川南地區(qū)W 202區(qū)塊碳同位素倒轉(zhuǎn)特征研究

秦 鳳 強

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

四川盆地川西南區(qū)塊是我國頁巖氣主要產(chǎn)區(qū)，烴源巖及儲層地球化學(xué)參數(shù)能夠反映天然氣的演化程度、成因、來源以及氣藏的形成過程。根據(jù)碳同位素的熱力學(xué)分餾機理，母質(zhì)演化程度越高，生成烴類的碳同位素組成就越重，隨著深度增加母質(zhì)類型及演化程度發(fā)生變化導(dǎo)致頁巖氣的碳同位素組成縱向發(fā)生變化，根據(jù)頁巖氣縱向上的變化來分析頁巖氣成藏富集過程，為頁巖氣地質(zhì)甜點的尋獲提供理論依據(jù)。北美地區(qū)的高、過成熟頁巖氣普遍存在碳同位素倒轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，可判識天然氣的成因及來源，研究母質(zhì)成熟度及天然氣次生變化。本文通過W 202區(qū)塊5口井在五峰組-龍馬溪組層位研究碳同位素的縱向變化規(guī)律，頁巖氣成因、成熟度及頁巖氣成藏機理，為頁巖氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地處于揚子準(zhǔn)地臺上偏西北一側(cè)。威遠構(gòu)造屬于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶，東及東北與安岳南江低褶皺帶相鄰，南與新店子向斜接自流井凹陷構(gòu)造群，北西界金河向斜與龍泉山構(gòu)造帶相望，西南與壽保場構(gòu)造鞍部相接(圖1)。威遠氣田發(fā)現(xiàn)了震旦系、寒武系、奧陶系、志留系以及茅口組、嘉陵江組6個含氣單元，其中下古生界志留系龍馬溪組頁巖具有厚度較大，含氣性較好，橫向分布穩(wěn)定的特點，根據(jù)威遠頁巖氣劃分方案將五峰組-龍馬溪組地層龍馬溪組進行三段劃分(龍三段、龍二段、龍一段)。在此基礎(chǔ)上，為了實際勘探生產(chǎn)方便，進一步將包括五峰組、龍一段在內(nèi)的頁巖氣勘探核心層段統(tǒng)一劃分為8個小層，具體劃分方案見圖2。

圖1 威遠構(gòu)造區(qū)域位置

圖2 威遠地區(qū)五峰組-龍馬溪組地層劃分方案

2 頁巖氣碳同位素地球化學(xué)特征

本次研究選取四川盆地威遠地區(qū)5口正鉆井WH 562、WH 583、WH 824、WH 826、WH 836井鉆井液氣樣、罐頂氣樣。兩種氣樣同深度，取樣層位均為五峰組-龍一段。

2.1 碳同位素分布特征統(tǒng)計

W 202區(qū)塊頁巖氣是非常優(yōu)質(zhì)的天然氣，烷烴氣的平均含量為98.99%，其中甲烷含量為95.52%～99.41%、平均含量為98.82%，乙烷含量為0.15%～1.12%，丙烷含量為0.01%～0.02%，不含丁烷；非烴氣體主要是CO2(0.02%～1.06%)和N2(0～2.86%)，不含H2S；天然氣濕度為0.26%～0.67%，是典型的干氣。甲烷碳同位素(δ13C1)平均值為-36.83‰，乙烷碳同位素(δ13C2)平均值為-38.15‰。因乙烷碳同位素具有較強的母質(zhì)繼承性，是區(qū)分煤型氣及油型氣的指標(biāo)[1]，學(xué)者研究認(rèn)為油型氣(或腐泥型氣)δ13C2<-29‰，煤型氣(或腐殖型氣)δ13C2>-28‰；隨著深度、成熟度的增加，油型氣或者煤型氣乙烷碳同位素值都會增加[2]。因五峰組-龍馬溪組頁巖為偏腐泥型烴源巖，其生烴能力較強，錄井段成熟度主要為成熟-過成熟階段(Romax為2.73%，Romin為1.99%，Roavg為2.41%)，在高-過成熟度階段(Ro>2.0%)。依據(jù)本次分析數(shù)據(jù)，結(jié)合戴金星等[3]研究天然氣成因圖板(圖3、圖4)，確定本區(qū)塊頁巖氣成因為高成熟度油型氣。

本次錄井共分析鉆井液氣樣805個，統(tǒng)計的主要烷烴氣碳同位素分布特征見表1：甲烷碳同位素分布范圍-39.14‰～-33.13‰，主要分布在-38‰～-36‰，平均值-36.83‰(圖5)；乙烷碳同位素分布范圍-42.47‰～-34.34‰，主要分布在-40‰～-36‰，平均值-38.15‰(圖6)；丙烷碳同位素分布范圍-36.81‰～-29.11‰，主要分布在-34‰～-32‰，平均值-32.85‰(圖7)。碳同位素正常分布特征為δ13C1<δ13C2<δ13C3,而W 202區(qū)塊碳同位素分布特征為δ13C2<δ13C1<δ13C3，表明出現(xiàn)碳同位素部分倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖8)。

2.2 碳同位素縱向分布特征

頁巖氣形成過程一般都會經(jīng)歷干酪根裂解生氣階段、生油階段、油裂解生氣階段、氣裂解階段等，不同演化階段產(chǎn)生的烷烴氣體具有不同的碳同位素組成特征。W 202區(qū)塊頁巖氣成因為高成熟度油型氣，縱向上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：甲烷碳同位素⑥→②層變化中隨著深度增加，碳同位素值變輕，并在②層中趨于穩(wěn)定(②層碳同位素的變化范圍為-38.26‰～-36.73‰)；乙烷、丙烷碳同位素⑥→③層變化中隨著深度增加同位素值變輕，并在②層隨著深度增加碳同位素值變重，在②底部趨于穩(wěn)定(圖9)。

圖3 δ13C1-δ13C2-δ13C3烷烴成因鑒別圖

圖4 干燥系數(shù)與甲烷碳同位素成因鑒別圖

表1 碳同位素分布頻率統(tǒng)計 /‰

圖5 甲烷碳同位素頻率分布圖

圖6 乙烷碳同位素頻率分布圖

圖7 丙烷碳同位素頻率分布圖

圖8 碳同位素倒轉(zhuǎn)圖

圖9 WH 826井碳同位素錄井圖

碳同位素這種縱向分布特征的原因在于：(1)在生烴母質(zhì)變化不大的情況下原油裂解氣碳同位素組成相對干酪根裂解氣偏輕，原油裂解氣所占比例越大，則碳同位素組成越輕；③、④層以原油裂解為主，導(dǎo)致該階段乙烷、丙烷同位素變輕。(2)②層隨著深度增加乙烷、丙烷碳同位素增加變重原受HICE事件影響[4-8]，奧陶紀(jì)與志留紀(jì)之交赫南特階沉積時期存在一次全球范圍的碳同位素值正偏為標(biāo)志的 HICE事件(δ13Corg有機質(zhì)碳同位素和δ13Ccarb碳酸鹽巖碳同位素值都在赫南特階發(fā)生正偏移)[3-6]，該事件發(fā)生層位為五峰組即筆石帶(WF3)頂部至帶(WF4)底部，龍馬溪組即筆石帶(LM1)中部至帶(LM2)底部，相當(dāng)于威遠區(qū)塊①層，造成龍一段底部乙烷和丙烷碳同位素變重。

2.3 頁巖氣倒轉(zhuǎn)原因研究

W 202區(qū)塊具有碳同位素部分倒轉(zhuǎn)特征(δ13C2<δ13C1<δ13C3，圖10)，碳同位素倒轉(zhuǎn)往往預(yù)示著良好產(chǎn)能。王鵬等[9-10]研究認(rèn)為，烷烴氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的原因主要為：(1)有機氣和無機氣的混合；(2)煤成氣和油型氣的混合；(3)同型不同源天然氣混合；(4)同一烴源巖不同熱演化程度天然氣的混合；(5)細菌氧化作用的影響。

圖10 WH 834井碳同位素錄井圖

W 202區(qū)塊天然氣中烷烴以甲烷為主，甲烷含量 占99%以上；因威遠地區(qū)坳陷構(gòu)造運動相對穩(wěn)定，不存在與地幔溝通的深大斷裂，因此可以排除無機碳成因引起碳同位素倒轉(zhuǎn)。細菌氧化作用會使烷烴組分含量降低，同時使該組分碳同位素變重；本區(qū)塊烷烴氣含量都是隨烷烴碳數(shù)增大而依次遞減，同時細菌活動的溫度一般在75℃以下，相當(dāng)于正常地溫梯度下地層深度2 000 m左右；本區(qū)塊有烷烴氣碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象的主要產(chǎn)層的埋深通常都超過3 300 m，因此W 202區(qū)塊碳同位素倒轉(zhuǎn)不是細菌氧化作用造成的。依據(jù)W 202區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖為偏腐泥型烴源巖，錄井段成熟度主要為成熟-過成熟階段(Romax2.73%，Romin1.99%，Roavg2.41%)，在高-過成熟度階段(Ro>2.0%)，結(jié)合碳同位素數(shù)據(jù)可以判斷本區(qū)塊頁巖氣為高成熟度油型氣成因，可以排除煤成氣和油型氣混合造成碳同位素倒轉(zhuǎn)。

綜合上述分析得知，同型不同源天然氣混合、同源不同期天然氣混合是造成W 202區(qū)塊碳同位素倒轉(zhuǎn)的主要原因。

3 結(jié) 論

(1)W 202區(qū)塊頁巖氣成因為高成熟度油型氣。

(2)W 202區(qū)塊碳同位素縱向分布受原油裂解及HICE事件影響。

(3)W 202區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣頁巖成熟度高，碳同位素具有倒轉(zhuǎn)特征，生產(chǎn)氣甲烷含量高(98.59%)，干燥系數(shù)高(>99%)，說明了該區(qū)處于干氣生氣窗，對于自生自儲，自封閉體系的頁巖氣，此階段為產(chǎn)氣高峰，預(yù)示著良好產(chǎn)能，因此可以將②層底部作為開發(fā)主要目的層。