油气藏中烃类微渗漏与特态矿物形成

油气藏中烃类微渗漏与特态矿物形成
甘贵元;余瑞娟;崔俊
【摘要】油气藏中烃类组分,尤其是轻烃(C1-C5)和非烃组分H2S、CO2、H2、CO等,沿沉积地层中孔缝系统向地表方向微渗漏,引起油气藏上方岩石中孔缝系统化学环境改变,微渗漏的烃类组分与孔缝系统周围的岩石组分相互作用,形成特态矿物.目前,已发现具实际应用价值的特态矿物是黄铁矿、磁铁矿、磁黄铁矿和褐铁矿,其形成的物质是来源于油气藏的H2S和沉积地层中的二价铁.特态矿物主要分布于油气藏上方沉积地层中,因此可用于油气勘探中.特态矿物法的最大特点是,可以对钻井尚未钻到的下伏地层中是否有油气层存在作出判断,对含低阻油气层的老探井进行含油气性重新评价.
【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2005(026)006
【总页数】4页(P707-710)
【关键词】油气勘探;烃;特态矿物;分布;特征
【作者】甘贵元;余瑞娟;崔俊
【作者单位】中国石油,青海油田分公司,勘探开发研究院,甘肃,敦煌,736202;中国石油,青海油田分公司,勘探开发研究院,甘肃,敦煌,736202;中国石油,青海油田分公司,勘探开发研究院,甘肃,敦煌,736202
【正文语种】中文
【中图分类】TE122.1
1.1 油气藏中烃类的微渗漏
Price（1986）在对近地表石油勘探方法进行广泛、深刻的评述后，得出结论，“烃类微量渗出的存在是毫无疑问的。

同样这个事实也是无疑的，即它能导致清楚地圈绘出烃类矿床的地表踪迹的异常。

毫无疑问，地球化学勘查可以而且已经是强有力的石油勘查手段。

”Prison S J（1982）将油气藏中烃类“垂直”向上渗漏称为“烟囱效应”。

实际上，烃类的垂直向上渗漏中还伴有非烃组分（H2S、CO2、H2、CO等），不只是油气藏中的烃及非烃组分向上渗漏，油气尚未富集成藏但
有一定程度的积聚后同样产生烃及非烃组分向地表方向的垂直迁移。

这些组分向上渗漏的数量一般在油气藏边缘较中央大，近油气藏处较远处大。

由于烃及非烃组分向地表的“垂直”渗漏，是通过上覆岩层中孔缝系统来进行的。

因此使孔缝周围的某些金属元素被还原，结果在油气藏上方形成了一个由孔缝系统构成的次生“还原柱”。

1.2 烃类微渗漏晕
在渗漏的烃类及非烃组分的作用下，油气藏上方岩层中的氧化还原电位（Eh）、
酸碱度指标（pH）以及岩石的矿物成分均发生变化。

在油气藏上方有烃及非烃组
分渗漏的地带，pH值一般要比外围背景值高出15%～20%.随着深度加大，pH值平均由6增大到9. pH值变化时改变了Eh指标，在油气藏上方的地层剖面上部，Eh值低于背景值，并且沿含油气边缘（在近垂直带上方）该Eh值降低可达23%～25%，而在中心部分（油气藏上方），则为4%～10%，这使得形成的矿物是环带状分布。

随着深度的加大，Eh值变小。

向地表“垂直”渗漏的烃类（CnHm）主要是在常温下呈气态的轻烃（C1—C5），轻烃分子较小而动能较大，渗漏能力强，尤其是甲烷（CH4）。

李鹤庆通过对塔
里木盆地、松辽盆地等含油气盆地岩屑酸解烃的井中化探研究，找到了确凿的烃类垂向运移十分明显的形迹：除甲烷外，其他组分（C2—C4）从油层或气层向上逐
渐降低，湿度比（Qh=m（C2）/m（C1）和m（C3）/m（C1× 103）等比值曲线自油层或气层向上递减[1]。

同气态烃类同时向地表微渗漏的非烃组分主要是H2S、CO2、H2、CO等，这些
非烃气体组分的来源有两种途径：一种是本身就存在于石油和天然气中，随着烃类渗漏而一起渗漏；另一种途径是来自大气水中的厌氧细菌以油气中的烃类为食物分解产生。

主要由气态烃及非烃组分构成的从油气藏向上方地层中的微渗漏，可诱发形成主要分布在油气藏上方的各类次生矿物，以及地表土壤吸附烃晕、霸状晕、热异常晕、红层褪色化晕、低价铁富集晕、粘土化晕、碳酸盐岩矿化晕、地植物异常晕和放射性晕等“烃类微渗漏晕”。

1.3 烃类微渗漏可诱发形成的次生矿物
由烃及非烃组分向地表的“垂直”渗漏，引起其通过或充填的孔缝系统发生的物理-化学环境的改变，可以形成氧化硅、氧化铝、方解石、菱铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿、胶黄铁矿、磁铁矿、褐铁矿、白铁矿、硫磺等次生矿物。

Donovan等（1979）认为，油气中烃类的长期微渗漏是近地表沉积层及浅层土壤中产生蚀变带及形成次生磁性矿物的主要原因[2]。

他认为，来自大气水中的厌氧
细菌以石油中的烃为食物，可分解产生大量硫化氢（H2S），并与岩石中的铁反应形成黄铁矿和二价氧化铁，二价氧化铁再与未蚀变的赤铁矿结合便形成次生磁铁矿，为磁法找油气奠定物质基础。

美国地质调查所的Reyoids R L等对Cement油田范围内几个采石场中沥青样品
的研究，发现这些样品中的磁黄铁矿与富集的黄铁矿共生,表明其磁黄铁矿的形成
是油气藏中烃及非烃组分渗漏的结果，因为它们仅在含油气层上方的岩石中出现。

Mccabe研究了美国伊利诺斯和密西西比州两个采石场沥青样品发现它们具有很强的磁性，强磁性载体为沥青样品中的磁铁矿。

有机地球化学分析结果表明，磁铁矿
源于依附在原油中微生物的降解作用。

因此，他们推测，可能在油气藏上方的整个地层剖面中都可发生次生矿物的形成作用。

在下部地层中，特别是在近垂直带，可以见到氧化硅、氧化铝的形成，再向上则出现方解石、菱铁矿等。

特别有意义的是含有原生铁化合物（如赤铁矿Fe2O3）的上部陆源沉积（深度达l.5～2.0 km）,在烃类的作用下，这些沉积中可以形成各种不同的磁性矿物（磁铁矿Fe3O4、黄铁矿FeS2、胶黄铁矿Fe3S4等）以及非磁性矿物黄铁矿FeS2、菱铁矿FeCO3等）。

在地表气候条件干燥的地区（如柴达木），烃及非烃组分渗漏达含石膏的地表时，还可以在裂缝系统中形成硫磺。

在Eh比值大于零的岩石的孔缝系统内，由于烃及非烃组分渗漏作用所产生的黄铁矿、磁黄铁矿,在周围岩石氧化环境的影响下，氧化并同时水解，发生褐铁矿化作用，生成褐铁矿［Fe2O3·nH20］[3]。

油气藏中烃及非烃组分微渗漏作用，不仅导致其上方地层岩中与之有关联的次生矿物形成，还导致某些区域性分布的矿物，在油气田范围内产生某些性质的改变。

在美国俄克拉何马州Velma油田上方，胶结物为碳酸盐+黄铁矿，油田范围之外上覆地层中则为赤铁矿+针铁矿+碳酸盐，可见碳酸盐胶结物分布是区域性的。

Barker C E等对其区域性分布的碳酸盐胶结物进行阴极发光显微镜分析时发现，Velma油田产油区上方地层岩石的碳酸盐胶结物发暗淡光、温和光或不发光，而产油区外砂岩中碳酸岩胶结物则发明亮光。

表明油藏上方的晚期成岩碳酸盐胶结物中微量元素丰度变化与早已被充分证实了的因烃及非烃微渗漏而引起的强还原环境有关，这使得微量金属元素（Fe）增大，Mn略有增大，导致产油区内碳酸盐胶结物阴极发光强度由不发光变为暗淡光或温和光，而非产油区碳酸盐胶结物因贫Fe 而发明亮光[4]。

2.1 特态矿物
为了将油气藏（层）中烃及非烃组分向地表渗漏、逸散过程中，在沉积层岩石孔缝
体系形成的次生矿物与其他来源及地质作用形成的矿物区分开，并利用其有效地服务于石油天然气勘探及油气藏研究，笔者提出特态矿物概念。

特态矿物[5-7]是指由于油气运移、成藏作用过程中及其成藏后的烃及非烃组分向地表“垂直”微渗漏而导致形成的次生矿物，它能够证明下伏地层有无油气存在，确定油气藏形成的时间。

特态矿物概念有如下5个含义：①主要存在于油气藏上方；②主要分布在沉积地层岩石的孔缝体系中；③形成与油气组分活动密切相关或含有可指示油气存在与否的信息；④是次生矿物的一种；⑤从各种特征的综合分析，可提取下伏地层有无油气及油气丰度的信息。

在柴达木盆地，最具实际意义的特态矿物是黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿、褐铁矿。

2.2 特态矿物形成过程
硫化氢与岩石中的含铁矿物发生如下化学反应，形成黄铁矿、磁铁矿等。

在还原环境下：
显然，H2S的产生主要决定了FeS2的形成，而FeS2是磁黄铁矿的主要物质来源（Goldhaber等，1991）。

Sassen等（1989）以Texas州Demon Mound盐丘中碳酸盐盖层岩石及上覆沉积岩中原油普遍渗漏情况为例，探讨了硫酸盐的还原作用与原油的蚀变作用期间磁黄铁矿的形成机制，这是研究与烃类相关的硫成矿作用的极好例子，它为岩石中原油运移、微生物活动及成岩作用磁性矿物之间的联系提供了证据。

他们对盖层岩石中方解石的扫描电镜（SEM）分析结果表明，固体原油残留物、微生物和硫酸盐矿物与亚铁磁性的磁黄铁矿密切相关，也与黄铁矿、闪锌矿、白铁矿密切相关，硫元素与硫酸盐的还原作用，烃的碳同位素与原油烃的微生物氧化作用相关。

而从含磁黄铁矿样品中提取的原油烃类明显较少，则显示受到生物降解作用的蚀变。

C1—C4烃的生物降解作用最为明显，反之，重烃受到水洗作用的浊变最为明显。

在铁的硫化矿物中，硫的来源具有不同的途径，有机、无机机理均可产生硫化物，并可能受烃渗漏带的深度及温度条件的控制。

如在Cement油田，位于二叠系下
部的重硫可能来自储集层中水成硫化物的热化学反应，是由Pennsylvania组或更老地层中硫酸盐矿物的还原产生的。

靠近地表的轻硫—细菌硫化物是在开放的硫
酸盐条件下形成的。

磁黄铁矿只在主要产层以下200～500 m深地层中出现，这
表明了次生硫成矿作用与烃渗漏之间存在联系。

虽然控制磁黄铁矿形成的因素还不很清楚，但它至少与促使黄铁矿含量增高的Eh值的升高或铁与硫化物比值的减少等条件的变化相关。

在柴达木盆地，磁黄铁矿大多出现在硫离子含量较高的含膏盐层剖面上，且在磁黄铁矿的周围一般可观察到稻黄晕，而黄铁矿则多见于含膏盐层或不含膏盐层的砂泥岩剖面上。

上述反应形成的黄铁矿、磁黄铁矿在Eh值大于零的岩石孔缝系统内形成后，受围岩氧化环境的影响氧化并同时水解，发生褐铁矿化作用，生成褐铁矿。

2.3 二价铁和硫化氢的来源
二价铁和硫化氢的存在和持续不断的补给是特态矿物形成的关键。

（1）二价铁的来源在黑、灰和绿色等还原性岩石中，铁离子主要以二价的形式存在。

但在褐色、紫色、红色等氧化性岩石中，铁离子则主要以三价的形式存在，当来自油气藏（层）的烃及非烃组分通过岩石的某些孔缝时，便形成局部还原环境，使围岩表面的三价铁还原成二价铁。

化学反应消耗的与继续反应需要的二价铁则由于质量分数梯度引起的平衡作用和持续进行的还原反应得以补充。

（2）硫化氢的来源石油中含有少量的硫，在适宜的条件下，硫同石蜡族烃相互作用形成硫醇等有机物，其受热后即分解生成硫化氢。

石油发生运移时这种作用增强。

此外，石油中原有的硫化物、硫醇及其他有机硫化物热解也可以生成硫化氢。

例如，在柴达木盆地西部油气区内除七个泉、狮子沟两油田原油的含硫量为
0.3%～0.87%外，其他各油田原油的含硫量为0.1%～0.3%.
天然气中含有硫化氢，也含有少量的有机硫化物（如硫醇、硫醚、二硫化物等），这些有机硫化物热解可生成硫化氢。

天然气中的硫化氢有原生（有机质热解成气的同生物）和次生（硫酸盐还原）两种。

有机质（如蛋白质）分解产物中氨基酸、半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸等均含有硫化物，在温度40～230℃时分解产生硫化氢。

次生硫化氢则由硫酸盐还原产生，形成的是高含硫气藏，如美国得克萨斯气田含硫化氢达98%，我国冀中凹陷赵兰庄气田硫化氢含量达92%，法国克拉气田天然气中硫化氢含量为16%.主要成因是：1t硬石膏（CaSO4）与烃类气体（如甲烷）的化学反应可产生150 m3硫化氢，在硫酸盐与碳酸盐沉积旋回中的油气层中，天
然气中硫化氢含量都高。

原生硫化氢主要出现在陆源砂泥岩沉积旋回的气层内，次生硫化氢主要出现在碳酸盐岩沉积旋回的气层内。

原生硫化氢富集重硫同位素，且与伴生黄铁矿的硫同位素一致，次生硫化氢富集轻硫同位素，且与周围的硬石膏的硫同位素一致。

来自大气水中的厌氧细菌分解烃类产生硫化氢，反应式为
在油气勘探中用特态矿物检测、预测、评价井（或构造）含油气性等的方法，称为特态矿物法[5]。

根据特态矿物是否存在、分布井段长度、出现频度大小、含量高低、集合体大小、集合形态特征等的综合研究，可以得到区域性的、衡量下伏地层含油气程度的标准，该标准即称为特态矿物指示下伏地层含油气性指标，简称特态矿物指标。

特态矿物法在石油天然气勘探和研究方面有如下4方面的应用：①正钻井含油气
性预测；②老探区老探井含油气性重新认识；③获工业油气流井（构造）的再挖潜；
④确定油气田成藏时间。

特态矿物法最大的特点是：①能够对钻井尚未钻到的下伏地层中是否有油气层存在、
油气层可以达到的油气日产量作出判断；②能够对无明显油气层电性特征反映的老探井的含油气性作重新评价，可以确定含油气层段并预测油气产量[6]。

特态矿物主要存在于油气藏上方，其矿物类型、含量、出现频率、连续分布井段大小、集合体类型、集合体大小、交代现象等综合特征，除了与油气藏上方地层岩性和油气藏埋藏深度有关外，主要受油气藏中所含油气丰度（稠油油藏除外）的控制。

因此，用特态矿物的综合特征就可以判断下伏地层的含油气程度[7]。

柴达木盆地西部油气区的研究表明，与烃及非烃组分微渗漏有关的次生铁矿物，在较高至高产油气井中油气层上方500 m以上甚至2 000 m以上的沉积层中就开始连续出现；有数立方米产油量的产层之上、500 m以内井段中也会连续或较连续
的出现。

只见有油气显示或极低产油量的井，其出现的频度很小、连续井段也很小，这对特态矿物法在油气勘探上的应用，展示了广阔的前景。

［1］李鹤庆.油气垂向运移的形迹［J］.物探与化深，1994，18（6）：426-430. ［2］刘庆生.磁法直接找油气研究的现状和进展［J］.地质科技情报，1991，（4）：89-94.
［3］甘贵元.从次生矿物分析实现对下伏地层含油气性的预测——以柴达木盆地
西部为例［A］，石油地质实验技术论文集［C］.北京：石油工业版社，
1997.244-248.
［4］ Barker C E.应用阴极发光资料图示油藏上方成岩作用晕圈中区域性环带状碳酸盐胶结物及其在俄克拉何马州Velma油田的初步效果［A］.王大锐，译.发光显微学和光谱学及其在地质上的应用［C］.北京：海洋出版社，1992. 263-274. ［5］甘贵元.柴达木盆地西部油区特态矿物在油气勘探中的应用［J］.中国海上油气（地质），1999，13（2）：103-107.
［6］甘贵元，孔红喜，余瑞娟，等.用特态矿物法分析柴北缘部分井中潜在油气
层分布井段和油气产量［J］.石油勘探与开发，2004，31（5）：84－85.
［7］甘贵元，孔红喜，余瑞娟，等.柴达木盆地北缘油气区特态矿物特征［J］.新疆石油地质，2005，26（4）：353－356.。