苏北盆地天然气类型及成因分析

罗 义，刘义梅，段宏亮

（中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州225009）

苏北盆地是一个富油贫气的含油气盆地，已发现的天然气田及气井，平面上主要分布于盐城凹陷南洋次凹深凹带、高邮凹陷深凹带、金湖凹陷外坡带及吴堡低凸起［1］。迄今在白垩系、古近系和新近系探明了刘庄、永安、肖刘庄、周庄气藏及朱家墩气田，且多口井试获了天然气流。 另外，苏北盆地还发现少量介于烃和非烃之间的富氮过渡型气（如泰兴溪桥气藏浅层气中氮气组分占57.12%）， 西园、南湖、范庄等地区的油溶气，以及主要分布在黄桥气田和真武、许庄一带断阶带中的纯CO2气和富CO2烃类气［2-3］。

苏北盆地烃类天然气在地下赋存方式多样，成因各异，天然气来源也不尽相同。 本文主要根据天然气组成成分、稳定碳同位素、轻烃组成特征以及由它们组成的参数等作为天然气类型划分依据，对苏北盆地已发现的天然气进行类型分类，并进行成因分析。

1 天然气特征

1.1 组分特征

天然气组分是天然气的一项主要指标。 根据苏北盆地不同产层有代表性的油气田及气井天然气组成资料（表1），可将烃类气划分为干气和湿气两大类［4］。

表1 苏北盆地天然气组分分类表

属于烃气中干气的有：朱家墩气田，甲烷含量最高可达到96.57%，C1/C1-5可以达到0.98；周庄气藏，甲烷含量高达96.52%，缺失重烃组分；刘庄气藏，甲烷含量最高可达到96.53%，C1/C1-5可以达到0.99；H5井、B12-1井等，发现古近系气层气或油藏气顶气，其中H5井甲烷含量虽然只有93.42%， 但C1/C1-5高达0.97。

属于烃气中湿气的有：永安、肖刘庄气藏以及金湖、高邮凹陷大量的古近系油伴生气。 永安、肖刘庄气藏甲烷含量最高只有80.59%，重烃组分含量较高，C1/C1-5为0.84～0.85。

1.2 碳同位素特征

同位素是天然气成因分析的重要依据，包含有C1-4、CO2等的同位素。苏北盆地大部分地区的天然气以有机热成熟气为主，如高邮凹陷、海安凹陷、金湖凹陷的气层气和油田伴生气，盐城凹陷朱家墩气田也属于有机热成因气。 选取具有代表性的刘庄、永安、肖刘庄和朱家墩地区的探井天然气碳同位素进行分析。

根据碳同位素特征 （表2）， 总体上δ13C1值为-50.30‰～-37.77‰， 大于-55.00‰；δ13C2为-43.20‰～-27.10‰，δ13C3为-31.00‰～-25.20‰，δ13C4为-31.50‰～-24.20‰， 大部分样品具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4（甲烷及其同系物的δ13C值随烷烃气分子中碳数增加而增大）特点（图1）；δ13CCO2为-20.90‰～-8.22‰，CO2碳同位素大部分小于-10.00‰，指示天然气具有有机腐泥型特征。

各地区天然气有不同的特点： ①刘庄气藏甲烷、乙烷碳同位素值偏负（图2），丙烷碳同位素值偏正，与菌解有关；②朱家墩气田总体上也具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4特点，但个别出现倒转，可能是存在成熟度偏低的天然气混入；③朱家墩气田甲烷同位素偏正，反映有机质类型偏腐殖，且与热演化程度较高有关［5-7］。

表2 苏北盆地天然气碳同位素特征

图1 天然气碳同位素系列特征

图2 天然气δ13C1与δ13C2关系

1.3 轻烃组成指纹特征

源于腐泥型母质的轻烃组分中富含正构烷烃，而源于腐殖型母质的轻烃富含异构烷烃和芳烃，富含环烷烃的凝析物也是陆源母质的重要特征。 高邮凹陷原油的母质类型为腐泥型。 从永安地区 （6口井）戴南组一段（E2d1）、三垛组一段（E2s1）原油轻烃分析看出（图3），轻烃组分中富含正构烷烃，而异构烷烃和芳烃相对含量低。

苏北盆地C7轻烃系列组成中（图4），永安地区正庚烷的相对百分含量达到50%以上， 表明永安地区轻烃主要源于腐泥型母质，属于油型气，而朱家墩气田正庚烷的相对百分含量较低，表明具有偏腐殖型母质的特征。

图3 Y7-27井E2s1原油轻烃色谱

图4 苏北盆地C7轻烃组成三角图

轻烃异庚烷值可以反映天然气的成熟度［8］，即利用“2-甲基已烷与3-甲基已烷”之和与“1顺3-，1反3-，1反2-二甲基环戊烷”之和的比值，推算天然气成熟度，当比值小于3时，指示低熟-成熟；3～8为高成熟；大于8为过熟。

根据苏北盆地刘庄、永安、肖刘庄和朱家墩等地区的轻烃异庚烷值（无量纲）分析，按照以异庚烷值为主划分油气成熟度的原则，指示苏北盆地天然气基本达到低成熟至较高成熟阶段（图5）。 刘庄、黄珏等地区浅层气轻烃异庚烷值小于3， 为低成熟阶段；富民、永安、肖刘庄等地区气藏气的轻烃异庚烷值在3左右，指示为成熟气；盐城凹陷朱家墩气田天然气轻烃异庚烷值主要分布在3～8， 指示为高成熟气。

图5 异庚烷值判别苏北盆地天然气成熟度

2 天然气类型划分

根据苏北盆地天然气组分参数C1/（C2+C3） 与甲烷碳同位素（δ13C1）特征（图6），将其划分为原油生物降解气、 热解凝析气和裂解气等三种成因类型，其中，热解凝析气和裂解气都属于热成因气。

图6 苏北盆地天然气组分参数C1/（C2+C3）与甲烷碳同位素特征

①原油生物降解气。 刘庄气藏、W5、H5井等样品， 其碳同位素值与其它古近系气样存在明显差异，主要表现为甲烷、乙烷碳同位素偏负，丙烷碳同位素偏正。 这些气藏的埋深偏浅，一般在1 000 m左右，比如刘庄气藏、周庄气藏，其原油样品存在明显的生物降解现象，表现出稠油特征。

②热解凝析气。 来自高邮、 金湖凹陷E2d、E2s、E1f， 以及少部分K2t天然气，δ13C2‰基本小于-29‰，δ13C3‰基本小于-27‰， 它们主要显示腐泥气特征，比如永安、肖刘庄气藏等。 该类天然气气组分以湿气为主，多伴生有凝析油。

③裂解气。 盐城凹陷朱家墩气田气样，从天然气的组分来看，C1/C1-5为0.95～0.98，为干气；其δ13C1为-41‰～-36.7‰，δ13C2为-27.1‰～-26.5‰，δ13C3为-25.6‰～-24.9‰，δ13C4为-25.6‰～-24.4‰，系列同位素组成面貌与古近系油伴生气存在较大的差异，总的倾向偏腐殖和腐泥型混合气特征。

3 成因分析

3.1 刘庄降解气成因

从刘庄气藏的伴生油藏来看， 原油性质差，色谱分析证实有水洗氧化、菌解现象。 原油地面比重0.91～0.93，地面黏度4.91～85.7 mPa·s，地下黏度24.5 mPa·s，凝固点＜8℃～17℃，说明原油性质较差。 引起原油性质变差的原因一般有两个，一是成熟度低并来自半咸-盐水环境的腐泥型干酪根降解； 二是原油遭受水洗氧化、细菌降解。 经分析，成熟度低的原因可基本排除， 色-质分析原油饱和烃中甾烷化合物成熟度参数αααC29S/（S+R）为0.34～0.41，属成熟油。 色谱分析证实刘庄气藏原油曾遭受水洗氧化、细菌降解（图7），正烷烃已基本丧失，原油氧化严重。 原油遭受氧化菌解的辅助特征，如密度、黏度增加，凝固点反而降低的现象也有所表现。 丙烷、丁烷碳同位素偏正指示天然气可能属原油厌氧微生物降解成因。

图7 刘庄气藏原油色谱

已证实［1］原油降解气与伴生稠油同源，根据油的色谱、色-质分析资料对比，刘庄气藏原油应来自阜二段（E1f2）烃源岩。 刘庄气藏油层底部存在水洗氧化、细菌降解次生蚀变作用［9］，而气顶保存条件仍十分良好，细菌作用下，一部分原油转变成了生物降解气。 因而，刘庄气藏天然气应属成熟的腐泥型油伴生气，由运移分异脱出油溶气和原油生物降解气两部分气组成。

3.2 永安热解凝析气成因

永安天然气甲烷碳同位素介于-46.8‰～-45.94‰，乙烷碳同位素-30.75‰～-29.3‰；CH4含量为80.34%～90.34%， 重烃含量7.3%～15.76%，C1/C1～5为0.836～0.925，C2/C3为2.12～2.51，iC4/nC4为0.31～0.53（表3），根据天然气碳同位素组成、天然气组分特征等，建立的不同母质在不同演化阶段生成的天然气类型划分图（图6），表明永安地区天然气属于热成因气中的热解凝析气。

表3 Y7断块气层气及油伴生气烃类组成分析表

表4 Y7断块气层气及油伴生气烃类组成分析表

据戴金星等研究认为［10-12］，油型热解气是由热催化作用形成的，气体中甲烷含量大于50%，重烃含量大于5%， 最高可达40%～50%，C1/C1～5为0.5～0.90，C2/C3为0.9～3.5，iC4/nC4小于1，δ13C1为-50‰～-40‰，δ13C2为-29‰～-28‰， 甲烷系列碳同位素具正分布特征。 永安地区天然气组分、碳同位素特征均与之一致，表明永安地区热解凝析气属于热催化作用形成的原油伴生气和凝析油伴生气的混合气，大致相当于R0为0.6%～1.3%演化阶段的产物。

已经证实，永安地区天然气的气源主要来自深凹带E1f4烃源岩。目前，高邮凹陷已发现的凝析气藏（伴生气）平面上主要环邵伯和樊川次凹分布，南部肖刘庄和真武地区气藏基本紧贴真2断层分布，真2大断层起到主要输导作用， 纵向上含气层位多；北部永-联地区含气层位主要在戴一段二、 三亚段（E2d12、E2d13），可能断层和底部砂体共同起到输导作用。

这类气藏形成的关键因素有二：一是有持续充足的油气源， 且有长期活动垂向沟通气源的断层；二是圈闭要具有良好的封闭性。

3.3 朱家墩高成熟裂解干气成因

朱家墩天然气中， 烃类气体含量CH4＞95%（表1），干燥系数＞20；δ13C1＞-38‰，且大部分天然气样δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ14C4，天然气为有机成因气；天然气C7轻烃系列的正构-异构-环烷烃相对百分含量三角图显示为油型气特征，且轻烃异庚烷值主要分布在3～8，指示为高成熟气。

将源岩热模拟试验与在线同位素两项技术结合起来进行气/岩对比， 是目前国内外气源对比方面较先进的一项技术。 通过对泰州组（K2t）、阜二段（E1f2） 源岩热模拟产出的气和轻烃在线同位素检测，发现YCA1井天然气轻烃与YCH1井泰州组源岩热模拟实验轻烃单体同位素可比性较差 （图8），试验产出的轻烃比天然气轻烃总体偏负1‰～2‰，反映朱家墩天然气与K2t、E1f2源岩两者亲缘关系不密切。

图8 YCH1天然气轻烃与泰州组源岩热模拟实验轻烃单体碳同位素对比

依据区域地质分析［13-14］，盐城凹陷深凹主体带缺失三叠系（T）-上古生界烃源岩，仅存在下古生界烃源岩（凹陷内钻遇老地层的SC1井、Z1井和YC3井均缺失石炭系（C）-T地层）。而区域海相上古生界烃源岩主要以生油为主，下古生界以生气为主，故此推测气源应主要来自下古生界的高成熟裂解气。

4 结论

（1）苏北盆地烃类气划分为干气和湿气两大类。干气油气田（藏）有朱家墩气田、周庄气藏、刘庄气藏，及H5井等气井；湿气油气田（藏）有永安、肖刘庄气藏，以及金湖、高邮凹陷大量的古近系油伴生气。

（2）苏北盆地天然气总体上具有有机腐泥型特征，但各油气田（藏）又有不同的特点：①刘庄气藏甲烷、乙烷碳同位素值偏负，丙烷碳同位素值偏正，与菌解有关； ②朱家墩气田总体上也具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4特点，但个别出现倒转，可能是存在成熟度偏低的天然气混入；③朱家墩气田甲烷同位素偏正，反映有机质类型偏腐殖，且与热演化程度较高有关。

（3）永安地区轻烃主要源于腐泥型母质，属油型气； 朱家墩气田轻烃具有偏腐殖型母质的特征；刘庄、黄珏等地区浅层气为低成熟气；富民、永安、肖刘庄等地区气藏气为成熟气；盐城凹陷朱家墩气田天然气为高成熟气。

（4）苏北盆地天然气为三种成因类型：原油生物降解气、热解凝析气及裂解气。

（5）刘庄气藏天然气属于成熟的腐泥型油伴生气，由运移分异脱出油溶气和原油生物降解气两部分气组成；永安地区天然气属于热催化作用形成的原油伴生气和凝析油伴生气的混合气，大致相当于R0为0.6%～1.3%演化阶段的产物； 朱家墩天然气为气源主要来自下古生界的高成熟裂解干气。