西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣地球化學特征及其成因探討

王勇剛 陳 岑 譚先鋒 李 寧 張年念 湯 睿 李 陳

(1. 中海石油(中國)有限公司上海分公司， 上海 200335；2. 復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室， 重慶 401331；3. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院， 重慶 401331；4. 江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六七大隊， 江西 九江 332000)

西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷的中部，屬于東部坳陷帶內(nèi)的次一級凹陷，其總體呈北北東向展布，新生界地層沉積預計最大厚度達20 000 m以上。中央反轉(zhuǎn)帶位于西湖凹陷中部，緊鄰西湖凹陷生油洼槽中心，為始新世晚期受玉泉運動自東向西的擠壓作用而形成的反轉(zhuǎn)背斜帶，自南而北可劃分為天臺構(gòu)造帶、黃巖構(gòu)造帶、寧波構(gòu)造帶、嘉興構(gòu)造帶等4個三級構(gòu)造帶。近年來，在中央反轉(zhuǎn)帶發(fā)現(xiàn)一系列油氣田或含油氣構(gòu)造，主要含油氣層位為漸新統(tǒng)花港組，勘探前景良好。

西湖凹陷存在三套烴源巖，其中以平湖組海陸過渡相烴源巖為主，下始新統(tǒng)寶石組、漸新統(tǒng)花港組的河流相-湖泊相烴源巖為次要烴源巖。其中，巖石類型主要為暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤等3種類型[1]，有機質(zhì)類型主要以II2-III型為主。本次研究主要通過天然氣的化學組分、碳同位素、輕烴指紋等因素對西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶不同構(gòu)造帶(除嘉興構(gòu)造帶外)的天然氣地球化學特征進行對比分析，并討論天然氣的成因類型。

1 天然氣化學組成特征

1.1 組分

天然氣的組分由烴類和非烴類組成，不同組分天然氣受母質(zhì)類型和熱演化程度的影響，同時受區(qū)帶油氣運移和成藏方式等因素的影響。對中央反轉(zhuǎn)帶3個次級構(gòu)造已鉆多口探井的漸新統(tǒng)花港組天然氣進行取樣分析，得到西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣組分特征(見表1)。中央反轉(zhuǎn)帶的天然氣以烴類氣體為主，含少量非烴類氣體。

三級構(gòu)造帶之間天然氣的組分變化較大。在天臺構(gòu)造帶，甲烷體積分數(shù)為71.5%～90.57%，平均為83.63%；重烴體積分數(shù)為3.68%～13.16%，平均為9.45%；干燥系數(shù)(C1C1-5)為0.85～0.93，平均為0.89。在黃巖構(gòu)造帶，甲烷體積分數(shù)為70.72%～92.23%，平均為83.84%；重烴體積分數(shù)為5.53%～18.4%，平均為10.78%；干燥系數(shù)為0.72～0.94，平均為0.88。在寧波構(gòu)造帶，甲烷體積分數(shù)為85.36%～98.25%，平均為92.24%；重烴體積分數(shù)為1.04%～4.82%，平均為3.42%；干燥系數(shù)為0.93～0.99，平均為0.97。重烴組分整體由南向北體積分數(shù)明顯減少。中央反轉(zhuǎn)帶南部的天臺構(gòu)造帶、黃巖構(gòu)造帶以濕氣(干燥系數(shù)<0.95)為主，北部的寧波構(gòu)造帶以干氣(干燥系數(shù)>0.95)為主(見圖1)。

表1 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣組分特征

圖1 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣樣品干燥系數(shù)頻率

研究區(qū)非烴類氣體主要為CO2和N2，且3個次級構(gòu)造帶非烴類氣體含量都比較低，CO2平均體積分數(shù)介于1.96%～2.68%，N2平均體積分數(shù)介于0.81%～1.84%。

1.2 ln(C1C2)、ln(C2C3)關系

Behar等人研究了干酪根裂解氣和原油裂解氣的烴類組分差別，并根據(jù)這種差別提出通過ln(C1C2)-ln(C2C3)圖版來區(qū)分兩類天然氣的成因[2]。李劍等人在此研究的基礎上，進一步通過熱模擬實驗建立了可判別天然氣所處熱演化階段的新圖版[3-4]。將天然氣樣品的ln(C1C2)和ln(C2C3)數(shù)據(jù)放入圖2所示圖版進行分析。可以看出，中央反轉(zhuǎn)帶的天然氣以干酪根裂解氣為主，僅在天臺構(gòu)造帶存在少量原油裂解氣，3個次級構(gòu)造帶干酪根裂解氣的成熟度存在差異。其中，天臺構(gòu)造帶和黃巖構(gòu)造帶干酪根裂解氣的Ro(鏡質(zhì)體反射率)為0.8～1.1；寧波構(gòu)造帶干酪根裂解氣成熟度最高，Ro為1.2～1.6，整體呈現(xiàn)南低北高的特征；天臺構(gòu)造帶的原油裂解氣Ro為1.3～1.6。

圖2 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶ln(C1C2)與ln(C2C3)關系圖版

2 天然氣碳同位素組成特征

2.1 天然氣碳同位素分布特征

西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶的39個天然氣碳同位素分析樣品取自不同構(gòu)造帶的花港組，不同構(gòu)造帶的天然氣碳同位素(δ13C)存在一定差異。

(1) 天然氣δ13C1。天臺構(gòu)造帶天然氣δ13C1主頻分布于-40.11‰～-38.15‰，平均為-39.20‰；黃巖構(gòu)造帶天然氣δ13C1主頻分布于-37.46‰～-32.78‰，平均為-35.25‰；寧波構(gòu)造帶天然氣δ13C1主頻分布于-32.21‰～-22.6‰，平均為-29.86‰。整體上，甲烷的碳同位素呈現(xiàn)出北重南輕的特點，說明南北的天然氣源巖熱演化程度不同。

(2) 天然氣δ13C2。天臺構(gòu)造帶天然氣δ13C2主頻分布于-27.61‰～-25.87‰，平均為-26.87‰；黃巖構(gòu)造帶天然氣δ13C2主頻分布于-28.92‰～-25.00‰，平均為 -27.09‰；寧波構(gòu)造帶天然氣δ13C2主頻分布于-26.00‰ ～-23.30‰，平均為-24.24‰。

由烷烴氣碳同位素系列特征(見圖3)可知，3個次級構(gòu)造帶的天然氣有一部分發(fā)生了同位素倒轉(zhuǎn)(δ13C3<δ13C2或者δ13C4<δ13C3)。戴金星根據(jù)國內(nèi)多個盆地的碳同位素系列特征，總結(jié)了碳同位素倒轉(zhuǎn)的原因[5-6]：(1) 有機烷烴氣和無機烷烴氣相混合；(2) 煤成氣和油型氣相混合；(3) 同型不同源氣或同源不同期氣相混合；(4) 烷烴氣中組分被細菌氧化。在西湖凹陷幾乎沒有發(fā)現(xiàn)無機烷烴氣，同時中央反轉(zhuǎn)帶氣藏埋藏較深，不可能發(fā)生細菌氧化作用，因此天然氣的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象主要為不同類型或不同期次天然氣混合所致。

圖3 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣碳同位素對比圖

2.2 天然氣碳同位素組合特征

天然氣中烷烴的碳同位素主要受烴源巖的母質(zhì)類型及其熱演化程度的影響，CH4碳同位素主要受天然氣成熟度的影響，而C2H6碳同位素主要與烴源巖母質(zhì)類型有關[7-9]。通常，δ13C2<-28‰的天然氣為油型氣，δ13C2>-28‰的天然氣為煤成氣。研究區(qū)天臺構(gòu)造帶和黃巖構(gòu)造帶主要落入煤成氣區(qū)，部分落入混合成因氣區(qū)，寧波構(gòu)造帶主要以煤成氣為主[10]。根據(jù)西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣δ13C1-δ13C2關系圖版(見圖4)可知，天臺地區(qū)的混合成因氣主要是煤成氣與原油裂解氣的混合氣[11]。黃巖構(gòu)造帶和寧波構(gòu)造帶以干酪根裂解氣為主?，F(xiàn)有研究表明，西湖凹陷油氣是多期沖注、多期成藏所形成的產(chǎn)物，因此黃巖構(gòu)造帶和寧波構(gòu)造帶可能主要由不同成熟度天然氣混合而成。

胡惕麟等人根據(jù)碳同位素特征，建立了判別天然氣成因類型及成熟度的δ13C2與δ13C2-δ13C1關系圖版(見圖5)[12]。根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)落入?yún)^(qū)域可以看出，天然氣的成熟度表現(xiàn)為由南向北逐漸升高。其中，天臺構(gòu)造帶以中期腐殖型氣區(qū)和過渡區(qū)為主；黃巖構(gòu)造帶落入晚期腐殖型氣區(qū)與過渡區(qū)；寧波構(gòu)造帶天然氣主要落入晚期腐殖型氣區(qū)，該構(gòu)造帶主要處于高成熟 — 過成熟熱演化階段。

圖4 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣δ13C1-δ13C2關系圖版

圖5 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣δ13C2與δ13C2-δ13C1關系圖版

3 天然氣輕烴C6-C7組成特征

C7輕烴化合物包括正庚烷(nC7)、甲基環(huán)己烷(MCC6)及各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷(DMCC5)。戴金星等人根據(jù)不同結(jié)構(gòu)輕烴在母質(zhì)中的含量以及熱演化過程中的穩(wěn)定性，建立了C7輕烴三角圖，可有效區(qū)分不同成因油氣[13-14]。MCC6是有效反映煤成氣輕烴的指標，甲基環(huán)己烷(MCC6)質(zhì)量分數(shù)大于46%的天然氣一般為煤成氣，小于46%的天然氣一般為油型氣。天然氣樣品中除天臺構(gòu)造帶部分數(shù)據(jù)點外，C7輕烴系列化合物中MCC6質(zhì)量分數(shù)為49%～64%，占絕對優(yōu)勢，正庚烷的含量相對較低。這些情況均表明，西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶的天然氣主要為煤型氣，天臺構(gòu)造帶含部分油型氣。

Thompson提出庚烷值、異庚烷值與凝析油成熟度的關系式[15-16]。程克明等人根據(jù)不同地區(qū)的油氣成熟度，提出了依據(jù)庚烷值和異庚烷值劃分天然氣成熟度的標準[17]。依據(jù)該分類標準，認為天臺構(gòu)造帶和黃巖構(gòu)造的天然氣樣品基本處于成熟階段，黃巖構(gòu)造帶的天然氣樣品成熟度相對較高，寧波構(gòu)造帶的天然氣樣品基本處于高成熟階段，部分已經(jīng)進入過成熟階段(見圖6)。這與前面的分析結(jié)果基本一致。

圖6 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣輕烴成熟度

4 結(jié) 語

西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶天然氣呈南北分帶特征，南部天臺構(gòu)造帶和黃巖構(gòu)造帶的天然氣以濕氣為主，北部寧波構(gòu)造帶的天氣然以干氣為主，整體上天然氣組分中非烴類氣體組分含量比較低。中央反轉(zhuǎn)帶天然氣碳同位素均出現(xiàn)了不同程度的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其天臺構(gòu)造帶天然氣存在混源特征，以干酪根裂解氣為主，并存在少量原油裂解氣；而黃巖構(gòu)造帶和寧波構(gòu)造帶天然氣可能為多期充注的不同成熟度干酪根裂解氣的混合氣。成熟度分析結(jié)果表明，西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)帶南部天臺構(gòu)造帶和黃巖構(gòu)造帶的天然氣基本處于成熟階段，而北部寧波構(gòu)造帶天然氣基本處于高成熟階段，部分已經(jīng)進入過成熟階段。整體上，天然氣成熟度呈北高南低的態(tài)勢。