四川盆地梓潼凹陷烴源巖與天然氣地球化學(xué)特征

董 軍，王 鵬，袁東山，任青松，王順玉，李 斌

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059； 2.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041； 3.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500)

四川盆地梓潼凹陷烴源巖與天然氣地球化學(xué)特征

董 軍1,2，王 鵬1，袁東山2，任青松2，王順玉3，李 斌3

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059； 2.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041； 3.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500)

通過對四川盆地梓潼凹陷烴源巖發(fā)育特征及天然氣地球化學(xué)特征的研究，探討了該區(qū)天然氣基本特征及成因類型。研究區(qū)烴源巖主要發(fā)育于須家河組一段、三段與五段，其中須家河組三段烴源巖厚度最大。烴源巖TOC含量普遍大于1.0%，有機質(zhì)類型主要為腐殖型，有機質(zhì)成熟度以成熟、高成熟為主，并已進入大量生烴階段，生烴強度大于30×108m3/km2，良好的烴源巖條件是研究區(qū)天然氣聚集成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)干氣與濕氣同時存在，九龍山、劍門、魏城、白龍場等地區(qū)主要為干氣，而中壩、老關(guān)廟等地區(qū)主要為濕氣，文興場、柘壩場、豐谷、綿陽等地區(qū)干氣與濕氣均存在。研究區(qū)天然氣主要為熱成因煤型氣，來自該區(qū)須家河組烴源巖，僅九龍山地區(qū)為油型氣，主要來自下伏海相烴源巖。

烴源巖；地球化學(xué)特征；天然氣成因；須家河組；梓潼凹陷；四川盆地

烴源巖是油氣藏及油氣田能否形成的決定因素?？碧綄嵺`證實烴源巖的分布、有機質(zhì)豐度、類型及成熟度等因素，共同決定了含油氣盆地的生烴潛力及油氣資源量，有機質(zhì)豐度高、類型好、生烴潛力大的優(yōu)質(zhì)烴源巖對大中型油氣田的形成具有重大作用，其規(guī)模及時空展布控制著油氣田的大小及分布[1]。川西坳陷是四川盆地的一個富烴坳陷，該區(qū)上三疊統(tǒng)地質(zhì)條件復(fù)雜，勘探難度極大，區(qū)域性烴源巖評價是實現(xiàn)該區(qū)油氣勘探突破的前提[2-3]。梓潼凹陷作為川西坳陷的次級構(gòu)造單元，油氣地質(zhì)研究相對薄弱[4-6]，烴源巖及天然氣地球化學(xué)特征研究較少，僅有少量文獻對研究區(qū)局部構(gòu)造天然氣地球化學(xué)特征研究進行了報道[7]，缺乏對該區(qū)天然氣地球化學(xué)特征的系統(tǒng)認識，影響到該區(qū)油氣資源量評價與勘探部署。因此，系統(tǒng)開展研究區(qū)烴源巖與天然氣地球化學(xué)特征研究極為必要。

1 地質(zhì)背景

梓潼凹陷位于川西坳陷北部，西接龍門山前緣隱伏構(gòu)造帶北段，北至米倉山前緣，東接川中三臺—鹽亭，屬于川西北坳陷低緩構(gòu)造帶。廣義的梓潼凹陷可進一步劃分為中央凹陷區(qū)、西部陡坡區(qū)和東部緩坡區(qū)，包括白龍場、思依場、柘壩場、文興場、老關(guān)廟、魏城、豐谷鎮(zhèn)、黎雅廟、中壩、雙魚石等多個局部構(gòu)造，除雙魚石構(gòu)造外，均為含氣構(gòu)造(圖1)。研究區(qū)主要發(fā)育古生代和中生代地層，油氣主要富集在上三疊統(tǒng)與侏羅系陸相地層中。其中上三疊統(tǒng)為三角洲與湖泊相交替沉積，自下而上依次為須家河組須一段(馬鞍塘+小塘子組)、須二段、須三段、須四段、須五段，其中須一段、須三段、須五段是該區(qū)主要的烴源巖發(fā)育層段，須二段至須五段都有產(chǎn)層發(fā)育。侏羅系主要為三角洲—濱淺湖沉積，自下而上發(fā)育下侏羅統(tǒng)白田壩組(自流井組)，中侏羅統(tǒng)千佛崖組(涼高山組)、下沙溪廟組、上沙溪廟組，上侏羅統(tǒng)遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組，其中自流井組大安寨段、東岳廟段、珍珠沖段及沙溪廟組等層位已獲產(chǎn)層。

2 烴源巖特征

2.1 烴源巖發(fā)育特征

鉆探成果顯示，梓潼凹陷陸相烴源巖主要發(fā)育于上三疊統(tǒng)須家河組，自下而上主要發(fā)育了須一段、須三段、須五段3套烴源巖(圖2)。

須一段烴源巖在研究區(qū)均有發(fā)育，但厚度差異較大，以廣元—德陽一線為界可以大致分為兩類。廣元—德陽一線以西烴源巖厚度大于40 m，并且向西北方向遞增，以江油—綿竹一帶最大，烴源巖厚度普遍大于200 m，最大可達300 m。廣元—德陽一線以東烴源巖厚度普遍小于40 m?？傮w上研究區(qū)須一段烴源巖由北西向南東減薄(圖2a)。

須三段烴源巖明顯較須一段發(fā)育，烴源巖厚度以大于200 m為主，僅劍閣以北、三臺以東的局部地區(qū)厚度小于100 m。烴源巖以研究區(qū)西南部的綿竹、德陽、綿陽等地區(qū)最發(fā)育，最大厚度超過600 m?？傮w上研究區(qū)須三段烴源巖由南西向北東變薄(圖2b)。

研究區(qū)須五段烴源巖發(fā)育特征明顯有別于須三段與須一段，其分布范圍明顯較須三段與須一段小，研究區(qū)西北部的江油—廣元一線區(qū)域處于剝蝕區(qū)，不發(fā)育烴源巖。須五段烴源巖厚度明顯小于須三段，但總體上大于須一段。須五段烴源巖厚度小于300 m，相對而言什邡—德陽—三臺一線烴源巖厚度最大，普遍大于200 m，其次為綿竹—綿陽一帶，烴源巖厚度在100～200 m之間。總體上，研究區(qū)須五段烴源巖由南向北變薄(圖2c)。

圖1 四川盆地梓潼凹陷勘探程度及地理位置示意

圖2 四川盆地梓潼凹陷須家河組烴源巖發(fā)育特征

綜上所述，四川盆地梓潼凹陷須家河組烴源巖分布范圍廣，烴源巖厚度相對較大。其中須三段烴源巖厚度最大，其次為須五段，須一段烴源巖厚度最小。須家河組各段烴源巖平面分布特征、主要發(fā)育區(qū)等都存在較大的差異。

圖3 四川盆地梓潼凹陷須家河組烴源巖有機碳含量特征

2.2 有機質(zhì)豐度

對梓潼凹陷須一段、須三段、須五段436件泥頁巖樣品進行了TOC分析，結(jié)果表明須家河組烴源巖TOC主要分布在0.11%～10.2%之間，平均值為1.95%。從樣品TOC分布特征來看(圖3)，須家河組泥頁巖TOC基本上都在0.4%以上，只有極少部分樣品低于0.4%(約占樣品總數(shù)的7.88%)。須家河組泥頁巖中TOC分布在0.4%～0.6%的樣品比例為19.94%，分布在0.6%～1.0%的樣品比例為48.6%，分布在1.0%～2.0%的樣品比例為14.98%，TOC大于2.0%的樣品比例為8.6%。根據(jù)陸相烴源巖有機質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5735-1995)，研究區(qū)須家河組烴源巖以中等—好烴源巖為主，烴源巖有機質(zhì)豐度高。

2.3 有機質(zhì)類型

高等植物形成的干酪根(Ⅲ型)，一般含有較多的鏡質(zhì)體組分，鏡下具有一定的幾何形態(tài)，棱角分明；由動物、藻類及其他低等動物形成的干酪根(Ⅰ型)，腐泥組分含量高，掃描電鏡下多呈邊界不清的松軟絮片狀集合體；介于兩者之間的為混合型(Ⅱ型)干酪根，在電鏡下一般呈多種形態(tài)混雜，既有無定型顆粒，又有棱角狀顆粒并存，若無定型顆粒居多者為Ⅱ1型，棱角狀居多者為Ⅱ2型。研究區(qū)樣品掃描電鏡分析表明，普遍在干酪根中發(fā)現(xiàn)絮片狀、絮粒狀、粒絮狀集合體，個別樣品存在無定形干酪根集合體，顯示研究區(qū)烴源巖中發(fā)育有較好生烴潛力的顯微組分(圖4)。

梓潼凹陷須家河組顯微組分以腐泥組(含量為0%～58%)和鏡質(zhì)組(含量為14%～65%)為主，惰質(zhì)組含量為7%～34%，相對而言須一段較須三段和須五段更富腐泥組，而貧鏡質(zhì)組。研究區(qū)須家河組烴源巖干酪根顯微組分TI值分布在-73.75～22之間，其中須三段與須五段TI值小于0，主要為Ⅲ型干酪根，須一段TI值分布在14.25～22之間，主要為Ⅱ2型干酪根。顯然研究區(qū)烴源巖有機質(zhì)類型為腐殖型(表1)。

圖4 四川盆地梓潼凹陷須家河組烴源巖干酪根集合體形態(tài)

表1 四川盆地梓潼凹陷須家河組干酪根顯微組分

2.4 有機質(zhì)成熟度

基于研究區(qū)不同烴源巖層段35個樣品的全巖反射率測試結(jié)果分析，研究區(qū)烴源巖成熟度跨度較大。須五段烴源巖Ro主要分布在0.7%～1.5%之間，烴源巖主要處于成熟與高成熟階段；須三段烴源巖Ro主要分布在1.0%～1.8%之間，烴源巖主要處于成熟與高成熟階段；須一段烴源巖Ro主要分布在1.4%～2.4%之間，烴源巖主要處于高成熟與過成熟階段(圖5)。從研究區(qū)須家河組各段烴源巖成熟度特征來看，各段烴源巖均已進入生烴門限，且多數(shù)已達到大量生氣的階段，對研究區(qū)天然氣富集成藏較為有利。

2.5 生烴強度

烴源巖生烴強度是定量評價烴源巖的重要參數(shù)和指標(biāo)。在川西坳陷產(chǎn)烴率研究成果的基礎(chǔ)上(圖6)，結(jié)合研究區(qū)烴源巖分布及地化特征，模擬計算研究區(qū)不同層段烴源巖的生烴強度。須一段生烴強度為(2.0～50)×108m3/km2，平均生烴強度30×108m3/km2，強生烴區(qū)主要分布在江油—安縣—綿陽地區(qū)，最大生烴強度達50×108m3/km2；北部廣元—旺蒼一帶生烴強度較低，生烴強度小于10×108m3/km2。須三段生烴強度為(10～49)×108m3/km2，平均生烴強度約為26×108m3/km2，以綿陽—安縣生烴強度最大，達到30×108m3/km2以上，向北、向東減小。須五段生烴強度為(1～80)×108m3/km2，平均生烴強度45×108m3/km2，強生烴區(qū)分布在綿陽—安縣以南一帶，最大生烴強度為80×108m3/km2，往南部生烴強度明顯增高。

圖5 四川盆地梓潼凹陷須家河組烴源巖成熟度演化階段

圖6 四川盆地川西探區(qū)烴源巖產(chǎn)烴率圖版(2013)

對研究區(qū)須家河組烴源巖的總生烴強度進行了計算，結(jié)果表明烴源巖的生烴強度多大于30×108m3/km2，在江油—安縣以南一帶生烴強度最大，達到100×108m3/km2以上，存在明顯的生烴中心，是上三疊統(tǒng)最有利的富源區(qū)，具有形成大中型氣田的烴源條件(圖7)。從研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)氣田來看，中壩、新場等氣田均位于生烴中心及其周圍，顯然研究區(qū)的烴源巖對氣藏的發(fā)育具有明顯的控制作用。

3 天然氣成因分析

對梓潼凹陷九龍山、劍門、文興場、老關(guān)廟、柘壩場、白龍場、魏城鎮(zhèn)、豐谷、綿陽、中壩等地區(qū)27件須家河組天然氣樣品進行了分析。

3.1 天然氣基本特征

梓潼凹陷須家河組天然氣以烷烴氣為主，甲烷含量占絕對優(yōu)勢(普遍大于90%)，其次為重?zé)N(含量小于10%)(圖8)。非烴氣主要為二氧化碳與氮氣，二氧化碳含量小于2.5%，氮氣含量小于1%。從天然氣組分特征來看，研究區(qū)天然氣同時存在干氣與濕氣，不同地區(qū)存在較大差異：九龍山、劍門、魏城、白龍場等地區(qū)天然氣主要為干氣，而中壩、老關(guān)廟等地區(qū)天然氣主要為濕氣，文興場、拓壩場、豐谷等地區(qū)既存在干氣又存在濕氣。

圖7 四川盆地梓潼凹陷須家河組生烴強度

圖8 四川盆地梓潼凹陷天然氣C1與C2+含量關(guān)系

3.2 天然氣成因類型

不同成因天然氣組分與碳同位素之間存在明顯的差異[8-10]。從梓潼凹陷須家河組天然氣組分與碳同位素分布關(guān)系來看(圖9)，研究區(qū)天然氣為熱成因氣。同時從圖9中可以看出，研究區(qū)天然氣相對靠近Ⅲ型干酪根熱成因氣。因此研究區(qū)天然氣可能主要為來自腐殖型干酪根的煤型氣。

天然氣主要烷烴氣中，乙烷對源巖碳同位素具有較好的繼承性，這使得其成為了天然氣成因類型劃分的常用指標(biāo)[11-19]。雖然各研究者對乙烷碳同位素判別油型氣與煤型氣的界限值(主要為-28‰或-29‰)存在不同認識，但不同的界限值差異均較小。以-29‰作為乙烷碳同位素判別天然氣成因類型的界限值較為常用[11-12,15]，且實驗?zāi)M也證實了該界限值的可靠性[13]，因此本文采用該劃分標(biāo)準(zhǔn)(δ13C2>-29‰為煤型氣，δ13C2<-29‰為油型氣)來對研究區(qū)天然氣成因類型進行分析。從梓潼凹陷不同地區(qū)天然氣烷烴氣碳同位素特征來看(圖10)，研究區(qū)天然氣以煤型氣為主，僅九龍山地區(qū)為油型氣。根據(jù)四川盆地?zé)N源巖發(fā)育特征，上三疊統(tǒng)之下主要發(fā)育海相烴源巖，有機質(zhì)類型多以腐泥型為主。顯然上三疊統(tǒng)之下的海相腐泥型烴源巖不應(yīng)該是研究區(qū)以煤型氣為主的天然氣的主要來源。烴源巖特征研究也證實研究區(qū)須家河組烴源巖有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型主要為腐殖型，烴源巖成熟度高，生烴強度大，烴源巖可以大量生成煤型氣。由此認為，梓潼凹陷天然氣主要來自上三疊統(tǒng)烴源巖。對于少量的油型氣，則可能主要來自上三疊統(tǒng)之下的海相腐泥型烴源巖。

圖9 四川盆地梓潼凹陷天然氣成因分類圖版據(jù)Whiticar M J，1999。

圖10 四川盆地梓潼凹陷天然氣δ13C1與δ13C2關(guān)系

圖11 四川盆地九龍山背斜斷裂發(fā)育特征

從研究區(qū)上三疊統(tǒng)烴源巖生烴強度也可以看出，九龍山地區(qū)烴源巖生烴強度較低，而該區(qū)油氣資源豐富，該區(qū)上三疊統(tǒng)烴源巖可能難以滿足該區(qū)油氣成藏，顯然該區(qū)油氣還有其他來源。對九龍山地區(qū)斷裂發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)斷層發(fā)育(圖11)，向上斷至上三疊統(tǒng)，向下斷達中、下三疊統(tǒng)，最深可達寒武系地層。上三疊統(tǒng)之下的海相地層，烴源巖有機質(zhì)類型以腐泥型為主，在斷裂的溝通下，下伏腐泥型烴源巖生成的油型氣較容易進入上三疊統(tǒng)須家河組儲集層富集成藏。故而使得該區(qū)須家河組氣藏天然氣表現(xiàn)為油型氣的特征。

4 結(jié)論

(1)梓潼凹陷上三疊統(tǒng)烴源巖較為發(fā)育，有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型為腐殖型，有機質(zhì)成熟度高，烴源巖品質(zhì)較好，生烴潛力大，烴源巖生烴強度多大于30×108m3/km2，在綿陽—江油—安縣以南一帶生烴強度最大，良好的烴源巖條件為研究區(qū)天然氣聚集成藏提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)梓潼凹陷天然氣以烷烴氣為主，甲烷占絕對優(yōu)勢，非烴氣含量較低。九龍山、劍門、魏城、白龍場等地區(qū)天然氣主要為干氣，而中壩、老關(guān)廟等地區(qū)天然氣主要為濕氣，文興場、拓壩場、豐谷等地區(qū)既存在干氣又存在濕氣。

(3)梓潼凹陷天然氣主要為熱成因煤型氣，來自該區(qū)須家河組烴源巖。九龍山地區(qū)主要為油型氣，主要來自下伏海相烴源巖。

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(編輯 徐文明)

Geochemical characteristics of source rocks and natural gas in Zitong Sag, Sichuan Basin

Dong Jun1,2, Wang Peng1,Yuan Dongshan2, Ren Qingsong2,Wang Shunyu3, Li Bin3

(1.CollegeofEnergyResources,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China;2.Exploration&DevelopmentInstituteofSINOPECSouthwestOil&GasCompany,Chengdu,Sichuan610041,China;3.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The characteristics and genetic types of natural gas in the Zitong Sag of the Sichuan Basin have been studied according to the development and geochemical features of source rocks. The hydrocarbon source rocks in the study area mainly located in the first, third and fifth members of the Xujiahe Formation, among which the third member is the thickest. The TOC content of the source rocks is generally greater than 1.0%. Organic matter is of humic type, usually mature or highly mature. A large amount of hydrocarbon has been generated, and the generation intensity is greater than 3×109m3/km2. Favorable source rock conditions enhance the accumulation of natural gas in the study area. Both dry gas and wet gas have been found. In the Jiulongshan, Jianmen, Weicheng and Bailongchang areas, dry gas is dominant. In the Zhongba and Laoguanmiao areas, wet gas is common. In the Wenxingchang, Zhebachang, Fenggu and Mianyang areas, both dry gas and wet gas exist. The natural gas in the study area is mainly thermogenic coal gas originating from the Xujiahe Formation. Oil type gas exists only in the Jiulongshan area, and is sourced from the underlying marine source rocks.

source rock; geochemical characteristics; gas generation controls; Xujiahe Formation; Zitong Sag; Sichuan Basin

1001-6112(2015)03-0367-07

10.11781/sysydz201503367

2014-08-05；

2015-04-01。

董軍(1974—)，男，博士研究生，高級工程師，從事石油、天然氣地質(zhì)綜合研究。E-mail:cnscdj@sina.com。

國家科技重大專項課題(2011ZX05002-004-001)資助。

TE122.1+13

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