徐家围子断陷深层天然气地球化学特征及成因.pdf

2 0 1 5年 4月 第 3 4卷第 2期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o p me n t i n Da q i n g Ap r ．， 2 0 1 5 Vo 1 ． 3 4 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N ． 1 0 0 0 3 7 5 4 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 4 徐家 围子断陷深层天然气 地球化学特征及成 因 尚 尧施 尚明 东北石 油大学地球科学学院 ，黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 摘要以试气井段为单位对徐家围子断陷深层天然气进行分析 ，探索各气藏天然气组成及碳 同位素的分布规律。 研究表明乙烷碳同位素在平面上存在明显差异 ，断陷边部乙烷碳 同位素较重，具有煤型气特征，断陷中部乙 烷碳 同位素较轻 ，达到油型气标准 ；天然气 C 以上的重烃碳 同位素异常轻 ，可能来源 于原油裂解 ；碳 同位素反 序的天然气不一定是无机成因，复杂的碳同位素序列可能是油型气和煤型气混合造成；无机成因烃气数量甚微， 不可能单独成藏 。 关键词徐家围子断陷；深层天然气；地球化学特征；碳同位素；无机成因；重烃 中图分类号T E1 2 2 ． 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 ． 3 7 5 4 2 01 50 2 ． 0 0 1 9 ． C r 7 GEoCHEM I CAL CHARACTERI S TI CS AND GENES ES oF THE DEEP NATURAL GAS I N XUJ I AW EI ZI F AULT DEP RES S I ON S HANG Ya o， S HI S h a n g mi n g C o l l e g e o f t h e G e o s c i e n c e s of N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e t e s t e d g a s - w e l l i n t e r v a l s a s t h e u n i t ， t h e d e e p n a t u r a l g a s f r o m X u j i a w e i z i F a u l t D e p r e s s i o n i s a n a l y z e d t o e x p l o r e t h e g a s c o mp o s i t i o ns a n d c a r b o n i s o t o pe d i s t rib u t i o n l a ws o f e a c h n a t u r a l g a s r e s e rvo i r ．Th e s t u d i e s s h o w t h a t t h e r e a r e o b v i o u s d i f f e r e n c e s f o r t h e e t h a n e c a r b o n i s o t o p e s d i s t ri b u t e d o n t h e p l a n e ， a n d t h e e t h a n e c a r b o n i s o t o p e s a t t he e d g e o f t h e f a u l t d e p r e s s i o n a r e h e a v i e r a n d wi t h t h e c ha r a c t e ris t i c s o f c o a l - t y p e g a s，me a n wh i l e， t h e e t h a n e c a r b o n i s o t o p e s a r e l i g ht e r i n t h e c e n t r a l f a u l t e d d e pr e s s i o n a n d r e a c h t h e s t a n d a r d s o f o i l t y pe g a s；t h e h e a v y h y d r o c a r b o n c a r b o n i s o t o p e s a b o v e C 5 o f t h e n a t u r a l g a s a r e a n o ma l y l i g h t e r ，w h i c h a r e p o s s i b l e d e ri v e d f r o m t h e c r a c k o f t h e c r u d e o i l ；t h e n a t u r a l g a s wi t h r e v e r s e o r d e r c a r b o n i s o t o p e s i s n o t ne c e s s a r i l y i n o r g a n i c o rig i n a n d t h e c o mp l e x s e q u e n c e o f t h e c a r b o n i s o t o p e s ma y b e t h e mi x t u r e o f b o t h o i l t y p e g a s a n d c o al t y p e g a s ；t h e g a s r e s e r v o i r c o u l d n t b e s e p a r a t e l y a c c u mu l a t e d d u e t o t h e mi n o r q u a n t i t y o f t h e h y d r o c a r b o n g a s o f i n o r g ani c o ri g i n ． Ke y w o r d s X u j i a w e i z i F a u l t D e p r e s s i o n ； d e e p n a t u r a l g a s ； g e o c h e mi c a l c h a r a c t e ri s t i c ； c a r b o n i s o t o p e ； i n o r g a n i c o rig i n；h e a v y h y d r o c a r b o n 徐家围子断陷是松辽盆地深层发现 天然气最 早 、最多的断陷。2 0世纪 9 0年代在断陷边部发现 天然气时 ，中国很多学者针对断陷天然气成因开展 了研究 ] 。2 0 0 2年徐家围子断陷获得 了大规模发 收稿 E t 期 2 0 1 4 - 1 1 2 8 改 回日期 2 0 1 4 1 2 ． 3 0 基金项 目国家重点基础研究发展计划课题 “ 火山岩油气藏分布规律与资源预测” 2 0 0 9 C B 2 1 9 3 0 8 资助。 作者简介尚尧，男，1 9 9 1 年生，在读硕士，主要从事石油地质研究。 E ma i l 3 8 43 23 6 9 2 qq ．c o m 2 0 大庆石油地质与开发 2 0 1 5拄 现 ，徐深 1井获得高产工业气 流，探明 了庆深气 田，再次吸引众多学者开展新一轮 的天然气成 因、 成藏研究 一 ] 。 目前 ，徐家围子断陷深层天然气勘 探已经进入 中后期，积累了大量的天然气地球化学 资料 。通过全面分析天然气组成和碳 同位素特征， 深人研究了徐家围子断陷深层天然气的成因，并依 据现代火山气的组成 ，估算 了徐家围子断陷无机成 因气所 占比例 。研究将有助于全面、客观地认识松 辽盆地深层天然气的成因和成藏机制。 1地质概况 徐家围子断陷位于松辽盆地北部 ，近北北西向 展布。 自下而上发育下 白垩统 的火石岭组、沙河子 组、营城组 、登娄库组、泉头组 ，以及上 白垩统和 新生界地层 。泉头组二段以下地层称为深层 ，火石 岭组 、沙河子组 、营城组称为断陷地层 。 断陷内主要发育沙河子组、营城组 四段等 2套 煤系烃源岩。沙河子组下部为浅湖一半深湖沉积环 境 ，发育暗色泥岩 ；上部为冲积平原的沼泽、浅湖 一 半深湖沉积环境 ，发育煤及暗色泥岩。暗色烃源 岩厚度整体呈南北 向的条带状 ，具东西两翼薄 、中 部 厚 的 分 布 特 征 ， 中 部 最 大 厚 度 为 1 3 5 0～ 1 4 0 0 m。煤层集 中发育在断陷北部 的宋站、安达、 徐 中等地区，煤层最大厚度达 1 0 2 m。营城组四段 烃源岩分布范 围较小 ，主要分布在徐中地区和断陷 的南部 ，烃源岩最大厚度为 1 6 0 m。沙河子组 、营 城组烃源 岩 的 w T O C平 均值 分 别 为 2 ． 4 3 ％ 、 1 ． 4 1 ％ ，烃源岩的有机质丰度较高 ，达到好烃源岩 标准 ，有机质类型以Ⅲ型为主 ，部分为 Ⅱ型，少量 为Ⅳ型 ，镜质体反射率 R 平 均值分别为 2 ． 3 6 ％ 、 2 ． 2 4 ％ ，两套烃源岩均处于高成熟一过成熟演化阶 段。徐家围子断陷深层发育多套储层 ，其 中营城组 的火山岩 、砂砾岩是主要储集层 。火山岩储层存在 原生孑 L 隙、次生孔隙、裂缝等类型的储集空间。火 山岩体平面上分布主要与深大断裂的发育有关 ，火 山机构一般沿着深大断裂发育。营城组四段、登娄 库组早期的砂砾岩储层在空间上连续分布 ，具有较 有利的储集条件 ，是仅次于营城组火山岩的重要勘 探 目的层 2天然气地球化学特征 2 ． 1化学组成 钻井和试气时往往多次取样 ，导致同一井段有 多个分析数据。由于各井段之间分析数据的个数不 同 ，可能造成统计结果不能真实反映深层天然气的 地化特征 。为了解决这一问题 ，在统计地球化学分 析数据时 ，不以样品为单元 ，而是以出气井段为单 元 ，即首先确定各井段在天然气组成上有代表性 的 数据，然后以井段为单位 ，统计深层天然气的地球 化学特征。 在徐家围子断陷深层 3 9 1个 出气井段 中，3 5 5 个井段的 烷烃 8 0 ％ ，占出气井段 的 9 1 ％ ， 说明深层天然气 以烃类气 为主。甲烷 占烃气 总量 9 5 ％以上的有 3 6 6个井段 ，占 9 4 ％ ，可见深层 天 然气绝大部 分 为干气 。2 0个井 段 的 C O 5 0 ％，占总出气井段数的 5 ％。在 5 7口工业气流 探井 中，6 IS l 井 的 C O 5 0 ％，占井 数 的 1 0 ． 5 ％。C O ， 气的探明储量约 占总探 明天然气储量 的8 ％。由此可见，徐家围子断陷二氧化碳气藏分 布并不普遍。 徐家围子断陷各地区天然气干燥程度 有明显差异 ，昌德 、升平一安达地 区的 乙烷 值相近 ，徐 中地 区 的 乙烷 值 则 明显 偏 高 图 1 。 冰 ＼ 嚣 丑 籁 强 ．1 Ⅱ 1 0 0 8 O 6 0 4 0 2 0 O [ O 。 1 [ 1 。 2 [ 2 ． 3 [ 3 。 ● 【 4 ， 5 [ 5 ， 6 [ 6 。 7 [ 7 。 B [ B ， 9 [ 9 。 l 0 [ 1 O 。 1 1 乙烷 ／ ， 6 图1徐家 围子断陷深层天然气 乙烷 体积分数与出气井段数关系 F i g ． 1 Re l a t i o n s h i p s be t we e n t he e tha n e v o l u me f r a c t i o n s a n d g a s p r o d uc e d i n t e r v a l me mb e r s f o r the n a t u r a l g a s i n Xu j i a we i z i F a u l t De p r e s s i o n 2 ． 2常规组分 从整个 断 陷来说 ，甲烷碳 同位 素 为- 1 8 ％ o ～ 一 3 6 ％ 0 ，主要分布在一 2 6 ‰ ～- 3 0 ％ o 。徐中、徐东、 徐南地区的甲烷碳同位素值略轻 ，徐西 、升平一安 达地区略重 图2 。 同一地区的气藏甚至同一气藏，甲烷碳同位素 值也存在较大差异。例如 Wa n g 9 0 1井所在 的气 藏 和 S s h l 井所在 的气藏虽然相邻 ，但 甲烷碳同位素 值相差 较 大，前者 为 一 2 6 ． 5 ％ 。 ，后者 为 一 2 9 ． 1 ％ o 。 在徐东地区已探明的气藏中，南部的甲烷碳同位素 2 2 大 庆石油地质与开发 2 0 1 5年 表 1 徐中地区深层天然气碳同位素特征 T a b l e 1 C a r b o n i s o t o p i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e e p n a t u r a l g a s i n C e n t r a l Xu j i a w e i z i F a u l t D e p r e s o n 表 2 徐 东地 区深层天然气碳 同位素特征 T a b l e 2 C a r b o n i s o t o p i c c h a r a c t e r i s ti c s o f t h e d e e p n a t u r a l g a s i n E a s t X u j i a w e i z i F a u l t De p r e s s i o n 理论上的混合计算表明，不 同类型有机质生成的天 然气 特别是油型气和煤型气 混合 ，可 以导致 碳同位素反序 。如果源岩有机质 类型在平面上 一 致 ，断陷中部 天然气碳 同位素不会轻 于断陷边 部。但是从图 2可以看出，断陷中部天然乙烷碳 同 位素 明显 比边部轻 ，天然气湿度也明显大于边部 ， 这说明断陷中部源岩母质类型偏腐泥型，生气潜力 相对较大。根 据乙烷碳 同位素判 断，断陷 中部 的 c 一c 烃类化合物主要来源于腐泥型有机质 ，具 有油型气特征 。从天然气湿度 、碳同位素分布特征 第 3 4卷第 2期 尚尧等 徐家 围子断 陷深层天然气地球 化学 特征及成 因 2 3 表 3 徐 南地 区深层天 然气碳 同位素特征 T a b l e 3 C a r b o n i s o t o p i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e e p n a t u r a l g a s i n S o u t h X u j i a w e i z i F a u l t D e p r e s s i o n 表 4升平一 安达地区深层天然气 碳同位素特征 Ta b l e 4 Ca r b o n i s o t o p i c c h a r a c t e r i s t i c s o f th e d e e p n a t u r a l g a s i n S h e n g p i n g - An d a a r e a 看，断陷中部腐泥型烃源岩生成的乙烷对断陷边部 影 响不大。 为了找 出重烃碳 同位素异常轻的原因，进行了 烃源岩生烃模拟实验 。首先 ，选取徐家围子断陷深 层 沙河子组烃源岩 X s h 2 6井 ，3 8 0 3 ． 6 n l ，K s h 进行高温模拟实验。4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 q C气产物 中苯 的碳同位素分别为一 2 2 ． 1 6 ％ c 、 一 2 1 ． 9 4 ％ o 、 一 2 2 ． 1 2 ％ o ， 甲苯 的碳 同位 素分 别 为 一2 0 ． 1 3 ％ 。 、一1 9 ． 5 O ‰ 、 一 2 0 ． 0 2 ％ c ，远 比深层 天然 气苯 和 甲苯碳 同位素 重。徐家围子断陷深层烃源岩 已达到过成熟 阶段 ， 重烃碳 同位素 可能会 变重。因此 ，用 梅里斯断 陷 D u l 3井 沙河子组低成熟 泥岩 R 0 ． 5 2 ％进行 高温模拟实验。4 0 0、4 5 0 、5 0 0℃气产物 中苯的碳 同位素分别为 - 2 2 ． 9 2 ％ c 、一 2 5 ． 0 4 ％ 0 、一 2 4 ． 8 1 ‰ ， 2 4 大庆石油地质与开发 2 0 1 5正 表 5 深层天然气重烃碳同位素检测结果 Ta b l e 5 Te s t r e s u l t s o f t h e h e a v y h y d r o c a r b o n c a r b o n i s o t o p e s f o r t h e d e e p n a t u r a l g a s ％o 甲苯的碳同位素分别为一 2 2 ． 9 9 ％ 0 、 一 2 2 ． 0 8 ％ 0 、 一 2 2 ． 1 3 ％ o ， 仍然远比深层天然气苯和甲苯碳同位素重。 煤是徐家围子断陷不可忽视 的气源岩 ，所以采 用吉林省九台营城煤矿沙河子组煤层 的低成熟样 品 R 0 ． 5 6 ％ 做 了生气 热模拟 实验。4 0 0 、4 5 0 、 5 0 0℃气产物中苯的碳同位素分别为 - 2 1 ． 8 7 ％ o 、一 2 0 ． 9 7 ％ 0 、- 2 0 ． 2 2 ％ 。 ，甲苯 的碳 同位 素 分 别 为 一 2 1 ． 0 5 ％ o 、- 2 1 ． 1 5 ％ o 、- 2 0 ． 6 9 ％ 0 ，重于成熟度接近 的泥岩 D u l 3井 ，也 比深层 天然气重烃碳 同位 素重得多。 为了继续探索深层天然气重烃碳 同位素轻 的原 因，用徐家围子断陷深层原油开展了裂解生气模拟 实验 ，并对气产物进行 了组分碳同位素检测。F s h 2 井原油 2 7 2 0 ． 2 1T I 一 3 0 3 8 ． 4 i n ，登娄库组 裂解 气产物碳同位素特征表明 ，随着模拟温度升高，烃 产物碳同位素明显变重 ，4 0 0 、4 5 0℃生成 的气 态 烃中重烃碳 同位素较轻 ，与深层天然气中重烃碳同 位素相近 表 6 。这说明，深层天然气重烃可能 来 自这类原油的裂解。遗憾的是 ，由于链烷烃浓度 太高，未能检测到苯 、甲苯等芳烃化合物。 以上原油裂解实验表明，徐家围子断陷中部可 能有原油成藏过程 ，原油裂解生成的气态烃对深层 天然气有一定贡献。从天然气重烃碳同位素分布特 征看 ，断陷中部和边部都有原油裂解气提供 。 表 6 F s h 2井原油裂解气产物碳 同位素特征 Tab l e 6 Car b on i s o t o pi c c ha r ac t e r i s tic s o f t he o i l c r ac ke d ga s pr od uc t s f o r W e l l Fs h 2 目前钻遇主力烃源岩沙河子组的探井均位于断 陷边部 ，所揭示 的有机质类型以Ⅲ型为主，沉积相 第 3 4卷第2期 尚尧等徐家围子断陷深层天然气地球化学特征及成因 2 5 研究表明湖相沉积中心位于断陷中部 ，尚无钻井揭 示。根据天然气地球化学特征推测 ，徐家围子断陷 中部可能发育腐泥型烃源岩 ，并且有油成藏过程发 生。因此，徐家围子断陷具有油型气与煤型气混合 的物质条件 ，碳同位素反序的天然气不一定是无机 成因。 3 ． 2无机烃气分析 徐家围子断陷发现了多个高纯度的二氧化碳气 藏 ，这 些 气 藏C O 的 碳 同 位 素 为一 7 ． 1 9 ％ o 一 一 4 ． 5 2 ％ o ，平均值为 - 5 ． 4 8 ％ 0 ，根据二氧化碳成 因 判别标准 ，属于地幔成 因。因此 ，徐家围子断陷会 有来源于地幔的无机成 因烷烃气混入气藏 ，但无机 成因烷烃气所 占比例值得探讨 。 有很多现代温泉是与地幔沟通的 ，并且有幔源 气涌出。现代火山喷发除了涌出大量岩浆外 ，也会 从地幔带出很多气体 。上述气体都可以直接反映地 幔气的化学组成，也可以证明幔源烃类气体是否能 够 单 独 成 藏。腾 冲 热 海 地 热 流 体 逸 出 气 体 的 C O 大都超过 9 0 ％， 甲烷大都低 于 1 ％ _ l 。长 白山天池火山区泉水逸出气的 c 0 大都超过 9 0 ％，在 1 4个样品中 甲烷 最大为 5 ． 7 1 ％ ，平均值 为 1 ． 2 ％【 1 5 ] 。另外 ，根据 笔 者检 测 ，五大连池南泉、北泉泉水逸 出气 的 甲烷 分别 为 0 ． 0 5 9 ％、0 ． 0 6 4 ％。国外学者对火 山喷 出 气做过成分检 测 ，意大 利 V u l c a n o岛火 山气 甲烷 最大为 0 ． 1 2 6 ％ ，印度尼西亚 J a v a岛火 山 气 的 甲烷 最大为 1 ． 2 4 ％。从 以上资料可 以 看 出，来 自地幔的气体中，甲烷含量甚微 。从温泉 逸 出气和火 山气组 成可 以看 出，来 自地幔的气体 中，甲烷和二 氧化碳含量 的比例有 一个大致 的范 围，这样就可以根据幔源二氧化碳的量来估算幔源 甲烷的量。目前已知徐家围子断陷无机二氧化碳地 质储量为 7 9 1 ． 2 5 1 0 m 。 ，按照温泉气 中 甲烷 为 0 ． 1 0 ％ ～ 5 ． 7 1 ％计算 ，伴随二氧 化碳从地幔上 来 的 甲烷气 为 0 ． 7 94 5 ． 1 8 1 0 m 。据 此计 算 ，徐家 围子断 陷无 机 烃类 气 占烃类 气 总 量 的 0 ． 0 2 ％ 一1 ． 1 2 ％。由此可见 ，徐家围子断陷无机成 因烃气数量甚微 ，不可能单独成藏。 4结 论 1 徐家围子断陷天然气碳 同位素序列复杂 ， 大部分为反序或局部倒转。 2 断陷中部天然气 乙烷碳 同位素 明显轻 于 断陷边部 ，表 明有油型气 的混入 ，天然气 中 C 以 上重烃碳 同位素异常轻 ，源于腐泥型原油的裂解 。 3 徐家 围子 断 陷无机成 因烃 气数 量甚微 ， 不可能单独成藏。 参考文献 [ 1 ]郭 占谦 ．松 辽盆地非生物成 因气的特征 [ J ] ． 中国科学 D辑 地球科学 ，1 9 9 4，2 7 2 1 4 3 ． 1 4 8 ． [ 2 ]杨玉峰 ，张秋 ，黄海平 ，等 ．松辽盆地徐家围子断陷无机成因 天然 气 及 其 成 藏 模 式[ J] ． 地 学 前 缘 ，2 0 0 0，7 4 5 2 3 5 3 3 ． [ 3 ]付晓飞 ，宋岩 ．松辽盆地无机 成因气及气源模式 [ J ] ．石油学 报 ，2 0 0 5 ，2 6 4 2 3 2 8 ． [ 4 ]崔永强 ，李莉 ，陈卫军 ．松辽盆地无机成因烃类气藏 的幔源贡 献 [ J ] ．大庆石油地质与开发 ，2 0 0 1 ，2 0 4 6 8 ． [ 5 ]戴金星 ，石 昕 ，卫延 召 ．无机 成 因油 气论和 无机成 因 的气 田 藏 概略 [ J ] ．石油学报 ，2 0 1 1 ，2 2 6 5 1 0 ． [ 6 ]杨春 ，刘全有 ，周庆华 ，等 ．松辽盆地庆深气 田天然气成 因类 型鉴别 [ J ] ．地球科学 ，2 0 0 9 ，3 4 5 7 9 2 7 9 6 ． [ 7 ]倪云燕 ，戴金 星，周庆华 ，等 ．徐家围子 断陷无机成因气证据 及其 份额估算 [ J ] ．石油勘探与开发，2 0 0 9，3 6 1 3 5 4 3 ． [ 8 ]戴金 星，胡 国艺 ，倪 云 燕，等 ．中 国东 部 天 然气 分 布 特 征 [ J ] ．天然气地球科学 ，2 0 0 9 ，2 0 4 4 7 1 4 8 6 ． [ 9 ]Q i F u ，B a ara S h e r w o o d L o l l a r ，J u s k e H o r i t a ，e t a1 ．A b i o t i c F o r - ma t i o n o f Hy d r o c a r b o n s u n d e r Hy d r o t h e r ma l Co n d i t i o n s C o n s t r a i n t s f r o m C h e m i c a l a n d I s o t o p e Da t a 『 J ] ．G e o c h i m i c a e t C o s mo c h i m i c a A e t a ， 2 0 0 7， 7 1 8 1 9 8 2 1 9 9 8 ． [ 1 0 ]Yu r i A T， G e o r g e A K，V y a c h e s l a v S S ．C a r b o n I s o t o p e E f f e c t s i n t h e O p e n - s y s t e m F i s c h e r T mp s c h S y n t h e s i s[ J ] ，G e o c h i mi c a e t C o s mo c h i m i c a A c t a ， 2 0 0 7 ， 7 1 1 8 4 4 7 4 4 4 8 7 ． [ 1 1 ]S h e r w o o d E o l l a r B，We s t g a t e T，Wa r d J ，e t a1 ． A b i o g e n i c F o r m a t io n o f Al k a n e s i n t h e Ea r t h’S C r u s t a s a Mi n o r S o u r c e f o r Gl o b a l Hy d r o c a r b o n R e s e r v o i r s [J] ． N a t u r e ， 2 0 0 2， 4 1 6 4 5 2 2． 5 2 4 ． [ 1 2 ]T h o m a s M M，J e f f r e y S S ．A b i o t i c S y n t h e s i s o f O r g a n i c C o m p o u n d s in D e e p S e a H y d rot h e r mal E n v i r o n me n t s[ J ] ．C h e m i c a l R e v i e w s ，2 0 0 7， 1 0 7 2 3 8 2 4 0 1 ． [ 1 3 ]李景坤 ，方伟 ，曾花森 ，等 ．徐家 围子断陷烷烃 气碳 同位 素 反序机制[ J ] ．石油学报 ，2 0 1 1 ，3 2 1 5 4 - 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