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方正斷陷不同成因天然氣地球化學(xué)特征及成藏模式

2015-03-24 01:07呂延防王世輝
石油與天然氣地質(zhì) 2015年3期
關(guān)鍵詞:柞樹方正烴源

柳 波,陸 軍,呂延防,付 廣,王世輝,金 瑋

(1.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,黑龍江 大慶 163318;2.黑龍江省高等學(xué)??萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)“斷裂變形、封閉性及與流體運(yùn)移”,黑龍江 大慶 163318;3.中國石油 大慶油田有限公司 勘探開發(fā)研究院,黑龍江 大慶 163318)

方正斷陷不同成因天然氣地球化學(xué)特征及成藏模式

柳 波1,2,陸 軍1,2,呂延防1,付 廣1,王世輝3,金 瑋3

(1.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,黑龍江 大慶 163318;2.黑龍江省高等學(xué)校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“斷裂變形、封閉性及與流體運(yùn)移”,黑龍江 大慶 163318;3.中國石油 大慶油田有限公司 勘探開發(fā)研究院,黑龍江 大慶 163318)

方正斷陷天然氣成因類型復(fù)雜,查明氣源對(duì)其天然氣勘探具有重要意義。根據(jù)天然氣組分及烷烴碳同位素特征,結(jié)合成氣地質(zhì)背景,對(duì)天然氣的成因類型進(jìn)行了分析。通過不同構(gòu)造單元的烴源巖有機(jī)質(zhì)類型及熱演化程度差異,對(duì)比天然氣熱成熟度并進(jìn)行氣源探討。結(jié)果表明:方正斷陷天然氣可以分為3類。A類天然氣為干氣,成因類型為催化過渡帶氣,為新安村組-烏云組湖相泥巖所生;B類天然氣為濕氣,成因類型為熱成因煤型氣,與腐殖型有機(jī)質(zhì)生成的原油相伴生,為煤系泥巖所生;C類天然氣亦為濕氣,成因類型以熱成因油型氣為主,具有一定的腐殖型有機(jī)質(zhì)生氣貢獻(xiàn),與腐殖型有機(jī)質(zhì)生成的原油相伴生,為混源氣。伊漢通斷裂兩側(cè)構(gòu)造的差異活動(dòng)是造成東、西兩個(gè)次凹天然氣地球化學(xué)特征及成藏模式有明顯差異的最主要因素。

天然氣組分;烷烴碳同位素;天然氣成因;氣-源對(duì)比;方正斷陷

方正斷陷位于黑龍江省東部,是松遼盆地外圍油氣勘探的重點(diǎn)探區(qū)之一[1-2]。1996年部署的方3井在新安村組-烏云組2 871.0~2 939.0 m井段自噴獲54 340 m3/d的工業(yè)氣流,從而發(fā)現(xiàn)了方3井區(qū)氣藏。隨后鉆探的方4井又獲日產(chǎn)油78.8 t、氣22 522 m3,方15井獲得日產(chǎn)油15.3 t、氣54 940 m3,皆顯示了方正斷陷除具有豐富的石油資源外,同樣具有較好的天然氣勘探前景。

方3井由于具有較輕的甲烷碳同位素,前人研究普遍認(rèn)為其成因類型為生物氣[3]。由于天然氣埋藏深度較大(接近3 000 m),雖然在特殊的地質(zhì)條件下,微生物生存的極限溫度可達(dá)110 ℃[4],但研究區(qū)顯然不具備這種條件,天然氣賦存的地層溫度為78~85 ℃,超過了生物氣大量繁殖的最佳溫度[5],不可能為單一生物成因。此外,各井天然氣地球化學(xué)特征還存在明顯的差異,顯示出其可能具有不同的成因類型。那么方正斷陷天然氣成因究竟為何?又有什么差異?針對(duì)這一問題,本文系統(tǒng)地分析了研究區(qū)所有產(chǎn)氣井的天然氣組分和烷烴碳同位素特征,深度探討了天然氣的成因及來源,以期為今后方正斷陷的天然氣勘探提供重要的理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

方正斷陷是位于依舒地塹中段的一個(gè)雙斷式槽狀斷陷,呈北東向40°~50°展布,南鄰尚志斷隆,北接依蘭斷隆,面積約1 460 km2,發(fā)現(xiàn)探井30口。在天然氣勘探方面,發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流井2口(方3井和方401井)以及工業(yè)油氣流井4口(方4井、方402井、方12井和方15井),已提交天然氣預(yù)測儲(chǔ)量38.86×108m3。

根據(jù)方正斷陷主要地震反射層的現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)、主要目的層沉積特征和地層分布規(guī)律,將方正斷陷整體劃分為東部斷陷帶和西部斷陷帶兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。東部斷陷帶可進(jìn)一步劃分為玉山屯單斜帶、李家店次凹、民豐斷裂構(gòu)造帶、德善屯次凹、大林子次凹和大羅密斷階帶6個(gè)三級(jí)單元;西部斷陷帶可進(jìn)一步劃分為小蘭屯背斜帶、柞樹崗次凹和祥順潛山帶3個(gè)三級(jí)構(gòu)造帶。影響和控制次級(jí)構(gòu)造單元的斷層是方正斷陷兩條邊界斷層和與之大體平行的一條主控?cái)鄬?。前者控制方正斷陷的邊界,后者控制二?jí)構(gòu)造帶的分布和發(fā)育,是主要的繼承性斷層。這3條斷層為北東走向,使得2個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元也呈北東向展布(圖1)。

斷陷基底為古生界變質(zhì)巖系,其上充填了白堊系方正組、古近系新安村組-烏云組(E2x-E1w)、達(dá)連河組(E2d)、寶泉嶺組(E3b)、新近系富錦組(N1f)及第四系[6]。其中,新安村組-烏云組由灰色砂礫、砂巖和淺灰色粉巖與暗色泥巖、煤層不等厚互層組成,是方正斷陷最重要的烴源巖發(fā)育層位。天然氣樣品主要采集自柞樹崗、大林子次凹的新安村組-烏云組和寶泉嶺組地層。

2 天然氣地球化學(xué)特征

天然氣組分可分為烴類氣體與非烴氣體兩類。方正斷陷天然氣組分中烴類氣體含量變化在69.08%~99.67%,反映烴類氣體含量占絕對(duì)優(yōu)勢。非烴氣體以CO2和N2為主,其它成分含量甚微。研究天然氣的組成特征,對(duì)分析天然氣的成因及氣藏形成規(guī)律都有重要意義[7-8]。

圖1 方正斷陷區(qū)域構(gòu)造位置a)及地層發(fā)育剖面b)

2.1 天然氣組分特征

各井天然氣甲烷含量變化范圍較大,為61.148%~99.228%。重?zé)N氣含量變化范圍為0.661%~24.805%,且隨著單井油產(chǎn)量的增高而增加。與天然氣甲烷和重?zé)N氣含量相對(duì)應(yīng),根據(jù)干燥系數(shù)的大小,方正斷陷天然氣具有干氣和濕氣兩種類型。干氣見于方3井和方401井,單井不產(chǎn)油,干燥系數(shù)分別為99.2%和99.3%。其他各井天然氣皆為濕氣,且同時(shí)獲得工業(yè)油流,其中方4井和方402井的天然氣干燥系數(shù)較為接近,分別為73.6%和79.0%;方12井和方15井天然氣干燥系數(shù)為89.4%和92.5%(表1)。

iC4/nC4和iC5/nC5是兩個(gè)比較有效的成熟度參數(shù),低溫下以碳陽離子斷裂為主,主要產(chǎn)物為異構(gòu)烷烴,高溫則以自由基斷裂占優(yōu)勢,主要產(chǎn)物為正構(gòu)烷烴[9]。因此,隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加,iC4/nC4和iC5/nC5比值逐漸降低并趨于穩(wěn)定,同時(shí)這兩項(xiàng)參數(shù)受擴(kuò)散運(yùn)移效應(yīng)影響明顯,隨著運(yùn)移距離的增加比值逐漸增大[10]。研究區(qū)天然氣色譜分析結(jié)果表明(表2):方3井天然氣具有較高的iC4/nC4和iC5/nC5比值,分別為3.615~5.000和3.000~6.500,均大于3;方401井天然氣異丁烷含量為0.088%~0.084%,異戊烷含量為0.020%~0.021%,正丁烷與正戊烷含量極低,同樣具有較高的iC4/nC4和iC5/nC5比值。這兩口井天然氣藏緊鄰烴源巖層系,這兩項(xiàng)參數(shù)的變化應(yīng)主要受控于成熟度,即其天然氣生成的成熟度較低,而其他各井天然氣iC4/nC4和iC5/nC5比值分別分布在1.184~1.907和1.684~2.671,均小于3,比值并沒有明顯增大,受運(yùn)移效應(yīng)影響不明顯,表明這些井發(fā)現(xiàn)的天然氣可能均為有機(jī)質(zhì)在正常成熟度條件下所生成。

2.2 天然氣烷烴碳同位素特征

天然氣烷烴碳同位素分布及系列碳同位素特征[11-12],也同樣具有較強(qiáng)的差異性(表3)。方3井和方401井烷烴碳同位素最輕,整體上具有正碳同位素系列;方4井和方402井烷烴碳同位素整體偏重,甲烷碳同位素輕于方12井和方15井,而重?zé)N碳同位素略重于方12井和方15井;方12井和方15井甲烷碳同位素最重,方15井部分樣品天然氣碳同位素序列倒轉(zhuǎn),可能揭示了該類天然氣具有一定的混合成因。

3 天然氣成因分析

天然氣成因類型的判別主要是在地質(zhì)背景下,依賴于天然氣的組分和碳同位素組成,并以天然氣伴生原油的輕烴地球化學(xué)特征為輔。本區(qū)天然氣可以劃分為A類、B類和C類。A類天然氣包括方3井和方401井;B類天然氣包括方4井和方402井;C類天然氣包括方12井和方15井。

3.1 天然氣形成的地質(zhì)背景

一般認(rèn)為,生物氣藏埋深最大不超過2 000 m,且生成生物氣的極限溫度在75 ℃。方3井天然氣埋藏深度2 888.50~2 954.80 m,地層溫度在78~85 ℃,地層壓力為27.77~29.54 MPa,不具備生物氣大規(guī)模生成的埋藏和溫度條件[13]。

3.2 天然氣烷烴碳同位素組成

根據(jù)天然氣C1/C1-5與δ13C1關(guān)系圖版(圖2)可知,A類天然氣屬于有機(jī)質(zhì)低熟階段生成的催化過渡帶氣,而B類和C類天然氣為熱成因氣,而非前人判識(shí)的生物氣。圖版中可見方1井天然氣樣品落在生物氣區(qū),其埋深為810~834 m,這可能才是真正意義上的生物氣類型。

表1 方正斷陷天然氣組分含量

表2 方正斷陷天然氣組分色譜分析

目前常采用δ13C2為-28‰作為油型氣和煤型氣的界限[14]。根據(jù)天然氣δ13C1與δ13C2關(guān)系圖版(圖3)可知,方1井天然氣為生物氣,A類天然氣為催化過渡帶氣,B類天然氣為熱成因煤型氣,C類天然氣為熱成因油型氣。

4 天然氣氣源探討

4.1 氣源巖有機(jī)質(zhì)類型及演化程度

通過熱解參數(shù)Tmax(最高熱解峰溫)及HI(氫指數(shù))

表3 方正斷陷天然氣烷烴碳同位素特征

圖2 方正斷陷天然氣C1/C1-5-δ13C1關(guān)系圖版[15]

圖3 方正斷陷天然氣δ13C1-δ13C2關(guān)系圖版[16]

圖4 方正斷陷各次凹新安村組-烏云組有機(jī)質(zhì)類型劃分

可確定烴源巖有機(jī)質(zhì)類型,在收集了大量熱解數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)全區(qū)主要探井的新安村組-烏云組暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行了判斷。結(jié)果表明,柞樹崗次凹烴源巖有機(jī)質(zhì)類型最好,以Ⅱ1型干酪根為主,Ro(鏡質(zhì)體反射率)值為0.54%~0.71%,平均為0.59%,有機(jī)質(zhì)熱演化程度最低;大林子次凹北部有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2型干酪根為主(方15井),南部以Ⅲ型干酪根為主(方10井),Ro值為0.52%~0.73%,平均為0.62%。根據(jù)兩個(gè)次凹埋深及樣品分布情況可知,大林子次凹有機(jī)質(zhì)熱演化程度高于柞樹崗次凹(圖4)。

4.2 氣-源成熟度對(duì)比

戴金星等研究了我國不同地區(qū)天然氣烷烴碳同位素系列與Ro的關(guān)系,提出了適合我國天然氣成熟度計(jì)算的回歸方程[17-18];徐永昌等提出了催化過渡帶氣概念并修改了煤型氣回歸方程,也提出了天然氣成熟度的計(jì)算公式[19]。本次研究借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)公式,得到了方正斷陷天然氣的成熟度(表4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),用戴金星等提出的油型氣和煤型氣甲烷回歸模型計(jì)算出的天然氣成熟度明顯偏低,與乙烷、丙烷回歸模型計(jì)算結(jié)果十分不匹配,而根據(jù)徐永昌等提出的過渡帶氣回歸模型計(jì)算出的結(jié)果比較符合實(shí)際情況。結(jié)果表明,柞樹崗次凹天然氣生成的Ro為0.62%~0.69%,大林子次凹天然氣生成的Ro為0.77%~0.83%,煤型氣的成熟度普遍高于油型氣。

表4 方正斷陷天然氣成熟度計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)比天然氣成熟度與烴源巖熱演化程度可知:A類天然氣為演化程度較低、有機(jī)質(zhì)類型較好的柞樹崗次凹泥巖所生;B類天然氣為演化程度略高、有機(jī)質(zhì)類型偏差的柞樹崗次凹泥巖所生;由于大林子次凹鉆井皆位于構(gòu)造高部位,揭示新安村組-烏云組烴源巖的Ro最大為0.89%,演化程度未達(dá)到0.94%,根據(jù)本區(qū)烴源巖Ro與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系及烴源巖頂面埋深可知,大林子次凹深凹部位演化程度更高,Ro可以達(dá)到1.5%以上,因此推測C類天然氣對(duì)應(yīng)于大林子次凹中心部位的烴源巖。

4.3 天然氣伴生原油生物標(biāo)志物對(duì)比

A類天然氣為干氣,鉆井未見油流,無法獲取伴生原油的地球化學(xué)特征。

B類天然氣與原油相伴生(圖5),規(guī)則甾烷ααα20RC28

C類天然氣為油型氣,但伴生原油Pr/Ph高,分布區(qū)間為5.27~8.04,平均為6.14,均大于5,具有典型的煤系地層有機(jī)質(zhì)特征[21-22],規(guī)則甾烷ααα20RC28

5 天然氣成藏模式

大林子次凹與柞樹崗次凹分別位于伊漢通斷裂東、西兩側(cè),兩個(gè)次級(jí)凹陷構(gòu)造發(fā)育史不同,是決定天然氣成藏規(guī)律不同的重要因素(圖7)。

新生代以來受太平洋板塊斜向俯沖以及印度板塊向歐亞大陸碰撞作用的聯(lián)合影響,依舒地塹發(fā)生右旋伸展,強(qiáng)烈裂陷形成一系列新生代盆地。此時(shí)方正斷陷受東、西邊界斷裂控制發(fā)育扇三角洲-湖泊沉積體系,新安村組-烏云組沉積早期在西部柞樹崗次凹和東部大林子次凹發(fā)育了一套含煤烴源巖,后期沉積演化為一套湖相烴源巖。

達(dá)連河組沉積后盆地經(jīng)歷強(qiáng)烈抬升剝蝕,新安村組-烏云組頂部的湖相泥巖在方4井附近剝蝕殆盡。寶泉嶺組沉積時(shí)期水進(jìn)作用明顯,湖泊范圍擴(kuò)大,發(fā)育湖泊及辮狀河三角洲沉積體系,沉積了大套厚層泥巖,形成了本區(qū)最為重要的油氣區(qū)域蓋層。

圖5 B類天然氣伴生原油生物標(biāo)志物色譜-質(zhì)譜(方4井)

圖6 C類天然氣伴生原油生物標(biāo)志物色譜-質(zhì)譜(方15井)

圖7 方正斷陷天然氣成藏模式

隨著盆地沉積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,斷陷進(jìn)入斷-拗轉(zhuǎn)換時(shí)期。該時(shí)期伊漢通斷裂發(fā)育成熟,形成了貫穿盆地的斷裂,吸收了盆地大部分應(yīng)變。邊界斷裂活動(dòng)性逐漸減弱導(dǎo)致西部柞樹崗次凹地層被動(dòng)沉降,而伊漢通斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)造成東部大林子次凹快速沉降。沉降速度的差異使得西部凹陷烴源巖演化較東部凹陷相對(duì)緩慢,為柞樹崗次凹相對(duì)富集低熟氣提供了生氣演化條件。

寶泉嶺組末期,盆地壓扭反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)變形集中于受伊漢通斷裂和東邊界斷裂夾持的地塹內(nèi),東部地層大幅度抬升,強(qiáng)烈活動(dòng)的斷層在垂向上斷穿層位較多,不同類型有機(jī)質(zhì)生成的天然氣發(fā)生了混合,并且部分富集于淺層寶一段,形成了“近源斷層輸導(dǎo)縱向成藏模式”:即油氣縱向上多層位分布,斷裂是油氣成藏的主要通道,與有效源巖溝通并長期發(fā)育的斷裂系統(tǒng)是該區(qū)重要的油源斷裂,在運(yùn)移路徑上與之配置的下盤背斜圈閉是油氣聚集場所。而西部凹陷反轉(zhuǎn)作用則相應(yīng)降低,發(fā)育的早期和早、中期斷裂不活動(dòng),僅沿西邊界斷裂發(fā)育小型反轉(zhuǎn)褶皺,氣藏保存條件較好,使得過渡帶氣與煤型氣地球化學(xué)特征截然不同,形成了“源內(nèi)分層富集成藏模式”。

6 結(jié)論

1) 方正斷陷天然氣可以劃分為3類。柞樹崗次凹分布了催化過渡帶氣和熱成因煤型氣兩種類型,分別對(duì)應(yīng)于柞樹崗次凹湖相泥巖及煤系泥巖所生;大林子次凹天然氣為腐泥腐殖型有機(jī)質(zhì)生成天然氣的混合,以熱成因油型氣為主,具有一定的煤型氣貢獻(xiàn)。

2) 沉降速度的差異使得西部凹陷烴源巖演化較東部凹陷相對(duì)緩慢,為柞樹崗次凹相對(duì)富集低熟氣提供了生氣演化條件。后期反轉(zhuǎn)強(qiáng)度的差異使得西部凹陷保存條件好,過渡帶氣與煤型氣地球化學(xué)特征截然不同,而東部不同類型天然氣發(fā)生了混合,且聚氣層位豐富。

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(編輯 張玉銀)

Geochemical characteristics and accumulation models of different genetic types of natural gas in the Fangzheng Fault Depression

Liu Bo1,2,Lu Jun1,2,Lyu Yanfang1,Fu Guang1,Wang Shihui3,Jin Wei3

(1.AccumulationandDevelopmentofUnconventionalOilandGas,StateKeyLaboratoryCultivationBaseJointly-constructedbyHeilongjiangProvinceandtheMinistryofScienceandTechnology,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China;2.“FaultDeformation,SealingandFluidMigration”ScienceandTechnologyInnovationTeaminCollegesandUniversitiesofHeilongjiang,Daqing,Heilongjiang163318,China;3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,DaqingOilfieldCompanyLimited,CNPC,Daqing,Heilongjiang163318,China)

Because of the complicated genetic types of gas,accurate identification of the sources of the nature gas has great significance to gas exploration in the Fangzheng Fault Depression.First,the genetic types of natural gas were classified based on the gas components,alkane carbon isotopes and in combination with the actual geological conditions.Then,the thermal maturity of gas was correlated with source rocks in different tectonic units to reveal the gas sources based on identification of organic types and thermal evolution degree. The results show that the gas of this area can be divided into three types.Type A is dry gas and its genetic type is catalytic transitional zone gas generated by lacustrine mudstone in the Xin’ancun-Wuyun Formations.Type B is wet gas and its genetic type is thermal coal-related gas generated by coal measure mudstones.Type C is also wet gas and its genetic type is petroliferous gas generated partly by humic organic ma-tter.It is associated with the oil generated by humic organic matters and is of hybrid sources.Differential structural activity on two sides of Yihantong fault is the main factor leading to the different geochemical characteristics and accumulation patterns of natural gas between the east and west sags.

gas component,alkane carbon isotope,origin of natural gas,gas-source correlation,Fangzheng Fault Depression

2015-01-21;

2015-03-10。

柳波(1983—),男,博士、副教授,油氣成藏地質(zhì)學(xué)和非常規(guī)油氣地質(zhì)。E-mail:liubo6869@163.com。

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41472125);國家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202101);中國博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2013M541338);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541084);黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2015043);黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(UNPYSCT-2015077)。

0253-9985(2015)03-0370-08

10.11743/ogg20150304

TE122.1

A

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