松辽盆地南部长岭断陷营城组火山岩天然气成因与成藏

曹 跃，高胜利，乔向阳，刘喜祥，高鹏鹏，季 阳

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，陕西 西安 710075； 2.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；3.西安石油大学 外国语学院，陕西 西安 710065； 4.吉林油田分公司 松原采气厂，吉林 松原 138000)

引 言

随着松辽盆地在深层火山岩勘探获得重大突破，深层勘探思路进行了调整。层位上调整到营城组火山岩、砂砾岩储层，火山岩油气藏提升为主要的勘探对象。领域上调整到长岭断陷和英台断陷。其中，长岭断陷是松南深层面积最大、埋藏最深的复合断陷，资源量约1.71×1012m3，具备形成大中型气田的物质基础；同时长岭断陷营城组火山岩发育、喷发规模大、物性较好，具有良好的勘探前景[1]，是近期寻找大中型气田的首选领域。

前人对长岭断陷火山岩地层、断陷结构、烃源岩、火山岩储层、天然气成因及成藏条件等方面开展过大量的研究工作，取得了大量的成果。李瑞磊等[2]、王苗等[3]认为火山岩是松辽盆地断陷期盆地充填的主体，营城组发育完整的火山-沉积序列。李丹等[4]、马常春等[5]、李浩等[6]、谢忱等[7]认为长岭断陷为多个断洼组成的复合断陷群，沙河子组为区内主力烃源岩。王璞珺等[1]、刘哲等[8]、任宪军等[9]认为长岭断陷喷溢相上部亚相和爆发相热碎屑流亚相储层较好。李贶等[10]、陈杰等[11]、孙明亮等[12]认为哈尔金构造天然气是同源不同期的煤成气，而CS6等井区CO2气藏则为幔源无机成因气。张祎[13]等、陆建林等[14]认为长岭断陷具备形成以火山岩气藏为目标的大中型气田的条件。

综述前人研究成果，大量研究工作集中在断陷结构、构造、烃源岩、火山岩储层、成藏特征等基础地质研究方面，而天然气成因与成藏规律的研究不够深入。特别是随着勘探持续扩展，暴露出一系列地质问题：①对长岭1号烃类气成因认识存在多解性，即煤成气观点、无机甲烷气观点、有机气和无机气形成混合气观点等：②对火山岩成藏规律认识不清，即有CO2气藏，也有以烃类为主的气藏，有的形成了混源气藏,还有的没有成藏；③天然气成因类型、成藏期次以及与深大断裂关系研究不够，CO2富集条件不清楚，烃类气勘探方向不明朗。基于以上原因，开展了长岭断陷营城组火山岩天然气成因及成藏规律研究，以期通过对长岭断陷天然气成因及气源特征研究，深化混合气及CO2气藏的成藏条件及规律认识，建立混合气、CO2气藏成藏模式，指导天然气勘探部署工作。

1 工区概况

长岭断陷为松辽盆地南部资源最丰富的断陷[15]。深部地层自上向下划分为泉头组(k1q)、登娄库组(k1d)、营城组(k1yc)、沙河子组(k1sh)、火石岭组(k1h)和基底(pz)。其中，泉头组(k1q)地层为坳陷沉积，登娄库组(k1d)为断-坳转换沉积，营城组(k1yc)-火石岭组(k1h)为断陷沉积。长岭断陷总体为西断东超的复合型断陷，按照基底、断裂及断陷地层发育情况，将营城组顶面可划分为乾安洼陷、黑帝庙洼陷、中部前神子-哈尔金凸起、东部伏-双-大斜坡带。钻探资料揭示，长岭断陷天然气成因及分布比较复杂，东部斜坡带发现了双坨子、大老爷府、大房身等烃类气藏，目的层为坳陷层泉头组一段、二段及登娄库组碎屑岩；中部凸起带发现了长岭1号混合气藏，目的层为营城组火山岩；中部凸起带西部发现了前神子井、神北、黑帝庙等CO2气藏，目的层也是营城组火山岩。考虑到伏-双-大东部斜坡带碎屑岩烃类气研究程度相对较高，认识比较统一，本文重点对研究程度较低的中部凸起带长岭1号混合气和中部凸起带西部CO2气的成因与成藏规律进行探讨。

2 天然气成因及气源特征

2.1 长岭1号烃类气成因分析

长岭1号气田是松辽盆地南部首次发现的大型混合气田。天然气组分是以甲烷为主，甲烷含量61.89%～91.87%。含少量CO2和N2。其中CO2含量13.99%～97.07%，N2含量4.75%～6.77%。为了研究混合气成因，开展了天然气碳同位素等方面分析工作(表1)。

从表1可知， 长岭1号天然气甲烷碳同位素δ13C1多数样品分布为-13‰～-26‰，乙烷碳同位素δ13C2多数样品分布为-24‰～-28‰。按照烃类气δ13C1-δ13C2分类鉴别图版(图1),烃类气主要分布在煤型气区间，由此确定长岭1号烃类气成因类型为煤型气。

戴金星等总结了1 515个国内外不同类型有机成因气的碳同位素分类图版(图2)，可以较详细划分天然气成因。由烃类气δ13C1-δ13C2-δ13C3分类图版可知，长岭1号样品点几乎全部落入了Ⅲ2区，此区域为同一气源、不同生烃期的煤成气。仅有2个样品点落在Ⅲ2区以外，同时考虑到长岭1号几乎所有样品甲烷碳同系物值呈反序排列，而负碳系列的形成主要与无机成因气体的混入有关。由此说明长岭1号存在无机甲烷气混入，为有机与无机烷烃混合气成因。以上认识与昝灵等[16]、周卓明等[17]观点相一致。

表1 长岭1号烃类气碳同位素分析成果表Tab.1 Carbon isotope analysis result of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gasfield

2.2 CO2成因分析

CO2成因分为有机和无机两大类。有机CO2主要是在埋藏较浅的生物化学作用阶段有机物在细菌的作用下遭受氧化分解而形成。无机成因可分为碳酸盐岩热分解形成的CO2和岩浆-幔源成因的CO2。

图1 长岭1号烃类气δ13C1-δ13C2分类鉴别图版Fig.1 δ13C1-δ13C2 plots of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gasfield

图2 长岭1号烃类气δ13C1-δ13C2-δ13C3分类图版Fig.2 δ13C1-δ13C2-δ13C3 plots of hydrocarbon gases in Changling No.1 Gas Field

戴金星等[18-19]认为，有机二氧化碳同位素δ13CCO2小于-10‰，无机二氧化碳碳同位素δ13CCO2大于-10‰，碳酸盐岩受热分解形成的二氧化碳同位素δ13CCO2大多在-3.7‰～3.7‰之间，壳源-岩浆无机二氧化碳碳同位素δ13CCO2为-10‰～-6‰，幔源无机成因的二氧化碳同位素δ13CCO2多在-8‰～-4‰。长岭断陷23个二氧化碳样品中，二氧化碳同位素δ13CCO2值多数介于-0.006 8‰～-5.45‰之间(表2)，说明二氧化碳多以岩浆-幔源成因为主，与李贶等[10]、陈杰等[11]认识基本相同。

另外， 天然气伴生的稀有气体同位素也可以判断天然气的成因， 如He和Ar。本文重点应用氦同位素特征来辅助判别天然气成因。依据戴金星等天然气成因分类标准(表3)， 壳源-岩浆氦3He/4He比值为n×10-7～n×10-6， 幔源氦3He/4He比值大于1.1×10-5；另外R/Ra<1与壳源氦有关，R/Ra>1与幔源氦加入有关(R/Ra来表示氦同位素的特征，R表示样品的3He/4He比值，Ra表示大气的3He/4He比值)；同时普遍认为N2气含量较高、并与He气共存等是岩浆成因气的标志。长岭断陷气样品采用兰州市皋兰山顶的空气做标准样品(表2)， 样品普遍具有3He/4He高比值的特征， 为2.61×10-6～2.91×10-6， 平均2.87×10-6，R/Ra为1.86～4.56， 平均值为2.05， N2含量范围4.8%～7.8%， 判断稀有气体氦为壳源-幔源成因。

表2 长岭断陷二氧化碳碳同位素及氦同位素分析成果表Tab.2 Carbon isotopes of carbon dioxide and helium isotopes in Changling Depression

表3 天然气成因分类标准(戴金星、王涛等)Tab.3 Classification criteria for natural gas genesis(Dai Jinxing，Wang Tao,et al)

3 成藏条件及模式

3.1 成藏条件

长岭断陷中西部以火山岩混合气藏、二氧化碳气藏为主。肖永军等[20]认为火山岩成藏主要受气源、储集层和输导体系共同控制。张祎[13]等认为长岭断陷古构造、气源、深大断裂、近火山口中酸性火山岩是天然气聚集成藏的关键因素。为此，重点开展了气源岩、火山岩储层、疏导体系及封盖层等方面的分析工作。

(1)气源条件。对于长岭1号有机煤型气的气源，多数人认为是由西侧前神子井断洼和东侧哈尔金断洼双向供烃(图3)。然而笔者综合钻井、天然气组分及甲烷碳同位素等资料分析，认为长岭1号烃类气主要由东侧哈尔金断洼供烃，主要证据有3点：①钻遇前神子井断洼的CS2、CS4等钻井，在营城组未发现大量暗色泥岩(泥地比小于10%)，仅仅发现了含量超过98%的高纯度CO2气藏；②钻遇东侧哈尔金断洼的YS2井、YS3井揭示沙河子组暗色泥岩26～116 m(泥地比59%～34%)，发现了YS2、YS6、YS3等一批烃类气藏，天然气同位素与长岭1号气藏相似(图3、表4)；③哈尔金大断裂为沟通哈尔金断洼油气的气源断裂，是沟通长岭1号天然气运移聚集的重要通道。

对于长岭断陷无机CO2气源，大家认识基本一致，以岩浆-幔源成因气为主，因此CO2气源来自两方面：①长岭断陷营城组一段、营城组三段以火山岩为主，火山岩分布广、规模大、厚度大，在地温梯度大于3.5 ℃/100 m的区域内脱出CO2;②来自上地幔隆起区，此区为高含CO2热液资源库。

图3 长岭断陷东西向天然气成藏示意图(谢忱等)Fig.3 A schematic diagram of natural gas accumulation in the east-west direction in Changling Depression

气藏井号井深/m层位同位素δ/‰C1C2C3C4CO2YS13 544～3 750k1yc-21.20-26.5-26.70-33.20-7.9YS13 405k1d-20.80-24.70---15.3YS1013 570～3 583k1d-24.43-27.12-27.48-33.50-6.6哈尔金断洼YS1023 685～3 710k1yc-23.41-26.38-26.59-32.82-5.0YS23 830～3 846k1yc-30.00-33.00-29.80-27.80-5.7YS23 827k1yc-30.40-33.70-30.50-31.40-5.7ts6 k1sh-29.0032.50-30.20--

(2)储集条件。长岭1号营城组火山岩体为至少3期裂隙式喷发的大型火山机构。主要岩性为溢流相和爆发相的中酸性凝灰岩、流纹岩、火山角砾岩、原地溶蚀角砾岩等(图4)。火山岩储集空间划分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝3种类型[21]。不同火山岩岩性具有不同储层物性特征，原地溶蚀角砾岩孔隙度一般为14%，渗透率一般为1×10-3μm2；流纹岩和火山角砾岩孔隙度一般为6%～4%，渗透率一般为1.0×10-3μm2；较差的是凝灰岩，孔隙度一般为3%～5%，渗透率(0.01～0.05)×10-3μm2。综合分析认为，火山岩物性主要受岩性、岩相、构造运动和风化淋滤溶蚀等因素控制，其中近火山口喷溢相带、古构造高部位风化淋滤溶蚀岩相带是优质储层发育区[15]。

图4 长岭1号火山岩岩性和岩心Fig.4 Lithology and core photos of volcanic rocks in Changling No.1 Gas Field

(3)运移及封盖条件。长岭1号天然气输导体系为断层、裂缝及不整合面等[22]。哈尔金深大断裂控制的大型火山岩体为长期发育的古构造，火山岩体长期受构造运动剥失和风化淋滤溶蚀等作用，发育了多期不同大小规模的构造缝、扩溶缝、收缩缝等，为天然气运移聚集提供了良好运移通道。同时长岭1号发育良好的区域盖层和直接盖层，泉头组二段为大套泥岩夹薄层砂岩，可作为区域盖层；登娄库组下部泥岩发育，可作为直接盖层。

3.2 成藏组合及模式

综合气源条件、储集条件、疏导体系及封盖条件等方面成果，分析认为长岭断陷中西部发育下生上储型和深源浅储型2种成藏组合类型(图5)。

图5 长岭断陷天然气成藏模式Fig.5 Accumulation modes of natural gas in Changling Depression

(1)下生上储型成藏组合

此类气藏主要为长岭1号火山岩气藏(田)。烃源岩为沙河子组暗色泥岩，李浩等[6]、谢忱等[7]认为沙河子组古水体较深，湖泊水体还原性较强，泥岩有机质丰度高,为区内主力烃源岩。储集层为营城组多期次喷发的火山岩体，优质储集层为溢流相和爆发相的中酸性凝灰岩、流纹岩、火山角砾岩、原地溶蚀角砾岩，郑曼等[15]、徐宏节等[21]认为原地火山角砾岩物性最好，主要孔隙类型为孔隙型、裂缝孔隙型、孔隙裂缝型和裂缝型等。疏导体系主要为哈尔金深大断裂及其派生的小断层，以及构造运动和风化淋滤溶蚀等作用产生的各种裂缝。油气运移动力为沙河子组煤系暗色泥岩生烃增压，以及与营城组储层过剩压力差。封盖层主要为登娄库组下部厚层泥岩，泥地比大于40%。依据激光拉漫光谱分析方法，确定烃类气成藏期为青山口组—姚家组沉积时期[23-24]，据此分析认为，东侧哈尔金次洼为主要生烃凹陷，沙河子组暗色泥岩生成的流体异常压力是天然气向上部营城组运移聚集的源动力，青山口组—姚家组时期为大量油气成熟期，此时生成的天然气沿着哈尔金深大断裂、次生小断层及火山岩裂缝进入营城组火山岩储层，在登娄库组下部泥岩封盖下，于火山岩古构造高部位聚集成藏，主要形成构造烃类气藏。

(2)深源浅储型成藏组合

此类气藏为前神字井、神北、黑帝庙及北四号等二氧化碳气藏。气源一方面来自上地幔上隆地区，该区为高含CO2热液资源库；另一方面也可来自多期次喷发的大型火山岩体，在地温梯度大于3.5 ℃/100 m的区域内脱出CO2。储集层可以是营城组火山岩，也可以是登娄库组或者泉头组碎屑岩。疏导体系为沟通上地幔隆起区的区域深大断裂，以及与深大断裂派生的次级断层。封盖层主要为登娄库组下部暗厚层泥岩和泉头组二段大套红色泥岩。依据激光拉漫光谱分析方法，确定CO2成藏期为泰康组-大安组沉积时期[23-24]。据此分析认为，深部幔源CO2或者营城组火山岩高地温脱出CO2，在区域深大断裂沟通条件下，于泰康组-大安组时期进入营城组火山岩储层，在登娄库组下部厚层泥岩封盖条件下，于火山岩古构造高部位聚集成藏，主要形成构造CO2气藏。

4 结 论

(1)依据长岭1号烃类气同位素及同系物排列，按照戴金星等烃类气δ13C1-δ13C2分类鉴别图版，判定以煤成气为主；按照金星等烃类气δ13C1-δ13C2-δ13C3分类图版，多数样品点落入煤成气区，只有2个样品点落在煤成气区外面，再参考烃类气同系物呈反序排列，综合判断长岭1号以煤成气为主，同时有无机甲烷气混入。

(2)依据长岭CO2组分大于20%，CO2同位素δ13CCO2多数分布在-0.006 8‰～-5.45‰之间，R/Ra为1.86～2.29,结合N2气含量较高(4.8%～7.8%)、并与He气共存是岩浆成因气的标志的分析，综合判断长岭断陷CO2以岩浆-幔源成因为主。

(3)依据气源条件、储集条件、运移及封盖条件等综合分析，认为长岭1号混合气成藏关键为烃源岩、古构造背景、近火山口相大型火山机构与深大断裂的有效耦合，主要形成下生上储型成藏组合。因此，围绕哈尔金断洼烃源岩寻找近火山口相火山机构是实现有机烃类气勘探的关键。

(4)依据气源岩、储集与运移等条件综合分析，认为CO2成藏关键要素与火山岩喷发规模、古地温梯度、沟通上地幔的区域深大断裂有关，主要形成深源浅储型成藏组合。因此，高古地温梯度背景下，受深大断裂控制的大型火山机构为CO2富集区。