塔里木盆地塔北隆起天然氣輕烴地球化學(xué)特征及應(yīng)用

陳?ài)`發(fā)，苗忠英，張 晨，陳鴻雁

（中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

塔里木盆地塔北隆起天然氣輕烴地球化學(xué)特征及應(yīng)用

陳?ài)`發(fā)，苗忠英，張 晨，陳鴻雁

（中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

通過(guò)分析塔里木盆地塔北隆起天然氣中輕烴組分的特征，認(rèn)為塔北隆起油型氣、煤型氣和混合型3類(lèi)天然氣藏中輕烴的分布特征具有明顯的差異。分布在英買(mǎi)力低凸起和哈拉哈塘凹陷的油型氣，其輕烴組分中正構(gòu)烷烴和正庚烷的相對(duì)含量較高；分布在輪臺(tái)斷隆的煤型氣，其輕烴組分中異構(gòu)烷烴、甲基環(huán)己烷和苯的相對(duì)含量較高；分布在東河塘斷裂帶附近的混源氣，其輕烴組分中苯、甲基環(huán)己烷和正庚烷的相對(duì)含量均較高。根據(jù)甲烷碳同位素和輕烴成熟度參數(shù)估算的成熟度特征，認(rèn)為提爾根、羊塔克斷裂帶和英買(mǎi)32潛山構(gòu)造帶天然氣至少應(yīng)存在兩期成藏；英買(mǎi)7、東河塘斷裂帶和英買(mǎi)2潛山構(gòu)造帶天然氣為一期成藏。天然氣中輕烴參數(shù)顯示，輪臺(tái)斷隆西段的天然氣具有自庫(kù)車(chē)坳陷向塔北前緣隆起帶運(yùn)移充注的特征。

庚烷值；異庚烷值；Mango參數(shù)；運(yùn)移方向；輕烴；天然氣；塔北隆起；塔里木盆地

輕烴是天然氣和原油中非常重要的組分，一般是指分子碳數(shù)為C5—C10的化合物，蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)地球化學(xué)信息[1]?？梢愿鶕?jù)其組分特征進(jìn)行天然氣類(lèi)型、成熟度特征、油氣源對(duì)比、烴類(lèi)運(yùn)移方向和次生改造等方面的研究[2～6]。塔北隆起天然氣中輕烴含量普遍較高，分析其組成特征可為判識(shí)天然氣的成因和探討天然氣成藏特征提供重要的信息。

1 地質(zhì)背景及樣品分布

塔北隆起位于塔里木盆地北部，是盆地“三隆四坳”構(gòu)造格局中的一級(jí)構(gòu)造單元之一（圖1）。它北臨庫(kù)車(chē)坳陷，南與北部坳陷相接，是陸相腐殖型油氣和海相腐泥型油氣的有利聚集區(qū)。其上發(fā)育4個(gè)隆起和2個(gè)凹陷，分別為輪臺(tái)斷隆、英買(mǎi)力低凸起、輪南低凸起、庫(kù)爾勒鼻隆、哈拉哈塘凹陷和草湖凹陷。輪臺(tái)大斷裂、東河塘斷裂帶、紅旗斷裂帶和英買(mǎi)7斷裂帶將輪臺(tái)斷隆與其他構(gòu)造單元分隔開(kāi)來(lái)，目前除庫(kù)爾勒鼻隆和草湖凹陷外均已發(fā)現(xiàn)工業(yè)性油氣藏。油氣產(chǎn)層時(shí)代分布廣，從寒武系、奧淘系、志留系、石炭系、侏羅系、白堊系到古近系和新近系。天然氣藏的類(lèi)型既有氣油比很高的凝析氣藏，也有氣油比稍低的凝析油藏，還有正常的原油伴生氣。為探討該區(qū)天然氣中輕烴組成特征，選取輪臺(tái)斷隆東段提爾根斷裂帶，輪臺(tái)斷隆中段紅旗斷裂帶，輪臺(tái)斷隆西段羊塔克、英買(mǎi)7斷裂帶和英買(mǎi)32潛山構(gòu)造帶，英買(mǎi)力低凸起英買(mǎi)2潛山構(gòu)造帶，哈拉哈塘凹陷北緣的東河塘斷裂帶等有代表性的天然氣藏為研究實(shí)例。

2 天然氣中C5—C7輕烴組分特征

現(xiàn)有研究表明，源于腐泥型母質(zhì)的輕烴組分中富含正構(gòu)烷烴，源于腐殖型母質(zhì)的輕烴組分中則富含異構(gòu)烷烴和芳烴，來(lái)源于陸源母質(zhì)的凝析油，其輕烴組分中富含環(huán)烷烴[1]。對(duì)塔北隆起天然氣中C5—C7輕烴組成分析表明，該區(qū)天然氣環(huán)烷烴相對(duì)含量最低，變化范圍在3%～25%之間；異構(gòu)烷烴相對(duì)含量高于環(huán)烷烴，變化范圍在35%～60%之間；正構(gòu)烷烴相對(duì)含量與異構(gòu)烷烴相近，在30%～55%之間（圖2a）。根據(jù)輕烴中C5—C7相對(duì)含量特征可將該區(qū)天然氣分為兩類(lèi)：一類(lèi)是源于哈拉哈塘凹陷腐泥型母質(zhì)，產(chǎn)層為東河塘斷裂帶的石炭系和侏羅系天然氣，其輕烴中環(huán)烷烴含量低于15%，異構(gòu)烷烴含量低于50%，正構(gòu)烷烴含量大于45%；另一類(lèi)是源于庫(kù)車(chē)坳陷的腐殖型母質(zhì)，主要產(chǎn)自輪臺(tái)斷隆的白堊系、古近系和新近系吉迪克組，其輕烴中環(huán)烷烴含量為25%到5%，異構(gòu)烷烴含量在45%～60%之間，正構(gòu)烷烴含量均低于45%。在該區(qū)的天然氣中英買(mǎi)力低凸起上的英買(mǎi)201井奧陶系產(chǎn)出油氣來(lái)源于海相烴源巖[7]，但天然氣輕烴C5—C7組分中異構(gòu)烷烴的相對(duì)含量高于50%，顯示出異構(gòu)烷烴含量相對(duì)較高的特征。該油氣藏成藏期較早、經(jīng)歷較多調(diào)整改造作用[8]可能是造成該井天然氣中異構(gòu)烷烴含量較高的主要因素。輪臺(tái)斷隆中段東河12井侏羅系和古近系產(chǎn)出的天然氣，其C5—C7輕烴中正構(gòu)烷烴相對(duì)含量較高，在50%左右，與腐泥型輕烴相近，可能是因?yàn)樵摼o鄰哈拉哈塘凹陷，受腐泥型母質(zhì)影響所致。

天然氣的輕烴中甲基環(huán)己烷和苯的相對(duì)含量與母質(zhì)類(lèi)型有關(guān)，來(lái)源于腐殖型母質(zhì)的天然氣其甲基環(huán)己烷和苯相對(duì)含量較高，而腐泥型烴源巖生成的天然氣其正庚烷含量相對(duì)較高[9]，塔北隆起天然氣這3種輕烴中甲基環(huán)己烷的相對(duì)含量均低于40%，且不同構(gòu)造單元之間變化不甚明顯；而正庚烷和苯的含量變化較大，不同類(lèi)型的天然氣正庚烷和苯的含量具有明顯的差別（圖2b）。其中東河塘斷裂帶和英買(mǎi)力低凸起油型氣輕烴中，苯的相對(duì)含量均低于10%，甲基環(huán)己烷相對(duì)含量在20%～40%，正庚烷相對(duì)含量較高，在50%～70%之間；輪臺(tái)斷隆絕大部分天然氣輕烴中正庚烷相對(duì)含量很低，在5%～20%之間，甲基環(huán)己烷的相對(duì)含量在5%～30%之間，而苯的相對(duì)含量較高，在55%～85%之間，系腐殖型母質(zhì)產(chǎn)物的特征。東河12井古近系和東河23井侏羅系苯和正庚烷的相對(duì)含量比較接近，均在40%左右，介于油型氣和煤型氣之間，這與其特殊的構(gòu)造位置有關(guān)，它們位于輪臺(tái)斷隆與哈拉哈塘凹陷相接的部位，海相腐泥型和陸相腐殖型烴類(lèi)都可以在這里聚集，所以應(yīng)為不同類(lèi)型輕烴混合所致。

輕烴中C7系列有重要的生源意義[10]：甲基環(huán)己烷主要來(lái)自高等植物木質(zhì)素、纖維素和糖類(lèi)等，熱力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，是反映陸源母質(zhì)類(lèi)型的良好參數(shù)，相對(duì)較高的甲基環(huán)己烷是煤成氣的標(biāo)志；各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷主要來(lái)自水生生物的類(lèi)脂化合物，并受成熟度影響，較高的二甲基環(huán)戊烷是油型氣的特征；正庚烷主要來(lái)自藻類(lèi)和細(xì)菌，對(duì)成熟作用十分敏感，是良好的成熟度指標(biāo)。塔北隆起天然氣C7系列輕烴中二甲基環(huán)戊烷相對(duì)含量普遍較低，絕大多數(shù)樣品低于20%；正庚烷相對(duì)含量變化較大，在30%～65%之間；甲基環(huán)己烷相對(duì)含量也有較大的變化，在20%～60%之間（圖3）。其中輪臺(tái)斷隆東部、西部和中部煤型氣中甲基環(huán)己烷相對(duì)含量高于35%，變化范圍在36%～58%之間；英買(mǎi)力低凸起和哈拉哈塘凹陷周邊油型氣中C7系列輕烴正庚烷相對(duì)含量較高，一般大于45%，甲基環(huán)己烷含量一般低于35%，變化范圍在22%～31%之間，與胡惕麟等（1990）研究的成果相一致[10]。輪臺(tái)斷隆中段東河12井侏羅系和古近系天然氣中C7系列輕烴中甲基環(huán)己烷相對(duì)含量為24%到34%，反映該井天然氣為海相腐泥型與陸相腐殖型天然氣混合成藏的結(jié)果。

圖1 塔北隆起構(gòu)造劃分及樣品分布位置示意圖Fig.1 Structural division and location of samPles in the Tabei UPlift

圖2 塔北隆起天然氣中輕烴組成特征Fig.2 Light hydrocarbon comPosition characteristics of natural gas in the Tabei UPlift a.正構(gòu)-異構(gòu)-環(huán)狀輕烴相對(duì)含量；b.苯-甲基環(huán)己烷-正庚烷相對(duì)含量

圖3 塔北隆起天然氣中輕烴C7系列組成特征Fig.3 C7light hydrocarbon series comPosition characteristics of natural gas in the Tabei UPlift

3 輕烴中成熟度參數(shù)特征

ThomPson（1979）通過(guò)分析巖屑和巖心吸附輕烴的組成特征指出：一些輕烴的組成特征與沉積巖在埋藏史中經(jīng)歷的最高溫度有關(guān)，可用作原油成熟度表征的參數(shù)[11]；并于1983年提出了庚烷值和異庚烷值與凝析油的成熟度的關(guān)系式[12]。程克明等[13]認(rèn)為利用異庚烷值和庚烷值的相對(duì)大小可把陸相原油及凝析油劃分為4類(lèi)：低成熟原油，其異庚烷值＜1.0，庚烷值＜20%；正常原油，其異庚烷值為1～3，庚烷值為20%～30%；高成熟原油（輕質(zhì)油），其異庚烷值為3～10，庚烷值為30%～40%；過(guò)成熟油，其異庚烷值＞10，庚烷值＞40%。塔北隆起煤型氣輕烴庚烷值變化范圍在13.4%～23.5%之間，平均值18.7%；異庚烷值變化范圍在2.1～5.2，平均值為3.3。據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，塔北隆起煤型氣多數(shù)處于成熟-高成熟階段（圖4）。

東河塘斷裂帶石炭系和侏羅系油型氣庚烷值在28.4%～42.6%之間，平均值為35%，異庚烷值在2.4～4.8之間，平均值為3.7，分布于高成熟-過(guò)成熟范圍（圖4），但從同位素組成和其他地球化學(xué)參數(shù)研究表明，該區(qū)天然氣為成熟到高成熟的天然氣，即由天然氣中輕烴參數(shù)估算的天然氣的烴源巖熱演化程度偏高。筆者認(rèn)為這主要是天然氣的母質(zhì)類(lèi)型差異所致，因?yàn)楦橹岛彤惛橹祬?shù)即與烴源巖的成熟度有關(guān)，也受母質(zhì)類(lèi)型的影響，在相同熱演化階段時(shí)腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的烴類(lèi)比腐殖有機(jī)質(zhì)生成的烴類(lèi)具有更高的庚烷值[12]。

圖4 塔北隆起天然氣輕烴成熟度Fig.4 Maturity of light hydrocarbon in natural gas in the Tabei UPlift

Mango穩(wěn)態(tài)催化動(dòng)力學(xué)輕烴成因理論認(rèn)為[4]，烷基環(huán)丙烷是干酪根支鏈烷烴降解的中間產(chǎn)物，不同的開(kāi)環(huán)反應(yīng)產(chǎn)物不同，反應(yīng)速率常數(shù)滿(mǎn)足阿侖尼烏斯公式，因此其產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值的對(duì)數(shù)與溫度具有線(xiàn)性關(guān)系。以C7系列輕烴為例，2，4-二甲基戊烷/2，3-二甲基戊烷值（2，4-DMC5/2，3-DMC5）的自然對(duì)數(shù)與溫度（T）呈線(xiàn)性相關(guān)，其關(guān)系式為T(mén)（℃）=140+15×ln（2，4-DMC5/2，3-DMC5）。

表1 輕烴與天然氣成熟度對(duì)比Table 1 Com parison ofmaturity between light hydrocarbon and natural gas

圖5 塔北隆起天然氣源巖有機(jī)母質(zhì)成熟度Fig.5 Maturity of organic Parentmaterials of natural gas in the Tabei UPlift

4 由輕烴參數(shù)探討成藏特征

在探討天然氣成熟度時(shí)，前人提出了甲烷碳同位素值與Ro之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式[1]。天然氣中輕烴的庚烷值、異庚烷值和Mango參數(shù)也是估算天然氣源巖熱演化程度的良好指標(biāo)。由于這兩類(lèi)方法估算出的熱演化程度分別反映天然氣中輕質(zhì)組分（甲烷）和重質(zhì)組分（C+5）熱演化程度，因此，可以根據(jù)這兩種方法得出的成熟度結(jié)果來(lái)判識(shí)油氣的成藏特征，即如果甲烷碳同位素與輕烴組分估算的成熟度相同，則表明天然氣可能是同源、一期成藏；如兩者估算的成熟度不同，則表明可能是多期成藏或混合成藏。由甲烷碳同位素計(jì)算的塔北隆起天然氣成熟度Ro（表1）可以看出，提爾根、羊塔克斷裂帶天然氣成熟度較低，Ro平均值分別為0.7%和0.6%，而與之伴生的輕烴成熟度參數(shù)多已達(dá)到高-過(guò)成熟階段，這兩個(gè)地區(qū)烴源均為庫(kù)車(chē)凹陷煤型氣[14]，不存在混源問(wèn)題，所以天然氣至少應(yīng)存在兩期成藏。英買(mǎi)32潛山構(gòu)造帶天然氣來(lái)源于庫(kù)車(chē)坳陷[7]，由甲烷碳同位素估算的天然氣成熟度Ro平均值為2.2%，已經(jīng)達(dá)到過(guò)成熟階段，而伴生的輕烴庚烷值只在22.2%左右，顯示成熟階段的特征，所以該構(gòu)造帶也存在兩期成藏。英買(mǎi)7、東河塘斷裂帶和英買(mǎi)2潛山構(gòu)造帶天然氣甲烷碳同位素估算的成熟度Ro平均值在1%～1.2%之間，處于成熟-高成熟演化階段，與輕烴反映出的成熟度特征一致，所以這些地區(qū)天然氣應(yīng)為一期成藏。

成藏過(guò)程中，輕烴運(yùn)移相態(tài)的差異可以引起組分特征顯著變化。烴類(lèi)以游離相運(yùn)移時(shí)，影響組分特征變化的主要因素是烴類(lèi)分子的極性。由于地質(zhì)色層作用，極性強(qiáng)的分子在運(yùn)移過(guò)程中沿?zé)N類(lèi)運(yùn)移方向含量逐漸降低。芳香烴的極性明顯大于烷烴，隨運(yùn)移距離的增加含量相對(duì)減少；水溶相運(yùn)移的烴類(lèi)，各組分水溶性差異是決定其變化特征的重要因素。烷烴中隨碳數(shù)增加溶解能力逐漸減弱，相同條件下，同碳數(shù)的芳烴溶解度明顯高于烷烴，如苯的溶解度可達(dá)1 740× 10-6mg/L，而相同條件下正己烷的溶解度僅為為9.5×10-6mg/L[15]，所以沿運(yùn)移路徑前方芳烴/烷烴值呈增加趨勢(shì)。對(duì)比分析輪臺(tái)斷隆西段不同區(qū)塊天然氣苯的相對(duì)含量表明，緊鄰庫(kù)車(chē)坳陷的羊塔克斷裂帶，處于烴類(lèi)運(yùn)移路徑的后方，天然氣中苯/正己烷和苯/環(huán)己烷的平均值分別為1.2和4.5；而處于運(yùn)移路徑前方的英買(mǎi)7斷裂帶對(duì)應(yīng)值分別為1.6和5.6。這一差異說(shuō)明輪臺(tái)斷隆西段烴類(lèi)沿庫(kù)車(chē)坳陷-羊塔克斷裂帶-英買(mǎi)7斷裂帶方向運(yùn)移充注，同時(shí)也說(shuō)明塔北隆起西段輕烴的運(yùn)移方式為水溶相。

天然氣中丁烷的同分異構(gòu)體相對(duì)含量特征可作為探討天然氣運(yùn)移方向的參數(shù)[16～20]。沿孔喉大、輸導(dǎo)性能好的砂巖運(yùn)移時(shí)分子動(dòng)力直徑相對(duì)小的正丁烷運(yùn)移速率快，導(dǎo)致沿運(yùn)移方向i C4/n C4值減小。庫(kù)車(chē)坳陷所產(chǎn)油氣沿不整合面或碎屑巖體向塔北隆起充注，多富集于古近系和新近系碎屑巖儲(chǔ)層。羊塔克斷裂帶i C4/n C4值在0.79～0.84之間，平均值為0.82；英買(mǎi)7斷裂帶i C4/n C4值在0.44～0.82之間，平均值為0.58，這一特征也表明了輪臺(tái)斷隆西段天然氣由羊塔克向英買(mǎi)7斷裂帶運(yùn)移充注，也與輕烴參數(shù)反映天然氣運(yùn)移方向相符。

5 主要認(rèn)識(shí)和結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)塔北隆起天然氣輕烴組分特征分析，認(rèn)為該區(qū)存在腐泥型、腐殖型和混合型天然氣；腐殖型天然氣主要分布在輪臺(tái)斷隆，腐泥型天然氣主要分布在輪臺(tái)大斷裂以南，混合型天然氣主要分布在輪臺(tái)大斷裂附近。

2）塔北隆起天然氣多處于成熟-高成熟演化階段。通過(guò)甲烷碳同位素與輕烴參數(shù)反映的成熟度特征對(duì)比認(rèn)為該區(qū)天然氣存在一期和多期成藏兩種模式。

3）塔北隆起西段i C4/n C4、苯/正己烷和苯/環(huán)己烷的變化特征表明天然氣以自庫(kù)車(chē)坳陷經(jīng)羊塔克斷裂帶向英買(mǎi)7斷裂帶方向運(yùn)移，且輕烴的運(yùn)移方式為水溶相。

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（編輯 高 巖）

Geochem ical characteristics of light hydrocarbons in natural gas in the Tabei Uplift of the Tarim Basin and their im plications

Chen Jianfa，Miao Zhongying，Zhang Chen and Chen Hongyan
（State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Based on the analysis of light hydrocarbons in natural gas in the Tabei UPlift of the Tarim Basin，obvious differences are found in the distribution characteristics of light hydrocarbon in 3 tyPes of natural gas：Petroliferous gas，coal-related gas and mixed gas.For Petroliferous gas，which is distributed in the Yingmaili low uPlift and the Halahatang sag，relative contents of n-alkane and n-hePtane are high；for coal-related gas，which is distributed in the Luntai fault uPlift，relative contents of isoParaffin，methylcyclohexane and benzene are high；for mixed gas，which is distributed in the Donghetang fault belt，relative contents of benzene，methylclohexane and n-hePtane are high.According to gasmaturity estimated using Parameters such as carbon isotoPe ofmethane and thematurity of light hydrocarbon，we believe that（1）there were at least two-Phases of Pool-forming for natural gas in the Ti'ergen faultbelt，the Yangtake faultbeltand the Yingmai32 buried hill structural zone；（2）natural gas in the Yingmai 7 fault belt，the Donghetang fault belt and the Yingmai 2 buried hill structural zone exPerienced one-Phased Pool-forming Process；（3）Parameters of light hydrocarbon reveal that natural gas in the western Part of the Luntai fault uPlift has features ofmigrating and charging from the Kuqa dePression to the Tabei forebulge belt.

value of hePtane，value of isohePtane，Parameter of Mango，migration direction，light hydrocarbon，natural gas，Tabei UPlift，Tarim Basin

TE122.1

A

0253-9985（2010）03-0271-06

2010-06-21。

陳?ài)`發(fā)（1961—），教授、博士生導(dǎo)師，石油地質(zhì)，地球化學(xué)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40773039）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2006CB202307）。