埃塞俄比亚欧加登盆地天然气成因及来源
2021-04-01王海真倪帮梁
王海真 倪帮梁 孙 宽
保利协鑫天然气集团控股有限公司
0 引言
非洲油气资源十分丰富，目前探明的油气主要分布在非洲西部和北部地区[1]。近几年随着坦桑尼亚、莫桑比克等地区的勘探突破，东非正逐渐成为国际油气勘探的热点地区[2-3]。欧加登盆地位于埃塞俄比亚东南部，与索马里和肯尼亚接壤，面积约35×104km2，是埃塞俄比亚最大的沉积盆地，沉积盖层厚度超过5 000 m。欧加登盆地的油气勘探始于20世纪40年代，盆地内已有钻井65口，钻探证实该盆地发育多种类型的含油气构造，钻井油气显示十分活跃，盆地边缘有油苗出露，在中部坳陷带发现了C、H和D三个气田，展示了盆地良好的勘探潜力[4]。该盆地的天然气成因及来源一直缺乏系统研究和认识，对油气的运聚规律认识不清。笔者首次应用碳同位素开展欧加登盆地天然气的地球化学综合分析研究，对预测有利勘探区带和资源潜力评价都有重要的指导意义。
1 区域地质概况
欧加登盆地为早期裂谷盆地与晚期被动大陆边缘叠合盆地[5-6]，包括6个一级构造单元，分别为中央凹陷、北部斜坡、北部隆起、南部斜坡、西部斜坡、西部隆起（图1）。
图1 欧加登盆地位置图
欧加登盆地经历了三期的构造演化[7]（图2）分别为：①卡鲁裂谷期，晚石炭世开始，受板块俯冲和冈瓦纳大陆南部卡鲁地幔热柱的热膨胀作用影响，非洲东海岸地区发育近南北向展布的卡鲁陆内裂谷系。以冲积相、湖相、河流—三角洲相沉积为主，这一时期的陆相地层沉积统称为卡鲁群；②中生代裂谷期，侏罗纪—早白垩世，东冈瓦纳大陆出现分裂，印度、非洲、澳大利亚—南极洲之间分离，受海底扩张作用发生大规模的海侵作用，盆地进入热沉降期，发育海陆过渡相、碳酸盐岩台地、开阔海、萨布哈等沉积体系；③被动大陆边缘阶段，早白垩世晚期，Marion地幔柱活动，印度与马达加斯加、南极洲分离，向北东方向漂移，海底继续扩张。受Owen左行转换断层影响，伴随剪切挤压作用，盆地东北部挤压反转，遭受抬升剥蚀，进入了被动大陆边缘发育期。
图2 欧加登盆地综合柱状图[8]
2 样品与分析方法
本次研究从欧加登盆地3个气田共收集7个天然气样品，5个凝析油样品，涉及4个产层（表1）。天然气样品使用双阀高压真空气样泵存储，每井层同时取3支样品备份，以确保流体无污染、无泄漏。以上样品均送至埃及开罗的实验室（COREX GROUP LABS），完成了质量检测、组分分析、同位素分析等实验内容。其中，天然气组分和凝析油组分分析使用Agilent 6890 气相色谱仪，碳同位素分析使用Finnigan Delta Plus XL质谱仪，氢同位素分析使用Finnigan Delta S质谱仪。
表1 欧加登盆地天然气与凝析油样品表
3 天然气成因分析
3.1 天然气组分特征
天然气组分数据显示（表2），7个样品以烃类气体为主，烃类气体含量介于91.13%～96.68%，平均94.07%，烃类气体中甲烷占绝对优势，甲烷含量在80.8%～91%之间，平均为87.7%，表现为典型有机成因天然气的组分特征[9-10]。7个气样的干燥系数（C1/ (C1-C5) ）介于88.8%～95.8%，平均值为93.2%，以湿气为主，仅H-6井Calub组的气样的干燥系数为95.8%，大于95%，属于干气。
表2 欧加登盆地天然气组分表
天然气中非烃气体以N2气为主，其百分含量在3.4%～8.8%之间，其次含有少量CO2，含量为0.004%～0.89%，另含微量的He、Ar和O2，不含H2S（表2）。
3.2 天然气成因类型分析
天然气的组分含量、碳同位素组成、氢同位素组成等是用来判别天然气成因的有效手段。有机成因天然气可根据热演化程度Ro和母质类型进一步划分成因类型[11]。根据热演化程度有机气可进一步划分为生物成因气（未成熟阶段，Ro<0.7%）、热解成因气（成熟—高成熟阶段，0.7%
7个气样甲烷碳同位素组成处于-41.9‰～-36.9‰之间（表3），乙烷碳同位素组成分布范围在-34.1‰～-29.4‰之间，丙烷碳同位素组成为-31.6‰～-26‰。7个气样的碳同位素组成序列呈现δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的“正碳序列”[15-17]（表3，图3），是有机成因气的典型特征。按照天然气母质类型的划分标准，欧加登盆地的天然气是典型的油型气（图4），指示其母质类型为腐泥型有机质[18-19]。
表3 欧加登盆地天然气碳氢同位素
图3 欧加登盆地天然气碳同位素组成序列图
图4 有机成因气 δ13C1-δ13C2-δ13C3鉴别图版
有机烷烃气的氢同位素组成范围较广[20]，Schoell提出有机成因天然气中，碳、氢同位素组成随烃源岩热演化程度的增加而变重，湿气或原油伴生气的甲烷氢同位素组成在-260‰～150‰之间，并随着气体的干燥系数增加而增大，一般干气的氢同位素组成在-180‰～-130‰之间[21]。Clayton将甲烷氢同位素值-120‰作为煤型气的分界，油型气的甲烷氢同位素组成在-150‰～-140‰之间[22-23]。甲烷氢同位素在-169‰～-120‰之间（表3），平均值为-138‰。
有机成因天然气中的甲烷碳同位素组成受微生物改造和热演化阶段的多重影响，而乙烷和丙烷碳同位素的组成只与热演化阶段有关[24-25]，因此，可以利用甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素组成建立和烃源岩热演化程度（Ro）之间的关系[26-29]。有机成因气甲烷碳、氢同位素δ13C—δD鉴别图版上（图5），5个气样落入裂解干气区，2个气样落入原油伴生气区，指示有机质的热演化阶段跨度大，从成熟阶段到过成熟阶段[30-34]。在δ13C3—δ13C2图版上欧加登盆地天然气都来自腐泥型有机质—混合型有机质干酪根，均为油型气，对应的成熟度范围在0.8%～1.5%之间（图6）。
图6 乙烷、丙烷碳同位素成因判识图版[28]
3.3 轻烃成因分析
Mango[35-37]通过对世界上不同盆地2 000多个轻烃样品的分析，发现4个异庚烷的化合物：2-甲基己烷、3-甲基己烷、 2,3 -二甲基戊烷和 2,4 -二甲基戊烷，对于同一母质类型，在生油窗口内的不同成熟期生成的轻烃，其同分异构体产物组成具有一个相对固定的比例值，Mango 将该比值定义为轻微等数（K1），即K1=（2-甲基己烷+ 2,3 -二甲基戊烷）/（3-甲基己烷 +2,4 -二甲基戊烷）。不同母质类型，其K1值则不同，因腐殖型干酪根与腐泥型干酪根的结构各异，不同母质类型会生成丰度各异的异构烷烃，从而导致异构烷烃比值的差异。因此，K1值可以指示母岩类型。
5个轻烃的K1值范围为1.08～1.11，平均值为1.10，5个样品的K1值几乎一致。图7上5个轻烃样品点基本落在一条直线上，指示它们来自同一母质类型。
图7 欧加登盆地天然气K1值分布图
轻烃中C7系列的各种结构的C7支链异构体（iC7）、二甲基环戊烷（ΣDMCP）、甲基环己烷（MCH）的相对含量可以用来区分烃源岩母质类型。C7支链异构体含量高，指示母源环境为湖相，nC7和支链C7异构体主要来自湖相藻类；二甲基环戊烷指示母源环境为海相，有机质具有环烷烃含量高、芳烃含量低的特点；甲基环己烷指示母源环境为陆相，多来自陆生高等植物，甲基环己烷的含量高常常是煤型气的重要标志[38-43]。
根据气样轻烃检测结果（表4）和轻烃分布三角图版（图7）分析表明，C7支链异构体（iC7）相对含量在 43.27%～72.71%之间，平均值为59.57%；甲基环己烷指数（MCH）相对含量分布于21.63%～48.15%之间 ，平均值为33.91%；各种构型的二甲基环戊烷（ΣDMCP）分布于 3.79%～9.00%之间，平均值为6.52%。分析认为，研究区天然气轻烃组成相似，C7系列表现出支链异构体优势,且样品点落在湖相区间范围内，表明欧加登盆地的天然气主要来自湖相沉积。
表4 欧加登盆地凝析油轻烃参数表
4 天然气来源分析
欧加登盆地主要发育三套潜在烃源岩（图8）。
图8 天然气中C7 轻烃系列分布三角图
1）下三叠统Bokh组烃源岩，以沉积巨厚的半深湖—湖相暗黑色泥页岩为特征，厚度从几百米到上千米不等，在盆地内广泛展布，有机质丰度中等—好，TOC介于0.5%～1.5%，镜质体反射率Ro介于1.0%～2.5%。由于Bokh组源岩整体成熟度较高，处于成熟—过成熟阶段，大量排烃造成热解氢指数严重偏低，干酪根类型镜鉴结果为偏腐泥型，为欧加登盆地的主力烃源岩。
2）中侏罗统Hamanlei烃源岩，海相碳酸盐岩台地环境，沉积灰岩、白云岩、硬石膏和泥岩的薄互层，整体上表现为烃源岩零星分布，有机质丰度较低，干酪根类型以偏腐殖型—腐殖型为主，Ro值为0.6%～1.1%，处于热演化的低成熟—成熟阶段，为潜在的烃源岩。
3）上侏罗统Uarandab组烃源岩，开阔海沉积，深灰色泥灰岩或泥岩为主，厚度为100～200 m，总体有机质丰度高，TOC普遍在1.0%以上，最高超过10.0%，干酪根类型以混合型为主，倾油型，热演化程度低，Ro值介于0.4%～0.7%，处于未成熟—低成熟阶段，为潜在的烃源岩。
上述3套烃源岩品质分析，只有下三叠系的Bokh组厚度大、分布广、有机质指标好、热演化程度高，具备生成大量油型气的物质基础，而且与天然气的成熟度相匹配。此外，研究区的天然气不含硫，基本可以排除中侏罗统Hamanlei碳酸盐岩烃源岩的影响，上侏罗统的烃源岩成熟度较低，与现有天然气的成熟度不匹配。因此，综合分析认为天然气来自下三叠统Bokh组。
5 结论
1）欧加登盆地天然气以烃类气体为主，烃类气体含量介于91.13%～96.68%，平均94.07%，烃类气体中甲烷占绝对优势，甲烷含量在80.8%～91%之间，平均为87.7%，主要为湿气；非烃气体以N2气为主，其百分含量在3.4%～8.8%之间，其次含有少量CO2，另含微量的He、Ar和O2，不含H2S；天然气的组分特征表现为典型的有机成因气。
2）欧加登盆地天然气的δ13C1为-41.9‰～-36.9‰之间，δ13C2分布范围在-34.1‰～-29.4‰之间，δ13C3为-31.6‰～-26‰，总体符合δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正 碳 序 列；δD 在 -169‰ ～ -120‰ 之间，平均值为-138‰。欧加登盆地的天然气成因类型为腐泥型有机质生成的油型气，有机质的热演化阶从成熟阶段到过成熟阶段，对应的成熟度范围在0.8%～1.5%之间。天然气的轻烃组成相似，Mango轻烃参数K1值基本一致，指示来自同一母源类型，C7系列表现出支链异构体优势,表明欧加登盆地的天然气来自湖相沉积。
3）Ogaden盆地主要发育三套烃源岩，下三叠统的Bokh组湖相沉积的烃源岩分布广泛、厚度大，有机质丰度中等—好，处于成熟—过成熟演化阶段，与天然气的成熟度相匹配，因此，认为欧加登盆地的烃源岩来自下三叠统Bokh组烃源岩。
