西湖凹陷中央反转带天然气地球化学特征及其成因探讨

王勇刚 陈 岑 谭先锋 李 宁 张年念 汤 睿 李 陈

(1. 中海石油(中国)有限公司上海分公司， 上海 200335；2. 复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室， 重庆 401331；3. 重庆科技学院石油与天然气工程学院， 重庆 401331；4. 江西省核工业地质局二六七大队， 江西 九江 332000)

西湖凹陷位于东海陆架盆地浙东坳陷的中部，属于东部坳陷带内的次一级凹陷，其总体呈北北东向展布，新生界地层沉积预计最大厚度达20 000 m以上。中央反转带位于西湖凹陷中部，紧邻西湖凹陷生油洼槽中心，为始新世晚期受玉泉运动自东向西的挤压作用而形成的反转背斜带，自南而北可划分为天台构造带、黄岩构造带、宁波构造带、嘉兴构造带等4个三级构造带。近年来，在中央反转带发现一系列油气田或含油气构造，主要含油气层位为渐新统花港组，勘探前景良好。

西湖凹陷存在三套烃源岩，其中以平湖组海陆过渡相烃源岩为主，下始新统宝石组、渐新统花港组的河流相-湖泊相烃源岩为次要烃源岩。其中，岩石类型主要为暗色泥岩、碳质泥岩和煤等3种类型[1]，有机质类型主要以II2-III型为主。本次研究主要通过天然气的化学组分、碳同位素、轻烃指纹等因素对西湖凹陷中央反转带不同构造带(除嘉兴构造带外)的天然气地球化学特征进行对比分析，并讨论天然气的成因类型。

1 天然气化学组成特征

1.1 组分

天然气的组分由烃类和非烃类组成，不同组分天然气受母质类型和热演化程度的影响，同时受区带油气运移和成藏方式等因素的影响。对中央反转带3个次级构造已钻多口探井的渐新统花港组天然气进行取样分析，得到西湖凹陷中央反转带天然气组分特征(见表1)。中央反转带的天然气以烃类气体为主，含少量非烃类气体。

三级构造带之间天然气的组分变化较大。在天台构造带，甲烷体积分数为71.5%～90.57%，平均为83.63%；重烃体积分数为3.68%～13.16%，平均为9.45%；干燥系数(C1C1-5)为0.85～0.93，平均为0.89。在黄岩构造带，甲烷体积分数为70.72%～92.23%，平均为83.84%；重烃体积分数为5.53%～18.4%，平均为10.78%；干燥系数为0.72～0.94，平均为0.88。在宁波构造带，甲烷体积分数为85.36%～98.25%，平均为92.24%；重烃体积分数为1.04%～4.82%，平均为3.42%；干燥系数为0.93～0.99，平均为0.97。重烃组分整体由南向北体积分数明显减少。中央反转带南部的天台构造带、黄岩构造带以湿气(干燥系数<0.95)为主，北部的宁波构造带以干气(干燥系数>0.95)为主(见图1)。

表1 西湖凹陷中央反转带天然气组分特征

图1 西湖凹陷中央反转带天然气样品干燥系数频率

研究区非烃类气体主要为CO2和N2，且3个次级构造带非烃类气体含量都比较低，CO2平均体积分数介于1.96%～2.68%，N2平均体积分数介于0.81%～1.84%。

1.2 ln(C1C2)、ln(C2C3)关系

Behar等人研究了干酪根裂解气和原油裂解气的烃类组分差别，并根据这种差别提出通过ln(C1C2)-ln(C2C3)图版来区分两类天然气的成因[2]。李剑等人在此研究的基础上，进一步通过热模拟实验建立了可判别天然气所处热演化阶段的新图版[3-4]。将天然气样品的ln(C1C2)和ln(C2C3)数据放入图2所示图版进行分析。可以看出，中央反转带的天然气以干酪根裂解气为主，仅在天台构造带存在少量原油裂解气，3个次级构造带干酪根裂解气的成熟度存在差异。其中，天台构造带和黄岩构造带干酪根裂解气的Ro(镜质体反射率)为0.8～1.1；宁波构造带干酪根裂解气成熟度最高，Ro为1.2～1.6，整体呈现南低北高的特征；天台构造带的原油裂解气Ro为1.3～1.6。

图2 西湖凹陷中央反转带ln(C1C2)与ln(C2C3)关系图版

2 天然气碳同位素组成特征

2.1 天然气碳同位素分布特征

西湖凹陷中央反转带的39个天然气碳同位素分析样品取自不同构造带的花港组，不同构造带的天然气碳同位素(δ13C)存在一定差异。

(1) 天然气δ13C1。天台构造带天然气δ13C1主频分布于-40.11‰～-38.15‰，平均为-39.20‰；黄岩构造带天然气δ13C1主频分布于-37.46‰～-32.78‰，平均为-35.25‰；宁波构造带天然气δ13C1主频分布于-32.21‰～-22.6‰，平均为-29.86‰。整体上，甲烷的碳同位素呈现出北重南轻的特点，说明南北的天然气源岩热演化程度不同。

(2) 天然气δ13C2。天台构造带天然气δ13C2主频分布于-27.61‰～-25.87‰，平均为-26.87‰；黄岩构造带天然气δ13C2主频分布于-28.92‰～-25.00‰，平均为 -27.09‰；宁波构造带天然气δ13C2主频分布于-26.00‰ ～-23.30‰，平均为-24.24‰。

由烷烃气碳同位素系列特征(见图3)可知，3个次级构造带的天然气有一部分发生了同位素倒转(δ13C3<δ13C2或者δ13C4<δ13C3)。戴金星根据国内多个盆地的碳同位素系列特征，总结了碳同位素倒转的原因[5-6]：(1) 有机烷烃气和无机烷烃气相混合；(2) 煤成气和油型气相混合；(3) 同型不同源气或同源不同期气相混合；(4) 烷烃气中组分被细菌氧化。在西湖凹陷几乎没有发现无机烷烃气，同时中央反转带气藏埋藏较深，不可能发生细菌氧化作用，因此天然气的倒转现象主要为不同类型或不同期次天然气混合所致。

图3 西湖凹陷中央反转带天然气碳同位素对比图

2.2 天然气碳同位素组合特征

天然气中烷烃的碳同位素主要受烃源岩的母质类型及其热演化程度的影响，CH4碳同位素主要受天然气成熟度的影响，而C2H6碳同位素主要与烃源岩母质类型有关[7-9]。通常，δ13C2<-28‰的天然气为油型气，δ13C2>-28‰的天然气为煤成气。研究区天台构造带和黄岩构造带主要落入煤成气区，部分落入混合成因气区，宁波构造带主要以煤成气为主[10]。根据西湖凹陷中央反转带天然气δ13C1-δ13C2关系图版(见图4)可知，天台地区的混合成因气主要是煤成气与原油裂解气的混合气[11]。黄岩构造带和宁波构造带以干酪根裂解气为主。现有研究表明，西湖凹陷油气是多期冲注、多期成藏所形成的产物，因此黄岩构造带和宁波构造带可能主要由不同成熟度天然气混合而成。

胡惕麟等人根据碳同位素特征，建立了判别天然气成因类型及成熟度的δ13C2与δ13C2-δ13C1关系图版(见图5)[12]。根据研究区数据落入区域可以看出，天然气的成熟度表现为由南向北逐渐升高。其中，天台构造带以中期腐殖型气区和过渡区为主；黄岩构造带落入晚期腐殖型气区与过渡区；宁波构造带天然气主要落入晚期腐殖型气区，该构造带主要处于高成熟 — 过成熟热演化阶段。

图4 西湖凹陷中央反转带天然气δ13C1-δ13C2关系图版

图5 西湖凹陷中央反转带天然气δ13C2与δ13C2-δ13C1关系图版

3 天然气轻烃C6-C7组成特征

C7轻烃化合物包括正庚烷(nC7)、甲基环己烷(MCC6)及各种结构的二甲基环戊烷(DMCC5)。戴金星等人根据不同结构轻烃在母质中的含量以及热演化过程中的稳定性，建立了C7轻烃三角图，可有效区分不同成因油气[13-14]。MCC6是有效反映煤成气轻烃的指标，甲基环己烷(MCC6)质量分数大于46%的天然气一般为煤成气，小于46%的天然气一般为油型气。天然气样品中除天台构造带部分数据点外，C7轻烃系列化合物中MCC6质量分数为49%～64%，占绝对优势，正庚烷的含量相对较低。这些情况均表明，西湖凹陷中央反转带的天然气主要为煤型气，天台构造带含部分油型气。

Thompson提出庚烷值、异庚烷值与凝析油成熟度的关系式[15-16]。程克明等人根据不同地区的油气成熟度，提出了依据庚烷值和异庚烷值划分天然气成熟度的标准[17]。依据该分类标准，认为天台构造带和黄岩构造的天然气样品基本处于成熟阶段，黄岩构造带的天然气样品成熟度相对较高，宁波构造带的天然气样品基本处于高成熟阶段，部分已经进入过成熟阶段(见图6)。这与前面的分析结果基本一致。

图6 西湖凹陷中央反转带天然气轻烃成熟度

4 结 语

西湖凹陷中央反转带天然气呈南北分带特征，南部天台构造带和黄岩构造带的天然气以湿气为主，北部宁波构造带的天气然以干气为主，整体上天然气组分中非烃类气体组分含量比较低。中央反转带天然气碳同位素均出现了不同程度的倒转现象，其天台构造带天然气存在混源特征，以干酪根裂解气为主，并存在少量原油裂解气；而黄岩构造带和宁波构造带天然气可能为多期充注的不同成熟度干酪根裂解气的混合气。成熟度分析结果表明，西湖凹陷中央反转带南部天台构造带和黄岩构造带的天然气基本处于成熟阶段，而北部宁波构造带天然气基本处于高成熟阶段，部分已经进入过成熟阶段。整体上，天然气成熟度呈北高南低的态势。