库车坳陷巴什基奇克组天然气地化指标探究

韩 涛

长庆油田分公司第九采油厂, 宁夏 银川 750006

0 前言

塔里木盆地库车坳陷蕴藏着丰富的天然气资源,随着塔里木盆地库车坳陷油气勘探开发的不断深入,巴什基奇克组的勘探已从浅层进入深层—超深层阶段, 前人多根据天然气组分含量和碳同位素组成等开展成因来源及成藏方面的研究, 李贤庆等阐述了库车坳陷天然气的地球化学特征, 并结合碳同位素动力学模拟计算结果, 对其天然气的成熟度和起源做了进一步探讨[1]。 张英志等依据塔里木盆地北部地区库车坳陷巴什基奇克组地球化学资料, 对塔北地区晚白垩世时期发育海侵沉积进行了分析[2]。 冯松宝等通过研究克拉苏构造带超高压大气田的天然气组分和碳同位素特征, 分析了天然气的成熟度[3]。 张荣虎等运用构造演化恢复及系统表征的方法, 对白垩系砂岩沉积层进行了综合研究[4]。 魏强等运用对库车坳陷克深大气田天然气地球化学特征及成因、 储层流体包裹体特征、天然气成藏时间及成藏过程进行研究[5]。 本文在前人工作基础上, 根据整个塔北地区库车坳陷各个构造带一、 二、 三段的岩心资料, 综合运用天然气组分和碳同位素特征, 对库车坳陷巴什基奇克组地球化学特征进行了分析。

1 地质背景

1.1 构造背景

库车坳陷位于塔里木盆地的北缘, 南界在库—阿公路一线附近, 北界为天山南麓, 整体呈北东向展布, 东西长约400 km, 南北宽30 ～120 km, 面积约2.8×104km2(图1), 是塔里木盆地重要的二级构造单元, 油气资源非常丰富, 为中国西部开发“西气东输” 工程的主要资源基地, 也是中国最为重要的富气区之一。 库车坳陷油气勘探历史悠久, 也是多年来石油地质研究的热点地区[6-7]。 目前, 研究区已钻井口数达30 余口。 库车地区经历了晚二叠世—中三叠世的周缘前陆盆地、 晚三叠世—中侏罗世的伸展断陷盆地以及晚第三纪以来的再生前陆盆地3 个演化阶段[8-10]。 库车坳陷从北向南可以划分为北部单斜带、克拉苏—依奇克拉苏构造带、 秋里塔克构造带和前缘隆起带[11-13]。 研究区白垩系巴什基奇克组为主要含气储层, 埋藏深度整体上介于6 000 m 到8 500 m 之间,为一套扇三角洲—辫状河三角洲前缘沉积体系, 自下而上分为三段, 其中二段的沉积时间最长。 本文从研究区巴什基奇克组一、 二、 三段分别做地球化学特征分析。

1.2 研究层段发育特征

库车凹陷沉积厚度很大, 最深厚度可以达到8 km, 作为一个以中新生界沉积为主的陆源碎屑沉积盆地, 发育良好。 中新生界地层发育有很多不整合面, 储层包括有侏罗系的阿合组、 阳霞组以及本文所重点研究的白垩系的巴什基奇克组, 白垩系中上白垩统基本被剥蚀殆尽, 仅发育有下白垩统存留。 白垩系巴什基奇克组碎屑岩发育在克拉苏构造带上, 埋藏较深。 作为库车坳陷最为重要的储层, 高温高压让储层的成岩作用较为复杂, 压实作用比较明显。

新疆库车坳陷巴什基奇克组自下而上分别为巴三段、 巴二段和巴一段。 其中, 巴三段岩性较粗, 以砂砾岩为主, 夹有较厚泥岩; 巴二段的褐色中细砂岩砂泥互层, 储层物性较好, 是研究区的主要储集层; 巴一段以褐色中细砂岩为主, 储层物性略弱于巴二段(图2)。 整个新疆库车坳陷巴什基奇克组三段岩性特征明显, 整体厚度由西到东逐渐加厚。

图2 库车坳陷巴什基奇克组典型岩心特征素描(据前人研究)Fig.2 Sketch of typical core characteristics of Bashjiqike Formation in Kuqa depression

2 样品与实验方法

对库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组进行观察取样,整理了具有代表性的样品, 为了确保样品的代表性,91 个样品均采集自不同井的一、 二、 三段。 其中采集一段样品31 个, 二段和三段均采集样品30个。 天然气主要采用钢瓶密封取样, 少部分采用盐水瓶密封取样。 采集的气样交于实验室针进行天然气的组分分析、 碳氢同位素测定以及同位素计算。

3 天然气地球化学特征

3.1 天然气组分含量

库车坳陷克深大气田天然气组分含量数据如表1所示。 新疆库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组天然气烃类组分C1-4占绝对优势, 为87.28%～99.78%, 平均含量普遍大于90%, 占总体统计样品数的96%。 CH4含量介于82.28%～98.28%, 平均为96.5%; C2H6含量分布在0.34%～11.76%, 分布在0.34%～2.55%的占统计样品的70.8%; C3H8含量很低, 主要分布在0～1.11%, 分布在0.11%～0.98%之间的占统计样品的85.4%。 个别样品中甚至不含C2+, 可能是由于天然气成熟度很高所致。 可以看出, 库车坳陷白垩世巴什基奇克组天然气的烃类气体在天然气组分中占有绝对优势, 非烃气体含量很少。 烃类气体中CH4含量占主导优势。

表1 巴什基奇克组化学组分分布表Table 1 Distribution of chemical components of Bashijiqike Formation

非烃气体主要为CO2和N2。 其中CO2含量分布在0.05%～1.85%的样品占统计样品的80.2%。 天然气中N2的含量分布在0.45%～2.21%的样品占统计样品的70.12%。 一般认为CO2含量大于60%的为无机成因, N2含量随着煤系烃源岩成熟度的增加而增加[14-15]。 总体而言, 研究区天然气组分中, N2含量高于CO2, 以有机成因其为主。

一段天然气烃类组分中C1-4分布在87.38% ～99.78%, 样品数量42 块, 平均含量普遍大于90%;CH4含量介于82.71% ～95.37%, 平均为89.04%;C2H6含量分布在0.32% ～9.97%, 平均为2.02%。C3H8含量分布在0.11%～1.05%, 平均为0.51%。 二段天然气烃类组分中C1-4分布在85.29%～98.60%,样品数量24 块, 平均含量为90%; CH4含量介于81.05%～95.37%, 平均为95%; C2H6含量分布在0.23%～11.50%, 平均为2.23%; C3H8含量分布在0.02%～1.03%, 平均为0.49%。 三段天然气烃类组分中C1-4分布在82.52%～98.71%, 样品数量34 块,平均含量普遍大于90%; CH4含量介于82.52% ～97.65%, 平均为95.73%; C2H6含量分布在0.30%～10.58%, 平均为1.40%; C3H8含量分布在0.06 ～1.05%, 平均为0.49%。

一段非烃气体中CO2含量分布在0.09%～5.21%之间, 样品数量42 块, 平均为0.71%; N2含量的分布范围为0.31%～6.74%, 平均为2.01%。 二段非烃气体中CO2含量分布在0.58%～4.67%, 样品数量24块, 平均为0.78%; N2含量的分布范围为0.05%～6.05%, 平均为1.54%。 三段非烃气体中CO2含量分布在0.03% ～4.54%, 样品数量34 块, 平均为0.75%; N2含量的分布范围为0 ～6.51%, 平均为1.64%。

图3 库车坳陷巴什基奇克组一、 二、 三段组分分布Fig.3 Composition distribution of members I, II and III of Bashijiqike Formation in Kuqa depression

对库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组一、 二、 三段以及全组天然气样品研究分析表明, 天然气烃类组分C1-4占绝对优势, 其中CH4含量占主导优势, C2+含量极少。 非烃气体主要为CO2和N2, 属于有机成因气。

3.2 天然气碳同位素组成

根据库车坳陷白垩世巴什基奇克组42 个样品烷烃同位素组成分布表(表2)。 总体上, 白垩系巴什基奇克组天然气中烷烃类气体具有相对富稳定碳同位素的煤成气特征, 可以看出, 研究区巴什基奇克组烷烃气碳同位素组成普遍较重, δ13C1从-37.5‰～-15.7‰,主频率分布较宽, 分布在-36.2‰～-18.5‰的占统计样品的90%左右; δ13C2从-26.5‰～-15.3‰, 主频率为-20.0‰～-15.7‰; δ13C3值从-24.2‰～-13.1‰, 主频率分布介于-21. 9‰～-18. 8‰。 总的来说, 库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组天然气烷烃气组分碳同位素组成普遍较重, 乙烷和丙烷碳同位素的主频区大致相同。

表2 巴什基奇克组碳同位素分布表Table 2 carbon isotope distribution of Bashijiqike Formation

一段烷烃气碳同位素中δ13C1分布在-35.7‰～-14.1‰, 样品数20 个, 平均为-28‰; δ13C2分布在-25.1‰～- 15.3‰, 平 均 为- 20‰; δ13C3分 布 在-22.3‰～-13.7‰, 平均为-17.7‰。 二段烷烃气碳同位素中δ13C1分布在-39.2‰～-20.7‰, 样品数20 个,平均为-33.5‰; δ13C2分布在-27.1‰～-18.7‰, 平均为-22.5‰; δ13C3分布在-23.3‰～-18.5‰, 平均为-22‰。 三段烷烃气碳同位素中δ13C1分布在-39.7‰～-15.2‰, 样品数20 个, 平均为-27.3‰; δ13C2分布在-26.5‰～-15.8‰, 平均为-23.7‰; δ13C3分布在-26.1‰～-15.5‰, 平均为-20‰。

库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组全组天然气δ13CO2分布在-38‰～-10‰样品数为60 个, 平均为-13.73‰。 一段烷烃气碳同位素中δ13CO2分布在-35.8‰～-9.9‰样品数为20 个, 平均为-18.8‰。二段烷烃气碳同位素中δ13CO2分布在-35‰～-10‰样品数为20 个, 平均为-15.7‰。 三段烷烃气碳同位素中δ13CO2分布在-37.2‰～-11.2‰样品数为20 个,平均为-19.3‰。

戴金星等认为, 在中国有机成因的δ13CO2值主要分布在-39‰～-10‰, 主频率在-18‰～-11‰, 而无机成因的δ13CO2值主要分布在-8‰～+7‰, 主频率段为-8‰～-3‰。 根据戴金星等建立的有机成因与无机成因CO2鉴别图版, 也可以判别出新疆库车坳陷白垩世巴什基奇克组天然气中CO2主要为有机成因[16-17]。

库车坳陷晚白垩世巴什基奇克组天然气δ13C1和(δ13C2-δ13C1) 较高, 随成熟度增加, δ13C1增高,(δ13C2-δ13C1) 值减少, 如过成熟的克拉2 井。 天然气δ13C2普遍大于-28‰, 特别是克拉2 气田δ13C2很重, 为-17‰～-19‰。 研究表明, 库车坳陷白垩世巴什基奇克组天然气落在煤成气范围[1,18-19]。

3.3 天然气成熟度

为了了解库车坳陷天然气气源的热演化程度, 笔者根据甲烷同位素估算了天然气可能烃源岩的成熟度。 据戴金星等提出的煤成气甲烷碳同位素与成熟度关系式[20]:

δ13C1=14.13lgR0-34.39 (1)

据刘文汇提出的等提出的煤成气甲烷碳同位素与成熟度关系式[21]:

根据公式(1) 和公式(2) 计算库车坳陷巴什基奇克组一、 二、 三段煤成气的R0值, 绘制了研究区巴什基奇克组天然气成熟度分布表(表3)。 库车坳陷巴什基奇克组全组甲烷碳同位素分布在-35.4‰ ～-29.7‰, 样品数42 个, 平均为-32.5‰; 通过公式(1) 计算得到天然气R0值分布在0.71～2.99, 平均为1.08; 通过公式(2) 计算得到天然气R0值分布在0.69～2.02, 平均为1.10。

表3 库车坳陷巴什基奇克组天然气成熟度分布表Table 3 natural gas maturity distribution of Bashijiqike Formation in Kuqa depression

一段甲烷碳同位素分布在-34.5‰～-25.1‰, 样品数14 个, 平均为-31.9‰; 通过公式(1) 计算得到天然气R0值分布在0.69 ～1.54, 平均为1.20; 通过公式 (2) 计算得到天然气R0值分布在0.99 ～1.41, 平均为1.09。 二段甲烷碳同位素分布在-35.4‰～-31.8‰, 样品数14 个, 平均为-33.4‰;通过公式(1) 计算得到天然气R0值分布在0.72 ～2.14, 平均为0.98; 通过公式(2) 计算得到天然气R0值分布在0.78～1.56, 平均为0.89。 三段甲烷碳同位素分布在-34.1‰～-28.7‰, 样品数14 个, 平均为-32.5‰; 通过公式(1) 计算得到天然气R0值分布在0.75～1.84, 平均为1.20; 通过公式(2) 计算得到天然气R0值分布在0.97～2.57, 平均为1.32。

虽然通过不同的方法计算得到的天然气的成熟度不同, 但是计算结果得出R0值均分布为0.64% ～2.97%, 主要分布范围是在0.98%～2.02%, 不同方法的计算结果也都可反映出库车坳陷白垩世巴什基奇克组一、 二、 三段天然气一般都大于0.5% (图4),表明天然气都是在烃源岩在过成熟阶段产生的气, 而且是瞬时气, 这个结论和李贤庆等运用生烃动力学研究得出的结论基本一致[22]。

图4 库车坳陷巴什基奇克组天然气成因鉴别图Fig.4 Genetic identification of natural gas in Bashijiqike Formation of Kuqa depression

3.4 煤层气的地化特点

目前, 在库车坳陷已经发现了一大批大中型气田, 主要来源于上三叠统塔里奇克组、 下侏罗统阳霞组与中侏罗统克孜勒努尔组。 讨论煤层气时选取了4个塔里奇克组煤样和3 个克孜勒努尔组煤样进行岩石热解、 有机碳分析、 元素分析和封闭体系下的黄金管热解实验。 通过比较煤样的生烃动力学参数, 发现克孜勒努尔组煤样R0大于1.8%、 塔里奇克组煤样R0大于1.6%时, 是一套有效的气源岩。

库车坳陷的天然气主要来源于煤系烃源岩, 其中天然气乙烷碳同位素值一般重于-27‰, 属于典型煤成气。 库车坳陷的克拉2 气田, δ13C1为-25.1‰～-27.8‰, δ13C2为-18.7‰～-19.0‰, 天然气碳同位素含量较重, 反映来源于成熟度比较高的烃源岩; 而其余油气田中天然气甲烷碳同位素含量较轻, 反映来源于成熟度比较低的烃源岩。

4 结论

通过对塔里木盆地库车坳陷白垩世巴什基奇克组各个地区的样品研究, 结合分析测试数据及对比研究表明:

(1) 研究区巴什基奇克组天然气以烃类气体为主, C1-4占绝对优势, 一、 二、 三段平均含量均普遍在90%以上。 非烃气体主要为CO2和N2, 主要是有机成因气。

图5 库车坳陷煤系烃源岩R0等值线和典型油、 气田分布图Fig.5 R0isoline of coal measure source rocks and distribution map of typical oil and gas fields in Kuqa depression

(2) 研究区巴什基奇克组天然气δ13C1从-37.5‰～- 15.7‰, 主 频 率 分 布 较 宽, 分 布 在-36.2‰ ～-18.5‰; δ13C2从-26.5‰ ～-15.3‰, 主 频 率 为-20.0‰～-15.7‰; δ13C3值从-24.2‰～-13.1‰, 主频率分布介于-21.9‰～-18.8‰。 总的来说天然气组分碳同位素组成普遍较重, 属于煤成气。

(3) 根据不同公式计算研究区一、 二、 三段煤成气的成熟度值, 可知天然气都是在烃源岩过成熟阶段产生的煤成气。