莺歌海盆地斜坡区CO2分布特征及主控因素

段亮 史德锋 刘航 曹阳 金峰

中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南 海口 570300

在油气藏中，除富集石油、甲烷气等烃类能源，还伴生有CO2，N2等非烃类气体，这些非烃类气体往往混杂在油气中，给油气勘探开发造成不利影响，是不可忽略的勘探风险[1]。为提高油气田的经济性，自20世纪60年代莺歌海盆地开展勘探工作以来，国内就中央底辟区已开展了大量的研究工作，认为CO2主要为壳源无机成因，少部分混有幔源。但对莺东斜坡带CO2的成因和来源尚无系统分析。本文在前人大量实测数据的基础上，结合最新勘探成果，从莺歌海盆地天然气成因类型、充注期次、分布特征及主控因素入手，分析莺东斜坡带天然气动平衡差异，探讨斜坡带的盖层条件与CO2分布的关系，为评价CO2风险提供支持。

1 区域地质背景

莺歌海盆地位于印-澳板块、太平洋板块和欧亚板块的交汇地带，为岩石圈拉伸和红河断裂走滑双重机制控制下发育的转换—伸展型盆地。盆地面积约为9.9×104Km2，整体为NW-SE向展布[1]。莺歌海盆地由中央坳陷、莺东斜坡、河内东斜坡、莺西斜坡共四个构造单元组成。其中，凹陷斜坡带为莺东斜坡Ⅰ号断层下降盘与中央底辟带之间的过渡区带。

区域研究表明，莺歌海盆地是晚白垩世～古新世发育的沉积盆地，盆地演化经历了古近纪的断陷、断坳和新近纪的热沉降、加速沉降多个阶段。盆地发育中新统、渐新统两套烃源岩。断陷期，该盆地沉积环境以海陆过渡相为主，拗陷期以浅海相沉积为主。沉积地层包括：断陷期的始新统、崖城组；断拗期的陵水组；拗陷期沉积的三亚组、梅山组、黄流组、莺歌海组和乐东组。盆地主力储集体为中新统梅山组～黄流组大型海底扇～轴向水道储集体，厚层稳定分布的浅海相泥岩是其主要盖层。纵向上发育多个有效储盖组合：三亚组三角洲～水道储层与上覆浅海泥岩储盖组合，梅山组～黄流组海底扇、轴向水道储层与上覆浅海泥岩储盖组合，莺歌海组～乐东组滨外砂坝储层与上覆浅海～半深海相泥岩储盖组合。

2 莺东斜坡区CO2 成因及充注特征

2.1 CO2 成因判识

依据CO2碳同位素特征及其所伴生的氦同位素特征来判断CO2成因是国内外普遍采用的方法。其判别标准为[2]有机成因δ13Cco2＜-10‰，而无机成因δ13Cco2＞-10‰。无机来源的CO2气体有两种，一是来源于地壳中碳酸盐矿物的高温分解，另一个来源是地幔脱气。而3He是地球内部的幔源表征，4He则是地壳中放射性物质衰变产物，是壳源的表征，因此3He /4He可被用来判识与划分氦气的成因及来源。

无机成因的C O2含量高，体积分数介于20%～80%，δ13Cco2介于-7‰～0‰。无机成因的CO2分布广泛，无论是底辟带还是凹陷斜坡带，无论是浅层还是中深层，都有该类型CO2富集；中深层的乐东10等构造中，都含有大量无机成因CO2。除无机成因之外，莺歌海盆地还有少量有机成因和混合成因的CO2分布。其中，有机成因CO2含量普遍较低，体积分数一般小于15%，δ13Cco2＜-10‰，在浅层和中深层均有可能分布。混合成因的CO2含量介于5%～20%之间，δ13Cco2在-20‰～-5‰左右，具有一定纵向分异的特征。

2.2 CO2 充注时间

莺东斜坡区由于远离底辟和深大断裂，其热流体活动较弱，地层上拱幅度小，断裂数量少且断距小，依靠大型构造脊和裂隙运移。

以乐东10构造为例，通过包裹体计算该区均一温度为150℃～170℃，表明该区天然气成藏时间较晚。结合埋藏史分析，凹陷斜坡带黄二段成藏时间1.15Ma～ 0.46Ma，CO2充注期为1.01Ma～0.1Ma，总体上CO2与烃类气属于同期充注。虽为一期充注，但该区黄流组上部气层的甲烷碳同位素相对较轻为-33.42‰ ～ -21.44‰），下部的相对较重（-29.81‰～-28.8‰），具有明显的分异特征。因此，CO2充注主要为晚期，且晚于凹陷斜坡区烃类气充注时间。

3 莺东斜坡区CO2 分布特征

莺东斜坡区介于凹陷底辟区和Ⅰ号断裂之间，热流体活动相对较弱，断裂数量少，主要依靠大型构造脊和断裂幕式运移。天然气在幕式充注运移中，表现为顶部层系富烃，深层富CO2，而中部层系混合的特征。

以乐东10构造为例，其平面上，近Ⅰ号断裂带，CO2含量整体高；纵向上，随埋深增加，CO2含量有增加的趋势。其主力储层黄一段和黄二段上气组中，CO2含量相对较低，为7.4%～23.2%；黄二段下气组以及梅山组CO2含量整体较高，为63%～68%。梅一段由于埋藏深度增加，CO2含量为63.2%，梅二段CO2含量平均为69.9%，CO2含量向深部明显增加。

4 CO2 分布主控因素

莺歌海盆地CO2成因、充注及分布特征分析表明，泥底辟热流体晚期多期的局部上侵活动，形成盆地壳源型CO2的同时，造成了其CO2运聚分布具有分期、分层、分区、分带的特点[3]。盆地天然气生运聚与散失的动态平衡是其晚期成藏的关键，表现在以下三个方面：巨厚烃源和高热流是基础背景、泥底辟及伴生断裂是重要条件、热流体局部性侵入是主导因素。

4.1 巨厚烃源和高热流是基础背景

莺歌海盆地坳陷时期，沉降沉积速率快、沉积厚度超万米、面积超过2×104km2的晚新近系及第四系海相含钙砂泥岩。该区泥底辟及热流体上侵活动频繁而强烈，大地热流值及地温梯度最大分别高达95mW/m2以上和5.7℃/100m[29]，是典型“深～热盆”。自距今 5.5 Ma 以来，由于盆地快速热沉降及底辟活动产生的热流体沿底辟断裂及莺歌海凹陷东斜坡隐伏断裂上侵[4]，为无机成因 CO2生成提供了重要的热源，导致深部梅山组和三亚组的钙质泥岩（或许有碳酸盐岩）快速热分解而生成大量 CO2并运聚成藏[5]。因此，盆地的CO2主要在5.5Ma以后生成，巨厚烃源和高热流场条件是其生成、运聚、成藏的基础条件。

4.2 泥底辟及伴生断裂是重要条件

在莺歌海盆巨厚海相含钙砂泥岩发生岩石化学热解，形成规模巨大的壳源型CO2气源后，大量的CO2在底辟、断裂幕式活动中，向上覆地层薄弱带，孔渗条件好的储集层及伴生构造圈闭中聚集，最终形成了含有CO2规模不等的天然气藏。在此过程中，泥底辟及深大断裂所形成的的输导体系是CO2运移聚集的重要条件。

4.3 热流体局部性侵入是主导因素

自新生代以来，盆地多期构造运动产生了多期热流体活动，且以晚期（上新世后1.9Ma左右）的基底热流最大，泥底辟热流体的上侵活动最为强烈，而强烈的热流体上侵活动导致了大量天然气，包括CO2等非烃气的快速形成。因此，热流体局部性侵入是控制CO2分布的主导因素，控制着CO2分层、分期、分区分布。

在莺东斜坡区，虽缺乏类似于底辟裂隙的运移通道，但莺东斜坡区下部断裂常与Ⅰ号断裂相接，因此深部高成熟天然气与基底碳酸盐岩高温热解生成的CO2相混合，也可通过下伏的深大断裂断裂垂向充注和断砂脊侧向等方式运移至上覆圈闭，进而导致上覆圈闭中天然气高含CO2。

5 CO2 运聚与散失的动平衡

莺歌海盆地天然气生运聚与散失的动态平衡是盆地晚期成藏的关键[6]，且运聚与散失的动平衡差异控制了天然气的组分差异。

莺东斜坡区的盖层条件在横向上有明显差异，表现为近物源，砂泥互层，砂泥比高的特征；远物源，砂地比低，盖层条件变好。若盖层条件好，混合气后期充注时，早期低熟气藏得以保存，晚期充注的高熟含CO2混合气难以影响，故CO2含量小；反之，晚期盖层破裂，原成藏系统遭到破坏，混合了含有大量CO2的高熟天然气。

谢玉洪[7]通过对莺歌海盆地中深层高温高压层系盖层进行系统的分析，明确了盖层封闭的本质是毛细管封闭，基于泥岩盖层排替压力、声波时差及孔隙度之间的关系，认为超压诱发的水力破裂是油气多层位聚集的根本原因，进而提出了盖层水力破裂压力系数定量评价盖层水力破裂风险性。

应用该方法，对莺歌海盆地黄流组一段盖层条件进行了评价。结果显示，凹陷斜坡带盖层水力破裂压力系数明显低于底辟带，具有较好的封闭能力。该结果不仅明确了区域风险，有效指导了该区的勘探开发，对凹陷斜坡带盖层相对均质的区域进行非烃风险评价具有重要指导意义。

6 结束语

（1）莺歌海盆地斜坡带CO2分布整体具有“纵向往新层系变少，横向近底辟、断裂变高”的趋势。盆地内CO2大部分为无机壳源成因，主要来基底碳酸盐岩热解和钙质泥岩热解；有机成因的CO2含量明显低。

（2）盆地CO2主要来自晚期深部侵入，盖层条件控制了CO2的分布。若盖层条件好，晚期充注的高熟含CO2混合气难以影响，CO2含量小；反之，晚期盖层破裂，原成藏系统遭到破坏，有高含CO2的风险。因此，均质条件下，可通过盖层封闭性，判断CO2风险。