松辽盆地南部深层天然气成因及来源探讨

松辽盆地南部深层天然气成因及来源探讨

0其他金塔气田天然气随着松辽盆地区南部深度天然气的勘探，长岭断裂带不仅发现了大量的天然气储量，而且还发现了以烃为主的高含量天然气储量。多数学者认为松辽南部CO2气,与火山活动产生大量的CO2相关,为无机幔源成因,如长岭断陷万金塔气田。近年来在松辽南部断陷层系发现的另一种类型的天然气,CO2含量较高,在10%～20%,烃类气体在80%左右,如德惠断陷小和隆气田、农安气田等,其烃类气体与CO2均为有机成因,主要为煤成气或油型气或二者的混合气,为有机成因的天然气;另外,还有一种类型,如长岭断陷营城组与登楼库组天然气,天然气的组成与德惠断陷有机成因气类似,但CO2主要为幔源成因,而烃类气体的成因有较大的争议,有学者认为是断陷层析的煤系地层生成的高成熟的煤型气,也有学者认为天然气中烃类气有幔源无机成因的贡献。研究以松南气田深层天然气实测地球化学数据为依据,分析该区深层天然气的成因,划分天然气成因类型,确定气源方向,有助于深化该区天然气成因及成藏的认识,同时确定有机与无机成因天然气的判别模式。1上、下白垩统松南气田处于松辽盆地中央断陷区南部长岭断陷和查干花断凹之间的达尔罕断凸带上(图1)。钻井揭示的地层主要包括下白垩统火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)和泉头组(K1q),上白垩统青山口组、嫩江组、明水组和四方台组。下白垩统主要为断陷型盆地沉积,上白垩统为坳陷型盆地沉积。区内基底为中等变质的石炭系碳酸岩和复理石建造的粉砂岩-页岩及中酸性火山岩系,受近南北向早期基底构造控制。松南气田营城组与登楼库组天然气储层主要为火山岩,主要岩石类型为流纹岩与凝灰岩,孔隙类型有气孔、溶孔、粒间(内)孔、微孔、构造缝、微裂缝等,其储集类型以裂缝-孔隙型和孔隙型为主,纵向上一个火山喷发旋回晚期(即喷溢相上部),发育的气孔流纹岩、碎裂的溶蚀角砾岩是储层的有利部位,而致密的熔结凝灰岩,流纹岩是裂缝发育的有效层段。长岭断陷深层早白垩纪火石岭组、沙河子组、营城组煤系地层有机质丰度高、有机质类型主要为Ⅱ2～Ⅲ型,热演化为高成熟—过成熟,主要生成天然气,为该区有机成因气的主要气源岩。松辽盆地南部断陷层系构造活动强烈,发生多期火山活动。广泛分布的深大断裂,为深层无机成因气的运移通道,有无机成因气的地质条件。2松南气田深层天然气的地球化学特征2.1天然气成因类型松南气田产层为营城组(K1yc)与登楼库组(K1d)火山岩储层气藏,营城组为主要产层,对天然气样品的地球化学组成分析,研究天然气的地球化学特征、探索天然气成因类型。松南气田营城组的天然气组分分析表明其天然气CH4含量在70%左右,重烃中C2H6含量为0.51%～1.81%,C3以后的重烃含量极少,天然气的干燥系数为0.97～0.99,表现为干气特征;天然气中的非烃含量高,主要有CO2与N2,其中CO2含量为20.74%～25.70%,N2含量为3.73%～6.98%(表1)。基于营城组中天然气的有机组分主要为甲烷,重烃含量少,干燥系数大,认为非烃含量高的干气,说明天然气成熟度高,与常规天然气藏的组成差别较大。2.2营城组天然气中其他碳同位素天然气的同位素值与源岩的母质类型、源岩热演化与成因关系密切。对于有机成因的天然气甲烷同位素热演化程度越高,甲烷同位素越重。煤型气同位素要比油型气重,无机成因天然气比有机成因天然气重。YS1井登楼库组有两个天然气同位素样品的数据,CH4,C2H6及CO2的同位素数据来看也比较相似,深度为3495m的天然气,甲烷为-20.8‰、乙烷-24.7‰,碳同位素较重,比高成熟的煤型气同位素还要重得多,δ13C1>δ13C2,甲烷与乙烷同位素发生倒转,δ13CCO2为-15.3‰,为有机成因CO2范畴(表2)。YS1井营城组天然气有4个样品数据,甲烷与乙烷碳同位素略比登楼库组轻-2.0‰左右,具有δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4,呈负碳同位素特征,乙烷与丙烷的同位素值比较接近,正丁烷倒转亦十分明显。δ13CCO2为-7.9‰～-5.5‰,CO2同位素重,具有无机成因的特征。处于同一构造上的CS1,CS1-1,CS1-2井营城组的天然气甲烷δC1范围为-26.5‰～-18.3‰,甲烷同位素变化比较大;一般都具有δ13C1>δ13C2,甲烷与乙烷的碳同位素发生倒转,CO2的同位素有两类,CS1井营城组、CS1-1营城组3739m以上气层δ13CCO2为-7.5‰～-4.63‰,CO2为无机成因,CS1-1井3880m(营城组)及CS1-2井3838m(营城组)δ13CCO2为-11.6‰～-11.9‰,CO2为有机成因与无机混合成因。松南气田登娄库组与营城组天然气组分碳同位素总的特征为甲烷碳同位素偏重、同位素发生明显的倒转有δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4,烃组成碳同位素发生系列倒转现象;CO2的同位素为:-15.3‰～-4.63‰,表明既有有机成因也有无机成因CO2。3气、变质岩气、无机矿物分解气根据天然气来源不同,天然气可分为无机成因气、有机成因气与混合成因气。无机成因的天然气包括幔源气、岩浆岩气、变质岩气及无机矿物分解气;有机成因气包括油型气与煤型气,混合成因天然气包括煤型气与油型气混合、有机成因与无机成因气的混合等类型。通过对松南气田天然气藏的地质特征及烃类气体的组成、碳同位素值及同位素的相互关系,CO2及惰性气体同位素分析,松南气田天然气的成因类型可能存在有机成因气、无机成因及混合成因3种类型。3.1ch4—松南气田天然气的烃类气体成因判别烃类气体成因可以通过3种经验图版来判别:3.1.1δ13C1-δ13C2分类模图版据δ13C1-δ13C2分类模版可以将有机天然气划分成生物气、油型气和煤型气3种类型。同时对油型气类型进一步划分,根据其演化程度分为成熟、高成熟和过成熟3种亚类。从生物气—煤型气,天然气甲烷、乙烷碳同位素逐渐变重;随着天然气成熟度增加,甲烷与乙烷的碳同位素也变重。松南气田的天然气碳同位素点均分布在Ⅲ区为煤型气区,说明天然气有煤型气的特点(图2)。3.1.2δ13C1-δ13C2-δ13C3分类图版利用1515个国内外不同类型有机成因气的碳同位素值编制经验图版,鉴别是否为有机成因气的类型,如果有无机成因气,数据点会出现在各类型之外。松南气田天然气的同位素在δ13C1-δ13C2图版中天然气数据均落在Ⅲ2区及以外的相邻区(图3),表现为同源不同期的煤成气同位素倒转区。δ13C1-δ13C3图版中天然气数据则落在邻近Ⅲ2区以外区,表明天然气的同位素特征及倒转特性不全是由同源不同期的煤成气引起的,还有其他成因的天然气的混入(图3)。3.1.3δ13CCH4-δ13CCO2分类图版从CH4与CO2共生体系碳同位素热平衡原理出发,以世界上己有CH4与CO2共生体系中测得的CH4与CO2碳同位素为依据,将自然界不同成因类型的CH4与CO2共生体系划分为3个区。张厚福(1999)按Craig(1979)提出的CH4与CO2碳同位素热平衡原理的近似方程,计算出天然气形成温度,并标入该图版中,把天然气的来源分为3种成因(图4)。Ⅰ区:为无机成因气区,该区的δ13C1由-41‰～-7‰,δ13CCO2由-7‰～+2.7‰。洋脊喷出气、温泉气、火山气和各种岩浆岩和宇宙物质包裹体中的气体均属此区。Ⅱ区:为生物化学气区,该区的δ13C1由-92‰～-54‰,δ13CCO2由-36‰～+1‰。地球上浅层生物成因气、现代沉积物中所有的CH4与CO2共存的天然气均属此。Ⅲ区:为有机质热裂解气区,该区的δ13C1由-40‰～-19‰,δ13CCO2由-30‰～-16‰,沉积岩中的分散有机质、泥炭、煤和石油的热裂解气均落于此区。松南气田天然气组份以二氧化碳和甲烷为主,为甲烷与CO2二者共存。从δ13CCH4-δ13CCO2分类图上,绝大部分数据点全落在I区,也就是无机成因气区,部分点介于Ⅰ、Ⅲ区之间,表明有机成因气的混入造成,无机成因气的形成温度大致在400℃～500℃左右(图4)。无机成因气来源广泛、复杂,多与宇宙或地球深处地幔、岩浆活动有关,其成因机理目前还不清楚。无机成因天然气常沿深大断裂或转换断层上升至沉积圈,或存在与深大断裂有关的逆冲断层推覆带圈闭中、或在不整合覆盖在结晶变质基底突起之上的沉积岩中,聚集形成工业气藏。无机成因气绝大部分属于干气,或以CH4气为主或以CO2气为主或以N2气为主,视来源不同而异。负碳同位素序列是无机成因气区别于有机成因气的明显特征。甲烷到丁烷的碳同位素值是由轻到重,即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4,为正碳同位素序列;甲烷到丁烷的碳同位素值由重到轻,即δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4,为负碳同位素系列。一般有机成因气天然气组分为正碳同位素系列,无机成因气为负碳同位素序列。无机成因CH4碳同位素的值较重,部分学者把界限定为δ13C1值大于-20‰(表3),但δ13C1值大于-30‰更为合理。因此,用此标准结合世界各地无机成因甲烷的碳同位素特点,松辽盆地南部深层天然气成因甲烷碳同位素判别标准:当δ13C1>-20‰为无机成因,当δ13C1<-30‰为有机成因,-30‰<δ13C1<-20‰为无机与有机气体混合区。有机成因烷烃气碳同位素的值表现为正碳系列δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4,但也有同位素发生倒转的特征,如δ13C1<δ13C2>δ13C3>δ13C4,或δ13C1<δ13C2<δ13C3>δ13C4等,也就是说有机成因气的混合只能引起部分组分碳同位素倒转。主要原因是油型气与煤成气混合,其次还有菌解、高温、渗滤作用等也可使碳同位素系列发生倒转。有机与无机成因的混合气,如以无机成因气为主,表现为负碳同位素序列,如有机成因气为主,主要表现为部分组分碳同位素发生倒转。松南气田天然气组分分析数据显示,以CH4与CO2为主。其中烃类气体CH4含量高,重烃含量少,为干气,有煤型气或无机成因气的组成特征。其δ13C1值大于-30‰,部分δ13C1值接近-20‰,最低为-18.3‰,而且都表现为负碳同位素序列,因此,该区天然气普遍具有具有无机成因输入特征,为无机与有机气体混合造成的。因此,松南气田营城组与登楼库组的天然气均为干气,天然气中CO2含量高的δ13C1接近-20‰,天然气具有负碳同位素序列,表现了较强的无机成因气的特征,应该为煤型气与无机成因气的混合气。因此该区的天然气中烃类气体的类型为“煤幔”混合气。3.2其他天然气藏气有机质在演化生烃过程中在生成烃类的同时也会生成一些非烃气体,因此常规的天然气中除烃类气体外也含有一些非烃气体,一般的天然气中非烃气体包括CO2,N2。常规的天然气藏中天然气组分烃类气体占90%以上,CO2,N2等非烃气体总量一般小于10%。在特殊的地质条件下能够形成CO2气藏或高含CO2气的天然气藏,如松辽的万金塔CO2气藏、济阳坳陷的平方王CO2气藏以及琼13-1高含CO2天然气藏等。这些CO2气藏与高含CO2的天然气藏的CO2成因都为无机成因,与盆地的深大断裂与火山岩活动有关,为幔源成因的CO2气。松南气田天然气中主要的无机气体为CO2与N2,CO2含量在20.74%～25.70%,N2为3.73%～6.98%,为高CO2天然气藏。判别CO2的成因最有效的办法是使用天然气中CO2同位素来判别,一般情况下,有机成因的CO2同位素δ13CCO2<-10‰,无机成因的δ13CCO2>-10‰,幔源成因的δ13CCO2值在-4.0‰～-8.0‰,而碳酸盐岩热分解产生的CO2气的δ13CCO2一般在-3.5‰～3.5‰,变质岩成因的气δ13CCO2值则偏重,一般δ13CCO2值在-0.477‰～0.292‰范围内。统计不同成因的CO2同位素中,松南深层天然气中CO2气的同位素有3种类型,第一类为:天然气中δ13CCO2在-7.9‰～-4.63‰,为无机成因的CO2,如CS1,CS1-1,YS1等井营城组天然气中的CO2;第二类天然气为δ13CCO2在-15.0‰左右,为深层煤成气伴生CO2气,如YS1井登楼库组天然气中的CO2气;第三类气体δ13CCO2在-11.0‰左右,介于有机成因气与无机成因气之间,为混合成因CO2气,如CS1-1,CS1-2营城组较深部位(图5)。3.3低碳气体组分的天然气成因分析氦的两个稳定同位素3He,4He具有不同成因,3He主要为元素合成时形成的核素,4He则主要为地球上放射性元素铀、钍衰变的产物。3He,4He的差异为地球上3种不同来源的氦提供了标志,3He/4He的比值:大气氦为1.4×10-6、壳源氦为4.0×10-7、幔源氦为1.1×10-5。由于工业气井中大气氦可以忽略不计,因此可以用二元复合模式来讨论幔源与壳源氦在天然气中的份额。松南气田R/Ra为1.9～2.29,平均值为2.05,凡R/Ra>1,则表明天然气中的氦有幔源氦加入,并且说明该盆地构造活动性大、基底断裂发育且岩浆活动较强烈。3He/4He的值为(2.61±0.07)×10-6～(3.21±0.09)×10-6,介于壳源氦与幔源氦之间,证明天然气中的氦有幔源氦的加入。根据前面天然气甲烷计算混源的公式可以计算出天然气中幔源氦的比例为23.71%～29.17%,平均为26.12%。从天然气3He/4He值的定量计算可以判定天然气中有幔源成因的气体输入(表4)。通过对天然气烃类组分与无机组分的地球化学特征分析,松南气田登娄库组与营城组天然气甲烷碳同位素偏重,一般大于-30.0‰,烃类气体同位素发为负碳同位素序列,说明天然气中应该有无机成因烃类气体的输入。天然气中的CO2含量高,其CO2同位素偏重,主要分布在幔源成因CO2同位素范围,为无机成因CO2,惰性气体3He/4He表明也有幔源氦的贡献,因此该区天然气为幔源气与煤型气形成的混合气藏,为高含CO2的壳幔混合气藏。4混合比例计算方法不同成因类型的天然气发生混合,是一种物理过程,符合量守恒原则,即混合前后甲烷碳同位素总量不变。利用对不同成因气及同源不同期的天然混合的系统研究,建立两端元天然气混合比例的数学计算公式。(δ13C1)混·V=(δ13C1)1·V1+(δ13C1)2·V2式中:(δ13C1)混.混合气的甲烷碳同位素的丰度;(δ13C1)1,(δ13C1)2.两种被混合气的甲烷碳同位素丰度;V.混合气的总体积;V1,V2.两种被混合气的体积。当知道混合气及被混合气的甲烷碳同位素丰度时,即可计算出被混合气的体积比例,此种方法只能粗略的计算二者混合比例,且只能代表所测气样或所测气层的混合比例,不能代表整个气藏混合特征。天然气混合比例计算公式:V1/V=(δ13C1)混-(δ13C1)2(δ13C1)1-(δ13C1)2计算的关键是端元值的选取,松南气田天然气主要是无机气与煤型气的混合,没有纯煤型气。选取CS1-2井K1yc组3838m天然气为纯无机成因天然气的端源,该井天然气甲烷碳同位素为-18.3‰,为长岭断陷营城组天然气中甲烷同位素最重的气藏;松南气田营城组没有典型的煤型气,对长岭断陷TS6井K1yc,及德惠断陷的CHS1井K1sh,H4井K1yc,N101井K1yc井等为深层天然气纯煤型气,结合甲烷同位素分布与产层层位与构造位置