遼河坳陷東部凹陷天然氣特征及成因類型

　　(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.中國石油勘探開發(fā)研究院;2.中國石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院;3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室)

　　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天然氣成因、成藏與分布規(guī)律進行系統(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)，對其成因類型和分布規(guī)律進行了分析。結(jié)果認為：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;按照成熟階段來劃分則以熱解氣為主，裂解氣和過渡帶氣各占3%和6%。

　　關(guān)鍵詞：遼河坳陷;東部凹陷;天然氣;成因類型;混源氣;碳同位素;有機質(zhì)類型;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北東走向的狹長狀凹陷，勘探面積3300km2。目前已建成青龍臺、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)儲量超過500×108m3，探明程度為58%，剩余天然氣遠景資源量約為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、無機氣三元論，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-熱催化過渡帶氣、生物氣、煤型氣以及無機氣和混合氣[2～4]。孟衛(wèi)工[5]認為該區(qū)存在深源氣的混入，造成天然氣中重?zé)N碳同位素異常，開拓了天然氣的勘探領(lǐng)域。筆者從天然氣成因類型分析入手，對該區(qū)天然氣分布規(guī)律進行重新認識，為下一步深化天然氣的勘探開發(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、非烴含量兩類組分的控制。天然氣的地球化學(xué)特征是天然氣成因類型分析的基礎(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%，伴生的烴類氣體為有機質(zhì)分解產(chǎn)物。有機質(zhì)在分解的過程中能產(chǎn)生百分之幾的氮氣，天然氣中低含量氮主要源于沉積有機質(zhì)[6]。

　　東部凹陷絕大多數(shù)天然氣屬于低氮氣藏，但也有個別井的天然氣含氮量超過15%，如龍26井、龍48井[4]和界3井[2]。這種特征說明以有機質(zhì)熱演化成因的天然氣為主體，巖漿活動對天然氣藏性質(zhì)有一定的干擾作用，但不構(gòu)成氣藏類型的主體。

　　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，一般來說，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。

　　對樣品較多的重點地區(qū)分析認為，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)相對較低。這可能與其天然氣的成因類型、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，甲烷碳同位素分布的主要范圍為-35‰～-55‰。按不同的地區(qū)對甲烷同位素值進行統(tǒng)計，可知各個地區(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、熱河臺和青龍臺地區(qū)碳同位素值相對較輕，可能混有生物-熱催化過渡帶氣。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)系來看，二者具有較好的關(guān)系。總體來說，天然氣的碳氫同位素值均位于熱解氣的范圍。

　　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，信息量遠大于氣態(tài)烴類，因此許多學(xué)者利用輕烴對天然氣進行了成因判識、氣源對比等研究[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。通過前人的研究和分析，可以將C5—C7輕烴相對含量大于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)類型判識指標(biāo)，包括3類化合物：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型。因此，提出nC7相對含量大于30%，MCH相對含量小于70%，為油型氣;nC7相對含量小于35%，MCH相對含量大于50%，為煤型氣。從該區(qū)輕烴化合物相對組成圖知，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型與分布

　　3.1 按天然氣的來源分類

　　3.1.1 綜合輕烴指標(biāo)判斷母源

　　根據(jù)國內(nèi)一些常用的判斷生烴母源的參數(shù)和指標(biāo)[12]，對該區(qū)天然氣輕烴參數(shù)進行計算(表1)。總體看，天然氣以油型氣為主，腐泥～混合型有機質(zhì)占全部樣品總數(shù)的50%;混合型來源的天然氣占35.7%;腐殖型有機質(zhì)來源的天然氣占14.3%。同時，利用甲基環(huán)己烷指數(shù)和環(huán)己烷指數(shù)進行天然氣的母質(zhì)類型劃分。結(jié)果證實該區(qū)絕大多數(shù)為油型氣，也有部分天然氣可能來自于煤或腐殖型有機質(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)計資料結(jié)果，應(yīng)用甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素進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、熱河臺地區(qū)也有油型氣的產(chǎn)出。而煤型氣則在葵花島、太陽島、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，認為該區(qū)天然氣除了混合來源外，也可能是混合型有機質(zhì)的貢獻。

　　此外，根據(jù)天然氣的不同組分含量及其碳同位素特征，進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質(zhì)的母質(zhì)來源有關(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

　　3.2.1 天然氣的成熟度

　　在探索與應(yīng)用過程中，國內(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個階段。隨著成熟度的增加，庚烷值和異庚烷值(又稱為石蠟指數(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行比較，二者非常一致，說明該區(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，均達到了過熟階段。

　　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)存在過熟階段源巖，從另外一個方面說明該區(qū)存在著尚未認識到的有利生氣區(qū)，具有較高的勘探潛力。

　　3.2.2 天然氣成因分類

　　依據(jù)國內(nèi)外文獻資料[2～4，14～19]，該區(qū)天然氣的演化階段劃分為生物成因氣、熱催化過渡帶氣、熱解氣、裂解氣4個階段。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、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，說明該區(qū)存在明顯的運移作用過程。

　　依據(jù)天然氣甲烷碳同位素值及干燥系數(shù)對天然氣的成熟度進行估算，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比較高，已經(jīng)達到了裂解氣的階段。因而可依據(jù)天然氣的甲烷同位素值對各個地區(qū)天然氣的演化階段進行劃分，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)混源比例計算主要依據(jù)的是一種簡化模型，盡管計算有一定誤差，但對天然氣的成因有重要的參考價值。根據(jù)戴金星院士的油型氣和煤型氣的經(jīng)驗公式[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，根據(jù)油型氣的計算公式，反推的δ13C1值為-42%。，當(dāng)Ro=1.6%時，根據(jù)煤型氣的計算公式，反推的δ13C1值為-32‰。因此，以此為界限，當(dāng)δ13C1<-55‰時，全部為生物成因氣;當(dāng)δ13C1值為-55‰～-42‰時，認為是生物成因氣和油型氣的混合;當(dāng)δ13C1值介于-42‰～-32‰時，認為是油型氣和煤型氣的混合;當(dāng)δ13C1>32‰時，筆者認為是煤型氣;當(dāng)δ13C1<-40.3‰，而且δ13C1>26.8‰時，認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型的混合氣中生物成因氣和煤型氣所占比例的統(tǒng)計結(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)。通過公式可計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%。東營組以油型煤型混合氣為主，占到東營組的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%;沙三段幾種類型天然氣都占有一定的比例，相對其他的層段，煤型氣的含量有所上升，達到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)來源上，以油型氣為主，但也存在大量的混源氣，黃金帶、熱河臺、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)天然氣類型比例有較大的變化：東營組以油型～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21%。

　　3) 生物成因氣主要分布在凹陷北部的熱河臺、青龍臺地區(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，裂解氣和過渡帶氣分別占3%、6%。

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