長嶺斷陷無機(jī)成因天然氣的判別與分布特征

周卓明 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都610059 中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫214151

湛小紅 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

李 貺 （中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫214151）

長嶺斷陷無機(jī)成因天然氣的判別與分布特征

周卓明 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都610059 中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫214151

湛小紅 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

李 貺 （中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫214151）

通過對松遼盆地長嶺斷陷烷烴氣和CO2碳同位素資料的分析，認(rèn)為該地區(qū)存在無機(jī)成因天然氣。烴類氣體中具有重碳同位素異常 （δ13C1＞－30‰）和負(fù)碳同位素系序 （δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4）的同位素分布特征，CO2碳同位素分布在－4.63‰～－16.7‰，部分天然氣表現(xiàn)出無機(jī)成因烴類氣體的特點。3He／4He值為0.88Ra，指示有幔源氦的存在，說明該區(qū)天然氣可能是殼?；煸础ｉL嶺斷陷天然氣藏中不僅無機(jī)成因烷烴氣由北向南逐漸減少，且幔源CO2也表現(xiàn)出從西北向東南含量明顯減少，與區(qū)域構(gòu)造、斷裂走向和火山巖密切相關(guān)等與無機(jī)成因烷烴氣相似的分布特征。

長嶺斷陷；無機(jī)成因氣；碳同位素；分布特征

天然氣按成因分類，可以分為能再生的生物成因氣、不可再生的有機(jī)成因氣和無機(jī)成因氣等3類［1］。大部分天然氣是有機(jī)成因的，但不排除無機(jī)成因氣的存在。在超深鉆探過程中、洋脊涌出的熱液中以及火山噴發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)了大量的CO2和CH4，這些發(fā)現(xiàn)證實了無機(jī)成因氣富集的可能［2］。無機(jī)成因氣的識別及成藏分析［3］，不僅探索、完善了無機(jī)成因天然氣成藏理論，而且拓寬了天然氣勘探的新領(lǐng)域。

1 區(qū)域概況

松遼盆地是我國東部最大的含油氣盆地，地幔上隆，地殼減薄，地殼中發(fā)育 “網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)以及部分深大斷裂的發(fā)育均有利于地球深部流體向上運移［4］。具有無機(jī)成因天然氣形成和聚集的有利條件。迄今為止，松遼盆地發(fā)現(xiàn)的無機(jī)成因天然氣包括有CO2（盆地南部的萬金塔、孤店、乾安、紅崗以及昌德東CO2氣藏等）、烴類氣體 （盆地北部徐家圍子斷陷的肇州西、昌德氣藏等）以及其他非烴類氣體如He、H2、N2等［4］。

2 長嶺斷陷無機(jī)成因氣判別

長嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷帶，是受孫吳－雙遼巖石圈、殼深斷裂帶及松花江－四平2條巖石圈深斷裂周邊發(fā)生強(qiáng)烈深陷而形成發(fā)育的深大斷陷，最大沉積厚度達(dá)10000m，斷陷面積達(dá)7000km2，是松遼盆地面積最大的斷陷之一。在長嶺斷陷東部斜坡帶已勘探發(fā)現(xiàn)有腰英臺深部氣田 （北部）、東嶺油氣田 （南部）以及DB11井和TS6井氣藏 （中部）［5］。

2.1 碳同位素值異常顯示了無機(jī)成因烴類氣的存在

碳同位素資料是判識無機(jī)成因天然氣最直接的證據(jù)。許多學(xué)者利用甲烷碳同位素來確定甲烷的成因。世界上不同無機(jī)成因甲烷的碳同位素雖然變化較大 （表1），但一般都大于－30‰。戴金星［6］也認(rèn)為無機(jī)甲烷碳同位素一般大于－30‰，且其烴類氣體的碳同位素系列呈δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的負(fù)碳系列。而有機(jī)成因的烴類氣體的碳同位素系列為δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4正碳同位素系列。如表1提到的俄羅斯希比尼地塊與巖漿巖有關(guān)的天然氣中，δ13C1為－3.2‰，δ13C2為－9.1‰，δ13C3為－16.2‰；美國黃石公園泥火山氣中，δ13C1為－21.5‰，δ13C2為－26.5‰，均為典型的負(fù)碳同位素系列。

表1 中國和世界上一些無機(jī)成因甲烷的碳同位素組成特征

圖1 徐家圍子斷陷無機(jī)成因烷烴氣碳同位素分配模式

松遼盆地北部徐家圍子斷陷就發(fā)現(xiàn)有典型的無機(jī)成因的 烴 類 氣 體［7］（圖 1）。而南部的長嶺斷陷腰英臺、達(dá)爾罕、雙坨子等地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了甲烷碳同位素異常和負(fù)碳同位素系列 （表2）。其中，YS1 井、YS101 井、YS102井、CS1井、CS1-1井等多個氣樣顯示完全的δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4系列，位于達(dá)爾罕構(gòu)造上的DB11井、YS2井和雙坨子構(gòu)造上的TS6井則呈現(xiàn)δ13C1＞δ13C2的情況，且δ13C1值均大于－30‰，說明了該地區(qū)深層無機(jī)成因烷烴氣存在的可能性較大，而且有一定規(guī)模。

劉婷等［7］根據(jù)無機(jī)成因氣和有機(jī)成因氣的混合模擬試驗表明，不同的正碳同位素系序的天然氣混合，混合氣體不會出現(xiàn)完全倒轉(zhuǎn)的負(fù)碳同位素系列；而混合氣體組分中有一定量的負(fù)碳同位素系列的無機(jī)成因氣，混合氣碳同位素會發(fā)生完全倒轉(zhuǎn)。而戴金星［6］認(rèn)為有機(jī)與無機(jī)烴類氣的混合、煤型氣與油型氣的混合以及同型不同源或同源不同期氣體的混合是導(dǎo)致C1－C4單體烴同位素變化規(guī)律倒轉(zhuǎn)的主要原因，并通過四川盆地、鄂爾多斯盆地多種類型的天然氣混合得到證實，但參與混合的天然氣所有的δ13C1值均小于－30‰。這和長嶺斷陷的碳同位素倒轉(zhuǎn)特征并不一致。因此同時用這兩個指標(biāo)判別，長嶺斷陷北部和中部地區(qū)部分天然氣混有無機(jī)成因烷烴氣。

也有學(xué)者提出導(dǎo)致碳同位素倒轉(zhuǎn)的另外一個原因就是蓋層微滲漏造成的蒸發(fā)分餾作用，據(jù)其原理，甲烷同位素與深度變化有關(guān)系，深度越深，甲烷碳同位素應(yīng)該越重。但是YS1井3495m登婁庫組氣的δ13C1是－20.8‰，3544～3750m的營城組氣的δ13C1是－21.2‰，并不符合這樣的說法。

長嶺斷陷南部東嶺地區(qū)氣樣的碳同位素特征卻剛好相反，其δ13C1值均小于－30‰，且具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正碳同位素系列，東嶺地區(qū)氣樣應(yīng)屬于有機(jī)成因油型氣。

表2 長嶺斷陷深層天然氣碳同位素特征

雖然崔永強(qiáng)等［8］曾通過模擬試驗初步估算氣藏中 “無機(jī)成因氣”的貢獻(xiàn)值，認(rèn)為天然氣藏在識別出δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4，氣藏中的無機(jī)成因氣將占99%以上的份額；當(dāng)δ13C1＞δ13C2＞δ13C3時，氣藏中的無機(jī)成因氣至少占80%等。但筆者認(rèn)為，要真正判斷無機(jī)成因氣所占比例難度較大，只能定性地認(rèn)為有機(jī)烴氣和無機(jī)烴氣的混合氣，如果負(fù)碳同位素表現(xiàn)的越明顯，那么其無機(jī)烴氣所占的比例也就越大，反之亦然。

2.2 CO2氣體碳同位素特征

前人認(rèn)為，天然氣中CO2的成因也可分有機(jī)和無機(jī)兩種類型。有機(jī)成因的CO2除了干酪根伴隨油氣生成過程的熱降解和熱裂解形成外，有機(jī)物在細(xì)菌作用下氧化分解也會形成一定量的CO2。而無機(jī)成因的CO2主要具有碳酸鹽巖熱變質(zhì)和幔源－巖漿作用兩種成因［9］。

CO2碳同位素是判別CO2成因的最重要的證據(jù)。戴金星等［10，11］研究認(rèn)為，有機(jī)成因CO2的δ13C值小于－10‰；而無機(jī)成因δ13C主要分布在－8‰～3‰。其中，碳酸鹽巖變質(zhì)成因的CO2的δ13C值約為0‰～3‰，接近碳酸鹽巖δ13C值；巖漿－幔源成因的CO2的δ13C值約為－8‰～2‰，相對較輕。從表2可以看出，東嶺地區(qū)的CO2屬于有機(jī)成因，而腰英臺地區(qū)的CO2屬于無機(jī)成因，與該地區(qū)烷烴氣的成因類型是一致的，表明CO2作為非烴氣體和烷烴氣是同源伴生的。

2.3 氦氣等稀有氣體同位素特征

與烴類氣體伴生的稀有氣體同樣具有不同的成因，He都是無機(jī)成因的，其具有幔源成因和殼源成因2種形式［6］。He同位素比 （3He／4He）可以有效區(qū)分天然氣是幔源還是殼源。大氣成因He的Ra值（大氣中3He／4He值）為1.4×10－6。地殼中碳酸鹽巖受熱分解、巖石變質(zhì)成因3He／4He值為n×10－8～n×10－7，巖石熔融、地幔楔形體等殼源成因He的3He／4He值在n×10－9～n×10－8之間，幔源成因He該值為n×10－5～n×10－4（1＜n＜10）。對于幔源成因有關(guān)的天然氣藏研究表明，在其成藏過程中總會有殼源He的混入。幔源He存在的天然氣的3He／4He值大于0.1Ra［12］。

松遼盆地北部已鉆探30多口井 He含量達(dá)到工業(yè)He氣藏的標(biāo)準(zhǔn) （含量大于0.1%）［13］。而在YS102井天然氣He含量雖然僅為0.0057%，但其3He／4He值為0.88Ra，介于幔源與殼源之間，應(yīng)為殼?；煸吹奶烊粴狻?/p>

3 長嶺斷陷無機(jī)成因氣分布特征

圖2 長嶺斷陷不同含量CO2氣分布圖

上述研究表明，長嶺斷陷深層天然氣成因類型復(fù)雜，有機(jī)和無機(jī)成因烴類氣、殼?；煸闯梢虻腃O2共存［14］，斷陷層有機(jī)成因烴類氣體和無機(jī)成因氣 （包括CO2等）以基底大斷裂為橋梁和紐帶聯(lián)系在一起，兩者由于共享同一圈閉和儲層等混雜分布，由于不同來源氣體的供給量和成藏時期的差異，因而形成CO2和無機(jī)烴類氣含量差異較大的混合氣藏。

從上文中碳同位素系序的變化分析，雖然無機(jī)成因烷烴氣的含量確定有一定難度，但可以定性分析其主要分布在長嶺斷陷北部、中部，而長嶺斷陷南部為有機(jī)成因烷烴氣分布區(qū)。無機(jī)成因烷烴氣的分布具有與幔源成因CO2極其相似的分布特征 （圖2）：①在整個長嶺斷陷零散分布，表現(xiàn)為狹長帶狀或多個點狀局限分布，從斷陷西北向東南含量明顯減少，其展布方向受深大斷裂的控制，與斷裂走向一致。如北部靠近基底斷裂的CS2井、CS4井、CS6井、CS7井等井CO2含量均在90%以上，是比較純的無機(jī)成因CO2氣藏；在東南部東嶺氣田的CO2則由于遠(yuǎn)離了深大斷裂，基本沒有無機(jī)成因氣；在兩者中間的腰英臺、達(dá)爾罕構(gòu)造帶上的CO2含量則介于兩者之間。②CO2與火山巖體密切相關(guān)，高含CO2氣的鉆井雖然表現(xiàn)在不同層位均有產(chǎn)出，但這些鉆井均主要分布于火山噴發(fā)巖體附近，反映了它們之間具有成因上的聯(lián)系。③同一地區(qū)深部和中淺層不同層位CO2氣藏具有相同來源，通過對中淺層和深層已發(fā)現(xiàn)CO2鉆井分析表明，在部分中淺層發(fā)現(xiàn)高含CO2井的地區(qū)，其深部層位也發(fā)現(xiàn)了CO2氣異常的鉆井或?qū)佣?，如處于孤店中淺層CO2氣藏同一地區(qū)的CS7井，在深部營城組也表現(xiàn)出CO2異常，這也說明由于斷裂和儲層組合、輸導(dǎo)方式的差異導(dǎo)致CO2在不同的層位中聚集，其深部和中淺層CO2氣藏均具有相同的氣源。

4 結(jié) 論

1）地化指標(biāo)分析表明，長嶺斷陷深層天然氣的甲烷碳同位素不僅具有δ13C1＞－30‰，且甲烷及其同系物的碳同位素組成也滿足δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的負(fù)碳同位素系列；其伴生的CO2的δ13C為－8‰～3‰；3He／4He值為0.88Ra，表現(xiàn)為殼?；煸刺攸c。與松遼盆地北部徐家圍子斷陷一樣，具有較為典型的無機(jī)成因天然氣的特點。

2）長嶺斷陷深層天然氣藏中無機(jī)成因烷烴氣的含量具有由北向南逐漸減少的特征，在南部東嶺地區(qū)表現(xiàn)為有機(jī)成因。

3）無機(jī)幔源成因CO2氣分布上表現(xiàn)為平面上從西北向東南含量明顯減少，與區(qū)域構(gòu)造、斷裂走向和火山巖密切相關(guān)。

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Discrimination and Distribution Characteristics of Inorganic Natural Gas in Changling Fault Depression

ZHOU Zhuo-ming，ZHAN Xiao-hong，LI Kuang（First Author’s Address：College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China；Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，SINOPEC，Wuxi214151，Jiangsu，China）

On the basis of analyzing the carbon isotopes of paraffin gas and CO2，in the Changling Fault Depression of Songliao Basin，it was considered that there existed inorganic natural gases in the depression.The abnormal of carbon isotopes（＞－30‰）and the reverses of isotopic series（δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4）had the characteristics of inorganic hydrocarbon gases.Theδ13CO2value of natural gases was between－4.63‰and－16.7‰，some gases presented the characteristics of inorganic generated hydrocarbon gases.The3He／4He was 0.88Ra，it reflected that there existed the mantle-derived helium，and the gases in the area were derived from mixing sources of crust and mantle.In Changling Fault Depression，the inorganic gas in gas reservoirs is reduced gradually from the north to south while the mantle-derived CO2content is reduced significantly from the southeast to northwest，it presents similar distribution trend with the inorganic generated gas.The distribution of inorganic gas and mantle derived CO2are closely related with regional tectonics，fault strike and volcanic rocks.

Changling Fault Depression；inorganic genesis gas；carbon isotope；distribution characteristics

TE122.2

A

1000-9752 （2012）04-0031-05

2011-10-19

中國石油化工股份有限公司科技開發(fā)項目 （P10024）。

周卓明 （1970-），男，1991年大學(xué)畢業(yè)，高級工程師，博士生，現(xiàn)主要從事石油地質(zhì)綜合研究工作。

［編輯］ 宋換新