孫 濤 ，楊永才，王建新

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

近幾年，我國在經(jīng)濟高速增長和環(huán)保日益嚴苛的雙重刺激下，天然氣作為清潔能源，其需求持續(xù)增加[1]。從2012年開始，東非海岸坦桑尼亞盆地、魯武馬盆地深水區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的天然氣田，累計可采儲量高達38 000×108m3，探井成功率超過80%[2]。2013年中石油參股東非大氣田，打開了進軍東非國家油氣資源的大門。然而，該區(qū)域的油氣地質(zhì)研究程度相對較低，僅僅開展了有限的研究。如張光亞等（2015、2018）從構造-沉積方面開展了天然氣儲層的研究[2-3]；孫玉梅等（2016）對坦桑尼亞盆地的烴源巖進行了論述[4]。而對于天然氣的地球化學特征及成因（油型氣還是煤成氣？）尚未開展系統(tǒng)研究。因此，這里重點分析坦桑尼亞盆地深水區(qū)天然氣組分、天然氣碳同位素特征，探討天然氣的氣源成熟度，判識天然氣的地球化學成因類型，研究成果以期對我國石油公司戰(zhàn)略選區(qū)提供技術支持等。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

坦桑尼亞盆地位于東非海域，為被動大陸邊緣型疊合盆地[5-7]，面積達18.8×104km2（其中陸上 5.7×104km2，海上 13.1×104km2），是世界上最大的沉積盆地之一，包括6個次級構造單元，分別為Ruvu次盆、Pemba-Zanzibar次盆、Dar es Salaam臺地、Ruf i ji次盆、Mandawa次盆和Maf i a深水次盆（圖1）。

圖1 坦桑尼亞盆地地質(zhì)圖（據(jù)IHS[8]修改）

根據(jù)前人對東非海域晚石炭世以來主要構造事件與構造形成演化過程的分析[9-12]，東非海域的構造演化可劃分為3個階段（圖2），分別為：（1）卡魯裂谷期（陸內(nèi)裂谷階段） （C3-J1），以河流相、湖相和三角洲沉積為主，這一時期的陸相地層統(tǒng)稱為Karoo群；（2）馬達加斯加裂谷期（J2-K1），馬達加斯加與非洲大陸的分離始于早侏羅世，東岡瓦納板塊向南漂移，馬達加斯加的西海岸和非洲的東海岸開始進入被動大陸邊緣演化階段，以陸相和淺海相沉積為主，發(fā)育黑色頁巖，為該區(qū)域的主力烴源巖；（3）被動大陸邊緣階段（K2-N），三角洲、海底扇、斜坡扇和下切谷重力流砂體為天然氣主力儲層，泥頁巖為良好的區(qū)域性蓋層。

圖2 坦桑尼亞盆地構造沉積演化（據(jù)IHS [8]修改）

2 樣品與資料情況

本次研究共收集3口井7個天然氣氣樣（表1），鉆井位置均位于深水區(qū)（位置見圖1）。天然氣樣為MDT（模塊式地層動態(tài)測試）取樣，利用電阻率測量和實時光譜分析方法識別流體，可以有選擇地取樣，以獲取高質(zhì)量的剔除泥漿濾液影響的真實地層流體樣品，具有可靠性高的特點。因此本次研究的樣品數(shù)據(jù)真實可靠，資料的來源為IHS數(shù)據(jù)庫和購買的外方資料。

表1 坦桑尼亞盆地深水區(qū)天然氣組分和同位素組成

3 結(jié)果與討論

3.1 天然氣組分特征

天然氣組分主要為烴類氣體，烴類氣體中甲烷占絕對優(yōu)勢，重烴含量極低。Cz-1井3個氣樣甲烷的含量在98.4% ～ 98.6%之間，Pz-1井2個氣樣的甲烷含量均為97.9%，Cw-1井2個氣樣的甲烷含量分別為97.4%和98.2%（表1）。烴類氣體中甲烷的相對含量均大于95 %，明顯表現(xiàn)為干氣的特征。

3.2 天然氣碳同位素組成

Cz-1井3個氣樣δ13C1分別在-45.4‰ ～ -38.0‰之間，δ13C2分別在-30.0‰ ～ -27.8‰之間，δ13C3分別在-24.2‰ ～ -20.4‰之間，δ13nC4分別在-22.8‰ ～ -22.6‰之間（表1）；Pz-1井2個氣樣δ13C1分別為-39.4‰和-35.5‰，δ13C2分別為-31.7‰和-28.6‰，δ13C3分別為-25.9‰和-24.5‰，δ13nC4分別為-24.3‰和-24.2‰（表1）；Cw-1井2個氣樣δ13C1分別為-40.2‰和-35.0‰，δ13C2分別為-30.8‰和-28.7‰，δ13C3分別為-24.8‰和-23.3‰，δ13nC4分別為-23.1‰和-22.9‰（表1）。

3.3 天然氣成因類型與成熟度

甲烷及其同系物的碳同位素對天然氣成因類型、成熟度、氣-氣對比和氣-源對比提供了關鍵的科學依據(jù)[13]。根據(jù)成氣的物質(zhì)來源分為：有機成因氣和無機成因氣。本次研究的氣樣為有機成因氣，有機成因氣基于有機母質(zhì)來源不同，再劃分為煤型氣和油型氣兩大亞類。在此基礎上，依據(jù)外生營力劃分為：細菌氣、熱解氣和高溫裂解氣，這一成因分類的原則為“多源復合、主源定型和多階連續(xù)、主階定名”[14]。這里的成因類型分類也采用這一分類方案。

相同演化階段的煤型氣相比與油型氣，其甲烷系列同系物明顯富集13C，重烴氣的碳同位素組成受母質(zhì)來源控制明顯，因此，δ13C2和δ13C3是區(qū)別油型氣和煤型氣的重要標志。一般情況下，煤型氣其δ13C2＞-25.1‰和δ13C3＞-23.2‰，油型氣其δ13C2＜-28.8‰和δ13C3＜-25.5‰[15]；張士亞等（1988）[16]提出δ13C2為-29‰作為煤型氣和油型氣的分界標志，也有學者提出以δ13C2= -28‰為分界點[17]。本文3口井7個氣樣中的6個其δ13C2＜-28‰（介于-31.7‰ ～ -28.6‰），另外一個氣樣（Cz-1井2 576.5 m）的δ13C2為-27.8‰；7個氣樣中的6個其 δ13C3＜ -23.2‰（介于 -25.9‰ ～ -23.3‰），另外一個氣樣（Cz-1井2 339.5 m）的δ13C3為-20.4‰?；诖耍敬窝芯康奶烊粴獯_定為油型氣大類。另外，依據(jù)天然氣甲烷和乙烷的圖版（圖 3），天然氣為腐泥型氣體，即油型氣。

圖3 天然氣的甲烷和乙烷同位素（據(jù)schoell，1984）

在確定了天然氣母質(zhì)類型（油型氣）的情況下，根據(jù)甲烷的碳同位素組成了解其母質(zhì)的熱演化階段，反之也可以根據(jù)母質(zhì)的熱演化階段，即δ13C1-Ro的數(shù)學模式來了解甲烷的碳同位素組成。天然氣中烴類氣的碳同位素組成主要受控于母質(zhì)的同位素組成以及在其基礎上由于生物、化學、物理作用所導致的同位素分餾效應[18]。Stahl（1975）[19]根據(jù)西北歐和北美天然氣的甲烷碳同位素組成和對應氣源巖的有機質(zhì)類型和熱演化程度后，開創(chuàng)性地建立了母質(zhì)類型（油型、煤型）及其演化程度（Ro）與天然氣甲烷碳同位素（δ13C1）之間的對應關系式，其中油型氣的公式為：

δ13C1（‰）=14.8 log （Ro）-41.0 （1）

式（1）中：δ13C1為甲烷的碳同位素，‰；Ro為氣源巖的熱演化程度，%。

此后，中國學者在這個領域也開展了大量的研究[20-21]，提出了適合中國地質(zhì)實際的δ13C1-Ro關系式?；诖斯?，計算出了天然氣的氣源成熟度（表2）。Cz-1井氣樣的成熟度Ro介于0.5% ～ 1.6%；Pz-1井氣樣的成熟度Ro介于1.3% ～ 2.4%，達到了高成熟-過成熟階段；同樣，Cw-1兩個氣樣也處于高成熟-過成熟階段，Ro介于1.2% ～ 2.6%。

表2 天然氣的氣源巖成熟度估算

甲烷的碳、氫同位素也能反映出氣體的成熟度，根據(jù)圖版（圖4），天然氣的成熟度較高，甚至達到3.0%，表現(xiàn)出過成熟的特征。

3.4 天然氣氣源分析

坦桑尼亞盆地發(fā)育4套潛在烴源巖[4]。

（1）二疊紀湖沼相煤系烴源巖，露頭樣品顯示總有機碳含量（TOC）在17.9% ～ 53.0%之間，氫指數(shù)（HI）在258 ～ 483 mg/g之間，主要為氣源巖。

圖4 甲烷的碳、氫同位素特征 （圖版據(jù)Schoell， 1984）

（2）中-下侏羅統(tǒng)局限海相腐泥型烴源巖，Mandawa次盆的Mbuo-1井揭示了300 m厚的烴源巖，TOC介于2.2% ～ 9%之間，HI在272 ～ 1 000 mg/g 之間 ；Mandawa-7 井揭示兩個深度段的烴源巖，其中一個深度段為1 715 ～ 1 718 m，TOC為2.68%，氫指數(shù)HI為391 mg/g，Ro為0.67%，另一個為 3 219 ～ 3 231 m，TOC 為 4.99%，HI為215 mg/g，Ro為1.01%，干酪根顯微組分顯示1 715 ～ 1 718 m樣品有機質(zhì)主要為無定型，Pr / Ph＜0.8，暗示缺氧還原的沉積環(huán)境。

（3）多口鉆井揭示白堊系烴源巖，整體上表現(xiàn)為有機質(zhì)豐度偏低，為潛在的氣源巖。

（4）古近紀烴源巖整體上以有機質(zhì)豐度低、熱演化程度低、傾氣性為特征。

綜上所述的4套烴源巖質(zhì)量分析，只有中-下侏羅統(tǒng)烴源巖為腐泥型烴源巖，具備生成大量油型氣的物質(zhì)基礎。通過對深水區(qū)中-下侏羅統(tǒng)烴源巖的熱模擬，中-下侏羅統(tǒng)烴源巖為過成熟階段，部分區(qū)域為高成熟-成熟階段，與天然氣的成熟度相匹配。因此，認為天然氣的氣源為中-下侏羅統(tǒng)烴源巖。

4 結(jié)論

（1） 坦桑尼亞盆地經(jīng)歷了三期構造演化，其中馬達加斯加裂谷期形成了下侏羅統(tǒng)-中侏羅統(tǒng)局限海相腐泥型烴源巖，具備生成大量油型氣的物質(zhì)基礎。

（2）天然氣烴類氣體中甲烷占絕對優(yōu)勢，甲烷含量介于79.4% ～ 98.6%之間，為典型的干氣。

（3）根據(jù)天然氣同位素數(shù)據(jù)，天然氣成因類型為油型氣；根據(jù)甲烷的碳氫同位素，認為天然氣的氣源巖處于高-過成熟演化階段；因此，天然氣的成因類型為高-過成熟油型氣。

（4） 深水區(qū)中-下侏羅統(tǒng)烴源巖處于成熟-過成熟階段，與天然氣的成熟度相匹配，因此，認為深水區(qū)天然氣來自中-下侏羅統(tǒng)烴源巖。