王海真 倪幫梁 孫 寬

保利協(xié)鑫天然氣集團控股有限公司

0 引言

非洲油氣資源十分豐富，目前探明的油氣主要分布在非洲西部和北部地區(qū)[1]。近幾年隨著坦桑尼亞、莫桑比克等地區(qū)的勘探突破，東非正逐漸成為國際油氣勘探的熱點地區(qū)[2-3]。歐加登盆地位于埃塞俄比亞東南部，與索馬里和肯尼亞接壤，面積約35×104km2，是埃塞俄比亞最大的沉積盆地，沉積蓋層厚度超過5 000 m。歐加登盆地的油氣勘探始于20世紀40年代，盆地內已有鉆井65口，鉆探證實該盆地發(fā)育多種類型的含油氣構造，鉆井油氣顯示十分活躍，盆地邊緣有油苗出露，在中部坳陷帶發(fā)現(xiàn)了C、H和D三個氣田，展示了盆地良好的勘探潛力[4]。該盆地的天然氣成因及來源一直缺乏系統(tǒng)研究和認識，對油氣的運聚規(guī)律認識不清。筆者首次應用碳同位素開展歐加登盆地天然氣的地球化學綜合分析研究，對預測有利勘探區(qū)帶和資源潛力評價都有重要的指導意義。

1 區(qū)域地質概況

歐加登盆地為早期裂谷盆地與晚期被動大陸邊緣疊合盆地[5-6]，包括6個一級構造單元，分別為中央凹陷、北部斜坡、北部隆起、南部斜坡、西部斜坡、西部隆起（圖1）。

圖1 歐加登盆地位置圖

歐加登盆地經歷了三期的構造演化[7]（圖2）分別為：①卡魯裂谷期，晚石炭世開始，受板塊俯沖和岡瓦納大陸南部卡魯?shù)蒯嶂臒崤蛎涀饔糜绊?，非洲東海岸地區(qū)發(fā)育近南北向展布的卡魯陸內裂谷系。以沖積相、湖相、河流—三角洲相沉積為主，這一時期的陸相地層沉積統(tǒng)稱為卡魯群；②中生代裂谷期，侏羅紀—早白堊世，東岡瓦納大陸出現(xiàn)分裂，印度、非洲、澳大利亞—南極洲之間分離，受海底擴張作用發(fā)生大規(guī)模的海侵作用，盆地進入熱沉降期，發(fā)育海陸過渡相、碳酸鹽巖臺地、開闊海、薩布哈等沉積體系；③被動大陸邊緣階段，早白堊世晚期，Marion地幔柱活動，印度與馬達加斯加、南極洲分離，向北東方向漂移，海底繼續(xù)擴張。受Owen左行轉換斷層影響，伴隨剪切擠壓作用，盆地東北部擠壓反轉，遭受抬升剝蝕，進入了被動大陸邊緣發(fā)育期。

圖2 歐加登盆地綜合柱狀圖[8]

2 樣品與分析方法

本次研究從歐加登盆地3個氣田共收集7個天然氣樣品，5個凝析油樣品，涉及4個產層（表1）。天然氣樣品使用雙閥高壓真空氣樣泵存儲，每井層同時取3支樣品備份，以確保流體無污染、無泄漏。以上樣品均送至埃及開羅的實驗室（COREX GROUP LABS），完成了質量檢測、組分分析、同位素分析等實驗內容。其中，天然氣組分和凝析油組分分析使用Agilent 6890 氣相色譜儀，碳同位素分析使用Finnigan Delta Plus XL質譜儀，氫同位素分析使用Finnigan Delta S質譜儀。

表1 歐加登盆地天然氣與凝析油樣品表

3 天然氣成因分析

3.1 天然氣組分特征

天然氣組分數(shù)據(jù)顯示（表2），7個樣品以烴類氣體為主，烴類氣體含量介于91.13%～96.68%，平均94.07%，烴類氣體中甲烷占絕對優(yōu)勢，甲烷含量在80.8%～91%之間，平均為87.7%，表現(xiàn)為典型有機成因天然氣的組分特征[9-10]。7個氣樣的干燥系數(shù)（C1/ (C1-C5) ）介于88.8%～95.8%，平均值為93.2%，以濕氣為主，僅H-6井Calub組的氣樣的干燥系數(shù)為95.8%，大于95%，屬于干氣。

表2 歐加登盆地天然氣組分表

天然氣中非烴氣體以N2氣為主，其百分含量在3.4%～8.8%之間，其次含有少量CO2，含量為0.004%～0.89%，另含微量的He、Ar和O2，不含H2S（表2）。

3.2 天然氣成因類型分析

天然氣的組分含量、碳同位素組成、氫同位素組成等是用來判別天然氣成因的有效手段。有機成因天然氣可根據(jù)熱演化程度Ro和母質類型進一步劃分成因類型[11]。根據(jù)熱演化程度有機氣可進一步劃分為生物成因氣（未成熟階段，Ro<0.7%）、熱解成因氣（成熟—高成熟階段，0.7%2.0%）。通常生物成因氣的δ13C1＜-50‰，熱解成因氣的甲烷碳同位素介于 -50‰ ～ -30‰，裂解干氣的δ13C1>-35‰[12-13]。根據(jù)生成天然氣的母質類型，可將天然氣進一步劃分為油型氣和煤型氣兩個大類[14]。國內學者一般將 -55‰ ＜δ13C1＜ -30‰、δ13C2＜ -28‰、δ13C3＜-25.5‰作為劃分油型氣的依據(jù)。

7個氣樣甲烷碳同位素組成處于-41.9‰～-36.9‰之間（表3），乙烷碳同位素組成分布范圍在-34.1‰～-29.4‰之間，丙烷碳同位素組成為-31.6‰～-26‰。7個氣樣的碳同位素組成序列呈現(xiàn)δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的“正碳序列”[15-17]（表3，圖3），是有機成因氣的典型特征。按照天然氣母質類型的劃分標準，歐加登盆地的天然氣是典型的油型氣（圖4），指示其母質類型為腐泥型有機質[18-19]。

表3 歐加登盆地天然氣碳氫同位素

圖3 歐加登盆地天然氣碳同位素組成序列圖

圖4 有機成因氣 δ13C1-δ13C2-δ13C3鑒別圖版

有機烷烴氣的氫同位素組成范圍較廣[20]，Schoell提出有機成因天然氣中，碳、氫同位素組成隨烴源巖熱演化程度的增加而變重，濕氣或原油伴生氣的甲烷氫同位素組成在-260‰～150‰之間，并隨著氣體的干燥系數(shù)增加而增大，一般干氣的氫同位素組成在-180‰～-130‰之間[21]。Clayton將甲烷氫同位素值-120‰作為煤型氣的分界，油型氣的甲烷氫同位素組成在-150‰～-140‰之間[22-23]。甲烷氫同位素在-169‰～-120‰之間（表3），平均值為-138‰。

有機成因天然氣中的甲烷碳同位素組成受微生物改造和熱演化階段的多重影響，而乙烷和丙烷碳同位素的組成只與熱演化階段有關[24-25]，因此，可以利用甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素組成建立和烴源巖熱演化程度（Ro）之間的關系[26-29]。有機成因氣甲烷碳、氫同位素δ13C—δD鑒別圖版上（圖5），5個氣樣落入裂解干氣區(qū)，2個氣樣落入原油伴生氣區(qū)，指示有機質的熱演化階段跨度大，從成熟階段到過成熟階段[30-34]。在δ13C3—δ13C2圖版上歐加登盆地天然氣都來自腐泥型有機質—混合型有機質干酪根，均為油型氣，對應的成熟度范圍在0.8%～1.5%之間（圖6）。

圖6 乙烷、丙烷碳同位素成因判識圖版[28]

3.3 輕烴成因分析

Mango[35-37]通過對世界上不同盆地2 000多個輕烴樣品的分析，發(fā)現(xiàn)4個異庚烷的化合物：2-甲基己烷、3-甲基己烷、 2,3 -二甲基戊烷和 2,4 -二甲基戊烷，對于同一母質類型，在生油窗口內的不同成熟期生成的輕烴，其同分異構體產物組成具有一個相對固定的比例值，Mango 將該比值定義為輕微等數(shù)（K1），即K1=（2-甲基己烷+ 2,3 -二甲基戊烷）/（3-甲基己烷 +2,4 -二甲基戊烷）。不同母質類型，其K1值則不同，因腐殖型干酪根與腐泥型干酪根的結構各異，不同母質類型會生成豐度各異的異構烷烴，從而導致異構烷烴比值的差異。因此，K1值可以指示母巖類型。

5個輕烴的K1值范圍為1.08～1.11，平均值為1.10，5個樣品的K1值幾乎一致。圖7上5個輕烴樣品點基本落在一條直線上，指示它們來自同一母質類型。

圖7 歐加登盆地天然氣K1值分布圖

輕烴中C7系列的各種結構的C7支鏈異構體（iC7）、二甲基環(huán)戊烷（ΣDMCP）、甲基環(huán)己烷（MCH）的相對含量可以用來區(qū)分烴源巖母質類型。C7支鏈異構體含量高，指示母源環(huán)境為湖相，nC7和支鏈C7異構體主要來自湖相藻類；二甲基環(huán)戊烷指示母源環(huán)境為海相，有機質具有環(huán)烷烴含量高、芳烴含量低的特點；甲基環(huán)己烷指示母源環(huán)境為陸相，多來自陸生高等植物，甲基環(huán)己烷的含量高常常是煤型氣的重要標志[38-43]。

根據(jù)氣樣輕烴檢測結果（表4）和輕烴分布三角圖版（圖7）分析表明，C7支鏈異構體（iC7）相對含量在 43.27%～72.71%之間，平均值為59.57%；甲基環(huán)己烷指數(shù)（MCH）相對含量分布于21.63%～48.15%之間 ，平均值為33.91%；各種構型的二甲基環(huán)戊烷（ΣDMCP）分布于 3.79%～9.00%之間，平均值為6.52%。分析認為，研究區(qū)天然氣輕烴組成相似，C7系列表現(xiàn)出支鏈異構體優(yōu)勢,且樣品點落在湖相區(qū)間范圍內，表明歐加登盆地的天然氣主要來自湖相沉積。

表4 歐加登盆地凝析油輕烴參數(shù)表

4 天然氣來源分析

歐加登盆地主要發(fā)育三套潛在烴源巖（圖8）。

圖8 天然氣中C7 輕烴系列分布三角圖

1）下三疊統(tǒng)Bokh組烴源巖，以沉積巨厚的半深湖—湖相暗黑色泥頁巖為特征，厚度從幾百米到上千米不等，在盆地內廣泛展布，有機質豐度中等—好，TOC介于0.5%～1.5%，鏡質體反射率Ro介于1.0%～2.5%。由于Bokh組源巖整體成熟度較高，處于成熟—過成熟階段，大量排烴造成熱解氫指數(shù)嚴重偏低，干酪根類型鏡鑒結果為偏腐泥型，為歐加登盆地的主力烴源巖。

2）中侏羅統(tǒng)Hamanlei烴源巖，海相碳酸鹽巖臺地環(huán)境，沉積灰?guī)r、白云巖、硬石膏和泥巖的薄互層，整體上表現(xiàn)為烴源巖零星分布，有機質豐度較低，干酪根類型以偏腐殖型—腐殖型為主，Ro值為0.6%～1.1%，處于熱演化的低成熟—成熟階段，為潛在的烴源巖。

3）上侏羅統(tǒng)Uarandab組烴源巖，開闊海沉積，深灰色泥灰?guī)r或泥巖為主，厚度為100～200 m，總體有機質豐度高，TOC普遍在1.0%以上，最高超過10.0%，干酪根類型以混合型為主，傾油型，熱演化程度低，Ro值介于0.4%～0.7%，處于未成熟—低成熟階段，為潛在的烴源巖。

上述3套烴源巖品質分析，只有下三疊系的Bokh組厚度大、分布廣、有機質指標好、熱演化程度高，具備生成大量油型氣的物質基礎，而且與天然氣的成熟度相匹配。此外，研究區(qū)的天然氣不含硫，基本可以排除中侏羅統(tǒng)Hamanlei碳酸鹽巖烴源巖的影響，上侏羅統(tǒng)的烴源巖成熟度較低，與現(xiàn)有天然氣的成熟度不匹配。因此，綜合分析認為天然氣來自下三疊統(tǒng)Bokh組。

5 結論

1）歐加登盆地天然氣以烴類氣體為主，烴類氣體含量介于91.13%～96.68%，平均94.07%，烴類氣體中甲烷占絕對優(yōu)勢，甲烷含量在80.8%～91%之間，平均為87.7%，主要為濕氣；非烴氣體以N2氣為主，其百分含量在3.4%～8.8%之間，其次含有少量CO2，另含微量的He、Ar和O2，不含H2S；天然氣的組分特征表現(xiàn)為典型的有機成因氣。

2）歐加登盆地天然氣的δ13C1為-41.9‰～-36.9‰之間，δ13C2分布范圍在-34.1‰～-29.4‰之間，δ13C3為-31.6‰～-26‰，總體符合δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正 碳 序 列；δD 在 -169‰ ～ -120‰ 之間，平均值為-138‰。歐加登盆地的天然氣成因類型為腐泥型有機質生成的油型氣，有機質的熱演化階從成熟階段到過成熟階段，對應的成熟度范圍在0.8%～1.5%之間。天然氣的輕烴組成相似，Mango輕烴參數(shù)K1值基本一致，指示來自同一母源類型，C7系列表現(xiàn)出支鏈異構體優(yōu)勢,表明歐加登盆地的天然氣來自湖相沉積。

3）Ogaden盆地主要發(fā)育三套烴源巖，下三疊統(tǒng)的Bokh組湖相沉積的烴源巖分布廣泛、厚度大，有機質豐度中等—好，處于成熟—過成熟演化階段，與天然氣的成熟度相匹配，因此，認為歐加登盆地的烴源巖來自下三疊統(tǒng)Bokh組烴源巖。