申家年 梁爽

(東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

松遼盆地南部整體勘探前景良好，其中德惠斷陷已有近50年的勘探歷史［1-2］。德惠斷陷深層天然氣主要是由營(yíng)城子組、沙河子組、登婁庫(kù)組、火石嶺組等地層中分散有機(jī)質(zhì)在熱演化過(guò)程中所形成［3］。其中火石嶺組含氣面積廣，潛力巨大，但地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探程度低。目前德惠斷陷火石嶺組鉆遇23口井，已對(duì)其中17口井進(jìn)行試油試采測(cè)試，有8口井見(jiàn)氣。試氣結(jié)果顯示，德深11井日產(chǎn)氣為53 650 m3，德深12井日產(chǎn)氣為12 280 m3，天然氣勘探前景較好。本次研究是在了解德惠斷陷區(qū)域地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，通過(guò)德惠火石嶺組天然氣組分及輕烴數(shù)據(jù)確定火石嶺組天然氣的成因，并進(jìn)行氣源追蹤。

德惠斷陷隸屬松遼盆地東南隆起區(qū)內(nèi)次一級(jí)構(gòu)造單元，是在晚古生代淺變質(zhì)巖系的基底上發(fā)展起來(lái)的中生代沉積盆地，其中廣泛發(fā)育有上侏羅統(tǒng)和白堊系的湖泊相 — 河流相沉積地層，是一個(gè)含油氣資源豐富的斷陷［4］。目前鉆探結(jié)果所揭示的地層有上侏羅統(tǒng)火石嶺組，下白堊統(tǒng)沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組、泉頭組，上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組，其中火石嶺組地層厚度一般為200～1 500 m。根據(jù)德惠斷陷22口井鉆井資料統(tǒng)計(jì)，鉆遇地層平均厚度為592.32 m，其中泥巖平均厚度為197 m(約占總厚度的35%)，泥巖分布廣泛且暗色泥巖發(fā)育較好?；鹗瘞X組泥巖有機(jī)碳普遍大于1%，干酪根類(lèi)型偏腐殖型，而且成熟度為成熟 — 高成熟階段，是生氣的階段。沙河子組地層厚度為600～1 400 m，巖性以灰黑色、深灰色泥巖為主。沙河子組泥巖樣品中70%以上的樣品TOC(有機(jī)碳總量)大于2%。干酪根類(lèi)型主要為偏腐殖型，成熟— 高成熟階段，但是成熟度稍低于火石嶺組?；鹗瘞X組與沙河子組源巖性質(zhì)相似，均為很好的氣源巖。

1 天然氣成因鑒別

1.1 碳同位素判定成因

有機(jī)質(zhì)母質(zhì)不同，其碳同位素組成也不同，自然演化過(guò)程中的熱力作用、運(yùn)移作用及生物化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致同位素分餾，從而使得不同成因的天然氣中碳同位素組成的分布特征各不相同。天然氣同位素是判定天然氣成因的重要參數(shù)之一，表1所示為德深12井火石嶺組天然氣同位素?cái)?shù)據(jù)。

表1 德深12井火石嶺組天然氣同位素?cái)?shù)據(jù)

表1表明德深12井火石嶺組天然氣同位素為正常序列(甲烷、乙烷、丙烷碳同位素序列:δ13C1＜δ13C2＜δ13C3)特征，可能油型氣貢獻(xiàn)較大。根據(jù)戴金星的德惠斷陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有機(jī)烷烴氣成因圖版［6］(圖1)分析，德深12井烴類(lèi)氣落在Ⅲ1區(qū)，為油型氣、煤型氣混合氣。

圖1 德惠斷陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有機(jī)烷烴氣成因圖版

1.2 輕烴族組成判定成因

通過(guò)正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴可判定天然氣成因圖版中德深11井與德深12井含正構(gòu)烷烴與異構(gòu)烷烴相對(duì)多一些［7］，C5、C6、C7主要分布在油型氣和煤型氣分界線上。德深11井和德深12井火石嶺組天然氣表現(xiàn)為煤型氣和油型氣混合特征，這與同位素判定的成因結(jié)果一致。圖2所示為德惠斷陷正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴判定天然氣成因圖版。

圖2 德惠斷陷正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴判定天然氣成因圖版

2 氣源對(duì)比

2.1 輕烴指紋判別氣源

根據(jù)實(shí)際輕烴測(cè)試情況和其中11項(xiàng)配對(duì)參數(shù)對(duì)研究地區(qū)天然氣與烴源巖輕烴進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比，分析其火石嶺組天然氣氣源關(guān)系。由于火石嶺組、沙河子組和營(yíng)城組的巖樣數(shù)量較多，在圖中無(wú)法明確、清晰地突出天然氣氣源，因此選用與各組平均巖樣輕烴指標(biāo)數(shù)據(jù)最相近的代表巖樣。圖3所示為德深11井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標(biāo)對(duì)比圖。圖4所示為德深12井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標(biāo)對(duì)比圖?；鹗瘞X組與沙河子組的2、3、4、7、8、9 號(hào)指標(biāo)都與天然氣相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)相近，沙河子組的指標(biāo)10與天然氣的數(shù)值差距較小，其他4個(gè)泥巖指標(biāo)均與天然氣相應(yīng)指標(biāo)有較大差異，且火石嶺組與沙河子組巖樣11個(gè)指標(biāo)整體分布表現(xiàn)出一定的相似性。火石嶺組天然氣的氣樣與沙河子組、火石嶺組均有一定的親緣性，無(wú)法確定火石嶺組天然氣究竟來(lái)自沙河子還是火石嶺。在此需要明確的是，沙河子組泥巖和火石嶺組泥巖輕烴是否差別較小，天然氣是否為二者的混合氣。

圖3 德深11井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標(biāo)對(duì)比圖

圖4 德深12井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標(biāo)對(duì)比圖

2.2 聚類(lèi)分析與秩和檢驗(yàn)法判別氣源

通過(guò)關(guān)系圖無(wú)法直觀地細(xì)察每個(gè)輕烴指標(biāo)之間的差距，因此需要對(duì)沙河子組和火石嶺組泥巖的11項(xiàng)輕烴指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析［10］，以檢查二組泥巖輕烴參數(shù)的整體差異。

聚類(lèi)分析又稱點(diǎn)群分析，是指按照客體在性質(zhì)上或成因上的親疏關(guān)系，對(duì)客體進(jìn)行定量分類(lèi)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。這種分類(lèi)方法不僅綜合考慮了所有因素，而且又不受已有分類(lèi)結(jié)構(gòu)的影響，只以某種分類(lèi)統(tǒng)計(jì)量為依據(jù)對(duì)客體進(jìn)行分類(lèi)。這就有可能突破傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)建立的一些定性分類(lèi)系統(tǒng)，從而得到更合理的分類(lèi)結(jié)果［11］。在地質(zhì)研究中，歐氏距離、歐氏距離平方、變量矢量余弦及Chebychev距離是常用的聚類(lèi)方法，用于Q型聚類(lèi)。如果火石嶺組和沙河子組輕烴有明顯差異，則利用聚類(lèi)法可使大部分(甚至全部)火石嶺組泥巖與沙河子組泥巖各自聚類(lèi)，分別代表火石嶺和沙河子。

以德惠斷陷的歐氏距離法為例，若聚成2類(lèi)，則第1類(lèi)中有沙河子組樣品、火石嶺組樣品各1塊，其余10個(gè)樣品聚成第2類(lèi)(見(jiàn)圖5)，未見(jiàn)到火石嶺組和沙河子組各自成類(lèi)的現(xiàn)象?？紤]到個(gè)別樣品的影響，在聚成3類(lèi)時(shí)有2類(lèi)可能分別包含沙河子組和火石嶺組樣品組分。這樣剔除個(gè)別樣品后，火石嶺組和沙河子組分。但是運(yùn)用三分法并沒(méi)有出現(xiàn)設(shè)想的結(jié)果，4種常用的聚類(lèi)方法得到的結(jié)果基本一致，如圖5—圖8所示?？梢哉J(rèn)為，德惠斷陷沙河子組泥巖與火石嶺組泥巖的輕烴指標(biāo)整體上沒(méi)有明顯的差異。

圖5 泥巖歐氏距離法聚類(lèi)結(jié)果

圖6 泥巖變量余弦法聚類(lèi)結(jié)果

圖7 泥巖歐式距離平方法聚類(lèi)結(jié)果

圖8 泥巖Chebychev距離法聚類(lèi)結(jié)果

德惠斷陷沙河子組泥巖輕烴指標(biāo)整體相似，不能準(zhǔn)確區(qū)分。秩和檢驗(yàn)方法是一種重要的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法，可以用來(lái)研究總體之間的顯著差異，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中有一定的實(shí)用價(jià)值［12］。在此用秩和檢驗(yàn)法分析德惠斷陷泥巖的11個(gè)輕烴指標(biāo):

首先，將總體樣本X、Y中，數(shù)據(jù)n1和n2的樣本混合起來(lái)，按照數(shù)值從小到大統(tǒng)一編號(hào)，每項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的敘述稱為秩;

其次，計(jì)算X樣本所對(duì)應(yīng)的秩之和，用T表示;

最后，根據(jù)n1、n2與顯著性水平α值(對(duì)比值為0.05)，在秩和檢驗(yàn)臨界值表中查出秩和檢驗(yàn)臨界值的下限T1、上限T2，若T≤T1或T≥T2，則伴隨概率小于0.05，說(shuō)明個(gè)體可以區(qū)分開(kāi)來(lái)。

表2所示為輕烴單個(gè)參數(shù)檢驗(yàn)區(qū)分效果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析顯示只有指標(biāo)3存在明顯差異，指標(biāo)2和指標(biāo)10有一定差異。利用區(qū)分度大的指標(biāo)分別制作氣源對(duì)比交會(huì)圖(圖9和圖10)，圖中均顯示出火石嶺組天然氣與沙河子組和火石嶺組泥巖的親緣性，這說(shuō)明火石嶺組天然氣來(lái)源于沙河子組與火石嶺組源巖。

表2 輕烴單個(gè)參數(shù)檢驗(yàn)區(qū)分效果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 德惠斷陷泥巖和天然氣輕烴指標(biāo)3與指標(biāo)2交會(huì)圖

圖10 德惠斷陷泥巖和天然氣輕烴指標(biāo)3與指標(biāo)10交會(huì)圖

2.3 輕烴參數(shù)K1

根據(jù)Mango的輕烴穩(wěn)態(tài)催化動(dòng)力學(xué)成因理論，在同一類(lèi)油(氣)中輕烴參數(shù)K1為不變的常數(shù)值，而在不同類(lèi)型油(氣)中K1值有一定差異，且 K1值只與天然氣的母質(zhì)類(lèi)型有關(guān)，與成熟度無(wú)關(guān)［13-14］。計(jì)算得到以下指標(biāo):德惠斷陷營(yíng)城組泥巖2個(gè)K1值，平均值為1.20;沙河子組泥巖5個(gè)K1值，分布范圍為1.05 ～1.09，均值為1.08;火石嶺組泥巖8 個(gè)K1值，分布范圍為 0.92 ～1.22，均值為 1.09，天然氣共2個(gè)K1值，K1均值為1.14。這表明德惠斷陷沙河子組泥巖與火石嶺組K1值相近，泥巖類(lèi)型較相似。2個(gè)天然氣K1值差距較小，表明研究區(qū)氣源有較大的相似性，進(jìn)一步證實(shí)了天然氣來(lái)源于沙河子與火石嶺組源巖的設(shè)想。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)碳同位素與輕烴指標(biāo)，判定德惠斷陷火石嶺組天然氣為油型氣和煤型氣混合氣。火石嶺組和沙河子組泥巖的輕烴指標(biāo)并無(wú)區(qū)別，因此用簡(jiǎn)單的折線圖無(wú)法判別火石嶺組天然氣的來(lái)源。聚類(lèi)分析與秩和檢驗(yàn)證明火石嶺組和沙河子組泥巖輕烴指紋參數(shù)確實(shí)沒(méi)有差別?；鹗瘞X組和沙河子組泥巖輕烴計(jì)算的K1值十分接近，進(jìn)一步證實(shí)了火石嶺組泥巖與沙河子組泥巖生氣母質(zhì)十分接近。德惠斷陷輕烴指標(biāo)交會(huì)圖表明火石嶺組天然氣與沙河子組泥巖和火石嶺組泥巖都有親緣性，火石嶺組天然氣K1值與火石嶺組泥巖、沙河子組泥巖K1值都具有相似性。由此推斷德惠斷陷火石嶺組天然氣來(lái)源于火石嶺組和沙河子組泥巖。

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