四川盆地涪陵地區茅一段酸解氣、吸附氣特征及氣源對比

姚 威 許 錦 夏文謙 王 強 饒 丹 陳強路

1.中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所 2.中國石化勘探分公司

0 引言

酸解氣指的是碳酸鹽巖晶格及不連通孔隙中的烴類氣體，通常通過化學脫附方法獲取，包括鹽酸鹽法和磷酸法。吸附氣主要通過物理方法（包括震蕩撞擊法、攪拌和溶劑粉碎法）脫附的連通孔隙及表面吸附的烴氣。究竟應該用酸解氣還是吸附氣來進行氣源對比，目前尚未形成統一意見。張同偉等[1-2]認為酸解氣化學組成和同位素組成的變化與相應層段生成的天然氣地球化學特征相一致，因此可通過烴源巖酸解氣和天然氣同位素組成的對比，追索烴源巖；張渠等[3]認為對南方海相高演化地區進行氣源對比應優先選用酸解氣分析；張居和等[4]通過烴源巖吸附氣和熱模擬排出氣輕烴進行對比試驗研究，結果表明烴源巖吸附氣主要反映烴源巖排出天然氣特征。針對上述問題，筆者以四川盆地涪陵地區中二疊統茅口組一段（以下簡稱茅一段）泥灰巖及天然氣為樣本，探討酸解氣和吸附氣的性質和差異，及其在氣源對比中的適用條件。

1 研究區地質背景

涪陵地區位于四川盆地東南的隔擋式褶皺帶，該褶皺帶呈北東向展布，狹長的背斜和寬緩的向斜依次排列（圖1）。背斜核部地層主要為三疊系，向斜核部主要為侏羅系[5-7]。

圖1 涪陵地區區域地質概況圖

茅一段沉積時期，四川盆地是一個碳酸鹽巖緩坡沉積環境[8-9]，涪陵地區位于劍閣—梁平低洼帶，處于相對低能的外緩坡環境，沉積了一套以含泥灰巖、泥質灰巖和泥晶灰巖為主的瘤狀灰巖。其中灰白色的瘤狀“眼球”主要由泥晶灰巖組成，泥質含量少，總有機碳含量（TOC）較低，平均值僅為0.31%；灰黑色的包裹“眼球”的“眼皮”主要由含泥灰巖和泥質灰巖組成，其泥質含量高，TOC相對較高，平均值可達0.90%。因此，“眼皮”部分是茅一段主要的生烴來源。

茅一段一直以來被認為是較好的烴源巖[10-11]。但近年來在涪陵地區義和1等井茅一段獲得工業氣流，展示了該層段具有一定的勘探潛力。然而目前對于茅一段的氣源仍存爭議，爭議的焦點是茅一段產出天然氣的主體來源是茅一段還是下志留統龍馬溪組。

筆者在進行茅一段氣源對比過程中，獲取了茅一段泥灰巖樣品的酸解氣和吸附氣，進行了組分及同位素分析，并與茅一段天然氣進行了對比，分析總結了酸解氣和吸附氣的差異性及在氣源對比中的適用性。

2 地球化學分析方法及結果

筆者對研究區的焦頁66-1、義和1、鳴玉1、焦石1等井茅一段的泥灰巖樣品進行了酸解氣和吸附氣的組分及碳同位素分析。

2.1 實驗方法

將同一個樣品分為兩份，分別進行吸附氣和酸解氣測試。

烴源巖吸附氣制備方法：取烴源巖樣品約40 g，放入切削式吸附氣制備罐中，注水密封，抽真空后，置于吸附氣制備儀上，通過切削方式粉碎樣品至粉末狀，將烴源巖中吸附氣體釋放出來，采用排水法取出氣體并測量體積。

烴源巖酸解氣制備方法：取烴源巖用研缽粉碎，篩取一定量0.419 mm以下粒徑樣品，置于平底燒瓶中，密封抽真空后，加入鹽酸溶液，將烴源巖中不連通孔隙和碳酸鹽巖礦物晶格中吸附的氣體釋放出來，采用排水法取出氣體并測量體積。

2.2 組分特征

涪陵地區茅一段酸解氣、吸附氣、產出的天然氣甲烷含量都很高，干燥系數大于0.99。從焦頁66-1井—鳴玉1井—義和1井，隨著成熟度（Ro）的增加，甲烷含量依次增加，重烴組分減少（表1）。相比較而言，吸附氣的重烴組分要高于酸解氣。這主要是由于吸附氣存在于連通孔隙，在后期的演化過程中，甲烷由于分子半徑相對小，擴散系數大，導致吸附氣中重烴組分相對富集，而酸解氣主要處于晶格和不連通孔隙中，擴散作用對組分的影響相對較小。

表1 涪陵地區茅一段樣品酸解氣、吸附氣及天然氣組分平均摩爾百分比含量統計表

2.3 碳同位素特征

從茅一段酸解氣、吸附氣碳同位素平均值來看，酸解氣的δ13C1介于-32.9‰～-30.5‰，平均值為-31.7‰，δ13C2介于-38.8‰～-31.9‰，平均值為-36.1‰；吸附氣的δ13C1介于-31.9‰～ -29.8‰，平均值為30.7‰，δ13C2介于-25.3‰～-38.0‰，平均值為-31.4‰。酸解氣的δ13C多輕于吸附氣的δ13C，其中 δ13C1平均輕 1.0‰，δ13C2平均輕 4.7‰（表 2）。

酸解氣、吸附氣碳同位素的差異分析可見其他的一些報道，它可能跟碳的擴散效應有關[2-3]。同一組分重同位素碳分子的半徑大，擴散系數相對小，輕同位素碳先擴散出去，導致吸附氣中富集重同位素碳。另一方面，酸解氣除其主要的烴源巖成烴高峰期的氣態烴外，還混有成熟度相對較低時烴源巖轉化而成的少量氣態烴，從而使酸解氣δ13C偏輕。

表2 涪陵地區茅一段樣品酸解氣、吸附氣甲烷、乙烷碳同位素特征表

3 討論

3.1 碳同位素分布序列

酸解氣、吸附氣除了組分和碳同位素存在差異外，酸解氣和吸附氣在碳同位素的分布序列上也存在差異。

由于丙烷等重烴組分含量極低，無法準確測定其碳同位素，因此筆者研究主要對比了甲烷、乙烷碳同位素。從碳同位素分布序列的形態來看，酸解氣和吸附氣差異巨大（圖2）。酸解氣呈碳同位素倒轉，即δ13C1＞δ13C2，吸附氣僅部分倒轉（如焦頁66-1井）、部分正序（如義和1井、鳴玉1井）。對于同一個樣品，也有出現酸解氣倒轉、吸附氣正序的現象（如義和1井等）。

對于酸解氣而言，各樣品均表現為碳同位素倒轉現象。這是由于酸解氣混合了各個階段的烴氣，包括干酪根裂解氣和原油次生裂解氣，相當于“同源不同期”氣的混合。早期較低成熟度烴源巖形成的天然氣與晚期較高成熟度同源烴源巖形成的天然氣相混合，導致烷烴氣的碳同位素倒轉[12-13]。

對于吸附氣而言，這種差異可能跟成熟度有關。夏新宇等[13]將干酪根的演化分為干酪根生氣階段、二次裂解階段和油裂解耗盡（瑞利分餾）階段（圖3）。

圖2 涪陵地區茅一段泥灰巖樣品吸附氣、酸解氣碳同位素分布序列圖

圖3 甲烷、乙烷δ13C隨成熟度的變化圖

干酪根生氣階段（Ro＜1.3%）。該階段乙烷的母質單一，主要來自干酪根，并與油伴生。天然氣多為濕氣，濕度一般大于5%。該階段，隨著成熟度的增加，δ13C1、δ13C2均變重，且 δ13C1＜ δ13C2。

二次裂解階段（1.3%≤Ro≤2.2%）。該階段開始的標志是δ13C2達到極大值點[9]。此時天然氣為干酪根初次裂解氣和液態烴二次裂解氣的混合，干酪根產出的烷烴氣組分貧C2+，碳同位素更富集13C，油或者凝析物裂解產生的烷烴氣組分C2+更多，碳同位素相對富集12C。隨著成熟度的增加，δ13C1-δ13C2升高并開始向0點收斂。當天然氣濕度降低到1.6%左右，液態烴裂解殆盡，濕氣開始二次裂解，碳同位素分布序列出現反轉（圖3）。焦頁66-1井的Ro介于1.62%～1.73%，屬于二次裂解后期，此時碳同位素分布序列出現倒轉，δ13C1＞δ13C2（圖2中藍色實線）。

當熱演化程度更高（Ro＞2.2%），熱演化進入瑞利分餾階段。油、凝析物甚至輕烴都裂解殆盡，乙烷、丙烷已經不能新生成，乙烷、丙烷開始單純的大量裂解。這個變化過程近似于瑞利分餾。受活化能的影響，12C優先裂解，剩下的乙烷含量越少，δ13C2越大；隨著演化程度的增高，該階段逐漸回到正常序列，即δ13C1＜δ13C2。鳴玉1井Ro介于2.16%～2.32%，義和1井Ro介于2.71%～3.03%，均處于這一階段。鳴玉1井的吸附氣位于瑞利分餾早期，是碳同位素倒序向正序過渡的階段，此時碳同位素倒序和正序的情況都存在（圖2中紅色實線），而義和1井處于瑞利分餾階段的后期，吸附氣處于完全碳同位素正序的階段（圖2中綠色實線）。

3.2 氣源對比

茅一段一直以來被作為烴源巖對待，巖性以含泥灰巖、泥質灰巖、泥晶灰巖為主，孔隙度平均值為1.79%，滲透率平均值為0.32 mD。茅一段獲得工業氣流之后，義和1井茅一段進行測試時采用了酸化壓裂等措施，注入的酸液使得茅一段泥灰巖中的碳酸鹽巖被大量溶蝕，同時礦物晶格和不連通孔隙中的酸解氣得以釋放。因此，涪陵地區茅一段采用酸化措施后的產氣井（如義和1井、焦石1井）產出的天然氣是酸解氣和吸附氣的混合。根據實驗測試的脫氣體積來看，酸解氣是吸附氣的數倍到幾十倍。因此，涪陵地區茅一段天然氣的特征更多的應該反映的是酸解氣的特征。

從圖4來看，義和1井的酸解氣類似于其天然氣的特征，焦石1井的天然氣特征類似于其周邊的焦頁66-1井的酸解氣特征。但是，茅一段天然氣特征與吸附氣差異較大，特別是義和1井產出天然氣的碳同位素序列倒轉，而該井吸附氣的碳同位素正序。

由于茅一段氣藏的大部分天然氣甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素要比石炭系的碳同位素重[15]，而石炭系的天然氣來源于志留系源巖[16]，所以茅口組天然氣的主要烴源巖不是志留系。結合茅一段天然氣與其酸解氣的碳同位素的相似特征推斷，茅一段氣源應該是來源于自身。因此，茅一段氣藏應是一個自生自儲的碳酸鹽巖氣藏。

需要指出的是，由于酸解氣處于相對封閉的不連通孔隙或晶格中，而吸附氣位于連通孔隙中，因此，對于產層未經酸化處理、從烴源巖運移到其他層位聚集的天然氣，其應更類似于烴源巖吸附氣的特征。元壩7、永興1等井的茅三段便是一個例子（圖4）。這些井茅三段產出的天然氣類似于茅一段吸附氣的特征，碳同位素呈正序，說明茅三段產出的天然氣可能來自于茅一段（由于篇幅，筆者不討論元壩7井等茅三段是否存在上二疊氣源）。

因此，在選擇酸解氣還是吸附氣進行氣源對比的時候，需要針對具體情況具體分析。如果產層進行了酸化處理，類似于茅一段這種自生自儲的碳酸鹽巖氣藏，那么產出的天然氣則應該跟酸解氣對比。如果對于那些未對產層進行酸化處理，烴源巖經過生排烴過程自主排烴，在其他層段聚集成藏的，應該以烴源巖吸附氣跟產層產出天然氣進行氣源對比。

圖4 四川盆地部分井茅口組天然氣、酸解氣及吸附氣碳同位素特征圖

4 結論

1）酸解氣和吸附氣在成分和碳同位素上存在較大差異。吸附氣的重烴組分相對高，碳同位素整體偏重。

2）酸解氣碳同位素的分布序列主要反映其多期演化階段氣體的混合的特征，吸附氣則跟成熟度及其對應的碳同位素的演化規律有關。

3）涪陵地區茅一段產出的天然氣類似于酸解氣特征，說明其可能為自生自儲的非常規碳酸鹽巖氣藏。

4）對于經過運移形成的氣藏，產層未經酸化產出的天然氣應該跟烴源巖吸附氣進行對比；而對于自生自儲的碳酸鹽巖氣藏，一般需要經過酸化處理，其產出天然氣應跟烴源巖酸解氣進行對比。