庫車坳陷天然氣地球化學(xué)特征及成因類型

周 霞,包建平

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué),湖北荊州 434023）

庫車坳陷天然氣地球化學(xué)特征及成因類型

周 霞,包建平

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué),湖北荊州 434023）

通過統(tǒng)計(jì)分析庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣樣品得出以下結(jié)論:大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣中烴類氣體含量高達(dá)98%,占絕對優(yōu)勢,干燥系數(shù)大于0.95,屬干氣;而前緣隆起帶天然氣中烴類氣體含量相對較低,干燥系數(shù)分布范圍為0.70～0.95,屬濕氣。大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣烴類碳同位素組成偏重;而前緣隆起帶天然氣烴類碳同位素組成偏輕。大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣屬過成熟天然氣,其源巖鏡質(zhì)組反射率 Ro值為1.62%～2.5%;前緣隆起帶天然氣則處于成熟-高成熟階段,Ro值為1.0%～1.5%。根據(jù)以上地球化學(xué)參數(shù)判定庫車坳陷大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣為腐殖型的過成熟熱裂解氣;前緣隆起帶天然氣為腐殖型的成熟-高成熟熱降解氣。

干燥系數(shù);碳同位素;成熟度;天然氣;庫車坳陷

庫車坳陷是典型的前陸盆地,具有良好的油氣遠(yuǎn)景。三次資評表明,庫車坳陷的天然氣資源量為3.16×1012m3,截至2007年底,天然氣的探明儲量為5.40×1011m3,預(yù)測儲量為3.77×1011m3,可知庫車坳陷具有巨大的勘探潛力[1]。因此,研究庫車坳陷天然氣的成因,對進(jìn)一步認(rèn)識庫車坳陷天然氣的形成與分布具有重要的地球化學(xué)意義,同時也將為庫車坳陷天然氣的深入勘探和資源量的預(yù)測提供地球化學(xué)信息。

1 地質(zhì)背景

庫車坳陷位于塔里木盆地北緣,北倚南天山褶皺造山帶,南接塔北戈壁和塔里木河中游流域,具有“四帶三凹”的基本地質(zhì)構(gòu)架(圖1)。庫車坳陷主要發(fā)育有湖相泥巖和煤系源巖兩類烴源巖,湖相泥巖主要發(fā)育在上三疊統(tǒng)黃山街組和中侏羅統(tǒng)恰克馬克組;煤系源巖則主要集中分布在上三疊統(tǒng)塔里奇克組、中侏羅統(tǒng)克孜勒努爾組和下侏羅統(tǒng)陽霞組;侏羅和三疊系兩套烴源巖的干酪根屬Ⅲ型(H/C原子比大部分小于1),其中恰克馬克組大部分湖相泥巖干酪根屬Ⅱ1型和 Ⅱ2型(H/C原子比 =1-1.45);它們是庫車坳陷油氣的主要來源[2]。

庫車坳陷油氣藏成環(huán)帶狀分布,坳陷內(nèi)部為氣藏,包括大北1、大北2、克拉1、克拉2等構(gòu)造;外圍為凝析氣藏,包括羊塔克、玉東2等構(gòu)造,坳陷內(nèi)部與外緣天然氣地球化學(xué)特征并不完全相同[3]。本文將通過對大北-克拉蘇構(gòu)造和前緣隆起帶上產(chǎn)出天然氣的地球化學(xué)特征的研究,揭示該坳陷天然氣的成因和分布規(guī)律,從而為下一步的天然氣勘探提供有用的地球化學(xué)信息。

2 天然氣地球化學(xué)特征

2.1 天然氣的化學(xué)組成特征

庫車坳陷天然氣主要由烴類(C1-C5)氣體及CO2、N2等非烴氣體組成?？傮w來看,庫車坳陷天然氣化學(xué)組成特征是相似的,組分中烴類氣體含量多大于95%,平均含量96.8%,占絕對優(yōu)勢;非烴氣體則由CO2和N2組成,含量大多低于5%。然而不同構(gòu)造帶上產(chǎn)出天然氣的化學(xué)組成并不是完全相同的,還存在一定差異。大北-克拉蘇構(gòu)造帶上產(chǎn)出天然氣中烴類氣體含量一般高于98%,而前緣隆起帶上天然氣烴類含量則低于98%,前者烴類含量明顯高于后者;非烴氣體含量則相反。這可能與天然氣的成熟度以及運(yùn)移成藏歷史有關(guān)。

就庫車坳陷天然氣而言,不同構(gòu)造單元上的天然氣干燥系數(shù)并不相同。干燥系數(shù)大于0.95的樣品主要分布在大北-克拉蘇構(gòu)造帶上,部分甚至高至0.99以上,屬典型干氣;該構(gòu)造帶上干燥系數(shù)小于0.95的樣品主要集中在大宛齊構(gòu)造單元淺部(圖2),這與天然氣的運(yùn)移成藏密切相關(guān)。油氣運(yùn)移發(fā)生在油氣藏形成及破壞的全過程中,起著承前啟后的重要紐帶作用[4],且天然氣天然氣運(yùn)移成藏是一種動平衡過程,天然氣不斷的運(yùn)移至儲集層并在儲集層內(nèi)或儲集層之間重新分配,又經(jīng)過上覆蓋層不斷散失[5],只有當(dāng)聚集量大于散失量時,才易形成氣藏。然而天然氣中烷烴氣散失速率并不相同,呈現(xiàn)甲烷>乙烷>丙烷>丁烷的規(guī)律。由于甲烷散失速率最快,且干燥系數(shù)計(jì)算公式為C1/(C1-C5),所以隨運(yùn)移距離增加,天然氣干燥系數(shù)不斷降低,這是大宛齊淺部天然氣干燥系數(shù)小于0.95的原因。

圖1 庫車坳陷構(gòu)造單元與油氣田分布

圖2 庫車坳陷大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣干燥系數(shù)

前緣隆起帶產(chǎn)出天然氣干燥系數(shù)比大北-克拉蘇明顯偏低(圖3),分布范圍為0.70～0.95,呈現(xiàn)出濕氣的特征,這與該地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)的成熟度是相關(guān)的。隨著有機(jī)質(zhì)熱演化程度的升高,有機(jī)質(zhì)不斷向油氣轉(zhuǎn)化,所生成的油氣成熟度不斷升高;隨油氣藏距離油源區(qū)的距離的增加,油氣藏中天然氣成熟度不斷減小,同時天然氣干燥系數(shù)隨之降低。這與其所處的構(gòu)造位置相符:大北-克拉蘇構(gòu)造帶處于庫車坳陷內(nèi)部,而前緣隆起帶則位于坳陷的外圍。

圖3 庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣干燥系數(shù)

庫車坳陷不同構(gòu)造帶產(chǎn)出天然氣烴類氣化學(xué)組成特征有顯著差異。這種差異的產(chǎn)生與不同構(gòu)造帶產(chǎn)出天然氣聚集成藏歷史不同是密不可分的。庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣干燥系數(shù)差異同時反映出該構(gòu)造帶上天然氣形成于有機(jī)質(zhì)不同演化階段,具有不同成熟度。

2.2 天然氣碳同位素特征

氣態(tài)烴碳同位素組成特征是進(jìn)行天然氣類型劃分、氣-氣對比及氣源判識的非常有效的地球化學(xué)指標(biāo)[6]。國內(nèi)許多學(xué)者提出用δ13C1辨識天然氣成氣作用和有機(jī)質(zhì)演化階段,用δ13C2判識天然氣源巖有機(jī)質(zhì)類型。

庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣烴類碳同位素值總體出現(xiàn)隨碳數(shù)增加而增加的趨勢,然而也存在一定差異。由表1可知,大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣烷烴碳同位素組成比前緣隆起帶烷烴碳同位素組成偏重,特別是甲烷碳同位素值:大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣甲烷碳同位素均高于-33‰;而前緣隆起帶天然氣甲、同位素組成則低于-33‰,這可能與其成熟度有關(guān)。

表1 庫車坳陷不同構(gòu)造單元天然氣δ13C組成及相關(guān)參數(shù)

庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣δ13C1、δ13C2和δ13C3存在一定的相關(guān)性,一般隨著δ13C1值變重,δ13C2和δ13C3也變重,反映了烷烴之間具有一定的同源性[7]。如圖4我們利用δ13C1-δ13C2和δ13C2-δ13C3關(guān)系可將庫車坳陷大北-克拉蘇構(gòu)造帶和前緣隆起帶天然氣烷烴碳同位素分為2個區(qū)域,即 A區(qū)烷烴氣碳同位素組成為δ13C1<δ13C2<δ13C3,B區(qū)烷烴氣碳同位素組成為δ13C1<δ13C2>δ13C3。A區(qū)烷烴氣碳同位素組成表現(xiàn)為正碳同位素系列特征,說明這些烷烴氣為原生型有機(jī)成因氣。而B區(qū)烷烴碳同位素組成則出現(xiàn)部分倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,造成碳同位倒轉(zhuǎn)原因主要是同型不同源或同源不同期的天然氣的混合。

2.3 天然氣成熟度

圖4 不同構(gòu)造帶δ13C2-δ13C3和δ13C1-δ13C2關(guān)系

天然氣成熟度評價是天然氣藏氣源對比和成因研究的基礎(chǔ)。確定天然氣成熟度常用的方法有兩種,一種是δ13C1(或δ13C2)-Ro經(jīng)驗(yàn)公式[8-10],另一種是根據(jù)典型烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立起來的δ13C1-Ro關(guān)系式[11],兩種方法理論依據(jù)都是天然氣碳同位素特征主要受母質(zhì)類型與成熟度的影響。

近年來國內(nèi)外許多專家對天然氣中甲烷碳同位素值的變化和有機(jī)質(zhì)熱演化程度關(guān)系進(jìn)行了深入的研究并建立了十多種天然氣碳同位素(δ13C)和鏡質(zhì)組反射率(Ro)的關(guān)系式。在我國,廣泛采用Stahl等、戴金星等和徐永昌等的煤成氣δ13C1-Ro經(jīng)驗(yàn)公式。然而采用不同的關(guān)系式所得結(jié)果差別很大。

對氣源條件單一的含油氣盆地,第一種的應(yīng)用效果較好,而對于氣源條件復(fù)雜的疊合盆地,這種方法所確定的天然氣成熟度結(jié)果差別較大,方法的局限性無可否認(rèn)。取其中克拉蘇氣田天然氣組分碳同位素為例,按Stahl等[8]的煤成氣δ13C1-Ro公式計(jì)算,其鏡質(zhì)組反射率為1.0%～2.1%;按戴金星等[8]煤成氣δ13C1-Ro公式計(jì)算,其鏡質(zhì)組反射率1.6%～4.5%,克拉蘇氣田天然氣成熟度計(jì)算結(jié)果說明,根據(jù)現(xiàn)有的δ13C1-Ro關(guān)系式確定天然氣成熟度確實(shí)存在不少問題,并不適合于庫車坳陷天然氣。

那么典型烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果又如何呢?我們選用包建平等人[12]根據(jù)典型烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)建立的δ13C1-Ro關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。

泥巖 :δ13C=16.579lnRo-38.993,相關(guān)系數(shù)R2=0.9742,Ro>1.00%

煤巖 :δ13C=13.604lnRo-37.993,相關(guān)系數(shù)R2=0.9772,Ro>1.00%

計(jì)算結(jié)果顯示,同一天然氣樣品計(jì)算得到的 Ro值差別很小,都能較好的反應(yīng)天然氣的成熟度,且大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣成熟度較高。

大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣鏡質(zhì)組反射率 Ro值為1.62%～2.5%,處于過成熟階段;前緣隆起帶Ro值為1.0%～1.5%,處于成熟-高成熟階段。

3 天然氣成因類型劃分

根據(jù)氣源巖類型我們可以把天然氣劃分為以腐泥型母質(zhì)為主的油型氣和以腐殖型母質(zhì)為主的煤成氣。由于天然氣的乙烷碳同位素對源巖有機(jī)質(zhì)類型反應(yīng)靈敏,張士亞等人提出用δ13C2=-29‰作為劃分腐泥型天然氣和腐殖型天然氣的標(biāo)準(zhǔn),δ13C2輕于-29‰劃分為腐泥型氣,相反則為腐殖型氣[5]。大北-克拉蘇構(gòu)造帶與前緣隆起帶乙烷碳同位素值分別為>-22‰和>-25‰,所以,均為典型煤成氣。

4 結(jié)論

(1)通過統(tǒng)計(jì)分析庫車坳陷不同構(gòu)造帶天然氣樣品得出:大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣烴類氣含量高達(dá)98%,占絕對優(yōu)勢,干燥系數(shù)大于0.95,屬典型干氣;而前緣隆起帶天然氣含量相對較低,烴類氣含量低于98%,干燥系數(shù)分布范圍0.7～0.95,屬濕氣。

(2)天然氣碳同位素組成:大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣烴類碳同位素組成偏重,甲烷碳同位素值高于-33‰,乙烷碳同位素值處于-22‰～-26‰之間;而前緣隆起帶天然氣烴類碳同位素組成偏輕,甲烷碳同位素值低于-33‰,乙烷碳同位素值處于-21‰～-26‰之間。均屬典型腐殖型天然氣。

(3)成熟度分析:大北-克拉蘇構(gòu)造帶天然氣屬過成熟天然氣,其源巖鏡質(zhì)組反射率 Ro值為1.62%～2.5%;前緣隆起帶 Ro值為1.0%～1.5%,處于成熟-高成熟階段。

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TE112.113

A

1673-8217(2011)02-0009-04

2010-10-18;改回日期:2010-12-10

周霞,1983年生,長江大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事天然氣地質(zhì)及地球化學(xué)研究

國家“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題(2001BA605A02-03-02-04)。

編輯:吳官生