上段，隨后在附近鉆探的SX58 井也發現了體積分數為2.75%的硫化氫，這一發現給研究區的天然氣勘探和開發帶來極大的安全隱患。因此，開展硫化氫形成機理及分布研究對研究區的油氣勘探具有重要意義。

學者們針對海相碳酸巖地層中硫化氫成因機理及分布等方面做過大量的研究［6-7］，可分為以下3種主要成因類型：硫酸鹽熱化學還原作用（TSR）、微生物活動和巖漿噴發等［8］，但湖湘碳酸鹽巖中硫化氫形成機制方面的研究較薄弱，已發現的含硫化氫氣藏以熱化學成因為主，氣藏分布受膏鹽分布、地層溫度、儲層性質及保存條件等多種因素控制［2］。眾多學者針對英雄嶺地區天然氣的成因、沉積環境、儲層特征以及油氣藏特征等方面均開展過詳細的研究［9-10］，但對于硫化氫的成因研究較少，陳啟林等［11］通過微量元素沉積環境分析、硫酸鹽硫同位素特征和TSR 對儲集層的改善等證據推斷英西地區的硫化氫可能為硫酸鹽熱化學還原作用的產物。在調研這些研究成果的基礎上，筆者通過對研究區的儲層樣品和產出的天然氣進行系統采樣，應用天然氣地球化學、巖石同位素及模擬實驗等多種手段，分析英雄嶺地區硫化氫的成因機理，結合地質特征預測含硫化氫氣藏分布區，以期對柴達木盆地英雄嶺地區下一步天然氣勘探提供借鑒。

1 地質背景

柴達木盆地首次發現含硫化氫氣藏的井（S58井）位于英雄嶺構造帶中部，英雄嶺構造帶位于柴西獅子溝—油砂山—茫崖一帶，受褶皺變形、滑脫斷層、基底斷層和巖性差異等因素的共同控制，該構造帶地層厚度大、圈閉類型多樣，為油氣運移和聚集的優勢區帶，勘探家們在此先后發現了油砂山、獅子溝、英東等高豐度油氣藏［4］。研究區目的層主要是古近系上干柴溝組上段（E32），受盆地演化影響，英雄嶺地區E32時期主要為咸化半深湖亞相沉積（圖1），巖性以灰色—深灰色泥巖、碳酸鹽巖和膏鹽巖為主，地層厚度為1 410～2 250 m，地層埋深自西向東逐漸增大，多為2 400～8 000 m。研究區位于柴西湖盆沉積中心，E32發育了一套優質咸化湖相烴源巖，有機質類型好、豐度高，是柴西富油氣凹陷的主力烴源巖層段［12］。儲層巖性主要為混積的碳酸鹽巖，儲層空間包括晶間孔、各類溶蝕孔洞和裂縫等［9］，少量井的日產油氣量最高可達千噸，大部分井初期日產油氣也在百噸以上，隨后有所遞減，但能長期保持穩產［5］。勘探開發實踐中，將該地區漸新統E32劃分為6 個油層組，淺層鹽間油層組發育較多的鹽類礦物，深層鹽下油層組發育更純的碳酸鹽巖。受寒冷干旱的咸化環境影響，E32時期鹽類礦物在英西—英中地區分布較廣［13-15］，以層狀石鹽（NaCl）和石膏（CaSO4）為主，含少量鈣芒硝和芒硝。膏巖層較為發育，單層厚度變化較大，最厚可達5 m。平面上膏鹽巖呈現局限環帶狀展布，且存在多個次級聚鹽中心，湖盆中心厚度大，向盆緣逐漸減薄，其中獅子溝地區厚度最大，可達200 m 以上，外圍以石膏巖和薄層石鹽為主，包括紅柳泉以東、花土溝地區和干柴溝—英雄嶺中部一帶。

圖1 柴達木盆地西部漸新世沉積相（a）和E32 地層柱狀圖（b）Fig.1 Sedimentary facies（a）and stratigraphic column（b）of Oligocene reservoirs in western Qaidam Basin

2 天然氣地球化學特征

英雄嶺構造帶已發現油氣藏的天然氣分析結果表明，天然氣中甲烷體積分數為78%～91%（表1），輕烴含量較高，以濕氣為主，從西到東干燥系數逐漸變大，表明源巖成熟度增加。非烴含量變化大，英西和英東地區非烴氣體主要是N2和CO2，少見硫化氫，而硫化氫主要分布在英中地區。2018 年，英中S58 井鉆至5 451 m 時發生井噴，日產天然氣達200 萬m3，硫化氫體積分數約為1.74%。鄰近地區新鉆的SX58 井在目的層E32獲得硫化氫，其體積分數約為2.75%，為含硫化氫氣藏，天然氣產量為7.6萬m3/d，產量穩定。碳同位素分析結果顯示，研究區天然氣δ13C2值為-27.0‰～-30.2‰，為典型的油型氣，而代表源巖成熟度指標的δ13C1從西向東逐漸變重，與烴源巖演化趨勢分布一致，并且碳同位素序列為正序列，表明油氣來源單一。由于該區油氣均來自于茫崖凹陷的E32烴源巖，目前僅發現英中地區天然氣中含較多的硫化氫，未來該區的深層鉆井是否產出高濃度的硫化氫對于研究區的勘探部署具有重要意義，因地層溫度越高越有利于硫化氫的生成。

表1 英雄嶺地區天然氣組分與碳同位素特征Table 1 Characteristics of gas composition and carbon isotope in Yingxiongling area

3 硫化氫形成機理

3.1 H2S 成因探討

硫化氫的形成機理主要包括微生物成因、熱化學成因和巖漿成因等3 類［8］。微生物成因的硫化氫一般通過地層還原菌對硫酸鹽的異化還原作用而形成，主要發生在埋藏較淺、溫度較低（0～80 ℃）的地層中，其生成硫化氫的量較小。英雄嶺地區SX58取樣深度為5 502～5 514 m，地層溫度約為181～182 ℃，超過生物還原所需要的溫度，且生物成因的H2S 的硫同位素組成較輕，其δ34S 值一般分布在-10‰～5‰［6］，而研究區的硫化氫中δ34S 值高達32.5‰（表2），因此可以判斷研究區硫化氫為非生物成因。巖漿成因的硫化氫含量極不穩定，柴西英雄嶺地區漸新統沉積地層中未發現巖漿活動，不具備形成巖漿成因的條件。熱化學成因包括烴類熱裂解（TDS）和硫酸鹽熱化學還原作用（TSR），由于烴類有機質中的硫化物含量低，遠不及碳酸鹽中的含硫豐度，因此熱裂解（TDS）形成的硫化氫含量一般較低。雖然英中地區硫化氫含量較低，但硫酸鹽含量較高，地層溫度已經超過裂解成因范圍（大約120 ℃），英西地區具有裂解生成硫化氫的發育條件，但鉆井少見硫化氫氣體，因此英中地區硫化氫來源于熱裂解的可能性較小。我國含硫化氫氣藏以熱化學還原反應（TSR）為主［8］，地層中硫酸鹽與烴類在熱力作用下，發生氧化—還原反應，硫酸鹽礦物被還原生成H2S 和CO2等酸性氣體，TSR 反應實際上是硬石膏一邊溶解一邊被還原的過程，且TSR 的反應速率受控于硬石膏的溶解速度，在烴類發育的硫酸鹽—碳酸鹽地層中，易形成TSR 成因的含硫化氫氣藏。

表2 英雄嶺地區漸新統上干柴溝組天然氣及硫酸鹽中硫同位素組成Table 2 Sulfur isotope composition of gas and sulfate of Oligocene E32 in Yingxiongling area

3.2 TSR 形成條件

圖2 英雄嶺地區漸新統下干柴溝組上段石膏的巖心照片［11］（a）S49-1 井，3 744.52 m，沉積石膏層；（b）S49-1 井，3 742.57 m，沉積石膏層；（c）S38-4 井，3 741.07 m，斑塊狀石膏充填于碳酸鹽巖中；（d）S41-2 井，4 072.53 m，分散雪花狀石膏充填于碳酸鹽巖中Fig.2 Core photographs of Oligocene E32reservoirs in Yingxiongling area

陳啟林等［11］認為，巖石地層發生TSR 反應須具備3 個基本條件：充足的烴類、儲層經歷過較高溫度（大于140 ℃）和膏質巖類發育，在含膏的碳酸鹽巖儲集層中容易形成硫化氫。英雄嶺構造帶E32發育一套優質烴源巖，烴類物質豐富，能夠為TSR 反應提供充注的還原劑，且巖性以咸化背景下的碳酸鹽沉積為主，地層中硫酸鹽含量高，富含石膏層、含膏泥巖和含膏碳酸鹽巖。膏鹽巖以層狀巖鹽和膏巖（CaSO4?2 H2O）為主，含少量鈣芒硝［CaNa2（SO4）2］和芒硝（Na2SO4），單層厚度薄，但累計厚度高達200 m。石膏巖主要呈乳白色，以層狀、充填狀、雪花狀等形式與烴類有機質互層（圖2），單層厚度一般為0.2～4.3 m，累積厚度最大可達87.5 m，為硫化氫的形成提供了物質基礎。溫度是TSR 反應的驅動力，在滿足反應條件的溫度范圍內，溫度越高越有利于TSR 反應的進行，而硫酸鹽熱還原反應（TSR）的最佳溫度為140～200 ℃。柴達木盆地為新生代盆地，地溫梯度較高，地表年平均氣溫取值14 ℃，地溫梯度取值3.5 ℃/100 m，可以計算出S58 井現今產氣層（5 451.18 m）的地溫約為204.8 ℃，英雄嶺構造帶受晚喜山運動抬升較大，在地質歷史時期其所經歷的埋深更大，最大古地溫可能高于該數值，完全具備TSR 形成所需的反應溫度。因此根據TSR反應的特點和條件，結合英雄嶺地區含硫化氫氣藏特征，可以推斷研究區具備形成含硫化氫氣藏的地質條件。

3.3 TSR 反應證據

判斷硫化氫為TSR 成因的證據包括巖石組份、硫化氫氣體同位素、地層水特征等，其中硫同位素是判斷硫化氫成因的重要依據。TSR 成因的硫化氫硫同位素分餾作用較小，通常情況下要比硫酸鹽同位素偏低5‰～15‰，絕大多數為10‰左右，而生物熱裂解成因的硫化氫硫同位素分餾程度較大。本次研究通過采集儲層中的石膏和氣藏中的天然氣，開展了硫同位素分析測試，分析結果顯示（參見表2），英中地區天然氣中硫化氫的δ34S 為29.0‰～32.5 ‰，與相同儲層中石膏的硫同位素組成（δ34S為30.3‰～33.5‰）具有較好的對應關系，而與現代海洋、現代鹽湖及柴達木盆地地表巖鹽中的硫同位素組成［16-17］差異較大（圖3），表明天然氣中硫化氫的硫元素與儲層硬石膏的硫元素具有同源特征，因此可判定天然氣中的硫化氫應為TSR 反應的產物。

圖3 英中地區硫化氫氣體硫同位素特征與其他不同地區蒸發巖對比Fig.3 Sulfur isotope composition of hydrogen sulfide gas in Yingzhong area and its comparison with evaporative rocks in other sedimentary environments

除硫同位素外，碳同位素、干燥系數及CO2含量等也是判斷硫化氫成因的證據之一［8］。由于TSR反應是在高溫驅動下進行的化學反應，伴隨著烴類的氧化其碳同位素組成會逐漸變重，生成硫化氫的同時伴隨著CO2的生成，因此含硫化氫天然氣中伴生的二氧化碳也是硫酸鹽熱化學還原作用的產物。英中地區CO2含量明顯高于英西和英東［圖4（a）］，而且乙烷碳同位素有變重趨勢，表明英中地區硫化氫為TSR 反應的產物。在TSR 反應中，烴類特別是重烴消耗較大，因此TSR 反應形成的氣藏中重烴類含量會逐漸減少，而非烴含量增加，干燥系數增大。英中地區發現的含硫化氫氣藏中甲烷含量明顯降低，而非烴含量明顯增加，干燥系數相對較大［圖4（b）］。因熱演化程度的增加，英東地區干燥系數也較大，但英中地區非烴含量高，干燥系數的增加更明顯，表明研究區硫化氫氣體為TSR 的產物。

圖4 英雄嶺地區天然氣地球化學特征Fig.4 Geochemical characteristics of natural gas in Yingxiongling area

3.4 硫化氫生成模擬實驗

謝增業等［17］利用模擬實驗開展硫化氫成因方面的研究已經取得了較大進展。為了研究英雄嶺地區E32含硫酸鹽烴源巖在一定溫度下能否生成硫化氫氣體，筆者開展了黃金管模擬實驗，所用樣品為圖2 中的含雪花狀石膏泥質碳酸鹽巖，該實驗在中國科學院廣州地球化學研究所完成。將制備好的干酪根樣品在黃金管中加熱，壓力維持在50 MP，采用2 ℃/h 的升溫速率，在設置的不同溫度點測量硫化氫的生成量。實驗結果顯示，含硫酸鹽的烴源巖樣品在高溫高壓條件下不但可以生成大量甲烷，而且可以生成一定量的硫化氫，且隨著溫度的升高，生成的硫化氫逐漸增加，特別是溫度超過400 ℃時，即Ro約為1.2 時，硫化氫開始大量生成（圖5），這些硫化氫的生成與烴源巖中含有較多的石膏礦物有關，為高溫高壓條件下含硫礦物與烴類發生化學反應的結果。該模擬實驗得出了英雄嶺地區E32含硫巖石可以在高溫高壓條件下生成硫化氫的結論，而且溫度越高，生成量越大。

圖5 高溫高壓下甲烷產率（a）和硫化氫產率（b）隨溫度的變化Fig.5 Change of methane yield（a）and hydrogen sulfide yield（b）with temperature under high temperature and pressure

4 硫化氫分布預測

4.1 硫化氫富集的主控因素

英雄嶺地區TSR 成因的含硫化氫氣藏的發現，表明陸相湖盆的碳酸鹽巖同樣易于發生熱硫酸鹽熱還原作用。隨著近年來在英雄嶺地區的重大油氣發現，湖相碳酸鹽巖油氣藏已成為柴達木盆地天然氣勘探的重要領域，科學預測硫化氫的含量及其分布對于該區下一步的勘探部署和生產安全均具有重要意義。TSR 反應形成的硫化氫受膏鹽分布、地層溫度、儲層性質及保存條件等多種因素控制，由于TSR 反應形成硫化氫需要含硫石膏的溶解，所以膏鹽巖地層的分布及其與烴源巖的疊置關系對于含硫化氫氣藏的形成具有重要作用。一般地層中石膏含量越高，越容易形成硫化氫，但當地層中膏鹽巖占比過高、厚度過大，則地層的物性極差，地層中可流動流體無法大面積接觸地層中的各種巖石礦物，反而不利于石膏的溶解和硫化氫的生成。因此，厚度占比低于50%的夾層狀石膏最有利于硫化氫生成，但是硫酸根離子（SO42-）是TSR 發生的基本物質條件，大量硫化氫的形成需要足夠的SO42-，因此石膏含量不能太低。含硫化氫氣藏的形成對保存條件要求苛刻，膏鹽巖不但可以作為形成硫化氫的物質基礎，同樣也是優質蓋層，因此足夠的膏鹽巖蓋層的分布是形成含硫化氫氣藏的重要保障。

溫度是控制硫化氫生成的重要因素之一，溫度越高越有利于TSR 反應的進行，越易形成含硫化氫油氣藏，TSR 的最佳溫度為140～200 ℃。英雄嶺構造帶受晚喜山運動（距今2.4 Ma）影響較大［4］，造成研究區整體抬升，因此現今地溫變化與成藏時期地溫變化一致。古近系油氣藏經歷了3 期充注（圖6），其中中新世末期為主要的生氣期（距今10.8～9.7 Ma），之后地層大幅度抬升。因此，成藏時期E32地層埋深更大，地溫更高，更有利于TSR 成因的硫化氫形成。

圖6 英雄嶺地區古近系油氣藏埋藏史與油氣充注期次（據文獻［4］修改）Fig.6 Burial history and filling period of Paleogene reservoir in Yingxiongling area

儲層物性對硫化氫形成與保存都具有重要的控制作用，含硫化氫氣藏的形成需要較好的儲層條件。儲集空間越發育，烴類和硫酸鹽接觸越充分，TSR 反應面積越大，更有利于硫化氫的生成，同時也有利于硫化氫和二氧化碳等氣體產物通過孔隙運移至目的層聚集，且TSR 的發生進一步改善了儲層的物性［18］，因此含硫化氫氣藏往往形成于孔隙型儲層，而裂縫型儲層很難形成含硫化氫氣藏。英雄嶺地區湖相碳酸鹽巖溶蝕微孔較為發育，特別是石膏、黃鐵礦等溶蝕作用明顯（圖7），增加了儲集空間，有利于TSR 反應的進行。另外TSR 化學反應會造成方解石沉淀，也必然消耗一定量的硫酸鹽，間，有利于TSR 反應的進行。另外TSR 化學反應會造成方解石沉淀，也必然消耗一定量的硫酸鹽，導致硬石膏等礦物被溶解或被交代，從而產生次生孔隙，對改善儲集性具有積極作用［19］。英中地區SX58 井的成像測井顯示，儲層孔洞發育程度明顯好于英西地區，儲層物性更好，TSR 作用更強烈。優質儲層的發育使得英中地區油氣產量也較高，且能持續穩產。

圖7 英雄嶺地區E32碳酸鹽儲層中黃鐵礦被溶蝕現象［11］（a）S41-2 井，4 071.86 m，白云石晶間孔中的黃鐵礦發生強烈溶蝕；（b）S41-2 井，4 071.86 m，黃鐵礦發生弱溶蝕；（c）S41-2 井，4 082.61 m，黃鐵礦發生弱溶蝕Fig.7 Phenomenon of corrosion of pyrite of Oligocene reservoirs in Yingxiongling area

4.2 硫化氫分布預測

含硫酸鹽的碳酸鹽巖儲集層在高溫條件下易形成含硫化氫的天然氣。當地溫超過140 ℃、巖鹽蓋層發育且斷裂發育較少時，含硫化氫氣藏易聚集成藏。英雄嶺構造帶E32以咸化背景下的碳酸鹽巖沉積為主，為柴西地區主力烴源巖層，厚度約2 000 m，自西向東埋深逐漸增大，熱演化程度增加，生烴能力增強，為TSR 反應提供的還原劑增多。黃金管模擬實驗結果顯示，大量硫化氫生成期，烴源巖Ro為1.1%～1.6%，與英中—干柴溝以東地區的烴源巖演化程度相當，因此，英雄嶺地區有利于硫化氫的生成，且目的層膏鹽巖極為發育，以層狀巖鹽和膏巖為主，含少量鈣芒硝和芒硝，地層中飽含SO42-，為硫化氫的形成提供了豐富的物質基礎。縱向上，受水體古鹽度變化的影響，發育多個成鹽期，早期的鹽下地層中，薄層狀的硬石膏發育，單層厚度多為毫米或厘米級，晚期的鹽間地層中，厚層巖鹽發育，單層厚度多為米級，最厚可達5.15 m，為優質蓋層。平面上，受E32沉積時湖底古地貌的影響，湖盆中心主要發育巖鹽，膏巖呈環狀分布，在湖盆周緣的紅柳泉—英中—干柴溝一帶均有分布，并且這一帶溶蝕孔發育，儲層物性以孔隙型儲層為主。

受晚喜山運動整體抬升影響，現今地層在地質歷史時期所經歷的埋深更大，溫度更高，現今地溫變化與成藏時期地溫變化基本一致。從地溫平面分布等值線可以得出，超過160 ℃的地區主要分布在英中以東地區，而英西地區溫度較低，不利于TSR 反應的進行，這也是英西地區油氣藏少見硫化氫的主要原因。英中地區淺層斷裂不發育，巖鹽封蓋性好，有利于硫化氫的保存。英東地區下干柴溝組埋深較大，目前沒有鉆井揭示，但可推測其膏鹽巖不發育，形成硫化氫的難度較大。綜上所述，柴西地區硫化氫主要分布在英中—干柴溝以東地區的鹽下地層中（圖8），而其他地區形成硫化氫的規模可能較小。然而硫化氫的富集受多種因素控制，可能在晚期成藏過程中發生多次運移，形成次生氣藏，由于英中地區勘探程度較低，鉆遇硫化氫的井較少，但硫化氫的產出事關生產安全，值得勘探家們重視和進一步深化研究。

圖8 柴西地區E32巖相平面分布與地溫等值線疊合圖Fig.8 Lithofacies distribution and temperature superposition map of E32 in western Qaidam Basin

5 結論

（1）柴達木盆地英中地區含硫化氫氣藏的發現證實了咸化湖相碳酸鹽巖也可形成含硫化氫氣藏，天然氣組分、同位素及模擬實驗等多種證據表明，英雄嶺地區氣藏中的硫化氫為含硫酸鹽地層發生TSR 反應的結果，且溫度越高，生成量越大。

（2）柴達木盆地英雄嶺地區E32發育烴源巖和膏鹽巖，且具有較高的地溫條件，地層的儲集空間較發育，為硫化氫的生成提供了基礎條件，且TSR作用進一步改善了儲層的物性，有利于硫化氫的富集。

（3）柴達木盆地英雄嶺地區硫化氫的富集受膏鹽分布、地層溫度、儲層性質及保存條件等多種因素控制，英中—干柴溝地區的鹽下地層是硫化氫富集的優勢區。