元壩地區(qū)雷口坡組氣源與碳同位素倒轉(zhuǎn)成因

秦 華, 潘 磊, 印 峰, 申繼山

(中國石化勘探分公司，成都 610041)

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元壩地區(qū)雷口坡組氣源與碳同位素倒轉(zhuǎn)成因

秦 華, 潘 磊, 印 峰, 申繼山

(中國石化勘探分公司，成都 610041)

探討四川盆地元壩地區(qū)雷口坡組氣源與碳同位素倒轉(zhuǎn)成因。通過雷口坡組烴源巖與天然氣地化參數(shù)分析，其烴源巖以泥晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r為主，TOC質(zhì)量分數(shù)平均為0.37%，生烴能力較差。天然氣中非烴氣的體積分數(shù)多數(shù)<10%，烷烴氣組分較干，CH4相對體積分數(shù)平均為99.0%，碳同位素較輕，其中δ13C1均值為-34.19‰，δ13C2均值為-33.31‰，且多數(shù)樣品發(fā)生δ13C1,δ13C2倒轉(zhuǎn)；甲烷氫同位素較輕，均值為-156.3‰。與相鄰層位烷烴氣對比并結(jié)合烴源背景，綜合分析認為其氣源主要為須家河組煤型氣，其甲烷、乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)為水溶分餾作用導(dǎo)致氣層中乙烷變輕程度超過甲烷一定幅度引起。

元壩地區(qū)；雷口坡組；氣源；碳同位素倒轉(zhuǎn)；水溶分餾；水溶氣

目前川東北元壩地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組(T2l)第四段(以下簡稱“雷四段”)為重要產(chǎn)油氣層系。對四川盆地其他地區(qū)雷口坡組天然氣來源，前人做過較多研究。如川中磨溪氣田雷口坡組氣源，王順玉、戴鴻鳴認為來源于下伏上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系烴源巖[1,2]；對川西北中壩氣田雷口坡組氣源，則不同研究認識差異較大：如汪華等認為主要來源于上三疊統(tǒng)小塘子組氣源巖[3]，而秦勝飛等則認為主要來自雷口坡組海相碳酸鹽巖[4]，廖鳳蓉等認為氣源以二疊系油型氣為主，并混有上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)煤型氣[5]。針對元壩地區(qū)雷口坡組天然氣氣源，同樣存在多種觀點，主流認識為須家河組第一段烴源巖生氣[6,7]；但部分人認為為雷口坡組自生自儲天然氣[8]，郝芳等還認為須二段氣源大部分來自雷口坡組烴源巖[9]。由于雷口坡組烷烴氣與飛仙關(guān)組、長興組天然氣特征迥異，雷口坡組沉積環(huán)境、烴源巖特征也不支持自生自儲觀點，用須家河組烴源巖生烴的觀點解釋則較為符合地質(zhì)實際。但其δ13C2值多數(shù)為<-28‰，與須家河組煤系烴源巖的事實不符。筆者在證明其氣源為須家河組煤型氣基礎(chǔ)上分析其變輕原因，并進一步對甲烷、乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象做出解釋，以期為油氣勘探研究提供依據(jù)。

1 概 況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

元壩地區(qū)位于四川省廣元市蒼溪縣，構(gòu)造上位于川東北蒼溪-巴中低緩構(gòu)造帶 (圖 1)。該區(qū)的雷口坡組與下伏下三疊統(tǒng)嘉陵江組(T1j)上部大套膏鹽巖整合接觸，與上覆須家河組第一段呈角度不整合接觸(圖2)。近年來該區(qū)多口井在雷四段試獲中-高產(chǎn)工業(yè)氣流，預(yù)示該區(qū)雷口坡組具有商業(yè)性的勘探潛力。研究表明與喀斯特不整合相關(guān)的氣藏主要分布于元壩南部喀斯特斜坡上被溝槽分割的臺丘區(qū)。

川東北雷口坡組為局限臺地沉積，由下至上發(fā)育雷一段-雷四段，其中雷四段可細分為2個亞段。元壩地區(qū)因印支期構(gòu)造抬升，雷四段Ⅱ亞段頂部往往部分缺失，并向北東方向缺失程度增加。雷一段、雷三段以泥粉晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，雷二段、雷四段以膏巖、白云巖為主，儲層主要發(fā)育于雷四段Ⅱ亞段頂部喀斯特白云巖段(圖2)。

須家河組主要為三角洲前緣和濱淺湖-沼澤相沉積，由下至上發(fā)育須一段-須五段，其中須一段、須二段中部“腰帶子”、須三段、須五段以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主并夾少量煤線；須二段和須四段以致密砂巖為主，為“三明治”式烴源巖夾儲層結(jié)構(gòu)[10]。其產(chǎn)氣層段主要為元壩西部須二段下亞段巖屑砂巖段及元壩西北部須三段泥巖所夾鈣屑砂巖段。

1.2 烴源條件

元壩須家河組暗色泥巖總厚度160～220 m，向西南增厚，其中須三段最厚，須一段次之。364個暗色泥巖樣品TOC質(zhì)量分數(shù)(wTOC)為0.17%～13.38%，多數(shù)在0.5%～5%之間，均值為2.51%，達到很好的烴源巖標準。其中，須二、須三段wTOC值最高，均值>3.0%。其Ro值一般為1.43%～2.86%，均值為1.91%，處于高成熟晚期—過成熟早期干氣階段[11]。

圖1 元壩地區(qū)地理與構(gòu)造位置圖Fig.1 Geographic and tectonic map of the Yuanba area in Sichuan Basin(據(jù)黃仁春,2014)[8]

圖2 川東北元壩地區(qū)典型井綜合柱狀圖Fig.2 Integrated stratigraphic column of the Yuanba area

元壩雷口坡組烴源巖主要為泥晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r，厚100～150 m，分布較穩(wěn)定，但多為數(shù)十米厚膏巖隔開。32個烴源巖樣wTOC值為0.02%～0.81%，多數(shù)為<0.5%，均值為0.37%，按被勘探證實的碳酸鹽巖有效烴源巖最新劃分標準，有效烴源巖wTOC下限為0.40%～0.50%[12,13]，其顯然不具備較好的生烴能力；由固體瀝青反射率換算的Ro值為2.0%左右。

圖3 熱演化過程中干酪根碳同位素組成變化Fig.3 Variation characteristics of carbon isotopic compositions for kerogen during thermal evolution(據(jù)蘇艾國，1999; 熊永強,2004)[14,15]

考慮到本區(qū)烴源巖成熟度較高，其干酪根結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生變化導(dǎo)致顯微組分可能已失去可鑒別的形態(tài)和光性特征，利用干酪根顯微組分分析法可能存在較大誤差。而干酪根δ13C值在熱演化過程中一般僅變重1‰～2‰[14,15](圖3)，是確定高成熟烴源巖有機質(zhì)類型的有效參數(shù)。須家河組51個暗色泥巖及煤層的干酪根δ13C值為-23.4‰～-25.6‰(1個樣品的δ13C值為-26.2‰)，均值為-24.5‰；雷口坡組烴源巖干酪根的δ13C值為-25.0‰～-26.4‰，平均為-26‰。按照黃第藩提出的Ⅱ、Ⅲ型干酪根以-26‰為界的標準[16]，須家河組有機質(zhì)類型均為Ⅲ型，結(jié)合雷口坡組為海相沉積的事實判斷其有機質(zhì)類型應(yīng)為偏腐殖型的生油型(混合型)。

2 天然氣地化特征

2.1 組分特征

雷口坡組12個氣樣分析(表1)表明，其烷烴氣的體積分數(shù)(φ)>90%，非烴<10%，平均為3.82%。烷烴氣中CH4相對體積分數(shù)為98.60%～99.41%，平均為99.0%；C2H6相對體積分數(shù)為0.55%～1.23%，平均為0.89%；干燥系數(shù)極高，部分樣C4+重?zé)N組分缺失。非烴成分主要為CO2與N2，其中CO2的體積分數(shù)為0%～26.14%，平均為8.3%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，未酸化改造井樣品CO2體積分數(shù)多數(shù)為<1.0%，可見CO2主要為酸化改造過程中酸液與碳酸鹽巖反應(yīng)形成；同樣，N2多為試擠改造過程中所注液氮返排，其數(shù)據(jù)也不具研究意義。

2.2 碳、氫同位素特征

一般認為，有機烷烴氣的乙烷碳同位素值主要取決于成烴母質(zhì)繼承效應(yīng)，甲烷、乙烷碳同位素差值主要取決于演化程度。元壩雷四段12個氣樣的地化參數(shù)(表1、圖4)表明，其δ13C1值為-31.70‰～-35.55‰，均值為-34.19‰；δ13C2值為-27.7‰～-36.61‰，均值為-33.31‰；且δ13C1、δ13C2值多發(fā)生倒轉(zhuǎn)，甚至為負碳同位素系列。折線圖中δ13C1、δ13C2斜率雜亂，與須二段相近，表明受次生改造的影響較大。須三段烷烴氣則整體為正碳同位素系列，其折線圖中δ13C1、δ13C2斜率相近，表明總體為原生氣藏(圖4)。

氣態(tài)烴的氫同位素首先受控于源巖沉積水體的鹽度，其次是成熟度的影響[17]，母質(zhì)類型影響不大。在成熟度相似的條件下，海相源巖生成的甲烷δ2H值較重，半咸水湖相源巖生成的甲烷其次，湖相淡水源巖生成的甲烷δ2H值最輕[18]。雷四段烷烴氣甲烷δ2H值平均為-156.3‰，與須家河組相應(yīng)值(-154.9‰)接近，明顯輕于海相長興組、飛仙關(guān)組烷烴氣。

圖4 元壩氣田雷四段及相鄰層位烷烴氣各組分δ13C變化曲線Fig.4 Alkane δ13 C curves of the Leikoupo Formation & Xujiahe Formation in Yuanba gas field

3 氣源探討

目前主流觀點認為元壩雷四段氣藏氣源來自喀斯特斜坡溝槽中充填的須一段烴源巖生烴，橫向近距離運移而成[6]；或上覆須一段烴源巖所生氣沿不整合面運移并倒灌充注[7]。由于其烷烴氣δ13C2<-28‰(不同研究者提出的數(shù)值略有差別，但不影響生烴有機質(zhì)類型判別)，部分研究者據(jù)此認為其主要為自生自儲油型氣[8]。筆者認為主要為須一段烴源巖生烴，但不排除少量自生自儲氣混入的可能，以下逐一分析其原因。

3.1 雷四段烷烴氣不是自身烴源巖生氣

首先，雷口坡組烴源巖有機質(zhì)類型為混合型，故大量生氣時應(yīng)有相當量原油伴生或殘留，但數(shù)十口已鉆井未見；如果因為演化程度太高原油完全裂解為烷烴氣，應(yīng)產(chǎn)生大量瀝青，尤其是高溫成因的焦瀝青和結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較特殊的“中間相焦瀝青”[19]，但事實上也未見上述現(xiàn)象。可見雷口坡組烴源巖是否具有與其產(chǎn)能匹配的大規(guī)模生烴能力值得商榷。

其次，沉積相研究表明雷口坡組為局限海環(huán)境[20]，其鹽度應(yīng)大于正常海沉積，其自生自儲烷烴氣甲烷δ2H值應(yīng)重于海相長興組、飛仙關(guān)組烷烴氣相應(yīng)值(-120‰～-140‰)。但事實上，其δ2H值平均為-156.3‰，與須家河組相應(yīng)值(-154.9‰)接近。

再者，相近成熟度的油型氣應(yīng)明顯濕于煤型氣，但雷四段烷烴氣平均干燥系數(shù)卻略大于演化程度更低的須家河組自生自儲煤型氣的相應(yīng)值；且多個氣樣中δ13C1較輕的樣品(輕于-35‰)，其乙烷含量往往低于平均值，不符合烷烴氣演化程度低者(δ13C1輕者)更濕的熱演化規(guī)律。

上述現(xiàn)象均不是雷口坡組自身烴源巖生氣能解釋的?？梢娖錃庠床皇亲陨頍N源巖。

3.2 雷四段烷烴氣不是下伏長興組、飛仙關(guān)組天然氣大量混入形成

元壩地區(qū)海相長興組、飛仙關(guān)組烷烴氣均為原油裂解氣，干燥系數(shù)極高，乙烷平均體積分數(shù)為0.05%，δ13C1均值為-29.5‰，δ2H值多數(shù)為-120‰～-140‰；且海相氣常因發(fā)生TSR反應(yīng)而富含硫化氫[21](表2)。

表2 元壩地區(qū)長興組、飛仙關(guān)組天然氣地球化學(xué)參數(shù)

雷口坡組天然氣特征與上述海相氣迥異，其乙烷體積分數(shù)均值0.89%，遠高于長興組、飛仙關(guān)組天然氣的相應(yīng)值0.05%；δ13C1、δ13C2值也均明顯輕于后者，δ2H值平均為-156.3‰，也明顯不同于后者，且不含(或僅含微量)硫化氫。另外，雷口坡組與長興組、飛仙關(guān)組之間存在嘉陵江組第四-第五段及雷口坡組第一-第二段累計厚度達二三百米的膏鹽巖形成的區(qū)域隔層(圖2)，且斷裂不發(fā)育，可見其氣源不是來自下伏海相烴源巖生氣。

3.3 須家河組氣源證據(jù)

通過上述分析，元壩雷口坡組天然氣僅有的可能就是來自上覆須家河組烴源巖生氣。

首先，元壩須家河組具有較好的烴源條件，尤其須一段暗色泥巖最大厚度可達150 m，且喀斯特斜坡中溝槽區(qū)厚度最大，與相鄰臺丘區(qū)雷四段白云巖儲層形成良好生儲配置關(guān)系，具有近源成藏的優(yōu)勢[6]；而雷口坡組自身烴源條件較差，且縱向上多有數(shù)十米厚膏鹽巖相隔；且元壩雷口坡組壓力系數(shù)為1.39～1.63，而上覆須家河組相應(yīng)值普遍為>1.80[7]。

其次，雷口坡組烷烴氣組分干燥程度、甲烷氫同位素特征、碳同位素特征及倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象也與須二段烷烴氣接近。

可見解釋為須家河組(第一段)氣源更符合地質(zhì)實際，唯一需要解釋的是雷口坡組烷烴氣δ13C1、δ13C2值均明顯輕于理論值(其中δ13C2值偏輕的程度更大)，結(jié)合其折線圖認為應(yīng)是某種改造作用導(dǎo)致。

4 雷口坡組烷烴氣碳同位素倒轉(zhuǎn)成因

4.1 雷口坡組烷烴氣甲烷、乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)為水溶作用引起

戴金星院士認為，當有機烷烴氣部分發(fā)生碳同位素值倒轉(zhuǎn)時，不能使用δ13C2<-28‰時為油型氣的判斷標準[22]，即雷口坡組烷烴氣δ13C2<-28‰并不能說明其為油型氣。將須家河組烴源巖Ro均值1.9代入煤型氣δ13C-Ro回歸方程[23]計算須家河組煤型氣δ13C1、δ13C2、δ13C3理論值分別為-30.6‰、-24.4‰、-22.1%。即雷口坡組δ13C1、δ13C2值比理論值分別偏輕3.6‰、8.9‰，并引起多數(shù)樣品δ13C1、δ13C2值倒轉(zhuǎn)，反映天然氣成藏后經(jīng)歷了混源、散失或其他次生改造作用。

除原生無機成因烷烴氣為負碳同位素系列外，戴金星院士認為常見烷烴氣δ13C值倒轉(zhuǎn)有4種成因：①有機烷烴氣與無機烷烴氣相混合；②煤型氣和油型氣的混合；③“同型不同源”氣之間或“同源不同期”氣之間的混合；④某一或某些組分被細菌氧化后變重[24]。其他研究成果還包括⑤水溶分餾作用[25]；⑥高溫下碳同位素交換平衡[26]；⑦運移過程中的分餾作用[27]。其中①②③⑤可概括為混合作用引起，⑥⑦可概括為分餾作用引起。

由于對煤型氣來說，③導(dǎo)致的結(jié)果可能為δ13C值變輕(混入更輕的煤型氣)，但不會出現(xiàn)δ13C2明顯輕于-28‰的現(xiàn)象；①④導(dǎo)致的結(jié)果為使有機烷烴氣δ13C值變重?？梢?，除混入較輕的油型氣外(上文已經(jīng)排除)，引起烷烴氣δ13C值變輕的原因主要有2種，即水溶分餾作用或運移過程中分餾作用。由于元壩雷口坡組無富含黏土礦物(或高成熟有機質(zhì))等吸附能力較強的吸附介質(zhì)，或遠距離運移等使烷烴氣尤其是重?zé)N氣組分嚴重變輕的條件，故推測為水溶分餾作用導(dǎo)致與水溶氣伴生的氣層氣各組分變輕進而引起倒轉(zhuǎn)。主要證據(jù)如下。

a.元壩雷口坡組存在水溶作用條件，十多口井測試或試采過程中均不同程度出水，根據(jù)電測解釋結(jié)果等資料利用容積法計算元壩雷四段天然氣控制儲量53.192×109m3，水資源量0.091×109m3。研究表明地層水為局部封存水，即成藏動力不足，氣驅(qū)水不充分引起；而水溶分餾作用可以造成氣層氣組分變輕[28]，已經(jīng)得到證實。

b.鄰區(qū)與水溶氣相伴生的氣層氣，發(fā)生δ13C1、δ13C2倒轉(zhuǎn)的均為組分較干(乙烷體積分數(shù)多數(shù)為<1%)的樣品，而組分較濕的樣品均未發(fā)生δ13C1、δ13C2倒轉(zhuǎn)(表3)，與本區(qū)雷口坡組情況類似。

c.本區(qū)雷口坡組產(chǎn)氣層隨生產(chǎn)階段天然氣產(chǎn)能下降、產(chǎn)水量增加烷烴氣碳同位素變重的現(xiàn)象，與水溶氣脫溶后混入氣層氣并使之變重的理論是相符的。

表3 四川盆地氣層氣和水溶氣地化參數(shù)

(據(jù)秦勝飛，2012)[25]

4.2 水溶作用分餾機理及引起有機烷烴氣甲烷、乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)的條件

前人對烷烴氣在水中的溶解機理[25,27,29,30]與溶解度[31-36]做了很多研究，并深入了解其在水中的溶解特性。水溶氣在天然氣成藏過程中的貢獻也逐漸引起重視[37,38]。但研究對象上主要側(cè)重于水溶氣本身的碳同位素變重及混入氣層氣并使后者甲烷變重從而引起δ13C1、δ13C2值倒轉(zhuǎn)[25]；研究內(nèi)容上主要側(cè)重水溶氣脫溶條件及水溶氣資源量計算[39]。針對與水溶氣伴生的氣層氣的研究僅限于水洗引起甲烷變輕，及甲烷對水溶作用較重?zé)N更敏感，而針對與水溶氣伴生的氣層氣碳同位素變輕的研究較少。

通過分析秦勝飛水溶氣數(shù)據(jù)(表3)可知，水溶作用造成甲烷組分的碳同位素分異達到6.7‰～24.3‰，平均為14.0‰，對乙烷的碳同位素分異最高也達到11.3‰，平均為5.3‰。即大多數(shù)情況下水溶作用對甲烷的碳同位素分異效果比對乙烷等重?zé)N氣組分更明顯。進一步分析可知，其對某組分的分異主要表現(xiàn)為使水溶氣中該組分明顯變重，而氣層氣中該組分變輕程度較小。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對乙烷組分，上述多數(shù)樣品溶于水的乙烷絕對含量應(yīng)遠小于與之伴生的氣層氣中乙烷絕對含量，即發(fā)生了明顯的杠桿效應(yīng)。可見，理論上只要溶于水的乙烷量和與之伴生的氣層氣乙烷量比值增加，后者碳同位素即有可能發(fā)生較明顯的碳同位素變輕(如10‰)。

前人研究表明，烷烴氣組分在地層水中的溶解度主要有如下特征：①與水合常數(shù)有關(guān)，烷烴氣組分在水中溶解度均較小，甲烷溶解度多數(shù)為<6 m3/t。例如克拉2井氣藏，壓力73.46 MPa、溫度123℃、地層水礦化度(CaCl2)128 g/L時，單位體積水溶甲烷體積數(shù)為水的2.79倍[33]。②由于烷烴氣中甲烷含量一般遠大于乙烷，即分壓較大，且甲烷本身溶解度大于乙烷，故水中甲烷溶解量遠大于乙烷。③溫度>90℃，隨溫度升高而增大，超過150℃后增幅減小[35]。④隨壓力增加而增加，但達到一定壓力后趨近于常數(shù)[35]。⑤隨地層水鹽度增加輕微降低，但與何種鹽關(guān)系不大。

根據(jù)亨利定律，氣體某組分溶解度與該組分在氣體總壓中的分壓成正比，即原始氣中乙烷含量降低(組分更干)，并不會影響乙烷在水溶氣與氣層氣中絕對量的分配比例。但是，①極稀溶液中氣組分在兩相中分配是否適用亨利定律；②相同條件下通過降低天然氣乙烷組分相對含量(使氣層氣與水溶液中乙烷濃度同時變小)，是否會因為有足夠的交換介質(zhì)(水)而引起乙烷更明顯的碳同位素分異效應(yīng)值得探討。

目前針對乙烷的水溶引起碳同位素變化實驗較少，由于乙烷組分在水溶液中擴散-交換過程非常緩慢，效率較低，相關(guān)實驗不好開展，即使勉強開展恐怕也難得出分餾的差異來。上述結(jié)果需要完全證實還需要做更多的工作。

5 結(jié) 論

a.元壩地區(qū)雷口坡組天然氣具有烷烴含量高、烷烴氣干燥系數(shù)高、碳同位素較輕的特點，多發(fā)生δ13C1、δ13C2倒轉(zhuǎn)，甲烷氫同位素較輕。

b.元壩地區(qū)雷口坡組天然氣主要來自須家河組煤型氣，但不排除自身烴源巖少量生氣的可能。

c.元壩地區(qū)雷口坡組天然氣δ13C1、δ13C2值倒轉(zhuǎn)主要由δ13C2值變輕引起，其變輕主要為水溶分餾作用引起。

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Discuss on source of natural gas and causation of reversed orders of δ13C in alkane gas from Leikoupo Formation in Yuanba, Sichuan Basin, China

QIN Hua, PAN Lei, YIN Feng, SHEN Ji-shan

ResearchInstituteofExplorationCompany,SINOPEC,Chengdu610041,China

This paper discusses the source of gas in Middle Triassic Leikoupo Formation in Yuanba area and the origin of the reversed order of the carbon isotope. Statistical analysis data of source rock and gas reveal that the mean TOC of the micritic limestone and argillaceous is low (0.37%), indicting a comparative low capacity of gas generation. The natural gas in the Yuanba area is dominated by hydrocarbon component with a low amount of heavy hydrocarbons (1%) and contain relatively low concentration of no-hydrocarbons (abundances of CO2and N2< 10%). The average ofδ13C1values of gas samples in the studied area are -34.19‰, while theδ13C2values are relatively light (-33.31‰), with a reversed order of the carbon isotope in most of the gas samples characterizing by the average of isotopes of hydrogen as low as -156.3‰. Based on the characteristics of alkane in neighbor formation and the background of the source rock, it considers that the source of gas in Leikoupo Formation in Yuanba area is mainly from coal-formed gas of Upper Triassic Xujiahe Formation, and the origin of the reversed order of the carbon isotope is caused by fractionation of water-soluble, which makes the lighter amplitude of ethane isotope much bigger than methane in the majority of the gas samples.

Yuanba area; Leikoupo Formation; source; carbon isotope reverses; water-soluble fractionation; water-soluble gas

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.05.09

1671-9727(2016)05-0591-10

2015-06-02。

國家科技重大專項(2011ZX5002-004-005)。

秦華(1980-),男,工程師,主要從事石油地質(zhì)綜合研究, E-mail:qinh.ktnf@sinopec.com。

TE122.114; P597

A