川中公山廟地區(qū)侏羅系天然氣地球化學特征

陳 飛 何小平 梁紹洪

（1.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，四川 南充 637000；2.中國石化中原油田采油一廠地質(zhì)研究所，河南 濮陽 457171）

0 引言

天然氣地球化學特征受控于天然氣母質(zhì)及后期運移作用，所以現(xiàn)今氣藏中的天然氣地球化學特征蘊含了豐富的天然氣成因、成熟度、運移等基本地球化學特征。天然氣中天然氣組分、碳同位素、輕烴指紋及稀有氣體是天然氣研究的主要內(nèi)容，它們有效的結(jié)合，極大地豐富了天然氣研究內(nèi)容，使得天然氣地球化學特征在判別天然氣中是否有無機成因氣、示綜油氣運移路徑、確定大地熱流值、判斷構(gòu)造活動性等方面發(fā)揮了重要的作用。

前人對川中公山廟地區(qū)儲層特征及沉積特征均作了大量的研究［1-3］，但是對研究區(qū)天然氣地球化學特征及氣源關(guān)系的研究較少，而天然氣地球化學特征蘊含了豐富的地質(zhì)及油氣信息，天然氣的氣源關(guān)系不僅反映了天然氣的來源，同時對指導天然氣勘探開發(fā)也具有十分重要的意義。因此，有必要對研究區(qū)天然氣地球化學特征及氣源關(guān)系進行深入認識。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

公山廟構(gòu)造位于四川盆地川中油氣區(qū)內(nèi)，地理位置上位于四川省西充、南部、儀隴、蓬安諸縣境內(nèi)，構(gòu)造分區(qū)上隸屬于川中古隆起營山構(gòu)造群， 西以葫蘆溪向斜與八角場構(gòu)造相隔，東鄰營山構(gòu)造，南隔紅花鋪向斜與南充構(gòu)造相望，東北與洪山場向斜相接，勘探面積為1 700 km2［1-2］。目前發(fā)現(xiàn)的公山廟地區(qū)油氣資源主要來自中、下侏羅統(tǒng)，尤其是在中侏羅統(tǒng)沙一段已獲得了豐富的油氣資源。前人對川中地區(qū)的研究表明，侏羅系下伏上三疊統(tǒng)須家河組發(fā)育了須一段、須三段、須五段3個重要的煤系烴源巖層，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，有機質(zhì)豐度高（平均有機碳含量大于2%），有機質(zhì)成熟度高（Ro值為1.02%～1.59%）［4］，成烴方向主要為煤型氣，須家河組天然氣主要來自須家河組煤系烴源巖。川中地區(qū)侏羅系中，僅在下侏羅統(tǒng)大安寨段與中侏羅統(tǒng)涼高山組有烴源巖發(fā)育，烴源巖平均厚度為45 m左右，有機質(zhì)豐度較高（有機碳含量通常大于1%），成熟度較低（Ro值為0.70% ～1.12%），但已達到成熟階段，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型與I型［5］，成烴方向主要為油型氣。

2 天然氣地球化學特征

2.1 基本組分特征

本次研究收集了川中公山廟地區(qū)侏羅系天然氣樣品11件，從樣品天然氣組分特征來看（表1），研究區(qū)天然氣以烴類氣體為主，烴類氣體含量高達95%以上，非烴類天然氣含量較低；烴類氣體中又以甲烷含量為主，其次為乙烷和丙烷，天然氣中重烴含量相對較高，平均值為17.09%，由于重烴含量較高，故而研究區(qū)天然氣干燥系數(shù)較低，平均值僅為0.82，說明研究區(qū)天然氣整體以濕氣為主。同時研究區(qū)天然氣中各烴類組分含量變化范圍均較大，干燥系數(shù)也表現(xiàn)出較大的變化范圍（表1）。從研究區(qū)天然氣甲烷含量與干燥系數(shù)關(guān)系圖（圖1）中，可以看出研究區(qū)天然氣甲烷含量為65%～85%、干燥系數(shù)為0.7～0.85，天然氣甲烷含量低，干燥系數(shù)低。另外少部分天然氣樣品甲烷含量在90%左右，干燥系數(shù)大于0.9，該類天然氣甲烷含量及干燥系數(shù)明顯偏高。研究區(qū)天然氣甲烷含量及干燥系數(shù)的明顯差異，表明天然氣可能有不同的來源。根據(jù)研究區(qū)烴源巖發(fā)育特征，下侏羅統(tǒng)及上三疊統(tǒng)均有烴源巖發(fā)育，若天然氣僅來自某一套烴源巖，則它們的干燥系數(shù)不會有如此明顯的差異，因此研究區(qū)侏羅系天然氣可能來自上三疊統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)烴源巖的共同貢獻?？紤]上三疊統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)烴源巖埋深關(guān)系，來自上三疊統(tǒng)烴源巖具有更高的甲烷含量與干燥系數(shù)，所以，研究區(qū)侏羅系中少數(shù)較高甲烷含量（90%左右）天然氣可能來自上三疊統(tǒng)須家河組烴源巖。前人研究也表明［5］12，川中地區(qū)來自須家河組烴源巖的天然氣甲烷含量為88%～96%，這進一步證實了研究區(qū)部分高甲烷含量天然氣來自上三疊統(tǒng)須家河組烴源巖。而研究區(qū)更多的甲烷含量較低（小于85%）的天然氣則來自下侏羅統(tǒng)烴源巖。

為了更好地探討侏羅系天然氣與上三疊統(tǒng)天然氣的關(guān)系，本次研究對侏羅系與上三疊統(tǒng)天然氣甲烷含量與重烴含量（C2+）的相關(guān)性進行了分析（圖2）。從圖2可以看出，侏羅系天然氣與上三疊統(tǒng)天然氣烷烴氣含量差異較為明顯，中、下侏羅統(tǒng)主體表現(xiàn)為甲烷含量低、乙烷含量高、丙烷含量高、重烴含量高，上三疊統(tǒng)天然氣則相反，體現(xiàn)了它們氣源的差異。由于上三疊統(tǒng)天然氣主要來自上三疊統(tǒng)煤系烴源巖，侏羅系天然氣甲烷含量更低、重烴含量更高，所以來自上三疊統(tǒng)之上烴源巖，結(jié)合其發(fā)育特征，侏羅系天然氣主要來自下侏羅統(tǒng)烴源巖。同時，部分侏羅系天然氣甲烷含量、乙烷含量、丙烷含量及重烴含量與上三疊統(tǒng)天然氣較為一致，說明侏羅系部分天然氣來自上三疊統(tǒng)煤系烴源巖。

圖1 公山廟地區(qū)侏羅系天然氣甲烷含量與干燥系數(shù)關(guān)系圖

圖2 天然氣中甲烷及重烴體積分數(shù)星形圖

2.2 碳同位素特征

戴金星（1993）對中國天然氣碳同位素的研究表明，不論是有機成因煤型氣還是油型氣，都有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正碳同位素分布特征，部分天然氣受天然氣成因、氣源差異、后期作用等影響可能出現(xiàn)局部倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，而無機成因烷烴氣則表現(xiàn)為δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的碳同位素分布特征［6］，因此可以通過天然氣中主要烷烴氣碳同位素特征來識別天然氣成因及氣源關(guān)系等。從研究區(qū)天然氣樣品碳同位素組合特征來看（圖3），天然氣樣品碳同位素值均表現(xiàn)出δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素系列特征，表明研究區(qū)天然氣為有機成因氣。同時，研究區(qū)天然氣未發(fā)現(xiàn)碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表明研究區(qū)天然氣成因特征及氣源關(guān)系相對簡單。

表1 公山廟侏羅系天然氣組分及干燥系數(shù)統(tǒng)計表

圖3 侏羅系天然氣碳同位素分布特征圖

前人研究表明，腐殖型有機質(zhì)主要由相對富集δ13C2的芳香結(jié)構(gòu)組成，腐泥型有機質(zhì)主要由相對富集δ13C2的脂肪族結(jié)構(gòu)組成，腐殖型有機質(zhì)主要生成煤型氣，腐泥型有機質(zhì)主要成油，后期油裂解成氣，所以相同或相近成熟度源巖形成的煤型氣烷烴碳同位素大于油型氣烷烴對應(yīng)值［6］4-5。干酪根中的碳同位素具有很強的遺傳性，可以傳遞給它生成的烷烴氣，甲烷同位素除了受母質(zhì)類型的控制外，同時受熱演化程度的影響。相對于甲烷，乙烷同位素主要受母質(zhì)類型的控制，所以源巖的碳同位素對乙烷具有更強的傳遞性，剛文哲等（1997）通過實驗?zāi)M證實了該結(jié)論［7］。乙烷碳同位素對母質(zhì)的繼承性，使得它成為天然氣成因類型劃分的重要方法。張士亞等［8］根據(jù)我國大量天然氣乙烷碳同位素的統(tǒng)計分析認為：腐泥型天然氣δ13C2值小于-28‰，腐殖型天然氣δ13C2值大于-28‰。為了更好地說明研究區(qū)侏羅系天然氣成因特征，本次收集了部分川中地區(qū)上三疊統(tǒng)腐泥型天然氣樣品的碳同位素數(shù)據(jù)，進行對比分析。從侏羅系與上三疊統(tǒng)天然氣甲烷與乙烷碳同位素關(guān)系圖可以看出（圖4），上三疊統(tǒng)與侏羅系天然氣甲烷、乙烷碳同位素值有明顯的差異，上三疊統(tǒng)天然氣乙烷碳同位素值均大于-28‰，進一步證實了上三疊統(tǒng)天然氣的煤型氣成因特征，與上三疊統(tǒng)發(fā)育多套煤系烴源巖的地質(zhì)特征相符；而侏羅系天然氣乙烷碳同位素以小于-28‰為主，表明侏羅系天然氣以油型氣為主。從研究區(qū)烴源巖發(fā)育特征來看，侏羅系天然氣主要來自以有機質(zhì)類型Ⅱ1型與I型為主的下侏羅統(tǒng)烴源巖。

圖4 天然氣甲烷、乙烷碳同位素關(guān)系圖

同時，天然氣甲烷碳同位素特征也支持了侏羅系與上三疊統(tǒng)天然氣成因及氣源差異。相對于乙烷碳同位素對天然氣成因有很好的繼承性，甲烷碳同位素對天然氣成熟度則表現(xiàn)出更好的繼承性，成熟度越高甲烷碳同位素值越大，從圖4可以看出上三疊統(tǒng)天然氣甲烷碳同位素值明顯大于侏羅系天然氣，即上三疊統(tǒng)天然氣成熟度更高于下侏羅統(tǒng)，所以它們來自不同的烴源巖。結(jié)合烴源巖發(fā)育特征，上三疊統(tǒng)天然氣來自埋深更大的上三疊統(tǒng)煤系烴源巖，而侏羅系天然氣則來自埋深相對較淺的下侏羅統(tǒng)腐泥型干酪根為主的烴源巖，故而天然氣成因差異明顯。

另外，從圖4中可以看出，有一個侏羅系天然氣樣品，不論是甲烷碳同位素值還是乙烷碳同位素值都與上三疊統(tǒng)天然氣碳同位素值相似，這說明侏羅系部分天然氣樣品來自上三疊統(tǒng)烴源巖。

國內(nèi)外很多學者都注意到天然氣中主要烷烴氣碳同位素（δ13C）與天然氣成熟度值（Ro）之間有很好的正相關(guān)性，同時也提出了很多的δ13C與Ro的關(guān)系式［6，9］，最為常用的為戴金星（1987）提出的不同成因氣δ13C-Ro關(guān)系式（油型氣：δ13C1=15.80 lg Ro-42.20；煤型氣：δ13C1=14.12 lg Ro-34.39）［6］4-5，利用這些關(guān)系式可以獲得天然氣的成熟度、成因及來源等重要信息。根據(jù)戴金星煤型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算研究區(qū)天然氣成熟度Ro值，計算天然氣成熟度Ro值僅為0.14%～0.27%，顯然不符合研究區(qū)侏羅系天然氣有機成因氣的特征，所以不能利用煤型氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算研究區(qū)侏羅系天然氣成熟度值。選用油型氣δ13C1與Ro的關(guān)系式計算研究區(qū)侏羅系天然氣的成熟度值，計算天然氣成熟度Ro值主要分布在0.6%～1.0%之間，符合有機成因氣的特征，表明研究區(qū)侏羅系天然氣主要分布在成熟階段。侏羅系天然氣δ13C1-Ro關(guān)系式計算成熟度值與陳盛吉等［5］14實測侏羅系天然氣烴源巖成熟度0.70%～1.12%十分相似，說明按油型氣δ13C1-Ro關(guān)系計算的研究區(qū)天然氣成熟度值與實際相符，同時也說明研究區(qū)天然氣主要為油型氣，天然氣的成因結(jié)合烴源巖特征體現(xiàn)了研究區(qū)侏羅系天然氣的氣源主要來自下侏羅統(tǒng)烴源巖。

2.3 輕烴特征

C7輕烴系列中的正庚烷（nC7）、甲基環(huán)己烷（MCC6）及二甲基環(huán)戊烷（DMCC5）有著不同的母質(zhì)來源，不同成因天然氣具有不同的富C7輕烴特征，所以可以根據(jù)該特征判別天然氣的成因類型。通常，正庚烷主要來自藻類和細菌，對成熟作用敏感，是良好的成熟度指標；甲基環(huán)己烷主要來源于高等植物木質(zhì)素、纖維素糖類等，且熱力學性質(zhì)穩(wěn)定，是指示有機質(zhì)生源的良好參數(shù)，它的大量存在是煤成氣中輕烴的一個重要特征；各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷主要來自水生生物的類脂化合物，甾族類化合物和萜類化合物中的環(huán)狀類脂體，它的大量出現(xiàn)是油型氣輕烴的重要特征。

從川中公山廟侏羅系天然氣C7輕烴三角圖（圖5）來看，侏羅系天然氣主要分布在Ⅰ與Ⅱ干酪根成因氣分界線附近，表明研究區(qū)天然氣主要為Ⅱ1型與I型干酪根成因氣，即油型氣，與上文碳同位素分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

對川中公山廟地區(qū)天然氣的基本組分、碳同位素、輕烴等基本地球化學特征進行了分析，結(jié)果表明研究區(qū)天然氣主要為濕氣，天然氣以腐泥型干酪根成因油型氣為主，部分天然氣為腐殖型干酪根成因煤型氣。碳同位素計算研究區(qū)天然氣成熟度Ro值為0.6%～1.0%，天然氣處于成熟階段，計算天然氣成熟度值與實測天然氣成熟度值一致。天然氣組分與碳同位素特征分析均表明，研究區(qū)天然氣主要來自中、下侏羅統(tǒng)烴源巖，部分來自上三疊統(tǒng)烴源巖。

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