德惠断陷火石岭组天然气气源对比

申家年 梁爽

(东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318)

松辽盆地南部整体勘探前景良好，其中德惠断陷已有近50年的勘探历史［1-2］。德惠断陷深层天然气主要是由营城子组、沙河子组、登娄库组、火石岭组等地层中分散有机质在热演化过程中所形成［3］。其中火石岭组含气面积广，潜力巨大，但地质条件复杂，勘探程度低。目前德惠断陷火石岭组钻遇23口井，已对其中17口井进行试油试采测试，有8口井见气。试气结果显示，德深11井日产气为53 650 m3，德深12井日产气为12 280 m3，天然气勘探前景较好。本次研究是在了解德惠断陷区域地质背景的基础上，通过德惠火石岭组天然气组分及轻烃数据确定火石岭组天然气的成因，并进行气源追踪。

德惠断陷隶属松辽盆地东南隆起区内次一级构造单元，是在晚古生代浅变质岩系的基底上发展起来的中生代沉积盆地，其中广泛发育有上侏罗统和白垩系的湖泊相 — 河流相沉积地层，是一个含油气资源丰富的断陷［4］。目前钻探结果所揭示的地层有上侏罗统火石岭组，下白垩统沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统青山口组、姚家组，其中火石岭组地层厚度一般为200～1 500 m。根据德惠断陷22口井钻井资料统计，钻遇地层平均厚度为592.32 m，其中泥岩平均厚度为197 m(约占总厚度的35%)，泥岩分布广泛且暗色泥岩发育较好。火石岭组泥岩有机碳普遍大于1%，干酪根类型偏腐殖型，而且成熟度为成熟 — 高成熟阶段，是生气的阶段。沙河子组地层厚度为600～1 400 m，岩性以灰黑色、深灰色泥岩为主。沙河子组泥岩样品中70%以上的样品TOC(有机碳总量)大于2%。干酪根类型主要为偏腐殖型，成熟— 高成熟阶段，但是成熟度稍低于火石岭组。火石岭组与沙河子组源岩性质相似，均为很好的气源岩。

1 天然气成因鉴别

1.1 碳同位素判定成因

有机质母质不同，其碳同位素组成也不同，自然演化过程中的热力作用、运移作用及生物化学作用会导致同位素分馏，从而使得不同成因的天然气中碳同位素组成的分布特征各不相同。天然气同位素是判定天然气成因的重要参数之一，表1所示为德深12井火石岭组天然气同位素数据。

表1 德深12井火石岭组天然气同位素数据

表1表明德深12井火石岭组天然气同位素为正常序列(甲烷、乙烷、丙烷碳同位素序列:δ13C1＜δ13C2＜δ13C3)特征，可能油型气贡献较大。根据戴金星的德惠断陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有机烷烃气成因图版［6］(图1)分析，德深12井烃类气落在Ⅲ1区，为油型气、煤型气混合气。

图1 德惠断陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有机烷烃气成因图版

1.2 轻烃族组成判定成因

通过正构-异构-环烷烃可判定天然气成因图版中德深11井与德深12井含正构烷烃与异构烷烃相对多一些［7］，C5、C6、C7主要分布在油型气和煤型气分界线上。德深11井和德深12井火石岭组天然气表现为煤型气和油型气混合特征，这与同位素判定的成因结果一致。图2所示为德惠断陷正构-异构-环烷烃判定天然气成因图版。

图2 德惠断陷正构-异构-环烷烃判定天然气成因图版

2 气源对比

2.1 轻烃指纹判别气源

根据实际轻烃测试情况和其中11项配对参数对研究地区天然气与烃源岩轻烃进行系统对比，分析其火石岭组天然气气源关系。由于火石岭组、沙河子组和营城组的岩样数量较多，在图中无法明确、清晰地突出天然气气源，因此选用与各组平均岩样轻烃指标数据最相近的代表岩样。图3所示为德深11井火石岭组气样与各地层平均岩样轻烃指标对比图。图4所示为德深12井火石岭组气样与各地层平均岩样轻烃指标对比图。火石岭组与沙河子组的2、3、4、7、8、9 号指标都与天然气相对应的指标相近，沙河子组的指标10与天然气的数值差距较小，其他4个泥岩指标均与天然气相应指标有较大差异，且火石岭组与沙河子组岩样11个指标整体分布表现出一定的相似性。火石岭组天然气的气样与沙河子组、火石岭组均有一定的亲缘性，无法确定火石岭组天然气究竟来自沙河子还是火石岭。在此需要明确的是，沙河子组泥岩和火石岭组泥岩轻烃是否差别较小，天然气是否为二者的混合气。

图3 德深11井火石岭组气样与各地层平均岩样轻烃指标对比图

图4 德深12井火石岭组气样与各地层平均岩样轻烃指标对比图

2.2 聚类分析与秩和检验法判别气源

通过关系图无法直观地细察每个轻烃指标之间的差距，因此需要对沙河子组和火石岭组泥岩的11项轻烃指标进行聚类分析［10］，以检查二组泥岩轻烃参数的整体差异。

聚类分析又称点群分析，是指按照客体在性质上或成因上的亲疏关系，对客体进行定量分类的一种多元统计方法。这种分类方法不仅综合考虑了所有因素，而且又不受已有分类结构的影响，只以某种分类统计量为依据对客体进行分类。这就有可能突破传统地质学建立的一些定性分类系统，从而得到更合理的分类结果［11］。在地质研究中，欧氏距离、欧氏距离平方、变量矢量余弦及Chebychev距离是常用的聚类方法，用于Q型聚类。如果火石岭组和沙河子组轻烃有明显差异，则利用聚类法可使大部分(甚至全部)火石岭组泥岩与沙河子组泥岩各自聚类，分别代表火石岭和沙河子。

以德惠断陷的欧氏距离法为例，若聚成2类，则第1类中有沙河子组样品、火石岭组样品各1块，其余10个样品聚成第2类(见图5)，未见到火石岭组和沙河子组各自成类的现象。考虑到个别样品的影响，在聚成3类时有2类可能分别包含沙河子组和火石岭组样品组分。这样剔除个别样品后，火石岭组和沙河子组分。但是运用三分法并没有出现设想的结果，4种常用的聚类方法得到的结果基本一致，如图5—图8所示。可以认为，德惠断陷沙河子组泥岩与火石岭组泥岩的轻烃指标整体上没有明显的差异。

图5 泥岩欧氏距离法聚类结果

图6 泥岩变量余弦法聚类结果

图7 泥岩欧式距离平方法聚类结果

图8 泥岩Chebychev距离法聚类结果

德惠断陷沙河子组泥岩轻烃指标整体相似，不能准确区分。秩和检验方法是一种重要的非参数统计法，可以用来研究总体之间的显著差异，在数据统计分析中有一定的实用价值［12］。在此用秩和检验法分析德惠断陷泥岩的11个轻烃指标:

首先，将总体样本X、Y中，数据n1和n2的样本混合起来，按照数值从小到大统一编号，每项数据对应的叙述称为秩;

其次，计算X样本所对应的秩之和，用T表示;

最后，根据n1、n2与显著性水平α值(对比值为0.05)，在秩和检验临界值表中查出秩和检验临界值的下限T1、上限T2，若T≤T1或T≥T2，则伴随概率小于0.05，说明个体可以区分开来。

表2所示为轻烃单个参数检验区分效果检验数据。分析显示只有指标3存在明显差异，指标2和指标10有一定差异。利用区分度大的指标分别制作气源对比交会图(图9和图10)，图中均显示出火石岭组天然气与沙河子组和火石岭组泥岩的亲缘性，这说明火石岭组天然气来源于沙河子组与火石岭组源岩。

表2 轻烃单个参数检验区分效果检验数据

图9 德惠断陷泥岩和天然气轻烃指标3与指标2交会图

图10 德惠断陷泥岩和天然气轻烃指标3与指标10交会图

2.3 轻烃参数K1

根据Mango的轻烃稳态催化动力学成因理论，在同一类油(气)中轻烃参数K1为不变的常数值，而在不同类型油(气)中K1值有一定差异，且 K1值只与天然气的母质类型有关，与成熟度无关［13-14］。计算得到以下指标:德惠断陷营城组泥岩2个K1值，平均值为1.20;沙河子组泥岩5个K1值，分布范围为1.05 ～1.09，均值为1.08;火石岭组泥岩8 个K1值，分布范围为 0.92 ～1.22，均值为 1.09，天然气共2个K1值，K1均值为1.14。这表明德惠断陷沙河子组泥岩与火石岭组K1值相近，泥岩类型较相似。2个天然气K1值差距较小，表明研究区气源有较大的相似性，进一步证实了天然气来源于沙河子与火石岭组源岩的设想。

3 结语

通过碳同位素与轻烃指标，判定德惠断陷火石岭组天然气为油型气和煤型气混合气。火石岭组和沙河子组泥岩的轻烃指标并无区别，因此用简单的折线图无法判别火石岭组天然气的来源。聚类分析与秩和检验证明火石岭组和沙河子组泥岩轻烃指纹参数确实没有差别。火石岭组和沙河子组泥岩轻烃计算的K1值十分接近，进一步证实了火石岭组泥岩与沙河子组泥岩生气母质十分接近。德惠断陷轻烃指标交会图表明火石岭组天然气与沙河子组泥岩和火石岭组泥岩都有亲缘性，火石岭组天然气K1值与火石岭组泥岩、沙河子组泥岩K1值都具有相似性。由此推断德惠断陷火石岭组天然气来源于火石岭组和沙河子组泥岩。

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