准噶尔盆地南缘天然气成因类型与气源

陈建平，王绪龙，倪云燕，向宝力，廖凤蓉，廖键德，赵长毅

（1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083；2.提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3.中国石油天然气集团公司油气地球化学重点实验室,北京 100083；4.中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000）

0 引言

准噶尔盆地南缘是指盆地北天山山前冲断带，面积2.1×104km2，最大沉积地层厚度达15 km。南缘地区构造圈闭十分发育，是全盆地油气显示最活跃的地区，很多背斜构造都发现了油气[1-8]，被认为是最具天然气勘探潜力的地区[9-12]，但是历经几十年的勘探未取得重大突破，仅在中部地区呼图壁背斜和玛纳斯背斜发现了两个中型气田。最近南缘西部四棵树凹陷高泉构造的高探1井在深层下白垩统清水河组底部获日产原油1 213 m3、天然气32.17×104m3的高产油气流[8]，这是迄今为止准噶尔盆地日产油气最高的探井，展现了南缘地区良好的油气勘探前景。以往虽然对南缘地区已发现天然气的地球化学特征与气源进行了研究[1,7,13-19]，认为该地区天然气基本上为煤型气，来源于侏罗系煤系烃源岩；但是，南缘地区发育二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和古近系5套烃源岩[1-2,6]，为什么所有天然气均来源于侏罗系？从已发表的文献资料来看，以往对该区天然气地球化学特征的研究不够深入细致，对不同构造天然气地球化学特征缺乏系统对比，成因类型和来源判识过于笼统，没有认识到天然气成因与来源的复杂性。本文在南缘及其他地区大量天然气样品地球化学分析的基础上，结合高探1井最新资料分析，系统梳理和对比不同构造天然气组分与碳氢同位素组成特征，探讨天然气成因类型与来源，以期为南缘地区天然气成藏研究奠定基础，为天然气勘探决策提供参考。

1 基本地质背景

1.1 基本构造特征

准噶尔盆地南缘东起阜康断裂带，西至四棵树凹陷，北与沙湾凹陷、莫南凸起、阜康凹陷相接，南邻北天山，东西长500 km，南北宽40～60 km，构造位置属于北天山山前冲断带（见图1）。根据构造形成机理及构造样式，可将其进一步划分为4个二级构造单元[20]：四棵树凹陷、霍玛吐背斜带、齐古断褶带和阜康断裂带（见图1）。在齐古断褶带—霍玛吐背斜带，由南向北发育了3排背斜构造：第1排构造带包括托斯台、南安集海、红沟、清水河、齐古背斜等；第2排构造带包括霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁背斜等；第3排构造带包括安集海、呼西、呼图壁背斜等。根据构造特点与差异性，南缘分为西、中、东3部分，独山子以西为西部（西段），独山子到乌鲁木齐为中部（中段），乌鲁木齐以东为东部（东段）。

1.2 沉积地层

南缘地区发育有二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系等7套沉积地层，其中中部地区地层最厚可达15 km，西部和东部厚度相对薄一些，但一般也为8～12 km[1-2,6,21]。南缘地区下二叠统主要为一套粗碎屑沉积；中二叠统为一套半深湖—深湖相沉积，厚600～1 600 m，是该地区重要的烃源岩发育层系之一，其中东部地区芦草沟组油页岩很发育；上二叠统主要为河流相—半深湖相沉积。中下三叠统主要为河流—浅湖相粗碎屑沉积，而上三叠统为滨浅湖—半深湖相沉积，夹有沼泽相的炭质泥岩薄层和煤线，厚300～800 m，在南缘中部和阜康凹陷烃源岩比较发育。中下侏罗统八道湾组（J1b）、三工河组、西山窑组和头屯河组是一套河流沼泽相与湖沼相含煤沉积，厚度一般为1 000～2 000 m，是该地区主要的烃源岩发育层系之一；上侏罗统齐古组和喀拉扎组为一套红色粗碎屑沉积。下白垩统是一套浅湖—半深湖相沉积，最厚达1 594 m，在南缘中部地区暗色地层相对比较发育；上白垩统主要为河流相粗碎屑沉积。古新统—始新统为河流—浅湖相沉积；始新统—渐新统安集海河组以浅湖—半深湖—深湖相沉积为主，在南缘西部地区暗色泥岩比较发育。渐新统—上新统以浅湖相及河流相沉积为主。第四系西域组为山麓洪积—冲积扇—河流相砾岩、砂砾岩沉积。

图1 准噶尔盆地南缘构造圈闭与油气田分布图

2 天然气地球化学特征

南缘地区很多背斜构造均发现了天然气[1-8]，但是具有商业规模的天然气田仅有位于中部地区呼图壁背斜的呼图壁气田和玛纳斯背斜的玛河气田（见图1），东部三台地区的马庄气田为小型气田，其他构造的天然气主要为单井揭示的小规模气层或者油藏伴生气[1]。在这些气田或含气背斜构造中，中部地区背斜构造天然气主要分布在古近系（见表1），只有南安集海背斜和齐古背斜的天然气分布在侏罗系和三叠系—侏罗系。西部地区独山子背斜油气主要分布于新近系，而卡因迪克、西湖和高泉背斜构造油气主要分布在侏罗系齐古组上部至下白垩统清水河组底部。东部马庄气田天然气主要分布于上侏罗统。

表1 准噶尔盆地南缘地区不同构造天然气组分组成统计表

2.1 天然气组分组成

南缘地区天然气以烃类气体为主（见表1），含量大于90%，平均为96.75%；其他气体主要为氮气，占0.5%～8.5%，平均为2.21%；其次为二氧化碳，占0～2%，平均为0.18%。在烃类气组成中，不同组分的含量变化较大（见图2）。甲烷基本为50%～99%，绝大多数为70%～95%，平均为83.27%；乙烷为0.2%～35.0%，绝大多数为2%～15%，平均为8.46%；丙烷为0.1%～25.0%，绝大多数为0.5%～8.0%，平均为3.37%；丁烷为0～10%，绝大多数为0.2%～4.0%，平均为1.63%。总体上，该地区天然气以湿气为主，少量干气。

南缘地区不同构造天然气组分组成存在很大差异（见表1、图2）。南缘东部三台地区天然气甲烷含量高，一般为92%～95%，为干气。位于南缘中部第1排构造的南安集海背斜与齐古背斜天然气甲烷含量高达97%以上，干燥系数达0.99，均为干气，是南缘地区所有天然气中最干的。南缘中部第2、第3排构造即安集海、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁、呼图壁背斜构造的天然气甲烷含量低于第1排构造天然气，一般为50%～95%，基本以湿气为主。这些构造天然气组分变化具有很好的规律性（见表1、图2），甲烷含量由西向东逐渐增高，乙烷和丙烷等重烃气含量逐渐降低，干燥系数逐渐增大，其中：安集海背斜天然气甲烷含量最低，属于该地区最湿的天然气；呼图壁背斜天然气甲烷含量最高，基本上属干气。南缘西部地区各构造天然气甲烷平均含量基本上为70%～90%，干燥系数为0.73～0.93，以湿气为主。高泉构造高探1井清水河组油气藏中的天然气甲烷含量仅75.47%，乙烷含量达13.36%，丙烷及以上重烃气为9.84%，干燥系数仅为0.77，为湿气。西湖背斜天然气甲烷含量超过88%，乙烷含量为4%～7%，丙烷含量为0.1%～2.2%，其中西5井4 605～4 609 m天然气干燥系数为0.90，为湿气，而西湖1井6 139 m处天然气干燥系数达0.96，属于干气。

图2 准噶尔盆地南缘天然气组分组成图

2.2 天然气碳同位素组成

南缘中西部构造天然气的碳同位素组成总体上比较重（见图3、图4），且由西向东呈现逐渐变重的趋势，其中：甲烷碳同位素δ13C1值为-47‰～-29‰，绝大多数为-42‰～-31‰；乙烷碳同位素δ13C2值为-30‰～-21‰，绝大多数为-28‰～-22‰；丙烷碳同位素δ13C3值为-27‰～-19‰，大多数为-25‰～-20‰。东部三台地区天然气的碳同位素组成很轻，甲烷碳同位素δ13C1值为-51‰～-43‰，绝大多数为-48‰～-43‰；乙烷碳同位素δ13C2值为-33‰～-25‰，绝大多数为-33‰～-28‰，与中西部天然气明显不同。

图3 南缘地区不同构造天然气甲烷、乙烷和丙烷碳同位素组成与变化（吐哈盆地数据来源于王昌桂等[22]、Ni等[23]；

南缘中部安集海、霍尔果斯、玛纳斯背斜绝大多数天然气甲烷碳同位素δ13C1值为-35‰～-33‰，少数小于-35‰，乙烷的δ13C2值基本上均为-24.0‰～-22.5‰，丙烷δ13C3值为-24‰～-20‰（见图3b），不同组分的碳同位素组成呈现正序分布，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4（见图4）。安集海背斜天然气甲烷碳同位素组成最轻；霍尔果斯其次，玛纳斯背斜天然又重一些；吐谷鲁与呼图壁背斜天然气碳同位素组成基本一致，又明显比玛纳斯、霍尔果斯背斜天然气重一些，其中甲烷的δ13C1值为-33‰～-31‰，乙烷δ13C2值为-23‰～-22‰，丙烷δ13C3值为-23‰～-21‰，有部分天然气乙烷以上组分或丙烷、丁烷碳同位素组成出现倒转（见图4）。齐古背斜天然气碳同位素组成变化范围较大，甲烷的δ13C1值为-41‰～-29‰，乙烷的δ13C2值为-25‰～-22‰，丙烷的δ13C3值为-27.0‰～-23.5‰，乙烷、丙烷及丁烷的碳同位素组成呈现倒转（见图4）。

图4 准噶尔盆地南缘不同构造天然气组分碳同位素组成分布

西部卡因迪克背斜构造天然气甲烷碳同位素δ13C1值主要为-35‰左右、乙烷碳同位素δ13C2值为-26.5‰左右、丙烷的δ13C3值为-24‰左右（见图3）。但是，卡6井3 956～3 980 m井段侏罗系齐古组储集层中天然气却轻得多，乙烷和丙烷的δ13C值分别为-29.74‰和-26.35‰（见图3）。高泉背斜高探1井5 768～5 775 m下白垩统清水河组油气藏天然气甲烷碳同位素δ13C1值为-40.42‰，乙烷和丙烷的δ13C2、δ13C3值分别为-28.94‰和-26.72‰，组分碳同位素组成呈正序分布，与卡6井齐古组天然气非常相似，而与南缘地区其他天然气明显不同（见图3、图4）。西湖背斜天然气的碳同位素组成与卡因迪克油气田多数天然气非常类似，但西湖1井5 992 m处天然气碳同位素组成相对较重。独山子背斜天然气碳同位素组成比较特别，甲烷碳同位素组成δ13C1值为-43‰～-35‰，但乙烷的碳同位素δ13C2值基本在-26‰左右，丙烷的碳同位素组成又呈现较大变化，δ13C3值为-26‰～-19‰，与南缘其他天然气明显不同（见图3b）。南缘西部地区天然气组分碳同位素组成基本上呈现正常的正序分布，只有少量天然气的丙烷和丁烷碳同位素组成出现轻微倒转（见图4），这可能与丁烷组分含量低、分析误差较大等因素有关，或者与成熟度高及混合作用有关。

3 天然气成因类型与成熟度

3.1 天然气成因类型

有机热成因天然气组分、碳氢同位素组成与生气母质的沉积环境、有机质类型及热演化程度密切相关，因而碳氢同位素组成常被用于判识天然气的成因类型与来源[25-42]。南缘地区天然气组成C1/(C2+C3)值为2～500，但绝大多数为4～30，甲烷碳同位素δ13C1值为-51‰～-28‰，绝大多数为-42‰～-31‰，属于有机热成因天然气（见图5a）。

3.1.1 天然气组分与碳同位素组成判识

在南缘天然气中，西部四棵树凹陷卡因迪克、西湖和独山子等背斜构造天然气C1/(C2+C3)值最小，甲烷碳同位素组成最轻，与吐哈盆地台北凹陷来源于中下侏罗统煤系烃源岩的天然气[22-23]比较相似或甲烷碳同位素组成略重，大多数属Ⅲ型干酪根来源的热成因气，少数属于偏Ⅱ型干酪根来源的有机热成因气。高泉背斜高探1井天然气具有较轻的甲烷碳同位素组成和非常低的C1/(C2+C3)值，与西部地区大多数天然气有所差异（见图5a）。

另外，据戴金星等[24]资料，独山子背斜、冒烟山构造等地面泥火山天然气苗甲烷碳同位素δ13C1值为-47‰～-40‰，乙烷碳同位素δ13C2值为-28‰～-26‰，烷烃气碳同位素组成具有δ13C1<δ13C2<δ13C3特征，属于典型的热成因煤成气。但是，这些天然气苗的C1/(C2+C3)值为10～20（见图5a），明显不同于独山子、卡因迪克等背斜构造探井中的天然气，也不同于吐哈盆地台北凹陷天然气，而与西北缘北部来源于二叠系风城组的油型气[1,7]处于相同区域，似乎为更偏于Ⅱ型有机质来源的天然气或者混合气，或者为成熟度较低的煤型气。此外，在这些泥火山天然气苗中有一个样品的C1/(C2+C3)值甚至高达255，甲烷碳同位素δ13C1值轻至-49.1‰，已经处于热成因气与生物气混合区域。

图5 南缘地区不同背斜构造天然气组分成因类型判识

南缘中部地区安集海背斜构造天然气与西部天然气相似，从安集海、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁至呼图壁背斜，天然气的C1/(C2+C3)值逐渐增大、甲烷碳同位素组成逐渐变重，样品点基本上均位于Ⅲ型干酪根热演化生气范围，与吐哈盆地台北凹陷天然气构成一个热演化序列，表明这些天然气应该主要源于腐殖型有机质。但是，南缘中部第1排构造即南安集海背斜和齐古背斜构造的天然气，虽然其甲烷碳同位素δ13C1值与中部地区第2、第3排背斜（安集海背斜—呼图壁背斜）的天然气相同，其C1/(C2+C3)值为80～500，明显高于中部其他背斜构造的天然气，处于Ⅱ型干酪根高热演化生气区域，它们与西北缘二叠系风城组油型气[1,7]处于同一演化序列区域，与中部其他构造天然气的生气母质类型不同，似乎表明这些天然气主要来源于高成熟的Ⅱ型有机质。南缘东部三台地区天然气与西北缘天然气具有相同的甲烷碳同位素组成，但其C1/(C2+C3)值为20～100，明显高于西北缘油型气，主要处于Ⅰ型、Ⅱ型干酪根生成天然气区域，表明其应该来源于腐泥型和腐泥-腐殖型有机质，部分天然气已经处于混合气区，可能有生物气混入[1,13]。

3.1.2 天然气碳氢同位素组成判识

天然气甲烷碳氢同位素组成交汇图也常被用于判识天然气成因类型[26,28-30,32,34,36-39]。陆相淡水沉积有机质生成的甲烷δD值一般小于-190‰，而海相咸水沉积有机质生成的甲烷δD值一般大于-190‰[26,28-30,32,34,38]，但随着热演化程度的增高，甲烷的氢同位素组成也明显变重[28-29,43-45]。南缘中部呼图壁气田天然气的甲烷碳同位素δ13C值为-32‰～-30‰，甲烷氢同位素δD值为-200‰～-197‰[18]，显然属于有机热成因天然气（见图5b）。与吐哈盆地台北凹陷相比，呼图壁气田天然气碳氢同位素组成均要重得多，与塔里木盆地库车坳陷天然气相比，呼图壁气田天然气的碳氢同位素组成又要轻一些。吐哈盆地台北凹陷天然气主要来源于中下侏罗统煤系烃源岩腐殖型有机质，属于煤型（成）气，并且由于中下侏罗统烃源岩总体处于低成熟—成熟阶段[22,46-47]，因而天然气的成熟度也相对较低，以湿气为主[22-23]。库车坳陷天然气也是主要来源于中下侏罗统煤系烃源岩，也属于煤型气[43-44]，但中下侏罗统煤系主要处于成熟—过成熟演化阶段[48]，因而其生成的天然气成熟度也较高，基本上以干气为主。显然，台北凹陷天然气、南缘呼图壁气田天然气、库车坳陷天然气构成了一个煤型气成熟度序列。

南缘东部三台地区马庄气田侏罗系气藏天然气甲烷碳同位素δ13C值基本上为-51‰～-44‰，甲烷的氢同位素δD值为-250‰～-180‰[13]，主要属于有机热成因天然气（见图5b）。但是，该气田天然气与呼图壁气田煤型气明显不同，碳氢同位素组成要轻得多，而与塔里木盆地台盆区塔中、塔北隆起油型气[44]处于同一序列，显然马庄气田天然气属于油型气。

另外，据戴金星等研究[24]，南缘西部独山子构造等泥火山天然气苗的氢同位素δD值为-247‰～-231‰，阿尔钦沟泥火山气苗甚至轻达-268‰～-267‰，与南缘东部马庄气田和吐哈盆地台北凹陷的天然气相似，明显比呼图壁气田天然气轻，更轻于库车坳陷侏罗系煤系有机质来源的天然气，表明其为淡水—微咸水沉积环境有机质生成的天然气，且成熟度相对较低。

3.1.3 天然气组分碳同位素组成分布判识

戴金星[30]提出了甲烷、乙烷和丙烷碳同位素组成判识图版（见图6），认为乙烷碳同位素δ13C2值大于-25‰为煤成（型）气，-25‰～-28‰为油型气/煤成气混合气，小于-28‰则为油型气。此外，天然气组分碳同位素组成的分布序列也是鉴别有机热成因天然气的方法，在一般正常有机热成因天然气中，无论是油型气还是煤型气，其C1—C4系列碳同位素组成通常呈现逐渐变重的正序列，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，而遭受次生改造的天然气的组分碳同位素组成则常出现倒转[31,49]。

图6 南缘地区天然气类型判识（图版据戴金星等[31]，略有修改）

从天然气组分碳同位素组成分布看，南缘地区绝大多数天然气组分碳同位素组成呈现正序列分布（见图4），即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，表明这些天然气均属于正常的有机成因天然气。但是，也有一小部分天然气丙烷、丁烷呈现倒转（见图4），如卡因迪克与独山子构造的一些天然气；有些甚至乙烷与丙烷、丁烷均倒转，如齐古背斜和吐谷鲁背斜的天然气，反映了这些天然气复杂的成因或成藏过程。从天然气不同组分碳同位素组成之间的关系看（见图3），南缘地区天然气乙烷碳同位素组成明显要比西北缘克拉玛依—乌夏地区天然气重很多，两者不是一个序列，与腹部地区的天然气也不是一个序列（见图3a）。从乙烷与丙烷碳同位素组成看，两者仍然呈现很好的线性关系（见图3b），只是西北缘天然气的乙烷与丙烷碳同位素组成明显比南缘天然气轻很多，表明南缘天然气母质类型明显比西北缘天然气的母质类型差。西北缘克拉玛依—乌夏地区原油与天然气主要来源于下二叠统风城组湖相烃源岩，天然气多为原油伴生气，属于典型的油型气[1,7]。由此对比可见，南缘中西部地区绝大多数天然气显然不属于油型气，而是属于煤型气和混合气，只有东部三台地区的天然气主要为油型气（见图3、图6）。卡因迪克油田卡6井和高泉构造高探1井白垩系清水河组油藏中的天然气介于混合气和典型油型气之间（见图3、图6），似乎也以油型气为主，但与西北缘典型油型气又有一定差异，应该还是属于混合气。

需要说明的是，这里划分的混合气不仅仅指典型Ⅰ、Ⅱ1型干酪根生成的油型气与典型Ⅲ型干酪根生成的煤型气混合构成的混合气，也包括侏罗系煤系Ⅱ型（腐泥腐殖型-腐殖腐泥型）干酪根生成的天然气，因为这些天然气主要来源于南缘地区侏罗系煤系有机质（详见后文）。实际上，南缘地区侏罗系煤系有机质在地质历史时期生成了大量原油，卡因迪克油田主体侏罗系—白垩系油藏原油即来源于侏罗系煤系烃源岩，西湖背斜等其他构造也有侏罗系来源的原油[1,4]；最近在高泉构造获得高产油气流的高探1井白垩系清水河组油气藏原油也是来源于侏罗系煤系烃源岩；齐古油田侏罗系储集层中原油也有50%来源于侏罗系烃源岩[1,4]。这些大量原油的存在充分表明南缘地区侏罗系煤系有机质除了主要生气的Ⅲ型干酪根外，还有相当数量的既可生气又可生油的Ⅱ型干酪根。与准噶尔盆地二叠系、三叠系、白垩系湖相有机质及其生成的原油相比，侏罗系煤系有机质及其生成的原油均具有相对较重的碳同位素组成（前者生成的原油δ13C值一般在-32‰～-29‰，后者生成的原油δ13C值一般在-28‰～-26‰）。相应地，与侏罗系原油伴生的天然气也应该具有相对较重的碳同位素组成，可能不具有典型油型气的碳同位素组成特征，也不具有煤系Ⅲ型有机质生成的典型煤型气的碳同位素组成特征，而是呈现混合气的特征。如果将煤系烃源岩来源的天然气均定义为煤型（成）气，或者将煤型气的乙烷碳同位素δ13C2值界定为大于-28‰[24]，那么南缘地区这些混合气多数属于煤型气。但是，这样的划分并不科学，与沉积有机质类型划分也不对应。例如，准噶尔盆地腹部地区原油及其伴生的天然气均来源于二叠系湖相混合型（Ⅱ型）有机质[1,7]，但是绝大多数天然气的乙烷碳同位素组成在-28‰～-26‰（见图3），不能就此认为这些天然气为煤型气。实际上，在以往许多天然气成因类型判识标准中将乙烷碳同位素δ13C2值大于-25‰划分为煤型气主要是指高—过成熟煤系有机质来源的煤型气[31]，低—中成熟煤系有机质生成的天然气乙烷碳同位素组成通常小于-25‰，如吐哈盆地台北凹陷的天然气[22-23,29,32]。

值得注意的是，南缘第1排构造南安集海和齐古背斜的天然气，如按照碳同位素组成来看它们与南缘其他背斜构造的天然气均处于煤型气系列（见图3a）或煤型气分布范围（见图3b、图6），但按照其组分和甲烷碳同位素组成看（见图3a），它们与南缘其他天然气明显不同，属于来源于Ⅱ型干酪根的高成熟油型气或混合气。这两个构造的天然气C2以上重烃含量很低，重烃碳同位素组成甚至已经倒转（见图4），说明其成熟度已经很高，与西北缘原油伴生的油型气在成熟度上有很大差异。按照组分含量与甲烷碳同位素组成判识（见图5a），南安集海背斜天然气属于油型气，齐古背斜天然气则介于油型气和煤型气之间。实际上，齐古背斜的天然气比较复杂，浅层侏罗系储集层中天然气的甲烷碳同位素组成比较轻，乙烷、丙烷和丁烷的碳同位素组成也比呼图壁气田天然气轻；二叠系—三叠系储集层中天然气甲烷、乙烷碳同位素组成与呼图壁天然气基本相当，但丙烷、丁烷明显比呼图壁气田天然气轻（见图4）。齐古背斜侏罗系油藏原油是二叠系原油与侏罗系原油的混合[1,4]，天然气也可能是不同来源天然气的混合，可能是二叠系油型气和侏罗系煤型气不同比例的混合导致了这些天然气碳同位素组成出现较大的差异，其中侏罗系储集层天然气中二叠系油型气的比例相对较高而呈现混合气特征，二叠系—三叠系储集层天然气中油型气的比例相对较低而主要呈现煤型气特征。

另外，独山子背斜天然气碳同位素组成也很复杂（见图3），一部分天然气甲烷和乙烷碳同位素组成与吐哈盆地台北凹陷天然气相似，与南缘中部构造的天然气属于一个序列；有一部分天然气乙烷碳同位素组成与其他天然气相似，但甲烷碳同位素组成明显偏重（见图3a）。这些天然气共同的特点是丙烷的碳同位素组成特别重（见图3b）。独山子和冒烟山构造泥火山气苗也具有特别重的丙烷碳同位素组成[24]。此外，独58井的天然气具有轻的甲烷和乙烷碳同位素组成，似乎属于油型气（见图3a），但其丙烷碳同位素组成也特别重。究竟是什么原因导致的这些天然气丙烷碳同位素组成异常重还需进一步深入研究，推测是微生物降解作用导致的异常。

3.1.4 天然气成因类型

总体上，按照天然气组分组成、碳氢同位素组成以及与其他盆地天然气的对比来看，南缘地区天然气可分为3类：即煤型气、混合气与油型气，而且以煤型气与混合气为主，油型气的数量相对较少。具体而言，南缘西部卡因迪克、西湖及独山子背斜构造以煤型气和混合气为主，高探1井清水河组油气藏天然气为混合气；南缘中部安集海、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁及呼图壁背斜构造以煤型气为主；南安集海背斜天然气为油型气；齐古背斜天然气为混合气和煤型气；南缘东部三台马庄气田天然气属于油型气。

3.2 天然气成熟度

天然气烃类组分相对含量和碳氢同位素组成也被用于判识天然气的成熟度。随着成熟度增高甲烷含量逐渐增高，乙烷和丙烷等重烃气含量逐渐降低，碳氢同位素组成逐渐变重，其中甲烷受烃源岩热演化的影响远大于乙烷、丙烷等重烃气。因此，许多学者提出了成熟度参数镜质体反射率与碳氢同位素组成之间的经验公式[26,28,34-35,50-52]；天然气的干燥系数或湿度系数也常被用来衡量天然气的成熟度[43,53-54]。

3.2.1 干燥系数判识成熟度

南缘地区天然气烃类组分变化很大（见图2），甲烷含量为50%～99%，乙烷含量为0.2%～26.0%，丙烷含量为0.2%～17.0%，干燥系数为0.6～1.0，表明其成熟度变化很大。由表1可见，西部卡因迪克、独山子和西湖背斜天然气干燥系数分别为0.73、0.82和0.93，均为湿气。但是，据戴金星等[24]，西部地区泥火山天然气苗的干燥系数基本上为0.89～1.0，其中阿尔钦沟、冒烟山构造和独山子构造泥火山气苗为0.92～1.0，多属于干气，只有四棵树煤矿附近泥火山气苗为0.89～0.92，但也明显高于西部凹陷探井中的天然气。显然，如果不是后期生物降解作用，那么南缘这些泥火山气苗天然气的成熟度明显较高。

南缘中部安集海背斜天然气的重烃含量最高，干燥系数平均仅为0.71，是南缘地区所有构造中干燥系数最低的。由安集海背斜向东至呼图壁背斜，天然气干燥系数逐渐增高，呼图壁背斜天然气干燥系数达0.95，临界干气。显然，南缘中部天然气主要为湿气，因而生气母质的成熟度基本上在成熟至高成熟演化阶段。但是，中部第1排构造带南安集海、齐古背斜天然气干燥系数分别为1.0和0.99，均为干气；南缘西部的阿尔钦沟背斜、冒烟山构造也位于第1排构造带，也均为干气。显然，第1排构造带天然气的成熟度总体高于第2、第3排构造天然气。南缘东部三台地区马庄气田天然气的干燥系数达0.97，已经为干气，似乎其成熟度也较高。但是，这些天然气可能是原油遭受细菌降解形成的生物气，或者有菌解气混合，因而尽管其组分已经主要为甲烷，但不能按照干燥系数来判识其成熟度。

3.2.2 组分碳同位素组成判识成熟度

生气母质类型和成熟度对南缘地区天然气甲烷、乙烷碳同位素组成的影响也很明显（见图3），随着成熟度增加，不同类型天然气的甲烷和乙烷碳同位素组成均明显逐渐变重。根据前文确定的南缘地区天然气类型，按照戴金星等[51]提出的煤型气和油型气成熟度经验公式计算获得，该地区绝大多数天然气的成熟度或生气母质的成熟度为0.8%～1.7%，由西向东逐渐增高，其中安集海背斜天然气为0.8%～1.0%；霍尔果斯背斜天然气为0.8%～1.2%；玛纳斯背斜天然气为0.9%～1.4%；吐谷鲁背斜天然气为1.4%～2.0%；呼图壁气田天然气为1.5%～1.9%。南安集海背斜天然气为2.0%～2.3%，与其处于高—过成熟阶段的Ⅱ型干酪根来源天然气演化区域相对应（见图5a）。齐古背斜侏罗系储集层中的天然气，若按照煤型气计算其成熟度仅为0.33%～0.88%，显然与其组分组成不相符；若按照油型气公式计算则其成熟度为1.17%～2.77%，变化范围很大，因而其为油型气和煤型气的混合可能性很大。二叠系—三叠系储集层中天然气按油型气计算则高达4.7%～6.6%，显然不可能达到这么高成熟度；而按煤型气计算则为1.6%～2.3%，与其组分及所处Ⅲ型和Ⅱ型高—过成熟干酪根所生天然气的分布区域相对应（见图5a）。

南缘西部卡因迪克、西湖和独山子背斜多数天然气，按煤型气公式计算，只有那些具有较重碳同位素组成的天然气成熟度为0.7%～1.0%，与这些背斜中共存的原油的成熟度基本相一致[1,3-4,7]。具有较轻碳同位素组成的天然气，如卡6井清水河组天然气和高探1井清水河组油气藏天然气，按煤型气公式计算仅为0.38%，与该区侏罗系煤系烃源岩及伴生的原油成熟度明显不符。若按油型气公式计算则为1.0%～1.3%，与侏罗系烃源岩的成熟度及伴生原油成熟度相似，但略偏高。此外，按照煤型气公式计算，独山子背斜等具有较轻甲烷碳同位素组成的天然气和泥火山气苗基本上低于0.4%，明显太低；如果按照油型气公式计算大多数为0.9%～1.4%，明显比按煤型气计算更合理，但与其接近干气的组分构成不完全相符；还有一些天然气，如独230井浅层天然气和一些泥火山气苗，即使按油型气公式计算也仍然偏低（0.35%～0.55%），显然与其组分接近干气严重不符。由此可见，南缘西部天然气的类型比较复杂，按煤型气和油型气经验公式均难以估算其成熟度，这说明它们的来源与成藏过程比较复杂。

南缘东部马庄气田天然气按油型气计算其成熟度也仅0.28%～0.79%，按煤型气则低至0.2%以下，显然与其干气的组分组成不相符，因而其应该有生物气混入，或主要是原油降解形成的次生生物气。

4 天然气气源判识

4.1 潜在气源岩

南缘地区存在二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系5套烃源岩[1-2,6]。中二叠统芦草沟组湖相烃源岩主要分布于南缘东部至中部，有机质丰度高、类型好、生烃潜力大。上三叠统黄山街组湖相—郝家沟组湖沼相烃源岩也广泛分布于南缘地区，有机质丰度低于二叠系芦草沟组，以Ⅱ型和Ⅲ型有机质为主，具有较高的生烃潜力。中下侏罗统为煤系，广泛分布于南缘地区，发育暗色泥岩、炭质泥岩和煤3类烃源岩，烃源岩厚度大，有机质丰度高，以Ⅱ2型和Ⅲ型有机质为主，有一定数量Ⅱ1型有机质，是南缘地区最重要的一套油气源岩。下白垩统清水河组湖相烃源岩在南缘中部最发育，有机质丰度较高，以Ⅰ型和Ⅱ1型有机质为主，具有较高的生烃潜力。古近系安集海河组湖相烃源岩主要分布于南缘中西部，有机碳含量变化较大，以Ⅱ型有机质为主，具有较高的生烃潜力。上述5套烃源岩中，二叠系、三叠系、侏罗系埋藏深度均很大，烃源岩处于成熟—过成熟演化阶段，在地质历史时期均具有生成大量石油和天然气的成熟度条件，而下白垩统和古近系烃源岩主要处于低成熟—成熟生油阶段，尚未达到大量生成天然气的热演化阶段，基本不具备生成大量天然气的成熟度条件[1,2,6]。因此，南缘地区有效天然气源岩主要为中下侏罗统煤系、上三叠统湖沼相和二叠系湖相烃源岩。

4.2 天然气气源判识

根据前面天然气地球化学特征和类型的讨论，南缘地区天然气可分为3类：煤型气、混合气与油型气，而且以煤型气与混合气为主，油型气数量非常少。

4.2.1 南缘中部天然气

南缘中部安集海、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁及呼图壁构造天然气组分重烃含量变化大，干燥系数从西至东由0.65逐渐增高至0.95，由湿气逐渐变为干气，其成熟度变化与侏罗系烃源岩成熟度变化基本对应[1,2,6]；另一方面，这些天然气碳同位素组成重，除安集海背斜天然气外，其他背斜天然气乙烷碳同位素δ13C2值基本上大于-25‰，丙烷碳同位素δ13C3值基本上大于-23‰，属于典型的高成熟煤型气。

在中部地区3套可能气源岩中，二叠系和三叠系主要为湖相烃源岩，生成的原油和天然气具有较轻的碳同位素组成[1,3-6]；西北缘地区来源于二叠系湖相烃源岩的油型气具有轻的碳同位素组成[1,7]，完全不同于南缘中部这些天然气。侏罗系为煤系烃源岩，生成的原油具有较重的碳同位素组成，生成的天然气也应该具有较重的碳同位素组成，与这些天然气的碳同位素组成是相对应的。事实上，安集海背斜中成熟度较低的天然气碳同位素组成与吐哈盆地台北凹陷侏罗系煤系来源的天然气具有十分相似的碳同位素组成，而高成熟的呼图壁气田天然气碳同位素组成与库车坳陷来源于侏罗系煤系的天然气相似。

因此，南缘中部这些背斜构造的煤型气应该主要来源于中下侏罗统煤系烃源岩，可能有少量上三叠统上部含煤段烃源岩的贡献，天然气与原油不同源。南缘中部第1排背斜构造的天然气主要为干气，成熟度高于第2排、第3排背斜构造的天然气，碳同位素组成也比较复杂，其中南安集海背斜天然气为油型气，可能的气源是高—过成熟的二叠系或三叠系湖相烃源岩。齐古背斜的天然气比较复杂，侏罗系储集层中的天然气主要为混合气，应该是侏罗系煤系来源的煤型气与二叠系/三叠系湖相有机质来源的油型气以不同比例的混合，而二叠系—三叠系储集层中则主要为高成熟煤型气，主要来源于侏罗系煤系烃源岩，也可能有不同程度的二叠系、三叠系油型气的混入。

4.2.2 南缘西部天然气

南缘西部卡因迪克油田、西湖背斜天然气组分中重烃气含量较高，成熟度中等，但其碳同位素组成较重，与西北缘二叠系来源的油型气明显不同，与吐哈盆地台北凹陷天然气比较相似，属于混合气和煤型气。南缘西部地区已经落实的油气源岩主要为侏罗系煤系烃源岩，目前主要处于成熟生油高峰阶段；古近系安集海河组湖相烃源岩成熟度低，不是主要气源岩；二叠系和三叠系湖相烃源岩分布和生烃潜力等均不清楚。目前在卡因迪克背斜、西湖背斜齐古组—清水河组发现的油藏原油均来源于中下侏罗统煤系烃源岩[1,4,7]，天然气主要为原油伴生气。因此，这些构造中的天然气应该主要来源于成熟的侏罗系煤系烃源岩。独山子背斜的天然气，包括泥火山气苗，碳同位素组成也比较特殊，乙烷的碳同位素δ13C2值基本在-26‰左右，丙烷碳同位素δ13C值为-26‰～-19‰，呈现较大变化，表明这些天然气的成因和来源比较复杂。从乙烷和丙烷碳同位素组成看，应该主要来源于侏罗系煤系烃源岩，但可能遭受了细菌降解改造。

4.2.3 高探1井天然气

值得特别关注的是，在西部地区的背斜构造中也有一些天然气具有轻的碳同位素组成。最近获得高产油气流的高泉背斜构造高探1井5 768～5 775 m井段和卡因迪克油田卡6井3 956～3 980 m井段下白垩统清水河组底部油气藏的天然气即具有较轻的碳同位素组成。类似的天然气在独山子背斜独58井新近系也有发现。高探1井天然气干燥系数仅为0.76，甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素组成都偏轻（见图3），尤其是乙烷和丙烷，不仅比南缘中部玛河气田、呼图壁气田高成熟的天然气（干燥系数0.90～0.95）偏轻很多，也比安集海背斜成熟的天然气（干燥系数仅为0.71的湿气）轻许多，比干燥系数相似（成熟度相近）的卡因迪克油田、西湖背斜等的天然气均轻，甚至比吐哈盆地台北凹陷来源于中下侏罗统煤系烃源岩的低成熟天然气[22-23]（很多是与原油伴生气）也轻，几乎是南缘地区碳同位素组成最轻的天然气。另一方面，这类天然气的碳同位素组成又比西北缘风城组来源的典型油型气重（见图3b）。

显然，这类天然气应该不是完全来源于中下侏罗统煤系烃源岩，而是侏罗系煤系烃源岩生成的天然气与二叠系湖相烃源岩生成的天然气的混合气。按照天然气碳同位素组成二元混合模型可以计算侏罗系和二叠系的相对贡献。卡因迪克油田、西湖背斜、安集海背斜天然气来源于侏罗系煤系，其烃类组分组成（干燥系数）与高探1井天然气基本一致（见表1），表明它们的成熟度也基本一致，因而可以作为典型侏罗系来源煤型气的端元。南缘中部玛河气田和呼图壁气田天然气组分以甲烷为主，干燥系数明显高于高探1井天然气（见表1），表明其成熟度高于高探1井天然气，因而不能作为煤型气的端元气。西北缘北部天然气主要来源于二叠系风城组，其烃类组分组成与高探1井天然气也很类似[1,7]，因而可以作为二叠系来源油型气端元。卡因迪克背斜等来源于侏罗系煤系烃源岩的天然气平均干燥系数为0.80，甲烷和乙烷平均碳同位素δ13C值分别为-37.63‰和-26.27‰；西北缘来源于二叠系风城组的天然气平均干燥系数为0.88，甲烷和乙烷平均碳同位素δ13C值分别为-43.24‰和-31.35‰；高探1井清水河组油气藏天然气干燥系数为0.77，甲烷和乙烷碳同位素δ13C值分别为-40.42‰和-28.94‰，这些天然气的干燥系数非常相近也即成熟度很相近。因此，按照二元混合模型和甲烷碳同位素δ13C值计算，高探1井天然气中侏罗系煤系烃源岩的贡献为50.27%，二叠系湖相烃源岩的贡献为49.73%；按照乙烷碳同位素计算，侏罗系煤系烃源岩的贡献为47.44%，二叠系湖相烃源岩的贡献为52.56%。由此可见，高探1井天然气中侏罗系和二叠系烃源岩的贡献基本上各占一半左右。

4.2.4 南缘东部天然气

南缘东部地区马庄气田天然气，惠荣耀等[13]认为是源于侏罗系煤系烃源岩的煤型气。然而，这些天然气基本上为干气，且具有非常轻的碳同位素组成，明显与南缘呼图壁气田高成熟煤型气不同，属于油型气。但是，无论是按戴金星等[51]的油型气公式还是煤型气公式，计算获得的成熟度均很低，基本为处于未成熟与低成熟阶段的天然气，显然与其干气的组分不符合。徐永昌等[34]将烃源岩在低成熟阶段（Ro值为0.5%～0.6%）生成的天然气称之为生物-热催化过渡带天然气；戴金星[31]将这一类型的天然气称之为亚生物气，这类天然气的特点是以甲烷为主，乙烷及其以上重烃气含量低，一般为干气，甲烷的碳同位素δ13C1值为-55‰～-50‰，而且常常与少量低熟油共生[31,34]。三台地区的这些天然气也为干气，但其甲烷的碳同位素δ13C1值一般为-50‰～-44‰，比徐永昌等[34]称之为生物-热催化过渡带气的天然气要重5‰左右。因此，这些天然气应该不是烃源岩在低成熟阶段生成的天然气。实际上，这种类型的天然气在陆梁隆起（陆9井油气藏）、西北缘风城地区也有分布，其特点是通常与生物降解稠油相伴生或位于稠油油藏之上。三台地区这些天然气目前的埋藏深度一般小于2 200 m，而且基本上与生物稠油相伴生或者位于稠油油藏之上[1]。因此，笔者认为马庄气田的这些干气是油藏原油遭受生物降解过程中形成的次生生物成因天然气。三台地区原油来源于中二叠统芦草沟组湖相烃源岩[1]，因而这些天然气是间接来源于二叠系湖相烃源岩。

5 结论

准噶尔盆地南缘地区天然气烃类组分变化大，总体以湿气为主，少量干气。西部四棵树凹陷天然气干燥系数为0.73～0.93，以湿气为主；中部第2、第3排构造天然气干燥系数为0.63～0.95，由西向东逐渐增大，基本上为湿气，第1排构造天然气为干气；东部马庄气田天然气为干气。

南缘地区天然气碳同位素组成总体较重而氢同位素组成较轻，绝大多数天然气组分碳同位素组成呈现正序分布，少量呈倒转分布，均属于有机热成因天然气，由淡水—微咸水沉积有机质生成，可以分为煤型气、混合气与油型气3类，以煤型气与混合气为主。西部卡因迪克、西湖及独山子背斜构造以煤型气和混合气为主；中部安集海、霍尔果斯、玛纳斯、吐谷鲁及呼图壁背斜构造以煤型气为主，南安集海背斜天然气为油型气，齐古背斜天然气为混合气和煤型气；东部三台地区马庄气田天然气属于油型气。

侏罗系煤系烃源岩是南缘地区最主要的天然气源岩，二叠系和上三叠统烃源岩在局部地区也是重要的天然气源岩。中部第2排、第3排构造天然气主要来源于侏罗系煤系烃源岩，第1排构造天然气来源于二叠系湖相烃源岩和侏罗系煤系烃源岩，可能有上三叠统湖相—湖沼相烃源岩的贡献；西部构造天然气主要来源于侏罗系煤系烃源岩和二叠系湖相烃源岩；东部三台地区天然气来源于二叠系湖相烃源岩。

南缘西部四棵树凹陷高泉背斜构造高探1井下白垩统清水河组油气藏中天然气为煤型气和油型气的混合气，侏罗系煤系和二叠系湖相烃源岩的贡献各占一半左右，揭示南缘西部不仅只有侏罗系一套油气源岩，还应该有二叠系气源岩。

致谢：感谢梁狄刚教授认真审阅了本文并提出了许多宝贵修改建议，在此表示诚挚地感谢！