關于富油盆地深層天然氣來源與勘探前景的幾點思考
——以渤海海域渤中地區為例

王奇，郝芳，鄒華耀，薛永安，牛成民

1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580

2.深層油氣全國重點實驗室(中國石油大學(華東))，山東 青島 266580

3.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

4.中國海洋石油有限公司天津分公司，天津 300452

渤海灣盆地是我國新生代的陸相富油盆地，尤其是渤海灣盆地的海域部分，有著最大的渤中坳陷，古近系生烴層段多，有機質類型以傾油型(Ⅰ-Ⅱ型)為主。受新構造運動的影響，渤中地區的原油主要運聚在新近系儲層中［1］。隨著中淺層勘探程度的增加，深層油氣勘探已日益受到重視。尤其是天然氣的勘探，盡管渤海灣盆地屬于典型富油盆地，渤中地區深層天然氣勘探較長時間未有大的突破，直到近些年在渤中地區西南部潛山發現大型整裝凝析氣藏，揭示深層具有良好的天然氣勘探前景［2］。前人針對天然氣成因來源開展了大量研究，按生氣母質可分為干酪根熱解氣與原油裂解氣［3-5］。目前國內外大型氣藏的成因多與儲層原油裂解氣有關，然而在勘探實踐中，兩種成因的天然氣往往普遍存在。據前人研究表明，干酪根熱解氣(也稱干酪根熱降解氣或干酪根裂解氣)在生油階段仍有較大量的天然氣生成［5-7］，而且不同的母質類型，干酪根熱解氣的量也存在較大差異。因此，對成熟度相對偏低的富油盆地，干酪根熱解氣的貢獻值得深入探討。

天然氣的碳同位素組成是鑒定不同類型天然氣的重要手段［8］，一般而言，陸源高等植物較藻類生物具有相對重的碳同位素組成，與傾氣型的煤系母質(高等植物輸入為主)相比，傾油型母質生成的天然氣乙烷碳同位素一般較輕。因此，通常用乙烷的碳同位素組成來區分油型氣與煤型氣［9］。然而據前人研究，不同營養介質或不同沉積環境下的藻類的碳同位素組成也存在差異，表明成烴母質的碳同位素組成不僅與生源有關，還與其沉積環境有聯系。因此研究沉積盆地的有機碳同位素組成需從生物-環境協同演化的角度綜合考慮。

考慮到勘探的經濟成本與目標層位，目前國內外關于深層的深度界限尚不統一，我國東部地區由于地溫梯度高，深層通常是指儲層埋深超過3 500 m［10］。根據資料統計，國內外已發現的大中型油氣田絕大部分屬于淺層早期充注、晚期深埋保存型［11］。筆者以渤中地區多年研究成果為基礎，融合相關國內外研究進展，初步探討了渤中地區傾油型母質生氣潛力、碳同位素偏重的天然氣成因，以及深層原油裂解與天然氣的勘探前景。

1 傾油型母質的生氣潛力

低成熟烴源巖的生烴熱模擬實驗是對比研究有機質生烴的最直接手段。目前熱模擬實驗體系主要分為封閉體系、開放體系以及設定壓力的半封閉體系。開放體系模擬實驗是模擬烴類的即生即排過程，無法考慮壓力在有機質成熟生烴過程中的影響，實驗體系中也無法加入水，而水又是普遍存在于地質條件下［12］；且在地質條件下，油氣生成后殘留在烴源巖中的部分還會深埋遭受成熟作用。因此，開放體系下的實驗數據常受到質疑，很難直接應用于地質條件［13］。封閉體系下的模擬產物均不能及時分離，即模擬的是某種組分在不同成熟度下的連串反應，表現為液態烴與重烴組分在高溫下裂解為輕分子的烴類或甲烷。盡管封閉體系也與地質實際不完全符合，但結合開放體系的氣體產率，仍可得出相對合理的研究區產烴圖版［14］。

前人對干酪根進行了開放體系與封閉體系的實驗產物對比研究，結果表明，盡管封閉體系下油組分的生成與裂解存在部分重疊，但在重質組分向輕質組分轉化過程中的裂解氣是可以近似忽略的［7］。趙文智等［5］的研究成果也表明，封閉體系下生成天然氣(主要來自生成的液態烴高溫二次裂解)的產率是開放體系下干酪根熱解氣產率的4倍左右，表明在生油高峰期排烴效率較低地區深埋的高成熟烴源巖滯留烴仍可生成大量天然氣。從前人研究成果還可知，在相對低的熱演化階段(Ro(鏡質體反射率)<1.5%)，干酪根熱解氣與原油裂解氣的產率非常接近，表明在Ro=1.5%之前，大部分干酪根熱解氣已經大量生成(見圖1)，成熟度階段之前生成的二次裂解氣可近似忽略。因此，可以用封閉體系下Ro=1.5%的產率近似代表干酪根熱解氣?；诘刭|觀察與模擬實驗，前人總結出好的氣源巖對應的產氣量應大于 0.2 mL/g［15］。若以TOC(總有機碳)含量為2%計算，好的氣源巖產氣率>10 mL/g。前人用渤中地區的傾油型(Ⅱ1型)烴源巖開展了封閉體系的熱模擬實驗，結果表明，三套古近系烴源巖在生油窗階段已達該氣源巖標準，而且Ro=1.3%時烴源巖的平均產氣率均值可達100 mL/g［14］。這意味著渤中地區傾油型母質不僅能大量生成液態石油，還能大量生成天然氣?；谏鸁N圖版，王奇等［14］計算了渤中地區的區域生氣強度，渤中地區古近系烴源巖的生氣強度(基于現今的成熟度)普遍大于20×108m3/km2，達到了大中型氣田凹陷生氣強度的參照標準。而且在Ro不高于1.3%的地區，仍發現了規模性天然氣(成因干酪根熱解氣為主［6］)。從前人的模擬實驗結果還可以看出，烴源巖的生氣率還與母質類型關系密切［14,17-19］。在Ro=1.5%之前，該成熟度階段主要為干酪根熱解氣，烴源巖的產氣率與其氫指數關系密切；也就是說，盡管煤系母質以生氣為主，但單位質量TOC的產氣率要顯著低于傾油型母質(見圖1)，充分印證了富油盆地良好的天然氣勘探前景。由圖1還可知，高過成熟度階段，封閉體系下的早期生成的液態烴高演化階段二次裂解大量生氣，傾油型母質的產氣率也顯著高于煤系母質，這與前人關于干酪根熱解與原油裂解產氣率對比的結果［5］是一致的，反映了油型烴源巖深埋過程仍可能具有較好的生氣潛力。需要指出的是，晚期過成熟生氣潛力大小還與滯留液態烴(即深埋過程中液態烴排出效率)有關。

2 沉積有機碳同位素組成異常偏重的成因機制

圖1 封閉體系下不同有機質豐度的烴源巖產氣率對比 (實驗結果據文獻[14,17-19])

乙烷的碳同位素組成繼承了沉積母質的碳同位素特征，而且受成熟度影響相對較低，故通常用乙烷的碳同位素來區分天然氣的成因來源，腐殖型母質生成的天然氣通常具有重的碳同位素組成。渤海灣盆地渤中地區已發現的天然氣乙烷碳同位素組成平均值為-27.4‰，部分可重達-23.8‰［14］。這類乙烷碳同位素顯著重于典型油型氣，與煤型氣相比又相對偏輕，因此有研究人員提出這種天然氣碳同位素特征反映了偏腐殖型的母質供烴［20］。另外，也有學者認為偏重乙烷的碳同位素可能混有煤系烴源巖的供烴［21］。然而研究區的鉆井揭示烴源巖主要為傾油型母質，并未鉆遇二疊系煤系或古近系偏腐殖型的烴源巖。因此，就偏重的乙烷碳同位素而言，沉積有機質的碳同位素組成需要深入探討。

與海洋不同的是，湖泊由于蓄水范圍相對較小，對氣候的演變反映靈敏。基于構造-氣候協同演化，HAO等［22］揭示了沙河街組與東營組烴源巖的發育模式并建立了對應的生物標志物組合參數，即東營組具有較高的陸源有機質輸入，而沙河街組尤其是沙三段，以淡水藻生源輸入為主［22］。與陸相高等植物的碳同位素組成(-26.7‰～-21‰)相比，湖泊水生生物通常具有相對偏輕的碳同位素組成(-32.6‰～-27.6‰)［23］；而與東營組烴源巖(陸源輸入較顯著［22］)相比，沙河街組烴源巖的沉積有機碳同位素組成整體偏重，看似與陸源輸入有機質貢獻比例差異相矛盾。

圖3 渤中地區烴源巖的四甲基甾烷指數(4MSI) 與沉積有機碳同位素之間的關系

圖2 生產率主導與保存條件主導下的烴源巖與有機-無機碳同位素差值之間的關系 (據文獻[27])

綜上所述，就湖泊沉積物的有機碳同位素而言，一方面，古氣候控制下的水文條件與營養供給影響著同沉積期的初級生產者的種類與相對豐度；另一方面，水體分層與有機質的保存影響著沉積有機質碳同位素組成，即沉積有機質的碳同位素反映的是環境-生物協同演化的結果，不同氣候背景下的藻類形成的沉積有機碳同位素存在較大差異。因此在利用乙烷碳同位素組成鑒定天然氣的成因類型與來源時需要慎重，尤其是對深層天然氣成因的解釋。

3 深層液態烴的穩定性與深層油氣勘探前景

隨著我國持續增長的能源需求以及較高的中淺層油氣勘探程度，深層的油氣成藏與分布規律已成為勘探的研究熱點。從有機質生烴演化與液態烴穩定性的角度來看，深層油氣可以是早期由干酪根熱降解直接生成，也可以是深埋過程中烴源巖(包括滯留液態烴的源內裂解)晚期生成。縱觀前人基于充注歷史及成藏深度的統計(見圖4)可知，按主生烴期、充注期與成藏深度可以將國內外大中型深層油氣藏的形成過程分為兩大類：一類是淺層早期充注-晚期深埋保存型，另一類為晚期深層直接充注型，且以第一類為主。那么，不同沉積盆地背景下，早期生成的液態烴穩定性是深層油氣成藏的關鍵。

圖4 國內外大中型深層油氣藏成藏年代與儲層年代、成藏深度對比圖(據文獻[11])

國內外學者基于原油的熱模擬實驗對液態烴的穩定性開展了較為系統的研究。ZHAO等［29］選擇塔里木盆地海相原油分別與碳酸鹽巖、泥巖和砂巖進行礦物介質反應，實驗結果反映不同礦物介質下原油裂解動力學參數具有差異性，碳酸鹽巖礦物可大大降低活化能和原油熱穩定性，泥巖次之，砂巖最小。PAN等［30］對比原油、原油+蒙脫石、原油+方解石裂解實驗結果認為，蒙脫石促進原油裂解，而方解石則抑制原油裂解且增加碳同位素值，使得碳同位素偏重。黃鐵礦和硫酸鹽對沉積有機質熱裂解產甲烷有顯著的促進作用，其中硫酸鹽可氧化焦瀝青，形成一定量的甲烷［31］。SHUAI等［32］指出原油與水介質涉及歧化反應，促進原油裂解，影響了原油裂解生氣潛力和液態烴穩定性。LIAO等［33］證明生物降解作用使得正構烷烴選擇性消除導致原油裂解生氣潛力顯著降低，中度和重度生物降解的原油熱穩定性低于未生物降解和輕度生物降解的原油。HILL等［34］選取加拿大泥盆系原油進行熱模擬實驗及動力學外推，表明壓力對原油裂解成氣過程的影響比實驗室熱裂解條件下更大，但仍次于溫度。綜上可知，介質條件與原油的物性在一定程度上影響著液態烴的穩定性、裂解產物的化學組成以及氣體碳同位素組成。前人的上述實驗研究也同時表明，溫度才是影響原油熱穩定性的關鍵因素。由圖5可知，溫度是控制油氣相態演化的關鍵要素［35-36］，不同沉積盆地，液態烴保存的理論下限與地溫梯度密切相關，制約著各沉積盆地深層液態烴的勘探。

圖5 不同沉積盆地油氣相態(圖中實例可詳見文獻[35])

從原油的熱裂解過程來看，儲層原油裂解隨著溫度增高并非一次性裂解成氣，而是分為兩個階段。由圖6(a)可知，在Ro=1.5%之前，原油裂解產生的天然氣可以近似忽略，該階段主要是重質組分(C15+)向輕質組分(C6-14)大量轉化，即以原油裂解輕質化為主。當輕質油開始大量裂解時(對應的Ro=1.5%)，原油裂解氣也開始大量生成。該現象表明在較高的演化程度(如Ro=1.3%左右)，頁巖中仍可能存在豐富的液態烴。需要指出的是，該現象與經典的Tisoot模式(1.3%1.3%時，源內的滯留烴裂解是逐步分階段裂解的。由此可知，盡管渤中地區已經在中淺層發現大量油氣，但近些年渤中地區的深層勘探不斷突破［2, 37-40］以及模擬實驗與動力學的研究均表明，渤中地區深層(儲層埋深可達5 800 m［41］)仍可能存在規模的輕質油富集?？紤]到晚期深埋過程，烴源巖中滯留液態烴二次裂解仍可為深部儲層提供較大量的烴氣，深層還可能表現為富含輕質油的凝析氣賦存［42］。如前文所述，晚期高-過成熟度階段直接由干酪根熱降解生成的烴氣相對較少(見圖6(b))［5］，因此，深層的烴源巖熱裂解氣(包括干酪根熱降解氣與滯留烴裂解氣)的資源豐度還與生油高峰期的排油效率密切相關。

圖6 原油熱裂解過程中產物對比圖((b)分圖據參考文獻[5]，有修改)

4 結論

1)傾油型母質不僅能大量生油，在原油生成及其裂解輕質化階段，干酪根的熱解氣也大量生成。單位質量TOC的產氣率與氫指數呈正相關關系，表明油型盆地即使在不具備原油大量裂解條件下，在中-高熱演化階段仍能生成以干酪根熱降解為主的一定資源豐度的天然氣，滿足大中型氣田形成的物質需求。

2)湖盆沉積有機質碳同位素組成一方面受控于古氣候控制下的水文條件與營養供給，影響著同沉積期的初級生產者的種類與相對豐度，另一方面也受水體分層與有機質保存的影響。其中高生產率主導的傾油型母質具有相對重的沉積有機碳同位素組成，因此乙烷碳同位素較重的天然氣不一定來源于偏腐殖型或者煤系烴源巖，也可能來自成熟度較高的傾油型母質。

3)深埋過程中儲層原油二次裂解是分階段進行的，以Ro=1.5%為界，可將淺層充注的原油的深埋裂解過程整體分為兩個階段：第一階段原油裂解輕質化，該階段由油裂解生成天然氣相對少；第二個階段輕質油大量裂解生成天然氣。生油高峰期(淺層)排出的原油在深埋過程中裂解生成的輕質油具有較高的熱穩定性，深層烴源巖滯留的液態烴高溫裂解也可提供大量的烴氣。因此，即使深部儲層不具備原油強烈裂解的介質條件時，仍可聚集規模性輕質油或凝析氣。