松辽盆地德惠断陷火石岭组天然气成藏机理

邓守伟

中国石油吉林油田勘探开发研究院，吉林松原 138000

0 引言

德惠断陷隶属松辽盆地东南隆起区内的次一级构造单元(图1)，面积约3 008 km2，包括七个次级构造单元[1]。截止目前已钻探了50口探井，在德深11井、德深12井、德深17井、农101井等已经获得高产气流，德惠断陷深层火石岭组含气面积广，天然气资源潜力巨大，是吉林油田天然气的千亿方规划区。但由于地质条件复杂，断裂发育，生、储、盖配置关系不明确，使得该区的天然气勘探程度低。本文基于地震、测井、钻井等基础地质资料，结合烃源岩岩石热解、天然气组分分析、流体包裹体等分析化验数据，在油气成藏理论的指导下，研究松辽盆地德惠断陷火石岭组天然气的成藏机理，对该区天然气的勘探和开发具有一定的指导意义[2-4]。

图1 松辽盆地德惠断陷地理位置与构造单元划分(据葛荣峰等[3]修改)Fig.1 Location and structural units of the Dehui fault depression in Songliao Basin (modified from Ge et al.[3])

1 地质背景

松辽盆地是晚古生代变质岩基底上发育起来的中生代沉积盆地，德惠断陷属于松辽盆地东南隆起区的次一级构造单元，根据其构造演化特征，可以将本区划分为：农安地堑、华家洼槽、鲍家洼槽、农安南洼槽、合隆洼槽、兰家洼槽与龙王构造带[5-7]。

德惠断陷为双断型的地堑，与松辽盆地一起主要经历了初始张裂、断陷发育和坳陷三个阶段的构造演化过程(图2)。1)初始张裂期(C-J)：该时期有强烈的火山活动，同时形成不同的洼槽和小型凸起，晚侏罗纪时期，岩浆活动剧烈，地层受热拱而张裂，沉积了火石岭组火山岩及碎屑岩。2)断陷发育期(K1sh-K1yc)：包括了强烈断陷和持续断陷阶段，受断层的控制而接受沉积，此阶段断层较陡，同时局部地区发生火山活动，而沙河子组沉积时期是该区断裂发育的高峰期，营城组沉积时期，地层发生大规模的拉张，到末期，受燕山运动的影响，断裂的发育逐渐减弱，盆地边缘及隆起区域出现不同程度的剥蚀。3)断坳转换—坳陷发育期(K1d-K2n)：断裂的发育减弱，断陷作用向坳陷转化。在坳陷期之后，地层发生了不均匀的抬升和剥蚀。总体来看，该断裂的形成与火石岭组沉积期的热拱作用有密切的联系，同时在沙河子组及营城组沉积期也受到影响，盆地的断陷为湖盆的形成及有机质的来源奠定了物质基础，为油气藏的形成提供了良好的环境[8-10]。

火石岭组、沙河子组、营城组属于松辽盆地的断陷期沉积地层，营城组沉积后构造活动趋于平缓，盆地转化为坳陷期，三套地层共同构成了德惠断陷深层的油气有利勘探区。德惠断陷的深层沉积了上侏罗统和白垩系的湖泊相—河流相沉积地层，分别对应火石岭组、沙河子组、营城组，深部的生储盖组合很发育，构成了有利的含油气组合[5-10]。火石岭组(J3h)分为三段，厚度在300～1 000 m，为本文研究的目的层位，从下至上分别是：火一段、火二段、火三段，岩性主要以玄武岩、凝灰岩、安山岩以及湖相的碎屑岩沉积为主。火一段下部为厚层的凝灰质砂岩沉积，上部为泥岩或泥质粉砂岩与凝灰岩互层沉积，粒度总体上表现出正韵律的沉积特征；火二、三段总体为一套湖相碎屑岩为主体的沉积地层，火山岩较发育，泥岩、砾岩、砂岩与之形成了互层沉积(图3)。

2 典型油气藏解剖

德惠断陷中、北部和东南部的火石岭组均发生了油气的运移与聚集，发现的气藏集中分布在中央断裂带的华家构造的高位狭小地区，为断块、断鼻圈闭气藏。共发现5个气藏，其中3个低产气藏，2个工业气藏。其中德深11井在2 538 m～2 565 m的砂砾岩中揭示商业气层，日产气53 600 m3，为断鼻气藏；德深12井在3 051～3 090 m的凝灰岩中日产气12 800 m3，属于断块—地层型气藏，在3 320～3 349 m的砂岩中日产气12 200 m3，属于断块—背斜型气藏；德深2井在3 026.5～3 034.6 m的砂砾岩中获低产，日产气1 400 m3，为断鼻气藏；农101井和农103井同处于一个断背斜圈闭中，分别在2 326～2 343 m、2 340～2 348 m的凝灰岩中获851 m3和3 900 m3低产气藏。德深16井也在火石岭组中指示低产气藏，圈闭类型为半背斜。

图2 松辽盆地德惠断陷构造演化模式图Fig.2 Tectonic evolution of the Dehui fault depression, Songliao Basin

图3 松辽盆地德惠断陷综合柱状图Fig.3 Stratigraphic column of the Dehui fault depression, Songliao Basin

德深12井气藏位于华家构造带(图4)，夹于两条断层之间，气藏的圈闭类型是受到断裂控制而形成的断块油气藏。德深12井在火石岭组3 061～3 073 m的凝灰岩和3 325～3 332 m的细砂岩中获得日产12 800 m3和12 280 m3的天然气。储集层为特低孔特低渗的致密储集层，在气藏上倾方向被反向断层所遮挡，为典型的断层遮挡气藏，其下倾方向有反向断层提供气源通道，天然气储集在特低孔特低渗的致密地层中，油气的运移是不畅通的，没有断层的输导，油气难以有效运聚成藏。因此，断裂对断块圈闭的成藏起了极为重要的供气作用。正是由于断裂沟通了优质烃源岩生成的天然气，在圈闭中聚气成藏。而目前发现的4个工业气藏(农103井基岩气藏、德深11井火石岭组气藏、德深12井火石岭组气藏和合12井营城组气藏)均为反向断层遮挡，说明反向断层的封闭性好。油气藏的油源断裂多位于其下倾方向或其下方，且多为反向断层，表明这些作为油源断裂的反向断层又具有良好的输导性能。

3 油气来源及烃源岩特征

(1) 烃源岩特征

火石岭组属于松辽盆地断陷期沉积的地层，沉积期断裂发育，水体较深，为烃源岩的形成创造了良好的环境。通过岩石热解参数对烃源岩进行了评价：火一段TOC值小于0.5%的样品占样品总数量的7%，其均值介于1.0%～1.5%，S1+S2小于0.5 mg/g的样品占样品总数量的8%，而均值介于0.5～4.0 mg/g；火二段TOC值小于0.5%的样品占样品总数量的14%，而均值介于1.0%～1.3%，S1+S2小于0.5 mg/g的样品占样品总数量的32%，而均值位于0.5～2.0 mg/g；火三段TOC值小于0.5%的样品占样品总数量的11%，而均值位于1.0%～3.5%，S1+S2小于0.5 mg/g的样品占样品总数量的19%，而均值位于0.5～3 mg/g；火石岭组三个层段都是烃源岩TOC的均值大于1.0%，S1+S2的均值范围为0.5～2.0 mg/g，可以为天然气的成藏提供充足的气源，而有机质丰度表现为：火三段>火一段>火二段(图5)。

图4 松辽盆地德惠断陷德深12井—德深17井气藏剖面图Fig.4 Gas reservoirs in the Dehui fault depression, Songliao Basin (Well DS12-Well DS17)

有机质的类型多以II1～II2型为主，III型为辅(图6)，推断天然气的类型可能是煤型气和油型气的混合。影响有机质生烃的重要因素是有机质的热演化程度。从Ro的分析来看，Ro值均大于0.7%，均值为1.5%，为高熟阶段，烃源岩达到了生烃条件，干酪根发生了烃类的转换。火石岭组位于断陷的深层，其地温相对较高，有利于有机质向烃类的转化，热演化程度高(图7)。

通过对德惠断陷烃源进行生、排烃史模拟，深层火石岭组烃源岩存在三个生、排烃高峰，分别是沙河子组沉积末期、泉头组沉积末期、嫩江组沉积末期(图8)；泉头组—嫩江组沉积期烃源岩的生、排烃量最大，应该是天然气大量聚集成藏的时期。

(2) 天然气的成因及来源

轻烃地球化学参数是进行天然气成因类型研究的可靠证据。正庚烷主要来自藻类和细菌，对成熟度作用十分敏感，是良好的成熟度指标。利用正庚烷、二甲基环戊烷和甲基环己烷为顶点编制的正庚烷轻烃系统三角图可以区分煤型气(II)和油型气(Ⅰ)(图9)。松辽盆地德惠断陷深层的天然气均属于煤型气，只有沙河子组的一个样品为油型气，故可认为本区的天然气以煤型气为主，这与前文的干酪根类型与成熟度有很好的匹配关系。

轻烃指纹对比是天然气来源分析的主要地球化学方法，即气藏中天然气的指纹参数与对应的烃源岩吸附气的指纹参数具有较好的相似性，同一烃源岩层位的吸附气在理论上应该是一样的，但是常常由于烃源岩的多次生排烃及成熟度的变化会导致轻烃指纹在一定范围内有变化，而天然气气样与对应烃源岩吸附气轻烃指纹的差异有可能是因为天然气混源的结果，所以在运用轻烃指纹进行气源对比时要综合考虑其他因素[11-14]。根据对火石岭组天然气及火石岭组、沙河子组、营城组源岩吸附气的轻烃指纹测试情况，挑选了15项重要的配比系数对火石岭组天然气进行了气源对比研究(图10)。轻烃指纹对比特征中，除了德深13井火石岭组烃源岩的甲基环己烷/正庚烷指数差异较大以外，其他测试样品的轻烃指纹变化趋势相似，推测是火石岭组、沙河子组、营城组具有相似的有机质来源特征。通过精细研究对比，发现德深12井火石岭组气样主要来源于火石岭组烃源岩，与沙河子组泥岩有一定关系，但沙河子组烃源岩供烃并非占主导。

图5 德惠断陷火石岭组烃源岩有机质丰度分布特征Fig.5 Histograms of source rock organic matter abundance from the Huoshiling Formation, Dehui fault depression

图6 火石岭组烃源岩O/C与H/C关系图Fig.6 Correlation between O/C and H/C from source rocks in the Huoshiling Formation

图7 德惠断陷火石岭组Ro(%)分布直方图Fig.7 Histogram of Ro(%) for the source rocks in the Huoshiling Formation

图8 松辽盆地德惠断陷火石岭组烃源岩动态生烃曲线Fig.8 Hydrocarbon generation curves of the Huoshiling source rocks in the Dehui fault depression, Songliao Basin

图9 松辽盆地德惠断陷深层天然气成因类型判识图Fig.9 Deep gases and their genetic types from the Dehui fault depression, Songliao Basin

4 油气成藏期次

流体包裹体是成岩过程中捕获的地层流体，这些包裹体记录了地史时期的相关的地质信息，为研究油气的成藏提供了有力的证据。分析烃类包裹体及共生的盐水包裹体的均一温度，并结合埋藏史可以确定油气的成藏时间，同时，通过研究烃类包裹体的荧光特征，可以有效的确定油气成藏的期次[15-17]。包裹体荧光颜色特征是油气成熟度、成因、分异作用和比重的表现，通过荧光强度和均一温度的测试可以确定油气的成藏期次。

图10 松辽盆地德惠断陷德深12井火石岭组轻烃指纹特征 1. 异戊烷/正戊烷；2. 甲基环己烷/正庚烷；3. 2,2-二甲基丁烷/2-甲基戊烷；4. 2,2-二甲基丁烷/3-甲基戊烷；5. 2-甲基戊烷/3-甲基戊烷；6. 2-甲基戊烷/正己烷；7. 2-甲基戊烷/3-甲基己烷 8. 正己烷/环己烷；9. 甲基环戊烷/甲基环己烷；10. 1，反3-二甲基环戊烷/1，反2-二甲基环戊烷；11. 甲基环己烷指数；12. 正己烷/(甲基环戊烷+2,2-二甲基戊烷)；13. 3-甲基己烷/(1,1-二甲基环戊烷+1，顺3-二甲基环戊烷)；14. 2,3-二甲基己烷/2-甲基庚烷；15. (4-甲基庚烷+3,4-二甲基己烷)/3-甲基庚烷Fig.10 Fingerprint characteristics of light hydrocarbons from the Huoshiling source rocks in the Dehui fault depression, Songliao Basin (Well DS12)

流体包裹体是储层成岩的过程中，包裹了成矿流体于矿物晶格的缺陷和穴窝中形成的，流体包裹体保存了油气充注时期的地质信息。火石岭组包裹体主要分布在石英颗粒微裂隙与石英次生加大边中，少数分布在方解石胶结物中(图11)，在正交偏光下显示流体包裹体成串珠状分布在矿物颗粒的成岩裂缝中，在荧光下发蓝绿色与黄绿色的荧光，初步判断天然气为一期成藏，相对于盐水包裹体，烃类包裹体数量较少，占10%～15%，主要为液相和气液两相，少数为气烃包裹体，主要赋存于穿石英颗粒裂纹与石英颗粒内裂纹，多数呈条带状或线状群体分布，少数在方解石胶结物与石英颗粒次生加大边中呈个体分布。本区的烃源岩有机质的类型多以II1～II2型为主，III型为辅，且成熟度大于1.5%，产物应该是以天然气为主，而液态的石油较少，液态的烃类是早期生烃的产物，随着成熟度的增加，逐渐裂解为油型气，这与前文天然气成因类型的研究结论相吻合。流体包裹体形状多为椭圆状或不规则状，直径主要集中在2～15 μm，平均为6.9 μm，包裹体气液比多介于2%～7%，一般小于10%。烃类包裹体的荧光颜色与烃类的化学成分有关，所以不同荧光颜色的烃类包裹体代表了不同时期的油气成藏，一般来说，芳香烃的荧光颜色为天蓝色，沥青质为褐色，胶质为黄色。烃类包裹体荧光颜色主要为蓝绿色与黄绿色，其中发黄绿色荧光烃类包裹体代表低成熟度油充注，发蓝绿色荧光烃类包裹体代表高成熟度油充注。

图11 德惠断陷火石岭组储层流体包裹体特征a.德深1井，3 205 m，火石岭组，正交偏光；B.德深1井，3 205 m，火石岭组，荧光Fig.11 Microscopic characteristics of fluid inclusions in the Huoshiling reservoir beds, Dehui fault depression

通过烃类包裹体的显微观察，确定烃类包裹体后，一般选择与烃类包裹体伴生的盐水包裹体进行均一温度测试，因为盐水包裹体在加温和冷却的过程中性质更稳定。盐水包裹体的产状分幕有两个基本原则：一是具有相似气、液比和产状的流体包裹体组合；二是具有相似气、液比和产状的包裹体内部均一温度大致按15 ℃间隔分期。通过微观测温仪测定盐水包裹体的均一温度，火石岭组烃类伴生的盐水包裹体温度为85 ℃～165 ℃，盐水包裹体大致可分为两个峰值，第一峰值出现在85 ℃～95 ℃，以及第二个峰值出现在120 ℃～140 ℃(图12)，分别对应了天然气两幕成藏时间地层所对应的古温度。

根据研究区典型井位的埋藏史与热史，利用油气伴生的盐水包裹体均一化温度投影法，确定了研究区火石岭组天然气成藏的两个主要时间为114～110 Ma和108～98 Ma(图13)。通过显微荧光观察，烃类包裹体显示为一期成藏，而通过均一温度测试显示存在两幕油气成藏时间，综合以上研究认为火石岭组天然气成藏期次存在一期两幕，时间分别为第一幕：114～110 Ma，对应泉头组沉积初期，第二幕：107～100 Ma对应泉头组沉积末期，为典型的烃源岩幕式排烃成藏。基于火石岭组烃源岩生排烃特征，结合火石岭组气源对比分析结果，推测火石岭组天然气藏存在三期成藏：130 Ma左右，对应营城组沉积初期；115～105 Ma左右，对应泉头组沉积期；95～75 Ma左右，对应青山口组—嫩江组沉积期。

图12 松辽盆地德惠断陷火石岭组盐水包裹体均一温度直方图Fig.12 Histogram of brine inclusion homotemperatures in the Huoshiling reservoir beds, Dehui fault depression

图13 松辽盆地德惠断陷火石岭组致密气储层盐水包裹体均一化温度—埋藏史投影法确定主成藏时间Fig.13 Hydrocarbon charging ages determined by brine inclusion homogenization temperatures projected on the burial history of a tight sandstone gas reservoir in the Huoshiling Formation from the Dehui fault depression, Songliao Basin

5 油气输导特征

通过以上对典型气藏德深12井火石岭组气藏的解剖，认为断裂对天然气的运移和聚集起了很重要的控制作用，是研究区影响天然气成藏最重要的关键成藏因素，研究该区断裂的输导作用的尤为重要[18]，有必要分析研究区断裂的展布特征(图14)，探讨断裂的封闭性与天然气藏聚集的关系，并查明断面优势运移通道对天然气的控制作用，最后定量评价断裂的输导效率。

图14 松辽盆地德惠断陷火石岭组断裂平面分布图Fig.14 Fault distribution map for the Huoshiling Formation of the Dehui fault depression, Songliao Basin

本次研究采用Yieldingetal.[19]提出的评价断裂侧向启闭性的参数即断层泥比率(SGR)(公式4.9)评价该类断裂，这个参数更适合于非均质的厚层碎屑岩层中发育的断裂的启闭性评价。SGR值越大，断裂封闭性越强，输导能力越差。为了准确评价断裂的封闭性，同时采用断裂两盘的砂泥对接系数K评价该类断裂的侧向启闭性，K值越大，断裂封闭性越好，输导能力越差[20]，评价标准见表1。

表1 断裂启闭性评价标准(据付广等[20])Table 1 Evaluation criteria of fault opening and sealing (after Fu et al.[20])

通过选取了研究区与天然气藏关系密切的9条断层进行了精细的研究，分别对断层两盘的侧向和垂向封闭性进行了评价(表2)，研究区火石岭组的断裂多位盆地断陷期发育的断层，多为拉张环境下形成的正断裂，其倾角为62°～76°，断距50～220 m，平均为125 m，SGR与K值的评价结果表明断层垂向封闭性及上、下两盘的侧向封闭性较差。断裂沟通了烃源岩，成为天然气的优势运移通断，是研究区天然气藏成藏的主控因素。

德惠断陷火石岭组天然气输导成藏的主要方式是断裂的作用，而火石岭组沉积的砂体也可以作为天然气成藏的横向输导层，断层两侧沉积的砂体连通性一般较好，既可以成为输导层，也可以成为储集层，火石岭组储集层的平均孔隙度为3.2%，平均渗透率为0.12×10-3μm2，天然气成藏的运移机理是在气体浓度差存在的条件下，水溶脱气或分子扩散而聚集成藏的。断裂是该区天然气成藏的主要控制因素，输导层是天然气横向运移的通道，是天然气成藏的次要控制因素。

表2松辽盆地德惠断陷火石岭组断裂输导评价表

Table2EvaluationoffaultopeningandsealingintheHuoshilingFormationoftheDehuifaultdepression,SongliaoBasin

断裂名称断裂级别断层性质断距/m倾角Rm/%垂向封闭性K(上盘)侧向封闭性K(下盘)侧向封闭性F1二级正断裂220657.48差0.11差0.09差F2二级正断裂1906410.54差0.17差0.12差F3二级正断裂1105913.18差0.21差0.17差F4三级正断裂506225.36中等0.45差0.66差F5三级正断裂857644.44中等1.25中等1.01中等F6二级正断裂1707136.11中等0.74差1.18中等F7二级正断裂806732.64中等0.77差0.83差F8二级正断裂165725.85差0.07差0.06差F9二级正断裂60654.84差0.07差0.06差

6 天然气成藏机理

通过典型气藏的解剖、烃源岩评价、烃源岩生烃史、油气来源分析、油气输导体系、成藏期次的研究，结合研究区的构造演化史[8-10]，总结出火石岭组天然气的成藏机理及成藏特征如下(图15)：

初始断陷(火石岭组沉积期)：对应构造活动时期为燕山1幕，东深西浅的不对称地堑，中部地区为斜坡区，火石岭组烃源岩有机质来源是以浮游生物、藻类、细菌等为主体的水生生物，高等植物输入为次要，水体的还原性最强、盐度高[12]。烃源岩的有机质丰度最高，分布面积最广，具有最大的资源量。优质烃源岩主要位于华家洼槽与鲍家洼槽，其次是农安南洼槽。该时期火石岭组烃源岩未进入成烃门限，未发生生、排烃和成藏事件。初始断陷末期构造反转，地层抬升后被剥蚀，由西到东地层剥蚀厚度递减，西部和西南部最大剥蚀厚度达到700 m。

强烈断陷(沙河子组沉积期)：对应构造活动时期为燕山2幕，火石岭组持续下沉，并于沙河子沉积末期达到了成烃门限，进入第一期生排烃，大部分的烃类在层内砂体横向输导作用下形成自生自储气藏，部分烃类沿早期断裂和斜坡向高部位的沙河子组运移，表现为“源内运聚、近源成藏”的特征，为火石岭组第一期成藏。

持续断陷(营城组沉积期)：对应构造活动时期为燕山3幕，沙河子组沉积末期火石岭组整体被抬升，烃源岩停止生烃。营城组末期构造反转运动强烈，破坏部分早期形成的原生油气藏，气藏调整后沿输导体系组合向上部的地层运移并再次聚集，部分气藏被破坏而直接逸散，属于火石岭组气藏第一期调整改造。

断坳转化(登娄库组—嫩江组沉积期)：对应构造活动时期为燕山4幕，泉头组沉积末期，火石岭组烃源岩均成熟排烃，烃源岩为第二期大规模排烃，沿组合输导体系运移并在断层控制的各类圈闭中大量形成原生气藏，为第二期成藏。火石岭组存在一期两幕成藏：114～110 Ma、107～100 Ma，对应泉头组沉积期，属于典型的幕式排烃成藏。嫩江末火石岭组烃源岩为第三期大规模排烃，储层为第三期油气成藏，生排烃量较大，油气大量聚集成藏。

构造反转(嫩江末—现今)：对应构造活动时期为燕山5幕，明水末、古近纪末等多次大规模构造走滑反转运动，坳陷层抬升剥蚀，除少数切穿深浅层的断裂破坏其附近的深层原生气藏外，大部分深层原生气藏保存至今，为第二期调整改造。

图15 松辽盆地德惠断陷火石岭组天然气成藏史示意图Fig.15 Model of natural gas accumulation in the Huoshiling Formation of the Dehui fault depression, Songliao Basin

7 结论

(1) 德惠断陷中、北部和东南部的火石岭组均发生了油气的运移与聚集，发现的气藏集中分布在中央断裂带的华家构造的高部位狭小地区，天然气藏储层一般为低孔特低渗的致密储集层，在气藏上倾方向被反向断层所遮挡，为典型的断层遮挡气藏。

(2) 德惠断陷火石岭组的高有机质丰度，有机质类型以II1～II2型为主，III型为辅，其中，火三段烃源岩最好，其次为火二段，为研究区天然气的主要来源，为天然气的成藏提供了充足的油气来源；天然气轻烃组分分析表明，火石岭组下部气样主要来源于火石岭组烃源岩，与沙河子组泥岩有一定关系，但沙河子组烃源岩供烃并非占主导。

(3) 断裂对天然气的运移和聚集起了很重要的控制因素，是研究区影响天然气成藏最重要的关键成藏因素，断裂的侧向和垂向封闭性均较差，断裂沟通烃源岩，成为天然气的优势运移通道，相对断裂的纵向输导作用，输导层是天然气横向运移的通道，是该区天然气成藏的次要控制因素。

(4) 基于流体包裹体分析，结合火石岭组气藏气源对比与烃源岩生排烃期，火石岭组天然气藏存在三期成藏：130 Ma左右，对应营城组沉积初期；115～105 Ma左右，对应泉头组沉积期；95～75 Ma左右，对应青山口组—嫩江组沉积期。

(5) 火石岭组烃源岩为火石岭组天然气的主要供烃层位，烃源岩在构造活动的作用下，发生了三期生、排烃事件，而根据烃源岩的排烃及断裂的输导特征，推断在储层中发生了三幕油气成藏，两次调整改造。