西湖凹陷平北地区天然气地球化学特征、成因类型及来源分析*

刘凯旋 陈践发 朱心健

(1.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))北京 102249；2.中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249)

西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部，是盆地内部最主要的含油气凹陷之一。自20世纪80年代开展油气勘探以来，所发现的KQT、WYT、BYT、TJT等油气田揭示了平北地区具有丰富的油气资源，且大都以天然气藏为主，因此针对平北地区天然气的地球化学特征及成因来源的研究具有十分重要的意义。前人对于西湖凹陷天然气已进行大量的研究工作，取得了许多重要的认识，但在其成因来源方面仍存在较大的争议：部分学者认为是油型气与煤型气的混合气，且来源于中下始新统及古新统烃源岩[1-2]；另一部分学者则认为主要是煤型气，且来源于平湖组及花港组烃源岩[3-5]。本文在综合前人研究结果的基础上，对研究区天然气样品的组分、稳定碳同位素和轻烃特征进行详细分析，从而明确该区天然气地球化学特征、成因类型及来源，以期为下一步油气勘探提供理论依据。

1 区域地质概况

东海大陆架盆地位于中国大陆东部边缘，是中国近海面积最大的含油气盆地。西湖凹陷位于东海大陆架盆地的东北部，呈北北东向展布，面积约5.9×104km2。西湖凹陷具有“东西分带、南北分块”的构造特点，自西向东可分为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹和东部断阶带等5个次级构造单元。西湖凹陷具有我国东部典型的新生代断陷盆地特点，经历了断陷、拗陷和区域沉降等3个构造演化阶段，沉积地层自下而上可划分为古新统，中下始新统宝石组，中上始新统平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组、柳浪组，上新统三潭组和第四系东海群(图1)。

从区域上看，西湖凹陷发育古新统、中下始新统宝石组、中上始新统平湖组、渐新统花港组和中新统龙井组等多套烃源岩系，烃源岩类型主要是泥岩和煤[6]。对西部斜坡带而言，发育于海侵背景下的始新统平湖组灰色、深灰色泥岩及薄煤层和碳质泥岩具有较高的有机质丰度，干酪根类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，加之其分布广泛、厚度大、多处于成熟—高成熟阶段,因此为凹陷的主力烃源岩系,已被油气源对比研究和油气勘探实践所证实[7-8]；而花港组烃源岩虽然也有一定的生烃贡献，但其有机质丰度和有机质类型要相对差于平湖组烃源岩，并且其主要处于低成熟—成熟阶段。前人研究结果表明[9]，西湖凹陷花港组和平湖组烃源岩生烃能力强，能够为研究区大型天然气田的形成提供充足的气源保障。总之，西湖凹陷发育多套烃源岩系，平湖组烃源岩为凹陷主力生烃层系，花港组及下伏古新统烃源岩也有一定的生烃贡献。

图1 西湖凹陷平北地区构造格架区划图Fig.1 The zoning map of the tectonic framework in Pingbei area,Xihu sag

平北地区位于西湖凹陷长期继承性发育的西部斜坡带上，主要包括BYT、WYT、KQT、LHT和TJT局部构造(图1)。平北地区已有探井21口，其中在14口探井中测试获工业性油气流，探井成功率高达66.7%，发现了BYT、WYT、KQT和TJT等4个油气田，揭示了平北地区具有丰富的油气资源。从油气分布特征来看，平北地区油气集中分布在始新统平湖组，以凝析气为主，已发现的凝析气藏中常常伴生着具有工业价值的轻质油或凝析油，反映该地区具有良好的轻质油气勘探前景。

2 样品及测试方法

本次研究采集西湖凹陷平北地区具有代表性的KQT、WTY、BYT和TJT油气田共8口宁波井次的14个天然气样品进行分析测试，同时搜集来其他非宁波井次的天然气组分、同位素及轻烃数据进行对比分析。天然气组分及同位素分析是在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，组分分析采用Agilent 6890N型气相色谱仪，测试条件：载气为氦气；进样器温度为100 ℃，色谱柱为不锈钢填充柱，柱温为恒温60 ℃，保留34.7 min；检测器为热导池检测器，温度为200 ℃。碳同位素分析采用Trace GC ULTRA-MAT 253 IRMS，测试条件：载气为氦气(99.999%)，流速为1.3 mL/min；进样口温度为200 ℃，使用分流比为20∶1分流进样;升温程序为初始温度35 ℃，保留6 min，以15 ℃/min升至80 ℃，再以5 ℃/min升至200 ℃，保留5 min；反应炉温度为940 ℃。天然气轻烃分析在中国石油勘探开发研究院廊坊分院进行，采用7890A气相色谱仪，测试条件：载气为氦气；进样口温度为120 ℃，FID检测器温度为320 ℃，进样量为10～15 mL；先以1.5 ℃/min速率升温至70 ℃，再以3 ℃/min速率升温至160 ℃，最后以5 ℃/min速率升温至280 ℃，恒温50 min。

3 地球化学特征分析

3.1 天然气组分特征

天然气的组分是划分天然气成因类型、研究天然气气藏分布规律的重要依据之一。通常分为烃类组分和非烃组分，其中烃类组分主要为甲烷、乙烷及乙烷以上的重烃组分；常见的非烃气体主要有N2、CO2、H2S、H2及 He、Ar等稀有气体。如表1所示，西湖凹陷平北地区天然气组分含量中烷烃气占有明显优势，重烃含量相对较高，其中甲烷体积分数59.47%～89.21%，均值为83.09%;干燥系数为0.65～0.94,指示天然气主要为湿气，并且北部和南部地区的天然气相对偏干，中部WYT气田的天然气相对偏湿；非烃气体主要是N2和CO2(其中CO2含量略高于N2)，并且TJT油气田的非烃气体含量明显低于其他3个油气田。

表1 西湖凹陷平北地区天然气组分特征Table 1 Characteristics of natural gas components in Pingbei area,Xihu sag

3.2 同位素特征

平北地区天然气碳同位素值相对较重，其中δ13C1分布在-33.7‰～-42.5‰，平均值为-36.3‰(表2)，由此可以排除生物气的可能。除高—过成熟煤成气外，无机成因甲烷碳同位素值一般大于-30‰，而有机成因的甲烷碳同位素值一般小于-30‰[10]，因此可判定该区天然气为原生有机成因气。其中,中部BYT和WYT油气田的天然气δ13C1值略重于北部KQT和南部TJT油气田(图2a)，分析认为这是由于中部地区平湖组下段烃源岩Ro要略高于北部和南部地区(图3)，因此造成δ13C1值在平面分布上的差异性。研究区天然气δ13C2值分布在-22.7‰～-30.9‰，平均值为-26.9‰，整体偏重且KQT油气田相对重于其他油气田，具有煤型气的特征(图2b)。

表2 西湖凹陷平北地区天然气稳定碳同位素特征Table 2 Stable carbon isotope characteristics of natural gas in Pingbei area,Xihu sag

注：刘文汇1和2分别为利用刘文汇等基于煤型气甲烷碳同位素演化二阶段分馏模式得出的δ13C1与Ro关系式计算的结果。

图2 西湖凹陷平北地区天然气碳同位素分布直方图Fig.2 Histogram of carbon isotope distribution of natural gas in Pingbei area，Xihu sag

图3 西湖凹陷平北地区平湖组下段烃源岩成熟度图Fig.3 Maturity map of source rocks in the lower section of Pinghu Formation in Pingbei area，Xihu sag

研究区天然气δ13C值大都表现出δ13C1<δ13C2<δ13C3(即正碳同位素系列)的特点，且大部分天然气样品存在同位素倒转的现象。根据戴金星 等[11]提出的中国有机烷烃气碳同位素系列倒转成因来看，平北地区埋深普遍大于3 000 m，不具备细菌活动的条件，并且研究区尚未发现有碳同位素完全反序特征的天然气，因此可以排除有机成因与无机成因烷烃气混合的可能。前文已经提及，西湖凹陷发育多套烃源岩且生烃潜力较大，同时前人研究表明西湖凹陷存在多期的油气充注[12]，因此推断造成研究区天然气碳同位素系列倒转的原因可能为多套烃源岩同一时期或同一套烃源岩不同时期的天然气的混合。

此外，研究区天然气CO2含量均不高，一般小于10%，但其碳同位素值分布范围较宽，为-4.8‰～-19.8‰，表明CO2的成因具有多元性。

3.3 轻烃组成特征

平北地区天然气部分轻烃参数特征表现为：天然气正庚烷值分布区间为7.5%～16.7%，异庚烷值分布区间为1.2%～10.0%。在C7轻烃化合物中,甲基环己烷占有明显优势，其质量分数介于47.8%～66.3%，均值为57.8%；正庚烷的质量分数介于16.7%～30.2%，均值为22.2%；二甲基环戊烷的质量分数为9.4%～31.9%，均值为20.0%(表3)。研究区天然气在轻烃组成特征上具有一定的相似性，大都表现为甲基环己烷优势，但是在相对含量上具有一定的差异性，MCyC6/∑DMCC5分布介于1.5～7.0(均值为3.8)，具有煤型气特征[13]。

表3 西湖凹陷平北地区天然气轻烃组成特征Table 3 Characteristics of light hydrocarbon components of natural gas in Pingbei area，Xihu sag

4 成因类型及热演化程度判别

4.1 成因类型

准确厘定天然气的成因类型，对于气源岩的确定具有重要的意义。可用来判识天然气成因类型的指标多种多样，前人在进行天然气的成因判识时主要采用稳定碳同位素值判断法以及各种轻烃指标[14-15]。本文主要通过对天然气组分、轻烃和稳定碳同位素特征进行综合分析，进而明确平北地区天然气的成因类型。

一般而言，甲烷碳同位素值(δ13C1)受母质类型和成熟度2个方面的影响，而乙烷碳同位素值(δ13C2)受成熟度的影响较小，δ13C2值能够更准确地反映成气母质的属性。基于此，以戴金星在大量数据统计基础上提出的油型气和煤型气的δ13C2值划分标准[16]为基础(即以-29‰为界，大于该值为煤型气，小于则为油型气)，并结合沈平提出的生物-热催化过渡带气的δ13C1值分布范围(-55‰～-48‰)[17]以及何家雄 等[18]研究成果，绘制了研究区天然气的δ13C1-δ13C2成因判识图(图4a),可以看出研究区天然气主要落入煤型气中，只有一个样品点落在油型气中；结合前文提及的同位素特征表明研究区天然气主要为煤型气。前人研究认为，iC4/nC4值可较好地反映天然气的类型，以0.8为界，油型气小于该值，煤型气多大于该值，因此可利用iC4/nC4与乙烷碳同位素(δ13C2)的相关性判断天然气成因类型[19-21]。从研究区天然气的iC4/nC4与δ13C2相关图可知，平北地区天然气主要落入煤型气区(图4b)，说明研究区天然气主要为煤型气。

图4 西湖凹陷平北地区天然气成因类型判识图Fig.4 Identification diagram of natural gas genetic types in Pingbei area,Xihu sag

轻烃化合物相对含量特征在天然气勘探中的应用也很广泛。在C7轻烃化合物中，腐殖型有机质生成的天然气往往会相对富集甲基环己烷[22]；而源于腐泥型母质的轻烃中富含正构烷烃,而源于腐殖型母质的轻烃组成中则富含异构烷烃和芳烃[16]；此外，富含环烷烃的轻烃也是陆源母质的重要特征[23]。利用这一特征，有些学者提出了不同的图版用以判识天然气成因类型[24]。从研究区天然气的轻烃化合物组成三角图可知，平北地区的天然气绝大多数为煤型气(图5)，这一认识与前文分析结果一致。

图5 西湖凹陷平北地区天然气轻烃组成特征Fig.5 Light hydrocarbon composition characteristics of natural gas in Pingbei area,Xihu sag

前人研究表明，有机成因CO2中碳同位素值一般小于-8‰，大于-8‰则很有可能为无机成因[25]，研究区CO2的碳同位素值分布范围较宽，介于-4.8‰～-19.8‰。戴金星[25]在统计大量样品的δ13CCO2与对应组分的基础上，编绘了CO2成因鉴别图版。本文应用该图版对研究区CO2的成因进行了鉴别，结果表明研究区KQT和BYT油气田天然气中的CO2为有机成因，而WYT和TJT油气田天然气中的CO2为无机成因(图6)。

图6 西湖凹陷平北地区CO2成因鉴别图Fig.6 Identification diagram of carbon dioxide genetic in Pingbei area,Xihu sag

4.2 热演化程度

有机成因的天然气随着演化程度的增加，烷烃气的碳同位素会变得越来越重，甲烷的这一特征表现得尤为明显，因此许多学者在通过对大量数据综合分析的基础上提出了不同的δ13C1-Ro经验关系式[26-28]。应用不同学者提出的经验公式计算的研究区天然气成熟度如表2所示。研究发现，利用刘文汇和沈平的经验公式计算的烃源岩成熟度大致相当，Ro值介于0.67%～1.12%;而利用戴金星的经验公式计算的Ro值变化幅度较大，介于0.27%～1.12%。结合西湖凹陷实测Ro值以及最新版的烃源岩现今热成熟度图，认为利用刘文汇等基于煤型气甲烷碳同位素演化二阶段分馏模式提出的甲烷碳同位素组成与成熟度关系式计算的Ro值与研究区烃源岩实际热演化阶段较吻合，进而初步确定研究区天然气主体处于中等成熟—高成熟演化阶段(图7a)。

Thompson[29]基于轻烃的组成特征与沉积岩在埋藏史中经历的最高温度有关这一现象，提出了用正庚烷值和异庚烷值来研究油气的分类和成熟度，并建立了相关的判识图版，但王培荣 等[30]研究发现直接引用Thompson图版来推测成烃母质是有所欠妥的。因此，本文仅用Thompson图版来判识研究区天然气的成熟度，结果表明研究区天然气主要处于成熟—高成熟演化区(图7b)。此外，苏奥 等[31]研究认为西湖凹陷KQT地区存在“蒸发分馏”作用，考虑到蒸发分馏作用对正庚烷和异庚烷值的影响[32]，再结合前面利用甲烷碳同位素计算所得的成熟度，本文认为平北地区天然气为烃源岩在成熟—高成熟演化阶段所生成。

图7 西湖凹陷平北地区天然气计算成熟度分布(a)和天然气庚烷值与异庚烷值相关图(b)Fig.7 Distribution of calculated natural gas maturity (a)and correlation diagram between heptane value and isoheptane value of natural gas (b)in Pingbei area,Xihu sag

5 来源探讨

西湖凹陷不仅发育多套烃源岩系，而且主力烃源岩平湖组的生烃中心也位于研究区东部，为平湖构造带油气聚集成藏提供了充足的烃源供给。结合实际地质条件分析，研究区产层主要位于平湖组内部(图8)，因此所发现的天然气只能来源于平湖组或下伏的宝石组烃源岩，进而初步判断天然气主要来自平湖组烃源岩或宝石组烃源岩。

研究区天然气热演化程度的综合分析表明，天然气成熟度Ro主要介于0.67%～1.12%，处于中等成熟—高成熟阶段，这与盆地模拟预测的平湖构造带平湖组下段烃源岩的Ro值整体基本吻合(图3)，据此推断研究区天然气主要来自于平湖组下段烃源岩。再结合前人对于西湖凹陷烃源岩生排烃史及油气成藏期次的研究成果[12,33]，认为研究区在时空配置上满足天然气聚集成藏的条件。

根据现有天然气碳同位素和组分数据可以看出，研究区不同气田、不同层段天然气之间的地化特征存在明显差异，阐明造成这种差异的原因对于明确研究区天然气的来源至关重要。研究区天然气存在的碳同位素系列倒转现象，并且初步分析造成倒转的原因为同源不同期或同期不同源。流体包裹体均一温度统计数据以及前人对于西部斜坡区成藏研究[34]表明，研究区天然气为一次充注成藏，因此造成天然气碳同位素倒转的原因只能为同期不同源，即研究区的天然气是同期形成的两个不同来源的煤型气混合而成；并且分析发现研究区部分天然气与该文献中西次凹的天然气具有相近的特征，初步推测研究区天然气可能是由本区平湖组烃源岩和西次凹烃源岩双重供气。而天然气成熟度特征表明，研究区天然气成熟度分布较为广泛，从低成熟到高成熟均有分布，且在研究区中北部浅层成熟度普遍高于深层，因此结合烃源岩成熟度平面分布图(图3)可推测出浅层天然气可能主要来源于研究区东侧西次凹成熟度更高的平湖组烃源岩，而深层天然气可能主要来自于本区成熟度较低的平湖组烃源岩。这一结论也是造成研究区天然气地化特征存在差异的根本原因。

综合以上分析认为，西湖凹陷平北地区天然气藏主要是本区成熟度较低的平湖组烃源岩所生成的天然气沿断层向上运移至浅部聚集成藏(图8a)，而部分浅层天然气藏则主要是东侧西次凹成熟度较高的平湖组烃源岩所生成的天然气沿着断裂与砂体构成的阶梯式输导体系运移至研究区聚集成藏(图8b)。

图8 西湖凹陷平北地区天然气成藏模式图Fig.8 Natural gas accumulation model map in Pingbei area,Xihu sag

6 结论

1)平北地区天然气以甲烷为主，重烃含量相对较高，主要表现为湿气特征，非烃气体主要是N2和CO2。天然气δ13C1值介于-33.7‰～42.5‰，δ13C2值介于-22.7‰～-30.9‰，碳同位素主要为正序特征，同型不同源天然气的混合是导致研究区天然气碳同位素出现倒转现象的主要原因。在C7轻烃化合物中，甲基环己烷占有明显优势，其质量分数介于47.8%～66.3%，表明天然气具有煤型气的特征。

2)成因分析表明，平北地区天然气主要为煤型气；天然气中CO2的碳同位素值分布范围较宽，介于-4.8‰～-19.8‰，经鉴别部分CO2为有机成因，部分CO2为无机成因。成熟度分析表明，平北地区天然气主要处于成熟—高成熟演化阶段。

3)气源对比研究表明，平北地区天然气气藏主要是本区成熟度较低的平湖组烃源岩所生成的天然气沿着沟通气源的深大断裂向上运移至浅层聚集成藏，而部分浅层天然气藏则主要是东侧西次凹成熟度较高的平湖组烃源岩所生成的天然气沿着断裂与砂体结构的阶梯输导体系运移至本区聚集成藏。