利用土壤游离烃技术判别油气藏性质及保存条件

周亚龙，孙忠军，杨志斌，张富贵，张舜尧，王惠艳

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质科学院 地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室，河北 廊坊 065000)

利用土壤游离烃技术判别油气藏性质及保存条件

周亚龙1,2，孙忠军1,2，杨志斌1,2，张富贵1,2，张舜尧1,2，王惠艳1,2

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质科学院 地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室，河北 廊坊 065000)

土壤游离烃技术通过直接检测受地表景观介质变化影响小的游离态轻烃异常来获取地下油气信息。塔里木盆地试验区已知油气藏上方具有良好的游离烃化探异常显示，干燥系数在8.40～19.89之间，显示游离烃异常与深部油气的热演化相关。土壤游离烃组分平衡系数、湿度系数、特征系数等指标预测与判断地下油气藏性质的结果与实际地质结果相吻合。近地表游离烃的甲烷/丙烷指标均值高达25～116，由北向南依次增大，说明油气藏埋藏深度依次增大。丁烷异构比和戊烷异构比特征显示雅克拉油气区有机质成熟度最高。结果表明：游离烃的轻烃组分和含量变化特征能够预测与判断地下油气藏的位置、性质、有机质成熟度和保存条件。

游离烃；油气藏性质；保存条件；成熟度；塔里木盆地

0 引 言

油气化探的理论基础是油气微渗漏，烃类组分运移至近地表，导致土壤中烃类浓度出现异常，油气化探通过检测近地表烃类及其衍生物的地球化学异常来预测评价地下含油气情况[1]。根据油气微渗漏的基础理论，近地表土壤烃类主要以3种形式存在[2]：(1)存在于土壤颗粒之间的游离态——游离烃；(2)吸附于细粒物质表面或矿物晶格之中的吸附态——吸附烃；(3)溶解于地下水中的水溶态——溶解烃。土壤样品中解脱出的烃在很大程度上受到次生烃、地表景观、取样介质等因素的干扰，而土壤游离烃的成分与下伏油气藏中油气成分的相似度很高，受地表景观介质变化影响小[3]，利用地表游离气组分特征，可以判别其地下油气藏的性质和保存条件。

1 土壤游离烃测量

1.1 研究区概况

图1 塔北隆起构造单元及游离气采样点位图 (据贾存善汇编，2010)Fig.1 Structural division and location of samples in the north Tarim uplift

研究区位于塔里木盆地北部的一个一级正向构造单元——塔北隆起，是塔里木盆地油气最富集的一级构造单元之一。塔北隆起北临库车坳陷，南与北部坳陷相接，是有利的油气聚集区，发育4个隆起和2个凹陷，分别为轮台断隆、英买力低凸起、轮南低凸起、库尔勒鼻隆、哈拉哈塘凹陷和草湖凹陷[4-5]。塔里木盆地具有多套烃源岩，多个油气系统，生排烃时期长，油气具有多源多种类型的特点，而塔北隆起主要发育寒武系—下奥陶统腐泥型-混合型海相碳酸盐岩和泥岩、中—上奥陶统腐泥型-混合型海相泥岩、石炭系—二叠系海陆过渡相混合型偏腐殖型暗色灰岩泥岩和三叠系—侏罗系湖泊、沼泽相腐殖型暗色泥岩和煤岩4套烃源岩[6]。油气藏的类型主要为凝析气藏和凝析油藏，此外还有原油伴生气。本次游离气样品采集区域主要位于轮台断隆和哈拉哈塘凹陷两个构造单元内(图1)。

1.2 样品采集及分析

游离气样品采集工具采用中石化无锡石油地质研究所研制的“HT-1型地气采集器”。“HT-1型地气采集器”的取气原理是将取气装置钻至所需的地下取气层位，土壤中的游离气经过滤器扩散到集气管中，以螺旋叶片作为隔绝空气的密封圈，用直接排水真空取气法排去毛细管中的空气，从而有效地抽取取气层位中的游离气，密封在盐水瓶中[7]。本次样品采集深度1.2 m以下，共采集100件游离气样品(图1)。样品测试分析以《石油天然气地球化学勘查技术规范》(中华人民共和国地质矿产部行业标准DZ/T0185—1997)和《油气化探试样测定方法》(中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6009.1-9—2003)为标准。在测试工作中，采用空白样、管理样、重复密码样监控、异常点复测等方法保证测试质量。

2 土壤游离烃地球化学异常特征

2.1 地球化学基本特征

对土壤游离烃各指标数据进行统计分析(表1)。研究发现：(1)游离烃轻烃组分齐全，具有C1>C2>C3>C4>C5的含量特征，表明所监测的游离态轻烃组分不是由地表污染或生油岩出露地表等因素引起的；(2)土壤中游离烃气浓度不高，但是其重烃绝大多数被检出，而空气中基本无重烃检出，因此大气对土壤中游离烃气的影响可忽略不计；(3)与塔里木盆地土壤酸解烃数据对比[8]，研究区土壤游离烃各指标含量相对较低，变异系数基本小于1，属于均匀化的地球化学场。

2.2 油气田上方化探异常模式

本次土壤游离烃测量剖面主要跨越了牙哈、雅克拉和塔河3个已知油气区。图2是土壤游离烃试验剖面图。近地表微生物活动对甲烷的生成和消耗具有强烈的倾向性，易导致甲烷与重烃异常吻合度下降，而本次试验剖面上游离烃甲烷和重烃异常吻合度较高，同一测量点，其甲烷和重烃含量变化一致，说明为同一烃源，非生物成因气。

图2 塔里木盆地土壤游离烃地球化学剖面Fig.2 Soil geochemical profile of free hydrocarbon of Tarim Basin

Table 1 The characteristic values of soil free hydrocarbon of Tarim Basin

指标检出率/%平均值X中位数M标准偏差S 变异系数Cv最大值最小值甲烷1004723912480531387195乙烷100046029040087227005乙烯100046027050109297007丙烷100024018018073098005丙烯100038025037098212003异丁烷83004003002057014001正丁烷95010008007069037001正戊烷72003002002064012001异戊烷85005004003067015001重烃/176118152086894036

注：游离烃单位为μL/L。

近20年的塔里木盆地北部地区地表油气化探成果表明：在已知油气藏(田)上方地表化探平面上显晕圈或环状异常、剖面上呈边高中低的异常模式[8-9]。库车坳陷大宛齐油田上方土壤游离烃化探强异常显示的断块是有利的含油断块，地表化探成果成为滚动调整部署的重要依据[10～13]。塔里木盆地游离烃化探异常模式具典型油气化探异常模式特征，即地表平面上在局部构造周围形成断续的环状、半环状异常,同时在某些断裂附近呈线形串珠状异常，且异常强度相对较强。

此次土壤游离烃测量剖面结果表明：研究区已知的牙哈油气田区、雅克拉气田、塔河油田上方土壤游离烃显示明显的地球化学异常，异常范围与已知油气田地质边界相吻合，游离烃甲烷和重烃等指标剖面特征显示，已知油气田上方显示为低值特征，在地下油气田的油水边界或断裂带上方显示烃类高值特征，地表游离烃化探异常模式以环状或半环状异常为主，说明游离烃对地下油气藏具有很好的指示作用。

3 土壤游离烃技术的应用

3.1 油气藏位置、性质的预测

根据油气化探的微渗漏理论，烃类组分运移至近地表，导致土壤中烃类浓度出现异常，而游离烃几乎不受岩性等因素影响，因此地表土壤中监测出的不同含量烃类组分，与地下油气藏关系密切，其组成和含量特征可直接反映地下油气藏的特征和性质[14-15]。利用游离轻烃的组成和含量变化对横向剖面上油气藏的位置、性质作出预测与判断[16]。地下油气藏边界的气水过渡带和控制油气藏的断裂带是烃类物质垂向微渗漏较强的部位，因此土壤游离烃平面上的异常环带反映了地下油气藏的位置。雅克拉凝析气田上方游离烃甲烷指标在构造上方呈环状异常，其范围与下白垩统背斜圈闭凝析气藏的范围较为吻合，凝析气藏边部的气水过渡带是烃类垂向微渗漏较强的部位，重烃指标在凝析气藏上方仍然形成了环状或半环状异常，但烃浓度表现出明显的北高、南低的特征，异常的分布与形态有一定的变化。酸解烃甲烷与重烃在空间展布上的差异，与油气藏上方盖层由西南向北东方向逐渐变薄有直接关系。

利用游离轻烃的组成判断油气藏的成因类型，当干燥系数(C1/(C2+C3))在0～50之间，为深部成因气，当干燥系数大于1 000，则反映地表生物成因特征。测区内该系数均值为8.40，最大值为19.89，表明检测的近地表土壤游离烃与深部油气的热演化相关。

据中国科学院李志明等[17-18]、中石化勘探开发研究院合肥地质研究所李广之等[19]以及孙忠军等[20]的研究结果表明：(1)湿度系数(Wh=100(C2+C3+C4+C5)/(C1+C2+C3+C4+C5))越大，标志着沉积物有机质向石油方面演化的程度越高；(2)平衡系数(Bh=(C1+C2)/(C3+C4+C5))在近代生物地球化学作用强烈的地区高达几百，生油岩和油气浅层地球化学效应地区平衡系数多小于10；(3)对于气藏上方地表而言，Wh值很小，Bh值很大，特征系数Ch(Ch=(C4+C5)/C3)值很小，C1/C4值非常高；对于重质油及中质油油藏上方地表而言，分子量较大的重烃含量较高，C1/C4值较大，Wh值较小，Bh值很大，Ch值较大，轻烃浓度严格按C1—C5的组分顺序递减；凝析气(油)及轻质油层中成熟度较高，C1/C4值很小，而Wh值很大，Bh值很小，Ch值较大，轻烃浓度一般并非按C1—C5的组分顺序递减，相反，C1或C2以后的某些组分的浓度会突然增大。

表2为3个已知油气区的游离烃特征值统计。结果表明：测区1(牙哈试验区)的土壤游离烃特征值显示Wh值相对较大、C1/C4值很小，为凝析油属性，与牙哈油气田以凝析油气为主[21]的地质特征相吻合；测区2(雅克拉试验区)的土壤游离烃特征值则反映为凝析油与轻质油为主的油气属性[22]；测区3(塔河试验区)的土壤游离烃特征值与重质油特征类似，C1/nC4指标异常高，显示油气藏类型含湿气特征，与塔河油田油气藏以重质油与湿气为主[23]的特征相同。

表2 土壤游离烃特征值与油气藏类型关系

3.2 油气藏保存条件分析

据许卫平等[24]的研究，在烃类垂向运移过程中，地层对烃类组分中的重质组分有明显的选择性吸附作用，改变了轻质组分与重质组分之间的比例关系。当油气藏的保存条件相对较好时，烃类物质的垂向运移是一个缓慢的、微弱的过程。盖层对重质烃类组分的选择性吸附作用相对明显，大分子的重烃组分运移至地表的能力相对较弱。近地表采集的样品中轻烃组分/重烃组分指标呈高值特征。当油气藏的保存条件较差时(如油气藏被断层切割并断至浅层甚至地表)，烃类物质将以激烈的、破坏性的形式运移至地表。由于具有良好的运移通道，盖层对重质烃类组分的选择性吸附作用不明显，重质烃类运移至地表的垂向运移增强，近地表采集的样品中轻烃组分/重烃组分指标呈低值特征。

利用近地表检测到的烃类样品中轻质组分与重质组分之间的比例关系，可以反演垂向运移过程中地层对烃类物质的作用过程，提出以甲烷/丙烷指标来定性地判断油气藏的保存条件和埋藏深度。

研究区内近地表游离烃的甲烷/丙烷指标高达25～116，牙哈、雅克拉、塔河3个试验区的甲烷/丙烷指标均值依次增大，说明塔河油气藏保存最好，同时也说明油气藏埋藏深度依次增大，与牙哈油气藏埋深4 900～5 600 m、雅克拉油气藏埋深5 300～6 000 m、塔河油气藏埋深达6 000 m以上的实际油气地质条件[23,25]相吻合。

3.3 利用轻烃iC4/nC4、iC5/nC5值判断有机质成熟度

在有机质未成熟的生物化学阶段，微生物优先消耗正构烷烃，而异构烷烃有较强的抵抗力，导致了iC4/nC4和iC5/nC5呈现高值特征。而在有机质成熟过程中，直链正构烷烃主要通过自由基断裂反应来完成，带支链的异构烷烃则主要是通过碳阳离子反应形成的，并且低温下以碳阳离子为主，高温下以自由基断裂为主。所以，随着有机质成熟度的增加，iC4/nC4、iC5/nC5比值逐渐降低[26-28]。Hunt[29]研究结果表明，有机质在低温阶段容易生成支链烃，而高温阶段则容易生成正构烷烃，在生烃高峰阶段，轻烃中异构烷烃/正构烷烃值减小。因此，可以利用iC4/nC4、iC5/nC5比值来判断烃源岩的有机质成熟度。

研究区iC4/nC4、iC5/nC5比值特征(表3)显示，测区2(雅克拉油气区)烃源岩有机质成熟度比测区1(牙哈油气区)和测区3(塔河油气区)高。这一结论与雅克拉油气区原油(气)来自J1、O、和Z的高成熟—过成熟度烃源岩[22,30]，牙哈油气区原油(气)主要来自白垩系、第三系成熟碳酸盐岩和泥岩烃源岩[31]，塔河油气区则主要是以正常-高成熟的奥陶系油气的聚集为主相吻合[32]。

表3 土壤游离烃iC4/nC4、iC5/nC5特征值

Table 3 The characteristic values of iC4/nC4, iC5/nC5of soil free hydrocarbon

类型iC4/nC4iC5/nC5测区1(牙哈油气区)048030～083068046～083测区2(雅克拉油气区)035025～053055035～085测区3(塔河油气区)052034～077061027～085

注：划线上方数字为平均值，划线下方数字表示最小、最大值范围。

4 结 论

土壤游离烃直接来源于下伏油气藏中的油气微渗漏，受地表景观介质变化影响小，其异常对地下油气藏具有良好的指示作用。塔里木盆地土壤游离烃试验结果显示，直接检测近地表土壤中游离态烃类组分和含量上的变化特征，利用这些变化特征及相关特征指数可直接判断地下油气藏的特征和性质、油气藏的相对保存条件和有机质成熟度。但是土壤游离烃技术与其他化探方法一样，也存在使用上的局限性，因此在油气化探中应该多种化探方法结合地质资料综合分析。

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Application of Soil Free Hydrocarbon to Distinguish Properties and Preservation Conditions of Oil and Gas

ZHOU Yalong1,2，SUN Zhongjun1,2，YANG Zhibin1,2，ZHANG Fugui1,2，ZHANG Shunyao1,2，WANG Huiyan1,2

(1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，Chinese Academy of Geological Sciences , Langfang，Hebei 065000, China;2.KeyLaboratoryofGeochemicalCyclingofCarbonandMercuryintheEarth’sCriticalZone,ChineseAcademyofGeologicalSciences，Langfang，Hebei065000,China)

Soil free hydrocarbon technique by directly detecting free light hydrocarbon anomalies affected by the landscape medium of little influence is introduced to obtain underground oil information in this paper. The known petroleum reservoir has a good show of free hydrocarbon geochemical anomalies in the test area in Tarim Basin, the aridity coefficient between 8.40 and 19.89 of which indicates that free hydrocarbon geochemical anomalies is related to the thermal evolution of deep oil and gas. The underground oil and gas reservoir properties predicted and judged by the balance coefficient, soil humidity coefficient and characteristic coefficient of free hydrocarbon component are consistent with the actual geological results. The average of CH4/C3H8index of near-surface free hydrocarbon from north to south is between 25 and 116,which illustrates that the depth of oil and gas reservoir increases in turn. The feature of the butane heterogeneous ration and pentane heterogeneous ration shows that Yakela petroleum region has the highest maturity of organic matter. The result indicates that the component and the content variation of free hydrocarbon can forecast and judge the location, character, maturity of organic matter and preservation condition of underground oil and gas reservoir.

free hydrocarbon; reservoir property; preservation condition; maturity; Tarim Basin

2016-03-16；改回日期：2016-09-22；责任编辑：楼亚儿。

中国地质调查局地质矿产调查评价专项(1212011120974)；中国地质调查局天然气水合物勘查与试采专项(GZHL20110324)。

周亚龙，男，工程师，1984年出生，石油地质专业，主要从事油气地球化学勘查研究。Email:zhouyalong@igge.cn。

P618.13； TE122

A

1000-8527(2016)06-1370-06