遼河坳陷東部凹陷天然氣特征及成因類(lèi)型

摘 要

　　遼河坳陷東部凹陷天然氣特征及成因類(lèi)型　　(本文作者：李軍1，2 侯讀杰3 李敬含2 張金川3 劉鑫2 徐波3 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院;2.中國(guó)石油遼河油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院;3.
　　遼河坳陷東部凹陷天然氣特征及成因類(lèi)型
　　(本文作者：李軍1，2 侯讀杰3 李敬含2 張金川3 劉鑫2 徐波3 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院;2.中國(guó)石油遼河油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
　　摘要：遼河坳陷東部凹陷是遼河油田重要的天然氣生產(chǎn)區(qū)，隨著勘探程度的不斷深入，亟待從整體格局上對(duì)天然氣成因、成藏與分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定下一步勘探方向與勘探潛力。為此，依據(jù)該區(qū)天然氣的地球化學(xué)特征(含氮特征、干燥系數(shù)、碳同位素特征、甲烷氫同位素特征、輕烴特征等)，對(duì)其成因類(lèi)型和分布規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果認(rèn)為：該區(qū)天然氣具有較明顯的混源特征，既表現(xiàn)為不同熱演化程度天然氣的混合，也表現(xiàn)為不同成因類(lèi)型天然氣的混合;不同層系、不同地區(qū)天然氣混合比例有著較大區(qū)別，總體上以生物-油型混合氣和油型-煤型混合氣為主;按照成熟階段來(lái)劃分則以熱解氣為主，裂解氣和過(guò)渡帶氣各占3%和6%。
　　關(guān)鍵詞：遼河坳陷;東部凹陷;天然氣;成因類(lèi)型;混源氣;碳同位素;有機(jī)質(zhì)類(lèi)型;熱演化;混合比例
　　1 區(qū)域地質(zhì)概況及前期研究情況
　　遼河坳陷東部凹陷為一個(gè)北東走向的狹長(zhǎng)狀凹陷，勘探面積3300km2。目前已建成青龍臺(tái)、歐利坨子、于樓、黃金帶、桃園、紅星、大平房等油氣田(圖1)。截至2008年底，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)500×108m3，探明程度為58%，剩余天然氣遠(yuǎn)景資源量約為404×108m3。
　　天然氣生成理論由生物氣、熱降解氣、裂解氣三階段發(fā)展到多階連續(xù)，由油型氣一元論發(fā)展到油型氣、煤成氣、無(wú)機(jī)氣三元論，勘探方法也為多學(xué)科綜合勘探方法[1]。而前人研究認(rèn)為，東部凹陷天然氣主要為富烴、貧H2S、低N2和C02的天然氣，含有微量的汞及He、Ar等稀有氣體組分，多為伴生氣，不但有油型氣，還有生物-熱催化過(guò)渡帶氣、生物氣、煤型氣以及無(wú)機(jī)氣和混合氣[2～4]。孟衛(wèi)工[5]認(rèn)為該區(qū)存在深源氣的混入，造成天然氣中重?zé)N碳同位素異常，開(kāi)拓了天然氣的勘探領(lǐng)域。筆者從天然氣成因類(lèi)型分析入手，對(duì)該區(qū)天然氣分布規(guī)律進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，為下一步深化天然氣的勘探開(kāi)發(fā)提供參考。
　　2 天然氣地球化學(xué)特征
　　東部凹陷天然氣的密度一般變化于0.56～0.75，受重?zé)N(C2+)含量、非烴含量?jī)深?lèi)組分的控制。天然氣的地球化學(xué)特征是天然氣成因類(lèi)型分析的基礎(chǔ)M。
　　2.1 天然氣含氮特征
　　富氮天然氣往往沿深大斷裂呈帶狀分布，與新生代巖漿活動(dòng)有密切關(guān)系。大多數(shù)天然氣中的氮含量低于10%，伴生的烴類(lèi)氣體為有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物。有機(jī)質(zhì)在分解的過(guò)程中能產(chǎn)生百分之幾的氮?dú)?，天然氣中低含量氮主要源于沉積有機(jī)質(zhì)[6]。
　　東部凹陷絕大多數(shù)天然氣屬于低氮?dú)獠?，但也有個(gè)別井的天然氣含氮量超過(guò)15%，如龍26井、龍48井[4]和界3井[2]。這種特征說(shuō)明以有機(jī)質(zhì)熱演化成因的天然氣為主體，巖漿活動(dòng)對(duì)天然氣藏性質(zhì)有一定的干擾作用，但不構(gòu)成氣藏類(lèi)型的主體。
　　2.2 天然氣干燥系數(shù)
　　生物成因氣多為干氣，原油伴生氣多為濕氣，隨著天然氣的成熟度增加，天然氣的干燥系數(shù)升高。因而，一般來(lái)說(shuō)，淺層天然氣的干燥系數(shù)較高，在成熟階段，干燥系數(shù)較低，隨深度增加，天然氣的干燥系數(shù)升高。
　　對(duì)樣品較多的重點(diǎn)地區(qū)分析認(rèn)為，榮興屯地區(qū)天然氣的干燥系數(shù)最高，其次是牛居地區(qū)，而黃金帶地區(qū)天然氣的干燥系數(shù)相對(duì)較低。這可能與其天然氣的成因類(lèi)型、成熟度以及保存條件等多種因素有關(guān)。
　　2.3 天然氣碳同位素特征
　　該區(qū)天然氣的碳同位素以-42‰占優(yōu)勢(shì)，甲烷碳同位素分布的主要范圍為-35‰～-55‰。按不同的地區(qū)對(duì)甲烷同位素值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知各個(gè)地區(qū)天然氣的甲烷碳同位素值主要處于熱解氣階段(圖2)。在于樓、熱河臺(tái)和青龍臺(tái)地區(qū)碳同位素值相對(duì)較輕，可能混有生物-熱催化過(guò)渡帶氣。而在歐利坨子、黃沙坨地區(qū)發(fā)現(xiàn)了較重甲烷碳同位素值的天然氣，可能是裂解成因或混有煤型天然氣有關(guān)。
　　該區(qū)乙烷碳同位素值分布低于-28‰，為典型的油型氣，重于-25‰則為典型的煤成氣。從天然氣的乙烷碳同位素值分布來(lái)看，絕大多數(shù)樣品的乙烷碳同位素值分布在-28‰～-25‰，指示該區(qū)天然氣多為陸源有機(jī)質(zhì)輸入較高母質(zhì)生成的天然氣，而典型的煤成氣則可能主要分布在黃金帶、新開(kāi)地區(qū)[7]。
　　2.4 天然氣的甲烷氫同位素值特征
　　天然氣中甲烷的氫同位素特征可以從側(cè)面反映出天然氣的母源和成熟度。生物成因氣的甲烷氫同位素值一般為-255‰～-150‰，熱解氣的甲烷氫同位素值為-300‰～-200‰，高溫裂解氣大于-200‰。該區(qū)天然氣的甲烷氫同位素值為-260‰～-200‰，可以判定以熱解氣為主。從甲烷的碳和氫同位素關(guān)系來(lái)看，二者具有較好的關(guān)系?？傮w來(lái)說(shuō)，天然氣的碳?xì)渫凰刂稻挥跓峤鈿獾姆秶?/div>
　　2.5 天然氣輕烴特征
　　目前分析的輕烴多是C4—C7的化合物。它們的形成和演化與天然氣息息相關(guān)，而輕烴異構(gòu)體非常豐富，信息量遠(yuǎn)大于氣態(tài)烴類(lèi)，因此許多學(xué)者利用輕烴對(duì)天然氣進(jìn)行了成因判識(shí)、氣源對(duì)比等研究[8～11]。
　　2.5.1 C5—C7輕烴正構(gòu)烷、支鏈烴和環(huán)烷烴組成
　　源于腐泥型母質(zhì)的輕烴組分中富含正構(gòu)烷烴，源于腐殖型母質(zhì)的輕烴組分中則富含異構(gòu)烷烴和芳烴，而富含環(huán)烷烴的凝析油也是陸源母質(zhì)的重要特征。利用不同母質(zhì)所生成輕烴不同的這些特征，可以鑒別與之同生的油型氣和煤型氣。通過(guò)前人的研究和分析，可以將C5—C7輕烴相對(duì)含量大于30%的區(qū)域劃為油型氣，而C5—C7輕烴正構(gòu)烷烴相對(duì)含量都小于30%的區(qū)域劃為煤型氣。從C5—C7正構(gòu)烷、支鏈烴和環(huán)烷烴組成三角圖分析(圖略)，熱氣3井、于2-05井、榮181-19、龍17-021C井、茨53-79、51-93井均可能與煤型氣有關(guān)。
　　2.5.2 C7輕烴正庚烷、甲基環(huán)己烷、二甲基環(huán)戊烷
　　C7輕烴系統(tǒng)是非常有效的天然氣母質(zhì)類(lèi)型判識(shí)指標(biāo)，包括3類(lèi)化合物：正庚烷(nC7)、甲基環(huán)己烷(MCC6)和各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷(∑DMCC5)。在C7輕烴化合物(nC7，MCH和∑DMCP)相對(duì)組成中，由于nC7和MCH受影響因素少，能夠較好地反映天然氣的成因類(lèi)型。因此，提出nC7相對(duì)含量大于30%，MCH相對(duì)含量小于70%，為油型氣;nC7相對(duì)含量小于35%，MCH相對(duì)含量大于50%，為煤型氣。從該區(qū)輕烴化合物相對(duì)組成圖知，絕大多數(shù)樣品為油型氣。同樣利用C6化合物中的環(huán)己烷、甲基環(huán)戊烷、苯與己烷的比值做三角圖，結(jié)論與此相同。
　　3 東部凹陷天然氣成因類(lèi)型與分布
　　3.1 按天然氣的來(lái)源分類(lèi)
　　3.1.1 綜合輕烴指標(biāo)判斷母源
　　根據(jù)國(guó)內(nèi)一些常用的判斷生烴母源的參數(shù)和指標(biāo)[12]，對(duì)該區(qū)天然氣輕烴參數(shù)進(jìn)行計(jì)算(表1)。總體看，天然氣以油型氣為主，腐泥～混合型有機(jī)質(zhì)占全部樣品總數(shù)的50%;混合型來(lái)源的天然氣占35.7%;腐殖型有機(jī)質(zhì)來(lái)源的天然氣占14.3%。同時(shí)，利用甲基環(huán)己烷指數(shù)和環(huán)己烷指數(shù)進(jìn)行天然氣的母質(zhì)類(lèi)型劃分。結(jié)果證實(shí)該區(qū)絕大多數(shù)為油型氣，也有部分天然氣可能來(lái)自于煤或腐殖型有機(jī)質(zhì)。
　　天然氣母源比例與烴源巖生氣能力腐泥型>偏腐泥混合型>偏腐殖混合型>腐殖型的研究結(jié)果相吻合，揭示了位于凹陷中心的腐泥型、偏腐泥混合型烴源巖發(fā)育中心對(duì)該區(qū)天然氣成藏的重要意義。
　　3.1.2 碳同位素成分確定成因
　　根據(jù)戴金星院士統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果，應(yīng)用甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素進(jìn)行天然氣的成因分析(圖3)。圖版顯示，東部凹陷天然氣主要分布于煤成氣和油型氣的混合區(qū)域(Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū))，或分布于接近于混合區(qū)域的油型氣區(qū)域(Ⅱ區(qū))。
　　在平面上，在黃金帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)有典型的油型氣，于樓、榮興屯、熱河臺(tái)地區(qū)也有油型氣的產(chǎn)出。而煤型氣則在葵花島、太陽(yáng)島、大平房、牛居、榮興屯等地區(qū)。因此，根據(jù)天然氣的碳同位素特征，認(rèn)為該區(qū)天然氣除了混合來(lái)源外，也可能是混合型有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。
　　此外，根據(jù)天然氣的不同組分含量及其碳同位素特征，進(jìn)行天然氣的成因綜合分析[13]，東部凹陷的天然氣與陸源有機(jī)質(zhì)的母質(zhì)來(lái)源有關(guān)，但黃金帶地區(qū)可能存在油型氣。
　　3.2 按天然氣的熱演化程度分類(lèi)
　　3.2.1 天然氣的成熟度
　　在探索與應(yīng)用過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者常用正庚烷指數(shù)和異庚烷指數(shù)判別天然氣與凝析油的成熟度，從而劃分出未成熟、成熟和高成熟3個(gè)階段。隨著成熟度的增加，庚烷值和異庚烷值(又稱(chēng)為石蠟指數(shù))均逐漸增大。
　　將據(jù)該區(qū)異庚烷值和庚烷值判斷的天然氣成熟度(圖4)同據(jù)苯與甲苯含量確定的天然氣成熟度進(jìn)行比較，二者非常一致，說(shuō)明該區(qū)天然氣以低熟-成熟為主，在牛14-24井及大40、熱氣3井天然氣的成熟度較高，均達(dá)到了過(guò)熟階段。
　　烴源巖成熟度研究結(jié)果顯示，東部凹陷天然氣源巖熱演化程度以低熟成熟為主，但也揭示該區(qū)存在過(guò)熟階段源巖，從另外一個(gè)方面說(shuō)明該區(qū)存在著尚未認(rèn)識(shí)到的有利生氣區(qū)，具有較高的勘探潛力。
　　3.2.2 天然氣成因分類(lèi)
　　依據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料[2～4，14～19]，該區(qū)天然氣的演化階段劃分為生物成因氣、熱催化過(guò)渡帶氣、熱解氣、裂解氣4個(gè)階段。應(yīng)用乙烷和甲烷碳同位素分析，看出該區(qū)存在著大量的混源氣?；煸礆饩哂幸彝樘纪凰剌^重，而甲烷碳同位素較輕的特征，例如黃金帶、熱河臺(tái)、榮興屯可能均存在著生物成因氣與熱解氣的混源。
　　根據(jù)甲烷碳同位素成分和C1/(C2+C3)也可以確定天然氣的成因(圖5)。總體看，該區(qū)大部分天然氣含量有較大差異，說(shuō)明該區(qū)存在明顯的運(yùn)移作用過(guò)程。
　　依據(jù)天然氣甲烷碳同位素值及干燥系數(shù)對(duì)天然氣的成熟度進(jìn)行估算，該區(qū)絕大多數(shù)樣品處于成熟階段，主要屬于熱解氣。但在黃沙坨及葵花島地區(qū)，其天然氣的成熟度相對(duì)比較高，已經(jīng)達(dá)到了裂解氣的階段。因而可依據(jù)天然氣的甲烷同位素值對(duì)各個(gè)地區(qū)天然氣的演化階段進(jìn)行劃分，主要屬于熱解氣。
　　依據(jù)天然氣的甲烷與乙烷碳同位素關(guān)系，可以明顯地看出天然氣的成熟度和母質(zhì)來(lái)源。研究顯示，在熱8井、于8井、黃34井均存在著熱成因氣與生物成因氣混合作用，而葵花18井和榮66井明顯存在著煤型氣。
　　3.3 天然氣混源比例的大致估算
　　準(zhǔn)確的估算天然氣的混合比例非常困難，該區(qū)混源比例計(jì)算主要依據(jù)的是一種簡(jiǎn)化模型，盡管計(jì)算有一定誤差，但對(duì)天然氣的成因有重要的參考價(jià)值。根據(jù)戴金星院士的油型氣和煤型氣的經(jīng)驗(yàn)公式[20]，甲烷的碳同位素與鏡質(zhì)體反射率之間有如下關(guān)系：
　　δ13C1=15.819Ro-42.2(油型氣)
　　δ13C1=14.1219Ro-34.39(煤型氣)
　　該區(qū)天然氣的成熟度介于1.2%～2.6%，主體成熟度大概為1.0%～1.6%。當(dāng)Ro=1%時(shí)，根據(jù)油型氣的計(jì)算公式，反推的δ13C1值為-42%。，當(dāng)Ro=1.6%時(shí)，根據(jù)煤型氣的計(jì)算公式，反推的δ13C1值為-32‰。因此，以此為界限，當(dāng)δ13C1<-55‰時(shí)，全部為生物成因氣;當(dāng)δ13C1值為-55‰～-42‰時(shí)，認(rèn)為是生物成因氣和油型氣的混合;當(dāng)δ13C1值介于-42‰～-32‰時(shí)，認(rèn)為是油型氣和煤型氣的混合;當(dāng)δ13C1>32‰時(shí)，筆者認(rèn)為是煤型氣;當(dāng)δ13C1<-40.3‰，而且δ13C1>26.8‰時(shí)，認(rèn)為是生物成因氣和煤型氣的混合。
　　東部凹陷油型氣和煤型氣兩種類(lèi)型的混合氣中生物成因氣和煤型氣所占比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在生物偏油型混合氣中，生物成因氣的含量分布比較分散，含量在0～100%都有一定的比例，但在10%～20%和70%～80%間的分布有所增加。而在偏陸源油型-煤型混合氣中，煤型氣的含量一般比較低，絕大部分都集中在10%～40%。根據(jù)以上分析，用以下公式計(jì)算該區(qū)的天然氣混源情況：
　　δ13C1=-42‰V油+-55‰(1-V油)(生物-油型混合氣)
　　δ13C1=-42‰V油+-32‰(1-V油)(油型-煤型混合氣)
　　δ13C1=-32‰V煤+-55‰(1-V煤)(生物-煤型混合氣)
　　上式中V油、V煤分別代表混合氣中偏陸源油型氣和煤型氣的含量百分?jǐn)?shù)。通過(guò)公式可計(jì)算得出東部凹陷不同層段的天然氣的混合比例(表2)。總體上，以生物-油型混合氣和油型-煤型混合氣為主，各占43%，煤型氣和生物～煤型混合氣含量較少，分別占總體的9%和5%。東營(yíng)組以油型煤型混合氣為主，占到東營(yíng)組的65%，沙一段和沙二段以生物-油型混合氣為主體，占沙一段、沙二段樣品的69%;沙三段幾種類(lèi)型天然氣都占有一定的比例，相對(duì)其他的層段，煤型氣的含量有所上升，達(dá)到21%。
　　4 結(jié)論
　　1) 東部凹陷天然氣具有明顯的混源特征。在熱演化程度上，天然氣主體屬于熱解氣，但在黃沙坨等局部地區(qū)存在裂解氣。在母質(zhì)來(lái)源上，以油型氣為主，但也存在大量的混源氣，黃金帶、熱河臺(tái)、榮興屯地區(qū)可能存在著生物成因氣與熱解氣的混源，而在大平房、牛
　　居、榮興屯地區(qū)又有煤型氣分布。
　　2) 在不同類(lèi)型天然氣資源量比例上，總體上以生物油型混合氣和油型～煤型混合氣為主，各占43%，純煤型氣和生物 煤型混合氣含量較少，分別占總體的9%和5%;不同層系內(nèi)天然氣類(lèi)型比例有較大的變化：東營(yíng)組以油型～煤型混合氣為主;沙一、沙二段以生物-油型混合氣為主體;沙三段各種類(lèi)型天然氣都占一定比例。受沙三段上段煤層分布的影響，煤型氣的含量有所，上升達(dá)21%。
　　3) 生物成因氣主要分布在凹陷北部的熱河臺(tái)、青龍臺(tái)地區(qū)。煤型氣主要分布在歐利坨子、黃沙坨、黃金帶、大平房、榮興屯地區(qū)。裂解氣主要分布在黃沙坨、歐利坨子、黃金帶、榮興屯地區(qū)。該區(qū)天然氣以熱解氣為主，裂解氣和過(guò)渡帶氣分別占3%、6%。
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