断陷湖盆天然气成藏生-运-聚动态模拟——以渤海湾盆地辽河坳陷为例.pdf
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1、第 43 卷第 9 期2023 年 9 月 73 天然气工业Natural Gas Industry引文:杨思博,李美俊,王延山,等.断陷湖盆天然气成藏生运聚动态模拟以渤海湾盆地辽河坳陷为例J.天然气工业,2023,43(9):73-84.YANG Sibo,LI Meijun,WANG Yanshan,et al.Generation-migration-accumulation dynamic simulation of natural gas accumulation in rift lake basins:A case study on the Liaohe Depression in
2、 the Bohai Bay BasinJ.Natural Gas Industry,2023,43(9):73-84.断陷湖盆天然气成藏生运聚动态模拟 以渤海湾盆地辽河坳陷为例杨思博1,2李美俊1,2,3王延山4肖 洪1,2黄双泉4康武江4王方正1,21.中国石油大学(北京)地球科学学院2.油气资源与工程全国重点实验室中国石油大学(北京)3.中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院4.中国石油辽河油田公司勘探开发研究院摘要:有效判识天然气来源和生运聚特征对天然气资源潜力评价,以及天然气勘探方向具有重要指导意义。为了解决断陷湖盆烃源岩非均质性强、天然气成因类型多样导致的气源判识和资源评价具有多
3、解性的问题,以渤海湾盆地辽河坳陷欢喜岭地区为例,根据典型断陷湖盆有效烃源岩分类和天然气成因类型判识方法,开展了气源研究,并基于典型剖面烃源岩生气、运聚动态模拟,总结了天然气动态成藏模式,并指明下步天然气勘探方向。研究结果表明:古近系沙河街组三段中下亚段和沙河街组四段是主要烃源岩层,不同构造位置形成的烃源岩类型不同,包括腐殖型、腐泥型烃源岩,分别生成了油型气、煤型气;形成的各类天然气在复杂断裂、砂体和不整合面构成的输导体系中运移、汇聚,形成混合成因天然气气藏;欢喜岭地区具有 2 个运聚系统,系统为西部斜坡带双台子构造带上的砂四上亚段运聚系统,为油型气近源成藏,其余区域为系统,为油型气和煤型气远距
4、离运移成藏;欢喜岭地区天然气藏为单凹陷、多源晚期成藏,气源岩空间差异分布和复杂的断裂系统共同控制了该区气藏成因类型多样性和分布复杂性。结论认为,断陷湖盆天然气成藏生运聚动态模拟明确了辽欢喜岭地区的天然气气源,指明了靠近洼陷内部的东部陡坡带为天然气有利勘探区,其成果也为其他断陷湖盆的天然气勘探提供了参考借鉴。关键词:断陷湖盆;气源对比;天然气成因类型;生运聚模拟;有效烃源岩;混合成因气藏;辽河坳陷欢喜岭DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2023.09.007Generation-migration-accumulation dynamic simulation of na
5、tural gas accumulation in rift lake basins:A case study on the Liaohe Depression in the Bohai Bay BasinYANG Sibo1,2,LI Meijun1,2,3,WANG Yanshan4,XIAO Hong1,2,HUANG Shuangquan4,KANG Wujiang4,WANG Fangzheng1,2(1.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.State Key Labo
6、ratory of Petroleum Resources and Prospecting/China University of Petroleum,Beijing 102249,China;3.College of Petroleum,China University of Petroleum-Beijing at Karamay,Karamay,Xinjiang 834000,China;4.Exploration and Development Research Institute,PetroChina Liaohe Oilfield Company,Panjin,Liaoning 1
7、24010,China)Natural Gas Industry,vol.43,No.9,p.73-84,9/25/2023.(ISSN 1000-0976;In Chinese)Abstract:Effective identification of the source and generation-migration-accumulation characteristics of natural gas is of great guiding significance to evaluating the potential of natural gas resources and det
8、ermining the direction of natural gas exploration.Rift lake basins are characterized by strong heterogeneity of source rocks and various genetic types of natural gas,which lead to ambiguity in gas source identification and resource evaluation.To solve this problem,this paper investigates the gas sou
9、rces in the Huanxiling area of the Liaohe Depression,Bohai Bay Basin by the representative effective source rock classification and natural gas genesis type discrimination method for rift lake basins.Then,dynamic simulation of gas generation,migration and accumulation is carried out based on the rep
10、resentative profile,and a dynamic accumulation model of natural gas is summarized.Finally,the future direction of natural gas exploration is pointed out.And the following research results are obtained.First,the Lower-Middle Sub-member of the Third Member and the Fourth Member of Paleogene Shahejie F
11、ormation are the main source rock layers.The source rocks formed in different tectonic positions are different in types,and there are humic and sapropelic source rocks,which generate oil-type gas and coal-type gas respectively.Second,various types of natural gas formed in this area migrates and accu
12、mulates within a transport system composed of complex fractures,sand bodies and unconformity surfaces,to form mixed-genetic gas reservoirs.Third,there are two migration and accumulation systems in the Huanxiling area,i.e.,System I and II.The migration and accumulation system in the Upper Sub-member
13、of the Fourth Member of Shahejie Formation from the western slope belt to Shuangtaizi structural belt is System I,which is near-source accumulation of oil-type gas.The migration and accumulation systems in the rest zones are System II,which is long-distance migration and accumulation of oil-type and
14、 coal-type gases.Fourth,natural gas reservoirs in the Huanxiling area are in the hydrocarbon accumulation model of single sag,multiple sources and late stage.The spatial differential distribution of source rocks and the complex fault system jointly control the genetic diversity and distribution comp
15、lexity of gas reservoirs in this area.In conclusion,the generation-migration-accumulation dynamic model of natural gas reservoir in rift lake basins shows the gas sources of Huanxiling area,and suggests that the eastern steep slope zone near the inside of the sag is a favorable area for natural gas
16、exploration.The research results provide a reference for natural gas exploration in other rift lake basins.Keywords:Rift lake basin;Gas-source correlation;Genetic type of natural gas;Gas generation-migration-accumulation modeling;Effective source rocks;Mixed-genetic gas reservoir;Huanxiling area of
17、the Liaohe Depression 基金项目:国家自然科学基金项目“苯基多环芳烃检测及其石油地球化学意义”(编号:41972148)。作者简介:杨思博,1994 年生,博士研究生;主要从事油气成藏地球化学方面研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18 号。ORCID:0009-0005-4958-956X。E-mail:susan_通信作者:李美俊,1972 年,教授,博士研究生导师;主要从事油气成藏地质地球化学方面研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路 18 号。ORCID:0000-0002-7141-6068。E-mail:2023 年第 43 卷 74
18、天 然 气 工 业0引言准确识别天然气的成因类型及来源,是评估天然气资源潜力和寻找有利勘探区的关键科学问题1-3。然而,由于天然气形成机制的复杂性和判识参数的有限性,对其成因和来源的识别常因证据不足而具有多解性。断陷湖盆的构造运动和沉积演化十分复杂,导致烃源岩的非均质性增强,有机质类型多样,增加了气源对比的难度4-5。因此,需要探索更加有效的方法来解决这些难题。辽河坳陷位于中国东北部渤海湾盆地,是典型的断陷湖盆。其中,西部凹陷是辽河坳陷最大的富油气次级凹陷。欢喜岭地区位于辽河坳陷西部凹陷西南侧,分布在西部斜坡带和双台子构造带,是辽河坳陷最重要的油气藏之一。前人研究表明,欢喜岭天然气藏具有多种成
19、因类型的天然气,包括煤型气、油型气和混合气1,6。基于常规的气源对比方法,如天然气成因和计算成熟度,王延山等6-8认为欢喜岭天然气藏主要来源于清水洼陷内沙河街组三段和四段的烃源岩。然而,母国妍等9通过大量地球化学分析数据表明,西部凹陷沙三段和四段的烃源岩主要包含-型干酪根,属腐泥型有机质,这与大量发现的煤型气和混合气的勘探实践存在矛盾1。在研究烃源岩时,由于不同类型的干酪根具有不同的生气机制,因此需要充分考虑有机质类型的非均质性。对于西部凹陷主要生烃层的气源岩类型、分布和规模等需要进一步研究,以提供新的气源对比依据。此外,以往关于辽河坳陷天然气运移和成藏的研究主要基于定性分析优势成藏条件,对油
20、气运聚成藏过程的研究还比较薄弱6,8,10。针对上述问题,通过对欢喜岭地区天然气样品的组分和碳同位素值等实验结果进行分析,揭示不同位置天然气的地球化学特征,从而阐明其成因类型。其次,结合沉积学分析,明确有效气源岩的类型和分布情况,为判识天然气的来源提供地质依据。最后,借助盆地模拟软件,动态模拟天然气的生运聚过程。基于这些研究成果,综合判断辽欢喜岭地区的天然气气源,并总结天然气的运聚规律,为渤海湾盆地西部凹陷勘探目标的优选提供证据,同时为典型断陷湖盆的天然气勘探提供方法上的借鉴。1地质概况与样品西部凹陷位于渤海湾盆地辽河坳陷西南部,是中国东部典型的陆相断陷湖盆11-13(图 1-a)。西部凹陷新
21、生代构造演化主要经历了初始伸展裂陷、裂陷深陷以及走滑裂陷 3 个阶段,发育了一系列北东向断裂,形成东陡西缓、北高南低的箕状构造特征 13-15。欢喜岭位于西部凹陷中南部,在短轴方向划分为 3 个构造带:西部斜坡带(缓坡带)、双台子构造带(断阶带)、清水洼陷(深陷带陡坡带)(图 1-a、b)。地层自下而上分别为:前新生界基底、古近系沙河街组、东营组、新近系馆陶组、明化镇组、第四系平原组。其中,沙三段和沙四段是主要的烃源岩层,自下而上划分为沙四上亚段(E2s41)、沙三下亚段(E2s33)、沙三中亚段(E2s32)和沙三上亚段(E2s31)(图 1-c)。西部凹陷主要发育 4 种类型的沉积体系,包
22、括扇三角洲、湖底扇、湖相和近岸水下扇沉积16-18。清水洼陷位于西部凹陷的南部,是辽河坳陷最大的生烃洼陷,为欢喜岭油气藏提供了丰富的油气源供给。主力烃源岩为沙三段的暗色湖相泥岩和油页岩,以及沙四段的暗色湖相泥岩,广泛分布于清水洼陷,现今处于成熟高熟阶段19。本次研究分析了 34 个分布于欢喜岭地区的天然气样品,样品埋藏深度介于 1 000 4 000 m,垂向上取自基底、沙河街组、东营组储层。分析了 285 件烃源岩样品,样品平面上分布于清水洼陷及其周边,垂向上分布于沙四段及沙三段。2天然气地球化学特征及成因类型2.1天然气成因类型通过分析烷烃气体(甲烷、乙烷、丙烷等)的地球化学组分和同位素组
23、成,明确天然气的生成机制和来源,进而确定气源关系20。由于天然气的形成过程具有复杂性,因此天然气的成因类型需要结合地质条件分析6。辽河坳陷欢喜岭气藏的 34 个天然气样品组分和碳同位素序列图结果显示(图 2):天然气组分呈现正常序列,C1 C2 C3 iC4 nC4,同时碳同位素序列显示13C113C213C313iC413nC4,表明欢喜岭地区天然气样品经历了有机热成因过程,并且没有明显的后期改造作用21。天然气的稳定碳同位素组成反映了源岩的有机质类型和热演化程度1,22-24。一般来说,乙烷的碳同位素(13C2)值可以用于判断由不同有机质类型的烃源岩生成的天然气,将热成因天然气样品进一步划
24、分为煤型气(腐殖型天然气)和油型气(腐泥型天然第 9 期 75 杨思博等:断陷湖盆天然气成藏生运聚动态模拟以渤海湾盆地辽河坳陷为例气)。因为烃源岩原始有机质碳同位素、成熟度等因素共同影响了 13C2值的分布27,不同学者对于 13C2划分成因类型的界限值持有不同观点2,22,25-26。本次研究采用宋岩等28提出的划分标准:13C2值大于 图1渤海湾盆地辽河坳陷欢喜岭地区地质概况图2023 年第 43 卷 76 天 然 气 工 业26 为煤型气,13C2值小于29 为油型气,13C2值处于29 26 为混合气(煤型气和油型气混合)。丙烷的碳同位素(13C3)值也可用于划分煤型气和油型气,通常以
25、25 为界限1,29,30。13C113C2和 13C213C3相关图显示:E2s4气藏天然气样品的 13C1和 13C2值相比于其他层序明显偏重,13C2大于21.4,是典型的煤型气。部分 E2s3气藏、E2s1+2气藏和基底天然气样品的 13C2值低于 26,为典型的油型气。其余 E2s3气藏、E2s1+2气藏天然气样品的 13C1和 13C2值介于两者之间,显示为混合气(图 3-a、b)。13C1C1/(C2+C3)图版(Bernard 图版)常被用于区分原生生物成因气和热成因气31。原生生物成因气以甲烷为主,其碳同位素在12C 中富集。而热成因气的乙烷和丙烷相对富集,甲烷碳同位素在13
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