曹 躍，高勝利，喬向陽，劉喜祥，高鵬鵬，季 陽

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 研究院，陜西 西安 710075； 2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.西安石油大學(xué) 外國(guó)語學(xué)院，陜西 西安 710065； 4.吉林油田分公司 松原采氣廠，吉林 松原 138000)

引 言

隨著松遼盆地在深層火山巖勘探獲得重大突破，深層勘探思路進(jìn)行了調(diào)整。層位上調(diào)整到營(yíng)城組火山巖、砂礫巖儲(chǔ)層，火山巖油氣藏提升為主要的勘探對(duì)象。領(lǐng)域上調(diào)整到長(zhǎng)嶺斷陷和英臺(tái)斷陷。其中，長(zhǎng)嶺斷陷是松南深層面積最大、埋藏最深的復(fù)合斷陷，資源量約1.71×1012m3，具備形成大中型氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組火山巖發(fā)育、噴發(fā)規(guī)模大、物性較好，具有良好的勘探前景[1]，是近期尋找大中型氣田的首選領(lǐng)域。

前人對(duì)長(zhǎng)嶺斷陷火山巖地層、斷陷結(jié)構(gòu)、烴源巖、火山巖儲(chǔ)層、天然氣成因及成藏條件等方面開展過大量的研究工作，取得了大量的成果。李瑞磊等[2]、王苗等[3]認(rèn)為火山巖是松遼盆地?cái)嘞萜谂璧爻涮畹闹黧w，營(yíng)城組發(fā)育完整的火山-沉積序列。李丹等[4]、馬常春等[5]、李浩等[6]、謝忱等[7]認(rèn)為長(zhǎng)嶺斷陷為多個(gè)斷洼組成的復(fù)合斷陷群，沙河子組為區(qū)內(nèi)主力烴源巖。王璞珺等[1]、劉哲等[8]、任憲軍等[9]認(rèn)為長(zhǎng)嶺斷陷噴溢相上部亞相和爆發(fā)相熱碎屑流亞相儲(chǔ)層較好。李貺等[10]、陳杰等[11]、孫明亮等[12]認(rèn)為哈爾金構(gòu)造天然氣是同源不同期的煤成氣，而CS6等井區(qū)CO2氣藏則為幔源無機(jī)成因氣。張祎[13]等、陸建林等[14]認(rèn)為長(zhǎng)嶺斷陷具備形成以火山巖氣藏為目標(biāo)的大中型氣田的條件。

綜述前人研究成果，大量研究工作集中在斷陷結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、烴源巖、火山巖儲(chǔ)層、成藏特征等基礎(chǔ)地質(zhì)研究方面，而天然氣成因與成藏規(guī)律的研究不夠深入。特別是隨著勘探持續(xù)擴(kuò)展，暴露出一系列地質(zhì)問題：①對(duì)長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣成因認(rèn)識(shí)存在多解性，即煤成氣觀點(diǎn)、無機(jī)甲烷氣觀點(diǎn)、有機(jī)氣和無機(jī)氣形成混合氣觀點(diǎn)等：②對(duì)火山巖成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，即有CO2氣藏，也有以烴類為主的氣藏，有的形成了混源氣藏,還有的沒有成藏；③天然氣成因類型、成藏期次以及與深大斷裂關(guān)系研究不夠，CO2富集條件不清楚，烴類氣勘探方向不明朗。基于以上原因，開展了長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組火山巖天然氣成因及成藏規(guī)律研究，以期通過對(duì)長(zhǎng)嶺斷陷天然氣成因及氣源特征研究，深化混合氣及CO2氣藏的成藏條件及規(guī)律認(rèn)識(shí)，建立混合氣、CO2氣藏成藏模式，指導(dǎo)天然氣勘探部署工作。

1 工區(qū)概況

長(zhǎng)嶺斷陷為松遼盆地南部資源最豐富的斷陷[15]。深部地層自上向下劃分為泉頭組(k1q)、登婁庫(kù)組(k1d)、營(yíng)城組(k1yc)、沙河子組(k1sh)、火石嶺組(k1h)和基底(pz)。其中，泉頭組(k1q)地層為坳陷沉積，登婁庫(kù)組(k1d)為斷-坳轉(zhuǎn)換沉積，營(yíng)城組(k1yc)-火石嶺組(k1h)為斷陷沉積。長(zhǎng)嶺斷陷總體為西斷東超的復(fù)合型斷陷，按照基底、斷裂及斷陷地層發(fā)育情況，將營(yíng)城組頂面可劃分為乾安洼陷、黑帝廟洼陷、中部前神子-哈爾金凸起、東部伏-雙-大斜坡帶。鉆探資料揭示，長(zhǎng)嶺斷陷天然氣成因及分布比較復(fù)雜，東部斜坡帶發(fā)現(xiàn)了雙坨子、大老爺府、大房身等烴類氣藏，目的層為坳陷層泉頭組一段、二段及登婁庫(kù)組碎屑巖；中部凸起帶發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)嶺1號(hào)混合氣藏，目的層為營(yíng)城組火山巖；中部凸起帶西部發(fā)現(xiàn)了前神子井、神北、黑帝廟等CO2氣藏，目的層也是營(yíng)城組火山巖?？紤]到伏-雙-大東部斜坡帶碎屑巖烴類氣研究程度相對(duì)較高，認(rèn)識(shí)比較統(tǒng)一，本文重點(diǎn)對(duì)研究程度較低的中部凸起帶長(zhǎng)嶺1號(hào)混合氣和中部凸起帶西部CO2氣的成因與成藏規(guī)律進(jìn)行探討。

2 天然氣成因及氣源特征

2.1 長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣成因分析

長(zhǎng)嶺1號(hào)氣田是松遼盆地南部首次發(fā)現(xiàn)的大型混合氣田。天然氣組分是以甲烷為主，甲烷含量61.89%～91.87%。含少量CO2和N2。其中CO2含量13.99%～97.07%，N2含量4.75%～6.77%。為了研究混合氣成因，開展了天然氣碳同位素等方面分析工作(表1)。

從表1可知， 長(zhǎng)嶺1號(hào)天然氣甲烷碳同位素δ13C1多數(shù)樣品分布為-13‰～-26‰，乙烷碳同位素δ13C2多數(shù)樣品分布為-24‰～-28‰。按照烴類氣δ13C1-δ13C2分類鑒別圖版(圖1),烴類氣主要分布在煤型氣區(qū)間，由此確定長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣成因類型為煤型氣。

戴金星等總結(jié)了1 515個(gè)國(guó)內(nèi)外不同類型有機(jī)成因氣的碳同位素分類圖版(圖2)，可以較詳細(xì)劃分天然氣成因。由烴類氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分類圖版可知，長(zhǎng)嶺1號(hào)樣品點(diǎn)幾乎全部落入了Ⅲ2區(qū)，此區(qū)域?yàn)橥粴庠?、不同生烴期的煤成氣。僅有2個(gè)樣品點(diǎn)落在Ⅲ2區(qū)以外，同時(shí)考慮到長(zhǎng)嶺1號(hào)幾乎所有樣品甲烷碳同系物值呈反序排列，而負(fù)碳系列的形成主要與無機(jī)成因氣體的混入有關(guān)。由此說明長(zhǎng)嶺1號(hào)存在無機(jī)甲烷氣混入，為有機(jī)與無機(jī)烷烴混合氣成因。以上認(rèn)識(shí)與昝靈等[16]、周卓明等[17]觀點(diǎn)相一致。

表1 長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣碳同位素分析成果表Tab.1 Carbon isotope analysis result of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gasfield

2.2 CO2成因分析

CO2成因分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)CO2主要是在埋藏較淺的生物化學(xué)作用階段有機(jī)物在細(xì)菌的作用下遭受氧化分解而形成。無機(jī)成因可分為碳酸鹽巖熱分解形成的CO2和巖漿-幔源成因的CO2。

圖1 長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣δ13C1-δ13C2分類鑒別圖版Fig.1 δ13C1-δ13C2 plots of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gasfield

圖2 長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分類圖版Fig.2 δ13C1-δ13C2-δ13C3 plots of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gas Field

戴金星等[18-19]認(rèn)為，有機(jī)二氧化碳同位素δ13CCO2小于-10‰，無機(jī)二氧化碳碳同位素δ13CCO2大于-10‰，碳酸鹽巖受熱分解形成的二氧化碳同位素δ13CCO2大多在-3.7‰～3.7‰之間，殼源-巖漿無機(jī)二氧化碳碳同位素δ13CCO2為-10‰～-6‰，幔源無機(jī)成因的二氧化碳同位素δ13CCO2多在-8‰～-4‰。長(zhǎng)嶺斷陷23個(gè)二氧化碳樣品中，二氧化碳同位素δ13CCO2值多數(shù)介于-0.006 8‰～-5.45‰之間(表2)，說明二氧化碳多以巖漿-幔源成因?yàn)橹?，與李貺等[10]、陳杰等[11]認(rèn)識(shí)基本相同。

另外， 天然氣伴生的稀有氣體同位素也可以判斷天然氣的成因， 如He和Ar。本文重點(diǎn)應(yīng)用氦同位素特征來輔助判別天然氣成因。依據(jù)戴金星等天然氣成因分類標(biāo)準(zhǔn)(表3)， 殼源-巖漿氦3He/4He比值為n×10-7～n×10-6， 幔源氦3He/4He比值大于1.1×10-5；另外R/Ra<1與殼源氦有關(guān)，R/Ra>1與幔源氦加入有關(guān)(R/Ra來表示氦同位素的特征，R表示樣品的3He/4He比值，Ra表示大氣的3He/4He比值)；同時(shí)普遍認(rèn)為N2氣含量較高、并與He氣共存等是巖漿成因氣的標(biāo)志。長(zhǎng)嶺斷陷氣樣品采用蘭州市皋蘭山頂?shù)目諝庾鰳?biāo)準(zhǔn)樣品(表2)， 樣品普遍具有3He/4He高比值的特征， 為2.61×10-6～2.91×10-6， 平均2.87×10-6，R/Ra為1.86～4.56， 平均值為2.05， N2含量范圍4.8%～7.8%， 判斷稀有氣體氦為殼源-幔源成因。

表2 長(zhǎng)嶺斷陷二氧化碳碳同位素及氦同位素分析成果表Tab.2 Carbon isotopes of carbon dioxide and helium isotopes in Changling Depression

表3 天然氣成因分類標(biāo)準(zhǔn)(戴金星、王濤等)Tab.3 Classification criteria for natural gas genesis(Dai Jinxing，Wang Tao,et al)

3 成藏條件及模式

3.1 成藏條件

長(zhǎng)嶺斷陷中西部以火山巖混合氣藏、二氧化碳?xì)獠貫橹?。肖永軍等[20]認(rèn)為火山巖成藏主要受氣源、儲(chǔ)集層和輸導(dǎo)體系共同控制。張祎[13]等認(rèn)為長(zhǎng)嶺斷陷古構(gòu)造、氣源、深大斷裂、近火山口中酸性火山巖是天然氣聚集成藏的關(guān)鍵因素。為此，重點(diǎn)開展了氣源巖、火山巖儲(chǔ)層、疏導(dǎo)體系及封蓋層等方面的分析工作。

(1)氣源條件。對(duì)于長(zhǎng)嶺1號(hào)有機(jī)煤型氣的氣源，多數(shù)人認(rèn)為是由西側(cè)前神子井?dāng)嗤莺蜄|側(cè)哈爾金斷洼雙向供烴(圖3)。然而筆者綜合鉆井、天然氣組分及甲烷碳同位素等資料分析，認(rèn)為長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣主要由東側(cè)哈爾金斷洼供烴，主要證據(jù)有3點(diǎn)：①鉆遇前神子井?dāng)嗤莸腃S2、CS4等鉆井，在營(yíng)城組未發(fā)現(xiàn)大量暗色泥巖(泥地比小于10%)，僅僅發(fā)現(xiàn)了含量超過98%的高純度CO2氣藏；②鉆遇東側(cè)哈爾金斷洼的YS2井、YS3井揭示沙河子組暗色泥巖26～116 m(泥地比59%～34%)，發(fā)現(xiàn)了YS2、YS6、YS3等一批烴類氣藏，天然氣同位素與長(zhǎng)嶺1號(hào)氣藏相似(圖3、表4)；③哈爾金大斷裂為溝通哈爾金斷洼油氣的氣源斷裂，是溝通長(zhǎng)嶺1號(hào)天然氣運(yùn)移聚集的重要通道。

對(duì)于長(zhǎng)嶺斷陷無機(jī)CO2氣源，大家認(rèn)識(shí)基本一致，以巖漿-幔源成因氣為主，因此CO2氣源來自兩方面：①長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組一段、營(yíng)城組三段以火山巖為主，火山巖分布廣、規(guī)模大、厚度大，在地溫梯度大于3.5 ℃/100 m的區(qū)域內(nèi)脫出CO2;②來自上地幔隆起區(qū)，此區(qū)為高含CO2熱液資源庫(kù)。

圖3 長(zhǎng)嶺斷陷東西向天然氣成藏示意圖(謝忱等)Fig.3 A schematic diagram of natural gas accumulation in the east-west direction in Changling Depression

氣藏井號(hào)井深/m層位同位素δ/‰C1C2C3C4CO2YS13 544～3 750k1yc-21.20-26.5-26.70-33.20-7.9YS13 405k1d-20.80-24.70---15.3YS1013 570～3 583k1d-24.43-27.12-27.48-33.50-6.6哈爾金斷洼YS1023 685～3 710k1yc-23.41-26.38-26.59-32.82-5.0YS23 830～3 846k1yc-30.00-33.00-29.80-27.80-5.7YS23 827k1yc-30.40-33.70-30.50-31.40-5.7ts6 k1sh-29.0032.50-30.20--

(2)儲(chǔ)集條件。長(zhǎng)嶺1號(hào)營(yíng)城組火山巖體為至少3期裂隙式噴發(fā)的大型火山機(jī)構(gòu)。主要巖性為溢流相和爆發(fā)相的中酸性凝灰?guī)r、流紋巖、火山角礫巖、原地溶蝕角礫巖等(圖4)。火山巖儲(chǔ)集空間劃分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫3種類型[21]。不同火山巖巖性具有不同儲(chǔ)層物性特征，原地溶蝕角礫巖孔隙度一般為14%，滲透率一般為1×10-3μm2；流紋巖和火山角礫巖孔隙度一般為6%～4%，滲透率一般為1.0×10-3μm2；較差的是凝灰?guī)r，孔隙度一般為3%～5%，滲透率(0.01～0.05)×10-3μm2。綜合分析認(rèn)為，火山巖物性主要受巖性、巖相、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化淋濾溶蝕等因素控制，其中近火山口噴溢相帶、古構(gòu)造高部位風(fēng)化淋濾溶蝕巖相帶是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)[15]。

圖4 長(zhǎng)嶺1號(hào)火山巖巖性和巖心Fig.4 Lithology and core photos of volcanic rocks in Changling No.1 Gas Field

(3)運(yùn)移及封蓋條件。長(zhǎng)嶺1號(hào)天然氣輸導(dǎo)體系為斷層、裂縫及不整合面等[22]。哈爾金深大斷裂控制的大型火山巖體為長(zhǎng)期發(fā)育的古構(gòu)造，火山巖體長(zhǎng)期受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)剝失和風(fēng)化淋濾溶蝕等作用，發(fā)育了多期不同大小規(guī)模的構(gòu)造縫、擴(kuò)溶縫、收縮縫等，為天然氣運(yùn)移聚集提供了良好運(yùn)移通道。同時(shí)長(zhǎng)嶺1號(hào)發(fā)育良好的區(qū)域蓋層和直接蓋層，泉頭組二段為大套泥巖夾薄層砂巖，可作為區(qū)域蓋層；登婁庫(kù)組下部泥巖發(fā)育，可作為直接蓋層。

3.2 成藏組合及模式

綜合氣源條件、儲(chǔ)集條件、疏導(dǎo)體系及封蓋條件等方面成果，分析認(rèn)為長(zhǎng)嶺斷陷中西部發(fā)育下生上儲(chǔ)型和深源淺儲(chǔ)型2種成藏組合類型(圖5)。

圖5 長(zhǎng)嶺斷陷天然氣成藏模式Fig.5 Accumulation modes of natural gas in Changling Depression

(1)下生上儲(chǔ)型成藏組合

此類氣藏主要為長(zhǎng)嶺1號(hào)火山巖氣藏(田)。烴源巖為沙河子組暗色泥巖，李浩等[6]、謝忱等[7]認(rèn)為沙河子組古水體較深，湖泊水體還原性較強(qiáng)，泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高,為區(qū)內(nèi)主力烴源巖。儲(chǔ)集層為營(yíng)城組多期次噴發(fā)的火山巖體，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層為溢流相和爆發(fā)相的中酸性凝灰?guī)r、流紋巖、火山角礫巖、原地溶蝕角礫巖，鄭曼等[15]、徐宏節(jié)等[21]認(rèn)為原地火山角礫巖物性最好，主要孔隙類型為孔隙型、裂縫孔隙型、孔隙裂縫型和裂縫型等。疏導(dǎo)體系主要為哈爾金深大斷裂及其派生的小斷層，以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化淋濾溶蝕等作用產(chǎn)生的各種裂縫。油氣運(yùn)移動(dòng)力為沙河子組煤系暗色泥巖生烴增壓，以及與營(yíng)城組儲(chǔ)層過剩壓力差。封蓋層主要為登婁庫(kù)組下部厚層泥巖，泥地比大于40%。依據(jù)激光拉漫光譜分析方法，確定烴類氣成藏期為青山口組—姚家組沉積時(shí)期[23-24]，據(jù)此分析認(rèn)為，東側(cè)哈爾金次洼為主要生烴凹陷，沙河子組暗色泥巖生成的流體異常壓力是天然氣向上部營(yíng)城組運(yùn)移聚集的源動(dòng)力，青山口組—姚家組時(shí)期為大量油氣成熟期，此時(shí)生成的天然氣沿著哈爾金深大斷裂、次生小斷層及火山巖裂縫進(jìn)入營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層，在登婁庫(kù)組下部泥巖封蓋下，于火山巖古構(gòu)造高部位聚集成藏，主要形成構(gòu)造烴類氣藏。

(2)深源淺儲(chǔ)型成藏組合

此類氣藏為前神字井、神北、黑帝廟及北四號(hào)等二氧化碳?xì)獠亍庠匆环矫鎭碜陨系蒯Ｉ下〉貐^(qū)，該區(qū)為高含CO2熱液資源庫(kù)；另一方面也可來自多期次噴發(fā)的大型火山巖體，在地溫梯度大于3.5 ℃/100 m的區(qū)域內(nèi)脫出CO2。儲(chǔ)集層可以是營(yíng)城組火山巖，也可以是登婁庫(kù)組或者泉頭組碎屑巖。疏導(dǎo)體系為溝通上地幔隆起區(qū)的區(qū)域深大斷裂，以及與深大斷裂派生的次級(jí)斷層。封蓋層主要為登婁庫(kù)組下部暗厚層泥巖和泉頭組二段大套紅色泥巖。依據(jù)激光拉漫光譜分析方法，確定CO2成藏期為泰康組-大安組沉積時(shí)期[23-24]。據(jù)此分析認(rèn)為，深部幔源CO2或者營(yíng)城組火山巖高地溫脫出CO2，在區(qū)域深大斷裂溝通條件下，于泰康組-大安組時(shí)期進(jìn)入營(yíng)城組火山巖儲(chǔ)層，在登婁庫(kù)組下部厚層泥巖封蓋條件下，于火山巖古構(gòu)造高部位聚集成藏，主要形成構(gòu)造CO2氣藏。

4 結(jié) 論

(1)依據(jù)長(zhǎng)嶺1號(hào)烴類氣同位素及同系物排列，按照戴金星等烴類氣δ13C1-δ13C2分類鑒別圖版，判定以煤成氣為主；按照金星等烴類氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分類圖版，多數(shù)樣品點(diǎn)落入煤成氣區(qū)，只有2個(gè)樣品點(diǎn)落在煤成氣區(qū)外面，再參考烴類氣同系物呈反序排列，綜合判斷長(zhǎng)嶺1號(hào)以煤成氣為主，同時(shí)有無機(jī)甲烷氣混入。

(2)依據(jù)長(zhǎng)嶺CO2組分大于20%，CO2同位素δ13CCO2多數(shù)分布在-0.006 8‰～-5.45‰之間，R/Ra為1.86～2.29,結(jié)合N2氣含量較高(4.8%～7.8%)、并與He氣共存是巖漿成因氣的標(biāo)志的分析，綜合判斷長(zhǎng)嶺斷陷CO2以巖漿-幔源成因?yàn)橹鳌?/p>

(3)依據(jù)氣源條件、儲(chǔ)集條件、運(yùn)移及封蓋條件等綜合分析，認(rèn)為長(zhǎng)嶺1號(hào)混合氣成藏關(guān)鍵為烴源巖、古構(gòu)造背景、近火山口相大型火山機(jī)構(gòu)與深大斷裂的有效耦合，主要形成下生上儲(chǔ)型成藏組合。因此，圍繞哈爾金斷洼烴源巖尋找近火山口相火山機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)有機(jī)烴類氣勘探的關(guān)鍵。

(4)依據(jù)氣源巖、儲(chǔ)集與運(yùn)移等條件綜合分析，認(rèn)為CO2成藏關(guān)鍵要素與火山巖噴發(fā)規(guī)模、古地溫梯度、溝通上地幔的區(qū)域深大斷裂有關(guān)，主要形成深源淺儲(chǔ)型成藏組合。因此，高古地溫梯度背景下，受深大斷裂控制的大型火山機(jī)構(gòu)為CO2富集區(qū)。