高 崗 董月霞 楊尚儒 趙忠新 董 巖 剛文哲

( 1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室;2 中國石油冀東油田公司;3 中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院 )

南堡凹陷天然氣成因類型與勘探領(lǐng)域分析

高 崗1董月霞2楊尚儒1趙忠新2董 巖3剛文哲1

( 1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室;2 中國石油冀東油田公司;3 中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院 )

通過對南堡凹陷天然氣賦存特征、地球化學(xué)特征及其成因類型和分布特征的研究,分析了天然氣的勘探領(lǐng)域.南堡凹陷油氣資源豐富,目前的勘探以石油為主.館陶組、明化鎮(zhèn)組、東營組及沙河街組均有油氣分布,純氣層、凝析氣層主要分布在東一段與東二段,原油溶解氣在各層位均有分布.已發(fā)現(xiàn)天然氣以濕氣為主,少量干氣.氣層在北堡構(gòu)造、南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造、南堡5號構(gòu)造分布較多.天然氣類型以過渡型為主,其次為腐殖型,腐泥型相對較少.3種類型的天然氣均具有較強(qiáng)的垂向運(yùn)移作用,其中過渡型與腐泥型天然氣的垂向運(yùn)移作用更強(qiáng).陸上中淺層原油中溢出的天然氣成藏區(qū)與凹陷深層及斜坡部位的近源致密砂巖氣藏、巖性氣藏或輕質(zhì)油氣藏分布區(qū)是重要的油氣勘探領(lǐng)域,淺層天然氣類型以過渡型為主、部分為腐泥型,深層可以有腐泥型、腐殖型與過渡型3種不同類型.

天然氣成因;過渡型天然氣;腐殖型天然氣;勘探領(lǐng)域;南堡凹陷

近年來,南堡凹陷的油氣勘探取得重大突破,目前的勘探以石油為主,但又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了天然氣產(chǎn)層[1-2].未來,天然氣將在油氣產(chǎn)量中占有更重要的地位,因而,對于天然氣成因、來源、成藏規(guī)律和資源潛力的研究就顯得非常重要.本文通過分析南堡凹陷天然氣地質(zhì)與地球化學(xué)特征,進(jìn)而探討天然氣賦存特征、成因類型與勘探領(lǐng)域.

1 地質(zhì)概況

南堡凹陷是位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個二級構(gòu)造單元[3-4],新生代包括兩個演化階段:古近紀(jì)斷陷期和新近紀(jì)-第四紀(jì)坳陷期[5-8].沉積蓋層有第四系(Q)、新近系(N)和古近系(E),基底為前古近系[9-10].新近系包括館陶組(Ng)與明化鎮(zhèn)組(Nm),古近系包括沙河街組(Es)和東營組(Ed),其中沙河街組自上而下可劃分為4段,即沙一段至沙四段(Es1-Es4);東營組自上而下劃分3段,即東一段至東三段(Ed1-Ed3)[11-12].南堡凹陷總面積約1932km2,包括灘海面積1000km2和陸上面積932km2.南堡凹陷發(fā)育拾場次凹、柳南次凹、林雀次凹、曹妃甸次凹、北堡構(gòu)造、老爺廟構(gòu)造、高尚堡構(gòu)造、柳贊構(gòu)造和南堡1號-南堡5號構(gòu)造帶[3](圖1).

圖1 南堡凹陷區(qū)域構(gòu)造圖

2 天然氣賦存狀態(tài)

南堡凹陷現(xiàn)有的天然氣樣品主要為原油溶解氣,部分為純氣層樣品.氣層主要分布在北堡構(gòu)造、南堡5號構(gòu)造、南堡1號構(gòu)造及南堡2號構(gòu)造,其余構(gòu)造也有天然氣分布,但主要為原油溶解氣.在縱向上,館陶組、明化鎮(zhèn)組、東營組、沙河街組與前古近系基底儲層中均有油氣分布,但純氣層、凝析氣層主要分布在東一段和東二段,原油溶解氣遍布各個層位.

南堡凹陷各層位原油的氣油比普遍隨深度變淺而逐漸降低(圖2).這種變化特征表明隨著原油從深部向淺部運(yùn)移,溫度、壓力降低,原油中的天然氣因過飽和而溢出,形成了運(yùn)移過程中的逸散氣,原油的氣油比越低,逸散的天然氣越多.相同深度原油的氣油比越高,說明蓋層的保存條件越好.如B26X1井在相應(yīng)深度段出現(xiàn)了明顯較高的氣油比,與蓋層厚度大、保存條件好有密切關(guān)系.這種從原油中溢出的天然氣在中淺層可能聚集成藏,是中淺層天然氣成藏的重要方式之一[13-14].

圖2 南堡凹陷油氣層測試氣油比與深度關(guān)系圖

3 天然氣組成特征

3.1 天然氣成分組成特征

根據(jù)南堡凹陷204口鉆井的天然氣組分分析結(jié)果,統(tǒng)計了不同層位的天然氣主要烴類和非烴類成分含量的變化.可見,研究區(qū)天然氣以烴類氣體為主(表1),包括甲烷、乙烷至己烷以上的重?zé)N組分,并且隨碳數(shù)增加,烴類組分含量降低.烴類氣體中甲烷(CH4)含量最高,主要在65%～95%之間,少量在60%以下,個別接近100%.重?zé)N氣(C2+)含量主要小于35%,多數(shù)小于20%.非烴類氣體以N2和CO2為主.CO2含量小于20%,其中一部分介于10%～20%之間,主要分布在LPN1井、南堡2號構(gòu)造奧陶系、老爺廟構(gòu)造明化鎮(zhèn)組、南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造與南堡5號構(gòu)造東營組中,與斷裂溝通深淺層有關(guān);另一部分含量小于5%,多數(shù)小于3%,且分布廣.根據(jù)碳同位素分析結(jié)果,研究區(qū)的二氧化碳碳同位素組成主要介于-8‰～-0.4‰,為無機(jī)成因[15-16],但有機(jī)質(zhì)熱演化過程中也可以生成少量的二氧化碳,所以,研究區(qū)天然氣也可以有少量的有機(jī)成因二氧化碳的貢獻(xiàn).氮氣含量主要低于9%,多在5%以下,較低的氮氣含量均對應(yīng)于高二氧化碳含量,此外,氮氣含量隨深度增加無明顯變化,推測應(yīng)主要為有機(jī)成因[17](表1).

表1 南堡凹陷天然氣組分摩爾體積含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

不同天然氣樣品的干燥系數(shù)(C1/C1+)主要在0.5以上,以濕氣(干燥系數(shù)小于0.95)為主,358個分析樣品中干氣占11.45%.在不同層段天然氣樣品中,干氣樣品所占的比例不同(圖3).烴源巖層系之上的明化鎮(zhèn)組干氣樣品數(shù)相對最多,達(dá)到42.31%;館陶組干氣的優(yōu)勢降低,干氣樣品數(shù)占其天然氣樣品數(shù)的19.15%;東一段未見干氣樣品,東二段、東三段、沙一段干氣樣品較少,干氣樣品數(shù)分別占其天然氣樣品數(shù)的6.67%、6.25%和7.14%;沙三段干氣比例略有增加,占其總天然氣樣品數(shù)的10.53%;奧陶系則主要分布濕氣,偶見干氣,干氣樣品數(shù)占其天然氣樣品數(shù)的6.06%.可見干氣主要分布在相對淺的較新的地層中.

圖3 南堡凹陷不同層位干氣樣品點分布圖

圖4 南堡凹陷天然氣干燥系數(shù)與深度關(guān)系圖

南堡凹陷天然氣干燥系數(shù)與深度的關(guān)系(圖4)顯示,由深部到淺部,甲烷含量增高,干燥系數(shù)增大.干氣在2000m深度之上主要分布在明化鎮(zhèn)組和館陶組,在3000m深度之下干氣主要分布在沙三段(圖4),表明在目前的勘探深度范圍內(nèi),天然氣的垂向運(yùn)移分異作用明顯.相對淺部的館陶組和明化鎮(zhèn)組的干氣與深部烴源巖油氣向上運(yùn)移分異有關(guān);3000～4000m深度之間沙三段的6個干氣樣品分別分布在M28-6井、M30-6井、M25-13井、L12井、L13X1井和G6井中,其所在深度的烴源巖處于生油窗范圍,遠(yuǎn)未進(jìn)入干氣階段,應(yīng)是更深部的烴源巖生成的油氣經(jīng)斷層垂向運(yùn)移分異的結(jié)果.

3.2 天然氣烴類碳同位素組成特征

據(jù)南堡凹陷36口鉆井的天然氣碳同位素統(tǒng)計結(jié)果(圖5、表2),天然氣組分碳同位素組成以甲烷總體偏輕、重?zé)N組分總體偏重為特征.甲烷、乙烷、丙烷與丁烷的碳同位素組成(δ13C1、δ13C2、δ13C3、δ13C4)分布范圍分別為-48.20‰～-31.00 ‰、-30.38 ‰～-19.60 ‰、-28.50 ‰～-20.35‰和-27.03‰～-18.30‰(表2),均值分別為-38.70‰、-26.23‰、-24.32‰和-24.71‰.不同層位的烴類碳同位素組成也表現(xiàn)出一定的垂向運(yùn)移分異效應(yīng)(圖5),碳同位素組成隨深度變淺逐漸變輕,說明斷裂對于油氣垂向輸導(dǎo)的作用顯著.深部奧陶系天然氣的烴類碳同位素組成與沙三段天然氣接近,說明其間存在親緣關(guān)系.沙三段烴源巖覆蓋在奧陶系基底之上,生成的油氣就近向下運(yùn)移,形成奧陶系的油氣富集.

圖5 南堡凹陷天然氣組分碳同位素組成與深度關(guān)系圖

表2 南堡凹陷天然氣烴類碳同位素組成分析數(shù)據(jù)表

4 天然氣類型與分布特征

本文依據(jù)乙烷碳同位素(δ13C2)與丙烷碳同位素(δ13C3)組成進(jìn)行天然氣成因類型判別,腐殖型天然氣的δ13C2高于-25.1‰、δ13C3高于-23.2‰,而腐泥型天然氣的δ13C2低于-28.8‰、δ13C3低于-25.5‰[15-16].天然氣烴類碳同位素組成分析結(jié)果表明:已發(fā)現(xiàn)的天然氣類型主要為過渡型天然氣,腐殖型天然氣次之,腐泥型天然氣較少(圖6).根據(jù)甲烷碳同位素(δ13C1)組成,天然氣類型主要為成熟的熱降解氣,熱裂解氣很少.不同層位天然氣類型的分布具有一定差異,腐泥型天然氣主要分布在沙一段、東一段淺層,垂向運(yùn)移作用顯著;腐殖型天然氣主要分布在深層,垂向運(yùn)移作用似乎稍弱;過渡型天然氣則從上至下皆有分布,垂向運(yùn)移作用由強(qiáng)到弱(圖7).天然氣類型的平面分布顯示,腐泥型天然氣僅在北堡構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造有零星分布,腐殖型天然氣主要分布在南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造、南堡5號構(gòu)造以及高尚堡-柳贊構(gòu)造帶,過渡型天然氣分布則較廣泛(圖8).

圖6 南堡凹陷天然氣乙烷與丙烷碳同位素組成關(guān)系圖[15-16]

5 天然氣勘探領(lǐng)域分析

圖7 南堡凹陷不同層位天然氣類型分布頻數(shù)直方圖

圖8 南堡凹陷天然氣類型平面分布圖

表3 南堡凹陷主要層段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計表

前人研究表明,南堡凹陷主要有東三段、沙一段、沙三段3套烴源巖[18-20],有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高.東三段、沙一段與沙三段烴源巖的TOC平均值分別為1.15%、0.97%和1.32%,生烴潛力S1+S2平均值分別為4.00mg/g、2.68mg/g和6.56mg/g;氯仿瀝青"A"與總烴含量平均值依次升高,分別從0.09%增大到0.15%、從671.30X10-6增大到1100.00X10-6(表3).各層段均發(fā)育有機(jī)質(zhì)豐度較高的烴源巖,烴源巖母質(zhì)類型顯示(圖9),東三段和沙一段主要為混合型、腐殖型,沙三段除混合型與腐殖型外,還有腐泥型,其中腐泥型母質(zhì)主要分布在Es34段深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖中[18],這是腐泥型天然氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ).從烴源巖熱演化來看,東三段烴源巖Ro值主要介于0.32%～1.00%,平均值為0.65%;沙一段烴源巖Ro值分布于0.43%～1.30%之間,平均值為0.78%;沙三段烴源巖Ro介于0.40%～1.80%之間,平均值為0.86%(圖10).可見,東三段烴源巖處于生油高峰之前的演化階段,以生油為主,生氣較少;沙一段烴源巖主要處于生油窗范圍及其之前的演化階段,仍以生油為主,少量生氣;沙三段烴源巖主要處在生油窗范圍,達(dá)到高成熟演化階段,可以生成較多的天然氣和輕質(zhì)油.

研究區(qū)烴源巖的生物標(biāo)志化合物參數(shù)隨深度變化具有一定規(guī)律,ββ/(ββ+αα)-C29甾烷和C29Ts/C30藿烷等參數(shù)均隨深度增加而增大,且與Ro的變化基本一致(圖10、圖11).原油的相應(yīng)參數(shù)在深層與淺層變化不大,當(dāng)深度小于3000m時,原油的生物標(biāo)志化合物參數(shù)普遍低于相應(yīng)深度的烴源巖參數(shù);而在3000m深度之下,原油生物標(biāo)志化合物參數(shù)才逐漸接近烴源巖(圖11).烴源巖與原油生物標(biāo)志化合物參數(shù)的這種變化關(guān)系顯然預(yù)示了已發(fā)現(xiàn)的原油與淺層成熟度較低的烴源巖關(guān)系不大,而與深層成熟的烴源巖關(guān)系較大,作為與原油伴生的大量天然氣也來源于深層成熟烴源巖,具有明顯的原油垂向運(yùn)移特征.

圖9 南堡凹陷烴源巖有機(jī)質(zhì)與母質(zhì)類型圖

圖10 南堡凹陷烴源巖Ro與深度關(guān)系圖

已發(fā)現(xiàn)的不同類型天然氣在深度分布上具有一定特點,腐泥型天然氣主要處于中深層,腐殖型天然氣主要位于中深層的生油窗范圍內(nèi),而過渡型天然氣分布范圍廣,主要位于中淺層(圖12).綜合考慮烴源巖熱演化及其生油門限深度(3000m),腐泥型天然氣主要位于生油門限深度之上,垂向運(yùn)移特征最為顯著,結(jié)合段烴源巖形成于深湖相沉積環(huán)境,腐泥型天然氣主要來自深層段腐泥型和偏腐泥混合型成熟度較高的烴源巖.腐殖型天然氣主要位于生油門限深度之下,垂向運(yùn)移趨勢稍弱,以近源運(yùn)移為特征,以半深湖相烴源巖層系自生自儲為主,主要來自腐殖型烴源巖.過渡型天然氣主要分布在生油門限深度之上,少數(shù)在該深度之下.過渡型天然氣的特征介于腐泥型天然氣與腐殖型天然氣之間,而腐泥型天然氣主要由腐泥型或偏腐泥的混合型母質(zhì)生成,腐殖型天然氣主要由腐殖型或偏腐殖混合型母質(zhì)生成,所以腐泥型與腐殖型天然氣的混合可以形成過渡型天然氣,這種情況主要存在于同時發(fā)育典型腐殖型與腐泥型母質(zhì)烴源巖的地區(qū)[21].

另外,當(dāng)烴源巖中的有機(jī)質(zhì)介于典型腐殖型與腐泥型之間即混合型母質(zhì)時,由該母質(zhì)生成的天然氣則顯示出過渡型天然氣的特征.南堡凹陷的3套烴源巖(Ed3、Es1和Es3)主要為混合型母質(zhì),部分為腐殖型,因而過渡型天然氣主要應(yīng)來自混合型母質(zhì)的烴源巖;由于同時存在腐殖型與腐泥型母質(zhì),主要是沙三段存在腐泥型母質(zhì),所以也不排除部分為腐殖型天然氣與腐泥型天然氣混合的可能.從原油與天然氣的深度分布(圖11、圖12)來看,天然氣以深層烴源巖生氣遠(yuǎn)距離垂向運(yùn)移為主,也有近源短距離運(yùn)聚的天然氣,凹陷深部普遍存在的超壓是油氣沿斷裂垂向運(yùn)移的重要動力(圖13).

圖11 南堡凹陷烴源巖及原油生物標(biāo)志化合物參數(shù)與深度關(guān)系圖

圖12 南堡凹陷不同深度的天然氣類型分布直方圖

目前,研究區(qū)北堡構(gòu)造、南堡5號構(gòu)造、南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造分布的天然氣較多,結(jié)合烴源巖的分布[18-19],推測在南堡3號構(gòu)造、南堡4號構(gòu)造等勘探程度相對較低的地區(qū)同樣也應(yīng)分布較多的天然氣(圖14).目前發(fā)現(xiàn)的油氣在構(gòu)造高部位相對富集,油氣主要通過斷裂垂向運(yùn)移聚集成藏,以構(gòu)造油氣藏、構(gòu)造-巖性油氣藏為主,天然氣主要為原油溶解氣,少部分為氣頂氣和氣層氣,氣層頂部往往發(fā)育較好的泥頁巖蓋層.南堡凹陷深部位的烴源巖成熟度更高,在斷裂規(guī)模較小或斷裂不發(fā)育的凹陷內(nèi)及其斜坡部位,近源運(yùn)聚的火山巖氣藏、潛山氣藏、致密砂巖氣藏、巖性氣藏或輕質(zhì)油氣藏應(yīng)是下一步重要的勘探領(lǐng)域,天然氣類型以過渡型、腐殖型為主.同時,考慮到勘探實際,在陸上中淺層的館陶組、明化鎮(zhèn)組蓋層發(fā)育部位,原油垂向運(yùn)移溢出的過渡型天然氣形成的氣層也是可能的勘探領(lǐng)域之一,應(yīng)加強(qiáng)輸導(dǎo)條件與蓋層封蓋條件的研究.

圖13 北堡構(gòu)造地層壓力與深度關(guān)系圖

6 結(jié)論與認(rèn)識

(1)南堡凹陷油氣資源豐富,目前的勘探成果以石油為主,天然氣為輔.天然氣既有原油溶解氣,也有氣層氣,在北堡構(gòu)造、南堡5號構(gòu)造、南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造分布較多的天然氣層.純氣層、凝析氣層主要分布在沙一段與東一段,原油溶解氣遍布各個層位.已發(fā)現(xiàn)的天然氣以過渡型為主,其次為腐殖型,腐泥型相對較少.過渡型和腐泥型天然氣的垂向運(yùn)移作用顯著,而腐殖型天然氣的近源運(yùn)聚特征更為明顯.

(2)南堡凹陷天然氣勘探存在兩個重要領(lǐng)域:①凹陷深層及其斜坡部位成熟度較高的烴源巖形成的近源致密砂巖氣藏、巖性氣藏或輕質(zhì)油氣藏,天然氣類型可以是腐殖型、過渡型,也可以是腐泥型;②陸上中淺層原油中天然氣溢出形成的氣藏.考慮不同類型天然氣都可能向上運(yùn)移聚集及湖相烴源巖以混合型母質(zhì)為主的特點,淺層天然氣類型可能以過渡型和腐殖型為主.

圖14 南堡凹陷天然氣運(yùn)移成藏模式

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Genetic types and exploration field analysis of natural gas in Nanpu sag

Gao Gang1, Dong Yuexia2, Yang Shangru1, Zhao Zhongxin2, Dong Yan3, Gang Wenzhe1

( 1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing; 2 PetroChina Jidong Oilfield Company; 3 Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Xinjiang Oilfield Company )

The occurrence, geochemistry,genesis and distribution of the natural gas were studied for analysis of the natural gas exploration fieldsin the Nanpu sag. The Nanpu sag is rich in oil and gas resources, where at present, the primary exploration target is oil. Oil and gas resources have been found in the Guantao, Minghuazhen, Dongying and Shahejie Formations, pure gas and condensate gas are mainly distributed in the 1stand 2ndMembers of the Dongying Formation, and solution gas is distributed in all formations. The discovered natural gas is mostly wet gas with a small amount of dry gas, which are mostly distributed in the Beipu Structure, the Nanpu 1 Structure, the Nanpu 2 Structure and the Nanpu 5 Structure. The first type of the natural gas is transitional, second humic and third sapropelic. These three types of natural gas show stronger tendency of vertical migration, especially the transitional and the sapropelic gas. The important oil and gas exploration fields in this sag include: the natural gas accumulation of the overflowing gas from shallow-middle continental oil pools, and the near-source tight sandstone gas pools, lithologic gas pools or light oil and gas pools in the deep layers and the slope of the Nanpu sag.Shallow gas is mainly transitional and local gas is sapropelic. Deep gas includes sapropelic, humic and transitional type.

natural gas genesis, transitional natural gas, humic natural gas, exploration field, Nanpu sag

TE122.1

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.06.003

國家科技重大專項"南堡凹陷油氣富集規(guī)律與增儲領(lǐng)域"(2016ZX05006-006).

高崗(1966-),男,陜西西安人,博士,2005年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué),副教授,現(xiàn)主要從事油氣地質(zhì)與勘探的科研與教學(xué)工作.地址∶北京昌平府學(xué)路中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,郵政編碼∶102249.E-mail: gaogang2819@sina.com

2016-09-17;修改日期:2017-06-03