松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)成因CO2氣成藏條件分析

李 貺，王果壽，周卓明

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)成因CO2氣成藏條件分析

李 貺，王果壽，周卓明

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

隨著深層天然氣勘探的進(jìn)展，在松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷的多個(gè)氣田中發(fā)現(xiàn)了含量不等的CO2氣體。通過(guò)天然氣的CO2碳同位素值和3He/4He值，分析了長(zhǎng)嶺斷陷CO2氣體的成因類型，認(rèn)為長(zhǎng)深2、長(zhǎng)深4、長(zhǎng)深6井區(qū)以及松南氣田的CO2氣體為幔源無(wú)機(jī)成因?yàn)橹鳎鴸|嶺氣田的CO2氣體為有機(jī)成因，這主要受控于斷陷內(nèi)的深大斷裂的分布。盆地內(nèi)地幔隆起導(dǎo)致地殼減薄而發(fā)育的低速高導(dǎo)巖漿房、長(zhǎng)嶺斷陷深層“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”的構(gòu)造拆離帶和基底深大斷裂則是長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)成因CO2氣藏形成的有利條件。

無(wú)機(jī)CO2；碳同位素；深大斷裂；巖漿活動(dòng)；成藏條件；長(zhǎng)嶺斷陷；松遼盆地

世界上許多國(guó)家在火山活動(dòng)區(qū)發(fā)現(xiàn)有CO2氣藏。中國(guó)東部已發(fā)現(xiàn)35個(gè)CO2氣藏，這些氣藏CO2含量均大于60%，其中絕大部分在90%以上[1]。CO2氣藏主要分布在中國(guó)東部的斷陷盆地中，在陸上有蘇北盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、三水盆地等；在海上有東海盆地、鶯—瓊盆地和珠江口盆地等。長(zhǎng)嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷區(qū)南部，區(qū)內(nèi)的天然氣藏主要分布在腰英臺(tái)構(gòu)造帶、達(dá)爾罕構(gòu)造帶、查干花次凹、東嶺構(gòu)造帶上，氣藏中CO2的含量有明顯的差異。前人對(duì)長(zhǎng)嶺斷陷CO2氣的成因和來(lái)源也多有論述[2-7]，多數(shù)研究者認(rèn)為是幔源成因，但也有學(xué)者認(rèn)為深層無(wú)機(jī)CO2氣藏是下白堊統(tǒng)營(yíng)城組火山巖脫氣形成的[8]。因此，本次研究在判別長(zhǎng)嶺斷陷不同構(gòu)造帶上的CO2氣體有機(jī)或者無(wú)機(jī)成因的基礎(chǔ)上，來(lái)分析無(wú)機(jī)CO2氣的成藏條件，以此掌握CO2氣的分布規(guī)律。這為CO2和烴類氣的鉆前預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)，對(duì)避開CO2氣尋找烴類氣藏也具有重要的意義。

1 不同CO2含量氣藏分布特征

長(zhǎng)嶺斷陷目前已發(fā)現(xiàn)的大中型氣藏主要有4個(gè)，分別是：①位于長(zhǎng)嶺斷陷中部凸起帶腰英臺(tái)構(gòu)造上的松南氣田，主要鉆井有腰深1井、長(zhǎng)深1井、腰深101井等；②位于長(zhǎng)嶺斷陷東南東嶺構(gòu)造帶上的東嶺油氣田，主要鉆井有SN101井、SN180井等；③位于前神字井構(gòu)造帶上的長(zhǎng)深2、長(zhǎng)深4氣藏；④位于黑帝廟構(gòu)造上的長(zhǎng)深6氣藏。其中，與烴類氣共存的CO2主要分布在松南氣田和東嶺氣田，而長(zhǎng)深2、長(zhǎng)深4、長(zhǎng)深6氣藏則是純CO2氣藏。如圖1所示，可以看到在不同的構(gòu)造帶上有明顯的差異，從西北向東南含量明顯減少。CO2含量與深大斷裂關(guān)系密切，在北部，靠近基底斷裂的CS2、CS4、CS6等井CO2含量在90%以上，是比較純的CO2氣藏；而遠(yuǎn)離深大斷裂的東南部東嶺氣田的CO2含量明顯較低；在中部腰英臺(tái)、達(dá)爾罕構(gòu)造帶上的CO2含量則介于兩者之間，說(shuō)明CO2的含量可能受深大斷裂的控制。

圖1 松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷氣藏及CO2含量分布

2 CO2氣體成因類型分析

CO2氣體的成因可以分為有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因兩大類。有機(jī)成因CO2是指有機(jī)物在細(xì)菌作用下遭受氧化分解而形成，干酪根在熱降解或熱裂解作用下也可形成一定量的CO2氣體。有機(jī)成因的CO2由于形成時(shí)極易被水溶解，因此其含量百分比一般不會(huì)超過(guò)20%。無(wú)機(jī)成因的CO2可以由碳酸鹽巖化學(xué)分解而形成，或者由幔源巖漿析出而形成[9]。CO2氣體成因類型判識(shí)除考慮其產(chǎn)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖石化學(xué)特征外，還需要綜合分析CO2的含量和碳同位素組成、天然氣中伴生烴類氣與稀有氣體的同位素組成數(shù)據(jù)，以及利用它們之間的組合關(guān)系進(jìn)行判斷。

表1 長(zhǎng)嶺斷陷含CO2代表井地球化學(xué)特征

注：本文數(shù)據(jù)由無(wú)錫石油地質(zhì)研究所和蘭州地質(zhì)所測(cè)定；R代表樣品的3He/4He值，Ra代表大氣的3He/4He值。

戴金星等[10]在綜合大量國(guó)內(nèi)外的CO2數(shù)據(jù)后總結(jié)認(rèn)為，無(wú)機(jī)成因CO2的δ13CCO2值一般在-8‰～3‰之間；而有機(jī)成因CO2的δ13CCO2值則小于-10‰；δ13CCO2值在-10‰～-8‰之間為有機(jī)和無(wú)機(jī)CO2的指標(biāo)重疊區(qū)域；此外，在氣體組分中CO2含量達(dá)到60%以上的為無(wú)機(jī)成因CO2氣。

筆者統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)嶺斷陷各構(gòu)造帶上鉆井的CO2含量以及其他地球化學(xué)特征(表1)，可以看出長(zhǎng)深2、長(zhǎng)深4、長(zhǎng)深6井區(qū)的CO2含量均在60%以上，是無(wú)機(jī)成因的。而松南氣田的腰深1、腰平1、腰平7等井則是烴類氣體和CO2的混合氣體；CO2含量變化較大，低至5.7%，高的也達(dá)到60%以上，東嶺氣田的CO2含量則很低，基本小于1%。通過(guò)CO2含量和δ13CCO2值的關(guān)系圖版(圖2)可以判斷：松南氣田的YS1、YP1、YP7、YS101、YS2井，包括吉林油田的CS1、CS1-1、CS1-2、CS2、CS4、CS6井的δ13CCO2值均大于-8‰，均為無(wú)機(jī)成因；而東嶺氣田的SN180、SN101井以及達(dá)爾罕斷凸帶上的LS1井δ13CCO2值均小于-10‰，屬于有機(jī)成因。

前文已述，無(wú)機(jī)成因CO2可分為兩類，一類是幔源CO2，一類是碳酸鹽巖熱分解形成的CO2。研究認(rèn)為，碳酸鹽巖熱分解形成CO2的δ13CCO2值為0±3‰，而幔源CO2的δ13CCO2值為-8‰±2‰[11]，兩者存在重疊區(qū)域，因此利用該值不能有效區(qū)分這兩類無(wú)機(jī)成因的CO2。何家雄等[12]研究表明，碳酸鹽巖熱分解成因中伴生的氦表現(xiàn)出殼源氦的同位素特征，R/Ra<0.1，鶯歌海盆地的CO2就是典型的碳酸鹽熱分解成因；而幔源氦的R/Ra>1。因此，利用與CO2伴生的稀有氣體氦的同位素可以區(qū)分這兩類成因的CO2。長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)成因CO2氣體中的R/Ra值均大于1，而且絕對(duì)值較高(表1)，因此長(zhǎng)嶺斷陷的無(wú)機(jī)成因CO2應(yīng)該屬于巖漿—幔源成因。

圖2 松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷有機(jī)與無(wú)機(jī)CO2鑒別

3 無(wú)機(jī)成因CO2成藏條件

3.1 氣源條件

長(zhǎng)嶺斷陷的無(wú)機(jī)成因CO2主要為幔源成因，與盆地區(qū)域構(gòu)造背景分不開。長(zhǎng)嶺斷陷所在的松遼盆地位于中國(guó)東部地殼減薄帶之上，該處的莫霍面深度一般位于29～33 km范圍之內(nèi)，周邊的莫霍面深度均在34 km以上[13]。

松遼盆地的上、中地殼間存在一個(gè)平均密度為2.45 g/cm3、厚度為2～5 km的低密度層，其頂面埋深為18～20 km。據(jù)速度和電性資料表明，在中地殼(15～20 km深度范圍)中存在速度為6.00～6.10 km/s的低速異常體，同時(shí)還對(duì)應(yīng)著電性高導(dǎo)層[14]。這個(gè)低速高導(dǎo)層是指上地幔發(fā)生部分熔融，析離出來(lái)的流體相在靜壓力作用下不斷上升，最終穿過(guò)莫霍面后在下地殼上部或中地殼內(nèi)聚集而成的巖漿房[15]。巖漿房是殼內(nèi)巖漿的發(fā)源地和發(fā)生高級(jí)變質(zhì)作用的場(chǎng)所，是地幔流體中He、CO2等氣體的儲(chǔ)集庫(kù)，是幔源CO2氣體向中淺部圈閉運(yùn)移、輸導(dǎo)的中轉(zhuǎn)站[16-17]，是長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)CO2氣的主要?dú)庠?。因此，長(zhǎng)嶺斷陷具備了形成無(wú)機(jī)CO2氣藏的基底、地殼結(jié)構(gòu)條件和氣源條件。

3.2 輸導(dǎo)條件

在中地殼下部或下地殼中，有時(shí)會(huì)沿強(qiáng)變形帶出現(xiàn)“之”字形變化，強(qiáng)變形帶呈“菱形”排列在一起，交織分布的韌性剪切帶和透鏡體共同構(gòu)成“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”或“鱷魚結(jié)構(gòu)”(圖3)[18]。一般情況下，這些“網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”或“鱷魚結(jié)構(gòu)”出現(xiàn)在深度較深的下地殼層次上，但在地溫梯度較高的地區(qū)或一些特殊構(gòu)造作用影響的地區(qū)，它們也可能出現(xiàn)在中地殼的較淺層次上，如松遼盆地南部的一些地震剖面上所反映出來(lái)的。

松遼盆地北部綏芬河—滿洲里地學(xué)斷面垂直地震反射資料[18]顯示，在安達(dá)—肇州段的基底存在著比較明顯的拆離構(gòu)造，拆離面大于15°并向東傾斜，拆離面深度在10 km左右。在長(zhǎng)嶺斷陷，筆者也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)。據(jù)CL-492線地震剖面解釋(圖4)，該測(cè)線位于長(zhǎng)嶺斷陷南部的長(zhǎng)嶺次凹及達(dá)爾罕斷凸、伏龍泉次凹等構(gòu)造單元上，長(zhǎng)嶺次凹的盆地底面(或盆地基底頂面)位于大致3.5 s的位置、7 800～8 000 m的深度上，該深度與松遼盆地北部的基底埋深大體相當(dāng)，在該深度上也發(fā)育了類似的“次級(jí)拆離帶”，但沿該拆離帶消失的斷層數(shù)量不是很多，多數(shù)斷層切過(guò)了這個(gè)深度界面?？v向剖面上也表現(xiàn)出類似的斷層特征(圖5)在5～6 s的這個(gè)深度上，長(zhǎng)嶺斷陷的地震剖面上似乎也表現(xiàn)出拆離面的特征。在CL-492線上，在約5.5 s的深度上，大致可解釋出一條線，在該線之上，發(fā)育了比較顯著的平行—亞平行、連續(xù)平行、雜亂和斜交等特征的反射波組，據(jù)松遼盆地北部解釋，這些波組代表古生代(及前古生代)的變質(zhì)巖系，主要發(fā)生脆性變形。這些脆性變形體反映出了逆沖疊瓦、推覆構(gòu)造等構(gòu)造形態(tài)。該界面之下，波組不太發(fā)育，表現(xiàn)為弱反射和空白反射。沒有表現(xiàn)出與上覆脆性變形層相似的強(qiáng)反射波組，同時(shí)許多斷層也終結(jié)于該界面之上。在CL-1486線上也表現(xiàn)出類似的特征(圖5)，在5.5～6.5 s深度上，解釋出一個(gè)界面，同樣在該界面之上有比較顯著的強(qiáng)反射波組，且這些波組反映了一定的構(gòu)造變形特征；該界面之下，波組似乎不太強(qiáng)烈和顯著。而且在該縱向剖面上，表現(xiàn)出由南向北方向該界面逐漸變深的趨勢(shì)。

圖3 地殼中變形拆離帶組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[18]

圖4 松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷深層地殼結(jié)構(gòu)及斷裂解釋(NNW向CL-492測(cè)線) 剖面位置見圖1。

圖5 松遼盆地長(zhǎng)嶺斷陷深層地殼結(jié)構(gòu)及斷裂解釋圖(NNE向CL-1486測(cè)線) 剖面位置見圖1。

因此，在松遼盆地南部長(zhǎng)嶺斷陷的5～6 s深度上，也發(fā)育了一個(gè)地殼界面，即上述的“構(gòu)造拆離帶”，它代表的是上地殼和中地殼層間的界面。沿該界面之上為上地殼，主要以脆性變形為主，斷層比較發(fā)育，波組比較連續(xù)強(qiáng)烈和顯著。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)分析表明，長(zhǎng)嶺斷陷地殼內(nèi)發(fā)育了由變形拆離帶組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是由一系列韌性剪切帶、拆離帶構(gòu)成的，它們起到了溝通地球深部流體、氣體向上運(yùn)移的作用。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)嶺斷陷形成無(wú)機(jī)氣藏的有利因素。

從圖1可以看出，斷陷內(nèi)高含量CO2的分布與深大斷裂的分布關(guān)系密切。如靠近前神字井?dāng)嗔训腃S2、CS4井區(qū)，CO2的含量達(dá)到90%以上，靠近達(dá)爾罕斷裂的松南氣田CO2含量也較高，都是無(wú)機(jī)成因的；而到了東南部的東嶺氣田，由于遠(yuǎn)離基底斷裂，CO2含量很低，而且是有機(jī)成因的。整體上長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)CO2的分布與斷陷內(nèi)的深大斷裂的分布一致，因此深大斷裂的發(fā)育通過(guò)“類網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”相互交切，延伸到上、中地殼間的構(gòu)造拆離帶中，是地殼深部與淺部?jī)?chǔ)集層間溝通的關(guān)鍵控制因素。而且天然地震活動(dòng)反映出[19]，這些深大斷裂在新近紀(jì)晚期的活動(dòng)性較強(qiáng)，一方面溝通了地殼與淺層，另一方面造成了巖漿的活動(dòng)和噴發(fā)，而噴發(fā)出來(lái)的火山巖則成為了長(zhǎng)嶺斷陷內(nèi)斷陷層的重要儲(chǔ)層(如營(yíng)城組)。

4 結(jié)論

(1)長(zhǎng)嶺斷陷有純CO2氣藏和烴類氣體與CO2混合氣藏。純CO2氣藏為幔源無(wú)機(jī)成因；而混合氣藏當(dāng)中，松南氣田的CO2氣屬于幔源無(wú)機(jī)成因，東嶺氣田的CO2氣屬于有機(jī)成因，這主要受控于斷陷內(nèi)深大斷裂的分布，如前神字井?dāng)嗔押瓦_(dá)爾罕斷裂。位于深大斷裂附近的CO2氣體為幔源無(wú)機(jī)成因，遠(yuǎn)離深大斷裂的CO2氣體為有機(jī)成因。

(2)盆內(nèi)低速高導(dǎo)層巖漿房的存在，是長(zhǎng)嶺斷陷能發(fā)育無(wú)機(jī)CO2氣藏的氣源條件；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)造拆離帶，是聯(lián)系殼內(nèi)巖漿房和基底斷裂的紐帶；而活躍的基底斷裂，則是無(wú)機(jī)CO2氣藏最重要的輸導(dǎo)體系。

(3)無(wú)機(jī)CO2有其工業(yè)意義，但我們國(guó)家對(duì)可燃天然氣的需求更加強(qiáng)烈，而無(wú)機(jī)CO2對(duì)業(yè)已存在的烴類氣藏和油藏造成了一定程度的破壞作用，因此找出CO2分布規(guī)律有助于從另一個(gè)側(cè)面指導(dǎo)勘探。找尋可燃天然氣，建議盡力避開無(wú)機(jī)高純CO2地區(qū)，在緊鄰生烴洼陷的地區(qū)來(lái)尋找，如查干花次凹的西部深凹帶以及北正鎮(zhèn)斷階帶緊鄰東嶺油氣田的新安鎮(zhèn)等有利圈閉。

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(編輯 韓 彧)

Inorganic carbon dioxide gas reservoir formation in Changling Fault Depression, Songliao Basin

Li Kuang, Wang Guoshou, Zhou Zhuoming

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

With the development of deep gas exploration, some huge, enriched zones of CO2have been found in the Changling Fault Depression of the Songliao Basin. The origin of the CO2was analyzed for carbon isotope values of and the3He/4He ratio was determined. The CO2gas in the Changshen2, 4, 6 well blocks and the Songnan gas field is mainly inorganic gas sourced from the mantle, while that in the Dongling gas field is organic gas. The type was controlled by the distribution of deep fractures in the fault depression. The low-speed and high-conductivity magma chambers resulted from crustal thinning during mantle uplift, the “mesh structure” tectonic detachment belt in the deep Changling Fault Depression and the deep and extensive faults on the basement are the advantageous conditions for the formation of inorganic CO2reservoirs.

inorganic CO2; carbon isotope; deep and huge fault; magmatic activity; reservoir formation conditions; Changling Fault Depression;Songliao Basin

1001-6112(2015)04-0439-06

10.11781/sysydz201504439

2015-01-16；

2015-06-03。

李貺(1980—)，男，工程師，從事有機(jī)地球化學(xué)研究。E-mail：kuangli.syky@sinopec.com。

中國(guó)石化東北油氣分公司項(xiàng)目“松南長(zhǎng)嶺斷陷無(wú)機(jī)成因氣識(shí)別及分布規(guī)律研究”(G1200-08-WT-0439)資助。

TE132.3

A