庫車坳陷巴什基奇克組天然氣地化指標(biāo)探究

韓 濤

長慶油田分公司第九采油廠, 寧夏 銀川 750006

0 前言

塔里木盆地庫車坳陷蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源,隨著塔里木盆地庫車坳陷油氣勘探開發(fā)的不斷深入,巴什基奇克組的勘探已從淺層進(jìn)入深層—超深層階段, 前人多根據(jù)天然氣組分含量和碳同位素組成等開展成因來源及成藏方面的研究, 李賢慶等闡述了庫車坳陷天然氣的地球化學(xué)特征, 并結(jié)合碳同位素動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果, 對(duì)其天然氣的成熟度和起源做了進(jìn)一步探討[1]。 張英志等依據(jù)塔里木盆地北部地區(qū)庫車坳陷巴什基奇克組地球化學(xué)資料, 對(duì)塔北地區(qū)晚白堊世時(shí)期發(fā)育海侵沉積進(jìn)行了分析[2]。 馮松寶等通過研究克拉蘇構(gòu)造帶超高壓大氣田的天然氣組分和碳同位素特征, 分析了天然氣的成熟度[3]。 張榮虎等運(yùn)用構(gòu)造演化恢復(fù)及系統(tǒng)表征的方法, 對(duì)白堊系砂巖沉積層進(jìn)行了綜合研究[4]。 魏強(qiáng)等運(yùn)用對(duì)庫車坳陷克深大氣田天然氣地球化學(xué)特征及成因、 儲(chǔ)層流體包裹體特征、天然氣成藏時(shí)間及成藏過程進(jìn)行研究[5]。 本文在前人工作基礎(chǔ)上, 根據(jù)整個(gè)塔北地區(qū)庫車坳陷各個(gè)構(gòu)造帶一、 二、 三段的巖心資料, 綜合運(yùn)用天然氣組分和碳同位素特征, 對(duì)庫車坳陷巴什基奇克組地球化學(xué)特征進(jìn)行了分析。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

庫車坳陷位于塔里木盆地的北緣, 南界在庫—阿公路一線附近, 北界為天山南麓, 整體呈北東向展布, 東西長約400 km, 南北寬30 ～120 km, 面積約2.8×104km2(圖1), 是塔里木盆地重要的二級(jí)構(gòu)造單元, 油氣資源非常豐富, 為中國西部開發(fā)“西氣東輸” 工程的主要資源基地, 也是中國最為重要的富氣區(qū)之一。 庫車坳陷油氣勘探歷史悠久, 也是多年來石油地質(zhì)研究的熱點(diǎn)地區(qū)[6-7]。 目前, 研究區(qū)已鉆井口數(shù)達(dá)30 余口。 庫車地區(qū)經(jīng)歷了晚二疊世—中三疊世的周緣前陸盆地、 晚三疊世—中侏羅世的伸展斷陷盆地以及晚第三紀(jì)以來的再生前陸盆地3 個(gè)演化階段[8-10]。 庫車坳陷從北向南可以劃分為北部單斜帶、克拉蘇—依奇克拉蘇構(gòu)造帶、 秋里塔克構(gòu)造帶和前緣隆起帶[11-13]。 研究區(qū)白堊系巴什基奇克組為主要含氣儲(chǔ)層, 埋藏深度整體上介于6 000 m 到8 500 m 之間,為一套扇三角洲—辮狀河三角洲前緣沉積體系, 自下而上分為三段, 其中二段的沉積時(shí)間最長。 本文從研究區(qū)巴什基奇克組一、 二、 三段分別做地球化學(xué)特征分析。

1.2 研究層段發(fā)育特征

庫車凹陷沉積厚度很大, 最深厚度可以達(dá)到8 km, 作為一個(gè)以中新生界沉積為主的陸源碎屑沉積盆地, 發(fā)育良好。 中新生界地層發(fā)育有很多不整合面, 儲(chǔ)層包括有侏羅系的阿合組、 陽霞組以及本文所重點(diǎn)研究的白堊系的巴什基奇克組, 白堊系中上白堊統(tǒng)基本被剝蝕殆盡, 僅發(fā)育有下白堊統(tǒng)存留。 白堊系巴什基奇克組碎屑巖發(fā)育在克拉蘇構(gòu)造帶上, 埋藏較深。 作為庫車坳陷最為重要的儲(chǔ)層, 高溫高壓讓儲(chǔ)層的成巖作用較為復(fù)雜, 壓實(shí)作用比較明顯。

新疆庫車坳陷巴什基奇克組自下而上分別為巴三段、 巴二段和巴一段。 其中, 巴三段巖性較粗, 以砂礫巖為主, 夾有較厚泥巖; 巴二段的褐色中細(xì)砂巖砂泥互層, 儲(chǔ)層物性較好, 是研究區(qū)的主要儲(chǔ)集層; 巴一段以褐色中細(xì)砂巖為主, 儲(chǔ)層物性略弱于巴二段(圖2)。 整個(gè)新疆庫車坳陷巴什基奇克組三段巖性特征明顯, 整體厚度由西到東逐漸加厚。

圖2 庫車坳陷巴什基奇克組典型巖心特征素描(據(jù)前人研究)Fig.2 Sketch of typical core characteristics of Bashjiqike Formation in Kuqa depression

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組進(jìn)行觀察取樣,整理了具有代表性的樣品, 為了確保樣品的代表性,91 個(gè)樣品均采集自不同井的一、 二、 三段。 其中采集一段樣品31 個(gè), 二段和三段均采集樣品30個(gè)。 天然氣主要采用鋼瓶密封取樣, 少部分采用鹽水瓶密封取樣。 采集的氣樣交于實(shí)驗(yàn)室針進(jìn)行天然氣的組分分析、 碳?xì)渫凰販y定以及同位素計(jì)算。

3 天然氣地球化學(xué)特征

3.1 天然氣組分含量

庫車坳陷克深大氣田天然氣組分含量數(shù)據(jù)如表1所示。 新疆庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組天然氣烴類組分C1-4占絕對(duì)優(yōu)勢, 為87.28%～99.78%, 平均含量普遍大于90%, 占總體統(tǒng)計(jì)樣品數(shù)的96%。 CH4含量介于82.28%～98.28%, 平均為96.5%; C2H6含量分布在0.34%～11.76%, 分布在0.34%～2.55%的占統(tǒng)計(jì)樣品的70.8%; C3H8含量很低, 主要分布在0～1.11%, 分布在0.11%～0.98%之間的占統(tǒng)計(jì)樣品的85.4%。 個(gè)別樣品中甚至不含C2+, 可能是由于天然氣成熟度很高所致。 可以看出, 庫車坳陷白堊世巴什基奇克組天然氣的烴類氣體在天然氣組分中占有絕對(duì)優(yōu)勢, 非烴氣體含量很少。 烴類氣體中CH4含量占主導(dǎo)優(yōu)勢。

表1 巴什基奇克組化學(xué)組分分布表Table 1 Distribution of chemical components of Bashijiqike Formation

非烴氣體主要為CO2和N2。 其中CO2含量分布在0.05%～1.85%的樣品占統(tǒng)計(jì)樣品的80.2%。 天然氣中N2的含量分布在0.45%～2.21%的樣品占統(tǒng)計(jì)樣品的70.12%。 一般認(rèn)為CO2含量大于60%的為無機(jī)成因, N2含量隨著煤系烴源巖成熟度的增加而增加[14-15]。 總體而言, 研究區(qū)天然氣組分中, N2含量高于CO2, 以有機(jī)成因其為主。

一段天然氣烴類組分中C1-4分布在87.38% ～99.78%, 樣品數(shù)量42 塊, 平均含量普遍大于90%;CH4含量介于82.71% ～95.37%, 平均為89.04%;C2H6含量分布在0.32% ～9.97%, 平均為2.02%。C3H8含量分布在0.11%～1.05%, 平均為0.51%。 二段天然氣烴類組分中C1-4分布在85.29%～98.60%,樣品數(shù)量24 塊, 平均含量為90%; CH4含量介于81.05%～95.37%, 平均為95%; C2H6含量分布在0.23%～11.50%, 平均為2.23%; C3H8含量分布在0.02%～1.03%, 平均為0.49%。 三段天然氣烴類組分中C1-4分布在82.52%～98.71%, 樣品數(shù)量34 塊,平均含量普遍大于90%; CH4含量介于82.52% ～97.65%, 平均為95.73%; C2H6含量分布在0.30%～10.58%, 平均為1.40%; C3H8含量分布在0.06 ～1.05%, 平均為0.49%。

一段非烴氣體中CO2含量分布在0.09%～5.21%之間, 樣品數(shù)量42 塊, 平均為0.71%; N2含量的分布范圍為0.31%～6.74%, 平均為2.01%。 二段非烴氣體中CO2含量分布在0.58%～4.67%, 樣品數(shù)量24塊, 平均為0.78%; N2含量的分布范圍為0.05%～6.05%, 平均為1.54%。 三段非烴氣體中CO2含量分布在0.03% ～4.54%, 樣品數(shù)量34 塊, 平均為0.75%; N2含量的分布范圍為0 ～6.51%, 平均為1.64%。

圖3 庫車坳陷巴什基奇克組一、 二、 三段組分分布Fig.3 Composition distribution of members I, II and III of Bashijiqike Formation in Kuqa depression

對(duì)庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組一、 二、 三段以及全組天然氣樣品研究分析表明, 天然氣烴類組分C1-4占絕對(duì)優(yōu)勢, 其中CH4含量占主導(dǎo)優(yōu)勢, C2+含量極少。 非烴氣體主要為CO2和N2, 屬于有機(jī)成因氣。

3.2 天然氣碳同位素組成

根據(jù)庫車坳陷白堊世巴什基奇克組42 個(gè)樣品烷烴同位素組成分布表(表2)。 總體上, 白堊系巴什基奇克組天然氣中烷烴類氣體具有相對(duì)富穩(wěn)定碳同位素的煤成氣特征, 可以看出, 研究區(qū)巴什基奇克組烷烴氣碳同位素組成普遍較重, δ13C1從-37.5‰～-15.7‰,主頻率分布較寬, 分布在-36.2‰～-18.5‰的占統(tǒng)計(jì)樣品的90%左右; δ13C2從-26.5‰～-15.3‰, 主頻率為-20.0‰～-15.7‰; δ13C3值從-24.2‰～-13.1‰, 主頻率分布介于-21. 9‰～-18. 8‰。 總的來說, 庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組天然氣烷烴氣組分碳同位素組成普遍較重, 乙烷和丙烷碳同位素的主頻區(qū)大致相同。

表2 巴什基奇克組碳同位素分布表Table 2 carbon isotope distribution of Bashijiqike Formation

一段烷烴氣碳同位素中δ13C1分布在-35.7‰～-14.1‰, 樣品數(shù)20 個(gè), 平均為-28‰; δ13C2分布在-25.1‰～- 15.3‰, 平 均 為- 20‰; δ13C3分 布 在-22.3‰～-13.7‰, 平均為-17.7‰。 二段烷烴氣碳同位素中δ13C1分布在-39.2‰～-20.7‰, 樣品數(shù)20 個(gè),平均為-33.5‰; δ13C2分布在-27.1‰～-18.7‰, 平均為-22.5‰; δ13C3分布在-23.3‰～-18.5‰, 平均為-22‰。 三段烷烴氣碳同位素中δ13C1分布在-39.7‰～-15.2‰, 樣品數(shù)20 個(gè), 平均為-27.3‰; δ13C2分布在-26.5‰～-15.8‰, 平均為-23.7‰; δ13C3分布在-26.1‰～-15.5‰, 平均為-20‰。

庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組全組天然氣δ13CO2分布在-38‰～-10‰樣品數(shù)為60 個(gè), 平均為-13.73‰。 一段烷烴氣碳同位素中δ13CO2分布在-35.8‰～-9.9‰樣品數(shù)為20 個(gè), 平均為-18.8‰。二段烷烴氣碳同位素中δ13CO2分布在-35‰～-10‰樣品數(shù)為20 個(gè), 平均為-15.7‰。 三段烷烴氣碳同位素中δ13CO2分布在-37.2‰～-11.2‰樣品數(shù)為20 個(gè),平均為-19.3‰。

戴金星等認(rèn)為, 在中國有機(jī)成因的δ13CO2值主要分布在-39‰～-10‰, 主頻率在-18‰～-11‰, 而無機(jī)成因的δ13CO2值主要分布在-8‰～+7‰, 主頻率段為-8‰～-3‰。 根據(jù)戴金星等建立的有機(jī)成因與無機(jī)成因CO2鑒別圖版, 也可以判別出新疆庫車坳陷白堊世巴什基奇克組天然氣中CO2主要為有機(jī)成因[16-17]。

庫車坳陷晚白堊世巴什基奇克組天然氣δ13C1和(δ13C2-δ13C1) 較高, 隨成熟度增加, δ13C1增高,(δ13C2-δ13C1) 值減少, 如過成熟的克拉2 井。 天然氣δ13C2普遍大于-28‰, 特別是克拉2 氣田δ13C2很重, 為-17‰～-19‰。 研究表明, 庫車坳陷白堊世巴什基奇克組天然氣落在煤成氣范圍[1,18-19]。

3.3 天然氣成熟度

為了了解庫車坳陷天然氣氣源的熱演化程度, 筆者根據(jù)甲烷同位素估算了天然氣可能烴源巖的成熟度。 據(jù)戴金星等提出的煤成氣甲烷碳同位素與成熟度關(guān)系式[20]:

δ13C1=14.13lgR0-34.39 (1)

據(jù)劉文匯提出的等提出的煤成氣甲烷碳同位素與成熟度關(guān)系式[21]:

根據(jù)公式(1) 和公式(2) 計(jì)算庫車坳陷巴什基奇克組一、 二、 三段煤成氣的R0值, 繪制了研究區(qū)巴什基奇克組天然氣成熟度分布表(表3)。 庫車坳陷巴什基奇克組全組甲烷碳同位素分布在-35.4‰ ～-29.7‰, 樣品數(shù)42 個(gè), 平均為-32.5‰; 通過公式(1) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.71～2.99, 平均為1.08; 通過公式(2) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.69～2.02, 平均為1.10。

表3 庫車坳陷巴什基奇克組天然氣成熟度分布表Table 3 natural gas maturity distribution of Bashijiqike Formation in Kuqa depression

一段甲烷碳同位素分布在-34.5‰～-25.1‰, 樣品數(shù)14 個(gè), 平均為-31.9‰; 通過公式(1) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.69 ～1.54, 平均為1.20; 通過公式 (2) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.99 ～1.41, 平均為1.09。 二段甲烷碳同位素分布在-35.4‰～-31.8‰, 樣品數(shù)14 個(gè), 平均為-33.4‰;通過公式(1) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.72 ～2.14, 平均為0.98; 通過公式(2) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.78～1.56, 平均為0.89。 三段甲烷碳同位素分布在-34.1‰～-28.7‰, 樣品數(shù)14 個(gè), 平均為-32.5‰; 通過公式(1) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.75～1.84, 平均為1.20; 通過公式(2) 計(jì)算得到天然氣R0值分布在0.97～2.57, 平均為1.32。

雖然通過不同的方法計(jì)算得到的天然氣的成熟度不同, 但是計(jì)算結(jié)果得出R0值均分布為0.64% ～2.97%, 主要分布范圍是在0.98%～2.02%, 不同方法的計(jì)算結(jié)果也都可反映出庫車坳陷白堊世巴什基奇克組一、 二、 三段天然氣一般都大于0.5% (圖4),表明天然氣都是在烴源巖在過成熟階段產(chǎn)生的氣, 而且是瞬時(shí)氣, 這個(gè)結(jié)論和李賢慶等運(yùn)用生烴動(dòng)力學(xué)研究得出的結(jié)論基本一致[22]。

圖4 庫車坳陷巴什基奇克組天然氣成因鑒別圖Fig.4 Genetic identification of natural gas in Bashijiqike Formation of Kuqa depression

3.4 煤層氣的地化特點(diǎn)

目前, 在庫車坳陷已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一大批大中型氣田, 主要來源于上三疊統(tǒng)塔里奇克組、 下侏羅統(tǒng)陽霞組與中侏羅統(tǒng)克孜勒努爾組。 討論煤層氣時(shí)選取了4個(gè)塔里奇克組煤樣和3 個(gè)克孜勒努爾組煤樣進(jìn)行巖石熱解、 有機(jī)碳分析、 元素分析和封閉體系下的黃金管熱解實(shí)驗(yàn)。 通過比較煤樣的生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù), 發(fā)現(xiàn)克孜勒努爾組煤樣R0大于1.8%、 塔里奇克組煤樣R0大于1.6%時(shí), 是一套有效的氣源巖。

庫車坳陷的天然氣主要來源于煤系烴源巖, 其中天然氣乙烷碳同位素值一般重于-27‰, 屬于典型煤成氣。 庫車坳陷的克拉2 氣田, δ13C1為-25.1‰～-27.8‰, δ13C2為-18.7‰～-19.0‰, 天然氣碳同位素含量較重, 反映來源于成熟度比較高的烴源巖; 而其余油氣田中天然氣甲烷碳同位素含量較輕, 反映來源于成熟度比較低的烴源巖。

4 結(jié)論

通過對(duì)塔里木盆地庫車坳陷白堊世巴什基奇克組各個(gè)地區(qū)的樣品研究, 結(jié)合分析測試數(shù)據(jù)及對(duì)比研究表明:

(1) 研究區(qū)巴什基奇克組天然氣以烴類氣體為主, C1-4占絕對(duì)優(yōu)勢, 一、 二、 三段平均含量均普遍在90%以上。 非烴氣體主要為CO2和N2, 主要是有機(jī)成因氣。

圖5 庫車坳陷煤系烴源巖R0等值線和典型油、 氣田分布圖Fig.5 R0isoline of coal measure source rocks and distribution map of typical oil and gas fields in Kuqa depression

(2) 研究區(qū)巴什基奇克組天然氣δ13C1從-37.5‰～- 15.7‰, 主 頻 率 分 布 較 寬, 分 布 在-36.2‰ ～-18.5‰; δ13C2從-26.5‰ ～-15.3‰, 主 頻 率 為-20.0‰～-15.7‰; δ13C3值從-24.2‰～-13.1‰, 主頻率分布介于-21.9‰～-18.8‰。 總的來說天然氣組分碳同位素組成普遍較重, 屬于煤成氣。

(3) 根據(jù)不同公式計(jì)算研究區(qū)一、 二、 三段煤成氣的成熟度值, 可知天然氣都是在烴源巖過成熟階段產(chǎn)生的煤成氣。