川西北部河灣場(chǎng)氣田天然氣地球化學(xué)特征及其氣源探討

摘 要

摘要：位于川西北部的河灣場(chǎng)氣田為多烴源、多儲(chǔ)層、多產(chǎn)層的復(fù)合型氣田，由于過(guò)去勘探開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象為淺層陸相天然氣，對(duì)其深層天然氣成因和氣源還未做過(guò)系統(tǒng)研究。為此，根據(jù)河灣
摘要：位于川西北部的河灣場(chǎng)氣田為多烴源、多儲(chǔ)層、多產(chǎn)層的復(fù)合型氣田，由于過(guò)去勘探開(kāi)發(fā)的主要對(duì)象為淺層陸相天然氣，對(duì)其深層天然氣成因和氣源還未做過(guò)系統(tǒng)研究。為此，根據(jù)河灣場(chǎng)地區(qū)以及鄰區(qū)的天然氣組分、天然氣碳同位素和天然氣濃縮烴資料，結(jié)合區(qū)域烴源巖和儲(chǔ)層瀝青分析資料，研究了該氣田天然氣的地球化學(xué)特征及其氣源。結(jié)果表明：各地質(zhì)層位的天然氣均表現(xiàn)為不合硫化氫的干氣特征；其中奧陶系、二疊系天然氣的碳同位素特征與川東石炭系天然氣特征極為相似，且天然氣具有原油二次裂解氣的特征，根據(jù)該區(qū)儲(chǔ)層瀝青的分布規(guī)律，認(rèn)為奧陶系、二疊系天然氣來(lái)源于志留系；而下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組天然氣則源于二疊系碳酸鹽巖油型氣與上二疊統(tǒng)吳家坪組煤成氣的混合氣。
關(guān)鍵詞：天然氣組分；碳同位素；濃縮輕烴；原油二次裂解氣；氣源對(duì)比；天然氣成因；河灣場(chǎng)地區(qū)；四川盆地
    川西北部河灣場(chǎng)構(gòu)造位于四川盆地北部廣元市境內(nèi)，位于龍門山山前帶斷褶構(gòu)造帶近北端，為一與龍門山脈大致平行的北東東向短軸背斜，北西與南東兩翼分別有走馬嶺向斜和射箭河向斜相隔，構(gòu)造完整。根據(jù)鉆井揭示及地表露頭，該地區(qū)除石炭系地層缺失外，從震旦系至侏羅系均有不同程度的分布。氣田主要產(chǎn)層均為海相碳酸鹽巖地層，分別為下古生界奧陶系寶塔組(02b)，二疊系茅口組(P1m)、吳家坪組(P2w)以及下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)。
   該區(qū)儲(chǔ)層較川西北部地區(qū)取得產(chǎn)能的中三疊統(tǒng)雷口坡組(中壩)和上三疊統(tǒng)須家河組(中壩、九龍山)層位老，埋藏深，從鉆探情況看，下古生界儲(chǔ)層埋深較大，一般在4500m左右。河灣場(chǎng)氣田為多烴源、多儲(chǔ)層、多產(chǎn)層的復(fù)合型氣田[1]，前人對(duì)其深層天然氣成因和氣源還未做過(guò)系統(tǒng)研究。為此，筆者分別根據(jù)天然氣組分、天然氣碳同位素以及天然氣濃縮烴特征來(lái)研究該區(qū)各層位深層天然氣氣源。
1 氣田天然氣地球化學(xué)特征
1.1 天然氣組分特征
   該區(qū)各層位天然氣組成均表現(xiàn)為以甲烷為主，甲烷含量超過(guò)95%，平均為96.65%；乙烷含量很低，均小于1%，平均為0.53%；干燥系數(shù)(C1/C2+)值大，均超過(guò)100，最高可達(dá)173.44，平均為144.04，屬于典型于氣，從干燥系數(shù)看，整體具有由下到上增大的趨勢(shì)。
    河灣場(chǎng)氣田各層位天然氣中H2S含量低，從鄰區(qū)取得的天然氣樣品看該區(qū)總體H2S含量較低或者不含H2S氣體。其天然氣組分特征與鄰區(qū)射箭河、九龍山地區(qū)相當(dāng)，而與礦山梁、吳家壩地區(qū)存在一定差異。其差異主要體現(xiàn)在甲烷含量以及非烴氣體N2和C02含量上(表1)：河灣場(chǎng)、九龍山、射箭河地區(qū)甲烷含量明顯高于礦山梁和吳家壩地區(qū)，但非烴氣體中的N2和C02則存在互補(bǔ)的特征。從干酪根類型與演化看，烴源巖早期以生油為主，僅產(chǎn)少量伴生氣，二、三疊系以及奧陶系甲烷平均含量高達(dá)96.65%，C2+平均值低到0.54%，說(shuō)明烴源巖成熟度較高，區(qū)內(nèi)天然氣已屬高溫裂解氣[2]。
1.2 天然氣碳同位素特征
    從天然氣碳同位素特征看，河灣場(chǎng)氣田不同層位天然氣碳同位素值的差異預(yù)示著該區(qū)有著不同的天然氣來(lái)源和次生變化。各層位天然氣碳同位素分析結(jié)果表明，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組甲烷碳同位較重，一般重于-32‰，而深層的二疊系和奧陶系天然氣甲烷碳同位素值卻較上覆的飛仙關(guān)組輕，一般輕于-35‰，該區(qū)不同層位天然氣甲烷碳同位素存在一定差異。此外，天然氣乙烷碳同位素也反映出二疊系與奧陶系較為接近，而與上覆的飛仙關(guān)組存在較大差異。這些差異都反映出該區(qū)不同層位天然氣來(lái)源具有差異。從天然氣碳同位素序列看，除奧陶系天然氣碳同位素值倒轉(zhuǎn)外，其他層位天然氣碳同位素均是正碳同位素值序列特征，天然氣碳同位素序列表現(xiàn)出該區(qū)天然氣為有機(jī)成因天然氣(表2)。奧陶系碳同位素值倒轉(zhuǎn)可能與該區(qū)天然氣成藏過(guò)程有關(guān)[3]。
2 深層天然氣的氣源探討
    根據(jù)天然氣甲、乙烷碳同位素碳交會(huì)圖(圖1)、天然氣濃縮烴C7三角圖(圖2)、天然氣濃縮烴特征(表3)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景認(rèn)為河灣場(chǎng)氣田天然氣可分為2類：一類為奧陶系、二疊系天然氣；另一類為下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組天然氣。與油型氣相比，熱力作用下形成的煤成氣具有重的甲烷碳同位素，總體上δ13C1分布在-45‰～-20%，天然氣組分相對(duì)較干，δ13C1一般大于-27‰。其中尤以乙烷碳同位素最為重要，它受成熟度和次生變化小，是母質(zhì)類型的最好體現(xiàn)。
2.1 奧陶系、二疊系氣源
   在判斷天然氣成因類型中，天然氣碳同位素具有十分重要的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)大量研究。據(jù)戴金星等(1997)研究，油型氣δ13C1分布在-55‰～-30‰范圍，δ13C2＜-30‰，δ13C3＜-30‰，當(dāng)熱演化程度Ro超過(guò)2.0%時(shí)，δ13C1＞-36‰。
   沈平(2005)根據(jù)天然氣乙烷碳同位素特征，將四川盆地海相地層天然氣劃分為3種類型。第一類是δ13C1＜-34.0‰，最輕為-37.0‰左右(如福成寨石炭系)，川東絕大部分石炭系，尤其是川東北地區(qū)基本屬于這一類。王廷棟等(1994)曾利用儲(chǔ)層瀝青和氣體地球化學(xué)特征綜合判斷為志留系腐泥型烴源巖成因。第二類是δ13C2＞-30.0‰，如典型的煤成氣板東4井P22和臥龍河部分下二疊統(tǒng)天然氣，前人研究表明它們主要屬于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系有機(jī)質(zhì)成因(楊遠(yuǎn)聰?shù)龋?989；王廷棟等，1994；鄭永堅(jiān)，1995；王蘭生等，1997)。第三類δ13C2介于-34.0‰～-30.0‰，主要分布在川東北二疊系和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組中，在平面上環(huán)開(kāi)江-梁平海槽分布或直接分布在開(kāi)江-梁平海槽中，該類氣體碳同位素組成特征與來(lái)源于志留系的腐泥型天然氣和來(lái)源于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤成氣(腐殖氣)明顯不同。河灣場(chǎng)氣田奧陶系、二疊系地層天然氣δ13C1介于-35.65‰～-35.40‰，δ13C2介于-35.35‰～-36.34‰，乙烷碳同位素明顯低于-34‰，具有典型的腐泥型天然氣特征。與此同時(shí)該區(qū)天然氣乙烷碳同位素與川東和川東北地區(qū)二、三疊系天然氣存在明顯的差別，明顯偏輕。河灣場(chǎng)氣田乙烷碳同位素與川東北地區(qū)石炭系天然氣乙烷碳同位素大致相當(dāng)(表2、圖3)。其相同或者相近的乙烷碳同位素特征預(yù)示它們有著相同的來(lái)源。
 

    既然河灣場(chǎng)奧陶系、二疊系天然氣與川東石炭系天然氣都來(lái)源于志留系烴源巖，為何甲烷碳同位素差異這么大呢?在天然氣生成過(guò)程中，存在著2種成因的天然氣，即干酪根裂解氣和原油裂解氣。對(duì)于多期成藏的盆地，早期形成的古油藏隨埋深的增大其溫度增高，古油藏中的原油必然要發(fā)生二次裂解而形成天然氣。干酪根裂解和原油裂解形成的天然氣中的C1/C2與C2/C3值完全不同：干酪根裂解所形成的天然氣ln(C1/C2)值變化較大，ln(C2/C3)值變化較小；而原油二次裂解形成的天然氣ln(C1/C2)值變化較小，ln(C2/C3)值變化范圍較大[4～9]。由圖4可見(jiàn)，河灣場(chǎng)氣田的天然氣具有原油二次裂解氣的特征。此外，川西北部地區(qū)經(jīng)歷了古油氣藏的形成及多期成藏過(guò)程，且泥盆系-侏羅系儲(chǔ)層中廣泛分布瀝青也說(shuō)明該區(qū)存在大量原油裂解氣提供了依據(jù)。
 

    河深1井奧陶系天然氣表現(xiàn)出甲、乙烷碳同位素的倒轉(zhuǎn)，可能與不同成熟階段生成的天然氣混合有關(guān)，也可能與天然氣的再分配有關(guān)。從縱向上看，二疊系天然氣碳同位素表現(xiàn)為δ13C1＜δ13C2的正碳同位素系列，但兩者相差不大，且干燥系數(shù)C1/C2+相對(duì)S—O天然氣普遍較高，可能與天然氣的運(yùn)移分餾效應(yīng)有關(guān)。綜合以上認(rèn)識(shí)，認(rèn)為河灣場(chǎng)奧陶系、二疊系天然氣來(lái)源于志留系且應(yīng)屬于原油裂解氣成因。
2.2 下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組氣源
    前人研究表明，川西北部地區(qū)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組烴源條件極差，已歸屬非烴源巖之列，所產(chǎn)天然氣主要?dú)庠磻?yīng)來(lái)自下伏烴源巖，且具有混合氣特征。從天然氣碳同位素分析，δ13C1、δ13C2明顯較二疊系天然氣重3.35‰～4.91‰，而地層的實(shí)際埋深卻比二疊系淺600～700m，如果與奧陶系、二疊系天然氣同源的話，根據(jù)天然氣同位素分餾效應(yīng)三疊系碳同位素本應(yīng)比二疊系碳同位素輕才與實(shí)際情況相符。飛仙關(guān)組天然氣表現(xiàn)為δ13C1＜δ13C2的正碳同位素系列，但兩者相差不大，其天然氣碳同位素特征與川東寶1井長(zhǎng)興組天然氣具有相似的碳同位素組成特征(表2)，具有沈平(2005)分類的第三類組成特征及混源特征。前人研究表明，該區(qū)P。砌底部的“王坡頁(yè)巖”可能是飛仙關(guān)組的烴源層之一；此外從天然氣乙烷碳同位素看，δ13C2＜-28‰，應(yīng)歸屬油型氣范疇，但特征不如二疊系明顯。總之，飛仙關(guān)組天然氣甲烷碳同位素具煤成氣特點(diǎn)，而乙烷碳同位素又具油型氣特征。因此推測(cè)河灣場(chǎng)飛仙關(guān)組天然氣可能是二疊系碳酸鹽巖油型氣與上二疊統(tǒng)吳家坪組煤成氣的混合所致。
3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    1) 河灣場(chǎng)氣田各層位天然氣均表現(xiàn)為甲烷含量超過(guò)95%，平均為96.65%；乙烷含量很低，均小于1%，平均為0.53%；干燥系數(shù)(C1/C2+)大，均超過(guò)100，屬于典型干氣。
    2) 下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組甲烷碳同位較重，一般重于-32‰，而二疊系和奧陶系天然氣甲烷碳同位卻較上覆飛仙關(guān)組輕，一般輕于-35‰，該區(qū)不同層位天然氣碳同位素存在一定差異預(yù)示它們氣源和成因上存在一定差異。
    3) 河灣場(chǎng)氣田奧陶系、二疊系地層天然氣δ13C1在-35.65‰～-35.40‰之間，δ13C2在-35.35‰～-36.34‰，乙烷碳同位素明顯低于-34‰，具有典型的腐泥型天然氣特征，與川東和川東北地區(qū)二、三疊系天然氣存在明顯的差別，而與川東北地區(qū)石炭系天然氣乙烷碳同位素大致相當(dāng)。
    4) 結(jié)合該區(qū)儲(chǔ)層瀝青的廣泛分布認(rèn)為河灣場(chǎng)奧陶系、二疊系天然氣來(lái)源于志留系且應(yīng)屬于原油裂解氣成因；而河灣場(chǎng)飛仙關(guān)組天然氣可能是二疊系碳酸鹽巖油型氣與上二疊統(tǒng)吳家坪組煤成氣的混合所致。
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(本文作者：黃東1 戴鑫2 戴赟2 朱永剛3 楊毅3 裴森奇3 1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；2.西南石油大學(xué)；3.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦)