鶯歌海凹陷東斜坡中北段天然氣成因及成藏特征*

劉海鈺 范彩偉 庹 雷 劉 峰 侯靜嫻

(中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司 海南海口 570100)

近30年來(lái)，鶯歌海盆地中央底辟帶淺層和中深層的天然氣勘探已取得重大成果，發(fā)現(xiàn)了X1-1、X13-1/2、Z22-1等大氣田。其中，鶯歌海凹陷東斜坡(即中央底辟構(gòu)造帶至鶯東斜坡帶之間的過(guò)渡區(qū)域)是該盆地重要的天然氣聚集帶，迄今已發(fā)現(xiàn)一批氣田及含氣構(gòu)造，包括北段的H29-1含氣構(gòu)造、中段的L1-1含氣構(gòu)造以及南段的Z10-1、Z10-3、Z11-1氣田及L26-2含氣構(gòu)造。鶯歌海凹陷東斜坡帶南段樂(lè)東10區(qū)已取得重大天然氣突破，而該斜坡帶中北段歷經(jīng)多年勘探后仍未取得理想鉆探效果。

目前，有關(guān)鶯歌海凹陷東斜坡中北段天然氣來(lái)源與運(yùn)移模式的相關(guān)成果報(bào)道較少，但有不少學(xué)者已對(duì)該斜坡南段天然氣來(lái)源與成藏模式做過(guò)深入研究[1-4]，認(rèn)為該斜坡南段樂(lè)東氣田天然氣主要來(lái)自中新統(tǒng)梅山組—三亞組烴源巖，該套烴源巖生成的高成熟氣在較大的源-儲(chǔ)壓差驅(qū)動(dòng)下通過(guò)隱伏斷裂垂向充注或沿砂體側(cè)向運(yùn)移成藏。本文基于鶯歌海凹陷東斜坡已發(fā)現(xiàn)天然氣的組成和同位素?cái)?shù)據(jù)、包裹體信息以及相關(guān)地質(zhì)資料，重點(diǎn)對(duì)斜坡帶中北段天然氣成因及成藏特征進(jìn)行深入分析，以期為該地區(qū)尋找有利勘探目標(biāo)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鶯歌海盆地處于印支地塊與華南地塊的拼接帶——紅河大斷裂帶上，是新生代大陸邊緣伸展-轉(zhuǎn)換盆地[6-8]。該盆地走向?yàn)镹W—SE向，平面呈菱形，從東向西可劃分為鶯東斜坡帶、中央坳陷帶和鶯西斜坡帶等3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，其中中央坳陷帶包括河內(nèi)凹陷、臨高凸起和鶯歌海凹陷。鶯歌海凹陷東斜坡為中央底辟構(gòu)造帶至鶯東斜坡帶之間的過(guò)渡區(qū)域。盆地自下而上發(fā)育漸新統(tǒng)崖城組與陵水組，中新統(tǒng)三亞組、梅山組與黃流組，上新統(tǒng)鶯歌海組和第四系樂(lè)東組(圖1)。

前人研究表明[9-11]，中新統(tǒng)半封閉淺海泥巖是鶯歌海盆地中央底辟構(gòu)造帶已發(fā)現(xiàn)氣田的主要烴源巖；鶯東斜坡帶包括一號(hào)斷裂的上升盤(pán)和下降盤(pán)，為一繼承性發(fā)育的坡度較平緩的單斜，其中南部和北部較為寬緩，中部較為狹窄。鶯歌海凹陷東斜坡即一號(hào)斷裂下降盤(pán)，鉆探證實(shí)該區(qū)域地層沉積主要受海南隆起西部水系影響，縱向上發(fā)育多套良好的儲(chǔ)蓋組合[12]。

圖1 鶯歌海盆地構(gòu)造區(qū)劃分及地層柱狀圖

2 天然氣地球化學(xué)特征與成因類(lèi)型

鶯歌海凹陷東斜坡已發(fā)現(xiàn)的天然氣主要由烴類(lèi)氣體、CO2、N2等組成，不同區(qū)段天然氣地球化學(xué)特征差異較為明顯(表1)，其中斜坡北部的H29-1構(gòu)造三亞組氣藏中烴類(lèi)氣平均含量為90.92%， CO2平均含量為7.55%，干燥系數(shù)平均值為0.95；斜坡中部的L1-1構(gòu)造黃流組氣藏中烴類(lèi)氣含量高達(dá)95.47%，CO2含量?jī)H為1.60%，干燥系數(shù)為0.96；而斜坡南部的L26-2和L35-1構(gòu)造梅山組氣藏均表現(xiàn)為富含CO2特征，CO2含量為73.62%～85.40%，烴類(lèi)氣含量低于15.00%。

表1 鶯歌海凹陷東斜坡天然氣地球化學(xué)特征Table 1 Geochemistry characteristics of nature gas in eastern slope of Yinggehai sag

近年來(lái)，在鶯歌海凹陷東斜坡中段L19-1、L13-1構(gòu)造上新統(tǒng)鶯歌海組和X5-3-1井黃流組一段儲(chǔ)層中均鉆遇水層，所取氣樣甲烷碳同位素較輕(為-63.14‰～-47.36‰)，干燥系數(shù)大(為0.99～1.00)，幾乎不含重?zé)N氣，具有典型的生物成因氣特征，依據(jù)干燥系數(shù)C1/(C1～C5)與甲烷碳同位素(δ13C1)值相關(guān)圖判識(shí)其天然氣成因類(lèi)型為亞生物氣—生物氣(圖2)。而在該凹陷東斜坡深層(如L26-2、L35-1構(gòu)造梅山組與H29-1構(gòu)造三亞組)所鉆遇的天然氣甲烷碳同位素偏重(為-37.82‰～-32.14‰)，干燥系數(shù)為0.91～0.97(平均值0.94)，反映為成熟階段的煤型氣(圖2)。由此可見(jiàn)，該凹陷東斜坡天然氣甲烷同位素在縱向上具有分層性，表現(xiàn)為淺中層鶯歌海組、黃流組儲(chǔ)層中的天然氣甲烷碳同位素較輕，而深層梅山組、三亞組中的天然氣甲烷碳同位素偏重，反映出成熟的煤型氣主要富集在深層梅山—三亞組及以深地層。此外，在H29-1構(gòu)造的三亞組以及L1-1構(gòu)造的梅山組和三亞組熒光薄片中見(jiàn)熒光與油斑顯示，再次證實(shí)該凹陷東斜坡三亞組、梅山組油氣運(yùn)移活躍。

圖2 鶯歌海凹陷東斜坡天然氣成因類(lèi)型圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[13])

研究表明，天然氣中CO2碳同位素組成與其成因密切相關(guān)，根據(jù)CO2百分含量及其碳同位素值可以有效區(qū)分有機(jī)與無(wú)機(jī)成因的CO2[14-17]。根據(jù)戴金星(1993)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)天然氣有機(jī)CO2的碳同位素主頻分布在-12‰～-17‰，且濃度一般較低(<10%)；無(wú)機(jī)CO2的碳同位素主頻分布在-3‰～-8‰，且濃度一般較高(>10%)。此外，混合成因CO2的碳同位素值取決于混合比例及混合組分原始的碳同位素值[15]。分析表明，鶯歌海凹陷東斜坡北部H29-1構(gòu)造天然氣中CO2碳同位素偏輕(-16.95‰～-12.70‰)，為有機(jī)成因；斜坡中部L1-1構(gòu)造天然氣中CO2碳同位素偏重(為-7.15‰)，為無(wú)機(jī)成因；而斜坡南部L26-2和L35-1構(gòu)造天然氣中CO2含量較高(大于70%)，且CO2碳同位素偏重(重于-8‰)，均為無(wú)機(jī)成因(圖3)。

圖3 鶯歌海凹陷東斜坡天然氣中CO2含量與 碳同位素關(guān)系(底圖據(jù)文獻(xiàn)[14])

3 烴源巖特征與氣-源對(duì)比

3.1 烴源巖特征

勘探證實(shí)，鶯-瓊盆地發(fā)育中新統(tǒng)(包括三亞組、梅山組及鶯黃組下部)和漸新統(tǒng)崖城組兩套烴源巖，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為Ⅱ2—Ⅲ型，其中中新統(tǒng)烴源巖主要發(fā)育于鶯歌海盆地中央坳陷，為半封閉淺海及半深海砂泥巖沉積，是中央底辟構(gòu)造帶氣田主要的氣源巖；而漸新統(tǒng)烴源巖廣泛分布于相鄰的瓊東南盆地，在鶯歌海盆地邊緣的鶯東斜坡帶及北部的臨高凸起也有分布，主要為濱岸平原沼澤相、濱海相和淺海相沉積[10-11,18-19]。鶯-瓊盆地漸新統(tǒng)與中新統(tǒng)烴源巖母質(zhì)差異導(dǎo)致了其干酪根碳同位素的差異[11]，其中中新統(tǒng)泥巖干酪根碳同位素明顯偏重，介于-24.41‰～-24.16‰，高于下漸新統(tǒng)崖城組烴源巖干酪根碳同位素值(-27.3‰～-27.14‰)。此外，鶯-瓊盆地中新統(tǒng)和漸新統(tǒng)烴源巖生物標(biāo)志物也存在差異，其中漸新統(tǒng)烴源巖以富含樹(shù)脂化合物(W、T)和奧利烷(OL)為特征，表現(xiàn)為典型的陸源輸入為主的特征；而中新統(tǒng)烴源巖雙杜松烷和奧利烷豐度較低，表現(xiàn)為混合母源輸入特征[11]。

3.2 氣-源對(duì)比

“氣”對(duì)“源巖”具有成因繼承性，可以利用成因追根溯源。利用天然氣乙烷碳同位素(δ13C2)與干酪根碳同位素(δ13C)的關(guān)系可進(jìn)行氣-巖對(duì)比[1,20]。鶯歌海凹陷東斜坡北部的H29-1構(gòu)造三亞組天然氣乙烷碳同位素偏重(-21.25‰～-23.73‰)，與中新統(tǒng)烴源巖干酪根碳同位素特征相似，而與漸新統(tǒng)烴源巖干酪根碳同位素特征差異較大，表明天然氣可能主要來(lái)自于中新統(tǒng)烴源巖。

利用“氣”與“源巖”成熟度匹配，可以進(jìn)一步判識(shí)氣源。鶯歌海凹陷東斜坡梅山-三亞組天然氣δ13C1值分布范圍為-37.82‰～-32.14‰，利用鶯歌海盆地Ⅱ2—Ⅲ型干酪根生成的天然氣δ13C1-Ro關(guān)系方程[1]，計(jì)算出該斜坡天然氣成熟度Rc為0.97%～1.51%，為中等-高成熟階段的產(chǎn)物。由于鶯歌海凹陷東斜坡中北段鉆穿中新統(tǒng)的探井較少，且樣品多受泥漿污染，無(wú)法直接獲知該區(qū)段烴源巖的成熟度，因此對(duì)該斜坡北段的H29-1構(gòu)造進(jìn)行單點(diǎn)模擬，重建中新統(tǒng)烴源巖埋藏史與生烴史(圖6)。模擬過(guò)程中，利用H29-1構(gòu)造鉆井MDT電纜地層測(cè)試獲得的地層溫度進(jìn)行校正，結(jié)果顯示該區(qū)中新統(tǒng)梅山組—三亞組烴源巖(埋深2 800～4 000 m)成熟度較低(Ro=0.6%～1.0%)，漸新統(tǒng)陵水組下部泥巖剛進(jìn)入濕氣高成熟階段(Ro>1.3%)。由于H29-1構(gòu)造鉆遇的中新統(tǒng)泥巖巖性粗，有機(jī)質(zhì)含量低(TOC<0.5%)，不具備大量生氣條件，因此可以排除東斜坡帶下伏中新統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)，該構(gòu)造的天然氣可能來(lái)自凹陷內(nèi)部的中新統(tǒng)烴源巖或靠近斜坡地區(qū)較深部位的成熟烴源巖。此外，在H29-1構(gòu)造三亞組熒光砂巖的抽提物中檢測(cè)到高豐度、代表陸源輸入的奧利烷(OL)和雙杜松烷(W、T)(圖4)，雖與YC13-1構(gòu)造的炭質(zhì)泥巖有相似之處，但不是典型的煤系烴源巖特征，且與該構(gòu)造梅山組、三亞組泥巖有較大差別，推測(cè)可能與漸新統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)有關(guān)。因此，H29-1構(gòu)造的天然氣主要來(lái)自中新統(tǒng)烴源巖，也存在部分漸新統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)。

此外，鶯歌海凹陷東斜坡中段的L1-1構(gòu)造黃流組天然氣甲烷碳同位素較輕(-47.70‰～-48.99‰)，其成熟度明顯低于中央底辟帶天然氣成熟度，推測(cè)該構(gòu)造的天然氣可能來(lái)自附近斜坡帶成熟烴源巖；但是，該構(gòu)造黃流組天然氣碳同位素值δ13C2>δ13C3(表1)，即出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)出混合氣特征，因此推測(cè)有中央坳陷帶高成熟氣的加入與附近斜坡帶低成熟氣混合的可能性。

圖4 鶯瓊盆地H29-1砂巖抽提物與H29-1、YC13-1泥巖質(zhì)量色譜圖

4 天然氣成藏特征

4.1 烴源基礎(chǔ)

氣-源對(duì)比結(jié)果證實(shí)，鶯歌海凹陷東斜坡遠(yuǎn)離生烴凹陷區(qū)，該區(qū)新近系自身不具備生烴能力，烴源主要來(lái)自凹陷內(nèi)部中新統(tǒng)烴源巖或靠近斜坡地區(qū)較深部位的成熟烴源巖。生烴史模擬認(rèn)為，鶯歌海凹陷內(nèi)部及靠近斜坡地區(qū)的中新統(tǒng)烴源巖大規(guī)模生氣階段為±5.5 Ma～現(xiàn)今時(shí)期，凹陷主體烴源巖生氣強(qiáng)度平均達(dá)82.2×108m3/km2(圖5)，已達(dá)到富生氣凹陷的標(biāo)準(zhǔn)(即大于20×108m3/km2)[21]，有利于東斜坡深層三亞組、梅山組、黃流組及淺層鶯歌海組圈閉天然氣成藏。另?yè)?jù)地震解釋結(jié)果，鶯東斜坡帶發(fā)育漸新統(tǒng)烴源巖，而且其埋深大，目前大多已進(jìn)入高成熟—過(guò)成熟階段，也可為鶯歌海凹陷東斜坡的氣源供給提供補(bǔ)充。

4.2 成藏期與成藏時(shí)限

目前主要是利用流體包裹體均一溫度再結(jié)合地層埋藏史及熱史恢復(fù)來(lái)確定油氣成藏期次和時(shí)間[22]。鶯歌海凹陷東斜坡北段的H29-1構(gòu)造三亞組儲(chǔ)層中包裹體較發(fā)育，包裹體類(lèi)型主要為含烴鹽水包裹體和鹽水包裹體及少量含CO2包裹體，有弱熒光顯示，含烴鹽水包裹體均一溫度主要集中在130～150 ℃，反映該構(gòu)造三亞組主要存在一期充注，且主要為烴類(lèi)氣充注；再結(jié)合埋藏史及熱史恢復(fù)，推斷烴類(lèi)氣充注時(shí)間可能稍早于2.0 Ma(圖6)。

圖5 鶯歌海盆地中新統(tǒng)烴源巖生烴強(qiáng)度

鶯歌海凹陷東斜坡中段的L1-1陵水組儲(chǔ)層發(fā)育有含烴鹽水包裹體、鹽水包裹體和含CO2鹽水包裹體，與烴類(lèi)包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度為130～160 ℃，分析認(rèn)為陵水組儲(chǔ)層至少存在一期烴類(lèi)充注；再結(jié)合埋藏史恢復(fù)，推斷烴類(lèi)充注時(shí)間可能在1.8 Ma之后。此外，前人研究發(fā)現(xiàn)，鶯歌海盆地中央底辟帶北部東方區(qū)X1-1氣田烴類(lèi)氣和CO2的充注時(shí)間分別為3.7～1.8 Ma和0.4 Ma之后[23]。因此，相比較而言，鶯歌海凹陷東斜坡中北部構(gòu)造烴類(lèi)氣充注時(shí)間較東方區(qū)晚，約在2 Ma之后。

圖6 鶯歌海凹陷東斜坡H29-1構(gòu)造三亞組儲(chǔ)層含烴包裹體均一溫度及埋藏史-熱史圖

4.3 復(fù)合輸導(dǎo)系統(tǒng)

氣-源對(duì)比表明，鶯歌海凹陷東斜坡烴源主要來(lái)自凹陷內(nèi)的中新統(tǒng)烴源巖，也存在一號(hào)斷裂帶下降盤(pán)深部漸新統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)。分析認(rèn)為，該斜坡帶具有復(fù)合輸導(dǎo)系統(tǒng)，天然氣成藏既有垂向運(yùn)移，也存在側(cè)向運(yùn)移。

1) 左行走滑張性破裂發(fā)育利于天然氣垂向運(yùn)移。

以往的研究認(rèn)為，鶯歌海凹陷東斜坡輸導(dǎo)特征分段性明顯，北段斷裂活動(dòng)至T60結(jié)束，中段斷裂活動(dòng)至T50結(jié)束，南段斷裂活動(dòng)至T20結(jié)束，可見(jiàn)輸導(dǎo)性能從北段、中段到南段逐漸增強(qiáng)[24-26]。根據(jù)新采集的三維地震資料，并利用新的技術(shù)手段，研究認(rèn)為鶯歌海凹陷東斜坡是左行走滑張性破裂發(fā)育的主要區(qū)域，三維地震剖面上呈現(xiàn)大量斷距不明顯、近東西向密集分布、平面延伸距離很短的小斷層或裂隙，為左行走滑斷裂派生南向張應(yīng)力造成的局部張性破裂(微裂隙)，主要發(fā)育在距今10.5 Ma之前[22]，終止于T40界面，利于油氣在中新統(tǒng)及以下層系中富集。

2) 鼻狀構(gòu)造發(fā)育利于天然氣側(cè)向運(yùn)移。

研究認(rèn)為，鼻狀構(gòu)造發(fā)育對(duì)鶯歌海凹陷東斜坡天然氣橫向富集起主導(dǎo)作用，一號(hào)斷裂帶走滑剪切應(yīng)力場(chǎng)可伴生擠壓褶皺，該斜坡發(fā)育3個(gè)寬緩的近南北向鼻狀褶皺凸起，均為北高南低傾沒(méi)入凹陷[25-26]。這些褶皺走向基本垂直于張性T破裂斷層走向，由南向北依次分布有樂(lè)東鼻狀凸起、嶺頭鼻狀凸起和海口鼻狀凸起(圖7)，其中?？诒菭钔蛊餒29-1構(gòu)造鉆遇三亞組氣藏，樂(lè)東鼻狀凸起Z10-1、Z10-2/10-3、Z11-1構(gòu)造分別鉆遇黃流組、梅山組和三亞組等多個(gè)氣藏，表明?？诒菭钔蛊鸷蜆?lè)東鼻狀凸起油氣運(yùn)移活躍，該斜坡發(fā)育的大型構(gòu)造脊是天然氣橫向運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道。

3) 骨架砂體發(fā)育利于天然氣側(cè)向運(yùn)移。

研究表明，鶯歌海凹陷東斜坡沉積主要受海南隆起西部水系影響[27]。通過(guò)對(duì)該斜坡中北段連井剖面對(duì)比，認(rèn)為該區(qū)域發(fā)育大量上新統(tǒng)—中新統(tǒng)的地層巖性圈閉，連接凹陷成熟烴源區(qū)與斜坡帶的骨架砂體構(gòu)成了良好的側(cè)向運(yùn)移通道(圖8)。在儲(chǔ)層巖性方面，該斜坡北段的H29-1構(gòu)造與中段的L1-1構(gòu)造在黃流組沉積時(shí)期以細(xì)粒的泥質(zhì)粉砂巖沉積為主，在梅山組—三亞組沉積時(shí)期發(fā)育厚層的粗粒細(xì)砂巖及含礫砂巖；在物源注入上，該斜坡中北段在中中新世及更早時(shí)期東部物源(即海南隆起)供給豐富，黃流組沉積時(shí)期東部物源注入相對(duì)衰減，推斷與盆地自左行走滑向右行走滑轉(zhuǎn)換有關(guān)[22]，因此該斜坡中北段天然氣勘探以尋找深層儲(chǔ)集體為主。

圖7 鶯歌海凹陷梅山組頂面(T40界面)深度構(gòu)造

圖8 鶯歌海凹陷東斜坡中北段連井剖面

4.4 有利勘探方向

綜合分析認(rèn)為，豐富的氣源基礎(chǔ)及良好的輸導(dǎo)系統(tǒng)可提高鶯歌海凹陷東斜坡天然氣的充注效率，可在很短的時(shí)間(約2 Ma)內(nèi)規(guī)模成藏，該斜坡中北段天然氣成藏模式主要為通過(guò)T破裂垂向充注和沿著構(gòu)造脊骨架砂體側(cè)向運(yùn)移聚集(圖9)。一方面，該斜坡中北段T破裂基本上呈現(xiàn)同向展布、規(guī)模較小，終止于T40界面(即梅山組頂面)，難以形成互聯(lián)互通的網(wǎng)狀輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，利于油氣在中新統(tǒng)及以下地層富集成藏，但上新統(tǒng)的垂向運(yùn)移條件較差。另一方面，該斜坡中北段構(gòu)造脊骨架砂體在T40界面以深地層中更為發(fā)育，利于凹陷內(nèi)高成熟-過(guò)成熟烴源巖生成的天然氣大規(guī)模側(cè)向運(yùn)移聚集。但是，受到復(fù)合輸導(dǎo)體系的限制，該斜坡中北段天然氣分布存差異，鉆探證實(shí)中北段梅山組、三亞組儲(chǔ)層天然氣為成熟的煤型氣，而上新統(tǒng)鶯歌海組和上中新統(tǒng)黃流組儲(chǔ)層天然氣成熟度度低，主要為亞生物氣-生物氣，這說(shuō)明深層高熟氣未能大規(guī)模突破T40界面。因此，鶯歌海凹陷東斜坡中北段天然氣勘探方向是在構(gòu)造脊背景下尋找T40界面以深的有利目標(biāo)。

圖9 鶯歌海凹陷東斜坡天然氣成藏模式(剖面位置見(jiàn)圖1a)

5 結(jié)論

1) 鶯歌海凹陷東斜坡已發(fā)現(xiàn)天然氣為富烴氣，烴類(lèi)氣含量為89.54%～93.56%，CO2含量最高不超過(guò)10.02%，干燥系數(shù)達(dá)0.92～0.97；天然氣甲烷同位素(δ13C1)值在縱向上具有分層性，黃流組及鶯歌海組較淺儲(chǔ)層天然氣δ13C1值為-64.97‰～-47.36‰(屬于亞生物氣-生物氣)，梅山組和三亞組較深儲(chǔ)層天然氣δ13C1值為-37.82‰～-32.14‰(屬于成熟煤型氣)。

2) 氣-源對(duì)比表明，鶯歌海凹陷東斜坡中北段中深層成熟天然氣主要來(lái)自凹陷內(nèi)的中新統(tǒng)烴源巖，也有部分斜坡帶漸新統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)。

3) 豐富的氣源基礎(chǔ)及良好的復(fù)合輸導(dǎo)系統(tǒng)可以提高鶯歌海凹陷東斜坡天然氣的充注效率，可在很短的時(shí)間(約2 Ma)內(nèi)規(guī)模成藏。該斜坡中北段以T破裂和構(gòu)造脊骨架砂體復(fù)合輸導(dǎo)為特征，其中T破裂終止于T40界面(即梅山組頂面)，骨架砂體在T40界面以深地層更為發(fā)育，該領(lǐng)域天然氣勘探方向是在構(gòu)造脊背景下尋找T40界面以深的有利目標(biāo)。