孝泉－丰谷构造带须家河组天然气烷烃碳同位素特征及气源对比

冷济高 （中国石化西南油气分公司博士后科研工作站，四川 成都610081）

杨克明，叶 军，朱宏权 （中国石化西南油气分公司，四川 成都610081）

孝泉－丰谷构造带须家河组天然气烷烃碳同位素特征及气源对比

冷济高 （中国石化西南油气分公司博士后科研工作站，四川 成都610081）

杨克明，叶 军，朱宏权 （中国石化西南油气分公司，四川 成都610081）

孝泉－丰谷构造带天然气资源非常丰富。“须上盆”、“须下盆”天然气组成差异明显，“须上盆”天然气干/湿混合现象明显，具有差异运聚特征，整体表现为构造气藏；“须下盆”主要为干气，热成熟作用较强。63个样品烷烃碳同位素资料统计表明，须家河组绝大多数为正碳同位素系列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，其中δ13C1明显重于川中和川西地区，热演化程度异常高。须家河组烃源岩以腐殖型为主，天然气主要为干酪根初次裂解气。“须上盆”和 “须下盆”自成藏特征明显，“须上盆”天然气δ13C1一般小于－32.2‰、δ13C2大于－25‰， “须下盆”天然气δ13C1一般大于－32.2‰，δ13C2一般小于－27‰。“须下盆”气藏母源主要来自须二段或须一段，为下生上储和自生自储气藏，合兴场地区有来自须三段倒灌气源充注；“须上盆”气源主要来自须三段烃源岩，为下生上储。

烷烃碳同位素；气源对比；须家河组；孝泉－丰谷构造带

孝泉－丰谷构造带是川西坳陷中段的一个二级构造单元，自20世纪90年代以来，勘探成果喜人，目前已成为四川盆地又一个被探明的千亿方气田，表明该构造具有优越的成藏环境［1～3］。但随着勘探、开发的深入，各次级构造单元地质特征和天然气富集规律，表现出明显的差异性，其成藏特征仍有待深化。

川西坳陷地处四川盆地的西部，具有发育历史长、构造变动多、成藏条件复杂等特点。演化过程表现为多个不同类型盆地叠加、地质过程复合等特征，从而形成了多套生储盖、多期生排烃、多期成藏特点。因此，在天然气的研究过程中，气源对比的重要性就突显出来。天然气气源对比方法很多，其中烷烃气碳同位素研究较为深入，目前应用较广泛，对比效果较好［4～9］。

1 地质背景

孝泉－丰谷构造带位于川西坳陷中段，构造南邻成都凹陷，北靠梓潼凹陷，西南段与龙门山构造带相交，东南方向与知兴场－龙宝梁构造北倾没端相连。地理位置介于绵阳、德阳及三台之间，呈北东东向展布，面积约1614km2，自西向东主要由孝泉、新场、合兴场、高庙子、新盛和丰谷等次级含气构造单元组成。

上三叠统须家河组沉积地层厚度超过3000m，自下而上分为须一段 （T3x1）～须五段 （T3x5）共5段。其中T3x1为浅海陆棚海湾沉积环境，以海湾泥坪和滨岸沼泽相的泥灰岩、泥页岩沉积为主，有机质类型以Ⅰ、Ⅱ型为主，沉积中心位于龙山推覆带下［10］。须家河组其他4段为一套海陆交互相含煤陆相碎屑岩沉积，其中T3x2、T3x4主要为大套砂岩夹薄层泥页岩及煤层，为须家河组主要的储层；T3x3、T3x5为湖相沉积，泥页岩及煤层发育，为主要烃源岩，有机质类型以Ⅲ型为主。依据储盖组合及其成藏特征，大致可将须家河组划分为上、下两个成藏体系，分别称之为 “须下盆”（T3x1～T3x3）和 “须上盆”（T3x4～T3x5）［11］。

2 天然气的组成特征

孝泉－丰谷构造带天然气以烃类气体组成 （C1～C5）为主，其中甲烷平均含量超过95%，此外天然气中还含有非烃气如CO2、N2、O2、H2及少量惰性气He和Ar，区别于川中和川东地区，研究区天然气中均不含H2S。

2.1 天然气烃类组成及其分布

须家河组天然气烃类组份在不同成藏体系上存在较大差异。从上到下，天然气的重烃含量逐渐减少，干燥系数则逐渐增大 （表1、图1），“须上盆”天然气呈现干/湿混合特征，“须下盆”天然则均表现为干气，甲烷平均含量达97%，王世谦［12］认为这主要与热力作用有关。从目前的镜质体反射率（Ro）统计结果看，T3x4、T3x5生油岩在构造带上Ro介于1.0%～1.5%之间，深凹陷区Ro则超过了1.7%；“须下盆”主力生油岩Ro均超过了1.7%，部分地区甚至超过了2.0%，处于过成熟演化阶段，重质气态烃强烈裂解，变成最稳定的甲烷，干酪根残渣释出甲烷后，进一步缩聚形成碳沥青［13］。

表1 孝泉－丰谷构造带须家河组部分天然气地球化学参数表

天然气的运移方式主要有扩散和渗流两种，并且在运移过程中色层效应明显 （图2）。从T3x4气藏的组份差异就可以看出，孝泉次级构造高点位于CX93井，其甲烷含量和干燥系数分别为94.8%和95.9%，而沿着构造脊方向分布的CX37井、CX94井及CX568井，其甲烷含量则逐渐降低，而干燥系数则呈现降低趋势，CX568井甲烷含量为只有83.7%，干燥系数为85%，表现为明显的湿气特征。丰谷局部构造带也表现为类似特征，构造高部位CF563井、CF125井天然气甲烷含量超过95%，而向周边扩展则重组份增加，干燥系数变小，呈现有规律的变化特征。新场地区由于构造幅度变化较小，也存在色层效应，只是更为复杂，七郎庙、五郎泉及CX560井局部构造高点甲烷含量较高，而周边气藏重组份有增加现象。T3x2天然气热演化程度高，组分色层效应不明显。

2.2 天然气烷烃碳同位素组成

对孝泉－丰谷构造带64个气样进行了统计（表 1），δ13C1值主要分布在－39.4‰ ～－30.3‰ 之间，δ13C2＞－28.1‰，δ13C3＞－31.5‰。不同层段烷烃碳同位素存在较大差异：T3x2天然气一般表现为δ13C1＞－32.2‰，δ13C2＜－23.4‰；T3x4和侏罗系 （J）天然气烷烃碳同位素则相近，区分不明显，表现为 － 39.4‰ ＜ δ13C1＜ － 33.2‰，－25.3‰＜δ13C2＜－20.8‰。与T3x4天然气相比，侏罗系天然气一般δ13C2＜－22%，T3x4天然气δ13C2则分布范围要广 （图3、表1）。由此可见， “须上盆”和 “须下盆”烃源岩在母质类型和热演化程度方面存在较大差异性。另外，绝大部份天然气表现为正碳同位素系列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，混原特征并不明显。但与川中、川东坳陷相比，研究区T3x2天然气δ13C1热演化程度明显偏高，δ13C2值则偏低［14］。

图1 孝泉－丰谷构造带天然气重烃含量与深度关系

图2 孝泉－丰谷构造带天然气甲烷含量、干燥系数平面分布特征 （T3x4）

图3 孝泉－丰谷构造带天然气烷烃碳同位素分布特征

3 天然气气源对比

天然气气源对比与石油不同，其重组份含量较少，烃指纹图谱对比较为困难，目前应用烷烃碳同位素进行气源追踪应用较为广泛，在我国鄂尔多斯盆地、四川盆地和塔里木等盆地应用效果较好。

图4 孝泉－丰谷构造带天然气同位素成因分类图

3.1 天然气成因

前人研究认为川西坳陷天然气主要为煤型气，主要证据有：①从沉积环境上看，除T3x1为海湾沉积环境外，须家河组烃源岩沉积时均为河、湖沼相沉积；②从烃源岩热解参数和干酪根显微组分测定看，主要以Ⅲ型干酪根为主，少量为混合Ⅱ型；③川西坳陷天然气－28.1‰＜δ13C2＜－20.8‰，根据王世谦［12］、戴金星等［14］学者研究认为，均属于煤型气。但也有学者认为川西坳陷应存在大量油裂解气，因为从生烃模拟、岩心及包裹体观察均证实川西坳陷T3x2曾经有大量液态烃充注，油源来自T3x1［15，16］。目前对于川西坳陷液态烃是否成藏及其对天然气的贡献大小还存在较大争议。但通过烃源岩热解及生、排烃史研究，证实T3x1烃源岩具有一定的生成液态烃的潜力，并且也找到早期有关液态烃生成的证据。因须家河组天然气为烃源岩高成熟度热演化气，天然气组分图版识别方法对其成因判识有一定局限性，天然气烷烃碳同位素则指示研究区主要为热成因煤型天然气，但在T3x2也存在少量煤型气、油型气的混合气［17］。

3.2 气源分析

研究表明，烃类的同位素组成在运移过程中基本不发生变化，主要与母源及其成熟度有关，目前主要应用天然气甲、乙烷碳同位素进行气源对比。

受烃源岩母质类型及热成熟度的影响，孝泉－丰谷构造带 “须上盆”、“须下盆”天然气烷烃碳同位素存在明显差异性，自成藏特征明显。“须上盆”天然气δ13C1一般小于－32.2‰、δ13C2大于－25‰；“须下盆”天然气δ13C1一般大于－32.2‰，δ13C2一般小于－27‰。另外从母源成熟度差异上也可以明显加以区分，一般认为天然气正构烷烃组分之间的碳同位素差值与母源无关，而受成熟度的影响，其中甲烷与乙烷的碳同位素差值Δδ13C－12是随天然气温度有减小和成熟度的增加而减小，成熟－高成熟阶段前期 （Δδ13C2－1为7.4‰～12‰），高成熟后期 （Δδ13C12＜7.4‰），据此做图可以进天然气成因分类和成熟度分析［18］，如图4所示， “须上盆”天然气Δδ13C2－1均大于9‰，为成熟烃源岩生气， “须下盆”Δδ13C2－1一般小于7.4‰，为高成熟后期气体，具有明显的分带性。由此可见，“须上盆”气源与 “须下盆”气源差异较大，“须上盆”天然气气源主要来T3x3烃源岩，而 “须下盆”天然气则主要为自生自储为主。

3.3 天然气运移和混合作用

由于天然气分子小，扩散、运移能力强，因此在天然气成藏过程中，极易发生气体的混合现象。一般认为，烃类的同位素组成在运移过程中不发生显著的变化，如果气体是从深部高成熟区运移来的，则甲烷气体碳同位素要比原生的组成偏高，乙烷则发生较明显的混合作用，反之若由浅部向深部混合，则现象相反，据此可以确定天然气的运移混合作用［19］。

从目前发现的63个天然气分析样品看，“须上盆”和 “须下盆”有12个天然气样品检测到存在混源特征，并且其中有8个样品正碳同位素发生倒转现象。

由图5可以看出，δ13C3＞δ13C4倒转幅度很小，最大0.6‰，而δ13C2＞δ13C3倒转幅度较大。侏罗系的两个样品倒转幅度分别达2.5‰和4.4‰，CX37井T3x4样品倒转幅度也达2.5‰，而CG561井T3x2样品倒转幅度也达3.4‰。从层位上看，T3x2天然气有4个样品发生倒转，其中合兴场地区2个（CH127井、CH137井），高庙子和新场地区各1个 （CG561井、X2井）（见表1）。合兴场地区2个样品均来自T3x2上亚段，紧临上覆T3x3烃源岩，δ13C2值为－25‰，介于须T3x2和T3x4之间，反映混合母质类型，结合该区构造活动强、断层发育等地质特征，可以认为该区有T3x3气源倒灌成藏的可能。CG561井T3x2天然气δ13C2值为－28.1‰，碳同位素倒转可能是由于煤型气和油型气的混合作用导致。除CG561井外，X2井、X3井、L150井、X202井T3x2中亚段天然气δ13C2值均接近－28‰，CX96井T3x5天然气δ13C2达到－29‰，接近于油型气特征，推测可能是由于煤型气、油型气混合作用导致。除合兴场、高庙子地区T3x2外，丰谷的FG1井区T3x4，天然气δ13C2小于－25‰，混入 “须下盆”气源可能性较大。

图5 孝泉－丰谷构造带天然气同位素系列

因此可见，须家河组气藏碳同位素倒转的原因主要是煤型气和油型气的混合作用导致，当然也有可能是由于同型不同源气或同源不同期气的混合作用，因为流体包裹体岩相学与显微测温分析结果表明，研究区具有多期流体充注特点。

4 结 论

1）孝泉－丰谷构造带 “须上盆”和 “须下盆”分属两个不同的成藏体系，相互作用不明显，与T3x2相比，T3x4呈现复合构造气藏特征。

2）须家河天然气成因类型复杂，“须下盆”兼有煤型气及油型气特征，“须上盆”则主要为煤型气为主。

3）“须下盆”气藏母源主要来自T3x2或T3x1，大部分为下生上储和自生自储气藏，但在合兴场地区存在T3x3倒灌气源充注；“须上盆”气源主要来自T3x3烃源岩，为下生上储。

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Carbon Isotope Features of Alkane Gases of Xujiahe Formation in Xiaoquan－Fenggu Structural Belt and Their Gas－source Correlation

LENG Ji－gao，YANG Ke－ming，YE Jun，ZHU Hong－quan（First Author's Address：Postdoctoral Research Station of Southwest Petroleum Company，SINOPEC，Chengdu610081，Sichuan，China）

There were abundant natural gases in Xiaoquan－Fenggu tectonic belt.Gas composition was significantly different in the upper and lower natural gas systems，natural gas in the upper system was obvious mixture of dry and wet gases，the reservoir was structural gas reservoir.Compared with upper system，the gas in lower system was dry gas the strong thermogenics.The most of carbon isotopes of Xujihe Formation were positive（δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4），its δ13C1value was heavy in contrast to the central and eastern Sichuan Basin with high degree of thermal evolution.Based on the 63analysis samples，the organic matter of source rocks are dominated by huminite，mostly the gas is the primary cracking of the kerogen.Hydrocarbon accumulation characteristics are obvious，δ13C1value is typically lighter than－32.2‰，δ13C2value is more than－25‰in the upper system，but in the lower system，δ13C1value is typically more than－32.2‰andδ13C2is lighter than－27‰.According the research of gas－source correlation，the gas in the lower system is originated from the second member of Xujihe Formation and Ma'antang－Xiaotangzi Formation and the third member of Xujiahe Formation is the source rock of the upper system.

carbon isotope；gas－source；Xujihe Formation；Xiaoquan－Fenggu Structural Belt

TE122.1

A

1000－9752（2011）06－0016－06

2011－03－02

冷济高 （1976－），男，1997年大学毕业，博士 （后），现主要从事油气成藏方面的研究工作。

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