熊小峰，徐新德，郭瀟瀟，李 里，侯靜嫻

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

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鶯歌海盆地天然氣乙烷碳同位素異常成因分析

熊小峰，徐新德，郭瀟瀟，李 里，侯靜嫻

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

鶯歌海盆地L15-1氣田天然氣具有獨特性，其天然氣乙烷碳同位素值高于盆地內(nèi)其他氣田。在系統(tǒng)分析天然氣組分及同位素組成特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合烴源巖特征及底辟活動特征，綜合分析了乙烷碳同位素異常的天然氣成因與成藏過程。研究表明：L15-1氣田天然氣來自梅山組成熟度較高的煤型氣，富含CO2，未遭受明顯的生物降解。造成L15-1氣田天然氣乙烷碳同位素值偏高的根本原因是海侵背景下梅山組烴源巖的干酪根碳同位素值偏高，同時，烴源巖較高的成熟度起到一定的促進作用。L15-1氣田天然氣主要在烴源巖高成熟階段生成，經(jīng)底辟活動形成的斷裂運移至淺層鶯歌海組和樂東組充注成藏；而源巖早期生成的富烴氣保存于中深層黃流組和梅山組。該研究有利于弄清該區(qū)天然氣的分布規(guī)律，進一步指導該區(qū)天然氣的勘探。

乙烷；碳同位素；天然氣；成藏過程；L15-1氣田；鶯歌海盆地

1 區(qū)域概況

鶯歌?！倴|南盆地(簡稱鶯—瓊盆地)是南海北部大陸架西區(qū)的新生代裂谷盆地，其中，鶯歌海盆地總面積約為11.3×104km2[1]，呈NNW走向，為典型的走滑拉分盆地[2]。盆地內(nèi)存在3套烴源巖(始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)和中新統(tǒng))，其中，主力烴源巖為中新統(tǒng)梅山組、三亞組淺海泥巖[3]。目前，發(fā)現(xiàn)的天然氣主要分布于淺層的第四系樂東組、上上新統(tǒng)鶯歌海組、中深層的中新統(tǒng)黃流組及梅山組。底辟活動是鶯歌海盆地重要的地質(zhì)現(xiàn)象[2]，L15-1底辟構(gòu)造(下文簡稱L15-1構(gòu)造)位于鶯歌海盆地中央坳陷帶樂東區(qū)，呈簡單的穹隆狀，斷裂較發(fā)育(圖1)。目前，在該構(gòu)造已發(fā)現(xiàn)了L15-1氣田，產(chǎn)氣層位于淺層的鶯歌海組和樂東組。

L15-1氣田天然氣乙烷碳同位素值(δ13C2)高于鶯歌海盆地其他構(gòu)造(δ13C2為-27.00‰ ～ -23.00‰)[4-6]。前人研究認為，微生物降解作用可能是導致L15-1氣田天然氣δ13C2值異常(δ13C2高于-22.00‰)的原因[7]，但多種證據(jù)表明，微生物降解并不是造成L15-1氣田天然氣乙烷碳同位素異常的主要因素。原因如下：①重烴碳同位素值整體偏高且差值均較??；②烴類組分表現(xiàn)出隨碳數(shù)增加烴含量降低的趨勢；③與天然氣伴生的凝析油中并未發(fā)現(xiàn)明顯的生物降解作用的跡象。因此，導致L15-1氣田天然氣δ13C2值異常因素有待研究。鶯歌海盆地的主力烴源巖為中新統(tǒng)梅山組和三亞組，該乙烷碳同位素偏高的天然氣來自哪套烴源巖尚不明確。在綜合分析天然氣地球化學特征、烴源巖特征及底辟活動特征等基礎(chǔ)上，探討了L15-1氣田乙烷碳同位素值異常天然氣的成因、來源與成藏過程，以期為該地區(qū)天然氣勘探提供指導。

圖1 鶯歌海盆地構(gòu)造區(qū)劃及過L15-1構(gòu)造地震剖面

2 樣品采集與實驗分析

采用鉆桿測試(DST)和測壓取樣(MDT)獲取天然氣樣品，分別測定其天然氣組分、碳同位素和稀有氣體同位素。天然氣組分采用Agilent 6890N氣相色譜儀測定，采用外標法定量。天然氣碳同位素是通過Agilent Technologies 6890N型GC儀進行單個化合物的分離，由GV Instruments Isoprime質(zhì)譜儀測定，以VPDB為標準。天然氣樣品中的氦同位素比值(3He/4He)使用VG-5400靜態(tài)真空質(zhì)譜計進行測定，以蘭州空氣(3He/4He比值為1.4×10-6)作為氦同位素測量的工作標準，同一樣品均進行多次測量。

3 天然氣地球化學特征與成因

3.1 天然氣地球化學特征

L15-1氣田天然氣中烴類氣含量變化較大(5.77%～68.55%)，以甲烷氣為主，重烴氣(C2+)含量低，干燥系數(shù)較高，主要為干氣，與鶯歌海盆地其他氣田天然氣中烴類氣的特征基本一致[4]。該氣田天然氣中非烴氣主要為CO2和N2，其中，CO2含量整體較高(平均值為63.60%)，含量最高可達93.44%；N2含量相對較低，含量均低于15.00%，最低僅為0.80%。

除L15-1氣田外，鶯歌海盆地淺層氣田烴類氣甲烷碳同位素值(δ13C1)分布范圍較寬(-65.00‰～-27.00‰)，除少部分生物成因氣外，大多數(shù)天然氣δ13C1為-40.00‰～-27.00‰；δ13C2為-29.00‰～-19.80‰[4-5](主要為-27.00‰～-23.00‰)。L15-1構(gòu)造烴類氣δ13C1變化范圍窄，變化幅度小于5.00‰，為-37.30‰～-32.30‰，反映天然氣可能具有相近的成熟度；δ13C2明顯偏高，為-23.50‰～-17.90‰(平均值為-20.10‰)；重烴碳同位素差值較小(小于2.10‰)；該氣田天然氣中烷烴氣碳同位素系列以倒轉(zhuǎn)為主，主要表現(xiàn)為C3、C4或C4的倒轉(zhuǎn)，表明存在天然氣混合。

相對于鶯歌海盆地其他氣田而言，L15-1氣田的非烴氣中CO2碳同位素值的分布范圍較窄，為-8.20‰～-4.20‰。天然氣中氦同位素的比值為2.48×10-7～5.65×10-7，明顯小于空氣中氦同位素比的標準值(1.40×10-6)。

由此可知，與鶯歌海盆地內(nèi)其他氣田的天然氣相比，L15-1氣田天然氣具有其獨特性，表現(xiàn)出乙烷碳同位素值異常偏高、CO2含量高的特點。

3.2 天然氣成因

天然氣中烴類氣組分和碳同位素組成與氣源巖的母質(zhì)類型密切相關(guān)。L15-1氣田天然氣干燥系數(shù)較高，δ13C1為-37.28‰～-32.28‰，天然氣的δ13C2明顯偏高，均大于-28.00‰，表現(xiàn)出煤型氣特征；天然氣輕烴C5—C7中正構(gòu)烷烴含量低于30.00%，而異構(gòu)烷烴含量明顯偏高(大于45.00%)。可見，該構(gòu)造天然氣主要為煤型氣。L15-1氣田天然氣中CO2含量普遍較高，碳同位素值與盆地鈣質(zhì)泥巖熱解產(chǎn)生的CO2的碳同位素值(-8.00‰～-4.00‰)一致，而低于基底白云巖熱解產(chǎn)生的CO2的碳同位素值(-4.00‰～0)[8]，表明天然氣中CO2可能主要為鈣質(zhì)泥巖熱解生成。

4 L15-1氣田天然氣來源與乙烷碳同位素異常成因

4.1 天然氣來源

從鶯—瓊盆地的烴源巖干酪根碳同位素分布來看，梅山組烴源巖干酪根δ13C(-24.30‰～-21.80‰)明顯偏高，與L15-1氣田天然氣中重烴碳同位素分布基本一致，推測烴類氣的來源與梅山組烴源巖有關(guān)。

L15-1氣田天然氣分布于晚上新世鶯歌海組一段和第四紀樂東組三段，因此，天然氣成藏時間應(yīng)該晚于1.8 Ma。盆地數(shù)值模擬表明，該區(qū)1.8 Ma時，梅山組烴源巖Ro為1.0%～2.0%，處于成熟—高成熟階段，三亞組烴源巖Ro為2.0%～2.6%，處于過成熟階段。L15-1氣田天然氣成熟度與該區(qū)梅山組泥巖成熟度基本一致，表明該氣田的天然氣主要來自梅山組烴源巖。此外，根據(jù)梅山組一段烴源巖生成的天然氣甲烷碳同位素動力學模型進行計算可知，1.8 Ma后生成的δ13C1約為-33.90‰[8]，與該氣田天然氣甲烷碳同位素范圍(-37.30‰～-32.30‰，平均值為-34.80‰)基本一致，進一步證實梅山組為主要烴源巖層。

4.2 乙烷碳同位素異常的成因

一般認為乙烷碳同位素值(δ13C2)主要受母源有機質(zhì)類型的影響，腐泥型與腐殖型的母質(zhì)生成的天然氣δ13C2值差異明顯[9-12]；但是也會受熱演化程度、成藏過程及后生改造作用(生物降解、氧化作用)等方面的影響[13-16]。

4.2.1 母質(zhì)類型影響

烴源巖的生烴母質(zhì)類型對生成天然氣的碳同位素組成有重要控制作用。鶯歌海盆地梅山組烴源巖有機質(zhì)類型為Ⅱ2—Ⅲ型，但不同沉積相帶中生源構(gòu)造存在差別，凹陷內(nèi)部淺海相泥巖中腐泥組含量(11%～52%)要高于凹陷邊緣濱海相泥巖。L15-1構(gòu)造位于凹陷內(nèi)部，該區(qū)梅山組泥巖中生烴母質(zhì)的生物來源主要來自水生生物的貢獻。海生植物利用水體中的碳酸鹽而陸生植物利用大氣中的CO2，由于二者光合作用利用碳源的差異，導致海相有機質(zhì)碳同位素值要大于陸源有機質(zhì)碳同位素值[17]。因此，烴源巖中具有較高海洋水生生物貢獻導致該區(qū)梅山組烴源巖干酪根碳同位素值偏高，進而造成天然氣乙烷碳同位素值偏高。

從鶯—瓊盆地海平面和干酪根碳同位素值隨年代變化趨勢來看(圖2)[19]，二者具有相似的變化規(guī)律，表明海平面變化對鶯—瓊盆地干酪根碳同位素值起到一定的控制作用。海平面上升，海盆底層洋流活躍，在沿岸帶形成上升流，增強表層水生產(chǎn)力；有機質(zhì)的下沉分解使中層水溶解氧含量降低，缺氧帶逐步擴展，形成有機碳堆積，因此，隨著古海洋生物產(chǎn)率、有機質(zhì)埋藏量升高和有機質(zhì)氧化程度降低，有機質(zhì)δ13C值增大[18]。鶯—瓊盆地從早中新世早期開始發(fā)生海侵，并在中中新世海侵達到最大，中中新世晚期發(fā)生海退[19]。在該沉積背景下，發(fā)育了干酪根碳同位素值偏高的梅山組烴源巖，進而生成乙烷碳同位素值偏高的天然氣。

圖2 鶯—瓊盆地海平面變化及干酪根碳同位素分布特征

4.2.2 熱演化影響

隨著烴源巖熱演化程度的增加，生成天然氣的組分及同位素特征也隨之發(fā)生改變。隨著成熟度增加，甲烷碳同位素變高。因此，可運用甲烷碳同位素表征天然氣成熟度[10]。采用鶯歌海盆地烴源巖熱模擬實驗建立的甲烷碳同位素值與天然氣成熟度關(guān)系式[20]，計算出L15-1構(gòu)造天然氣成熟度分布范圍為1.02%～1.50%(平均值為1.25%)，表明天然氣是烴源巖成熟—高成熟階段的產(chǎn)物。隨著δ13C1的增加，δ13C2逐漸變高，二者表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3)，表明熱演化對乙烷碳同位素偏高有一定影響。無論天然氣成熟度高低，L15-1氣田天然氣的δ13C2也明顯高于盆地內(nèi)其他氣田。綜合來看，烴源巖熱演化程度高對L15-1氣田中天然氣的δ13C2異常有重要影響，但不是主要影響因素。

4.2.3 L15-1氣田天然氣的成藏過程

L15-1氣田天然氣乙烷同位素特征和天然氣分布與成藏過程密切有關(guān)。L15-1構(gòu)造早期處于周邊底辟活動的波及區(qū)，而晚期才有底辟活動(L15-1構(gòu)造底辟活動時間為T16—T12地層沉積時期，周邊底辟活動為T20—T12地層沉積時期隆升，之后塌陷)，形成該構(gòu)造早期主要依靠微裂隙輸導、晚期借助底辟及伴生斷裂輸導的格局。流體包裹體資料揭示，L15-1構(gòu)造天然氣主要存在2期成藏。早期烴源巖生成成熟度較低的富烴天然氣主要依靠周邊底辟活動形成的微斷裂運移至中深層成藏；晚期底辟活動較弱且底辟規(guī)模不大，造成烴源巖高熱演化階段生成的較高成熟度的富非烴(主要為CO2)天然氣沿底辟進入淺層，而對中深層早期富烴天然氣成藏破壞較小，因此，L15-1氣田天然氣表現(xiàn)出以較高成熟度的富CO2天然氣為主、混合少量早期烴類氣的特征。由于烴源巖干酪根碳同位素較高，加之淺層氣藏主要保留晚期成藏的成熟度較高的天然氣，因而，氣藏中天然氣重烴碳同位素明顯偏高(尤其是乙烷碳同位素)，中深層保存了源巖早期生成的天然氣，天然氣勘探前景較好。

圖3 L15-1氣田天然氣甲烷與乙烷碳同位素關(guān)系

前人[1，6]在研究鶯歌海盆地東方區(qū)的天然氣成藏時“高能量成藏”模式所預(yù)測的“淺層天然氣組分變化大，但整體相對富烴”分布特征與研究區(qū)存在較大差異，這主要是因為L15-1構(gòu)造受到周邊底辟和自身底辟的共同影響，而東方區(qū)“高能量成藏”模式是基于單一底辟活動，因此，L15-1構(gòu)造天然氣成藏模式在多底辟的樂東區(qū)更具勘探指導意義。

5 結(jié) 論

(1) 鶯歌海盆地L15-1氣田天然氣具有乙烷碳同位素值異常偏高、CO2含量高的特點。天然氣干燥系數(shù)較高，甲烷碳同位素值較高，天然氣輕烴中正構(gòu)烷烴含量低，為成熟度較高的煤型氣。氣源分析表明，L15-1氣田天然氣可能主要來源于梅山組。

(2) 海侵背景下發(fā)育的梅山組烴源巖的干酪根碳同位素值偏高是造成L15-1氣田天然氣乙烷碳同位素值偏高的根本原因。烴源巖較高的熱演化程度及晚成藏過程也是造成乙烷碳同位素值偏高的因素之一，但不是主要影響因素。

(3) 鶯歌海盆地L15-1氣田天然氣成藏主要為2期成藏。早期生成的成熟度較低的天然氣主要依靠周邊底辟活動形成的微斷裂運移至中深層成藏；晚期生成的成熟度較高的、富CO2的天然氣隨著較弱的底辟活動向上運移至淺層成藏，L15-1氣田中主要保存這一期天然氣(混雜部分早期天然氣)。中深層保存了源巖早期生成的天然氣，天然氣勘探前景較好。

致謝：唐圣明、王碧維參加了此項研究，中國石油大學(北京)陳踐發(fā)老師和王春江老師提供了幫助和指導，在此表示衷心感謝！

[1] 謝玉洪，范彩偉. 鶯歌海盆地東方區(qū)黃流組儲層成因新認識[J]. 中國海上油氣，2010，22(6)：355-359.

[2] 龔再升，李思田，等. 南海北部大陸邊緣盆地油氣成藏動力學研究[M]. 北京：科學出版社，2004：300-339.

[3] 黃保家，肖賢明，董偉良. 鶯歌海盆地烴源巖特征及天然氣生成演化模式[J]. 天然氣工業(yè)，2002，22(1)：26-30.

[4] 黃保家. 鶯瓊盆地天然氣成因類型及成藏動力學研究[D]. 廣州：中科院廣州地化所，2002.

[5] 黃保家，李緒深，易平，等. 鶯歌海盆地樂東氣田天然氣地化特征和成藏史[J]. 石油與天然氣地質(zhì)， 2005，26(4)：524-529.

[6] 徐新德，張迎朝，裴健翔，等. 鶯歌海盆地東方區(qū)天然氣成藏模式及優(yōu)質(zhì)天然氣勘探策略[J]. 地質(zhì)學報，2014，88(5)：956-965.

[7] 潘賢莊，張國華，黃保家，等. 鶯歌海盆地淺層天然氣生物降解及混源特征[J]. 中國海上油氣， 2002，16(3)：189-195.

[8] 吳紅燭，黃志龍，裴健翔，等.鶯歌海盆地底辟帶DF區(qū)天然氣地球化學特征差異及其成因[J].石油實驗地質(zhì)，2015，37(2)：211-219.

[9] 張新順，黃志龍，朱建成，等.鶯歌海盆地?？贏區(qū)儲層特征與天然氣低豐度影響因素[J].東北石油大學學報，2015，39(1)：1-8.

[10] 戴金星. 天然氣中烷烴氣碳同位素研究的意義[J]. 天然氣工業(yè)，2011， 31(12)：1-6.

[11] 謝增業(yè)，李劍，盧新衛(wèi). 塔里木盆地海相天然氣乙烷碳同位素分類與變化的成因探討[J]. 石油勘探與開發(fā)，1999，26(6)：27-29.

[12] 剛文哲，高崗，郝石生，等. 論乙烷碳同位素在天然氣成因類型研究中的應(yīng)用[J]. 石油實驗地質(zhì)，1997，19(2)：164- 167.

[13] 陳踐發(fā)，陳振巖，季東民，等. 遼河盆地天然氣中重烴異常富集重碳同位素的成因探討[J]. 沉積學報， 1998，16(2)：5-8.

[14] 趙孟軍，盧雙舫，王庭棟， 等. 克拉2氣田天然氣地球化學特征與成藏過程[J]. 科學通報，2002，47(增刊1)： 109-115.

[15] 國建英，于學敏，李劍，等. 歧口凹陷歧深1井氣源綜合對比[J]. 天然氣地球科學，2009，20(3)：392-399.

[16] 黃第藩. 陸相烴源巖有機質(zhì)中碳同位素組成的分布特征[J].中國海上油氣，1993，7(4)：1-5.

[17] 陶小晚，李明，張欣欣，等.微生物氧化作用對有機烷烴氣碳同位素的影響[J]. 中國石油勘探，2014，19(3)：41-49.

[18] 謝金有，祝幼華，李緒深，等. 南海北部大陸架鶯瓊盆地新生代海平面變化[J]. 海上油氣地質(zhì)，2012，17(1)：49-58.

[19] 張迎朝，范彩偉，徐新德，等.南海瓊東南盆地東區(qū)天然氣成因類型與烴源探討[J].石油實驗地質(zhì)，2015，37(4)：466-472.

[20] 徐永昌，沈平，劉文匯，等. 天然氣中稀有氣體地球化學[M]. 北京：科學出版社，1998：89-91.

編輯 黃華彪

20160114；改回日期：20160601

國家“十二五”重大科技專項“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣成藏主控因素及勘探突破方向”(2011ZX05023-004)

熊小峰(1986-)，男，助理工程師，2009年畢業(yè)于西北大學地質(zhì)學專業(yè)，2012年畢業(yè)于中國石油大學(北京)地球化學專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)主要從事油氣地球化學與成藏研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.019

TE121.3

A

1006-6535(2016)04-0085-05