川西坳陷孝泉—新場地區(qū)天然氣成因類型與運移

謝丹 王鵬 張文凱 羅乃菲 周瑤 李延飛

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059）

川西坳陷孝泉—新場地區(qū)天然氣成因類型與運移

謝丹 王鵬 張文凱 羅乃菲 周瑤 李延飛

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059）

以孝泉—新場地區(qū)天然氣組分、碳同位素及輕烴等地球化學(xué)資料為基礎(chǔ)，對該區(qū)天然氣的成因類型及運移特征進行了分析。結(jié)果表明，研究區(qū)天然氣以烴類氣體為主，天然氣中甲烷含量平均值高于94%，以干氣為主。碳同位素資料證實研究區(qū)天然氣主要為熱成因氣，且以煤型氣為主。同時，天然氣碳同位素與組分資料都證實了須二段存在少量的油型氣，這部分油型氣主要來自須二段早期的石油裂解。研究區(qū)上三疊統(tǒng)須二段、須四段天然氣甲烷與乙烷含量的差異，主要體現(xiàn)了熱成熟作用對天然氣組分的影響，侏羅系天然氣甲烷與乙烷含量差異，則體現(xiàn)了天然氣自中侏羅統(tǒng)向上侏羅統(tǒng)的垂向運移特征。研究區(qū)上三疊統(tǒng)須二段、須四段及中侏羅統(tǒng)天然氣存在水溶相與游離相兩種運移相態(tài)，中侏羅統(tǒng)天然氣的水溶相強于須二段與須四段，上侏羅統(tǒng)天然氣則以游離相運移為主。

孝泉—新場地區(qū) 天然氣成因 運移相態(tài) 碳同位素 輕烴

0 引言

川西坳陷位于四川盆地西部，大地構(gòu)造位置處于龍門山造山帶以東、揚子地塊西北緣，走向北東，總面積約3.1×104km2［1］。川西坳陷目前鉆揭的層位主要是上三疊統(tǒng)須家河組、侏羅系及白堊系等地層，其中須家河組是該區(qū)主要的烴源巖發(fā)育層位，烴源巖厚度大、有機質(zhì)豐度高。上三疊統(tǒng)須二段、須四段、中侏羅統(tǒng)沙溪廟組、上侏羅統(tǒng)遂寧組及蓬萊鎮(zhèn)組是該區(qū)主要的儲集層與產(chǎn)層，氣源分析顯示這些產(chǎn)層中的天然氣主要來自上三疊統(tǒng)須家河組烴源巖［2］。川西坳陷具有良好的生、儲條件，同時封蓋條件也較好，這使得該區(qū)油氣得以有效地聚集與成藏，造就了該區(qū)豐富的油氣資源。筆者以孝泉—新場地區(qū)天然氣組分、碳同位素、輕烴等地球化學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對該區(qū)天然氣成因類型與運移特征進行探討。

表1 孝泉—新場地區(qū)天然氣組分統(tǒng)計表

1 天然氣基本特征

對孝泉—新場地區(qū)天然氣組分特征進行了統(tǒng)計（表1），從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，研究區(qū)天然氣以烴類氣體為主，烴類氣中甲烷占絕對優(yōu)勢。天然氣甲烷

含量大于85%，甲烷的平均含量大于94%，重?zé)N含量相對較低，平均值小于4.2%。天然氣干燥系數(shù)較大，除須四段天然氣干燥系數(shù)平均值為0.94外，其他產(chǎn)層天然氣干燥系數(shù)均大于等于0.95，說明研究區(qū)天然氣以干氣為主。從表1中還可以發(fā)現(xiàn)，埋深最深的須二段與埋深最淺的上侏羅統(tǒng)有最高的甲烷含量、最大的重?zé)N含量、最大的干燥系數(shù)。

2 天然氣成因類型

2.1 碳同位素特征

張義綱等根據(jù)δ13C1與δ13C2-1建立了天然氣成因類型的X判別圖（圖1），該圖被國內(nèi)學(xué)者廣泛應(yīng)用［3］。將研究區(qū)數(shù)據(jù)投于該圖上，可以看出研究區(qū)各產(chǎn)層天然氣都落在了熱成因氣區(qū)域內(nèi)，沒有生物成因氣與混合氣。這說明研究區(qū)天然氣成因類型單一，為有機熱成因氣，來自有機質(zhì)的熱成熟作用過程。

圖1 孝泉—新場地區(qū)天然氣δ13C1與δ13C2-1關(guān)系圖

根據(jù)氣源母質(zhì)差異，熱成因氣可進一步分為油型氣與煤型氣。油型氣主要來自腐泥型（Ⅰ、Ⅱ1）有機質(zhì)，煤型氣主要來自腐殖型（Ⅱ2、Ⅲ）有機質(zhì)。不同的有機質(zhì)其碳同位素具有一定的差異，而乙烷對母質(zhì)的碳同位素的繼承性明顯優(yōu)于其他烷烴，所以乙烷碳同位素成為了油型氣與煤型氣劃分的常用地球化學(xué)指標［4-5］。通常以δ13C2大于-28‰為分界點，可將天然氣劃分為煤型氣和油型氣，即δ13C2大于-28‰為煤型氣，δ13C2小于-28‰為油型氣。從研究區(qū)天然氣乙烷碳同位素分布特征來看（圖2），研究區(qū)天然氣δ13C2值普遍大于-28‰，說明研究區(qū)天然氣主要為煤型氣。僅少量須二段天然氣δ13C2小于-28‰，表現(xiàn)為油型氣的特征，說明研究區(qū)須二段存在少量的油型氣。據(jù)前人研究［6］，研究區(qū)須二段中曾經(jīng)存在過石油，而如今須二段中均為天然氣，所以不難推測須二段中這部分少量的油型氣可能主要與早期須二段中存在的石油后期裂解有關(guān)。

圖2 孝泉—新場地區(qū)天然氣δ13C2與δ13C2-1關(guān)系圖

2.2 組分特征

實驗研究證實，不同成因的天然氣，其組分特征存在不同的變化規(guī)律［7］：干酪根裂解氣，C1/C2值變化較大，C2/C3變化相對較小甚至沒有變化；油裂解氣，C2/C3值變化相對較大，C1/C2值變化相對較小。該實驗結(jié)果在國內(nèi)外很多油氣田已被證實，并廣泛用來識別天然氣是否為油裂解氣，已取得了較好的效果。

筆者也借此實驗結(jié)果來判斷研究區(qū)是否存在油型氣。為了更好地反映研究區(qū)天然氣的成因類型特征，研究中引入了部分川東下三疊統(tǒng)油裂解天然氣樣品作對比。從研究區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組與川東地區(qū)下三疊統(tǒng)天然氣組分特征來看（圖3），兩地區(qū)天然氣組分變化特征明顯不同。研究區(qū)天然氣組分特征主要表現(xiàn)為C1/C2值變化較大、C2/C3值基本不變，符合干酪根裂解氣的特征。研究區(qū)上三疊統(tǒng)烴源巖以煤系烴源巖為主，煤系烴源巖干酪根裂解氣，顯然為典型的煤型氣。在天然氣組分圖中（圖3），川東地區(qū)下三疊統(tǒng)樣品總體表現(xiàn)為C2/C3值變化較大、C1/C2值變化相對較小，與其油型氣的特征相符。同時可以看到，研究區(qū)部分須二段樣品與川東地區(qū)下三疊統(tǒng)油型氣樣品組分特征變化較為相似（圖3），這說明研究區(qū)須二段也存在部分原油裂解成因的油型氣。所以，組分特征也進一步證實了該區(qū)油型氣的存在，且它們來自石油的高溫裂解。

圖3 川西坳陷天然氣ln（C1/C2）與ln（C2/C3）關(guān)系圖

3 天然氣運移

3.1 天然氣運移方向

對孝泉—新場地區(qū)天然氣組分含量特征分析發(fā)現(xiàn)（表1、圖4），埋深最大的須二段與埋深最淺的上侏羅統(tǒng)具有最高的甲烷含量與最低的重?zé)N含量，而埋深介于二者之間的須四段與中侏羅統(tǒng)甲烷含量小于二者、重?zé)N含量高于二者。從甲烷、乙烷隨深度變化特征來看，須家河組天然氣中甲烷含量隨深度增加而增加（T3x2＞T3x4），乙烷含量隨深度增加而降低（T3x2＜T3x4）；侏羅系天然氣中甲烷含量隨深度變淺而增加（J3＞J2），乙烷含量隨深度變淺而降低（J3＜J2）。

圖4 孝泉—新場地區(qū)甲烷、乙烷隨深度變化圖

天然氣組分特征主要受天然氣母質(zhì)類型、母質(zhì)成熟度與天然氣運移過程中的組分分離作用及生物氧化作用控制。研究區(qū)須家河組須二段、須四段天然氣主要來自臨近的須家河組烴源巖［8］，且研究區(qū)須家河組烴源巖以煤系烴源巖為主，因此天然氣運移距離相對較短、天然氣母質(zhì)類型較為一致，天然氣母質(zhì)類型與運移過程不是造成須二段與須四段天然氣組分差異的主要原因。研究區(qū)須二段與須四段氣層埋深較大，遭受生物氧化的可能性不大，生物氧化作用也不可能是造成須二段與須四段組分差異的重要原因。須二段與須四段埋深差異較大，埋深更大的須二段熱成熟作用更大，因此天然氣的甲烷含量更高，重?zé)N含量更低。所以，研究區(qū)須家河組天然氣組分差異，主要體現(xiàn)了地層受到熱成熟作用的差異。

研究區(qū)侏羅系天然氣主要來自下伏須五段烴源巖，部分來自須四段烴源巖［2］577，天然氣的母質(zhì)類型與成熟度較為一致。因此，天然氣母質(zhì)不是造成該區(qū)侏羅系天然氣組分差異的主要原因。研究區(qū)也未曾有過侏羅系天然氣遭受細菌氧化作用的報道，因此細菌氧化作用也不是造成侏羅系天然氣組分差異的原因。排除上述原因，不難看出天然氣運移作用可能是導(dǎo)致該區(qū)侏羅系天然氣組分差異的主要原因。

甲烷作為天然氣中最常見、含量最高的烴類組分，分子量相對較低、分子極性相對較小，地層對其吸附作用相對較弱。因此，在運移過程中，甲烷的相對含量會不斷增加，重?zé)N則正好相反。而研究區(qū)侏羅系天然氣縱向上也表現(xiàn)為甲烷含量增加、重?zé)N含量降低的趨勢（圖4），與天然氣運移過程中的組分分離規(guī)律一致。因此，研究區(qū)侏羅系天然氣組分差異主要體現(xiàn)了天然氣的垂向向上運移特征。

3.2 天然氣運移相態(tài)

天然氣運移過程中可能存在多種的運移相態(tài)，在不同相態(tài)的運移過程中，由于受到的物理化學(xué)作用不同，可能使得天然氣中部分組分發(fā)生明顯變化，根據(jù)這些組分的變化可以來判斷天然氣的運移相態(tài)。在游離相運移過程中，分子的極性是造成天然氣烴類組分含量差異的主要內(nèi)因，而地質(zhì)色層效應(yīng)是控制天然氣烴類組分含量的主要外因。在地質(zhì)色層效應(yīng)下，極性強的分子在運移過程中不斷被地層吸附，其含量不斷降低，而極性相對較弱的組分則隨天然氣的運移逐漸富集起來，相對含量不斷增加［9-10］。通常芳香烴的極性大于烷烴，所以在天然氣游離相運移過程中芳烴含量會逐漸降低，而烷烴含量會逐漸增加。天然氣以水溶相運移時，輕烴組分在水中的溶解度差異是決定其變化特征的重要因素，沿著運移方向，溶解度小的組分先脫溶，溶解度大的組分后脫溶。相同條件下，同碳數(shù)的芳烴溶解度明顯高于烷烴，沿運移路徑前方，芳烴/烷烴

值呈增加趨勢［11］。所以，根據(jù)研究區(qū)天然氣苯/正己烷和苯/環(huán)己烷與深度關(guān)系變化圖（圖5）可以對本區(qū)天然氣運移相態(tài)進行判別。

圖5 孝泉—新場地區(qū)天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷隨深度變化圖

從圖5中可以看出，研究區(qū)T3x2和T3x4層位天然氣苯/正己烷和苯/環(huán)己烷都有一定的分布范圍，苯/正己烷和苯/環(huán)己烷變化較大，說明這兩個層位天然氣同時存在水溶相和游離相運移。J2層位中天然氣苯/正己烷和苯/環(huán)己烷變化范圍最大，苯/正己烷和苯/環(huán)己烷最大值也出現(xiàn)在該層位，說明該層位同時存在水溶相和游離相天然氣運移特征，并且水溶相運移特征加強。J3層位天然氣的苯/正己烷和苯/環(huán)己烷值分布相對集中，而且遠小于下伏其他層位，體現(xiàn)出J3層位天然氣游離相運移為主的特征。所以，研究區(qū)天然氣運移相態(tài)特征為：從T3x2到J2層位，天然氣存在水溶相和游離相兩種運移相態(tài)，中侏羅統(tǒng)的水溶相明顯強于須二段與須四段；J3層位天然氣以游離相運移為主。

4 結(jié)論

1）孝泉—新場地區(qū)天然氣以干氣為主。天然氣的成因類型為熱成因氣，且以煤型氣為主。同時須二段存在少量的油型氣，這部分油型氣主要來自須二段早期存在的石油裂解。

2）孝泉—新場地區(qū)上三疊統(tǒng)須二段與須四段天然氣中甲烷、乙烷的差異，主要體現(xiàn)了熱成熟作用的差異，而中侏羅統(tǒng)與上侏羅統(tǒng)天然氣甲烷、乙烷的差異則主要反映了天然氣的垂向向上運移過程。

3）根據(jù)苯/正己烷和苯/環(huán)己烷差異判別了研究區(qū)天然氣的運移相態(tài)：從T3x2到J2層位，天然氣存在水溶相和游離相兩種運移相態(tài)；而J3層位天然氣以游離相運移為主。

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（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2014）06-0016-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2014.06.005

修訂回稿日期：2014-11-04

國家自然科學(xué)基金（編號：41172119）資助。

謝丹（1988-），女，碩士研究生，研究方向為油氣藏地質(zhì)學(xué)與成藏動力學(xué)。E-mail：261207523@qq.com。