何家雄，顏 文，崔 潔，馬文宏，祝有海，龔曉峰，張景茹

（1中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點實驗室；2廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心）

（3中海石油有限公司湛江分公司勘探開發(fā)部；4中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所）

南海北部邊緣盆地氮氣氣源追蹤與判識

何家雄1，顏 文1，崔 潔2，馬文宏3，祝有海4，龔曉峰1，張景茹1

（1中國科學(xué)院邊緣海地質(zhì)重點實驗室；2廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心）

（3中海石油有限公司湛江分公司勘探開發(fā)部；4中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所）

南海北部邊緣盆地油氣勘探中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)較豐富的二氧化碳 (CO2)和氮氣(N2)等非烴氣氣藏，同時亦發(fā)現(xiàn)了一些含N2、富N2的天然氣層。這些CO2和N2非烴氣主要富集于西北部邊緣鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系及第四系淺層中。根據(jù)N2地質(zhì)地球化學(xué)特征，可將本區(qū)N2劃分為大氣成因、殼源型有機(jī)成因和殼源型有機(jī)-無機(jī)混合成因三種主要成因類型。結(jié)合溫壓雙控?zé)崮M巖石產(chǎn)氮氣實驗結(jié)果，以及N2等非烴氣在平面上分區(qū)分塊、剖面上分帶分層的局部性富集特點，追蹤判識并確定N2氣源主要由來自不同成熟演化階段的中新統(tǒng)及上新統(tǒng)海相泥巖氣源巖的N2與多種物理化學(xué)和巖石脫氣作用所形成的無機(jī)N2相互混合而構(gòu)成。

南海北部；新近系；古近系；海相氣源巖；氮氣；氣體成因；成因類型

南海北部邊緣盆地天然氣勘探自20世紀(jì)90年代以來，不僅發(fā)現(xiàn)了較大規(guī)模的烴類氣藏，亦陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些儲量及資源量規(guī)模大的CO2氣藏及高含CO2氣藏，同時還發(fā)現(xiàn)了一些含N2或富N2的天然氣層。這些非烴氣主要分布于盆地西北部邊緣鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系及第四系淺層粉細(xì)砂巖儲層之中。鑒于這些非烴氣在該區(qū)分布的普遍性和特殊性，近20年來國家及中國海洋石油總公司，對這些非烴氣的成因、地質(zhì)地球化學(xué)特征以及運聚成藏規(guī)律等開展了系統(tǒng)研究，取得很多重要的認(rèn)識與研究成果［1-15］，但由于氮同位素分析技術(shù)及研究方法不太成熟和規(guī)范，可借鑒的國內(nèi)外研究成果亦較少，因此對于非烴氣N2成因類型及地質(zhì)地球化學(xué)特征與氣源構(gòu)成等諸方面的研究和認(rèn)識程度仍然較低，迄今尚處在分析探索之中。

氮氣（N2）是天然氣中常見的非烴組分之一，其成因及來源較為復(fù)雜，判識難度亦較大，且N2氣源比CO2等其他非烴氣及烴類氣更為廣泛，這無疑給N2氣源追蹤對比及判識增加了極大的難度。但由于其物理化學(xué)性質(zhì)比其它非烴氣體更接近烴類氣，故其成因及分布規(guī)律常常與烴類氣體存在一定的成因耦合關(guān)系，且其運聚成藏要素及富集規(guī)律亦與烴類氣具有一定的相似性，即必須具備生、運、聚、圈、保等基本地質(zhì)條件。因此，研究N2的成因來源及其分布富集規(guī)律，不僅可以與烴類氣成因及運聚成藏規(guī)律的研究有機(jī)地結(jié)合起來，而且可以通過伴生烴類氣及其它非烴氣(如CO2)的成因分析來綜合判識與確定N2成因及氣源構(gòu)成特點。

南海北部邊緣盆地迄今僅在西北部的鶯歌海盆地新近系及第四系鉆遇富N2天然氣，且獲得了較多氮氣地質(zhì)地球化學(xué)分析資料。鑒于此，筆者在對N2與CO2富集的鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系與第四系淺層N2的成因類型及地質(zhì)地球化學(xué)特征研究［16］和對N2相對成熟度（主要借助伴生烴類氣的成熟度判識）研究的基礎(chǔ)上，以N2可能的氣源巖——新近系不同層位海相泥巖——溫壓雙控?zé)崮M實驗所獲N2產(chǎn)率為主要依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)N2等非烴氣平面上分區(qū)分塊、剖面上分帶分層的局部性富集特點，重點對N2氣源的構(gòu)成特點與氣源追蹤等進(jìn)行綜合剖析與研究。

1 氮氣成因類型

根據(jù)N2的地質(zhì)地球化學(xué)特征和N同位素組成，以及與其伴生的稀有氣體He、Ar同位素特點，采用國內(nèi)外較實用和較通用的成因類型劃分方法［17-19］，可將南海西北部鶯歌海盆地中央泥底辟帶淺層新近系及第四系砂巖氣藏的N2劃分為大氣成因、殼源有機(jī)成因及殼源有機(jī)-無機(jī)混合成因等三種主要類型?；鹕结Ｔ闯梢虻腘2在該區(qū)尚未鉆遇和發(fā)現(xiàn)。關(guān)于氮氣的成因類型，筆者已對此作過判識評價［16］，此處不再贅述。本區(qū)各類成因氮氣的地球化學(xué)特征詳見表1。

2 氮氣成熟度與氣源判識

對于N2相對成熟度的判識，可以借助與它伴生的烴類氣的成熟度之間的相互關(guān)系，以及與它伴生的稀有氣體He同位素值的高低，間接地從中獲得其成熟度相對值的信息。亦即，從N2—3He/4He關(guān)系圖（圖1）和N2—δ13C1關(guān)系圖（圖2）中可以大致判識與確定南海西北部鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系及第四系淺層氣藏含N2或富N2天然氣的成熟度。

由圖1可以看出，富N2天然氣成熟度相對較低，N2大于10%以上的天然氣，其伴生氦值 (3He/4He)偏低，且隨N2含量增加，氦值逐漸遞減；而當(dāng)N2小于10%，則氦值逐漸遞增。已有研究表明，氦值的高低表征了大地?zé)崃髦档拇笮。?0］，因此N2與3He/4He值伴生且呈規(guī)律性變化（富N2天然氣與低氦值伴生；低N2、含N2天然氣與高氦值伴生），表明了與低氦值伴生的富N2天然氣成熟度要比與高氦值伴生的低含N2或含N2天然氣(N2＜10%)的成熟度要低。

由N2—δ13C1關(guān)系圖（圖2），可進(jìn)一步判識與確定富N2天然氣和（低）含N2天然氣的成熟度。在圖2中，富N2天然氣所伴生烴類氣樣品點群，其δ13C1值主要分布于-56.0‰～-32.0‰的區(qū)間，成熟度相當(dāng)于有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為0.47%～1.18%的范圍，即為有機(jī)質(zhì)低成熟—成熟演化階段。而該富N2天然氣中（即殼源型有機(jī)成因)的N2及低含量有機(jī)成因CO2等非烴氣(N2＞15%，CO2＜9%)，則是來自生物低溫化學(xué)作用與低成熟—成熟熱演化階段的產(chǎn)物。（低）含N2天然氣（即殼源型有機(jī)與無機(jī)混合成因N2），成熟度相對較高，且與無機(jī)CO2伴生（圖3)。在N2—δ13C1關(guān)系圖（圖2）上，（低）含N2天然氣及所伴生烴類氣的樣品點群，δ13C1值主要分布于-36.6‰～-26.9‰的區(qū)間，其成熟度相當(dāng)于Ro為1.00%～1.43%的范圍，即為成熟—高熟階段的產(chǎn)物。

基于以上氮氣構(gòu)成與成熟度的特點，筆者認(rèn)為該區(qū)殼源型有機(jī)成因富N2天然氣之氮氣源應(yīng)與低含量有機(jī)成因的CO2及烴類氣同源，且均為上新統(tǒng)—中新統(tǒng)鶯歌海組—黃流組及中新統(tǒng)梅山組—三亞組海相泥巖有機(jī)質(zhì)在低熟—成熟演化階段之產(chǎn)物。而殼源型有機(jī)-無機(jī)混合成因N2（低含N2、含N2天然氣）的氣源則主要由來自該套海相泥巖在成熟—高熟晚期階段所形成的含N2產(chǎn)物與多種物理化學(xué)及巖石脫氣作用所形成的無機(jī)N2相互混合而成。

必須強(qiáng)調(diào)指出的是，巖石脫氣作用及多種物理化學(xué)作用產(chǎn)氮，是形成N2氣源不可忽視的重要因素。大量研究及實驗均表明，無論何種巖石，均含有一定數(shù)量的氮，其中尤以沉積巖、煤及硝鹽中含氮量最高，一般均大于1000×10-6，最高可達(dá)100000×10-6以上［21］，很顯然，這些富含氮的巖石，在一定的物理化學(xué)環(huán)境和熱力作用下，必然會脫放和逸出大量的氮，這些氮在儲、運、圈、保等條件具備時，則可富集形成N2氣藏。另外，含N2非烴氣在長距離運聚過程中，亦可沿運移途徑中適宜的圈閉富集成藏，由此也能指示和追蹤烴類天然氣的運聚方向［22］。

3 巖石熱模擬產(chǎn)氮實驗與氣源判識

為了進(jìn)一步判識與確定N2氣源，筆者采集了南海西北部鶯歌海盆地及鄰區(qū)瓊東南盆地的第三系不同區(qū)帶不同層位泥巖及前第三系基底碳酸鹽巖樣品，開展了溫壓雙控條件下的巖石產(chǎn)氮氣熱模擬實驗，熱模擬溫階從100℃到550℃（相當(dāng)Ro=0.55%～3.33%以上），獲取的N2產(chǎn)率及N2含量變化特征非常明顯。從不同區(qū)帶、不同層位的泥巖和基底碳酸鹽巖平均最大N2產(chǎn)率（550℃溫階）的對比結(jié)果（表2）可明顯看出，鶯歌海盆地泥底辟構(gòu)造帶樂東區(qū)上新統(tǒng)鶯歌海組一段(N2y1)及鶯東斜坡帶的下中新統(tǒng)三亞組(N1s)海相泥巖的平均產(chǎn)N2率最高，分別可達(dá)7.30 m3/t和7.84 m3/t；上新統(tǒng)鶯歌海組二段(N2y2)及中中新統(tǒng)梅山組(N1m)海相泥巖次之，其產(chǎn)N2率亦分別達(dá)4.14 m3/t和5.45 m3/t。而鄰區(qū)瓊東南盆地古近系漸新統(tǒng)崖城組(E3y)煤系泥巖產(chǎn)N2率最低，平均僅0.17 m3/t；瓊東南盆地前古近系基底碳酸鹽巖和鶯歌海盆地鶯東斜坡帶的前古近系基底碳酸鹽巖產(chǎn)N2率一樣，均為3.08 m3/t。

由熱模擬實驗結(jié)果來看，研究區(qū)氮氣的主氣源應(yīng)來自上新統(tǒng)鶯歌海組一段和中新統(tǒng)梅山組、三亞組。

4 氮氣氣源追蹤與綜合判識

綜上所述，不同類型巖石溫壓雙控?zé)崮M產(chǎn)N2實驗結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件與氮氣成因類型及其特點，可以對研究區(qū)不同區(qū)帶及層位不同巖類產(chǎn)N2潛力及N2氣源等進(jìn)行進(jìn)一步的綜合分析與判識（表2）。即：鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系上新統(tǒng)鶯歌海組一段與中新統(tǒng)梅山組、三亞組海相泥巖產(chǎn)N2率高，產(chǎn)N2潛力大，應(yīng)是該區(qū)含N2、富N2天然氣的主氣源。換言之，該區(qū)的N2主要來自受泥底辟熱流體作用和影響強(qiáng)烈的新近系海相泥巖，這與該區(qū)的烴類氣相伴生且同源。鶯歌海盆地邊緣斜坡區(qū)及鄰區(qū)瓊東南盆地前古近系基底碳酸鹽巖產(chǎn)N2潛力較低，可作為N2的次氣源。瓊東南盆地古近系漸新統(tǒng)崖城組煤系泥巖產(chǎn)N2率甚低，產(chǎn)N2潛力非常小，基本不具備產(chǎn)N2的能力，故不能提供N2氣源。

總之，通過研究區(qū)氮氣成因類型及氣源構(gòu)成的地質(zhì)地球化學(xué)分析，結(jié)合不同類型巖石溫壓雙控?zé)崮M產(chǎn)氮氣實驗結(jié)果，綜合判識與確定研究區(qū)的含N2、富(高)N2非烴氣主要屬于殼源有機(jī)成因和殼源有機(jī)-無機(jī)混合成因，少量為大氣成因。而殼源型有機(jī)成因N2氣源與有機(jī)成因CO2及烴類氣同源，均為上新統(tǒng)鶯歌海組一段及中新統(tǒng)梅山組、三亞組海相泥巖有機(jī)質(zhì)在低熟—成熟早期演化階段的產(chǎn)物。殼源型有機(jī)-無機(jī)混合成因N2氣源，則主要由那套海相泥巖地層在成熟—高熟晚期所形成的含N2產(chǎn)物與多種物理化學(xué)及巖石脫氣作用所形成的無機(jī)N2相互混合而成。

表2 溫壓雙控條件下不同類型巖石產(chǎn)氮氣熱模擬實驗結(jié)果與氣源判識及綜合評價

5 結(jié)論與認(rèn)識

（1）南海北部邊緣盆地含氮和富氮天然氣(N2＞10%)，主要富集于西北部的鶯歌海盆地中央泥底辟帶新近系及第四系淺層粉細(xì)砂巖儲層中。根據(jù)氮氣地質(zhì)地球化學(xué)特點及伴生烴類氣和稀有氣體氦、氬的同位素特征，其成因類型可以綜合判識劃分為殼源有機(jī)成因和殼源有機(jī)-無機(jī)混合成因兩種類型，少量為大氣成因類型。殼源型有機(jī)成因N2與低含量有機(jī)成因CO2及烴類氣同源。殼源型有機(jī)-無機(jī)混合成因N2可能與高含量無機(jī)CO2同源伴生。

（2）根據(jù)南海北部邊緣盆地含N2和富N2天然氣地質(zhì)地球化學(xué)特征，以及平面上分區(qū)分塊、剖面上分帶分層的局部性分布富集特點，結(jié)合溫壓雙控?zé)崮M巖石產(chǎn)氮氣實驗結(jié)果綜合判識，可確定研究區(qū)的殼源型有機(jī)成因富(高)N2天然氣，主要為上新統(tǒng)鶯歌海組一段及中新統(tǒng)梅山組、三亞組海相泥巖有機(jī)質(zhì)在熱演化成熟階段的產(chǎn)物，而殼源型有機(jī)-無機(jī)混合成因的低N2、含N2非烴氣則主要由多種物理化學(xué)及巖石脫氣作用形成的無機(jī)N2與有機(jī)質(zhì)成熟演化伴生的有機(jī)N2相互混合而構(gòu)成。

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Nitrogen Gas Source Tracking and Distinguishing in Margin Basins,Northern South China Sea

He Jiaxiong,Yanwen,Cui Jie,Ma Wenhong,Zhu Youhai,Gong Xiaofeng,Zhang Jingru

Abundant CO2and N2gas reservoirs and other N2-bearing gas reservoirs are discovered in the Neogene and Quarternary shallow beds of Central Mud diapir Zone in Yinggehai Basin,South China Sea during recent 20 years′oil and gas exploration.According to geological and geochemical characteristics of N2,the N2gas in this area can be divided into three types in genesis,i.e.the atmosphere genesis,the crust organic genesis and the crust-derived organic-inorganic-mixed genesis.Combined with results from the nitrogen-producing experiments under T-and P-controlled thermal simulation and the characteristics of partial enrichment in plane and layering and zoning enrichment in vertical,it is determined the N2gas is tracked to the mixture of the N2that mainly yielded from Pliocene and Miocene marine gas source mudstone during different stages of maturation with the N2that formed from physical and chemical actions and rock degassing.

Paleogene;Neogene;Gas source rock;Nitrogen gas;Gas genesis;Genesis classification;South China Sea

TE112.111

A

2011-03-27；改回日期：2012-05-11

本文受國家自然科學(xué)基金項目（編號：41176052）和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（編號：2009CB219501）聯(lián)合資助

何家雄：1956年生,博士，研究員。長期從事海洋油氣勘探與地質(zhì)綜合研究，先后主持和完成多項中海油、中石油科技攻關(guān)項目和國家“八五”、“九五”科技攻關(guān)課題以及國家863海洋高新技術(shù)課題、973重大基礎(chǔ)研究課題等；發(fā)表論文130多篇，出版專著2部。通訊地址：510640廣州市天河區(qū)科華街511號；電話：（020）85292710

10.3969/j.issn.1672-9854.2012.03.010

1672-9854(2012)-03-0067-05

趙國憲

He Jiaxiong：male,Ph.D.,Professor.Add:Key Laboratory of Marginal Sea Geology,CAS,511 Kehua Str.,Guangzhou,Guangdong,510640,China