川中地區(qū)侏羅系天然氣成因類型及氣源

王 鵬, 沈忠民, 劉四兵, 朱 童

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

川中地區(qū)侏羅系天然氣成因類型及氣源

王 鵬, 沈忠民, 劉四兵, 朱 童

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

針對川中地區(qū)侏羅系天然氣成因類型及氣源的認(rèn)識存在不同的觀點，作者綜合天然氣組分特征、碳同位素特征、輕烴特征對該問題進(jìn)行了探討。組分分析結(jié)果表明，侏羅系天然氣主要為干酪根裂解氣；碳同位素分析結(jié)果表明，侏羅系天然氣主要為油型氣，部分為煤型氣；輕烴分析結(jié)果表明，侏羅系天然氣以油型氣為主。綜合上述成因類型分析結(jié)果認(rèn)為：川中地區(qū)侏羅系天然氣以干酪根裂解成因油型氣為主，同時存在少量的煤型氣。川中地區(qū)侏羅系油型氣來自侏羅系烴源巖，煤型氣來自上三疊統(tǒng)烴源巖。

川中地區(qū)；侏羅系；成因類型；氣源；碳同位素；輕烴

川中地區(qū)位于四川盆地中部，西以龍泉山為界，東以華鎣山為界，北抵平昌、儀隴，南至資中-大足一線，構(gòu)造上屬于川中平緩褶皺區(qū)，面積約5.3×104km2[1,2]。川中地區(qū)侏羅系自下而上發(fā)育了下侏羅統(tǒng)自流井組，中侏羅統(tǒng)涼高山組、沙溪廟組，上侏羅統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組，主要為湖泊、三角洲相沉積[3]。其中，下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段與中侏羅統(tǒng)涼高山組湖相暗色泥巖及碳酸鹽巖是川中地區(qū)主要的烴源巖，烴源巖平均厚度45 m左右，有機質(zhì)豐度高(有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以>10%為主)，類型好(以腐泥型為主)，成熟度中等(主要處于成熟階段)，烴源巖具有良好的生油氣條件及能力[1,4,5]。良好的生油氣能力造就了川中地區(qū)中、下侏羅統(tǒng)多套油層及氣層發(fā)育，使得川中侏羅系成為四川盆地唯一的產(chǎn)油層系、川中地區(qū)成為四川盆地唯一的油氣同產(chǎn)地區(qū)。

川中地區(qū)油氣資源豐富，對該區(qū)侏羅系石油及侏羅系以下地層中天然氣的相關(guān)研究已有較多報道[1-3,5-7]，而對侏羅系天然氣的研究相對薄弱[4,5,8]。天然氣成因及氣源分析作為天然氣研究的重要內(nèi)容，對評價一個地區(qū)天然氣資源量及指導(dǎo)天然氣勘探都有著重要的意義[9]。而前人對川中地區(qū)侏羅系天然氣成因類型及氣源研究相對較少，且認(rèn)識上也存在一定差異[4,6,8]，因此有必要進(jìn)行深入研究，對這些問題再認(rèn)識。本文根據(jù)川中地區(qū)侏羅系天然氣中的組分、碳同位素、輕烴等地球化學(xué)特征，對天然氣成因類型進(jìn)行分析，探討天然氣來源。

1 氣藏基本特征

川中地區(qū)已發(fā)現(xiàn)了八角場、龍女寺、南充、廣安等與侏羅系天然氣有關(guān)的油氣田(藏)[8]。這些油氣藏有著良好的成藏條件[4,5,8]：侏羅系發(fā)育的烴源巖是這些氣藏的重要物質(zhì)來源，同時存在部分?jǐn)鄬訙贤ㄏ路毤液咏M氣藏；儲集體大面積分布，儲蓋組合優(yōu)越，蓋層封蓋能力較好；圈閉類型多樣，且與油氣生成時間匹配較好。從川中地區(qū)侏羅系油氣藏中天然氣組分特征來看(表1)，天然氣以烴類氣體為主，烴類氣體中又以甲烷、乙烷、丙烷占絕對優(yōu)勢。天然氣中甲烷的平均體積分?jǐn)?shù)(φ)為85%左右，乙烷的平均體積分?jǐn)?shù)為7.4%左右，天然氣中重?zé)N含量相對較高。侏羅系天然氣干燥系數(shù)平均值均為0.88，以濕氣為主。侏羅系天然氣不含H2S，為陸相成因氣。對比川中地區(qū)中、下侏羅統(tǒng)天然氣組分特征參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中、下侏羅統(tǒng)甲烷含量、乙烷含量、總烴含量、干燥系數(shù)等參數(shù)均較為相似，表明中、下侏羅統(tǒng)天然氣可能有相同的氣源。

表1 侏羅系天然氣組分特征

2 天然氣成因類型

2.1 組分與天然氣成因類型

實驗?zāi)M干酪根裂解氣與油裂解氣發(fā)現(xiàn)不同成因天然氣烷烴組分有明顯的差異[10]：干酪根裂解氣C2/C3值變化較小，C1/C2值逐漸增大；油裂解氣C2/C3值變化較大，C1/C2變化較小。從川中地區(qū)侏羅系天然氣C2/C3值與C1/C2值關(guān)系圖來看(圖1)，侏羅系天然氣C2/C3值變化相對較小，C1/C2值逐漸增大，表現(xiàn)出干酪根裂解氣的特征。這說明川中地區(qū)中、下侏羅統(tǒng)石油對侏羅系天然氣來源沒有貢獻(xiàn)，其原因可能主要是侏羅系埋藏較淺，儲層中的石油還未達(dá)到裂解成氣的階段。從川東地區(qū)下三疊統(tǒng)油裂解氣烷烴含量變化特征來看(圖1)，C1/C2值變化較小，C2/C3值變化較大，表現(xiàn)出典型的油裂解氣的特征。對比川東地區(qū)油裂解氣C1/C2值與C2/C3值變化特征，研究區(qū)侏羅系天然氣干酪根裂解氣的特征更為明顯。

圖1 天然氣ln[C1/C2]與ln[C2/C3]關(guān)系圖

2.2 碳同位素與天然氣成因類型

川中地區(qū)侏羅系天然氣碳同位素特征，總體表現(xiàn)為δ13C1<δ13C2<δ13C3的正常系列分布特征[4]，肯定了研究區(qū)天然氣的有機成因。從侏羅系天然氣δ13C1和C1/(C2+C3)關(guān)系圖來看(圖2)，以熱成因氣為主，不存在生物成因氣。從天然氣母質(zhì)來源看，川中地區(qū)上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣整體分布在Ⅱ型與Ⅲ型干酪根熱成因氣區(qū)域內(nèi)，相對而言上三疊統(tǒng)天然氣更靠近Ⅲ型干酪根熱成因氣，表明其主要為煤型氣；而侏羅系天然氣更靠近Ⅱ型干酪根熱成因氣，表明其可能主要為油型氣；同時，侏羅系部分天然氣落在了Ⅲ型干酪熱成因氣區(qū)間內(nèi)，表明部分侏羅系天然氣為煤型氣。

圖2 天然氣成因分類

不同母質(zhì)類型的干酪根具有不同的碳同位素值，而干酪根中的碳同位素又能較好地傳遞給它們生成的烷烴氣，從而使得不同母質(zhì)來源天然氣中烷烴氣碳同位素具有一定的差異[11]。天然氣主要烷烴氣中，又以乙烷對母質(zhì)碳同位素的繼承性最好，剛文哲等[12]通過實驗?zāi)M證實了該結(jié)論。乙烷碳同位素對母質(zhì)良好的繼承性，使其成為天然氣成因類型劃分的重要指標(biāo)。但是，對于利用乙烷碳同位素區(qū)分煤型氣與油型氣的界限值，不同的學(xué)者有不同的觀點[11-13]。然而，不同界限值差異較小，因此本文采用較常用的界限值[13](油型氣δ13C2值<-28‰，煤型氣δ13C2值>-28‰)來判別研究區(qū)天然氣的成因類型。從川中地區(qū)上三疊統(tǒng)與中、下侏羅統(tǒng)天然氣δ13C2與δ13C2-1關(guān)系圖來看(圖3)，以δ13C2=-28‰能較好地將上三疊統(tǒng)與中、下侏羅統(tǒng)天然氣成因類型進(jìn)行區(qū)分：上三疊統(tǒng)天然氣都分布在δ13C2值>-28‰的區(qū)域內(nèi)，天然氣成因類型為煤型氣；中、下侏羅統(tǒng)天然氣則主要分布在δ13C2值<-28‰的區(qū)域內(nèi)，天然氣成因類型為油型氣；部分中、下侏羅統(tǒng)天然氣樣品與上三疊統(tǒng)天然氣有較為相似的δ13C2與δ13C2-1值，落在了δ13C2值>-28‰的區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出煤型氣的特征。因此，川中地區(qū)中、下侏羅統(tǒng)天然氣以油型氣為主，部分為煤型氣。

圖3 天然氣δ13C2-1與δ13C2值關(guān)系圖

天然氣中甲烷的碳同位素較其他烷烴氣具有更好的熱成熟繼承性，且甲烷碳同位素值隨熱成熟作用增加而增大，很多學(xué)者提出了它們之間的關(guān)系式(δ13C1-Ro)[11,14,15]，這些關(guān)系式常被用來估算天然氣的成熟度、追蹤天然氣的來源。同時，由于來自相同成熟度的不同母質(zhì)類型的天然氣(油型氣、煤型氣)甲烷碳同位素值明顯不同，因此它們存在不同的δ13C1-Ro關(guān)系式。若利用煤型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算油型氣成熟度值或用油型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算煤型氣成熟度值，計算結(jié)果往往都會與天然氣實際成熟度值存在較大差異，甚至不符合有機生烴理論[11]。所以，對于不能判別是否為油型氣或煤型氣的天然氣，可以將其甲烷碳同位素值分別帶入油型氣與煤型氣δ13C1-Ro關(guān)系式，計算天然氣成熟度值，結(jié)合實際天然氣成熟度值，間接判別天然氣成因類型。作者分別根據(jù)Stahl(1975)[14]、Faber(1987)[15]、戴金星(1993)[11]的煤型氣與油型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算了川中地區(qū)侏羅系天然氣成熟度值(表2)，煤型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算的成熟度(Ro)值分布范圍分別為：0.06%～0.19%、0.05%～0.17%、0.17%～0.55%，顯然這些結(jié)果與侏羅系熱成因天然氣不符。不同油型氣δ13C1-Ro關(guān)系式獲得的天然氣成熟度值的分布范圍與平均值較為一致，天然氣熱演化程度分布在成熟與高成熟之間，以成熟階段為主(表2)，與前人采用其他方法得到的研究區(qū)天然氣成熟度特征一致[4,5]。這說明用油型氣δ13C1-Ro關(guān)系計算侏羅系天然氣成熟度值是可靠的，同時也說明了侏羅系天然氣成因類型為油型氣。

2.3 輕烴與天然氣成因類型

煤型氣主要來自富含芳香族結(jié)構(gòu)的Ⅲ、Ⅱ2型干酪根，油型氣主要來自富含脂肪族結(jié)構(gòu)的Ⅰ、Ⅱ1型干酪根，所以煤型氣更富集芳香族組成，油型氣更富脂肪族組成[10]。Thompson[16]根據(jù)母質(zhì)類型的差異回歸出了脂肪族與芳香族演化曲線，油型氣主要分布在脂肪族曲線附近，煤型氣則主要分布在芳香族曲線附近。從川中地區(qū)上三疊統(tǒng)煤型氣、川西地區(qū)下三疊統(tǒng)油型氣、川南地區(qū)上二疊統(tǒng)油型氣與川中地區(qū)侏羅系天然氣庚烷值與異庚烷值關(guān)系圖來看(圖4)，川中地區(qū)上三疊統(tǒng)天然氣分布在芳香族曲線附近，與其煤型氣成因類型相符；川中地區(qū)侏羅系天然氣與川西地區(qū)下三疊統(tǒng)油型氣、川南地區(qū)上二疊統(tǒng)油型氣均分布在脂肪族曲線附近，表明研究區(qū)侏羅系天然氣以油型氣為主。

表2 天然氣甲烷碳同位素計算成熟度值(Ro/%)

圖4 天然氣庚烷值與異庚烷值關(guān)系圖

由于不同成因天然氣K1值(圖5中橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的比值)有一定的差異，且K1值與成熟度無關(guān)，故可以利用其判識煤型氣與油型氣。從川西地區(qū)上三疊統(tǒng)至下白堊統(tǒng)與川中地區(qū)侏羅統(tǒng)系、川西地區(qū)下三疊統(tǒng)、川南地區(qū)上二疊統(tǒng)天然氣K1值分布特征來看(圖5)，川西地區(qū)T3-K天然氣K1值擬合較好，對川西天然氣成因分析已表明其主要為腐殖型干酪根成因煤型氣[6,7]。川中J、川西T1、川南P2天然氣K1值擬合關(guān)系較好，而與川西T3-K煤型氣K1值擬合曲線明顯不同，而川西T1、川南P2天然氣為油型氣[17]，所以根據(jù)川中侏羅系天然氣K1值與川西煤型氣、川西與川南油型氣K1值之間的關(guān)系，可以判斷川中侏羅系天然氣為油型氣。

圖6 天然氣C6輕烴化合物組成三角圖

在生物體中，五員環(huán)結(jié)構(gòu)(環(huán)戊烷系列的基本結(jié)構(gòu))僅見于甾類、萜類化合物、前列腺素等生長激素以及飽和、不飽和脂肪酸中，富集在腐泥型有機質(zhì)中；六員環(huán)結(jié)構(gòu)(環(huán)己烷系列的基本結(jié)構(gòu))更多地可以由木質(zhì)素和纖維素的六員含氧環(huán)演化而來，與腐殖型有機質(zhì)的關(guān)系更密切[18]，因此根據(jù)天然氣中C6輕烴組成可以判別天然氣成因類型。在C6輕烴化合物組成三角圖中(圖6)，川中地區(qū)上三疊統(tǒng)煤型氣相對靠近代表腐殖型母質(zhì)來源的環(huán)己烷端元，這與其煤型氣成因類型相符。下侏羅統(tǒng)天然氣相對遠(yuǎn)離環(huán)己烷端元，表現(xiàn)出與腐泥型有機質(zhì)更好的相關(guān)性。根據(jù)環(huán)己烷指數(shù)判識天然氣成因類型標(biāo)準(zhǔn)(圖6)[19]，侏羅系天然氣主要表現(xiàn)為腐泥型干酪根成因氣，即油型氣。

2.4 天然氣成因類型綜合分析

烷烴組分特征表明，川中地區(qū)侏羅系天然氣主要為干酪根裂解氣，肯定了其有機熱成因類型。甲烷碳同位素值與烷烴含量關(guān)系也證實了研究區(qū)天然氣為有機熱成因氣,可能主要為油型氣,部分為煤型氣。天然氣的甲烷、乙烷碳同位素證據(jù)表明，研究區(qū)侏羅系天然氣主要為油型氣，有少量的煤型氣。利用δ13C1-Ro關(guān)系式也說明了侏羅系天然氣主要為油型氣。天然氣輕烴庚烷值與異庚烷值、K1值、C6輕烴組成均表明研究區(qū)侏羅系天然氣主要為油型氣。從上述結(jié)果可看出，不同的分析方法獲得的天然氣成因類型有一定的差異，僅憑單方面分析結(jié)果難以準(zhǔn)確掌握天然氣成因類型，因此，必須綜合多種分析方法的結(jié)果才能獲得準(zhǔn)確、可靠的天然氣成因類型信息。綜合天然氣組分、碳同位素及輕烴特征分析結(jié)果，可知研究區(qū)天然氣成因類型以干酪根裂解成因油型氣為主，同時存在少量的煤型氣。

3 天然氣來源

從川中地區(qū)烴源巖發(fā)育特征來看，陸相上三疊統(tǒng)至侏羅系發(fā)育了2套烴源巖：上三疊統(tǒng)烴源巖，母質(zhì)類型為腐殖型，成烴方向主要是煤型氣；侏羅系烴源巖主要發(fā)育于中、下侏羅統(tǒng)，母質(zhì)類型以腐泥型為主，成烴方向主要是油與油型氣。因此，從烴源巖發(fā)育層位與烴源巖成烴方向來看，侏羅系油型氣主要來自侏羅系自身烴源巖，少量侏羅系煤型氣來自上三疊統(tǒng)烴源巖。同時，川中地區(qū)存在部分溝通上三疊統(tǒng)與侏羅系的斷層[5,20]，它們可能是上三疊統(tǒng)煤型氣進(jìn)入侏羅系油氣藏的主要通道。

圖7 天然氣組分特征參數(shù)平均值縱向變化特征

從川中地區(qū)三疊系與侏羅系天然氣組分特征參數(shù)(甲烷含量與干燥系數(shù))來看(圖7)，下三疊統(tǒng)、中三疊統(tǒng)、上三疊統(tǒng)及侏羅系甲烷含量與干燥系數(shù)明顯不同，下三疊統(tǒng)、中三疊統(tǒng)天然氣甲烷含量與干燥系數(shù)相對最高，而且它們的這2項組分特征參數(shù)值十分相似，表明它們可能有相似的來源，前人研究證實它們主要來自二疊系海相烴源巖[6]。上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣甲烷含量與干燥系數(shù)明顯小于下—中三疊統(tǒng)，而且上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣不含H2S，中下—中三疊統(tǒng)天然氣普遍含H2S[6,7]，這說明上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣中沒有二疊系海相烴源巖貢獻(xiàn)，它們來自比二疊系埋藏更淺的烴源巖，即上三疊統(tǒng)與侏羅系烴源巖。同時，對比上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣組分特征參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，上三疊統(tǒng)組分特征參數(shù)十分一致，說明它們有相似的來源；侏羅系組分特征參數(shù)也十分一致，說明侏羅系天然氣也有相似的來源；上三疊統(tǒng)天然氣組分特征參數(shù)明顯不同與侏羅系天然氣，說明上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣有不同的來源；侏羅系天然氣組分特征參數(shù)明顯小于上三疊統(tǒng)天然氣。因此，結(jié)合川中地區(qū)陸相烴源巖發(fā)育特征及上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣組分特征，可知上三疊統(tǒng)天然氣主要來自上三疊統(tǒng)烴源巖，侏羅系天然氣主要來自侏羅系烴源巖。

綜合上述分析，不難得出川中地區(qū)侏羅系天然氣主要來自侏羅系烴源巖，少量的煤型氣來自上三疊統(tǒng)烴源巖。

4 結(jié) 論

a.川中地區(qū)侏羅系天然氣以烷烴氣為主，重?zé)N含量相對較高，天然氣干燥系數(shù)較低，天然氣主要為濕氣。

b.組分分析表明研究區(qū)侏羅系天然氣主要為干酪根裂解氣，侏羅系石油對其天然氣來源沒有貢獻(xiàn)；碳同位素分析表明侏羅系天然氣主要為油型氣，部分為煤型氣；輕烴分析表明侏羅系天然氣為煤型氣。利用不同方法獲得的天然氣成因類型存在一定的差異。綜合不同方法分析結(jié)果，得到川中地區(qū)侏羅系天然氣成因類型主要為干酪根裂解成因油型氣，少量為煤型氣。

c.侏羅系天然氣主要來自侏羅系腐泥型烴源巖，僅少量的煤型氣來自上三疊統(tǒng)腐殖型烴源巖。

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GenetictypeandgassourceofJurassicnaturalgasincentralSichuanBasin,China

WANG Peng, SHEN Zhong-min, LIU Si-bing, ZHU Tong

StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

There are different views on the genetic type of natural gas and gas source in Jurassic of the central Sichuan Basin. This paper uses three characteristics of the natural gas, that is, the characteristics of component, carbon isotope and light hydrocarbon, to recognize these problems again. An analysis of the components shows that the natural gas in Jurassic is mainly oil-type gas from kerogen cracking; Carbon isotope analysis indicates that the natural gas in Jurassic is mainly oil-type gas, but a part of it is coal-related gas. The light hydrocarbon analysis shows that the natural gas in Jurassic is mainly oil-type gas. Based on these results, it can be concluded that the natural gas in Jurassic of the central Sichuan Basin is mainly oil-type gas from kerogen cracking and only a small amount of it is coal-related gas. The oil-type gas in Jurassic reservoir derives from the Jurassic source rocks, but the coal-related gas derives from the upper Triassic source rocks.

Sichuan Basin; Jurassic; genetic type; gas source; carbon isotope; light hydrocarbon

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.04.11

1671-9727(2013)04-0431-07

2013-01-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(41172119)

王鵬(1986-)，男，博士研究生，主要從事油氣地質(zhì)與地球化學(xué)研究，E-mail:wp2009@126.com

沈忠民(1954-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事油氣地球化學(xué)及成藏研究, E-mail:shenzhongmin@cdut.cn。

TE122.11

A