海洋油气化探研究进展

第18卷第1期中国海上油气Vol.18 No. 12006年2月CHINA OFFSHORE OIL AND GASFeb. 2006 ，海洋油气化探研究进展吴传芝程同锦朱怀平徐文明.陈荣林(中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所)摘要海洋油气化探技术自20世纪50年代末以来,经过数十年的发展,在取样设备、分析测试方法及应用指标等方面,已经趋于统一与规范,形成了比较完善的技术体系,成为海洋油气风险评价的重要辅助方法。海洋油气化探研究的主要进展包括:在采样与分析方面，完善了海水嗅探器与采样管岩心采集装置.建立了以惰性气体脱气法和活性炭吸附脱气法为主的海水脱气方法,成功地研制出海底沉积物气态烃现场检测与分析装置;在应用指标方面，已从初期的以海水轻烃指标为主,发展为海水轻烃指标与海底沉积物各项指标并重的一套方法系列。在目前的海洋油气化探中，海水嗅探器测量与海底沉积物岩心分析是广泛采用的做法,两种手段相结合可为确定海上含油气远景区、识别海域油气系统特征等提供重要信息。关键词海洋油气化探 技术方法海洋钻探耗资巨大，故海域尤其是深水区钻井基作用。此后,美国其他一些油气勘探公司研制出资料迄今仍十分缺乏。在这种情况下,以烃类浓度多种类型海水嗅探器装置,如D. R. Schink等报道及烃类蚀变产物为主要测量对象的油气化探技术已的底层水取样器、得克萨斯农工大学的嗅测系统.以成为评价海.上油气远景的重要辅助手段。经过数十及J.J.Sigalove等报道的嗅测仪等。海水嗅探器装年的发展.海洋油气化探技术在样品采集、脱气处置的不断改进促进了海洋油气化探工作的蓬勃开理、分析测试、指标选择等方面得到了不断完善,已展。到20世纪60、70年代以油气勘探为目的的海成为-种较为成熟的油气勘探技术。尤其是在与地水烃浓度检测活动进入高潮期,几乎每-家较大的震、地质资料结合应用时，油气化探技术在海上含油美国石油公司都参与到海水烃浓度检测之中1.2]。气远景区筛选、干构造排除、地震探明构造含油气性20世纪70年代以来，海底沉积物岩心采集技判识及地下油气系统研究等方面均发挥了重要作用。术获得了快速发展，该技术可以有效地采集符合地球化学分析要求的海底沉积物样品,为海底沉积物.1海洋油气化探技术概况地球化学分析奠定了基础。目前,海底沉积物地球化1.1国外海洋油气化探技术发展历程学分析已成为海上油气化探不可缺少的组成部分。应用油气化探技术寻找海洋油气富集区块始于总体上看,20世纪60年代以来国外海洋油气20世纪50年代后期14。1957 年,R. L. Slobad,H.化探测区几乎遍及世界各大近海区。北海、墨西哥F.Dunlap与T.F.Moore提出“通过圈定海上油气湾、圣巴巴拉海峡、阿拉斯加湾、非洲西部近海及南美渗漏区进行石油勘探”的地球化学勘探技术,首次提洲近海区域都是海上油气化探研究进行得非常集中出用烃类嗅探器测量系统对海水烃浓度进行检测，的地区。美国一些油气勘探和研究机构,如海湾石油该系统于1959年获得专利[1.2。尽管当时的海水烃公司、勘探技术公司、得克萨斯农工大学地球化学和浓度检测系统在取样深度、检测对象及分析技术等环境研究组、国际地球化学服务公司及地球卫星公司方面均存在较大缺陷.但当初海水烃浓度检测系统等,在海洋油气化探方面做了积极的探索,这些机构的研制成功还是开创了海水烃浓度现场检测的先在不同海域利用海水溶解烃、海水游离烃、海底沉积例,对海洋油气化探技术发展与应用起了积极的奠物吸附烃及海面油膜近海面空气等分析介质,研究第18卷第1期吴传芝等:海洋油气化探研究进展23了海洋环境中烃浓度与地下油气之间的关系1.2)[1.51。以轻组分为主，表明区内应以寻找天然气和轻质油1.2 我国海洋油气化探技术发展历程为主。南海各测区轻烃组分以甲烷为主.干燥系数我国海洋油气化探研究最早可追溯到1974年，均大于90%,芳烃以轻组分为主，表明区内应以天当时仅作了少量海底沉积物地球化学研究工然气和轻质油为主要勘探目标[13]。作[46]。此后,原地质矿产部石油地质海洋地质局“九五”与“十五”期间,我国海洋油气化探领域石油地质综合大队101队分析了渤海、黄海及东海取得了一批引人注目的新成果。国家863计划“海海底沉积物吸附烃(甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁底矿产资源的地球化学快速探查技术”课题组研制烷总烃及重烃)的分布特征,探讨了吸附烃的来源成功自控海底沉积物振动式化探柱状采样器、气态及其影响因素门,为我国海洋油气化探技术的研究烃现场检测传感器、脱气及混合气体分离装置和海与应用作了有益的尝试。洋油气烃类数据实时处理显示软硬件系统。海底振20世纪80、90年代是我国海上油气化探技术动式化探柱状采样器实现了钻具链条起拔和实时监获得快速发展的时期，在东海、南海、黄海、渤海、台控;气态烃现场检测传感器及混合气体分离装置可湾海峡等区域进行了不同程度的油气地球化学研究在测量现场对甲烷、乙烷、丙烷及氢气进行检测,检工作E5.46.7],其中东海和南海是我国海上油气化探测极限达到10~*,灵敏度大大高于国内外现有气态工作进行得最为集中的地区。烃传感器的灵敏度。该检测系统实现了海洋油气化国内海洋油气化探的早期实践多通过国内外合探数据的现场实时处理、显示和异常圈定，已在渤海作的方式进行。20世纪80年代初,原地矿部上海.油田试验成功,并在国土资源部南海北部天然气水海洋地质调查局与西德联邦地学与矿产资源研究院合物资源勘查项目中得到成功应用[1+.15]合作.在东海西部瓯江凹陷进行了海底沉积物吸附2海洋油气化探采样设备的完善烃分布特征及甲烷稳定碳同位素分布特征调查;90年代初，上海海洋地质调查局又与美国菲利浦石油海洋油气化探技术应用的难点是如何获得符合公司以及原地矿部石油化探中心等机构合作，先后要求的样品.海水与海底沉积物原始样品的采集及在东海西湖凹陷平湖、玉泉、迎萃轩、保俶斜坡等地脱气技术在海洋油气化探实践中至关重要。几十年区开展了油气化探工作E06.8-10]来,不论是海水嗅探器检测装置还是海底沉积物取南海的油气化探工作开始于20世纪80年代中样装置,都获得了极大的改进。采样装置性能的改期[0]。中科院南海海洋所、原地矿部广州海洋地质进大大提高了样品采集质量,而样品采集质量是海调查局在南海珠江口等盆地开展了化探概查[10] ,迄上油气化探技术成功应用的基本保证。今已完成南海北部6个航次、南沙海区5个航次的2.1海水嗅测系统的发展与改进工作,评价了5个盆地的27个构造11。值得指出嗅探器测量系统是一种集样品采集与分析为一的是,南海海域的油气化探工作采用了--些独特的体的海水烃浓度现场检测系统。嗅探器测量技术依方法,如开创了与物探同步的走航式海水、海面大气靠嗅探器取样装置和测量船上的脱气、分析、处理设汞量测量[12],而对烃浓度的检测也采用了新的做备共同完成海水烃类组分和浓度的测试。测量系统法，即在同一测点对海底沉积物、不同深度海水、海面一般用拖于测量船尾部的取样装置采集海水样,海大气进行“立体采测”.获得了异常扩散模式信息"。水样通过缆绳传送至船上进行分析。自20世纪50通过海洋油气化探实践，初步了解了东海、南年代末研制成功以来,这种海水现场取样与分析系海、黄海及渤海等主要近海区域的油气地球化学特统一直处于不断地改进之中。虽经由于不同研究者征.确定了各测区的油气远景及主要勘探目标。例的改进出现了多种海水嗅测系统，但90年代前的各如，东海陆架盆地测区烃类指标呈中等偏高丰度,湿种嗅测系统总体结构类似,一般均包括拖于水下的度系数低,甲烷碳同位素接近过成熟气的范围,芳烃嗅探器取样装置和测量船上的脱气装置、分析测试1) MACD0NALD I R,REILLY J F,Jr. GUINASSO N L.Jr. et al. A remote-sensing inventory of active oil seeps. Northern Gulf ofMexico. AAPG Hedberg research conference :Abstracts.1994.24中国海上油气2006年设备及其他辅助性设备(图1)[16]。取样、拍照并作记录,然后通过丢弃采样器附带的重物而获得浮力,从而自行返回海面。海底沉积物采海水C总烃样器大多存在着某些难以克服的缺点.例如,小型抓脱脱出的口CrC口-[船上计算机取样点位置斗往往不能取得有代表性的底质样品,而在样品提CC,C]8DC]往海面的过程中又会损失一些细粒物质;拖网类采↓L -同位素密封命一+[密封达管基地分析持水L]样器除存在上述技术缺陷外,只能采集表层沉积物样品;自由投放式采样器往往难以回收。在各种采， 底层水泵(“鱼“形嗅探器)样器中,只有采样管能较好地解决上述问题。采样{渗漏烃管采集的是柱状岩心样，它有效地避免了样品在提图1典型的嗅探器装置测量流程图[10]往海面的过程中受到海水冲刷。因此,采样管的改90年代初，研制出一种取样原理与分析方法完进与完善得到了普遍的重视[18]。全不同的海水烃浓度现场检测系统,即“海水甲烷测20世纪70年代以来,采样管获得了极大的改量系统"(MEDUSA)。该系统的主要部件是气体解进,迄今已研制出各种类型的采样管。按插入底质吸室和光学分析室(图2)。气体解吸室通过用微孔的动力性质,采样管已从初期的重力式和活塞式发聚丙烯纤维编织而成的半透膜.在载气的驱动下,对展为重力式、冲击式、锤击式、振动式、扭摆式、回转海水中的甲烷进行脱气。依靠半透膜材料的疏水性式和振动回转式等多种类型[920。我国新近研制与较小的网孔直径(小于1 pm) ,将海水阻止于纤维成功的自控振动式海底柱状采样器具有自成体系的;网之内,而海水中的挥发性甲烷气体则可随载气透钻具下降和提升功能,可通过实时监控系统实现对过纤维网的孔隙扩散出去。当海水以6 L/min的速采样过程的自动控制[5],这一成果是对振动式取样度流动时,甲烷的解吸效率可达60%~70%。解吸器工作性能的巨大完善。出的甲烷气体由载气携带进入光学分析室。采用激采样管能较好地采集海底沉积物柱状岩心样，光辐射吸收法对甲烷气体进行定量分析[17]。使样品的层理基本不受扰动，所采样品可用于粒度分析、成分分析和微古分析[20]。这类样品能满足海分析室底沉积物烃浓度地球化学检测的需要,因此采样管成为海上油气化探中底质取样的首选工具。|混合气体3脱气方法与分析测试技术的发展解吸-----_救气不论研究介质是海水还是海底沉积物,原始样品图2 MEDUSA 测量系统工作原理(据文献[17]修改)的脱气与分析都是海上油气化探技术应用的关键。MEDUSA测量系统一改常规嗅探器装置必须3.1 海水样品的脱气与分析将海水抽至测量船上进行脱气处理的传统做法,实在最早的嗅探器测量中,海水样脱气采用真空现了海水样品取样与脱气的一体化，有效地避免了离析法,脱气效率只能达到50%,且脱出的主要是海水中气体在运输过程中的可能损耗,是海水现场甲烷。20世纪60、70年代,在海水样品的脱气方面检测系统的重大改进。但是,该系统也存在-些缺作了许多尝试与努力。1962 年,J. W.斯温纳顿等陷，最大的不足是它只能解析出甲烷和氧，而无力解报道了惰性气体离析系统的首次应用情况。经斯温析出与油气勘探也密切相关的重烃类物质。纳顿等改进后，该脱气系统能够检测出海水中的甲2.2底积物取心工具的发展 与改进烷一丁烷。改进后的系统由一个大型解吸器和两个海底沉积物样品采集作业已有100 多年的历气体捕集器组成,使用惰性气体氦作为载气,可将甲史。早期的海底沉积物样品采集使用可吊至海底的烷和其他轻烃气体分别解脱出来。到60年代后期，各种仪器，如各类抓斗、拖网和采样管等。20世纪空气离析技术对海水样品中气体的解吸效率达到了第18卷第1期吴传芝等:海洋油气化探研究进展25气相色谱分析技术取代红外光谱分析技术,它在一过流|进色流排|密封容器内完成脱气,可以检测出C2以下的各种虑-羊-普-.每a-调口器节件放化合物,检测极限可达10-13(重量)。90年代初，日本国家石油公司和技术研究中心|放大器噪声抑制电路干扰峰研制出海水样的喷射脱气法和吸附脱气法,该方法数字|双积分抑制电路显示-|模数转可有效地脱出海水中的甲烷、重烃(C。-C1n)和芳烃电路换电路|峰值保持电路路记录仪(苯、甲苯、乙苯、二甲苯等)。喷射脱气法通过向海|离线色谱工作站| 在线色谱工作站水样中喷射氦气流解析海水中的烃气,解析效率甲烷为70%、芳烃为20%。脱出气体经冷阱吸附浓图3高灵敏度气态烃传感器装置结构(C1]缩-热脱附两步处理后,用两个气相色谱仪分别分析与常规分析方法相比，气态烃传感器装置还具轻烃和芳烃组分,用另一个气相色谱仪对非烃气体进有另一个突出优点,即它的单个传感器做得很小,可行分析。吸附脱气法是让海水流经装有吸附剂的管以将不同种类的传感器集成在一个芯片上.这样就子,选用石墨碳黑作为吸附剂，成功地脱附出C-可以用一台仪器同时测定多种化学组分和多种参C重烷烃和苯、甲苯、乙苯、二甲苯等芳烃类物质"。数,既提高了工作效率,又便于现场化和自动化([21]。挪威研制出的MEDUSA海水烃浓度检测系统4海洋油气化探方法体系的建立.采用了比较特别的方法。该系统依靠半透膜的作用自海水中直接提取甲烷气体[7].分析原理是甲烷对从分析对象看.针对世界各大海域所进行的油激光的吸收原理。通过激光强度的变化，确定甲烷气化探研究主要是检测海水中的烃类物质和海底沉的压力,从而计算出甲烷量。用这种装置在北海渗积物中的烃类物质及其蚀变产物。此外，近海面大漏区进行检测，检测灵敏度达到3X 10~-"。由于这气测量、海底烃渗漏特征分析也是海上油气化探的种装置只能脱出海水中的甲烷气体和氧气,因此在常见项目。从应用指标看，海底沉积物取心技术的油气化探中未获得广泛应用。快速发展,使海上油气化探分析项目能够像陆上化3.2海底沉积物样品的脱气与 分析探-样测定沉积物的各种组分,改变了早期海洋油海底沉积物样品脱气处理通常采用与陆上油气气化探由海水嗅探器测量-统天下的局面。化探中土壤样品类似的脱气方法。酸解法、热释法4.1烃类组分与浓度指标及顶空气法都是常用的方法。在分析技术方面,除不论是海水嗅探器测量还是海底沉积物岩心测了轻烃气相色谱法，也常使用荧光光谱分析和紫外量，轻烃始终是海上油气化探最为常用的指标,尤其吸收光谱分析。是在国外,由于许多情况下采用海水介质的嗅探器在海底沉积物现场分析技术方面.比较引人注测量,海上油气化探更多地依赖于轻烃指标目的当数我国近期研制成功的便携式高灵敏度气态海洋油气化探除了使用烃浓度指标外,还经常烃现场测定装置。该装置由多个高灵敏度气体敏感使用-些轻烃组分比值指标,如C/(C2 +C3)、C/元件组成的化学传感器、混合气体色谱分离柱、用于2C2+、C2/C2=、C;/C3-、EC4/2C.等来区分油信号保真的电子放大器、电子信号处理器、色谱数据气属性23]。Rice等和Williams等通过分析墨西哥工作站等组成(图3),使用最廉价的空气作载气。湾32个已知海上油气田(包括气田、油田、油气田和它的研制成功，解决了海底沉积物岩心样品船上现凝析气田)所产油气的C2/(C3 + C.)与C/(C2 +场检测的问题。该装置可在船上现场测定沉积物样C,)对数分布图，发现不同类型油气藏所产油气明中的微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的含量，检出限达显分属于不同的区域,并依此建立起区分地下石油、10-",其重现性、稳定性和寿命均符合相关规范要求。热成因气和生物成因气的浓度模型(图4)[24]。该装置及配套的数据快速处理解释系统经2次海上此外,对世界各地62个已知近海测区海水中C与试验(渤海、南海西沙海槽区),证实效果良好[21.22。C/2C2对数分布特征研究也发现了类似的结果，26中国海上油气2006年无油气区的甲烷及重烃均呈低值;含气区的甲烷浓谱、荧光光谱等)、△C、热释汞、氦及甲烷碳同位素等度明显增高;含油区重烃浓度增加525]。这些研究成指标17.28]。总的看来，国内海上油气化探在指标选果为海上油气化探提供了依据。用上,除烃类指标外,热释汞.0C、微量元素、可溶性铁比值(F3+ /Fe+ )等指标的应用相当普遍。在东海●常规泊设的油气化探中,微生物也是-个主要的测量指标([27]。3.00凝析油減| 粤获折气通4.3海底烃渗 漏特征分析2.4圈常规气藏国外海.上油气化探非常重视对海底烃渗漏特征●生物气藏的分析,在墨西哥湾近海区域对海底沉积物中渗漏. 1.8烃浓度与海底麻点、泥火山、碳酸盐岩丘,以及化能心1.2-自养生物群落的分布等均作了大量对比研究。尤其是,对海底化能自养生物群落分布区与油气分布区0.6关系的研究引起了广泛的重视。在墨西哥湾的有关研究发现，海底烃渗漏区与化能自养生物群落具有普遍的共生性[29]。因此,勘探前期分析化能自养生0.6L1.020 3.0 4.0 $'0物群落和含油渍沉积岩石的分布状况,已成为深水loglC;1 (C+C)]图4根据墨西哥湾海上已知油气藏气体成分区油气勘探的一种比较普遍的做法。建立的区分油气属性的模型25结论与建议除轻烃外，芳烃类指标是海上油气化探中的又(1)海洋油气化探技术经过数十年的发展,在一重要烃类指标。目前使用的全扫描荧光法能够半取样设备、分析测试方法和应用指标等方面都已趋定量地估算样品中高分子芳烃化合物的含量(荧光于统一与规范，形成了比较完善的技术体系,现已成强度),并显示芳烃化合物的环数分布。通过对各地为海上油气勘探的重要辅助技术。海洋沉积物样品的荧光特征进行研究,证实了荧光(2)海洋油气化探技术的有效性已在近海海域强度和荧光率在已知背景区与已知含油气区的验证长期实践中得到证实。在现今海洋油气勘探备受重效果[23] ,以及在未知区的预测效果。目前，芳烃荧视的形势下,海洋油气化探技术的应用前景无疑是光分析已成为海上油气化探的主要技术。光明的。此外，重烃的生物标志物分析也是研究海上石(3)海底尤其是深海海底沉积物岩心采集耗资油系统的一种重要方法。-些生物标志物比值特征巨大，因此海洋油气化探的采样网度受到一定的限分析可以提供烃源岩有机质类型、成熟度、烃运移路制。建议取心前充分分析测区的已知地质和地球物径及储集层烃充注方面的大量信息。在地质资料相理信息,尽量将取心范围限定在最可能的烃渗漏区。对缺乏的深水区，重烃生物标志物分析在石油系统.同时,还可利用大洋钻探计划等海上勘探项目采集评价中显得尤为重要。的岩心样品,进行油气地球化学研究。4.2常用间接指标(4)海水样品的嗅探器测量需用缆绳与测量船国外海上油气化探特别注重烃类的组分与浓度相连.致使取样深度因而受到限制，目前取样深度一特征分析.有时也测量海底沉积物微生物和sC等般只能达400m左右。如何对嗅探器系统进行改指标.必要时还会做一些碳同位素和生物标志物分进,使之适应深海区域油气勘探的需要,是今后必须;析，而其他方法则运用较少。国内海上油气化探多加强研究的课题。采用海底沉积物岩心样品,分析项目一般较多。例(5)国内海上油气化探-般多采用海底沉积物如，东海几个区块的油气化探先后检测过烃类浓度样品.极少采用嗅探器进行海水烃浓度现场分析。(包括酸解烃、顶空气、紫外光谱、荧光光谱等)、0C、然而,海水烃浓度分析是比较经济的海上油气化探热释汞、微生物、磁化率、微量元素、F+ /Fe+、碳酸技术,弃之不用十分可惜。在国外海水嗅测系统耗