長(zhǎng)嶺斷陷龍鳳山—東嶺地區(qū)下白堊統(tǒng)天然氣地球化學(xué)特征及成因

潘 珂，蔣有錄，李瑞磊，范 婕

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化東北油氣分公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；3.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

0 引 言

解決天然氣的成因及來源問題是研究氣藏形成和分布的基礎(chǔ)，對(duì)其展開綜合研究不僅具有理論意義，對(duì)于指導(dǎo)油氣勘探有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。龍鳳山—東嶺地區(qū)屬于勘探新區(qū)，氣樣數(shù)據(jù)較少，前人對(duì)天然氣特征研究程度較低。李浩等對(duì)龍鳳山—東嶺地區(qū)天然氣類型進(jìn)行初步判識(shí)，認(rèn)為天然氣類型以腐殖型氣為主，部分為腐泥型氣[2]。然而龍鳳山—東嶺地區(qū)主力烴源巖層為沙河子組和營(yíng)城組，干酪根類型為Ⅲ—Ⅱ1型，烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的差異導(dǎo)致天然氣來源具有多樣性[3-4]，成因類型較為復(fù)雜，目前尚不清楚。此外，龍鳳山和東嶺地區(qū)分別位于生烴洼陷的兩側(cè)，其天然氣富集層位存在明顯差異，龍鳳山地區(qū)天然氣主要富集于營(yíng)城組[5]，東嶺地區(qū)天然氣自沙河子組至泉頭組均可富集成藏，不同層系間天然氣類型及差異暫未明確。文中基于天然氣地球化學(xué)指標(biāo)，對(duì)龍鳳山—東嶺地區(qū)天然氣進(jìn)行判識(shí)和對(duì)比，明確不同層系天然氣類型的差異，通過分析原油裂解氣的形成條件解釋其分布特征，為明確該區(qū)天然氣成因及來源提供可靠依據(jù)，并為龍鳳山—東嶺地區(qū)下一步的油氣勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

長(zhǎng)嶺斷陷位于松遼盆地中央斷陷區(qū)中南部，總體呈NNE向展布，面積約為7 240 km2，為北西斷、南東超的大型斷箕構(gòu)造[6]。自白堊紀(jì)以來，盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了斷陷期、斷—坳轉(zhuǎn)換期及坳陷期多期過程，斷陷期自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)火石嶺組(K1h)，沙河子組(K1sh)、營(yíng)城組(K1yc)，斷—坳轉(zhuǎn)換期發(fā)育登婁庫(kù)組(K1d)，坳陷期發(fā)育下白堊統(tǒng)泉頭組(K1q)[7-8]。

龍鳳山—東嶺地區(qū)位于長(zhǎng)嶺斷陷南部，自西向東可劃分為3個(gè)構(gòu)造單元，分別是龍鳳山地區(qū)、洼陷帶和東嶺地區(qū)。其中沙河子組(K1sh)和營(yíng)城組(K1yc)發(fā)育大套泥巖層，為龍鳳山地區(qū)和東嶺地區(qū)的主要烴源巖層系。但2個(gè)地區(qū)主力儲(chǔ)層存在差異，勘探結(jié)果表明，龍鳳山地區(qū)天然氣主要富集在營(yíng)城組(K1yc)，東嶺地區(qū)自沙河子組(K1sh)至泉頭組(K1q)天然氣多層系富集成藏[9]。

2 天然氣地球化學(xué)特征

2.1 天然氣組分

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)天然氣總烴含量為89.00%～96.00%，烴類氣體主要為甲烷，含量為79.64%～87.37%，重?zé)N(C2+)含量較低，為5.00%～10.00%，干燥系數(shù)為0.80～0.95，表現(xiàn)為濕氣。2個(gè)地區(qū)天然氣組分存在一定差異，東嶺地區(qū)甲烷含量為85.00%～88.00%，明顯高于龍鳳山地區(qū)，非烴類氣體含量小于5.00%，明顯低于龍鳳山地區(qū)，并且東嶺地區(qū)不同層位間天然氣組分差異較小(表1)[2]。

2.2 天然氣碳同位素

研究區(qū)天然氣碳同位素分布特征具有相似性，表現(xiàn)為甲烷、乙烷、丙烷和丁烷按照δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4正序排列。其中，龍鳳山地區(qū)天然氣碳同位素較重，δ13C1值為-38.80‰～-32.40‰，δ13C2值為-27.80‰～-21.40‰，δ13C3值為-24.20‰～-21.02‰，δ13C4值為-23.80‰～-19.80‰，2個(gè)層系天然氣的碳同位素差異較大，反映其成因存在差異。而東嶺地區(qū)天然氣碳同位素明顯輕于龍鳳山地區(qū)，不同層系減碳同位素差異較小，δ13C1值為-36.78‰～-33.18‰，δ13C2值為-26.15‰～-28.21‰，δ13C3值為-27.22‰～-25.41‰，δ13C4值為-24.88‰～-26.95‰(表1)。依據(jù)戴金星、胡國(guó)藝等學(xué)者提出的天然氣類型劃分標(biāo)準(zhǔn)[10-12]，并結(jié)合研究區(qū)洼陷帶主要由Ⅱ1型烴源巖供烴的地質(zhì)背景[2-3]，認(rèn)為龍鳳山地區(qū)為煤型氣，東嶺地區(qū)為混合氣。

前人研究結(jié)果表明，龍鳳山天然氣主要來自于沙河子組烴源巖，埋深較大，達(dá)到高成熟—過成熟階段[4]，天然氣演化程度較高，表現(xiàn)為甲烷含量低、氮?dú)夂扛摺⑻纪凰刂递^大。而東嶺地區(qū)天然氣來自于沙河子組與營(yíng)城組烴源巖，埋深較小，達(dá)到成熟—高成熟階段[2]，天然氣演化程度稍低，表現(xiàn)為甲烷含量高、氮?dú)夂康?、碳同位素值較小。因此，龍鳳山地區(qū)與東嶺地區(qū)天然氣演化階段不同，導(dǎo)致其地球化學(xué)特征存在差異。

3 天然氣成因類型及分布

3.1 原油裂解氣與干酪根裂解氣

在明確天然氣地球化學(xué)特征及母質(zhì)來源的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步判別其成因類型。干酪根裂解氣在生成時(shí)甲烷與乙烷的比值C1/C2變化較大，乙烷與丙烷的比值C2/C3變化較小，而原油裂解氣在裂解時(shí)C2/C3變化較大、C1/C2變化較小，利用這一原理對(duì)研究區(qū)天然氣類型進(jìn)行判識(shí)[13-15](圖1)。

由圖1可知，龍鳳山地區(qū)營(yíng)城組天然氣表現(xiàn)出干酪根裂解氣的特征；東嶺地區(qū)則為原油裂解氣與干酪根裂解氣并存，但不同層系存在差異，其中營(yíng)城組天然氣干酪根裂解氣主要分布在斜坡帶，少量原油裂解氣存在于洼陷帶；泉頭組天然氣表現(xiàn)出原油裂解氣和干酪根裂解氣共存的特征(圖1)。

圖1 利用ln(C1/C2)-ln(C2/C3)圖版判斷研究區(qū)裂解氣類型

3.2 原油裂解氣的形成條件

研究區(qū)存在原油裂解氣與干酪根裂解氣，但其形成條件存在差異性，需進(jìn)一步明確。

熱解中S1代表排烴后巖石中的殘留烴數(shù)量，S1/TOC可代表單位有機(jī)碳中生成原油的數(shù)量，該值隨著埋深的增大而增大，當(dāng)S1/TOC值達(dá)到最大后開始下降，代表原油發(fā)生裂解生成天然氣[16-17]。對(duì)比可知，龍鳳山地區(qū)S1/TOC值在3 600 m處出現(xiàn)明顯的下降，對(duì)應(yīng)的干酪根鏡質(zhì)體反射率Ro值為1.5%，地溫約為165 ℃，此時(shí)原油發(fā)生裂解；東嶺地區(qū)S1/TOC值在2 600 m處出現(xiàn)明顯的下降，對(duì)應(yīng)的Ro值為1.3%，地溫約為150 ℃(圖2)。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合埋藏史和熱演化史確定裂解氣的形成時(shí)間。以東嶺地區(qū)S11井為例，利用PetroMod軟件對(duì)單井古地溫進(jìn)行模擬，沙河子組和營(yíng)城組分別在距今108、92 Ma時(shí)Ro達(dá)到1.3%，登婁庫(kù)組和泉頭組地層Ro無法達(dá)到1.3%，說明S11井沙河子組原油自108 Ma開始裂解，營(yíng)城組原油自92 Ma開始裂解，登婁庫(kù)組和泉頭組原油無法達(dá)到裂解條件。使用該方法確定工區(qū)內(nèi)不同井的原油開始裂解時(shí)間。結(jié)果表明，從洼陷帶到斜坡帶原油裂解時(shí)間逐漸變晚，原油裂解范圍逐漸變小，洼陷帶內(nèi)沙河子組和營(yíng)城組原油均可達(dá)到裂解條件，而斜坡帶僅有沙河子組原油可以達(dá)到裂解條件(表2)。

圖2 龍鳳山—東嶺地區(qū)S1/TOC與深度的關(guān)系

表2 原油開始裂解時(shí)間

3.3 天然氣分布特征

研究表明，很多富油氣凹陷既有干酪根裂解氣，又存在原油裂解氣，并具有分區(qū)分布的特征[18-19]。研究區(qū)為干酪根裂解氣與原油裂解氣并存，但其成藏條件不同導(dǎo)致分布特征存在差異性。

龍鳳山地區(qū)營(yíng)城組烴源巖生成原油后，隨地層埋深增大，洼陷帶附近如B2井等可達(dá)到裂解門限生成裂解氣，而斜坡帶不能達(dá)到原油裂解門限，天然氣主要為干酪根裂解氣(圖2)。此時(shí)斷層停止活動(dòng)，不具有垂向輸導(dǎo)能力，天然氣僅在營(yíng)城組內(nèi)發(fā)生運(yùn)移(圖3a)。由于天然氣重?zé)N(C2+)及密度隨運(yùn)移距離的增加逐漸減小[19]，反映營(yíng)城組天然氣具有由生烴洼陷向斜坡帶運(yùn)移的特征。因此，龍鳳山地區(qū)天然氣分布特征表現(xiàn)為從洼陷帶到斜坡帶，天然氣類型由原油裂解氣逐漸過渡為干酪根裂解氣(圖4a)。

東嶺地區(qū)沙河子組及營(yíng)城組烴源巖生成原油后，隨埋深增大，沙河子組原油達(dá)到裂解的條件，生成原油裂解氣；營(yíng)城組僅洼陷帶附近如S11、SN109井等達(dá)到原油裂解門限，生成原油裂解氣，而斜坡帶以干酪根裂解氣為主，與地球化學(xué)指標(biāo)顯示一致(圖2)；登婁庫(kù)組和泉頭組原油無法達(dá)到裂解條件，但原油裂解時(shí)間與成藏期及斷層活動(dòng)時(shí)間的匹配結(jié)果表明，沙河子組或營(yíng)城組原油裂解氣形成時(shí)斷層仍處于活動(dòng)階段，原油裂解氣可通過斷層向上運(yùn)至登婁庫(kù)組和泉頭組地層(圖3b)。結(jié)合天然氣重?zé)N(C2+)及密度等指標(biāo)可知，東嶺地區(qū)天然氣由洼陷帶向斜坡帶，由深層向淺部，沿?cái)鄬?砂體呈階梯式運(yùn)移。天然氣分布特征表現(xiàn)為沙河子組和泉頭組主要為原油裂解氣，而營(yíng)城組為原油裂解氣與干酪根裂解氣共存，整體具有原油裂解氣分布在洼陷帶，干酪根裂解氣分布在斜坡帶的特征(圖4b)。

圖3 原油裂解時(shí)間與成藏期及斷層活動(dòng)時(shí)間的匹配

圖4 龍鳳山—東嶺地區(qū)天然氣成因類型分布模式

4 結(jié) 論

(1) 龍鳳山地區(qū)天然氣甲烷含量低、氮?dú)夂投趸己枯^高、碳同位素較重；而東嶺地區(qū)天然氣甲烷含量較高、氮?dú)夂投趸己枯^低、碳同位素較輕，兩者差異明顯，為不同演化階段的產(chǎn)物。

(2) 研究區(qū)天然氣為偏油型氣的混合氣，其中龍鳳山地區(qū)營(yíng)城組天然氣以干酪根裂解氣為主，而東嶺地區(qū)沙河子組和泉頭組主要為原油裂解氣，營(yíng)城組為原油裂解氣和干酪根裂解氣的混合氣?？傮w來看，原油裂解氣主要分布在洼陷帶，干酪根裂解氣分布在斜坡帶。

(3) 研究區(qū)原油裂解氣的形成條件存在差異，原油開始裂解時(shí)間與成藏期及斷層活動(dòng)性的匹配關(guān)系控制裂解氣的分布差異，龍鳳山地區(qū)營(yíng)城組原油自登婁庫(kù)組沉積末期開始裂解，此時(shí)斷層已停止活動(dòng)，裂解氣僅在層內(nèi)運(yùn)移聚集；東嶺地區(qū)原油自登婁庫(kù)組沉積初期開始裂解，與斷層活動(dòng)時(shí)間匹配關(guān)系良好，裂解氣可沿?cái)鄬?砂體呈階梯式運(yùn)移，自沙河子組至泉頭組均有分布。