川西坳陷孝泉—新场地区天然气成因类型与运移

谢丹 王鹏 张文凯 罗乃菲 周瑶 李延飞

（成都理工大学能源学院，四川 成都 610059）

川西坳陷孝泉—新场地区天然气成因类型与运移

谢丹 王鹏 张文凯 罗乃菲 周瑶 李延飞

（成都理工大学能源学院，四川 成都 610059）

以孝泉—新场地区天然气组分、碳同位素及轻烃等地球化学资料为基础，对该区天然气的成因类型及运移特征进行了分析。结果表明，研究区天然气以烃类气体为主，天然气中甲烷含量平均值高于94%，以干气为主。碳同位素资料证实研究区天然气主要为热成因气，且以煤型气为主。同时，天然气碳同位素与组分资料都证实了须二段存在少量的油型气，这部分油型气主要来自须二段早期的石油裂解。研究区上三叠统须二段、须四段天然气甲烷与乙烷含量的差异，主要体现了热成熟作用对天然气组分的影响，侏罗系天然气甲烷与乙烷含量差异，则体现了天然气自中侏罗统向上侏罗统的垂向运移特征。研究区上三叠统须二段、须四段及中侏罗统天然气存在水溶相与游离相两种运移相态，中侏罗统天然气的水溶相强于须二段与须四段，上侏罗统天然气则以游离相运移为主。

孝泉—新场地区 天然气成因 运移相态 碳同位素 轻烃

0 引言

川西坳陷位于四川盆地西部，大地构造位置处于龙门山造山带以东、扬子地块西北缘，走向北东，总面积约3.1×104km2［1］。川西坳陷目前钻揭的层位主要是上三叠统须家河组、侏罗系及白垩系等地层，其中须家河组是该区主要的烃源岩发育层位，烃源岩厚度大、有机质丰度高。上三叠统须二段、须四段、中侏罗统沙溪庙组、上侏罗统遂宁组及蓬莱镇组是该区主要的储集层与产层，气源分析显示这些产层中的天然气主要来自上三叠统须家河组烃源岩［2］。川西坳陷具有良好的生、储条件，同时封盖条件也较好，这使得该区油气得以有效地聚集与成藏，造就了该区丰富的油气资源。笔者以孝泉—新场地区天然气组分、碳同位素、轻烃等地球化学数据为基础，对该区天然气成因类型与运移特征进行探讨。

表1 孝泉—新场地区天然气组分统计表

1 天然气基本特征

对孝泉—新场地区天然气组分特征进行了统计（表1），从统计结果可以看出，研究区天然气以烃类气体为主，烃类气中甲烷占绝对优势。天然气甲烷

含量大于85%，甲烷的平均含量大于94%，重烃含量相对较低，平均值小于4.2%。天然气干燥系数较大，除须四段天然气干燥系数平均值为0.94外，其他产层天然气干燥系数均大于等于0.95，说明研究区天然气以干气为主。从表1中还可以发现，埋深最深的须二段与埋深最浅的上侏罗统有最高的甲烷含量、最大的重烃含量、最大的干燥系数。

2 天然气成因类型

2.1 碳同位素特征

张义纲等根据δ13C1与δ13C2-1建立了天然气成因类型的X判别图（图1），该图被国内学者广泛应用［3］。将研究区数据投于该图上，可以看出研究区各产层天然气都落在了热成因气区域内，没有生物成因气与混合气。这说明研究区天然气成因类型单一，为有机热成因气，来自有机质的热成熟作用过程。

图1 孝泉—新场地区天然气δ13C1与δ13C2-1关系图

根据气源母质差异，热成因气可进一步分为油型气与煤型气。油型气主要来自腐泥型（Ⅰ、Ⅱ1）有机质，煤型气主要来自腐殖型（Ⅱ2、Ⅲ）有机质。不同的有机质其碳同位素具有一定的差异，而乙烷对母质的碳同位素的继承性明显优于其他烷烃，所以乙烷碳同位素成为了油型气与煤型气划分的常用地球化学指标［4-5］。通常以δ13C2大于-28‰为分界点，可将天然气划分为煤型气和油型气，即δ13C2大于-28‰为煤型气，δ13C2小于-28‰为油型气。从研究区天然气乙烷碳同位素分布特征来看（图2），研究区天然气δ13C2值普遍大于-28‰，说明研究区天然气主要为煤型气。仅少量须二段天然气δ13C2小于-28‰，表现为油型气的特征，说明研究区须二段存在少量的油型气。据前人研究［6］，研究区须二段中曾经存在过石油，而如今须二段中均为天然气，所以不难推测须二段中这部分少量的油型气可能主要与早期须二段中存在的石油后期裂解有关。

图2 孝泉—新场地区天然气δ13C2与δ13C2-1关系图

2.2 组分特征

实验研究证实，不同成因的天然气，其组分特征存在不同的变化规律［7］：干酪根裂解气，C1/C2值变化较大，C2/C3变化相对较小甚至没有变化；油裂解气，C2/C3值变化相对较大，C1/C2值变化相对较小。该实验结果在国内外很多油气田已被证实，并广泛用来识别天然气是否为油裂解气，已取得了较好的效果。

笔者也借此实验结果来判断研究区是否存在油型气。为了更好地反映研究区天然气的成因类型特征，研究中引入了部分川东下三叠统油裂解天然气样品作对比。从研究区上三叠统须家河组与川东地区下三叠统天然气组分特征来看（图3），两地区天然气组分变化特征明显不同。研究区天然气组分特征主要表现为C1/C2值变化较大、C2/C3值基本不变，符合干酪根裂解气的特征。研究区上三叠统烃源岩以煤系烃源岩为主，煤系烃源岩干酪根裂解气，显然为典型的煤型气。在天然气组分图中（图3），川东地区下三叠统样品总体表现为C2/C3值变化较大、C1/C2值变化相对较小，与其油型气的特征相符。同时可以看到，研究区部分须二段样品与川东地区下三叠统油型气样品组分特征变化较为相似（图3），这说明研究区须二段也存在部分原油裂解成因的油型气。所以，组分特征也进一步证实了该区油型气的存在，且它们来自石油的高温裂解。

图3 川西坳陷天然气ln（C1/C2）与ln（C2/C3）关系图

3 天然气运移

3.1 天然气运移方向

对孝泉—新场地区天然气组分含量特征分析发现（表1、图4），埋深最大的须二段与埋深最浅的上侏罗统具有最高的甲烷含量与最低的重烃含量，而埋深介于二者之间的须四段与中侏罗统甲烷含量小于二者、重烃含量高于二者。从甲烷、乙烷随深度变化特征来看，须家河组天然气中甲烷含量随深度增加而增加（T3x2＞T3x4），乙烷含量随深度增加而降低（T3x2＜T3x4）；侏罗系天然气中甲烷含量随深度变浅而增加（J3＞J2），乙烷含量随深度变浅而降低（J3＜J2）。

图4 孝泉—新场地区甲烷、乙烷随深度变化图

天然气组分特征主要受天然气母质类型、母质成熟度与天然气运移过程中的组分分离作用及生物氧化作用控制。研究区须家河组须二段、须四段天然气主要来自临近的须家河组烃源岩［8］，且研究区须家河组烃源岩以煤系烃源岩为主，因此天然气运移距离相对较短、天然气母质类型较为一致，天然气母质类型与运移过程不是造成须二段与须四段天然气组分差异的主要原因。研究区须二段与须四段气层埋深较大，遭受生物氧化的可能性不大，生物氧化作用也不可能是造成须二段与须四段组分差异的重要原因。须二段与须四段埋深差异较大，埋深更大的须二段热成熟作用更大，因此天然气的甲烷含量更高，重烃含量更低。所以，研究区须家河组天然气组分差异，主要体现了地层受到热成熟作用的差异。

研究区侏罗系天然气主要来自下伏须五段烃源岩，部分来自须四段烃源岩［2］577，天然气的母质类型与成熟度较为一致。因此，天然气母质不是造成该区侏罗系天然气组分差异的主要原因。研究区也未曾有过侏罗系天然气遭受细菌氧化作用的报道，因此细菌氧化作用也不是造成侏罗系天然气组分差异的原因。排除上述原因，不难看出天然气运移作用可能是导致该区侏罗系天然气组分差异的主要原因。

甲烷作为天然气中最常见、含量最高的烃类组分，分子量相对较低、分子极性相对较小，地层对其吸附作用相对较弱。因此，在运移过程中，甲烷的相对含量会不断增加，重烃则正好相反。而研究区侏罗系天然气纵向上也表现为甲烷含量增加、重烃含量降低的趋势（图4），与天然气运移过程中的组分分离规律一致。因此，研究区侏罗系天然气组分差异主要体现了天然气的垂向向上运移特征。

3.2 天然气运移相态

天然气运移过程中可能存在多种的运移相态，在不同相态的运移过程中，由于受到的物理化学作用不同，可能使得天然气中部分组分发生明显变化，根据这些组分的变化可以来判断天然气的运移相态。在游离相运移过程中，分子的极性是造成天然气烃类组分含量差异的主要内因，而地质色层效应是控制天然气烃类组分含量的主要外因。在地质色层效应下，极性强的分子在运移过程中不断被地层吸附，其含量不断降低，而极性相对较弱的组分则随天然气的运移逐渐富集起来，相对含量不断增加［9-10］。通常芳香烃的极性大于烷烃，所以在天然气游离相运移过程中芳烃含量会逐渐降低，而烷烃含量会逐渐增加。天然气以水溶相运移时，轻烃组分在水中的溶解度差异是决定其变化特征的重要因素，沿着运移方向，溶解度小的组分先脱溶，溶解度大的组分后脱溶。相同条件下，同碳数的芳烃溶解度明显高于烷烃，沿运移路径前方，芳烃/烷烃

值呈增加趋势［11］。所以，根据研究区天然气苯/正己烷和苯/环己烷与深度关系变化图（图5）可以对本区天然气运移相态进行判别。

图5 孝泉—新场地区天然气苯/正己烷、苯/环己烷随深度变化图

从图5中可以看出，研究区T3x2和T3x4层位天然气苯/正己烷和苯/环己烷都有一定的分布范围，苯/正己烷和苯/环己烷变化较大，说明这两个层位天然气同时存在水溶相和游离相运移。J2层位中天然气苯/正己烷和苯/环己烷变化范围最大，苯/正己烷和苯/环己烷最大值也出现在该层位，说明该层位同时存在水溶相和游离相天然气运移特征，并且水溶相运移特征加强。J3层位天然气的苯/正己烷和苯/环己烷值分布相对集中，而且远小于下伏其他层位，体现出J3层位天然气游离相运移为主的特征。所以，研究区天然气运移相态特征为：从T3x2到J2层位，天然气存在水溶相和游离相两种运移相态，中侏罗统的水溶相明显强于须二段与须四段；J3层位天然气以游离相运移为主。

4 结论

1）孝泉—新场地区天然气以干气为主。天然气的成因类型为热成因气，且以煤型气为主。同时须二段存在少量的油型气，这部分油型气主要来自须二段早期存在的石油裂解。

2）孝泉—新场地区上三叠统须二段与须四段天然气中甲烷、乙烷的差异，主要体现了热成熟作用的差异，而中侏罗统与上侏罗统天然气甲烷、乙烷的差异则主要反映了天然气的垂向向上运移过程。

3）根据苯/正己烷和苯/环己烷差异判别了研究区天然气的运移相态：从T3x2到J2层位，天然气存在水溶相和游离相两种运移相态；而J3层位天然气以游离相运移为主。

［1］杨克明.川西坳陷须家河组天然气成藏模式探讨［J］.石油与天然气地质，2006，27（6）：786-793.

［2］沈忠民，刘涛，吕正祥，等.川西坳陷侏罗系天然气气源对比研究［J］.高校地质学报，2008，14（4）：577-582.

［3］戴金星.中国天然气地质学［M］.北京：科学出版社，1993.

［4］刚文哲，高岗，郝石生，等.论乙烷碳同位素在天然气成因类型研究中的应用［J］.石油实验地质，1997，19（2）：164-167．

［5］张士亚，郜建军，蒋泰然.利用甲、乙烷碳同位素判别天然气类型的一种新方法［M］.北京：地质出版社，1998：48-58．

［6］叶军.川西新场851井深部气藏形成机制研究：X851井高产工业气流的发现及其意义［J］.天然气工业，2001，21（4）：16-20．

［7］Prinzhofer A A，Huc A Y.Genetic and post-genetic mo⁃lecular and isotopic fractionations in natural gases［J］. Chemical Geology，1995，126（3）：281-290.

［8］沈忠民，潘中亮，吕正祥，等.川西坳陷中段须家河组天然气地球化学特征与气源追踪［J］.成都理工大学学报，2009，23（3）：36-41.

［9］陈践发，苗忠英，张晨，等.塔里木盆地塔北隆起天然气轻烃地球化学特征及应用［J］.石油与天然气地质学，2010，31（3）：271-276.

［10］沈忠民，王鹏，刘四兵，等.川西拗陷中段天然气轻烃地球化学特征［J］.成都理工大学学报：自然科学版，2011，38（5）：500-506.

［11］侯强，李延飞，周瑶，等.川西坳陷须家河组须三段烃源岩地化特征［J］.天然气技术与经济，2014，8（2）：5-7.

（编辑：卢栎羽）

B

2095-1132（2014）06-0016-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2014.06.005

修订回稿日期：2014-11-04

国家自然科学基金（编号：41172119）资助。

谢丹（1988-），女，硕士研究生，研究方向为油气藏地质学与成藏动力学。E-mail：261207523@qq.com。