德惠斷陷火石嶺組天然氣氣源對比

申家年 梁爽

(東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

松遼盆地南部整體勘探前景良好，其中德惠斷陷已有近50年的勘探歷史［1-2］。德惠斷陷深層天然氣主要是由營城子組、沙河子組、登婁庫組、火石嶺組等地層中分散有機質(zhì)在熱演化過程中所形成［3］。其中火石嶺組含氣面積廣，潛力巨大，但地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探程度低。目前德惠斷陷火石嶺組鉆遇23口井，已對其中17口井進行試油試采測試，有8口井見氣。試氣結(jié)果顯示，德深11井日產(chǎn)氣為53 650 m3，德深12井日產(chǎn)氣為12 280 m3，天然氣勘探前景較好。本次研究是在了解德惠斷陷區(qū)域地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，通過德惠火石嶺組天然氣組分及輕烴數(shù)據(jù)確定火石嶺組天然氣的成因，并進行氣源追蹤。

德惠斷陷隸屬松遼盆地東南隆起區(qū)內(nèi)次一級構(gòu)造單元，是在晚古生代淺變質(zhì)巖系的基底上發(fā)展起來的中生代沉積盆地，其中廣泛發(fā)育有上侏羅統(tǒng)和白堊系的湖泊相 — 河流相沉積地層，是一個含油氣資源豐富的斷陷［4］。目前鉆探結(jié)果所揭示的地層有上侏羅統(tǒng)火石嶺組，下白堊統(tǒng)沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組，上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組，其中火石嶺組地層厚度一般為200～1 500 m。根據(jù)德惠斷陷22口井鉆井資料統(tǒng)計，鉆遇地層平均厚度為592.32 m，其中泥巖平均厚度為197 m(約占總厚度的35%)，泥巖分布廣泛且暗色泥巖發(fā)育較好?；鹗瘞X組泥巖有機碳普遍大于1%，干酪根類型偏腐殖型，而且成熟度為成熟 — 高成熟階段，是生氣的階段。沙河子組地層厚度為600～1 400 m，巖性以灰黑色、深灰色泥巖為主。沙河子組泥巖樣品中70%以上的樣品TOC(有機碳總量)大于2%。干酪根類型主要為偏腐殖型，成熟— 高成熟階段，但是成熟度稍低于火石嶺組?；鹗瘞X組與沙河子組源巖性質(zhì)相似，均為很好的氣源巖。

1 天然氣成因鑒別

1.1 碳同位素判定成因

有機質(zhì)母質(zhì)不同，其碳同位素組成也不同，自然演化過程中的熱力作用、運移作用及生物化學(xué)作用會導(dǎo)致同位素分餾，從而使得不同成因的天然氣中碳同位素組成的分布特征各不相同。天然氣同位素是判定天然氣成因的重要參數(shù)之一，表1所示為德深12井火石嶺組天然氣同位素數(shù)據(jù)。

表1 德深12井火石嶺組天然氣同位素數(shù)據(jù)

表1表明德深12井火石嶺組天然氣同位素為正常序列(甲烷、乙烷、丙烷碳同位素序列:δ13C1＜δ13C2＜δ13C3)特征，可能油型氣貢獻較大。根據(jù)戴金星的德惠斷陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有機烷烴氣成因圖版［6］(圖1)分析，德深12井烴類氣落在Ⅲ1區(qū)，為油型氣、煤型氣混合氣。

圖1 德惠斷陷δ13C1-δ13C2-δ13C3判定有機烷烴氣成因圖版

1.2 輕烴族組成判定成因

通過正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴可判定天然氣成因圖版中德深11井與德深12井含正構(gòu)烷烴與異構(gòu)烷烴相對多一些［7］，C5、C6、C7主要分布在油型氣和煤型氣分界線上。德深11井和德深12井火石嶺組天然氣表現(xiàn)為煤型氣和油型氣混合特征，這與同位素判定的成因結(jié)果一致。圖2所示為德惠斷陷正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴判定天然氣成因圖版。

圖2 德惠斷陷正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)烷烴判定天然氣成因圖版

2 氣源對比

2.1 輕烴指紋判別氣源

根據(jù)實際輕烴測試情況和其中11項配對參數(shù)對研究地區(qū)天然氣與烴源巖輕烴進行系統(tǒng)對比，分析其火石嶺組天然氣氣源關(guān)系。由于火石嶺組、沙河子組和營城組的巖樣數(shù)量較多，在圖中無法明確、清晰地突出天然氣氣源，因此選用與各組平均巖樣輕烴指標數(shù)據(jù)最相近的代表巖樣。圖3所示為德深11井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標對比圖。圖4所示為德深12井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標對比圖?；鹗瘞X組與沙河子組的2、3、4、7、8、9 號指標都與天然氣相對應(yīng)的指標相近，沙河子組的指標10與天然氣的數(shù)值差距較小，其他4個泥巖指標均與天然氣相應(yīng)指標有較大差異，且火石嶺組與沙河子組巖樣11個指標整體分布表現(xiàn)出一定的相似性?；鹗瘞X組天然氣的氣樣與沙河子組、火石嶺組均有一定的親緣性，無法確定火石嶺組天然氣究竟來自沙河子還是火石嶺。在此需要明確的是，沙河子組泥巖和火石嶺組泥巖輕烴是否差別較小，天然氣是否為二者的混合氣。

圖3 德深11井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標對比圖

圖4 德深12井火石嶺組氣樣與各地層平均巖樣輕烴指標對比圖

2.2 聚類分析與秩和檢驗法判別氣源

通過關(guān)系圖無法直觀地細察每個輕烴指標之間的差距，因此需要對沙河子組和火石嶺組泥巖的11項輕烴指標進行聚類分析［10］，以檢查二組泥巖輕烴參數(shù)的整體差異。

聚類分析又稱點群分析，是指按照客體在性質(zhì)上或成因上的親疏關(guān)系，對客體進行定量分類的一種多元統(tǒng)計方法。這種分類方法不僅綜合考慮了所有因素，而且又不受已有分類結(jié)構(gòu)的影響，只以某種分類統(tǒng)計量為依據(jù)對客體進行分類。這就有可能突破傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)建立的一些定性分類系統(tǒng)，從而得到更合理的分類結(jié)果［11］。在地質(zhì)研究中，歐氏距離、歐氏距離平方、變量矢量余弦及Chebychev距離是常用的聚類方法，用于Q型聚類。如果火石嶺組和沙河子組輕烴有明顯差異，則利用聚類法可使大部分(甚至全部)火石嶺組泥巖與沙河子組泥巖各自聚類，分別代表火石嶺和沙河子。

以德惠斷陷的歐氏距離法為例，若聚成2類，則第1類中有沙河子組樣品、火石嶺組樣品各1塊，其余10個樣品聚成第2類(見圖5)，未見到火石嶺組和沙河子組各自成類的現(xiàn)象?？紤]到個別樣品的影響，在聚成3類時有2類可能分別包含沙河子組和火石嶺組樣品組分。這樣剔除個別樣品后，火石嶺組和沙河子組分。但是運用三分法并沒有出現(xiàn)設(shè)想的結(jié)果，4種常用的聚類方法得到的結(jié)果基本一致，如圖5—圖8所示?？梢哉J為，德惠斷陷沙河子組泥巖與火石嶺組泥巖的輕烴指標整體上沒有明顯的差異。

圖5 泥巖歐氏距離法聚類結(jié)果

圖6 泥巖變量余弦法聚類結(jié)果

圖7 泥巖歐式距離平方法聚類結(jié)果

圖8 泥巖Chebychev距離法聚類結(jié)果

德惠斷陷沙河子組泥巖輕烴指標整體相似，不能準確區(qū)分。秩和檢驗方法是一種重要的非參數(shù)統(tǒng)計法，可以用來研究總體之間的顯著差異，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中有一定的實用價值［12］。在此用秩和檢驗法分析德惠斷陷泥巖的11個輕烴指標:

首先，將總體樣本X、Y中，數(shù)據(jù)n1和n2的樣本混合起來，按照數(shù)值從小到大統(tǒng)一編號，每項數(shù)據(jù)對應(yīng)的敘述稱為秩;

其次，計算X樣本所對應(yīng)的秩之和，用T表示;

最后，根據(jù)n1、n2與顯著性水平α值(對比值為0.05)，在秩和檢驗臨界值表中查出秩和檢驗臨界值的下限T1、上限T2，若T≤T1或T≥T2，則伴隨概率小于0.05，說明個體可以區(qū)分開來。

表2所示為輕烴單個參數(shù)檢驗區(qū)分效果檢驗數(shù)據(jù)。分析顯示只有指標3存在明顯差異，指標2和指標10有一定差異。利用區(qū)分度大的指標分別制作氣源對比交會圖(圖9和圖10)，圖中均顯示出火石嶺組天然氣與沙河子組和火石嶺組泥巖的親緣性，這說明火石嶺組天然氣來源于沙河子組與火石嶺組源巖。

表2 輕烴單個參數(shù)檢驗區(qū)分效果檢驗數(shù)據(jù)

圖9 德惠斷陷泥巖和天然氣輕烴指標3與指標2交會圖

圖10 德惠斷陷泥巖和天然氣輕烴指標3與指標10交會圖

2.3 輕烴參數(shù)K1

根據(jù)Mango的輕烴穩(wěn)態(tài)催化動力學(xué)成因理論，在同一類油(氣)中輕烴參數(shù)K1為不變的常數(shù)值，而在不同類型油(氣)中K1值有一定差異，且 K1值只與天然氣的母質(zhì)類型有關(guān)，與成熟度無關(guān)［13-14］。計算得到以下指標:德惠斷陷營城組泥巖2個K1值，平均值為1.20;沙河子組泥巖5個K1值，分布范圍為1.05 ～1.09，均值為1.08;火石嶺組泥巖8 個K1值，分布范圍為 0.92 ～1.22，均值為 1.09，天然氣共2個K1值，K1均值為1.14。這表明德惠斷陷沙河子組泥巖與火石嶺組K1值相近，泥巖類型較相似。2個天然氣K1值差距較小，表明研究區(qū)氣源有較大的相似性，進一步證實了天然氣來源于沙河子與火石嶺組源巖的設(shè)想。

3 結(jié)語

通過碳同位素與輕烴指標，判定德惠斷陷火石嶺組天然氣為油型氣和煤型氣混合氣?；鹗瘞X組和沙河子組泥巖的輕烴指標并無區(qū)別，因此用簡單的折線圖無法判別火石嶺組天然氣的來源。聚類分析與秩和檢驗證明火石嶺組和沙河子組泥巖輕烴指紋參數(shù)確實沒有差別?；鹗瘞X組和沙河子組泥巖輕烴計算的K1值十分接近，進一步證實了火石嶺組泥巖與沙河子組泥巖生氣母質(zhì)十分接近。德惠斷陷輕烴指標交會圖表明火石嶺組天然氣與沙河子組泥巖和火石嶺組泥巖都有親緣性，火石嶺組天然氣K1值與火石嶺組泥巖、沙河子組泥巖K1值都具有相似性。由此推斷德惠斷陷火石嶺組天然氣來源于火石嶺組和沙河子組泥巖。

［1］趙志奎，趙占銀，曹躍，等.吉林探區(qū)深層天然氣勘探前景［J］.中國石油勘探，2003，8(3):6-12.

［2］張守仁，張遂安.松遼盆地深層斷陷期地層展布特征及油氣勘探意義［J］.地學(xué)前緣，2009，16(1):335-343.

［3］趙力彬，黃志龍，馬玉杰，等.松遼盆地南部德惠斷陷深層天然氣地球化學(xué)特征成因［J］.天然氣地球科學(xué)，2006，17(2):177-182.

［4］吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京:地質(zhì)出版社，1988:224-230.

［5］戴金星，鄒才能，張水昌，等.無機成因和有機成因烷烴氣的鑒別［J］.中國科學(xué):D 輯，2008，38(11):1329-1341.

［6］戴金星.各類烷烴氣的鑒別［J］.中國科學(xué)，1992(3):192-193.

［7］戴金星.利用輕烴鑒別煤成氣和油型氣［J］.石油勘探與開發(fā)，1993，20(5):26-32.

［8］詹智玉.C1-C9烴類指紋色譜分析［C］//錢志浩，曹寅，王從風(fēng)，等.石油地質(zhì)實驗測試技術(shù)新進展.北京:地質(zhì)出版社，1994:24-31.

［9］Milligan G W.An Examination of the Effect of Six Types of Error Perturbation on Fifteen Clustering Algorithms［J］.Psychometrica，1980，45:325-342.

［10］李漢林，趙永軍.石油數(shù)學(xué)地質(zhì)［M］.東營:石油大學(xué)出版社，1998:55-56.

［11］王率濱.秩和檢驗的可靠性及其應(yīng)用［J］.統(tǒng)計與咨詢，1994(4):18-19.

［12］Mango F D.An Invariance in the Isokheptanes of Petroleum［J］.Science，1987，237:514-517.

［13］Mango F D.The Origin of Light Hydrocarbons in Petroleum:A Kinetic Test of the Steady-state Catalytic Hypothesis［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，1990，54(6):1315-1323.