川東北元壩地區(qū)中淺層天然氣氣源及成因類型

摘 要

摘要：川東北元壩地區(qū)中淺層(中三疊統(tǒng)雷口坡組及其以上地層)正在逐漸成為四川盆地天然氣勘探的重要接替領(lǐng)域之一，由于該區(qū)油氣系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，查明其油氣源及天然氣成因類型，便顯得
摘要：川東北元壩地區(qū)中淺層(中三疊統(tǒng)雷口坡組及其以上地層)正在逐漸成為四川盆地天然氣勘探的重要接替領(lǐng)域之一，由于該區(qū)油氣系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，查明其油氣源及天然氣成因類型，便顯得尤為重要。為此，在分析該區(qū)烴源巖分布及地化指標的基礎(chǔ)上，重點研究了天然氣組成、碳氫同位素組成、硫化氫含量等地球化學特征，結(jié)合地層壓力、斷裂系統(tǒng)分布等地質(zhì)特征，初步確定了該區(qū)中淺層天然氣的來源：來自陸相地層本身，而非海相氣源；自流井組為“自生自儲”成藏模式，雷口坡組屬于“倒灌”成藏模式。并根據(jù)目前應(yīng)用較廣泛的ln(C2/C3)—ln(C1/C2)等關(guān)系圖版，基本明確了該區(qū)中淺層天然氣的成因類型：中淺層天然氣主要由干酪根直接裂解形成，但自流井組天然氣中存在少量原油二次裂解所形成的天然氣。
關(guān)鍵詞：元壩地區(qū)；烴源巖；氣源；干酪根裂解氣；原油裂解氣；碳同位素；氫同位素；四川盆地
    川東北地區(qū)地處米倉山、大巴山前緣，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動、油氣運聚成藏及調(diào)整改造，油氣系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，如何查明各層系油氣源就成為重要的課題；且隨著川東北普光氣田的發(fā)現(xiàn)，該區(qū)已成為油氣勘探的焦點地區(qū)之一，呈現(xiàn)出海陸相立體勘探的良好局面。其中，元壩地區(qū)中淺層(雷口坡組及其以上地層)正逐漸成為勘探的接替領(lǐng)域。因此，科學查明該區(qū)的油氣源問題、天然氣成因類型及資源背景，就顯得尤為重要。
1 烴源巖分布及其地化特征
    前期研究表明，川東北陸相發(fā)育上三疊統(tǒng)須家河組、下侏羅統(tǒng)自流井組、下侏羅統(tǒng)千佛崖組3套主力烴源巖。其中，須家河組時期，存在閬中-南部地區(qū)及宣漢達州西北緣兩個生烴中心，元壩地區(qū)須家河組烴源巖厚度介于160～220m(圖1)；自流井組時期同樣存在兩個生烴中心，分別位于元壩-閬中地區(qū)和宣漢-達州北緣，元壩地區(qū)自流井組烴源巖厚度介于160～260m；而千佛崖組時期的生烴中心則位于宣漢-達州地區(qū)，元壩地區(qū)該期烴源巖厚度介于120～140m。

    該區(qū)須家河組烴源巖殘余有機碳含量主要分布在1.0%～3.5%，平均值為1.87%；自流井組烴源巖殘余有機碳含量介于0.8%～3.0%，平均值為1.46%；千佛崖組烴源巖殘余有機碳含量介于0.4%～2.0%，平均值為1.23%。須家河組TOC＞1.0%的烴源巖樣品占76.8%，自流井組的占65.3%，千佛崖組占58.6%?？傮w上，須家河組烴源巖最好，千佛崖組相對較差。在有機質(zhì)類型上，須家河組主要以腐殖型有機質(zhì)占優(yōu)，兼有部分偏腐殖混合型；自流井組、千佛崖組以偏腐殖混合型為主，但仍含少量偏腐泥混合型和腐殖型有機質(zhì)。元壩地區(qū)陸相地層鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于1.3%～2.0%，現(xiàn)今仍處于有機質(zhì)演化的高成熟階段，以生氣為主。而海相上二疊統(tǒng)長興組、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的主要氣源——上二疊統(tǒng)吳家坪組烴源巖為泥巖、泥灰?guī)r，具有偏腐泥混合型有機質(zhì)特征，現(xiàn)今處于過成熟演化階段，與陸相烴源巖地化特征相比存在本質(zhì)的差異。
2 天然氣地球化學特征及氣源分析
2.1 天然氣地球化學特征
2.1.1天然氣組分
    首先，長興組天然氣表現(xiàn)出特別干燥的特征，干燥系數(shù)大(一般大于0.999)。甲烷含量高，除甲烷、乙烷外，丙烷以上組分含量甚微或者不含。而陸相天然氣，尤其是自流井組天然氣相對較濕，部分天然氣干燥系數(shù)達0.93，表現(xiàn)出較濕的特征，含有少量的戊烷以上等重烴組分(表1)。雷口坡組與須家河組天然氣特征接近，干燥系數(shù)均介于上述兩者之間，表現(xiàn)出相對較干燥特征，甲烷含量超過95%，乙烷以上等重烴含量很低，基本不含戊烷等以上重烴。

其次，長興組天然氣中普遍含有硫化氫，而陸相及雷口坡組天然氣中則不含硫化氫。從表1中明顯可以看出，長興組天然氣中C02含量較高，這可能是由于在測試過程中采用酸壓測試，酸與碳酸鹽巖反應(yīng)產(chǎn)生C02的緣故，導致含有較多的C02氣體。
2.1.2碳同位素
從天然氣甲烷碳同位素分析知(表2)，海相長興組天然氣甲烷碳同位素值(δ13C1)一般重于-30‰，而陸相及雷口坡組天然氣的δ13C1一般輕于-30‰，因此，長興組與陸相和雷口坡組天然氣δ13C1界限特征明顯。從目前數(shù)據(jù)可看出，雷口坡組、須家河組兩者的δ13C1較接近，較海相長興組稍輕，小于-30‰；而自流井組δ13C1則比長興組、雷口坡組、須家河組更輕，差異明顯，反映出自流井組埋藏較淺，演化程度較低的特點。

2.1.3氫同位素
根據(jù)前人對甲烷氫同位素的研究，通常認為烷烴氣的氫同位素首先制約于沉積環(huán)境，其次才是成熟度的影響。Schoell提出天然氣氫同位素組成隨烴源巖熱演化程度的增加變重，陸相淡水環(huán)境生成的熱成因甲烷的氫同位素組成小于-190‰，海相環(huán)境生成的甲烷的氫同位素組成大于-190‰[1]。沈平等研究發(fā)現(xiàn)中國陸相盆地天然氣甲烷的氫同位素組成介于-255‰～-158‰，其中海陸交互相的半咸水環(huán)境中生成的甲烷氫同位素值(δD)亦大于-190‰，而湖相、沼澤相的淡、微咸水環(huán)境生成的生物甲烷δD值一般小于-200‰[2～5]。王曉峰等對塔里木盆地海相和陸相環(huán)境生成的天然氣甲烷氫同位素進行研究后發(fā)現(xiàn)，二者基本以-170‰為界[3～6]。錢志浩等認為，四川盆地天然氣由于成熟度和共存水的影響，海陸相天然氣甲烷8D的劃分界限以-160‰為宜[6]。
    由圖2中可見，元壩地區(qū)海相長興組及飛仙關(guān)組的4個樣品點均落在右上角，甲烷氫同位素值(δD)大于-150%o；而雷口坡組及以上陸相地層樣品點則位于左下角，其δD普遍小于-150‰。由于二疊系為海相沉積環(huán)境，海水鹽度高，而陸相多為湖泊、沼澤相的淡水或微咸水沉積環(huán)境，水體鹽度低，加之下伏二疊系熠源巖比上覆陸相烴源巖具有更高的演化程度，因此，該區(qū)海陸相天然氣甲烷氫同位素值應(yīng)該同時受古沉積環(huán)境和演化程度的影響，結(jié)果導致天然氣的δD存在明顯差異。當然，母質(zhì)類型也是影響氫同位素分餾效應(yīng)的因素之一。
根據(jù)現(xiàn)有的地化分析成果，元壩地區(qū)海相長興組、飛仙關(guān)組與雷口坡組及以上地層之間天然氣δD的劃分界限應(yīng)該在-150‰附近(圖2、表2)。
 

2.2 天然氣氣源分析
2.2.1自流井組與須家河組天然氣差異特征地質(zhì)勘探
   總體上，自流井組珍珠沖段、東岳廟段及大安寨段天然氣組分特征與須家河組相比較具有干燥系數(shù)低、重烴含量高的特點，且自流井組天然氣甲烷碳同位素值比須家河組更輕，由化驗分析結(jié)果結(jié)合地質(zhì)特征，自流井組天然氣熱演化程度比須家河組要低(表3)。例如，YB03井東岳廟段(4035～4110m)天然氣組成中甲烷含量為91.79%，重烴含量為6.257%，干燥系數(shù)C1/C1-5=0.936，屬于偏干的濕氣，相當于高成熟階段天然氣。天然氣甲、乙、丙烷系列碳同位素值依次變重，且甲烷碳同位素值相對較輕，反映原地生成而且具有全捕獲的特征，也即聚集了低演化至目前高成熟階段的全系列天然氣，具有典型原地成藏的天然氣地球化學特征(表1、2)。
 

2.2.2雷口坡組成藏特征
   據(jù)氣井測試壓力資料，該區(qū)須家河組壓力系數(shù)普遍大于1.8，自流井組壓力系數(shù)超過1.9，而下伏雷口坡組壓力系數(shù)分布范圍為1.388～1.626。而且須家河組、雷口坡組之間具有印支期大型不整合面，并發(fā)育多條高角度逆沖斷層，這些斷層向上消失在下沙溪廟組地層，向下消失在嘉陵江組上部四段、五段膏巖層。另外，雷口坡組內(nèi)部也發(fā)育多套較厚膏巖層。
   因此，從上述分析知，由上覆須家河組向下伏雷口坡組存在天然氣運移、擴散的動力、通道，同時，雷口坡組以下海相地層的天然氣由于多套巨厚膏巖層的存在，幾乎不可能向上運移至雷口坡組頂部聚集成藏，且雷口坡組本身烴源巖不發(fā)育，僅提供少量有限的氣源供給，從而判斷雷口坡組氣藏應(yīng)該屬于上覆須家河組氣源“倒灌”成藏。
   綜合上述天然氣組分、碳氫同位素值及是否含硫化氫的特點，結(jié)合海陸相烴源巖地化特征分析，可以看出川東北元壩地區(qū)中淺層(包括雷口坡組及以上地層)天然氣與海相長興組、飛仙關(guān)組天然氣特征迥異，中淺層天然氣主要來源于陸相地層本身，目前尚未發(fā)現(xiàn)有海相來源天然氣的存在。
    雷口坡組天然氣組分及地化特征與須家河組最為接近，具有同源特征，綜合分析應(yīng)為須家河組來源的天然氣，主要沿印支期大型沉積間斷面及斷裂系統(tǒng)輸導、運移至雷口坡組頂部風化殼巖溶儲層富集成藏，形成“倒灌”成藏模式，這與鄰區(qū)龍崗地區(qū)雷口坡組的成藏模式是一致的。而在陸相地層中，自流井組天然氣與須家河組相比，具有相對較濕(重烴含量較高)、干燥系數(shù)較低、甲烷碳同位素偏輕以及演化程度較低的特征，表明自流井組天然氣與須家河組之間也存在差異，自流井組地層的天然氣整體上屬于“自生自儲”類型。
3 天然氣成因類型探討
    對于區(qū)分天然氣是由于酪根初次裂解氣或者原油二次裂解氣成因，目前，應(yīng)用較多的判識方法是Prinzhofer提出的ln(C2/C3)—ln(C1/C2)和δ13C2—δ13C3)與ln(C2/C3)關(guān)系圖[7～9]，黃光輝等也提出了C1/C2—C2/C3和100×C1/(C1—C5)～C2/C3關(guān)系圖[10]，李艷霞提出了輕烴指標判識標準[7]。筆者采用Prinzhofer提供的關(guān)系圖版判識元壩地區(qū)中淺層天然氣氣源類型。
3.1 須家河組與雷口坡組天然氣成因類型
    由前述分析知，雷口坡組天然氣源于須家河組，兩者屬同源類型天然氣。
3.1.1 ln(C2/C3)—ln(C1/C2)關(guān)系圖
    該圖版的理論依據(jù)來自Behar的不同類型干酪根(混合型和腐殖型)在封閉系統(tǒng)中的熱模擬實驗結(jié)果，即：干酪根初次裂解和原油二次裂解形成的天然氣的C1/C2和C2/C3完全不同，C2/C3比值在干酪根初次降解時增大，原油二次裂解時基本不變，相反，C2/C3比值在干酪根初次降解時基本不變(甚至可能變小)，但在原油二次裂解時急劇增大[7]。
    如圖3所示，須家河組天然氣組分ln(C1/C2)變化比較大，變化區(qū)間在4～6，數(shù)據(jù)點具有橫向散開分布的特點，而ln(C1/C2)變化比較小，基本維持在數(shù)值2附近，分布相對集中。因此，根據(jù)判識標準，該區(qū)須家河組天然氣氣源類型應(yīng)屬于干酪根裂解氣的范疇。

3.1.2 (δ13C2—δ13C3)—ln(C2/C3)關(guān)系圖
    根據(jù)Prinzhofer建立的判識圖版[7]，認為干酪根初次裂解氣δ13C2與δ13C3分餾較大，其差值呈負斜率的近垂直方向總體變大，而ln(C2/C3)基本不變；原油裂解氣δ13C2與δ13C3分餾較小，其差值變化小，相反ln(C2/C3)值急劇變大。
根據(jù)元壩地區(qū)須家河組9個天然氣樣品數(shù)據(jù)，其天然氣δ13C2與δ13C3分餾較大，差值介于-6‰～3‰，而ln(C2/C3)值相對變化較小(在數(shù)值2附近變化)。因此，可以認為元壩地區(qū)須家河組天然氣主要屬于干酪根裂解氣類型(圖4)。
 

3.2 自流井組天然氣成因類型
    自流井組天然氣ln(C2/C3)值變化很小(處于數(shù)值2附近)，在ln(C2/C3)—ln(C1/C2)關(guān)系圖上基本呈一水平直線；而ln(C1/C2)值變化較大(介于2～5)。由此，可以判斷元壩地區(qū)自流井組天然氣主要屬于干酪根裂解氣類型(圖5)?？紤]到元壩地區(qū)自流井組天然氣相對較濕、重烴含量較高的特點及地質(zhì)特征，綜合研究認為該區(qū)可能存在少量的原油二次裂解氣。
 

4 結(jié)論
    1) 元壩地區(qū)海陸相天然氣的δ13C1分界點在-30‰附近，海相天然氣δ13C1較重，陸相天然氣δ13C1較輕。
    2) 該區(qū)中淺層(雷口坡組及其以上地層)與海相長興組、飛仙關(guān)組之間天然氣甲烷氫同位素值(δDC1)的分界點在-150‰附近，陸相天然氣δDC1一般小于-150‰，海相天然氣δDC1一般大于-150‰。
    3) 該區(qū)雷口坡組天然氣主要來源于上覆須家河組地層，形成天然氣“倒灌”成藏模式，而非來源于下伏海相地層烴源巖；陸相須家河組、自流井組天然氣分別來源于其本地層的烴源巖，屬于近距離運移、聚集“自生自儲”成藏模式。
    4) 該區(qū)須家河組、雷口坡組天然氣為典型干氣，由干酪根直接裂解形成；而自流井組天然氣主體上由干氣組成，含少量濕氣，主要由干酪根裂解形成，但存在少量原油二次裂解天然氣。
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(本文作者：劉若冰1 郭彤樓1 邵明莉2 1.中國石化勘探南方分公司；2.中國石化勝利油田分公司)