南加蓬次盆深水區(qū)天然氣成因類型及氣源探討

蘭 蕾 孫玉梅 王 柯

（中海油研究總院）

南加蓬次盆深水區(qū)天然氣成因類型及氣源探討

蘭 蕾 孫玉梅 王 柯

（中海油研究總院）

南加蓬次盆深水區(qū)L氣田天然氣具有異常重的碳同位素組成，甲烷和乙烷碳同位素值分別為-32.8‰～-28.4‰和-25.8‰～-23.4‰，以天然氣乙烷碳同位素判別標(biāo)準(zhǔn)，L氣田天然氣應(yīng)為煤型氣。區(qū)域上的烴源巖和油氣研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)白堊系鹽下主要發(fā)育腐泥型油源巖，腐殖型氣源巖不太發(fā)育，不具備形成大型煤型氣田的地質(zhì)條件。碳同位素分析表明，加蓬盆地及鄰區(qū)白堊系巴雷姆階，尤其是Melania組湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖具有異常重的碳同位素組成，與L氣田天然氣異常重的乙烷碳同位素特征相似。天然氣氣源分析表明，L氣田天然氣來源于白堊系鹽下湖相烴源巖生成的高—過成熟原油裂解氣，其中巴雷姆階Melania組湖相烴源巖為主要烴源巖。

南加蓬次盆；碳同位素；天然氣成因類型；氣源分析

天然氣碳同位素組成是判識各類成因天然氣最有效和最常用的指標(biāo)，由于甲烷碳同位素組成隨熱演化程度增加而變重的特征較明顯，所以它是確定天然氣成熟度的較佳指標(biāo)，而乙烷碳同位素組成多用于判識天然氣成因類型。戴金星認(rèn)為煤型氣乙烷碳同位素值重于-25.1‰，油型氣乙烷碳同位素值輕于-28.8‰[1]。徐永昌等認(rèn)為煤型氣乙烷碳同位素值重于-28‰，油型氣乙烷碳同位素值輕于-30‰[2]。南加蓬次盆深水區(qū)首次發(fā)現(xiàn)大型氣田——L氣田，其天然氣乙烷碳同位素值分布在-25.8‰～-23.4‰。依照國內(nèi)乙烷碳同位素組成判識煤型氣與油型氣的標(biāo)準(zhǔn)，L氣田天然氣的乙烷碳同位素分布與常規(guī)煤型氣一致。但南大西洋鹽下白堊系湖相烴源巖為典型的腐泥型有機質(zhì)來源，目前已在巴西坎普斯和桑托斯等盆地發(fā)現(xiàn)巨量白堊系鹽下湖相烴源巖生成的原油[3-6]，同時南加蓬次盆淺水和陸地區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了大量白堊系鹽下湖相烴源巖生成的原油，而從未發(fā)現(xiàn)鹽下白堊系裂陷期烴源巖形成的煤成氣田。前人對南加蓬次盆白堊系鹽下烴源巖的研究認(rèn)為，發(fā)育巴雷姆（Barremian）階Melania組和尼歐克姆（Neocomian）階Kissenda組湖相腐泥型烴源巖[7]，說明該區(qū)并不具備形成大型煤型氣田的烴源條件。因此，揭示南加蓬次盆深水區(qū)天然氣碳同位素組成與烴源巖之間的矛盾現(xiàn)象，弄清L氣田天然氣成因類型及其氣源，對于南加蓬次盆深水區(qū)的油氣勘探具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

加蓬盆地是典型的大西洋被動大陸邊緣含鹽盆地[8-11]，可進(jìn)一步劃分為南加蓬次盆、北加蓬次盆及內(nèi)次盆3個二級構(gòu)造單元[7,12]（圖1），其中南加蓬次盆油氣發(fā)現(xiàn)最多。截至2013年12月，南加蓬次盆鹽下可采儲量達(dá)3.8×108m3油當(dāng)量，以油為主，主要分布于陸上至淺水區(qū)的內(nèi)裂陷帶和中央凸起帶，而深水區(qū)外裂陷帶鹽下勘探程度則極低。2014年，南加蓬次盆深水區(qū)鉆井揭示白堊系鹽下大氣田——L氣田，天然氣地質(zhì)儲量達(dá)10.2×1012ft3，列2014年全球第九大油氣發(fā)現(xiàn)，從而揭開了南加蓬次盆深水區(qū)天然氣勘探的序幕。

圖1 南加蓬次盆位置圖

南加蓬次盆發(fā)育晚侏羅世—早白堊世早期（裂陷期）陸相沉積、早白堊世晚期（過渡期）鹽巖沉積和晚白堊世—新近紀(jì)（漂移期）海相沉積3套層序（圖2）。裂陷早期（尼歐克姆期）發(fā)育Kissenda組和Lucina組兩套地層；裂陷晚期（巴雷姆期）沉積了Melania組和Dentale組兩套地層，主要在深水區(qū)發(fā)育，其中Melania組為該區(qū)主要的湖相烴源巖，Kissenda組為該區(qū)次要的湖相烴源巖[7]。

圖2 南加蓬次盆地層示意圖

2 資料可靠性分析

南加蓬次盆深水區(qū)鉆井兩口，其中L井鉆遇天然氣及少量凝析油，N井僅有少量氣測顯示，兩口井均未鉆遇主要烴源巖層段。天然氣組分和碳同位素數(shù)據(jù)來源于兩口井的212份泥漿氣數(shù)據(jù)及L井的3份地層測試取樣（MDT）的氣樣數(shù)據(jù)。其中，泥漿氣測得的組分?jǐn)?shù)據(jù)受泥漿氣氣體濃度、分析儀器等因素的影響，會造成一定誤差，尤其在氣體濃度低于2000×10-6時，誤差會更大[13]；MDT氣樣的組分析數(shù)據(jù)更為可靠。但是，兩種氣樣的碳同位素組成分析數(shù)據(jù)高度一致（圖3），說明兩種氣體的碳同位素組成數(shù)據(jù)具有較高的可信度。

圖3 L井天然氣地球化學(xué)剖面

由于受鉆井油基鉆井液污染的影響，L井凝析油的色質(zhì)分析數(shù)據(jù)、天然氣輕烴分析數(shù)據(jù)及凝析油單體烴中nC10—nC28正構(gòu)烷烴碳同位素數(shù)據(jù)的可靠性較低（圖4），不能作為油氣成因類型和油氣來源研究的有效資料。天然氣碳同位素組成及凝析油輕烴碳同位素組成是該區(qū)唯一可信的判識天然氣成因類型和進(jìn)行氣源分析的數(shù)據(jù)。

圖4 L井凝析油單體烴碳同位素值分布圖

3 天然氣成因類型及氣源判識

3.1 烴源巖特征

南加蓬次盆白堊系鹽下發(fā)育Kissenda組、Lucina組、Melania組和Dentale組等多套烴源巖。

裂陷早期尼歐克姆階Kissenda組泥巖為中等烴源巖，TOC小于2%，氫指數(shù)為100～400mg/g，有機質(zhì)類型為Ⅱ—Ⅲ型，傾向于生成輕質(zhì)油和天然氣（圖5和圖6），氯仿瀝青“A”碳同位素值為-29.7‰，為該區(qū)次要烴源巖。

Lucina組有機質(zhì)豐度變化范圍較大，局部地區(qū)TOC高達(dá)10%，有機質(zhì)類型為Ⅱ—Ⅲ型，淺水區(qū)CM-1井Lucina組下部烴源巖氯仿瀝青“A”碳同位素值為-28.4‰～-27‰（圖5和圖6），至Lucina組上部，烴源巖有機質(zhì)豐度呈現(xiàn)明顯增高、碳同位素組成呈現(xiàn)明顯變重的趨勢（圖7）。

圖5 南加蓬次盆烴源巖層段TOC分布

圖6 南加蓬次盆鹽下烴源巖有機質(zhì)豐度及類型圖

圖7 CM-1井地球化學(xué)剖面

裂陷晚期巴雷姆期湖盆水體較深，主要發(fā)育半深湖相沉積，Melania組為有機質(zhì)豐度高、富氫的優(yōu)質(zhì)烴源巖，70%以上樣品TOC大于2%，氫指數(shù)主要為600～900mg/g，有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主（圖5和圖6），有機質(zhì)主要來源于豐富的葡萄藻及由葡萄藻遭受次生作用形成的腐泥型物質(zhì)。Melania組是該區(qū)主要的油源巖，厚度為200～600m。CM-1井Melania組氯仿瀝青“A”具有異常重的碳同位素組成，碳同位素值為-25.5‰～-23.7‰（圖7）。通過實測Ro標(biāo)定對Melania組進(jìn)行熱演化模擬，以中間面為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為Melania組現(xiàn)今多處于高—過成熟階段，達(dá)到生氣階段（圖8）。

圖8 南加蓬次盆鹽下Melania組現(xiàn)今成熟度分布圖

Melania組上覆的Dentale組為河流—三角洲相及湖相沉積，砂巖十分發(fā)育，是該區(qū)主要儲層；泥巖有機質(zhì)豐度和類型變化較大，統(tǒng)計結(jié)果顯示，約有40%的Dentale組泥巖樣品有機質(zhì)豐度較高，氫指數(shù)大于350mg/g，屬于好—優(yōu)質(zhì)傾油型烴源巖（圖5和圖6）。CM-1井高有機質(zhì)豐度的Dentale組烴源巖同樣具有異常重的碳同位素組成，3個氯仿瀝青“A”樣品的碳同位素值分別為-22.9‰、-25.9‰和-27.7‰。深水區(qū)N井鉆遇Dentale組，實測Ro最高可達(dá)0.85%，揭示Dentale組處于熱演化的低成熟階段。

由此可見，加蓬盆地從尼歐克姆階到巴雷姆階，湖相烴源巖質(zhì)量變好，氯仿瀝青“A”碳同位素組成也變重，尤其是巴雷姆階Melania組優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖屬于典型的腐泥型油源巖，但是，與傳統(tǒng)的湖相腐泥型烴源巖相比，其碳同位素組成卻明顯偏重。

同樣，加蓬盆地這類異常重碳同位素的優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖在南大西洋也廣泛發(fā)育。位于巴西并與加蓬盆地共軛的卡馬穆（Camamu）盆地，以及與加蓬盆地相鄰的剛果（Congo）盆地，均與加蓬盆地有著相似的構(gòu)造演化、沉積環(huán)境和烴源巖發(fā)育特征，卡馬穆盆地和剛果盆地在巴雷姆階均發(fā)育以無定形有機質(zhì)為主的腐泥型優(yōu)質(zhì)烴源巖，碳同位素值普遍重于-26‰，且碳同位素組成隨氫指數(shù)和有機碳含量增加而變重[4-6]。另外，孫玉梅等的研究表明，中國近海及印度尼西亞部分優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖同樣存在異常重的碳同位素組成現(xiàn)象[14]。湖相腐泥型烴源巖異常重的碳同位素組成其成因具有多樣性，黃第藩認(rèn)為鹽湖相烴源巖干酪根碳同位素組成比一般湖相和沼澤相烴源巖偏重[15]。Goncalves提出極重的碳同位素組成是優(yōu)質(zhì)烴源巖具有高的初級生產(chǎn)力所致[5]。

3.2 天然氣碳同位素特征及熱成熟度

南加蓬次盆深水區(qū)L井鹽上和鹽下均有天然氣發(fā)現(xiàn)，主力氣層位于鹽下。天然氣的豐度、組成及碳同位素組成在鹽上和鹽下存在顯著差異，天然氣成因也存在差異。

鹽上（埋深小于4010m）的天然氣濃度在10-3～10-2，天然氣組成中甲烷含量較高，泥漿氣測得的甲烷含量為95%～99%，并且甲烷含量隨埋深增加而略微降低，但總體表現(xiàn)為干氣特征。天然氣的甲烷碳同位素組成較輕，分布在-69.9‰～-60.4‰之間，氫同位素值分布在-250‰～-200‰，天然氣為典型的生物氣（圖9），主要來源于上白堊統(tǒng)未成熟的賽諾曼階海相烴源巖。

中間層段（4030～4350m）的天然氣濃度極低，低于1000×10-6，甲烷含量變化大，泥漿氣測得的甲烷含量為81%～93%，且隨埋深增大甲烷含量降低的趨勢明顯。天然氣的甲烷碳同位素值分布在-49.6‰～-45.3‰，氫同位素值分布在-290‰～-250‰，天然氣屬于原油伴生氣（圖9），主要來源于低成熟—成熟的阿爾布階海相烴源巖。

鹽下（埋深大于4350m）的Gamba組為主力氣層段，氣體濃度很高，泥漿氣測得的甲烷含量在95%以上（不考慮氣體濃度較低層段測得的甲烷含量），MDT氣樣所測甲烷含量為93%～94%，均說明天然氣中甲烷含量很高，氣體較為干燥。天然氣的甲烷碳同位素值分布在-35‰～-25‰，氫同位素值分布在-140‰左右，為高成熟氣（圖9）。這與該區(qū)白堊系鹽下Melania組湖相烴源巖成熟度一致，故推測L井鹽下天然氣主要來源于該區(qū)高—過成熟的白堊系Melania組鹽下湖相烴源巖。

圖9 L井不同埋深層段天然氣成熟度特征[16]

3.3 白堊系鹽下氣源分析

天然氣乙烷碳同位素組成是天然氣成因類型判別的重要指標(biāo)。L井鹽下天然氣的乙烷碳同位素值分布在-25.8‰～-23.4‰，明顯重于鹽上天然氣。依照國內(nèi)煤型氣與油型氣的乙烷同位素組成判別標(biāo)準(zhǔn)，L井鹽下天然氣應(yīng)為煤型氣。但南大西洋鹽下白堊系湖相烴源巖屬于典型的腐泥型烴源巖，南加蓬次盆深水區(qū)L氣田天然氣應(yīng)當(dāng)為白堊系湖相烴源巖形成的高—過成熟原油裂解氣。但是，L氣田天然氣怎么會表現(xiàn)出煤型氣所具有的乙烷碳同位素組成特征呢？合理解釋天然氣和烴源巖的碳同位素組成之間的關(guān)系是該區(qū)天然氣成因類型和氣源研究的關(guān)鍵。

碳同位素組成具有較強的母質(zhì)繼承性，一般來說，烴源巖的碳同位素值輕，其生成油氣的碳同位素值也輕；若烴源巖的碳同位素值重，其生成油氣的碳同位素值也重。因此，烴源巖和油氣的碳同位素組成是油氣源分析的重要依據(jù)。

南加蓬次盆L井鹽下以天然氣為主，同時有少量凝析油。由于受到油基鉆井液的污染，凝析油樣品的碳同位素組成受到影響，已不能代表凝析油真實的碳同位素組成面貌。但從圖4可見，即使凝析油樣品受到20%油基鉆井液的污染，凝析油仍然具有很重的單體烴碳同位素值，正構(gòu)烷烴組分的碳同位素值一般為-26‰～-21‰（圖4），與加蓬盆地Melania組湖相烴源巖異常重的碳同位素值分布非常相似。因此，L井凝析油應(yīng)當(dāng)主要來源于該區(qū)Melania組湖相烴源巖。

南加蓬次盆深水區(qū)L氣田凝析油、淺水區(qū)原油與陸上和淺水區(qū)烴源巖飽和烴及芳香烴碳同位素組成對比發(fā)現(xiàn)，南加蓬次盆烴源巖和原油的碳同位素值從輕到重均有分布，其中，部分Melania組烴源巖樣品的碳同位素組成與深水區(qū)L氣田凝析油和近海CM-1井原油更加相似，均表現(xiàn)出異常重的碳同位素組成特征。而Kissenda組和Lucina組烴源巖樣品的碳同位素組成分布范圍與其他油樣相似，表現(xiàn)出碳同位素值較輕的特點（圖10），進(jìn)一步說明L氣田鹽下與天然氣伴生的凝析油主要來源于Melania組湖相烴源巖。

圖10 南加蓬次盆烴源巖與油樣的飽和烴、芳香烴碳同位素值分布

從單體烴碳同位素組成看，L井天然氣與同深度凝析油的單體烴碳同位素組成具有相似性、連貫性（圖4），說明L井鹽下天然氣與凝析油具有很好的親源關(guān)系或相同的來源。因此， L井鹽下天然氣應(yīng)該主要來源于Melania組烴源巖。由于Melania組湖相烴源巖具有異常重的碳同位素值，其氯仿瀝青“A”的碳同位素值達(dá)到-25.5‰～-23.7‰，考慮到油氣碳同位素組成對母源的繼承性，這類烴源巖生成的油氣必然具有很重的碳同位素值，因此，南加蓬次盆L氣田天然氣乙烷碳同位素值為-25.8‰～-23.4‰是完全可以理解的。

實際上，由于受腐泥型烴源巖本身碳同位素組成較重的影響，腐泥型烴源巖生成的油氣具有異常重碳同位素組成的現(xiàn)象在其他地區(qū)也同樣存在[14-17]。例如，東非海岸的坦桑尼亞盆地發(fā)育下侏羅統(tǒng)優(yōu)質(zhì)腐泥型烴源巖，少量烴源巖樣品的干酪根碳同位素值達(dá)到-22.2‰，表現(xiàn)出極重的碳同位素組成特征。下侏羅統(tǒng)優(yōu)質(zhì)腐泥型烴源巖及其生成原油的飽和烴及芳香烴碳同位素組成較重，飽和烴和芳香烴碳同位素值普遍大于-28‰，而由這些原油裂解生成的天然氣的乙烷碳同位素值重于-28‰[18]，迥異于國內(nèi)四川盆地等原油裂解氣的碳同位素組成。而這種異常重的碳同位素組成與南加蓬深水區(qū)天然氣碳同位素組成相似，也佐證了南加蓬次盆深水區(qū)L氣田天然氣可能來源于白堊系重碳同位素組成的優(yōu)質(zhì)湖相腐泥型烴源巖生成的高—過成熟原油裂解氣，而非腐殖型烴源巖生成的煤型氣。

4 結(jié)論

（1）南加蓬次盆深水區(qū)L氣田天然氣及伴生的凝析油具有異常重的碳同位素組成，天然氣乙烷碳同位素組成與傳統(tǒng)煤型氣的碳同位素組成一致。但是，烴源巖碳同位素組成對比研究表明，L氣田天然氣成因類型并非煤型氣，而是高—過成熟原油裂解氣，天然氣異常重的碳同位素組成是其母源具有異常重的碳同位素組成所致。

（2）南加蓬次盆深水區(qū)L氣田天然氣和凝析油的低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的單體烴碳同位素組成具有相似性和連貫性，天然氣和凝析油同源。天然氣和凝析油均具有異常重的碳同位素組成，白堊系鹽下湖相烴源巖，尤其是巴雷姆階Melania組優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖為其主要烴源巖。

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Genetic types and sources of natural gas in deep water areas in South Gabon Sub-basin

Lan Lei, Sun Yumei, Wang Ke
(CNOOC Research Institute)

The natural gas in the deepwater L Gasfeld in the South Gabon Sub-basin is characterized by abnormally heavy carbon isotopic compositions, with δ13C1and δ13C2ranging from -32.8‰ to -28.4‰ and from -25.8‰ to -23.4‰, respectively. According to the ethane carbon isotope criterion of natural gas, the natural gas in the L gasfeld is classifed as coal-type gas. The investigation on regional source rocks and hydrocarbon resources shows that this area is geologically unqualifed for the formation of large coal-type gas felds, since sapropel type oil source rocks are mainly developed while humic gas source rocks are poorly developed. Carbon isotope analysis reveals that abnormally heavy carbon isotopic composition occurs during the Cretaceous Barremian Stage in the Gabon Basin and its neighboring areas, especially in the Melania Formation lacustrine good source rocks. This is similar with abnormally heavy ethane carbon isotope of natural gas in the L gasfeld. Gas source analysis indicates that the natural gas in the L gasfeld is mainly derived from high-over maturity oil cracked gas which is generated by the Cretaceous sub-salt lacustrine source rocks. In particular, the lacustrine source rocks of Barremian Melania Formation are dominant.

South Gabon Sub-basin, carbon isotope, genetic type of natural gas, gas source analysis

TE112.111

A

國家科技重大專項“海外大陸邊緣盆地勘探開發(fā)實用新技術(shù)研究”（2011ZX05030-001）。

蘭蕾（1987-），女，河南南陽人，碩士，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），工程師，現(xiàn)主要從事油氣地球化學(xué)研究工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號中海油大廈，郵政編碼：100028。E-mail：lanlei@cnooc.com.cn

2016-04-25；修改日期：2017-02-16

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.02.008