松南營(yíng)城組火山巖氣藏成藏模式

劉 偉， 沈阿平

(中國(guó)石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇南京 210019)

松南營(yíng)城組火山巖氣藏成藏模式

劉 偉， 沈阿平

(中國(guó)石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇南京 210019)

松南氣田營(yíng)城組火山巖天然氣的δ13C1值大于-30‰，具有δ13C1＞δ13C2＞δ13C3負(fù)序列或同位素倒轉(zhuǎn)，甲烷同位素偏重，表明松南氣田營(yíng)城組火山巖天然氣不僅具有煤型氣與油型氣混合特性，還具有多期次成藏特征，煤型氣充注早，為89～83 Ma;油型氣和幔源氣充注晚，為78～68 Ma。松南氣田營(yíng)城組天然氣中無(wú)機(jī)氣體主要為CO2與N2，CO2氣的同位素表明CO2氣的成因具有典型的“煤 幔二元”特征。

火山巖;煤?；旌铣梢?二次充注;松南氣田

火山巖氣藏是一種特殊的氣藏類型，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的非均質(zhì)性和復(fù)雜的成藏規(guī)律，國(guó)外以日本新瀉盆地最為發(fā)育，國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)70年代至今，相繼在渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地、二連盆地和松遼盆地發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏。關(guān)于火山巖油氣成藏規(guī)律的論著眾多，蔡先華等(2002)、張玉明等(2006)分別從地球物理勘探和構(gòu)造、成藏組合分析角度進(jìn)行了松遼盆地南部長(zhǎng)嶺斷陷的火山巖分布及成藏規(guī)律研究。筆者在火山巖氣藏地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)天然氣成因分析、生烴期、構(gòu)造活動(dòng)與成藏期的匹配關(guān)系研究，探討松南火山巖氣藏成藏模式。

1 構(gòu)造特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷構(gòu)造特征及演化總體表現(xiàn)為早期裂谷、中期坳陷、晚期褶皺的特點(diǎn)，基底為上古生界石炭系、二疊系中酸性侵入巖和淺變質(zhì)巖，基底之上發(fā)育有斷陷層系、坳陷層系兩大成藏體系(李洪革等，2006)。本文研究的目標(biāo)層系是斷陷層的營(yíng)城組。

斷陷層系指上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)構(gòu)造層，面積7 240 km2，經(jīng)過(guò)多次擠壓、走滑、伸展等構(gòu)造活動(dòng)，將盆地切割成東西分帶、南北分塊的構(gòu)造格局，自西向東劃分為西部、中部和東部三個(gè)斷陷帶，斷陷延伸方向多為北北東向和北西向。中部斷陷帶發(fā)育查干花斷凹、老英臺(tái)-達(dá)爾罕斷凸帶、長(zhǎng)嶺牧場(chǎng)斷凹、蘇公坨 龍風(fēng)山斷階帶4個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。斷凹帶內(nèi)地層發(fā)育較全，包括下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組，厚度4 500～10 000 m;斷凸帶的地層發(fā)育不全，登婁庫(kù)、沙河子組和火石嶺組等都有不同程度的缺失。

1.2 局部構(gòu)造

老英臺(tái)-達(dá)爾罕斷凸帶為長(zhǎng)期發(fā)育的古隆起帶。構(gòu)造帶上發(fā)育大布蘇、前神字井、腰英臺(tái)深層三個(gè)局部構(gòu)造和近南北走向的前神字井、腰英臺(tái)兩條斷裂(圖1)，在營(yíng)城組沉積時(shí)期沿前神字井腰英臺(tái)斷裂發(fā)生了大規(guī)模的火山噴發(fā)，形成了近南北走向的火山巖群。腰英臺(tái)深層構(gòu)造是隆起帶東部的一個(gè)斷鼻構(gòu)造群。松南氣田就是發(fā)育在腰英臺(tái)深層斷鼻構(gòu)造群上的一個(gè)火山巖氣藏。

松南氣田的斷裂分為北西西向及近南北向兩組，其中近南北向的腰英臺(tái)斷裂延伸長(zhǎng)、斷距大，對(duì)構(gòu)造起明顯的控制作用;而北西西向斷層則相對(duì)規(guī)模較小，對(duì)構(gòu)造的控制作用不明顯。斷裂活動(dòng)明顯分為兩期，早期斷裂主要活動(dòng)于營(yíng)城組和登婁庫(kù)組沉積期，大多在登婁庫(kù)組沉積末期結(jié)束活動(dòng)，以“單斷式展布”，斷面傾角較緩，具有明顯的同生性;斷層下降盤營(yíng)城組和登婁庫(kù)組發(fā)育較全，厚度較大;斷層上升盤營(yíng)城組和登婁庫(kù)組沉積減弱，甚至有缺失。而晚期斷裂多表現(xiàn)為“斷塹式”，斷層在剖面上以組合式斷塹為特征，斷面較陡，對(duì)地層的沉積分布無(wú)控制作用。

圖1 長(zhǎng)嶺斷陷構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 The geotectonic map of Changling fault depression

1.3 成藏組合

長(zhǎng)嶺斷陷層的烴源巖主要為沙河子組 營(yíng)城組烴源巖，暗色泥巖厚度為100～1 300 m，源巖發(fā)育，油氣源充足。長(zhǎng)嶺斷陷火山巖儲(chǔ)層主要分布在營(yíng)城組，是長(zhǎng)嶺斷陷天然氣勘探的主要目標(biāo)，也是本次研究的目標(biāo)層系。蓋層主要是登婁庫(kù)組、泉二、三段及營(yíng)城組、沙河子組泥巖層。斷陷內(nèi)主要成藏期為明水期末。長(zhǎng)嶺凹陷在嫩江期末反轉(zhuǎn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之后處于長(zhǎng)期沉降狀態(tài)，源巖生成的天然氣供給持續(xù)到現(xiàn)今，對(duì)油氣的形成及保存非常有利。

2 火山巖氣藏地質(zhì)

2.1 火山巖類型及噴發(fā)期次

前人將長(zhǎng)嶺斷陷深層火山活動(dòng)劃分為六次規(guī)模不等的火山噴發(fā)旋回，侏羅系蝕變火山巖組火山旋回(第一旋回)，下白堊統(tǒng)火石嶺組火山旋回(第二旋回)，下白堊統(tǒng)沙河子組火山旋回(第三旋回)、營(yíng)城組火山旋回(第四旋回)、泉頭組火山旋回(第五旋回)、登婁庫(kù)組火山旋回(第六旋回)。其中火石嶺期和營(yíng)城期為盆地內(nèi)主要的兩期火山噴發(fā)活動(dòng)。

營(yíng)城組火山旋回的噴發(fā)規(guī)模較大、延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、分布面積較廣。根據(jù)巖性、電性、含氣性及沉積旋回特征，結(jié)合合成地震記錄層位標(biāo)定及地震反射特征和地震層序綜合對(duì)比，松南氣田營(yíng)城組火山巖由三個(gè)火山通道，形成五個(gè)噴發(fā)期次。第一噴發(fā)期次不整合覆蓋在下白堊統(tǒng)沙河子組火山旋回之上，是由腰平7井火山通道噴發(fā)形成;第二至第五期次以腰深1井火山通道噴發(fā)形成，第二噴發(fā)期次以溢流相的流紋巖和火山熔結(jié)凝灰?guī)r為主，為強(qiáng)振幅波谷反射，腰深1井區(qū)為火山通道，為雜亂空白反射區(qū);第三噴發(fā)期次以溢流相為主，局部有爆發(fā)相強(qiáng)波谷反射，在腰深1井區(qū)覆蓋在火山通道相之上，分布較局限，在腰深7井區(qū)未沉積;第四噴發(fā)期次為一套復(fù)波反射的以流紋巖為主的溢流相，連續(xù)性較差;第五噴發(fā)期次以爆發(fā)相角礫凝灰?guī)r和熔結(jié)凝灰?guī)r覆蓋在整個(gè)火山巖頂部，為強(qiáng)振幅波谷。

2.2 火山巖體展布特征

2.2.1 火山巖的平面展布特征

采用地震振幅數(shù)據(jù)體、相干數(shù)據(jù)體、波阻抗反演數(shù)據(jù)體、密度反演數(shù)據(jù)體等多種數(shù)據(jù)體結(jié)合單井相劃分進(jìn)行火山巖地震相研究。獲得了松南氣田腰深1井四個(gè)期次(第五至二期)火山巖的巖相分布圖。第五期均是爆發(fā)相火山巖。第四期以溢流相火山巖為主，在腰深1、長(zhǎng)深1、長(zhǎng)深1-2及長(zhǎng)深1-2北兩個(gè)區(qū)域?yàn)橐缌飨?爆發(fā)相空落亞相火山巖分布區(qū);腰深102井區(qū)為完整的溢流相分布區(qū)，包括上部、中部、下部三個(gè)亞相;腰深101井區(qū)為溢流相上部亞相與中部亞相火山巖分布區(qū)(圖2)。第三期以溢流相火山巖為主，部分地區(qū)為火山通道相或爆發(fā)相。腰深1、長(zhǎng)深1井區(qū)為火山通道相+溢流相火山巖分布區(qū);長(zhǎng)深1井有多個(gè)序列溢流相火山巖，反映了近火山口特征(圖2)。第二期爆發(fā)相、溢流相火山巖分布均等，腰深1井區(qū)為火山通道相+溢流相火山巖分布區(qū)，與第二期火山巖相比，火山通道相直徑較小。

2.2.2 火山巖的縱向展布特征

各期次的火山巖相及其縱向分布特征受古構(gòu)造及距火山口距離控制，由南向北縱橫向的火山巖相有差異，巖性及厚度變化較大(圖3)。

圖2 第四期火山巖巖相分布圖Fig.2 Distribution of volcanic lithofacies IV

3 成藏地質(zhì)條件及成藏機(jī)理探討

3.1 天然氣成因

3.1.1 天然氣組份分布特征

松南氣田天然氣以烴類組分為主，在平面上差異較大，從南向北，甲烷和重?zé)N含量減少，CO2含量增大。北部甲烷及重?zé)N含量低，CO2含量增高。南部的腰平7井營(yíng)城組CH4含量87.0%，重?zé)N組分為1.58%，N2含量5.77%，CO2含量為5.56%;中部的腰深101井和腰深1井營(yíng)城組CH4含量71.42% ～71.72%，重?zé)N組分為0.52% ～1.30%，N2含量3.73% ～5.83%，CO2含量為24.21% ～20.74%;中偏北部的腰平1井營(yíng)城組天然氣中CH4含量為65.38%，CO2含量28.08%;北偏中部的腰深102井營(yíng)城組天然氣中 CH4含量為69.02%，重?zé)N組分為0.05%，CO2含量24.75%;北部的腰平4井營(yíng)城組天然氣中 CH4含量為54.8%，CO2含量39.9%;最北部靠火山巖體邊部的長(zhǎng)深1-3井營(yíng)城組CH4含量?jī)H為1.61%，CO2達(dá)98%(張枝煥等，2003;劉朝露等，2006)。

根據(jù)公式:

圖3 腰平7-腰平3-腰深1-腰平1-腰平4井連井地震相剖面Fig.3 Well seismic facies profiles of Yaoping7-Yaoping3-Yaosheng1-Yaoping1-Yaoping4

計(jì)算的松南氣田天然氣中無(wú)機(jī)成因氣所占比例為40.62%～100%，而有機(jī)成因氣的比例在0～59.38%之間變化，并隨深度增加，有機(jī)成因氣的比例在降低。

3.1.2 碳同位素

松南氣田營(yíng)城組有機(jī)天然氣中穩(wěn)定碳同位素總體偏重，δ13C1介于 -16.43‰ ～ -23.78‰，δ13C2介于 -23.11‰ ～-29.88‰(多數(shù)高于 -29‰)，δ13C3介于 -16.01‰ ～ -30.74‰，δ13C4介于-29.27‰～ -34.29‰，具有 δ13C1＞ δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的同位素倒轉(zhuǎn)分布特征(李春園等，1997)。

戴金星等(2001)將甲烷碳同位素的δ13C1值-30‰作為劃分有機(jī)與無(wú)機(jī)的界限，長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組天然氣絕大部分的δC1大于-30‰，證明了天然氣中有無(wú)機(jī)成因甲烷的存在;松南氣田天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的主要原因是無(wú)機(jī)氣與煤層氣混合造成的。長(zhǎng)嶺斷陷的天然氣的同位素均落在δ13C1-δ13C2和 δ13C1-δ13C2-δ13C3、分類圖版的Ⅲ(Ⅲ1，Ⅲ2)區(qū)，表明天然氣不僅具有同源不同期煤型氣混合特性，而且還具有煤型氣與油型氣混合特性(圖4，5)。

天然氣的碳同位素特征與長(zhǎng)嶺斷陷下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組暗色泥巖及煤層發(fā)育，有機(jī)碳含量高、熱演化程度高，為腰英臺(tái)構(gòu)造及達(dá)爾罕凸起上的圈閉提供了有機(jī)成因的油型氣和煤型氣有關(guān)。

3.1.3 CO2氣成因

松南氣田營(yíng)城組天然氣中無(wú)機(jī)氣體主要為CO2與N2，CO2氣的同位素有兩種類型:第一類屬幔源成因天然氣，δ13CCO2在-7.9‰～ -4.63‰，如長(zhǎng)深1、長(zhǎng)深1-1、腰深1等井營(yíng)城組天然氣中的CO2;第二類為介于有機(jī)成因與無(wú)機(jī)成因之間的混合成因CO2氣，天然氣δ13CCO2在-11.0‰左右，如長(zhǎng)深 1-1、長(zhǎng)深1-2營(yíng)城組較深部位(談?dòng)龋?006)。因此該區(qū)CO2氣的成因具有典型的“煤-幔二元”特征。

圖4 長(zhǎng)嶺斷陷松南氣田天然氣δ13C1-δ13C2分類圖版Fig.4 The δ13C1-δ13C2classification of Songnan gas field in Changling fault depression

圖5 長(zhǎng)嶺斷陷松南氣田天然氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分類圖版Fig.5 The δ13C1-δ13C2-δ13C3classification of Songnan gas field in Changling fault depression

對(duì)松遼盆地CO2氣體的成因，曾有研究者建立了四種氣體脫氣的模式(郭占謙等，1997)。在100～73.5 Ma的青山口組至嫩江組時(shí)期松遼盆地南部長(zhǎng)嶺斷陷幔源巖漿噴發(fā)與侵入頻繁，巖石圈斷裂向下切割到地幔甚至到軟流圈;北西西向和北北東向共扼斷裂系是長(zhǎng)期繼承性活動(dòng)的斷裂，在嫩江組 明水組沉積末期及早第三紀(jì)末期和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(N-Q)持續(xù)活動(dòng)，控制了多種類型局部構(gòu)造發(fā)育。伴隨斷裂活動(dòng)，軟流圈富集的CO2，CH4和部分H2氣脫出向上運(yùn)移，在適宜的圈、蓋、保條件下富集成藏。

3.2 成藏時(shí)間與期次

3.2.1 生烴期

腰深2井動(dòng)態(tài)演化歷史表明，在持續(xù)的沉降作用以及較高的古地溫場(chǎng)作用下，火石嶺組烴源巖早在登婁庫(kù)組沉積中末期(約118 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積早期(約80 Ma)全面進(jìn)入大規(guī)模生烴階段，達(dá)到生烴高峰，主要生、排烴階段為泉頭組末期—嫩江組早期(105～80 Ma);沙河子組烴源巖也是在泉頭組沉積早中期(約112 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積中后期(約75 Ma)達(dá)到生烴高峰，主要生排烴期為姚家組-嫩江組沉積中后期(90～75 Ma)營(yíng)城組烴源巖在泉頭組沉積中期(約100 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積晚期(約65 Ma)達(dá)到生烴高峰，但至現(xiàn)今一直還在緩慢生烴，不過(guò)量很小。登婁庫(kù)組烴源巖在姚家組沉積末和嫩江組沉積早期(約80～85 Ma)進(jìn)入生烴門限，開(kāi)始持續(xù)生烴。

3.2.2 成藏期

營(yíng)城組凝灰?guī)r中有機(jī)包裹體均一溫度可以分為兩期，第一期主要為氣-液烴類流體包裹體，均一化溫度分布范圍在120～130℃;第二期為氣體烴類流體包裹體，均一化溫度分布范圍在140～160℃。結(jié)合腰深1井營(yíng)城組火山巖埋藏史分析，該井烴類氣體充注儲(chǔ)層為兩期充注，第一期烴類充注高峰期為要姚家末—嫩江早期，發(fā)生時(shí)間為86～83 Ma，主要為火石嶺組-沙河子組煤系地層生成的有機(jī)成因的天然氣;第二期天然氣充注時(shí)期為嫩江末期到四方臺(tái)早期，發(fā)生時(shí)間為78～68 Ma，為營(yíng)城組烴源巖生成的油型天然氣與火山活動(dòng)形成的CO2為主的地幔氣充注儲(chǔ)層。

松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組儲(chǔ)層包裹體中CH4，CO2的碳同位素分析表明，包裹體中包含的氣體CO2與儲(chǔ)層中的CO2不同源，包裹體中包含的CO2的碳同位素值都小于-10‰為有機(jī)成因，氣藏中的高含量的CO2的碳同位素值都大于-8.0‰為無(wú)機(jī)成因，包裹體中的甲烷及烴類氣體與儲(chǔ)層中的烴類氣體具有相似的同位素特征，具有同源性。結(jié)合有機(jī)包裹體均一溫度分析(張金亮，1998)，進(jìn)一步證明烴類氣體為主的天然氣與CO2不是同時(shí)充注儲(chǔ)層的，在CO2充注入前，儲(chǔ)層己經(jīng)被烴類氣體所飽和。

3.3 成藏模式探討

松南氣田營(yíng)城組火山巖氣藏是CH4和CO2的混合氣藏，具有多期成藏特征。氣藏構(gòu)造形成于營(yíng)城組末期，經(jīng)登婁庫(kù)-明水組末期的兩次擠壓構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定型;本區(qū)沙河子組、營(yíng)城組這兩套主力烴源巖在嫩江末期達(dá)到生烴高峰;構(gòu)造形成時(shí)間早于烴源巖的生烴高峰期，成藏配置條件有利，有煤型氣生成并充注圈閉的過(guò)程;晚白堊紀(jì)以后的火山活動(dòng)和深大斷裂溝通地幔，使油型氣和無(wú)機(jī)成因的CO2與混合成因的CO2沿著深大斷裂運(yùn)移到火山巖儲(chǔ)集層，同時(shí)使早期形成的有機(jī)成因天然氣藏遭受了改造甚至被破壞，運(yùn)移至淺部地層聚集或溢散。后期充注無(wú)機(jī)氣體的成分與早期形成的有機(jī)天然氣藏的破壞程度決定了現(xiàn)今天然氣藏的CO2與有機(jī)烴類氣體的含量(付曉飛等，2005a，2005b)。由于烴類氣體與CO2氣體的分子量不同，CH4氣體粘度小、吸附力弱、重量輕、擴(kuò)散系數(shù)大，富集在構(gòu)造高部位;而CO2氣體則因吸附力強(qiáng)、粘度大，富集在構(gòu)造較低部位或烴類氣藏之下。由于松南氣田的火山和構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度由南向北逐次增強(qiáng)，松南氣田中的CO2含量也由南向北逐漸增高。

綜上所述，松南氣田營(yíng)城組火山巖氣藏模式可以概括為登婁庫(kù)-明水末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)定型，嫩江末期烴類氣體成藏，嫩江末期到四方臺(tái)早期構(gòu)造改造、油型氣和幔源CO2氣體充注(圖6)。

圖6 長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層天然氣成藏模式圖Fig.6 The accumulation model of the natural gas of volcanic reservoir in Yingcheng group

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Accumulation Model of Songnan Yingcheng Volcanic Gas Reservoir

LIU Wei，SHEN A-ping
(East China Branch of SINOPEC，Nanjing，JS 210019，China)

The δ13C1value of natural gas of the volcanic reservoir in Yingcheng group，Songnan gas field is more than-30 ‰ with a negative sequence that is δ13C1＞ δ13C2＞ δ13C3or isotopes inversion and more weight methane isotope.It indicates that the natural gas of volcanic reservoir not only has the coal-type gas and oil-type gas mixing characteristics，also has a multi-period accumulation characteristic in Yingcheng group，Songnan gas field.The coal-type gas that is 89～83 Ma is filled earlier than mantle-derived gas that is 78～68 Ma.The natural gas in Yingcheng group，Songnan gas field mainly has two inorganic gas:CO2and N2.The isotope of CO2gas shows the genesis of CO2gas has a typical“Coal-Mantle”dual characteristic.

volcanic rock;coal-mantle hybrid origin;secondary filling;Songnan gas field

P618.13

:A

:1674-3504(2011)01-075-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.01.012

2010-07-01

劉 偉(1956—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)研究及科研管理。