长岭断陷无机成因天然气的判别与分布特征

周卓明 成都理工大学能源学院，四川 成都610059 中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151

湛小红 （西南石油大学资源与环境学院，四川 成都610500）

李 贶 （中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151）

长岭断陷无机成因天然气的判别与分布特征

周卓明 成都理工大学能源学院，四川 成都610059 中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151

湛小红 （西南石油大学资源与环境学院，四川 成都610500）

李 贶 （中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151）

通过对松辽盆地长岭断陷烷烃气和CO2碳同位素资料的分析，认为该地区存在无机成因天然气。烃类气体中具有重碳同位素异常 （δ13C1＞－30‰）和负碳同位素系序 （δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4）的同位素分布特征，CO2碳同位素分布在－4.63‰～－16.7‰，部分天然气表现出无机成因烃类气体的特点。3He／4He值为0.88Ra，指示有幔源氦的存在，说明该区天然气可能是壳幔混源。长岭断陷天然气藏中不仅无机成因烷烃气由北向南逐渐减少，且幔源CO2也表现出从西北向东南含量明显减少，与区域构造、断裂走向和火山岩密切相关等与无机成因烷烃气相似的分布特征。

长岭断陷；无机成因气；碳同位素；分布特征

天然气按成因分类，可以分为能再生的生物成因气、不可再生的有机成因气和无机成因气等3类［1］。大部分天然气是有机成因的，但不排除无机成因气的存在。在超深钻探过程中、洋脊涌出的热液中以及火山喷发过程中发现了大量的CO2和CH4，这些发现证实了无机成因气富集的可能［2］。无机成因气的识别及成藏分析［3］，不仅探索、完善了无机成因天然气成藏理论，而且拓宽了天然气勘探的新领域。

1 区域概况

松辽盆地是我国东部最大的含油气盆地，地幔上隆，地壳减薄，地壳中发育 “网状”结构以及部分深大断裂的发育均有利于地球深部流体向上运移［4］。具有无机成因天然气形成和聚集的有利条件。迄今为止，松辽盆地发现的无机成因天然气包括有CO2（盆地南部的万金塔、孤店、乾安、红岗以及昌德东CO2气藏等）、烃类气体 （盆地北部徐家围子断陷的肇州西、昌德气藏等）以及其他非烃类气体如He、H2、N2等［4］。

2 长岭断陷无机成因气判别

长岭断陷位于松辽盆地中央断陷带，是受孙吴－双辽岩石圈、壳深断裂带及松花江－四平2条岩石圈深断裂周边发生强烈深陷而形成发育的深大断陷，最大沉积厚度达10000m，断陷面积达7000km2，是松辽盆地面积最大的断陷之一。在长岭断陷东部斜坡带已勘探发现有腰英台深部气田 （北部）、东岭油气田 （南部）以及DB11井和TS6井气藏 （中部）［5］。

2.1 碳同位素值异常显示了无机成因烃类气的存在

碳同位素资料是判识无机成因天然气最直接的证据。许多学者利用甲烷碳同位素来确定甲烷的成因。世界上不同无机成因甲烷的碳同位素虽然变化较大 （表1），但一般都大于－30‰。戴金星［6］也认为无机甲烷碳同位素一般大于－30‰，且其烃类气体的碳同位素系列呈δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的负碳系列。而有机成因的烃类气体的碳同位素系列为δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4正碳同位素系列。如表1提到的俄罗斯希比尼地块与岩浆岩有关的天然气中，δ13C1为－3.2‰，δ13C2为－9.1‰，δ13C3为－16.2‰；美国黄石公园泥火山气中，δ13C1为－21.5‰，δ13C2为－26.5‰，均为典型的负碳同位素系列。

表1 中国和世界上一些无机成因甲烷的碳同位素组成特征

图1 徐家围子断陷无机成因烷烃气碳同位素分配模式

松辽盆地北部徐家围子断陷就发现有典型的无机成因的 烃 类 气 体［7］（图 1）。而南部的长岭断陷腰英台、达尔罕、双坨子等地区均发现了甲烷碳同位素异常和负碳同位素系列 （表2）。其中，YS1 井、YS101 井、YS102井、CS1井、CS1-1井等多个气样显示完全的δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4系列，位于达尔罕构造上的DB11井、YS2井和双坨子构造上的TS6井则呈现δ13C1＞δ13C2的情况，且δ13C1值均大于－30‰，说明了该地区深层无机成因烷烃气存在的可能性较大，而且有一定规模。

刘婷等［7］根据无机成因气和有机成因气的混合模拟试验表明，不同的正碳同位素系序的天然气混合，混合气体不会出现完全倒转的负碳同位素系列；而混合气体组分中有一定量的负碳同位素系列的无机成因气，混合气碳同位素会发生完全倒转。而戴金星［6］认为有机与无机烃类气的混合、煤型气与油型气的混合以及同型不同源或同源不同期气体的混合是导致C1－C4单体烃同位素变化规律倒转的主要原因，并通过四川盆地、鄂尔多斯盆地多种类型的天然气混合得到证实，但参与混合的天然气所有的δ13C1值均小于－30‰。这和长岭断陷的碳同位素倒转特征并不一致。因此同时用这两个指标判别，长岭断陷北部和中部地区部分天然气混有无机成因烷烃气。

也有学者提出导致碳同位素倒转的另外一个原因就是盖层微渗漏造成的蒸发分馏作用，据其原理，甲烷同位素与深度变化有关系，深度越深，甲烷碳同位素应该越重。但是YS1井3495m登娄库组气的δ13C1是－20.8‰，3544～3750m的营城组气的δ13C1是－21.2‰，并不符合这样的说法。

长岭断陷南部东岭地区气样的碳同位素特征却刚好相反，其δ13C1值均小于－30‰，且具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正碳同位素系列，东岭地区气样应属于有机成因油型气。

表2 长岭断陷深层天然气碳同位素特征

虽然崔永强等［8］曾通过模拟试验初步估算气藏中 “无机成因气”的贡献值，认为天然气藏在识别出δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4，气藏中的无机成因气将占99%以上的份额；当δ13C1＞δ13C2＞δ13C3时，气藏中的无机成因气至少占80%等。但笔者认为，要真正判断无机成因气所占比例难度较大，只能定性地认为有机烃气和无机烃气的混合气，如果负碳同位素表现的越明显，那么其无机烃气所占的比例也就越大，反之亦然。

2.2 CO2气体碳同位素特征

前人认为，天然气中CO2的成因也可分有机和无机两种类型。有机成因的CO2除了干酪根伴随油气生成过程的热降解和热裂解形成外，有机物在细菌作用下氧化分解也会形成一定量的CO2。而无机成因的CO2主要具有碳酸盐岩热变质和幔源－岩浆作用两种成因［9］。

CO2碳同位素是判别CO2成因的最重要的证据。戴金星等［10，11］研究认为，有机成因CO2的δ13C值小于－10‰；而无机成因δ13C主要分布在－8‰～3‰。其中，碳酸盐岩变质成因的CO2的δ13C值约为0‰～3‰，接近碳酸盐岩δ13C值；岩浆－幔源成因的CO2的δ13C值约为－8‰～2‰，相对较轻。从表2可以看出，东岭地区的CO2属于有机成因，而腰英台地区的CO2属于无机成因，与该地区烷烃气的成因类型是一致的，表明CO2作为非烃气体和烷烃气是同源伴生的。

2.3 氦气等稀有气体同位素特征

与烃类气体伴生的稀有气体同样具有不同的成因，He都是无机成因的，其具有幔源成因和壳源成因2种形式［6］。He同位素比 （3He／4He）可以有效区分天然气是幔源还是壳源。大气成因He的Ra值（大气中3He／4He值）为1.4×10－6。地壳中碳酸盐岩受热分解、岩石变质成因3He／4He值为n×10－8～n×10－7，岩石熔融、地幔楔形体等壳源成因He的3He／4He值在n×10－9～n×10－8之间，幔源成因He该值为n×10－5～n×10－4（1＜n＜10）。对于幔源成因有关的天然气藏研究表明，在其成藏过程中总会有壳源He的混入。幔源He存在的天然气的3He／4He值大于0.1Ra［12］。

松辽盆地北部已钻探30多口井 He含量达到工业He气藏的标准 （含量大于0.1%）［13］。而在YS102井天然气He含量虽然仅为0.0057%，但其3He／4He值为0.88Ra，介于幔源与壳源之间，应为壳幔混源的天然气。

3 长岭断陷无机成因气分布特征

图2 长岭断陷不同含量CO2气分布图

上述研究表明，长岭断陷深层天然气成因类型复杂，有机和无机成因烃类气、壳幔混源成因的CO2共存［14］，断陷层有机成因烃类气体和无机成因气 （包括CO2等）以基底大断裂为桥梁和纽带联系在一起，两者由于共享同一圈闭和储层等混杂分布，由于不同来源气体的供给量和成藏时期的差异，因而形成CO2和无机烃类气含量差异较大的混合气藏。

从上文中碳同位素系序的变化分析，虽然无机成因烷烃气的含量确定有一定难度，但可以定性分析其主要分布在长岭断陷北部、中部，而长岭断陷南部为有机成因烷烃气分布区。无机成因烷烃气的分布具有与幔源成因CO2极其相似的分布特征 （图2）：①在整个长岭断陷零散分布，表现为狭长带状或多个点状局限分布，从断陷西北向东南含量明显减少，其展布方向受深大断裂的控制，与断裂走向一致。如北部靠近基底断裂的CS2井、CS4井、CS6井、CS7井等井CO2含量均在90%以上，是比较纯的无机成因CO2气藏；在东南部东岭气田的CO2则由于远离了深大断裂，基本没有无机成因气；在两者中间的腰英台、达尔罕构造带上的CO2含量则介于两者之间。②CO2与火山岩体密切相关，高含CO2气的钻井虽然表现在不同层位均有产出，但这些钻井均主要分布于火山喷发岩体附近，反映了它们之间具有成因上的联系。③同一地区深部和中浅层不同层位CO2气藏具有相同来源，通过对中浅层和深层已发现CO2钻井分析表明，在部分中浅层发现高含CO2井的地区，其深部层位也发现了CO2气异常的钻井或层段，如处于孤店中浅层CO2气藏同一地区的CS7井，在深部营城组也表现出CO2异常，这也说明由于断裂和储层组合、输导方式的差异导致CO2在不同的层位中聚集，其深部和中浅层CO2气藏均具有相同的气源。

4 结 论

1）地化指标分析表明，长岭断陷深层天然气的甲烷碳同位素不仅具有δ13C1＞－30‰，且甲烷及其同系物的碳同位素组成也满足δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的负碳同位素系列；其伴生的CO2的δ13C为－8‰～3‰；3He／4He值为0.88Ra，表现为壳幔混源特点。与松辽盆地北部徐家围子断陷一样，具有较为典型的无机成因天然气的特点。

2）长岭断陷深层天然气藏中无机成因烷烃气的含量具有由北向南逐渐减少的特征，在南部东岭地区表现为有机成因。

3）无机幔源成因CO2气分布上表现为平面上从西北向东南含量明显减少，与区域构造、断裂走向和火山岩密切相关。

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Discrimination and Distribution Characteristics of Inorganic Natural Gas in Changling Fault Depression

ZHOU Zhuo-ming，ZHAN Xiao-hong，LI Kuang（First Author’s Address：College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China；Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，SINOPEC，Wuxi214151，Jiangsu，China）

On the basis of analyzing the carbon isotopes of paraffin gas and CO2，in the Changling Fault Depression of Songliao Basin，it was considered that there existed inorganic natural gases in the depression.The abnormal of carbon isotopes（＞－30‰）and the reverses of isotopic series（δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4）had the characteristics of inorganic hydrocarbon gases.Theδ13CO2value of natural gases was between－4.63‰and－16.7‰，some gases presented the characteristics of inorganic generated hydrocarbon gases.The3He／4He was 0.88Ra，it reflected that there existed the mantle-derived helium，and the gases in the area were derived from mixing sources of crust and mantle.In Changling Fault Depression，the inorganic gas in gas reservoirs is reduced gradually from the north to south while the mantle-derived CO2content is reduced significantly from the southeast to northwest，it presents similar distribution trend with the inorganic generated gas.The distribution of inorganic gas and mantle derived CO2are closely related with regional tectonics，fault strike and volcanic rocks.

Changling Fault Depression；inorganic genesis gas；carbon isotope；distribution characteristics

TE122.2

A

1000-9752 （2012）04-0031-05

2011-10-19

中国石油化工股份有限公司科技开发项目 （P10024）。

周卓明 （1970-），男，1991年大学毕业，高级工程师，博士生，现主要从事石油地质综合研究工作。

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