劉 偉， 沈阿平

(中國石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇南京 210019)

松南營城組火山巖氣藏成藏模式

劉 偉， 沈阿平

(中國石油化工股份有限公司華東分公司，江蘇南京 210019)

松南氣田營城組火山巖天然氣的δ13C1值大于-30‰，具有δ13C1＞δ13C2＞δ13C3負(fù)序列或同位素倒轉(zhuǎn)，甲烷同位素偏重，表明松南氣田營城組火山巖天然氣不僅具有煤型氣與油型氣混合特性，還具有多期次成藏特征，煤型氣充注早，為89～83 Ma;油型氣和幔源氣充注晚，為78～68 Ma。松南氣田營城組天然氣中無機(jī)氣體主要為CO2與N2，CO2氣的同位素表明CO2氣的成因具有典型的“煤 幔二元”特征。

火山巖;煤幔混合成因;二次充注;松南氣田

火山巖氣藏是一種特殊的氣藏類型，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的非均質(zhì)性和復(fù)雜的成藏規(guī)律，國外以日本新瀉盆地最為發(fā)育，國內(nèi)自20世紀(jì)70年代至今，相繼在渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地、二連盆地和松遼盆地發(fā)現(xiàn)火山巖油氣藏。關(guān)于火山巖油氣成藏規(guī)律的論著眾多，蔡先華等(2002)、張玉明等(2006)分別從地球物理勘探和構(gòu)造、成藏組合分析角度進(jìn)行了松遼盆地南部長嶺斷陷的火山巖分布及成藏規(guī)律研究。筆者在火山巖氣藏地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，通過天然氣成因分析、生烴期、構(gòu)造活動與成藏期的匹配關(guān)系研究，探討松南火山巖氣藏成藏模式。

1 構(gòu)造特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

松遼盆地長嶺凹陷構(gòu)造特征及演化總體表現(xiàn)為早期裂谷、中期坳陷、晚期褶皺的特點(diǎn)，基底為上古生界石炭系、二疊系中酸性侵入巖和淺變質(zhì)巖，基底之上發(fā)育有斷陷層系、坳陷層系兩大成藏體系(李洪革等，2006)。本文研究的目標(biāo)層系是斷陷層的營城組。

斷陷層系指上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)構(gòu)造層，面積7 240 km2，經(jīng)過多次擠壓、走滑、伸展等構(gòu)造活動，將盆地切割成東西分帶、南北分塊的構(gòu)造格局，自西向東劃分為西部、中部和東部三個斷陷帶，斷陷延伸方向多為北北東向和北西向。中部斷陷帶發(fā)育查干花斷凹、老英臺-達(dá)爾罕斷凸帶、長嶺牧場斷凹、蘇公坨 龍風(fēng)山斷階帶4個次級構(gòu)造單元。斷凹帶內(nèi)地層發(fā)育較全，包括下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組，厚度4 500～10 000 m;斷凸帶的地層發(fā)育不全，登婁庫、沙河子組和火石嶺組等都有不同程度的缺失。

1.2 局部構(gòu)造

老英臺-達(dá)爾罕斷凸帶為長期發(fā)育的古隆起帶。構(gòu)造帶上發(fā)育大布蘇、前神字井、腰英臺深層三個局部構(gòu)造和近南北走向的前神字井、腰英臺兩條斷裂(圖1)，在營城組沉積時(shí)期沿前神字井腰英臺斷裂發(fā)生了大規(guī)模的火山噴發(fā)，形成了近南北走向的火山巖群。腰英臺深層構(gòu)造是隆起帶東部的一個斷鼻構(gòu)造群。松南氣田就是發(fā)育在腰英臺深層斷鼻構(gòu)造群上的一個火山巖氣藏。

松南氣田的斷裂分為北西西向及近南北向兩組，其中近南北向的腰英臺斷裂延伸長、斷距大，對構(gòu)造起明顯的控制作用;而北西西向斷層則相對規(guī)模較小，對構(gòu)造的控制作用不明顯。斷裂活動明顯分為兩期，早期斷裂主要活動于營城組和登婁庫組沉積期，大多在登婁庫組沉積末期結(jié)束活動，以“單斷式展布”，斷面傾角較緩，具有明顯的同生性;斷層下降盤營城組和登婁庫組發(fā)育較全，厚度較大;斷層上升盤營城組和登婁庫組沉積減弱，甚至有缺失。而晚期斷裂多表現(xiàn)為“斷塹式”，斷層在剖面上以組合式斷塹為特征，斷面較陡，對地層的沉積分布無控制作用。

圖1 長嶺斷陷構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 The geotectonic map of Changling fault depression

1.3 成藏組合

長嶺斷陷層的烴源巖主要為沙河子組 營城組烴源巖，暗色泥巖厚度為100～1 300 m，源巖發(fā)育，油氣源充足。長嶺斷陷火山巖儲層主要分布在營城組，是長嶺斷陷天然氣勘探的主要目標(biāo)，也是本次研究的目標(biāo)層系。蓋層主要是登婁庫組、泉二、三段及營城組、沙河子組泥巖層。斷陷內(nèi)主要成藏期為明水期末。長嶺凹陷在嫩江期末反轉(zhuǎn)構(gòu)造運(yùn)動之后處于長期沉降狀態(tài)，源巖生成的天然氣供給持續(xù)到現(xiàn)今，對油氣的形成及保存非常有利。

2 火山巖氣藏地質(zhì)

2.1 火山巖類型及噴發(fā)期次

前人將長嶺斷陷深層火山活動劃分為六次規(guī)模不等的火山噴發(fā)旋回，侏羅系蝕變火山巖組火山旋回(第一旋回)，下白堊統(tǒng)火石嶺組火山旋回(第二旋回)，下白堊統(tǒng)沙河子組火山旋回(第三旋回)、營城組火山旋回(第四旋回)、泉頭組火山旋回(第五旋回)、登婁庫組火山旋回(第六旋回)。其中火石嶺期和營城期為盆地內(nèi)主要的兩期火山噴發(fā)活動。

營城組火山旋回的噴發(fā)規(guī)模較大、延續(xù)時(shí)間較長、分布面積較廣。根據(jù)巖性、電性、含氣性及沉積旋回特征，結(jié)合合成地震記錄層位標(biāo)定及地震反射特征和地震層序綜合對比，松南氣田營城組火山巖由三個火山通道，形成五個噴發(fā)期次。第一噴發(fā)期次不整合覆蓋在下白堊統(tǒng)沙河子組火山旋回之上，是由腰平7井火山通道噴發(fā)形成;第二至第五期次以腰深1井火山通道噴發(fā)形成，第二噴發(fā)期次以溢流相的流紋巖和火山熔結(jié)凝灰?guī)r為主，為強(qiáng)振幅波谷反射，腰深1井區(qū)為火山通道，為雜亂空白反射區(qū);第三噴發(fā)期次以溢流相為主，局部有爆發(fā)相強(qiáng)波谷反射，在腰深1井區(qū)覆蓋在火山通道相之上，分布較局限，在腰深7井區(qū)未沉積;第四噴發(fā)期次為一套復(fù)波反射的以流紋巖為主的溢流相，連續(xù)性較差;第五噴發(fā)期次以爆發(fā)相角礫凝灰?guī)r和熔結(jié)凝灰?guī)r覆蓋在整個火山巖頂部，為強(qiáng)振幅波谷。

2.2 火山巖體展布特征

2.2.1 火山巖的平面展布特征

采用地震振幅數(shù)據(jù)體、相干數(shù)據(jù)體、波阻抗反演數(shù)據(jù)體、密度反演數(shù)據(jù)體等多種數(shù)據(jù)體結(jié)合單井相劃分進(jìn)行火山巖地震相研究。獲得了松南氣田腰深1井四個期次(第五至二期)火山巖的巖相分布圖。第五期均是爆發(fā)相火山巖。第四期以溢流相火山巖為主，在腰深1、長深1、長深1-2及長深1-2北兩個區(qū)域?yàn)橐缌飨?爆發(fā)相空落亞相火山巖分布區(qū);腰深102井區(qū)為完整的溢流相分布區(qū)，包括上部、中部、下部三個亞相;腰深101井區(qū)為溢流相上部亞相與中部亞相火山巖分布區(qū)(圖2)。第三期以溢流相火山巖為主，部分地區(qū)為火山通道相或爆發(fā)相。腰深1、長深1井區(qū)為火山通道相+溢流相火山巖分布區(qū);長深1井有多個序列溢流相火山巖，反映了近火山口特征(圖2)。第二期爆發(fā)相、溢流相火山巖分布均等，腰深1井區(qū)為火山通道相+溢流相火山巖分布區(qū)，與第二期火山巖相比，火山通道相直徑較小。

2.2.2 火山巖的縱向展布特征

各期次的火山巖相及其縱向分布特征受古構(gòu)造及距火山口距離控制，由南向北縱橫向的火山巖相有差異，巖性及厚度變化較大(圖3)。

圖2 第四期火山巖巖相分布圖Fig.2 Distribution of volcanic lithofacies IV

3 成藏地質(zhì)條件及成藏機(jī)理探討

3.1 天然氣成因

3.1.1 天然氣組份分布特征

松南氣田天然氣以烴類組分為主，在平面上差異較大，從南向北，甲烷和重?zé)N含量減少，CO2含量增大。北部甲烷及重?zé)N含量低，CO2含量增高。南部的腰平7井營城組CH4含量87.0%，重?zé)N組分為1.58%，N2含量5.77%，CO2含量為5.56%;中部的腰深101井和腰深1井營城組CH4含量71.42% ～71.72%，重?zé)N組分為0.52% ～1.30%，N2含量3.73% ～5.83%，CO2含量為24.21% ～20.74%;中偏北部的腰平1井營城組天然氣中CH4含量為65.38%，CO2含量28.08%;北偏中部的腰深102井營城組天然氣中 CH4含量為69.02%，重?zé)N組分為0.05%，CO2含量24.75%;北部的腰平4井營城組天然氣中 CH4含量為54.8%，CO2含量39.9%;最北部靠火山巖體邊部的長深1-3井營城組CH4含量僅為1.61%，CO2達(dá)98%(張枝煥等，2003;劉朝露等，2006)。

根據(jù)公式:

圖3 腰平7-腰平3-腰深1-腰平1-腰平4井連井地震相剖面Fig.3 Well seismic facies profiles of Yaoping7-Yaoping3-Yaosheng1-Yaoping1-Yaoping4

計(jì)算的松南氣田天然氣中無機(jī)成因氣所占比例為40.62%～100%，而有機(jī)成因氣的比例在0～59.38%之間變化，并隨深度增加，有機(jī)成因氣的比例在降低。

3.1.2 碳同位素

松南氣田營城組有機(jī)天然氣中穩(wěn)定碳同位素總體偏重，δ13C1介于 -16.43‰ ～ -23.78‰，δ13C2介于 -23.11‰ ～-29.88‰(多數(shù)高于 -29‰)，δ13C3介于 -16.01‰ ～ -30.74‰，δ13C4介于-29.27‰～ -34.29‰，具有 δ13C1＞ δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的同位素倒轉(zhuǎn)分布特征(李春園等，1997)。

戴金星等(2001)將甲烷碳同位素的δ13C1值-30‰作為劃分有機(jī)與無機(jī)的界限，長嶺斷陷營城組天然氣絕大部分的δC1大于-30‰，證明了天然氣中有無機(jī)成因甲烷的存在;松南氣田天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的主要原因是無機(jī)氣與煤層氣混合造成的。長嶺斷陷的天然氣的同位素均落在δ13C1-δ13C2和 δ13C1-δ13C2-δ13C3、分類圖版的Ⅲ(Ⅲ1，Ⅲ2)區(qū)，表明天然氣不僅具有同源不同期煤型氣混合特性，而且還具有煤型氣與油型氣混合特性(圖4，5)。

天然氣的碳同位素特征與長嶺斷陷下白堊統(tǒng)火石嶺組、沙河子組、營城組暗色泥巖及煤層發(fā)育，有機(jī)碳含量高、熱演化程度高，為腰英臺構(gòu)造及達(dá)爾罕凸起上的圈閉提供了有機(jī)成因的油型氣和煤型氣有關(guān)。

3.1.3 CO2氣成因

松南氣田營城組天然氣中無機(jī)氣體主要為CO2與N2，CO2氣的同位素有兩種類型:第一類屬幔源成因天然氣，δ13CCO2在-7.9‰～ -4.63‰，如長深1、長深1-1、腰深1等井營城組天然氣中的CO2;第二類為介于有機(jī)成因與無機(jī)成因之間的混合成因CO2氣，天然氣δ13CCO2在-11.0‰左右，如長深 1-1、長深1-2營城組較深部位(談迎等，2006)。因此該區(qū)CO2氣的成因具有典型的“煤-幔二元”特征。

圖4 長嶺斷陷松南氣田天然氣δ13C1-δ13C2分類圖版Fig.4 The δ13C1-δ13C2classification of Songnan gas field in Changling fault depression

圖5 長嶺斷陷松南氣田天然氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分類圖版Fig.5 The δ13C1-δ13C2-δ13C3classification of Songnan gas field in Changling fault depression

對松遼盆地CO2氣體的成因，曾有研究者建立了四種氣體脫氣的模式(郭占謙等，1997)。在100～73.5 Ma的青山口組至嫩江組時(shí)期松遼盆地南部長嶺斷陷幔源巖漿噴發(fā)與侵入頻繁，巖石圈斷裂向下切割到地幔甚至到軟流圈;北西西向和北北東向共扼斷裂系是長期繼承性活動的斷裂，在嫩江組 明水組沉積末期及早第三紀(jì)末期和新構(gòu)造運(yùn)動(N-Q)持續(xù)活動，控制了多種類型局部構(gòu)造發(fā)育。伴隨斷裂活動，軟流圈富集的CO2，CH4和部分H2氣脫出向上運(yùn)移，在適宜的圈、蓋、保條件下富集成藏。

3.2 成藏時(shí)間與期次

3.2.1 生烴期

腰深2井動態(tài)演化歷史表明，在持續(xù)的沉降作用以及較高的古地溫場作用下，火石嶺組烴源巖早在登婁庫組沉積中末期(約118 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積早期(約80 Ma)全面進(jìn)入大規(guī)模生烴階段，達(dá)到生烴高峰，主要生、排烴階段為泉頭組末期—嫩江組早期(105～80 Ma);沙河子組烴源巖也是在泉頭組沉積早中期(約112 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積中后期(約75 Ma)達(dá)到生烴高峰，主要生排烴期為姚家組-嫩江組沉積中后期(90～75 Ma)營城組烴源巖在泉頭組沉積中期(約100 Ma)進(jìn)入生烴門限，至嫩江組沉積晚期(約65 Ma)達(dá)到生烴高峰，但至現(xiàn)今一直還在緩慢生烴，不過量很小。登婁庫組烴源巖在姚家組沉積末和嫩江組沉積早期(約80～85 Ma)進(jìn)入生烴門限，開始持續(xù)生烴。

3.2.2 成藏期

營城組凝灰?guī)r中有機(jī)包裹體均一溫度可以分為兩期，第一期主要為氣-液烴類流體包裹體，均一化溫度分布范圍在120～130℃;第二期為氣體烴類流體包裹體，均一化溫度分布范圍在140～160℃。結(jié)合腰深1井營城組火山巖埋藏史分析，該井烴類氣體充注儲層為兩期充注，第一期烴類充注高峰期為要姚家末—嫩江早期，發(fā)生時(shí)間為86～83 Ma，主要為火石嶺組-沙河子組煤系地層生成的有機(jī)成因的天然氣;第二期天然氣充注時(shí)期為嫩江末期到四方臺早期，發(fā)生時(shí)間為78～68 Ma，為營城組烴源巖生成的油型天然氣與火山活動形成的CO2為主的地幔氣充注儲層。

松遼盆地長嶺斷陷營城組儲層包裹體中CH4，CO2的碳同位素分析表明，包裹體中包含的氣體CO2與儲層中的CO2不同源，包裹體中包含的CO2的碳同位素值都小于-10‰為有機(jī)成因，氣藏中的高含量的CO2的碳同位素值都大于-8.0‰為無機(jī)成因，包裹體中的甲烷及烴類氣體與儲層中的烴類氣體具有相似的同位素特征，具有同源性。結(jié)合有機(jī)包裹體均一溫度分析(張金亮，1998)，進(jìn)一步證明烴類氣體為主的天然氣與CO2不是同時(shí)充注儲層的，在CO2充注入前，儲層己經(jīng)被烴類氣體所飽和。

3.3 成藏模式探討

松南氣田營城組火山巖氣藏是CH4和CO2的混合氣藏，具有多期成藏特征。氣藏構(gòu)造形成于營城組末期，經(jīng)登婁庫-明水組末期的兩次擠壓構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動定型;本區(qū)沙河子組、營城組這兩套主力烴源巖在嫩江末期達(dá)到生烴高峰;構(gòu)造形成時(shí)間早于烴源巖的生烴高峰期，成藏配置條件有利，有煤型氣生成并充注圈閉的過程;晚白堊紀(jì)以后的火山活動和深大斷裂溝通地幔，使油型氣和無機(jī)成因的CO2與混合成因的CO2沿著深大斷裂運(yùn)移到火山巖儲集層，同時(shí)使早期形成的有機(jī)成因天然氣藏遭受了改造甚至被破壞，運(yùn)移至淺部地層聚集或溢散。后期充注無機(jī)氣體的成分與早期形成的有機(jī)天然氣藏的破壞程度決定了現(xiàn)今天然氣藏的CO2與有機(jī)烴類氣體的含量(付曉飛等，2005a，2005b)。由于烴類氣體與CO2氣體的分子量不同，CH4氣體粘度小、吸附力弱、重量輕、擴(kuò)散系數(shù)大，富集在構(gòu)造高部位;而CO2氣體則因吸附力強(qiáng)、粘度大，富集在構(gòu)造較低部位或烴類氣藏之下。由于松南氣田的火山和構(gòu)造活動強(qiáng)度由南向北逐次增強(qiáng)，松南氣田中的CO2含量也由南向北逐漸增高。

綜上所述，松南氣田營城組火山巖氣藏模式可以概括為登婁庫-明水末期構(gòu)造反轉(zhuǎn)定型，嫩江末期烴類氣體成藏，嫩江末期到四方臺早期構(gòu)造改造、油型氣和幔源CO2氣體充注(圖6)。

圖6 長嶺斷陷營城組火山巖儲層天然氣成藏模式圖Fig.6 The accumulation model of the natural gas of volcanic reservoir in Yingcheng group

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Accumulation Model of Songnan Yingcheng Volcanic Gas Reservoir

LIU Wei，SHEN A-ping
(East China Branch of SINOPEC，Nanjing，JS 210019，China)

The δ13C1value of natural gas of the volcanic reservoir in Yingcheng group，Songnan gas field is more than-30 ‰ with a negative sequence that is δ13C1＞ δ13C2＞ δ13C3or isotopes inversion and more weight methane isotope.It indicates that the natural gas of volcanic reservoir not only has the coal-type gas and oil-type gas mixing characteristics，also has a multi-period accumulation characteristic in Yingcheng group，Songnan gas field.The coal-type gas that is 89～83 Ma is filled earlier than mantle-derived gas that is 78～68 Ma.The natural gas in Yingcheng group，Songnan gas field mainly has two inorganic gas:CO2and N2.The isotope of CO2gas shows the genesis of CO2gas has a typical“Coal-Mantle”dual characteristic.

volcanic rock;coal-mantle hybrid origin;secondary filling;Songnan gas field

P618.13

:A

:1674-3504(2011)01-075-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.01.012

2010-07-01

劉 偉(1956—)，男，教授級高級工程師，主要從事油氣田開發(fā)研究及科研管理。