莺歌海凹陷东斜坡中北段天然气成因及成藏特征*

刘海钰 范彩伟 庹 雷 刘 峰 侯静娴

(中海石油(中国)有限公司海南分公司 海南海口 570100)

近30年来，莺歌海盆地中央底辟带浅层和中深层的天然气勘探已取得重大成果，发现了X1-1、X13-1/2、Z22-1等大气田。其中，莺歌海凹陷东斜坡(即中央底辟构造带至莺东斜坡带之间的过渡区域)是该盆地重要的天然气聚集带，迄今已发现一批气田及含气构造，包括北段的H29-1含气构造、中段的L1-1含气构造以及南段的Z10-1、Z10-3、Z11-1气田及L26-2含气构造。莺歌海凹陷东斜坡带南段乐东10区已取得重大天然气突破，而该斜坡带中北段历经多年勘探后仍未取得理想钻探效果。

目前，有关莺歌海凹陷东斜坡中北段天然气来源与运移模式的相关成果报道较少，但有不少学者已对该斜坡南段天然气来源与成藏模式做过深入研究[1-4]，认为该斜坡南段乐东气田天然气主要来自中新统梅山组—三亚组烃源岩，该套烃源岩生成的高成熟气在较大的源-储压差驱动下通过隐伏断裂垂向充注或沿砂体侧向运移成藏。本文基于莺歌海凹陷东斜坡已发现天然气的组成和同位素数据、包裹体信息以及相关地质资料，重点对斜坡带中北段天然气成因及成藏特征进行深入分析，以期为该地区寻找有利勘探目标提供参考依据。

1 区域地质背景

莺歌海盆地处于印支地块与华南地块的拼接带——红河大断裂带上，是新生代大陆边缘伸展-转换盆地[6-8]。该盆地走向为NW—SE向，平面呈菱形，从东向西可划分为莺东斜坡带、中央坳陷带和莺西斜坡带等3个一级构造单元，其中中央坳陷带包括河内凹陷、临高凸起和莺歌海凹陷。莺歌海凹陷东斜坡为中央底辟构造带至莺东斜坡带之间的过渡区域。盆地自下而上发育渐新统崖城组与陵水组，中新统三亚组、梅山组与黄流组，上新统莺歌海组和第四系乐东组(图1)。

前人研究表明[9-11]，中新统半封闭浅海泥岩是莺歌海盆地中央底辟构造带已发现气田的主要烃源岩；莺东斜坡带包括一号断裂的上升盘和下降盘，为一继承性发育的坡度较平缓的单斜，其中南部和北部较为宽缓，中部较为狭窄。莺歌海凹陷东斜坡即一号断裂下降盘，钻探证实该区域地层沉积主要受海南隆起西部水系影响，纵向上发育多套良好的储盖组合[12]。

图1 莺歌海盆地构造区划分及地层柱状图

2 天然气地球化学特征与成因类型

莺歌海凹陷东斜坡已发现的天然气主要由烃类气体、CO2、N2等组成，不同区段天然气地球化学特征差异较为明显(表1)，其中斜坡北部的H29-1构造三亚组气藏中烃类气平均含量为90.92%， CO2平均含量为7.55%，干燥系数平均值为0.95；斜坡中部的L1-1构造黄流组气藏中烃类气含量高达95.47%，CO2含量仅为1.60%，干燥系数为0.96；而斜坡南部的L26-2和L35-1构造梅山组气藏均表现为富含CO2特征，CO2含量为73.62%～85.40%，烃类气含量低于15.00%。

表1 莺歌海凹陷东斜坡天然气地球化学特征Table 1 Geochemistry characteristics of nature gas in eastern slope of Yinggehai sag

近年来，在莺歌海凹陷东斜坡中段L19-1、L13-1构造上新统莺歌海组和X5-3-1井黄流组一段储层中均钻遇水层，所取气样甲烷碳同位素较轻(为-63.14‰～-47.36‰)，干燥系数大(为0.99～1.00)，几乎不含重烃气，具有典型的生物成因气特征，依据干燥系数C1/(C1～C5)与甲烷碳同位素(δ13C1)值相关图判识其天然气成因类型为亚生物气—生物气(图2)。而在该凹陷东斜坡深层(如L26-2、L35-1构造梅山组与H29-1构造三亚组)所钻遇的天然气甲烷碳同位素偏重(为-37.82‰～-32.14‰)，干燥系数为0.91～0.97(平均值0.94)，反映为成熟阶段的煤型气(图2)。由此可见，该凹陷东斜坡天然气甲烷同位素在纵向上具有分层性，表现为浅中层莺歌海组、黄流组储层中的天然气甲烷碳同位素较轻，而深层梅山组、三亚组中的天然气甲烷碳同位素偏重，反映出成熟的煤型气主要富集在深层梅山—三亚组及以深地层。此外，在H29-1构造的三亚组以及L1-1构造的梅山组和三亚组荧光薄片中见荧光与油斑显示，再次证实该凹陷东斜坡三亚组、梅山组油气运移活跃。

图2 莺歌海凹陷东斜坡天然气成因类型图(底图据文献[13])

研究表明，天然气中CO2碳同位素组成与其成因密切相关，根据CO2百分含量及其碳同位素值可以有效区分有机与无机成因的CO2[14-17]。根据戴金星(1993)的统计，我国天然气有机CO2的碳同位素主频分布在-12‰～-17‰，且浓度一般较低(<10%)；无机CO2的碳同位素主频分布在-3‰～-8‰，且浓度一般较高(>10%)。此外，混合成因CO2的碳同位素值取决于混合比例及混合组分原始的碳同位素值[15]。分析表明，莺歌海凹陷东斜坡北部H29-1构造天然气中CO2碳同位素偏轻(-16.95‰～-12.70‰)，为有机成因；斜坡中部L1-1构造天然气中CO2碳同位素偏重(为-7.15‰)，为无机成因；而斜坡南部L26-2和L35-1构造天然气中CO2含量较高(大于70%)，且CO2碳同位素偏重(重于-8‰)，均为无机成因(图3)。

图3 莺歌海凹陷东斜坡天然气中CO2含量与 碳同位素关系(底图据文献[14])

3 烃源岩特征与气-源对比

3.1 烃源岩特征

勘探证实，莺-琼盆地发育中新统(包括三亚组、梅山组及莺黄组下部)和渐新统崖城组两套烃源岩，有机质类型主要为Ⅱ2—Ⅲ型，其中中新统烃源岩主要发育于莺歌海盆地中央坳陷，为半封闭浅海及半深海砂泥岩沉积，是中央底辟构造带气田主要的气源岩；而渐新统烃源岩广泛分布于相邻的琼东南盆地，在莺歌海盆地边缘的莺东斜坡带及北部的临高凸起也有分布，主要为滨岸平原沼泽相、滨海相和浅海相沉积[10-11,18-19]。莺-琼盆地渐新统与中新统烃源岩母质差异导致了其干酪根碳同位素的差异[11]，其中中新统泥岩干酪根碳同位素明显偏重，介于-24.41‰～-24.16‰，高于下渐新统崖城组烃源岩干酪根碳同位素值(-27.3‰～-27.14‰)。此外，莺-琼盆地中新统和渐新统烃源岩生物标志物也存在差异，其中渐新统烃源岩以富含树脂化合物(W、T)和奥利烷(OL)为特征，表现为典型的陆源输入为主的特征；而中新统烃源岩双杜松烷和奥利烷丰度较低，表现为混合母源输入特征[11]。

3.2 气-源对比

“气”对“源岩”具有成因继承性，可以利用成因追根溯源。利用天然气乙烷碳同位素(δ13C2)与干酪根碳同位素(δ13C)的关系可进行气-岩对比[1,20]。莺歌海凹陷东斜坡北部的H29-1构造三亚组天然气乙烷碳同位素偏重(-21.25‰～-23.73‰)，与中新统烃源岩干酪根碳同位素特征相似，而与渐新统烃源岩干酪根碳同位素特征差异较大，表明天然气可能主要来自于中新统烃源岩。

利用“气”与“源岩”成熟度匹配，可以进一步判识气源。莺歌海凹陷东斜坡梅山-三亚组天然气δ13C1值分布范围为-37.82‰～-32.14‰，利用莺歌海盆地Ⅱ2—Ⅲ型干酪根生成的天然气δ13C1-Ro关系方程[1]，计算出该斜坡天然气成熟度Rc为0.97%～1.51%，为中等-高成熟阶段的产物。由于莺歌海凹陷东斜坡中北段钻穿中新统的探井较少，且样品多受泥浆污染，无法直接获知该区段烃源岩的成熟度，因此对该斜坡北段的H29-1构造进行单点模拟，重建中新统烃源岩埋藏史与生烃史(图6)。模拟过程中，利用H29-1构造钻井MDT电缆地层测试获得的地层温度进行校正，结果显示该区中新统梅山组—三亚组烃源岩(埋深2 800～4 000 m)成熟度较低(Ro=0.6%～1.0%)，渐新统陵水组下部泥岩刚进入湿气高成熟阶段(Ro>1.3%)。由于H29-1构造钻遇的中新统泥岩岩性粗，有机质含量低(TOC<0.5%)，不具备大量生气条件，因此可以排除东斜坡带下伏中新统烃源岩的贡献，该构造的天然气可能来自凹陷内部的中新统烃源岩或靠近斜坡地区较深部位的成熟烃源岩。此外，在H29-1构造三亚组荧光砂岩的抽提物中检测到高丰度、代表陆源输入的奥利烷(OL)和双杜松烷(W、T)(图4)，虽与YC13-1构造的炭质泥岩有相似之处，但不是典型的煤系烃源岩特征，且与该构造梅山组、三亚组泥岩有较大差别，推测可能与渐新统烃源岩的贡献有关。因此，H29-1构造的天然气主要来自中新统烃源岩，也存在部分渐新统烃源岩的贡献。

此外，莺歌海凹陷东斜坡中段的L1-1构造黄流组天然气甲烷碳同位素较轻(-47.70‰～-48.99‰)，其成熟度明显低于中央底辟带天然气成熟度，推测该构造的天然气可能来自附近斜坡带成熟烃源岩；但是，该构造黄流组天然气碳同位素值δ13C2>δ13C3(表1)，即出现倒转现象，表现出混合气特征，因此推测有中央坳陷带高成熟气的加入与附近斜坡带低成熟气混合的可能性。

图4 莺琼盆地H29-1砂岩抽提物与H29-1、YC13-1泥岩质量色谱图

4 天然气成藏特征

4.1 烃源基础

气-源对比结果证实，莺歌海凹陷东斜坡远离生烃凹陷区，该区新近系自身不具备生烃能力，烃源主要来自凹陷内部中新统烃源岩或靠近斜坡地区较深部位的成熟烃源岩。生烃史模拟认为，莺歌海凹陷内部及靠近斜坡地区的中新统烃源岩大规模生气阶段为±5.5 Ma～现今时期，凹陷主体烃源岩生气强度平均达82.2×108m3/km2(图5)，已达到富生气凹陷的标准(即大于20×108m3/km2)[21]，有利于东斜坡深层三亚组、梅山组、黄流组及浅层莺歌海组圈闭天然气成藏。另据地震解释结果，莺东斜坡带发育渐新统烃源岩，而且其埋深大，目前大多已进入高成熟—过成熟阶段，也可为莺歌海凹陷东斜坡的气源供给提供补充。

4.2 成藏期与成藏时限

目前主要是利用流体包裹体均一温度再结合地层埋藏史及热史恢复来确定油气成藏期次和时间[22]。莺歌海凹陷东斜坡北段的H29-1构造三亚组储层中包裹体较发育，包裹体类型主要为含烃盐水包裹体和盐水包裹体及少量含CO2包裹体，有弱荧光显示，含烃盐水包裹体均一温度主要集中在130～150 ℃，反映该构造三亚组主要存在一期充注，且主要为烃类气充注；再结合埋藏史及热史恢复，推断烃类气充注时间可能稍早于2.0 Ma(图6)。

图5 莺歌海盆地中新统烃源岩生烃强度

莺歌海凹陷东斜坡中段的L1-1陵水组储层发育有含烃盐水包裹体、盐水包裹体和含CO2盐水包裹体，与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一温度为130～160 ℃，分析认为陵水组储层至少存在一期烃类充注；再结合埋藏史恢复，推断烃类充注时间可能在1.8 Ma之后。此外，前人研究发现，莺歌海盆地中央底辟带北部东方区X1-1气田烃类气和CO2的充注时间分别为3.7～1.8 Ma和0.4 Ma之后[23]。因此，相比较而言，莺歌海凹陷东斜坡中北部构造烃类气充注时间较东方区晚，约在2 Ma之后。

图6 莺歌海凹陷东斜坡H29-1构造三亚组储层含烃包裹体均一温度及埋藏史-热史图

4.3 复合输导系统

气-源对比表明，莺歌海凹陷东斜坡烃源主要来自凹陷内的中新统烃源岩，也存在一号断裂带下降盘深部渐新统烃源岩的贡献。分析认为，该斜坡带具有复合输导系统，天然气成藏既有垂向运移，也存在侧向运移。

1) 左行走滑张性破裂发育利于天然气垂向运移。

以往的研究认为，莺歌海凹陷东斜坡输导特征分段性明显，北段断裂活动至T60结束，中段断裂活动至T50结束，南段断裂活动至T20结束，可见输导性能从北段、中段到南段逐渐增强[24-26]。根据新采集的三维地震资料，并利用新的技术手段，研究认为莺歌海凹陷东斜坡是左行走滑张性破裂发育的主要区域，三维地震剖面上呈现大量断距不明显、近东西向密集分布、平面延伸距离很短的小断层或裂隙，为左行走滑断裂派生南向张应力造成的局部张性破裂(微裂隙)，主要发育在距今10.5 Ma之前[22]，终止于T40界面，利于油气在中新统及以下层系中富集。

2) 鼻状构造发育利于天然气侧向运移。

研究认为，鼻状构造发育对莺歌海凹陷东斜坡天然气横向富集起主导作用，一号断裂带走滑剪切应力场可伴生挤压褶皱，该斜坡发育3个宽缓的近南北向鼻状褶皱凸起，均为北高南低倾没入凹陷[25-26]。这些褶皱走向基本垂直于张性T破裂断层走向，由南向北依次分布有乐东鼻状凸起、岭头鼻状凸起和海口鼻状凸起(图7)，其中海口鼻状凸起H29-1构造钻遇三亚组气藏，乐东鼻状凸起Z10-1、Z10-2/10-3、Z11-1构造分别钻遇黄流组、梅山组和三亚组等多个气藏，表明海口鼻状凸起和乐东鼻状凸起油气运移活跃，该斜坡发育的大型构造脊是天然气横向运移的优势通道。

3) 骨架砂体发育利于天然气侧向运移。

研究表明，莺歌海凹陷东斜坡沉积主要受海南隆起西部水系影响[27]。通过对该斜坡中北段连井剖面对比，认为该区域发育大量上新统—中新统的地层岩性圈闭，连接凹陷成熟烃源区与斜坡带的骨架砂体构成了良好的侧向运移通道(图8)。在储层岩性方面，该斜坡北段的H29-1构造与中段的L1-1构造在黄流组沉积时期以细粒的泥质粉砂岩沉积为主，在梅山组—三亚组沉积时期发育厚层的粗粒细砂岩及含砾砂岩；在物源注入上，该斜坡中北段在中中新世及更早时期东部物源(即海南隆起)供给丰富，黄流组沉积时期东部物源注入相对衰减，推断与盆地自左行走滑向右行走滑转换有关[22]，因此该斜坡中北段天然气勘探以寻找深层储集体为主。

图7 莺歌海凹陷梅山组顶面(T40界面)深度构造

图8 莺歌海凹陷东斜坡中北段连井剖面

4.4 有利勘探方向

综合分析认为，丰富的气源基础及良好的输导系统可提高莺歌海凹陷东斜坡天然气的充注效率，可在很短的时间(约2 Ma)内规模成藏，该斜坡中北段天然气成藏模式主要为通过T破裂垂向充注和沿着构造脊骨架砂体侧向运移聚集(图9)。一方面，该斜坡中北段T破裂基本上呈现同向展布、规模较小，终止于T40界面(即梅山组顶面)，难以形成互联互通的网状输导网络，利于油气在中新统及以下地层富集成藏，但上新统的垂向运移条件较差。另一方面，该斜坡中北段构造脊骨架砂体在T40界面以深地层中更为发育，利于凹陷内高成熟-过成熟烃源岩生成的天然气大规模侧向运移聚集。但是，受到复合输导体系的限制，该斜坡中北段天然气分布存差异，钻探证实中北段梅山组、三亚组储层天然气为成熟的煤型气，而上新统莺歌海组和上中新统黄流组储层天然气成熟度度低，主要为亚生物气-生物气，这说明深层高熟气未能大规模突破T40界面。因此，莺歌海凹陷东斜坡中北段天然气勘探方向是在构造脊背景下寻找T40界面以深的有利目标。

图9 莺歌海凹陷东斜坡天然气成藏模式(剖面位置见图1a)

5 结论

1) 莺歌海凹陷东斜坡已发现天然气为富烃气，烃类气含量为89.54%～93.56%，CO2含量最高不超过10.02%，干燥系数达0.92～0.97；天然气甲烷同位素(δ13C1)值在纵向上具有分层性，黄流组及莺歌海组较浅储层天然气δ13C1值为-64.97‰～-47.36‰(属于亚生物气-生物气)，梅山组和三亚组较深储层天然气δ13C1值为-37.82‰～-32.14‰(属于成熟煤型气)。

2) 气-源对比表明，莺歌海凹陷东斜坡中北段中深层成熟天然气主要来自凹陷内的中新统烃源岩，也有部分斜坡带渐新统烃源岩的贡献。

3) 丰富的气源基础及良好的复合输导系统可以提高莺歌海凹陷东斜坡天然气的充注效率，可在很短的时间(约2 Ma)内规模成藏。该斜坡中北段以T破裂和构造脊骨架砂体复合输导为特征，其中T破裂终止于T40界面(即梅山组顶面)，骨架砂体在T40界面以深地层更为发育，该领域天然气勘探方向是在构造脊背景下寻找T40界面以深的有利目标。