莺歌海盆地东斜坡超高压气田天然气地球化学特征差异与成因

　　摘要：近年来，在南海北部莺歌海盆地东斜坡南部勘探取得重大进展，发现了超高压高温L气田。然而，针对该气田内部天然气地球化学特征差异及其成因等问题研究较少，制约了本区勘探进展。文章基于天然气地球化学数据，结合区域石油地质条件、烃源岩特征及包裹体分析等资料初步揭示了天然气的类型和气藏差异成因。首先，从天然气地球化学特征上看，L气田中L1、L2和L3气藏天然气地球化学特征在天然气干燥系数及重烃碳同位素值组成等方面差异较大。尽管天然气均为煤型气，但可依据甲烷、乙烷及丙烷碳同位素值及δ13C1-δ13C2等参数细分为M型和S型，M型主要与梅山组烃源岩有关，S型主要来自三亚组。其次，从不同类型天然气的分布看，从近凹中的L1气藏至近隆的L3气藏，天然气类型由既有M型也有S型转变为以S型为主。这一差异与烃源岩生烃过程、气藏的空间位置及垂向充注过程密切相关。最后，从气藏形成过程看，凹陷斜坡南部梅山组和三亚组烃源岩在全新世进入高过成熟阶段。近凹一侧梅山组和三亚组烃源岩生成的天然气沿断裂进入黄流组成藏，形成L1气藏;近隆一侧三亚组天然气进入梅山组二段成藏形成L3气藏。

　　关键词：天然气;地球化学特征;成因类型;超高压高温;莺歌海盆地

　　莺歌海盆地是位于中国南海北部的高温高压含油气盆地，多年来盆地油气发现主要集中在莺歌海凹陷中央底辟带，先后发现D1、L22及D13等多个气田，并取得丰富天然气成因及成藏研究成果(刘铁树等，1994;Huangetal.,2002,2005;裴健翔等，2011;李绪深等，2013;谢玉洪等，2014)，如在天然气成因方面明确中央底辟带天然气主要为来自中新统的煤型气(Huangetal.,2002,2005)。

　　在成藏方面提出底辟带中深层高温高压气田具有幕式充注成藏的特点(李绪深等，2013;谢玉洪等，2014)，底辟活动的能量差异控制天然气运聚和保存条件(徐新德等，2014)等，突破了以往高温高压圈闭主要聚集水溶气的传统认识。近年来，在与中央底辟带地质条件明显不同的莺歌海凹陷东斜坡南部勘探取得重大进展，首次在该区发现了超高压高温低孔低渗气田。目前关于该气田天然气成因及成藏研究较少(杨计海等，2018，2019)，关于气田内部天然气地球化学特征差异性及其成因的研究更少，制约了该气田进一步评价与周缘区域的勘探进展。

　　本研究基于天然气地球化学资料，分析气田 内部天然气地球化学组成的差异性，结合区域石油地质条件、烃源岩资料及包裹体资料等剖析导致其差异性的内在机制，以期为本区成藏精细研究和勘探实践提供有益借鉴，同时为超高压高温低孔低渗天然气气田成藏理论研究提供新的材料支撑。

　　1地质背景

　　莺歌海盆地是新生代沉积盆地，盆地主要包括莺东斜坡、中央坳陷及莺西斜坡等一级构造单元，其中中央坳陷包括莺歌海凹陷、临高低凸起等二级构造单元。受区域应力场及新生代快速沉积等因素影响(李思田等，1997;郝芳等，2001;韩光明等，2012)，莺歌海凹陷中部发育多排底辟，底辟及周缘区域通常被称作为莺歌海凹陷中央底辟带，而底辟带与莺东斜坡之间区域被称之为东部斜坡带。中央底辟带部分底辟在全新世仍有活动(韩光明等，2012)。

　　盆地发育了古近系岭头组湖相沉积、崖城组及陵水组海陆过渡相至浅海相沉积，新近系三亚组、梅山组、黄流组及莺歌海组滨浅海相沉积与第四系乐东组滨浅海相沉积。盆地主要气源岩为三亚组和梅山组浅海相泥岩(何家雄等，2000;董伟良等2000;Huangetal.,2002)，尽管有机质类型都主要为腐殖型，但由于时代及沉积环境等方面差异，三亚组和梅山组烃源岩生成的天然气有一定差异(郭潇潇等，2017;熊小峰等，2017)。盆地已发现的高温高压气田主要赋存在三亚组、梅山组和黄流组。

　　L气田位于莺歌海凹陷东斜坡南部，由多个岩性圈闭气藏组成，从近凹至近隆依次为L1、L2及L3等。主要储集体为海底扇-轴向水道砂，以粉细砂岩和中砂岩为主，孔隙度低于15%，渗透率多低于2.0×10-3μm2(杨计海等，2018，2019)，具有低孔、低—特低渗的特点。L气田具有异常高的温度(180~190℃)和压力(压力系数2.19~2.29)，为高温超高压气田。L气田不同气藏主力产层有所差异，L1气藏为黄流组，L2气藏为黄流组和梅山组一段，L3气藏为梅山组二段。

　　2样品和方法

　　本研究采用钻杆测试(DST)和测压取样(MDT)获取的天然气样品，分别测定了天然气组分、碳同位素和稀有气体同位素。天然气组分测定是采用Agilent6890N气相色谱仪，柱箱初始40℃,以5℃/min速率升至100℃。前、后进样口温度均为200℃，载气分别为氦气和氮气。

　　色谱柱1为Chromtec多孔聚合物型填充柱，恒流模式;色谱柱2为HP-1MethylSiloxane型毛细柱，50.0m×0.2mm×0.5μm，恒压模式，压力：214.7kPa。前、后检测器分别为FID和TCD。采用外标法定量。天然气碳同位素是通过AglientTechnologies6890N型GC仪进行单个化合物的分离，由GVInstrumentsIsoprime质谱仪测定。色谱柱HP-PLOTQ，30m×0.32mm×10um，载气为氦气;升温程序：起始温度50℃，恒温2min，再以25℃/min的速率升至190℃，恒温20min。

　　标准CO2气体在烃类分子测试前、后作为参考气执行，样品分析间仪器状态的检测由标样完成，每个样品至少重复分析2次以上(甲烷和其它烃气分开分析)，VPDB标准。天然气样品中的氦同位素比值(3He/4He)使用VG-5400静态真空质谱计进行测定，以兰州空气(3He/4He比值为1.4×10-6)作为氦同位素测量的工作标准，同一样品均进行多次测量，测量结果偏差小于1.5%。

　　3天然气地球化学特征及差异性

　　3.1 天然气地球化学差异

　　对L气田不同气藏的天然气样品的天然气地球化学分析测试结果显示研究区天然气地球化学特征呈现出3个特征。

　　(1)天然气烃类含量变化大，黄流组更富含烃类气。L气田天然气主要有烃类气、N2和CO2组成，不同气藏不同层系组分变化较大。

　　L1气藏黄流组烃类含量在43.15%~85.79%之间(平均含量为65.34%)。

　　L2气藏黄流组烃类气含量比L1气藏略高，分布范围为78.71%～98.91%(平均含量为88.81%)，但其梅山组烃类气含量比黄流组低，平均含量为32.88%。L3气藏梅山组烃类气平均含量为55.48%，比L1和L2气藏黄流组低。因此，L气田烃类气含量变化较大，但也呈现一定规律：从层系来看，黄流组较富烃类气，其含量整体比梅山组高;从气藏来看，三个气藏中L1气藏整体富烃，但局部也有较高CO2。

　　(2)梅山组天然气干燥系数高，而黄流组天然气干燥系数低且变化范围较大。L气田天然气重烃含量较低，C2-C5含量多低于5.0%，显示天然气具有较高的干燥系数，与钻探测试揭示气藏中无明显凝析油的特征相一致。尽管气藏整体偏干，但不同气藏不同层系略有差异。

　　如L2与L3气藏梅山组干燥系数范围分别为0.97~0.99与0.97~1.00，平均值分别高达0.980和0.985，显示其组分较干。相比而言，L1与L2气藏黄流组干燥系数变化大，且相对偏低，分 布范围分别为0.95~0.98(均值0.965)和0.94~0.96(均值0.950)。可见，L气田组分整体呈较高的干燥系数，其中梅山组干燥系数较黄流组偏高，黄流组干燥系数变化范围较大。这一特征暗示气藏天然气来源不同或成熟度存在差异。

　　(3)梅山组天然气碳同位素偏重，黄流组变化范围较大，且黄流组碳同位素系列部分呈现倒转特征。L气田不同层系天然气烷烃碳同位素组成存在明显差异。L1和L2气藏黄流组天然气甲烷碳同位素值(δ13C1)整体较L2和L3气田偏轻，黄流组δ13C1多轻于-30.89‰(VPDB,下同)，而梅山组的多重于-30.80‰。此外，黄流组天然气甲烷碳同位素值变化范围较大，在-41.72‰～-30.89‰之间。天然气乙烷碳同位素值(δ13C2)也呈现出与甲烷相似的差异性，即梅山组天然气δ13C2较黄流组整体偏重，且变化范围大。

　　气田天然气的丙烷碳同位素值(δ13C3)亦呈现出类似的差异。气田天然气碳同位素系列整体表现为正碳同位素系列(δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4)，局部出现倒转。其中，发生碳同位素倒转的天然气主要分布于黄流组。综上，梅山组天然气碳同位素值偏重，黄流组变化大，且黄流组碳同位素系列有倒转现象。梅山组与黄流组重烃碳同位素值的差异揭示气田天然气的生烃母质可能存在一定差异。需注意的是，天然气成熟度也可能对天然气碳同位素组成造成一定影响。

　　此外，L气田天然气中CO2碳同位素值(δ13CCO2)在黄流组与梅山组中分布也呈现一定差异。黄流组δ13CCO2变化范围较大，在-18.08‰~-1.44‰之间，而梅山组δ13CCO2较为集中，主要分布于-2.61‰~-0.70‰之间。梅山组层段天然气的稀有气体分析显示，3He/4He比值为7.78×10-8，与幔源及空气中氦同位素值差异大，具有明显壳源特征(WakitaandSano,1983;Xuetal.,1994;Lollaretal.,1994)。

　　4天然气成因及勘探启示

　　4.1 天然气成因

　　由上述天然气地球化学特征的分析可知，气田δ13C1多大于-48‰，δ13C2多轻于-28‰，天然气干燥系数多大于0.95，天然气呈现出煤型气的特征。基于戴金星(2018)提出的天然气成因判识图，L气田天然气均落在煤型气区，进一步证实该气田天然气为典型煤型气。此外，依据Bernard(1978)和Whiticar(1990,1999)等提出的天然气成因解释图版，L气田天然气整体表现为热成因气，大部分具有Ⅲ型干酪根热解气的特征。

　　4.2 天然气类型划分

　　已有研究显示，天然气中烃类气组分与碳同位素组成受烃源岩的母质类型、成熟度等因素影响。其中，烷烃中重烃碳同位素的母质继承性较强，而甲烷碳同位素组成既受烃源岩的母质类型影响，也受成熟度影响(戴金星等，2011,2018)。除烷烃碳同位素外，烷烃碳同位素的差值及其变化特征同样会因烃源岩母质类型的不同而表现出差别，因而也常用于天然气成因类型的划分(Chuangetal.,1988;黄第藩等,1996a,b;Burrussetal.,2010;戴金星等，2011,2018)。L气田天然气无论是在组分还是碳同位素值上均有差异性，表明这些天然气尽管都是煤型气但应为不同亚类型。笔者认为天然气地球化学特征的的差异可能主要归结于其烃源岩生烃母质的差异性，而受成熟度的影响较小。

　　5结论

　　(1)位于莺歌海凹陷东斜坡南部的L气田，不同层系气藏天然气的地球化学特征差异较大，梅山组较黄流组天然气组分偏干，黄流组天然气湿度变化大;梅山组天然气重烃(乙、丙烷)碳同位素值较黄流组的整体偏重，且变化范围大。

　　(2)L气田天然气均为煤型气，依据甲烷、乙烷及丙烷碳同位素值及δ13C1-δ13C2等参数进一步细分为M型和S型，M型气主要与梅山组烃源岩有关，S型气主要来自三亚组源岩。从近凹L1气藏至近隆L3气藏，天然气类型由既有M型也有S型，转变为以S型为主。

　　(3)L气田天然气分布的差异性与烃源岩生烃过程、气藏的空间位置与垂向充注过程密切相关。全新世凹陷斜坡南部梅山组和三亚组烃源岩进入高-过成熟阶段，近凹中一侧梅山组和三亚组烃源岩生成的天然气沿断裂与微断裂进入黄流组成藏，形成L1气藏，而近隆一侧来自三亚组的天然气进入梅山组二段成藏形成L3气藏。

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　　作者：郭潇潇，徐新德，甘 军，熊小峰，汪紫菱，游君君