松南营城组火山岩气藏成藏模式

刘 伟， 沈阿平

(中国石油化工股份有限公司华东分公司，江苏南京 210019)

松南营城组火山岩气藏成藏模式

刘 伟， 沈阿平

(中国石油化工股份有限公司华东分公司，江苏南京 210019)

松南气田营城组火山岩天然气的δ13C1值大于-30‰，具有δ13C1＞δ13C2＞δ13C3负序列或同位素倒转，甲烷同位素偏重，表明松南气田营城组火山岩天然气不仅具有煤型气与油型气混合特性，还具有多期次成藏特征，煤型气充注早，为89～83 Ma;油型气和幔源气充注晚，为78～68 Ma。松南气田营城组天然气中无机气体主要为CO2与N2，CO2气的同位素表明CO2气的成因具有典型的“煤 幔二元”特征。

火山岩;煤幔混合成因;二次充注;松南气田

火山岩气藏是一种特殊的气藏类型，表现出了极强的非均质性和复杂的成藏规律，国外以日本新泻盆地最为发育，国内自20世纪70年代至今，相继在渤海湾盆地济阳坳陷、准噶尔盆地、四川盆地、二连盆地和松辽盆地发现火山岩油气藏。关于火山岩油气成藏规律的论著众多，蔡先华等(2002)、张玉明等(2006)分别从地球物理勘探和构造、成藏组合分析角度进行了松辽盆地南部长岭断陷的火山岩分布及成藏规律研究。笔者在火山岩气藏地质特征研究的基础上，通过天然气成因分析、生烃期、构造活动与成藏期的匹配关系研究，探讨松南火山岩气藏成藏模式。

1 构造特征

1.1 区域构造背景

松辽盆地长岭凹陷构造特征及演化总体表现为早期裂谷、中期坳陷、晚期褶皱的特点，基底为上古生界石炭系、二叠系中酸性侵入岩和浅变质岩，基底之上发育有断陷层系、坳陷层系两大成藏体系(李洪革等，2006)。本文研究的目标层系是断陷层的营城组。

断陷层系指上侏罗统—下白垩统构造层，面积7 240 km2，经过多次挤压、走滑、伸展等构造活动，将盆地切割成东西分带、南北分块的构造格局，自西向东划分为西部、中部和东部三个断陷带，断陷延伸方向多为北北东向和北西向。中部断陷带发育查干花断凹、老英台-达尔罕断凸带、长岭牧场断凹、苏公坨 龙风山断阶带4个次级构造单元。断凹带内地层发育较全，包括下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组，厚度4 500～10 000 m;断凸带的地层发育不全，登娄库、沙河子组和火石岭组等都有不同程度的缺失。

1.2 局部构造

老英台-达尔罕断凸带为长期发育的古隆起带。构造带上发育大布苏、前神字井、腰英台深层三个局部构造和近南北走向的前神字井、腰英台两条断裂(图1)，在营城组沉积时期沿前神字井腰英台断裂发生了大规模的火山喷发，形成了近南北走向的火山岩群。腰英台深层构造是隆起带东部的一个断鼻构造群。松南气田就是发育在腰英台深层断鼻构造群上的一个火山岩气藏。

松南气田的断裂分为北西西向及近南北向两组，其中近南北向的腰英台断裂延伸长、断距大，对构造起明显的控制作用;而北西西向断层则相对规模较小，对构造的控制作用不明显。断裂活动明显分为两期，早期断裂主要活动于营城组和登娄库组沉积期，大多在登娄库组沉积末期结束活动，以“单断式展布”，断面倾角较缓，具有明显的同生性;断层下降盘营城组和登娄库组发育较全，厚度较大;断层上升盘营城组和登娄库组沉积减弱，甚至有缺失。而晚期断裂多表现为“断堑式”，断层在剖面上以组合式断堑为特征，断面较陡，对地层的沉积分布无控制作用。

图1 长岭断陷构造区划图Fig.1 The geotectonic map of Changling fault depression

1.3 成藏组合

长岭断陷层的烃源岩主要为沙河子组 营城组烃源岩，暗色泥岩厚度为100～1 300 m，源岩发育，油气源充足。长岭断陷火山岩储层主要分布在营城组，是长岭断陷天然气勘探的主要目标，也是本次研究的目标层系。盖层主要是登娄库组、泉二、三段及营城组、沙河子组泥岩层。断陷内主要成藏期为明水期末。长岭凹陷在嫩江期末反转构造运动之后处于长期沉降状态，源岩生成的天然气供给持续到现今，对油气的形成及保存非常有利。

2 火山岩气藏地质

2.1 火山岩类型及喷发期次

前人将长岭断陷深层火山活动划分为六次规模不等的火山喷发旋回，侏罗系蚀变火山岩组火山旋回(第一旋回)，下白垩统火石岭组火山旋回(第二旋回)，下白垩统沙河子组火山旋回(第三旋回)、营城组火山旋回(第四旋回)、泉头组火山旋回(第五旋回)、登娄库组火山旋回(第六旋回)。其中火石岭期和营城期为盆地内主要的两期火山喷发活动。

营城组火山旋回的喷发规模较大、延续时间较长、分布面积较广。根据岩性、电性、含气性及沉积旋回特征，结合合成地震记录层位标定及地震反射特征和地震层序综合对比，松南气田营城组火山岩由三个火山通道，形成五个喷发期次。第一喷发期次不整合覆盖在下白垩统沙河子组火山旋回之上，是由腰平7井火山通道喷发形成;第二至第五期次以腰深1井火山通道喷发形成，第二喷发期次以溢流相的流紋岩和火山熔结凝灰岩为主，为强振幅波谷反射，腰深1井区为火山通道，为杂乱空白反射区;第三喷发期次以溢流相为主，局部有爆发相强波谷反射，在腰深1井区覆盖在火山通道相之上，分布较局限，在腰深7井区未沉积;第四喷发期次为一套复波反射的以流紋岩为主的溢流相，连续性较差;第五喷发期次以爆发相角砾凝灰岩和熔结凝灰岩覆盖在整个火山岩顶部，为强振幅波谷。

2.2 火山岩体展布特征

2.2.1 火山岩的平面展布特征

采用地震振幅数据体、相干数据体、波阻抗反演数据体、密度反演数据体等多种数据体结合单井相划分进行火山岩地震相研究。获得了松南气田腰深1井四个期次(第五至二期)火山岩的岩相分布图。第五期均是爆发相火山岩。第四期以溢流相火山岩为主，在腰深1、长深1、长深1-2及长深1-2北两个区域为溢流相+爆发相空落亚相火山岩分布区;腰深102井区为完整的溢流相分布区，包括上部、中部、下部三个亚相;腰深101井区为溢流相上部亚相与中部亚相火山岩分布区(图2)。第三期以溢流相火山岩为主，部分地区为火山通道相或爆发相。腰深1、长深1井区为火山通道相+溢流相火山岩分布区;长深1井有多个序列溢流相火山岩，反映了近火山口特征(图2)。第二期爆发相、溢流相火山岩分布均等，腰深1井区为火山通道相+溢流相火山岩分布区，与第二期火山岩相比，火山通道相直径较小。

2.2.2 火山岩的纵向展布特征

各期次的火山岩相及其纵向分布特征受古构造及距火山口距离控制，由南向北纵橫向的火山岩相有差异，岩性及厚度变化较大(图3)。

图2 第四期火山岩岩相分布图Fig.2 Distribution of volcanic lithofacies IV

3 成藏地质条件及成藏机理探讨

3.1 天然气成因

3.1.1 天然气组份分布特征

松南气田天然气以烃类组分为主，在平面上差异较大，从南向北，甲烷和重烃含量减少，CO2含量增大。北部甲烷及重烃含量低，CO2含量增高。南部的腰平7井营城组CH4含量87.0%，重烃组分为1.58%，N2含量5.77%，CO2含量为5.56%;中部的腰深101井和腰深1井营城组CH4含量71.42% ～71.72%，重烃组分为0.52% ～1.30%，N2含量3.73% ～5.83%，CO2含量为24.21% ～20.74%;中偏北部的腰平1井营城组天然气中CH4含量为65.38%，CO2含量28.08%;北偏中部的腰深102井营城组天然气中 CH4含量为69.02%，重烃组分为0.05%，CO2含量24.75%;北部的腰平4井营城组天然气中 CH4含量为54.8%，CO2含量39.9%;最北部靠火山岩体边部的长深1-3井营城组CH4含量仅为1.61%，CO2达98%(张枝焕等，2003;刘朝露等，2006)。

根据公式:

图3 腰平7-腰平3-腰深1-腰平1-腰平4井连井地震相剖面Fig.3 Well seismic facies profiles of Yaoping7-Yaoping3-Yaosheng1-Yaoping1-Yaoping4

计算的松南气田天然气中无机成因气所占比例为40.62%～100%，而有机成因气的比例在0～59.38%之间变化，并随深度增加，有机成因气的比例在降低。

3.1.2 碳同位素

松南气田营城组有机天然气中稳定碳同位素总体偏重，δ13C1介于 -16.43‰ ～ -23.78‰，δ13C2介于 -23.11‰ ～-29.88‰(多数高于 -29‰)，δ13C3介于 -16.01‰ ～ -30.74‰，δ13C4介于-29.27‰～ -34.29‰，具有 δ13C1＞ δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的同位素倒转分布特征(李春园等，1997)。

戴金星等(2001)将甲烷碳同位素的δ13C1值-30‰作为划分有机与无机的界限，长岭断陷营城组天然气绝大部分的δC1大于-30‰，证明了天然气中有无机成因甲烷的存在;松南气田天然气碳同位素倒转的主要原因是无机气与煤层气混合造成的。长岭断陷的天然气的同位素均落在δ13C1-δ13C2和 δ13C1-δ13C2-δ13C3、分类图版的Ⅲ(Ⅲ1，Ⅲ2)区，表明天然气不仅具有同源不同期煤型气混合特性，而且还具有煤型气与油型气混合特性(图4，5)。

天然气的碳同位素特征与长岭断陷下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组暗色泥岩及煤层发育，有机碳含量高、热演化程度高，为腰英台构造及达尔罕凸起上的圈闭提供了有机成因的油型气和煤型气有关。

3.1.3 CO2气成因

松南气田营城组天然气中无机气体主要为CO2与N2，CO2气的同位素有两种类型:第一类属幔源成因天然气，δ13CCO2在-7.9‰～ -4.63‰，如长深1、长深1-1、腰深1等井营城组天然气中的CO2;第二类为介于有机成因与无机成因之间的混合成因CO2气，天然气δ13CCO2在-11.0‰左右，如长深 1-1、长深1-2营城组较深部位(谈迎等，2006)。因此该区CO2气的成因具有典型的“煤-幔二元”特征。

图4 长岭断陷松南气田天然气δ13C1-δ13C2分类图版Fig.4 The δ13C1-δ13C2classification of Songnan gas field in Changling fault depression

图5 长岭断陷松南气田天然气δ13C1-δ13C2-δ13C3分类图版Fig.5 The δ13C1-δ13C2-δ13C3classification of Songnan gas field in Changling fault depression

对松辽盆地CO2气体的成因，曾有研究者建立了四种气体脱气的模式(郭占谦等，1997)。在100～73.5 Ma的青山口组至嫩江组时期松辽盆地南部长岭断陷幔源岩浆喷发与侵入频繁，岩石圈断裂向下切割到地幔甚至到软流圈;北西西向和北北东向共扼断裂系是长期继承性活动的断裂，在嫩江组 明水组沉积末期及早第三纪末期和新构造运动(N-Q)持续活动，控制了多种类型局部构造发育。伴随断裂活动，软流圈富集的CO2，CH4和部分H2气脱出向上运移，在适宜的圈、盖、保条件下富集成藏。

3.2 成藏时间与期次

3.2.1 生烃期

腰深2井动态演化历史表明，在持续的沉降作用以及较高的古地温场作用下，火石岭组烃源岩早在登娄库组沉积中末期(约118 Ma)进入生烃门限，至嫩江组沉积早期(约80 Ma)全面进入大规模生烃阶段，达到生烃高峰，主要生、排烃阶段为泉头组末期—嫩江组早期(105～80 Ma);沙河子组烃源岩也是在泉头组沉积早中期(约112 Ma)进入生烃门限，至嫩江组沉积中后期(约75 Ma)达到生烃高峰，主要生排烃期为姚家组-嫩江组沉积中后期(90～75 Ma)营城组烃源岩在泉头组沉积中期(约100 Ma)进入生烃门限，至嫩江组沉积晚期(约65 Ma)达到生烃高峰，但至现今一直还在缓慢生烃，不过量很小。登娄库组烃源岩在姚家组沉积末和嫩江组沉积早期(约80～85 Ma)进入生烃门限，开始持续生烃。

3.2.2 成藏期

营城组凝灰岩中有机包裹体均一温度可以分为两期，第一期主要为气-液烃类流体包裹体，均一化温度分布范围在120～130℃;第二期为气体烃类流体包裹体，均一化温度分布范围在140～160℃。结合腰深1井营城组火山岩埋藏史分析，该井烃类气体充注储层为两期充注，第一期烃类充注高峰期为要姚家末—嫩江早期，发生时间为86～83 Ma，主要为火石岭组-沙河子组煤系地层生成的有机成因的天然气;第二期天然气充注时期为嫩江末期到四方台早期，发生时间为78～68 Ma，为营城组烃源岩生成的油型天然气与火山活动形成的CO2为主的地幔气充注储层。

松辽盆地长岭断陷营城组储层包裹体中CH4，CO2的碳同位素分析表明，包裹体中包含的气体CO2与储层中的CO2不同源，包裹体中包含的CO2的碳同位素值都小于-10‰为有机成因，气藏中的高含量的CO2的碳同位素值都大于-8.0‰为无机成因，包裹体中的甲烷及烃类气体与储层中的烃类气体具有相似的同位素特征，具有同源性。结合有机包裹体均一温度分析(张金亮，1998)，进一步证明烃类气体为主的天然气与CO2不是同时充注储层的，在CO2充注入前，储层己经被烃类气体所饱和。

3.3 成藏模式探讨

松南气田营城组火山岩气藏是CH4和CO2的混合气藏，具有多期成藏特征。气藏构造形成于营城组末期，经登娄库-明水组末期的两次挤压构造反转运动定型;本区沙河子组、营城组这两套主力烃源岩在嫩江末期达到生烃高峰;构造形成时间早于烃源岩的生烃高峰期，成藏配置条件有利，有煤型气生成并充注圈闭的过程;晚白垩纪以后的火山活动和深大断裂沟通地幔，使油型气和无机成因的CO2与混合成因的CO2沿着深大断裂运移到火山岩储集层，同时使早期形成的有机成因天然气藏遭受了改造甚至被破坏，运移至浅部地层聚集或溢散。后期充注无机气体的成分与早期形成的有机天然气藏的破坏程度决定了现今天然气藏的CO2与有机烃类气体的含量(付晓飞等，2005a，2005b)。由于烃类气体与CO2气体的分子量不同，CH4气体粘度小、吸附力弱、重量轻、扩散系数大，富集在构造高部位;而CO2气体则因吸附力强、粘度大，富集在构造较低部位或烃类气藏之下。由于松南气田的火山和构造活动强度由南向北逐次增强，松南气田中的CO2含量也由南向北逐渐增高。

综上所述，松南气田营城组火山岩气藏模式可以概括为登娄库-明水末期构造反转定型，嫩江末期烃类气体成藏，嫩江末期到四方台早期构造改造、油型气和幔源CO2气体充注(图6)。

图6 长岭断陷营城组火山岩储层天然气成藏模式图Fig.6 The accumulation model of the natural gas of volcanic reservoir in Yingcheng group

蔡先华，谭胜章.2002.松辽盆地南部长岭断陷火成岩分布及成藏规律［J］.石油物探，41(3):363-366.

戴金星，石昕.2001无机成因油气论和无机成因的气田(藏)概略［J］. 石油学报，22(6):5-10.

付晓飞，宋岩.2005a.松辽盆地无机成因气及气源模式［J］.石油学报，26(4):23-28.

付晓飞，云金表.2005b.松辽盆地无机成因气富集规律研究［J］.天然气工业，25(10):14-17.

郭占谦，王先彬.1997.松辽盆地非生物成因气的成藏特征［J］.中国科学(D辑)，27(2):143-148.

李春园，王先彬.1999.甲烷及其同系物δ13C值反序排列特征的数值模拟与非生物成因天然气藏探讨［J］.沉积学报，17(2):306-311.

李洪革，林心玉.2006.长岭断陷深层构造特征及天然气勘探潜力分析［J］.石油地球物理勘探(增刊):33-36.

刘朝露，李剑，夏斌，等.2006.松辽盆地南部深层天然气藏地化特征［J］.天然气工业，(2):36-394.

谈迎，刘德良，李振生.2006.松辽盆地北部二氧化碳气藏成因地球化学研究［J］.石油实验地质，28(5):480-483.

张金亮.1998.利用流体包裹体研究油藏注入史［J］.西安石油学院学报，13(4):1-4.

张玉明，李明.2006.松辽盆地南部深层系天然气成藏规律［J］.石油与天然气地质，27(6):841-848.

张枝焕，吴聿元，俞凯，等.2003.松辽盆地长岭地区烃源岩地球化学特征［J］.新疆石油地质，23(6):621-626.

Accumulation Model of Songnan Yingcheng Volcanic Gas Reservoir

LIU Wei，SHEN A-ping
(East China Branch of SINOPEC，Nanjing，JS 210019，China)

The δ13C1value of natural gas of the volcanic reservoir in Yingcheng group，Songnan gas field is more than-30 ‰ with a negative sequence that is δ13C1＞ δ13C2＞ δ13C3or isotopes inversion and more weight methane isotope.It indicates that the natural gas of volcanic reservoir not only has the coal-type gas and oil-type gas mixing characteristics，also has a multi-period accumulation characteristic in Yingcheng group，Songnan gas field.The coal-type gas that is 89～83 Ma is filled earlier than mantle-derived gas that is 78～68 Ma.The natural gas in Yingcheng group，Songnan gas field mainly has two inorganic gas:CO2and N2.The isotope of CO2gas shows the genesis of CO2gas has a typical“Coal-Mantle”dual characteristic.

volcanic rock;coal-mantle hybrid origin;secondary filling;Songnan gas field

P618.13

:A

:1674-3504(2011)01-075-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.01.012

2010-07-01

刘 伟(1956—)，男，教授级高级工程师，主要从事油气田开发研究及科研管理。