松辽盆地长岭断陷无机成因CO2气成藏条件分析

李 贶，王果寿，周卓明

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

松辽盆地长岭断陷无机成因CO2气成藏条件分析

李 贶，王果寿，周卓明

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

随着深层天然气勘探的进展，在松辽盆地长岭断陷的多个气田中发现了含量不等的CO2气体。通过天然气的CO2碳同位素值和3He/4He值，分析了长岭断陷CO2气体的成因类型，认为长深2、长深4、长深6井区以及松南气田的CO2气体为幔源无机成因为主，而东岭气田的CO2气体为有机成因，这主要受控于断陷内的深大断裂的分布。盆地内地幔隆起导致地壳减薄而发育的低速高导岩浆房、长岭断陷深层“网状结构”的构造拆离带和基底深大断裂则是长岭断陷无机成因CO2气藏形成的有利条件。

无机CO2；碳同位素；深大断裂；岩浆活动；成藏条件；长岭断陷；松辽盆地

世界上许多国家在火山活动区发现有CO2气藏。中国东部已发现35个CO2气藏，这些气藏CO2含量均大于60%，其中绝大部分在90%以上[1]。CO2气藏主要分布在中国东部的断陷盆地中，在陆上有苏北盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、三水盆地等；在海上有东海盆地、莺—琼盆地和珠江口盆地等。长岭断陷位于松辽盆地中央断陷区南部，区内的天然气藏主要分布在腰英台构造带、达尔罕构造带、查干花次凹、东岭构造带上，气藏中CO2的含量有明显的差异。前人对长岭断陷CO2气的成因和来源也多有论述[2-7]，多数研究者认为是幔源成因，但也有学者认为深层无机CO2气藏是下白垩统营城组火山岩脱气形成的[8]。因此，本次研究在判别长岭断陷不同构造带上的CO2气体有机或者无机成因的基础上，来分析无机CO2气的成藏条件，以此掌握CO2气的分布规律。这为CO2和烃类气的钻前预测提供了理论依据，对避开CO2气寻找烃类气藏也具有重要的意义。

1 不同CO2含量气藏分布特征

长岭断陷目前已发现的大中型气藏主要有4个，分别是：①位于长岭断陷中部凸起带腰英台构造上的松南气田，主要钻井有腰深1井、长深1井、腰深101井等；②位于长岭断陷东南东岭构造带上的东岭油气田，主要钻井有SN101井、SN180井等；③位于前神字井构造带上的长深2、长深4气藏；④位于黑帝庙构造上的长深6气藏。其中，与烃类气共存的CO2主要分布在松南气田和东岭气田，而长深2、长深4、长深6气藏则是纯CO2气藏。如图1所示，可以看到在不同的构造带上有明显的差异，从西北向东南含量明显减少。CO2含量与深大断裂关系密切，在北部，靠近基底断裂的CS2、CS4、CS6等井CO2含量在90%以上，是比较纯的CO2气藏；而远离深大断裂的东南部东岭气田的CO2含量明显较低；在中部腰英台、达尔罕构造带上的CO2含量则介于两者之间，说明CO2的含量可能受深大断裂的控制。

图1 松辽盆地长岭断陷气藏及CO2含量分布

2 CO2气体成因类型分析

CO2气体的成因可以分为有机成因和无机成因两大类。有机成因CO2是指有机物在细菌作用下遭受氧化分解而形成，干酪根在热降解或热裂解作用下也可形成一定量的CO2气体。有机成因的CO2由于形成时极易被水溶解，因此其含量百分比一般不会超过20%。无机成因的CO2可以由碳酸盐岩化学分解而形成，或者由幔源岩浆析出而形成[9]。CO2气体成因类型判识除考虑其产区的地质构造和岩石化学特征外，还需要综合分析CO2的含量和碳同位素组成、天然气中伴生烃类气与稀有气体的同位素组成数据，以及利用它们之间的组合关系进行判断。

表1 长岭断陷含CO2代表井地球化学特征

注：本文数据由无锡石油地质研究所和兰州地质所测定；R代表样品的3He/4He值，Ra代表大气的3He/4He值。

戴金星等[10]在综合大量国内外的CO2数据后总结认为，无机成因CO2的δ13CCO2值一般在-8‰～3‰之间；而有机成因CO2的δ13CCO2值则小于-10‰；δ13CCO2值在-10‰～-8‰之间为有机和无机CO2的指标重叠区域；此外，在气体组分中CO2含量达到60%以上的为无机成因CO2气。

笔者统计了长岭断陷各构造带上钻井的CO2含量以及其他地球化学特征(表1)，可以看出长深2、长深4、长深6井区的CO2含量均在60%以上，是无机成因的。而松南气田的腰深1、腰平1、腰平7等井则是烃类气体和CO2的混合气体；CO2含量变化较大，低至5.7%，高的也达到60%以上，东岭气田的CO2含量则很低，基本小于1%。通过CO2含量和δ13CCO2值的关系图版(图2)可以判断：松南气田的YS1、YP1、YP7、YS101、YS2井，包括吉林油田的CS1、CS1-1、CS1-2、CS2、CS4、CS6井的δ13CCO2值均大于-8‰，均为无机成因；而东岭气田的SN180、SN101井以及达尔罕断凸带上的LS1井δ13CCO2值均小于-10‰，属于有机成因。

前文已述，无机成因CO2可分为两类，一类是幔源CO2，一类是碳酸盐岩热分解形成的CO2。研究认为，碳酸盐岩热分解形成CO2的δ13CCO2值为0±3‰，而幔源CO2的δ13CCO2值为-8‰±2‰[11]，两者存在重叠区域，因此利用该值不能有效区分这两类无机成因的CO2。何家雄等[12]研究表明，碳酸盐岩热分解成因中伴生的氦表现出壳源氦的同位素特征，R/Ra<0.1，莺歌海盆地的CO2就是典型的碳酸盐热分解成因；而幔源氦的R/Ra>1。因此，利用与CO2伴生的稀有气体氦的同位素可以区分这两类成因的CO2。长岭断陷无机成因CO2气体中的R/Ra值均大于1，而且绝对值较高(表1)，因此长岭断陷的无机成因CO2应该属于岩浆—幔源成因。

图2 松辽盆地长岭断陷有机与无机CO2鉴别

3 无机成因CO2成藏条件

3.1 气源条件

长岭断陷的无机成因CO2主要为幔源成因，与盆地区域构造背景分不开。长岭断陷所在的松辽盆地位于中国东部地壳减薄带之上，该处的莫霍面深度一般位于29～33 km范围之内，周边的莫霍面深度均在34 km以上[13]。

松辽盆地的上、中地壳间存在一个平均密度为2.45 g/cm3、厚度为2～5 km的低密度层，其顶面埋深为18～20 km。据速度和电性资料表明，在中地壳(15～20 km深度范围)中存在速度为6.00～6.10 km/s的低速异常体，同时还对应着电性高导层[14]。这个低速高导层是指上地幔发生部分熔融，析离出来的流体相在静压力作用下不断上升，最终穿过莫霍面后在下地壳上部或中地壳内聚集而成的岩浆房[15]。岩浆房是壳内岩浆的发源地和发生高级变质作用的场所，是地幔流体中He、CO2等气体的储集库，是幔源CO2气体向中浅部圈闭运移、输导的中转站[16-17]，是长岭断陷无机CO2气的主要气源。因此，长岭断陷具备了形成无机CO2气藏的基底、地壳结构条件和气源条件。

3.2 输导条件

在中地壳下部或下地壳中，有时会沿强变形带出现“之”字形变化，强变形带呈“菱形”排列在一起，交织分布的韧性剪切带和透镜体共同构成“网状结构”或“鳄鱼结构”(图3)[18]。一般情况下，这些“网状结构”或“鳄鱼结构”出现在深度较深的下地壳层次上，但在地温梯度较高的地区或一些特殊构造作用影响的地区，它们也可能出现在中地壳的较浅层次上，如松辽盆地南部的一些地震剖面上所反映出来的。

松辽盆地北部绥芬河—满洲里地学断面垂直地震反射资料[18]显示，在安达—肇州段的基底存在着比较明显的拆离构造，拆离面大于15°并向东倾斜，拆离面深度在10 km左右。在长岭断陷，笔者也发现了类似的结构。据CL-492线地震剖面解释(图4)，该测线位于长岭断陷南部的长岭次凹及达尔罕断凸、伏龙泉次凹等构造单元上，长岭次凹的盆地底面(或盆地基底顶面)位于大致3.5 s的位置、7 800～8 000 m的深度上，该深度与松辽盆地北部的基底埋深大体相当，在该深度上也发育了类似的“次级拆离带”，但沿该拆离带消失的断层数量不是很多，多数断层切过了这个深度界面。纵向剖面上也表现出类似的断层特征(图5)在5～6 s的这个深度上，长岭断陷的地震剖面上似乎也表现出拆离面的特征。在CL-492线上，在约5.5 s的深度上，大致可解释出一条线，在该线之上，发育了比较显著的平行—亚平行、连续平行、杂乱和斜交等特征的反射波组，据松辽盆地北部解释，这些波组代表古生代(及前古生代)的变质岩系，主要发生脆性变形。这些脆性变形体反映出了逆冲叠瓦、推覆构造等构造形态。该界面之下，波组不太发育，表现为弱反射和空白反射。没有表现出与上覆脆性变形层相似的强反射波组，同时许多断层也终结于该界面之上。在CL-1486线上也表现出类似的特征(图5)，在5.5～6.5 s深度上，解释出一个界面，同样在该界面之上有比较显著的强反射波组，且这些波组反映了一定的构造变形特征；该界面之下，波组似乎不太强烈和显著。而且在该纵向剖面上，表现出由南向北方向该界面逐渐变深的趋势。

图3 地壳中变形拆离带组成的网状结构[18]

图4 松辽盆地长岭断陷深层地壳结构及断裂解释(NNW向CL-492测线) 剖面位置见图1。

图5 松辽盆地长岭断陷深层地壳结构及断裂解释图(NNE向CL-1486测线) 剖面位置见图1。

因此，在松辽盆地南部长岭断陷的5～6 s深度上，也发育了一个地壳界面，即上述的“构造拆离带”，它代表的是上地壳和中地壳层间的界面。沿该界面之上为上地壳，主要以脆性变形为主，断层比较发育，波组比较连续强烈和显著。结合区域地质分析表明，长岭断陷地壳内发育了由变形拆离带组成的网状结构，这些网状结构是由一系列韧性剪切带、拆离带构成的，它们起到了沟通地球深部流体、气体向上运移的作用。因此，网状结构是长岭断陷形成无机气藏的有利因素。

从图1可以看出，断陷内高含量CO2的分布与深大断裂的分布关系密切。如靠近前神字井断裂的CS2、CS4井区，CO2的含量达到90%以上，靠近达尔罕断裂的松南气田CO2含量也较高，都是无机成因的；而到了东南部的东岭气田，由于远离基底断裂，CO2含量很低，而且是有机成因的。整体上长岭断陷无机CO2的分布与断陷内的深大断裂的分布一致，因此深大断裂的发育通过“类网状结构”相互交切，延伸到上、中地壳间的构造拆离带中，是地壳深部与浅部储集层间沟通的关键控制因素。而且天然地震活动反映出[19]，这些深大断裂在新近纪晚期的活动性较强，一方面沟通了地壳与浅层，另一方面造成了岩浆的活动和喷发，而喷发出来的火山岩则成为了长岭断陷内断陷层的重要储层(如营城组)。

4 结论

(1)长岭断陷有纯CO2气藏和烃类气体与CO2混合气藏。纯CO2气藏为幔源无机成因；而混合气藏当中，松南气田的CO2气属于幔源无机成因，东岭气田的CO2气属于有机成因，这主要受控于断陷内深大断裂的分布，如前神字井断裂和达尔罕断裂。位于深大断裂附近的CO2气体为幔源无机成因，远离深大断裂的CO2气体为有机成因。

(2)盆内低速高导层岩浆房的存在，是长岭断陷能发育无机CO2气藏的气源条件；网状结构的构造拆离带，是联系壳内岩浆房和基底断裂的纽带；而活跃的基底断裂，则是无机CO2气藏最重要的输导体系。

(3)无机CO2有其工业意义，但我们国家对可燃天然气的需求更加强烈，而无机CO2对业已存在的烃类气藏和油藏造成了一定程度的破坏作用，因此找出CO2分布规律有助于从另一个侧面指导勘探。找寻可燃天然气，建议尽力避开无机高纯CO2地区，在紧邻生烃洼陷的地区来寻找，如查干花次凹的西部深凹带以及北正镇断阶带紧邻东岭油气田的新安镇等有利圈闭。

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(编辑 韩 彧)

Inorganic carbon dioxide gas reservoir formation in Changling Fault Depression, Songliao Basin

Li Kuang, Wang Guoshou, Zhou Zhuoming

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

With the development of deep gas exploration, some huge, enriched zones of CO2have been found in the Changling Fault Depression of the Songliao Basin. The origin of the CO2was analyzed for carbon isotope values of and the3He/4He ratio was determined. The CO2gas in the Changshen2, 4, 6 well blocks and the Songnan gas field is mainly inorganic gas sourced from the mantle, while that in the Dongling gas field is organic gas. The type was controlled by the distribution of deep fractures in the fault depression. The low-speed and high-conductivity magma chambers resulted from crustal thinning during mantle uplift, the “mesh structure” tectonic detachment belt in the deep Changling Fault Depression and the deep and extensive faults on the basement are the advantageous conditions for the formation of inorganic CO2reservoirs.

inorganic CO2; carbon isotope; deep and huge fault; magmatic activity; reservoir formation conditions; Changling Fault Depression;Songliao Basin

1001-6112(2015)04-0439-06

10.11781/sysydz201504439

2015-01-16；

2015-06-03。

李贶(1980—)，男，工程师，从事有机地球化学研究。E-mail：kuangli.syky@sinopec.com。

中国石化东北油气分公司项目“松南长岭断陷无机成因气识别及分布规律研究”(G1200-08-WT-0439)资助。

TE132.3

A