渤海湾盆地6000m深油气成因及勘探潜力

2015-12-17孙菲菲

西部探矿工程 2015年4期

关键词：裂解气烃源深层

马鹏，孙菲菲，李林，王权，王静

（1.中国石油新疆油田分公司，新疆克拉玛依834000；2.中国石油华北油田分公司，河北任丘062552）

渤海湾盆地6000m深油气成因及勘探潜力

马鹏*1，孙菲菲2，李林1，王权2，王静2

（1.中国石油新疆油田分公司，新疆克拉玛依834000；2.中国石油华北油田分公司，河北任丘062552）

渤海湾盆地霸县凹陷牛东1井在6000m深度的潜山发现了高产轻质油和天然气，井底温度达到201℃，油气当量超过1000t/d，揭示了深层油气勘探潜力巨大。但是对于该油气成因存在不同的认识，有人认为是潜山油藏在新近纪快速埋藏过程中原油受到高温而裂解形成轻质油和天然气，有人认为是深层高成熟烃源岩生成的轻质油和天然气再充注成藏的。分别采取与牛东1井油气相关的成熟度较低的烃源岩样品和原油样品，进行生烃热模拟实验，得到了不同成熟度的油气产物，并且通过分析对比原油和天然气中共同存在的8个轻烃地球化学参数，发现霸县凹陷深层油气是源自高成熟烃源岩，不是潜山内原油裂解形成的。在成因研究的基础上对深层的勘探前景进行预测。

霸县凹陷；油气成因；烃源岩热解气；原油裂解气

霸县凹陷经过几十年勘探，发现的60%油气储量主要分布在埋藏深度小于3000m的第三系储层中[1]。在凹陷东北的苏桥-文安地区4000m以下的石炭—二叠系发现一些油气藏（图1），其油气源已经被确认为石炭二叠煤系烃源岩[2]。该烃源岩分布范围如图1所示，在新近纪埋藏到3500m以下时发生了再次生烃[3]，并且生成的烃类为高成熟轻质油和天然气，这些油气可以单独充注成藏，也可以与沙河街组烃源岩生成的油气混合充注成藏[4]。由此可见，苏桥—文安地区石炭—二叠系油气的分布受煤系烃源岩分布及其二次生烃控制，其油气成因问题基本解决，本文不再进行讨论。

2011年在6000m深的前寒武（雾迷山组）潜山发现高产油气藏（牛东1井5671～6027m的前寒武系潜山储层试油，获得日产轻质油642.9m3、天然气56×104m3），这是渤海湾盆地目前发现的深度最大、储层温度最高的（201℃）油气藏。除此之外，先前两年完钻的兴隆1井和文安1井在沙四段发现岩性油气藏、文古3井发现了寒武系府君山组潜山内幕油藏（图1），揭示了霸县凹陷深层高温条件下具有良好的油气形成和勘探潜力。但是，深层油气成因问题已成为盆地进一步勘探的主要问题。

1 成因问题的提出

前人已经证实霸县凹陷深层油气主要源自沙四段烃源岩[5]，为什么还要开展油气成因研究呢？因为沙四段烃源岩大约在沙一段沉积期开始生成成熟度较低的油气，那么与沙四段接触的潜山及沙四段内部的圈闭在同期可能就得到油气充注而成藏；明化镇组沉积期沙四段烃源岩大部分进入高成熟阶段，生成的轻质油和天然气会再次充注已有的油气藏。这样就是说，霸县凹陷深层油气有2种成因：（1）早期形成的油藏（即“古油藏”）在新近纪深埋期受到高温（如牛东1井油藏温度达到201℃）裂解形成的轻质油和天然气[6-7]；（2）新近纪以来高成熟的沙四段烃源岩生成的轻质油和天然气充注形成的油气藏[8-9]。这两种成因会带来两种不同的勘探思路[10-13]：按照前一种成因，就应当先找“古油藏”，考察有没有裂解气形成和保存条件，再考虑勘探部署；按照第二种成因，只要寻找沙四段烃源岩能够充注油气的圈闭就行。显而易见，第一种成因的油气资源潜力较小，因为“古油藏”的数量可能有限；第二种成因的油气资源潜力相当大。因此需要开展深层油气成因的研究。

2 油气成因研究方法

采集霸县凹陷成熟度较低的沙四段烃源岩和已经证实源自沙四段烃源岩的低成熟原油（表1），利用生烃模拟装置进行高温高压条件下油气生成模拟实验，分别分析烃源岩和原油在高成熟条件下降解的油气组成和性质，分析对比原油和天然气中共同存在的8个轻烃地球化学参数，判别牛东1井油气是烃源岩高温热解成因，还是原油高温裂解成因。

图1 霸县凹陷深层油气分布图

2.1 实验装置和流程

表1 样品基本数据

实验装置主要由两部分组成：高温高压热模拟系统和色谱分析系统。高温高压热模拟系统由8个高压釜、1个高温加热炉、1套加压系统、1套真空系统和1套气体收集系统组成[14-16]。温控系统设计了恒温和程序升温2种升温模式，升温速率有5℃/h、10℃/h、20℃/h、40℃/h、60℃/h、80℃/h和180℃/h，连续工作实际温度漂移≤±5℃。最高温度可达800℃，可承受的最大压力为100MPa。色谱分析系统包括两台色谱仪：（1）天然气组分分析：柱系统为HP-PLOT Al2O3柱（Ø0.53mm× 50m）、PORAPAK Q柱（Ø3.175mm×1.83m）和碳分子筛柱（Ø3.175mm×1.525m），采用双阀切换系统，可以分析出C1-C8的烃类和CO2气体。（2）原油分析：色谱柱为HP-5毛细柱（30m×320um×0.25mm），能分析出C10-C40之间的组分。另外，实验装置还包括AS系列超声波抽提装置、族组分分离装置、LA310S型电子分析天平（精度1/1000）、ⅠKA A11basic分析用研磨机等。具体实验流程如下：

取烃源岩样品粉碎至80目，采用精度为1/1000的分析天平准确称量10～50g后装入高压釜。待连接好管线后反复抽真空，并用氮气置换后抽真空，保证排净釜内空气后充入0.1MPa氮气（以保证取气时釜内外压力平衡及消除釜内的死体积，使得取气量准确），关闭好高压釜阀门。先以180℃的升温速率全功率加热至200℃以后，以40℃/h开始程序升温。每组实验的设定温度点分别为Ro=1.5%的520℃、Ro=1.8%的560℃、Ro=2.1%的600℃、Ro=2.5%的630℃。到达设定温度点后恒温1h，然后取出高压釜。待釜冷却至室温，采用排饱和食盐水法取气，并计量气体量。取完气体后，及时采用气相色谱仪对模拟气体进行气体组分分析，以防止苯和CO2等组分大量溶于水。对残渣样品进行超声抽提定量液态产物，进行族组分分离后，使用HP-5890A型色谱分析仪进行饱和烃色谱分析。原油裂解模拟实验的方案与烃源岩热解相似，最后收集生成的气体，并同样需要进行饱和烃气相色谱分析。最后对牛东1井的油样进行饱和烃色谱分析。

2.2 实验结果分析

牛东1井井口分离器油样含有较多的低碳数烃类（nC10以前）及轻烃组分，主峰碳为nC8，油质较轻；实验室油样含有较多的高碳数烃类，低碳数烃类及轻烃组分相对少一些，主峰碳为nC11,油质相对重一些，但是2次样品的轻烃分布具有相似特征，显示原油具有相似性。原油正、异构烷烃分布峰型呈前峰型，Pr/Ph为1.31，Pr/nC17和Ph/nC18相对较小，分别为0.10和0.07，一方面显示原油具有较高的成熟度，另一方面显示源岩的沉积环境水体咸度不大，原油当中长链烷烃（C20以前）明显少于短链烷烃（图2）。

图2 牛东1井全油色谱分析

研究证实烃源岩热解气和原油裂解气的轻烃组成存在较为明显的差别[17]。因此选择气态烃和轻质油中轻烃组分具有地球化学成因意义的正构烷烃、环烷烃及芳烃组成参数，如CC5、nC6、nC5、MCC5、CC6、MCC5、MCC6、nC7、甲苯、苯、DMCC5，具体化合物名称见表2，实验研究发现，烃源岩热解气的（CC5、nC5、MCC5、MCC6、苯、DMCC5）低于原油裂解气，而它们的nC6、MCC5、MCC5、nC7、甲苯参数差别较小（表3）。牛东1井的轻烃参数跟烃源岩热解气比较接近。

表2 牛东1井原油中不同化合物简式说明表

2.3 牛东1井油气为沙四段高成熟烃源岩热解气

通过热模拟实验结果分析发现，烃源岩热解气和原油裂解气在轻烃产率上存在差异。为了得到更明显的鉴别标志，选用ln（CC5/nC6）、ln（CC5/nC5）、甲苯/苯、（MCC5+CC6）/nC6、CC6/nC5、（CC5+MCC5+CC6）/（nC5+ nC6）、DMCC5/CC5、（MCC5+CC6+MCC6）/（nC6+nC7）等8个参数，用这些参数作了4个散点图，发现原油裂解产物与烃源岩热解产物在4个图上具有明显的分区现象（图3），说明在高成熟条件下，原油裂解气和烃源岩热解气是可以鉴别的。

表3 热模拟实验产率数据分析表（单位：mL/g TOC）

图3 烃源岩热解和原油裂解产物轻烃参数的差异性

将前人研究证实的烃源岩热解成因的和原油裂解成因的相应数据（塔里木盆地轮南地区、满东—英吉苏地区[18]、东营凹陷民丰地区[19-20]投到该图上，发现所得结果与前人研究成果相当吻合（图4），表明本文模拟实验及图3是正确的。将牛东1井的原油轻烃和天然气相应数据投到图4上，发现牛东1井的数据点落在烃源岩热解气的区域内，说明该油气是烃源岩热解成因的。

牛东1井天然气的特征明显位于烃源岩热解气的区域内，因此认为，牛东1井油气为沙四段烃源岩热解成因。

3 深层勘探潜力

沙四段烃源岩构成了深层主力油气源，利用BASⅠMS盆地模拟系统对其进行生烃潜力评价，估算出沙四段生油量为33.35×108t、生气量为3.66×1012m3。目前，深层勘探程度很低，只有牛东1井、文安1井和文古3井发现工业油气流，由此可见霸县深层勘探潜力很大[21]。

霸县凹陷陡坡带发育牛东、兴隆1东、岔89等雾迷山组潜山，缓坡带发育下古生界及前寒武潜山，凹陷北部二台阶潜山，它们均可能成为沙四段烃源岩的充注对象。此外，沙河街组以及下伏孔店组构造—岩性圈闭也重要的成藏对象。加强深层的地震等勘探部署，有望取得更大的突破。

4 结论

（1）通过烃源岩和原油生烃热模拟实验证实牛东1潜山油气是沙四段高成熟烃源岩热解成因，否认了油气是早期油藏裂解形成的。

图4 烃源岩热解气和原油裂解气的鉴别及其应用

（2）沙四段烃源岩厚度大、有机质类型较好，热演化程度高，生成轻质油和天然气的潜力很大，但目前勘探程度低。加强深层地震勘探，有望取得更大突破。

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