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1、油气田放射性异常模式机理与勘查优势邱 元 德(成都理工学院三系)【摘要】 油气田放射性异常模式及其机理, 是油气田放射性勘查的重要 理论依据。勘查实践表明, 油气田的放射性异常主要为环状式, 有时为 线状式; 顶端式则很少出现。 文章对环状异常的机理作了较详尽的讨 论, 对线状式和顶端式异常也作了说明; 还对放射性方法勘查油气田的 优势作了阐述。 关键词 油气田, 放射性异常模式与机理, 放射性勘查优势分类号P 631. 620 世纪初, 人们就用放射性方法勘查油气田。 但在六七十年代以前, 未能取得实质性突 破。 最主要的原因, 一是油气田的放射性异常微弱, 当时的放射性测量技术难以探测微弱
2、异常; 二是对异常模式与机理认识不清。 70 年代以后, 常规勘探方法成本看涨, 勘探目标复杂化, 成 功率下降。 不少学者对包括放射性测量在内的非常规油气勘查方法, 又积极进行研究与试验。 这时, 由于放射性探测技术和灵敏度有了提高, 对油气放射性异常模式和机理的认识也有了深化, 因而在实际中取得良好效果。 近 10 多年来, 在中国的油气勘查中, 放射性方法也取得令人 鼓舞的成果1 10 。因此, 该技术不但引起许多油气勘探工作者的注意, 也使一些其他专业人员产生了兴趣。 大量事实表明, 放射性方法具有简便快速、 投资少、 效益高、 适合于各种地质条件、 成功率高等优点; 所以在诸多的非常
3、规油气勘探手段中, 许多人把放射性测量作为首选方法。 用放射性方法勘查油气田的理论依据实质上归结为异常模式和机理两个问题。各国地球物理勘查和地球化学勘查工作者通过半个多世纪的不断实践和探索, 把包括放 射性测量在内的油气化探异常模式概括为环状式(即晕状式)、 线状式、 顶端式或焦点式等。 顶端式或焦点式, 即在油气田上方为大于背景的高值异常。 线状式是具有线性走向的高值异常, 多见于断裂或裂隙带控制的油气田上。 环状式是, 油气田周界 (顶端) 的地表值大于背景值、 总 体分布为规则或不规则的环形高值异常; 周界以内则是低于背景的低值异常。 环形异常模式已为大多数人所共识。环状放射性异常的机理
4、该模式主要是以地下各种流体的垂向迁移理论和油气藏及其盖层的屏蔽作用等为基础 的。 根据作者及其他学者的研究成果11 25 , 对此模式的机理作如下讨论。11997202218 收稿。 作者简介: 邱元德, 男, 56 岁, 副教授, 核技术应用专业。1. 1地下水的垂向运移作用 P ir so n (1969) 认为, 放射性异常与地下水的垂向迁移密不可分。由于成岩压实作用产生的 垂向压力梯度比水平方向上大得多, 以及构造运动或岩浆活动等地质作用, 为从地层中排挤出 的自由水和其他地下流体的垂向移迁提供了驱动力。 在油气聚集区, 这种水 (或流体) 发生转折被挤向四周, 进而向上运移, 形成一
5、个垂直流体 “泄漏筒” 。 围绕油气圈闭运移水量大的原因还 可能是, 背斜轴部到翼部转折部位因受压力易产生张扭性裂隙, 含水性好 ( 吴慧山、 林玉飞等,1991)。 地下水中的烃类和包括放射性元素在内的各种盐类, 以及与油气生成有关的微量元素 和水一起向上移动, 在排泄通道上, 随着压力、 温度降低, 运移环境由还原过渡为氧化状态, 水 中的元素不断被吸附沉淀或置换出来。 由于水的垂向流量是油藏上方小而周界大, 从而导致了 地化异常的低值中心和高值晕圈。 早在 1956 年, H am s 和L an db e rg 就提出了上升水的假说。 水在与油气接触中成分发生变化, 硫酸盐还原为硫化物
6、, 使水的溶解能力增强。 水在迁移时溶 解了镭和其他金属元素, 并将它们带到地表, 在氧化环境中形成不可溶的硫酸盐沉淀, 产生放 射性异常。 当油田为断层圈闭时, 由于断层是水和放射性元素储存与运移的良好通道, 所以沿断层运 移的水流量更大, 这时则会出现异常幅度更大的线状式异常。 并且在沿断层走向上都可能有异常显示。 1. 2油气藏及其盖层的屏蔽作用 在油气聚集层内, 地球化学环境有很强的还原作用, 地下水中的铀经过该接触带时被有机 质吸附, U 6+ 还原成U 4+ , 使U 4+ 形成有机化合物而沉淀。原油精炼后的残余物中就有较高的 铀含量。 另外, 油气和水不相容, 油气藏对包括含有放
7、射性元素在内的流体垂向迁移有相当的 屏蔽作用, 使油气田上方表层的放射性降低, 相当于在地表形成一个 “阴影区”; 而油气顶端周 围形成高值环形异常。阻碍地下水向上运移的还有盖层。 地震勘测表明, 某些油田上方的沉积层与远离油田区的 沉积层相比, 由于固结程度较高, 而具有很强的地震波。 这种固结现象, 20 世纪早期的钻工们 就已知晓, 他们把这种情况叫作打 “硬顶” 。1. 3烃类运移假说 在 1985 年 5 月召开的 “第四届国际非常规石油和天然气勘查方法讨论会” 上, P r ice 对油 气垂向迁移机制作了周详的评述, 认为烃类垂向运移, 使上覆岩土产生的物理、 化学变化是大 部分
8、地球化学、 地球物理勘查方法的前提。 烃类微渗逸是垂直上升的超小 (胶体微粒) 气泡形成的。 包括氡在内的胶体气泡作布朗运 动被水向上推移, 其速率可达几毫米每秒, 可以快速地上升数百至数千米。 天然气微气泡透过 油气田上方微裂隙体系上升是造成 C 1 - C 5 烃类微渗逸和产生地表烃类和其他异常的主要原 因。“C ” 对放射性元素的捕获1. 3. 1M o r se 和 R an a (1983) 认为, 土壤和沉积物地球化学性质的改变会捕获和固定水溶性放射 性核素。 烃类气体透过油气盖层向上运移, 或随地下水上移至潜水面附近的氧化还原界面时, 在氧化带内氧化成 CO 2 和水; CO 2
9、 又与土壤中的水及其他盐类转移成次生碳酸盐、 二氧化硅 和氧化铝。 该过程产生的碳酸盐和其他矿物在土壤或沉积物基质中形成了充填孔隙的特殊胶结物, 增加了土壤或沉积物的吸附能力。 来自自由水和孔隙水的放射性元素在此被捕获和固定, 使油气田上方的放射性降低。 这种特殊碳酸盐的确切结构和形成不同于原有的碳酸盐, 其 机制仍未搞清, 故起名 “C ” 。 阎明等 (1992) 认为: 油气田表层沉积物中大量气态烃的存在可使粘土颗粒表面由亲水性 转为疏水性, 削弱了对水溶液中放射性元素的吸附性, 从而在地表形成低于背景值的异常。1. 3. 2地电流使放射性离子向柱形区外迁移 P ir so n ( 19
10、69) 等认为, 生油层中排出的烃类水, 使油气盖层中具有更多的电子, 从而形成 “还原柱” 。 相反, 岩柱周围的岩石因被氧化而缺乏电子。 这样, 岩柱表面就形成了一个与油气 有关的氧化还原电池, 即 “燃料电池” 。此外, 生油层排出的水也含有高浓度的N aC l。这种水的 垂向流动可在油田上方形成 “含盐柱”, 而岩柱周围被较淡的水渗入, 岩柱内外的两种水之间的 含盐度差异可以形成 “电解浓差电池” 。 这两种电池电位源产生的电流是从岩柱外流向岩柱内, 再由岩柱内流向岩柱外, 产生自身闭合的电流线。 当这种电流从岩柱内流出时, 所形成的电泳 作用可使柱形区的铀、 镭、 钍、 钾等离子迁移
11、出去, 从而在地表形成环状异常。1. 3. 3浅部放射性元素地球化学行为的关系铀在浅部氧化条件下呈U O 2+ 形式被沉积物吸附, 若水中含有较多的 CO 2- , 则U O 2+易2322-形 成稳定络合物U O 2 (CO 3 ) 3 , 降低了表层沉积物中放射性元素的含量 ( 阎明、 石玉春等,2+1992)。 油气田上方的烃类氧化成为 CO 2 和 H 2O , 为U O 2 形成络合离子从吸附状态解吸出来 提供了良好条件。1. 4细菌氧化作用 P r ice ( 1985) 认为油气藏上方的细菌与迁移烃类的相互作用是地表地球化学勘查中最重 要的控制因素。并且认为, 油气田上方的还原柱
12、和 “C ” 或固结变硬, 都是微生物对垂向迁移烃 的氧化造成的, 他把这种氧化作用称为 “生物过滤” 。 油气田上方渗逸到地表的烃浓度较高, 超过了细菌活动的阈值, 使烃类氧化, 结果形成 CO 2 和 H 2O ; 随之形成方解石和其他硫酸盐沉淀, 硫酸盐还原菌会产生 H 2 S。 细菌活动还会产 生有机酸 (Zo b e ll, 1946) , 改变系统的 pH 值。 有机酸会使粘土蚀变或分解, 使铀、 镭、 钾等元素 在酸中和过程中从粘土晶格里活化出来, 而在正常背景中形成一个 “洞”, 即低值异常。 如果这 些元素被搬到油藏地表的边缘并沉淀下来, 就会在低值区包围一个高值环。1. 5
13、地热传递作用 有机质经过去氧、 加氢、 富碳向油气转化过程中, 温度起了重要作用。 沉积盆地内一般具有 较高的地热场。 值得提及的是, 世界上许多油气田都发现于水向上运动的地区, 而这种上升水 总是比其他水热, 远景好的油气田常与较高的温度相伴(W . H. R o b e r t s, 1979)。高温能大大降 低水的粘度, 提高水的化学侵蚀作用, 增加盐类溶解度, 增强水容留和携带有机化合物的能力,并且使水容易透过低渗透性介质而运动。 根据热力学原理, 地下流体的运动是从热区到冷区, 从深处到浅处, 从中心到边缘, 并且都受压力梯度的控制。 这样, 铀、 镭、 钾、 氡等放射性元素含 量较
14、高的热水会从压力和温度较高的油储周围向上迁移, 从而在地表形成环状异常。 地热源主要是地幔隆起或地壳变薄, 拉伸作用使上地幔物质上涌烘烤; 放射性衰变及断裂 活动机械摩擦产生热量。 盆地内温度或地下水温的升高与放射性衰变有很大关系。 据估算, 地表热流中放射性成因 热约占 3/4, 这种热传导是由光子和激子来承担的。 光子传导是电磁辐射的传递或吸收, 激子传导是受激原子的能量传给邻近的原子。 这两种作用最终导致了岩石的加热, 从而也导致了地下水温的升高。 油气田上温度的升高也可能与油气的活化、 氢化、 生物氧化还原等作用有关。 1930 年, 美国石油研究所对美国 697 口油井的测温资料与非
15、含油构造地温资料的对比结 果表明, 在含油气构造上温度增高, 用地温法圈定的含油区范围与钻探吻合。 油气地热流异常 通常有以下规律: 构造中部比平均值约高 30% , 构造周边比平均值约低 30% 。 中国的一些油气 田也发现有地热异常, 而且油田一般分布在中温地带, 气田一般分布在高温地带。油气田与地下热水或地热有关也提供了用地温和水化学勘查油气田的基础。 1. 6微量元素粒子运移假说 许多学者在其研究工作中指出, 地下的微量元素可以呈气态形式 (称为 “地气”) 向上运移。 这种运移不同于一般气体的扩散, 但具有上升气流的性质。 在地下水面以下, 这种气流被设想 为由小气泡组成。 气泡通过
16、岩石中的孔洞和裂隙从深处向地表迁移, 铀、 氡等微量元素原子则 附在气泡中达到地表。瑞典Bo liden 公司的研究人员认为, 金属元素以气体形式的这种迁移可 以穿过巨厚的基岩盖层或冰碛层。此外, 溶于水的金属元素和放射性元素, 可以通过蒸发随水一起向上迁移; 在油气藏及其 致密盖层的阻挡下, 被迫沿其周边迁移, 从而在油气田上方出现低值异常。以上种种形成油气放射性环状异常的作用统称为 “烟囱效应” 。 油气田放射性异常的环状异常模式, 包括作者在内的国内外绝大多数工作者的勘查实践 都得到了证实(限于篇幅略去实例)。关于顶端式异常油气田上有时也存在顶端式异常, 美国W a t ten b e rg 气田就有此类情况。 对于这种异常机 理的认识有:a. 微生物对烃类的氧化具有季节性, 在湿度和温度合适时, 细菌活动强烈, 土壤烃类分布 可能是环状的; 相反, 细菌活动减弱时可能是顶端式的 (P r ice, 198
