川南赤水地區(qū)天然氣成因多樣性分析

胡 燁，李 浩，曾華盛，袁曉宇，宋曉波

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213032；3.中國石化西南油氣分公司,四川 成都 610059)

0 引 言

由于勘探程度較低、地區(qū)資料少，目前對川南赤水地區(qū)天然氣地球化學(xué)特征的認(rèn)識較少，不同層系天然氣成因研究也較少[1-4]。王鵬等[5]認(rèn)為，川南地區(qū)須家河組發(fā)育有石油裂解成因油型氣，主要來自下伏氣藏；朱光有等[6]對川南地區(qū)天然氣地球化學(xué)特征做了分析總結(jié)，認(rèn)為川南中二疊統(tǒng)天然氣主要來自龍馬溪組泥巖的油型氣和本層泥灰?guī)r供烴[7]。在前人研究的基礎(chǔ)上，采集了赤水地區(qū)官11、官16、旺9、寶2、太4井等5口不同產(chǎn)層天然氣樣品，開展天然氣組分、烷烴碳?xì)渫凰亍⑻烊粴廨p烴等測試分析，結(jié)合已有的測試資料，綜合分析了川南赤水地區(qū)不同產(chǎn)層天然氣的地球化學(xué)特征，進(jìn)行了氣源對比，深化對該區(qū)天然氣來源的認(rèn)識，為下步勘探部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

四川盆地是中國陸上主要的天然氣產(chǎn)區(qū)之一，目前探明天然氣儲量最多、氣田數(shù)量最多、產(chǎn)層最豐富[1-2]。根據(jù)區(qū)域位置與油氣田地質(zhì)特征，四川盆地劃分為川東、川中、川西、川南4個油氣區(qū)[3]。其中，赤水地區(qū)位于四川盆地南部，包括貴州省赤水、習(xí)水等地區(qū)，其區(qū)域構(gòu)造分區(qū)上隸屬于四川盆地川南坳陷帚狀構(gòu)造南緣的瀘州—赤水復(fù)合疊加構(gòu)造帶(圖1)，工區(qū)內(nèi)共有完鉆井70余口，主要針對陸相及海相組合氣藏。選取來自官11、官8、官9井侏羅系，官16井須家河組，旺9井雷口坡組，寶2井嘉陵江組和太4井茅口組產(chǎn)氣層的氣樣進(jìn)行研究。針對上述樣品，分別進(jìn)行了天然氣組成、天然氣碳同位素、天然氣氫同位素和天然氣輕烴等測試。

圖1 川南地區(qū)構(gòu)造單位劃分及井位分布

2 天然氣組分特征

天然氣主要由烴類氣和非烴類氣組成，其組分特征受氣源巖的成熟度、生烴母質(zhì)類型、天然氣運移成藏及后期氣藏改造等多種因素的影響。川南赤水地區(qū)不同層系天然氣均以烴類氣體為主(表1)。

表1 赤水地區(qū)天然氣組分

由表1可知：陸相侏羅系天然氣甲烷含量相對較低，為91.20%，須家河組天然氣甲烷含量高于95.00%，侏羅系天然氣乙烷含量近5.00%，須家河組天然氣乙烷含量為1.45%，陸相層系天然氣中丙烷、丁烷、戊烷含量均低于0.50%，干燥系數(shù)為0.933，相對較低；而須家河組天然氣干燥系數(shù)高于98.00%，屬于典型干氣；海相不同層系天然氣甲烷含量近98.00%，重?zé)N氣含量較低，丙烷含量極低，不含丁烷及戊烷，干燥系數(shù)均高于0.995，屬于典型的高演化干氣。

研究區(qū)侏羅系天然氣干燥系數(shù)相對較低，其他層系天然氣干燥系數(shù)均在0.981以上，表明該區(qū)天然氣熱演化程度較高。海相天然氣均表現(xiàn)為典型干氣特征，乙烷含量低，不含丙烷、丁烷及戊烷，這與海相氣源巖處于深層，成熟度高，乙烷、丙烷和丁烷被裂解有關(guān)[8]。研究區(qū)非烴氣體類型較少，不含H2S，含有極少量H2、微量N2和少量CO2，H2體積分?jǐn)?shù)小于0.02%，N2體積分?jǐn)?shù)為0.59%～2.10%，CO2體積分?jǐn)?shù)為0.18%～0.90%。

3 烷烴碳同位素特征與氣源對比

氣源巖類型、成熟度、成因類型及運移等因素導(dǎo)致天然氣同位素發(fā)生分餾，共同決定了現(xiàn)今天然氣烷烴同位素的地球化學(xué)特征。一般來說，無機(jī)成因氣具有碳同位素系列倒轉(zhuǎn)特征[10]，而有機(jī)成因烷烴氣碳同位素一般具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的特征，有機(jī)成因烷烴氣發(fā)生碳同位素系列倒轉(zhuǎn)或部分倒轉(zhuǎn)的原因一般有4種，即有機(jī)氣與無機(jī)氣的混合、煤成氣和油型氣的混合、同型不同源氣或同源不同期氣的混合與細(xì)菌氧化作用[9]。由于地層埋深大、缺乏存在細(xì)菌氧化作用的條件，結(jié)合乙烷的碳同位素特征，認(rèn)為研究區(qū)烷烴氣碳同位素發(fā)生倒轉(zhuǎn)有可能是油型氣和煤型氣混合造成的，但也不排除是同型不同源氣或同源不同期氣的混合成因。

氣藏的氣源是指天然氣主要組分氣的成因類型，通常為油型氣或煤型氣[11]。有機(jī)質(zhì)類型不同的烴源巖生成的天然氣δ13C2值存在明顯的不同，乙烷碳同位素常用來判識天然氣的類型。戴金星等[12]研究認(rèn)為，煤型氣的乙烷碳同位素一般大于-28.0‰，油型氣的乙烷碳同位素一般小于-28.5‰，分布在-28.0‰～-28.5‰之間的為2類氣的共存區(qū)，且以煤型氣為主。

川南赤水地區(qū)侏羅系天然氣甲烷和乙烷碳同位素的值分布相對集中，δ13C1的值為-33.1‰～-31.5‰，δ13C2值為-26.9‰～-23.2‰，δ13C3的值分布較為分散，為-31.2‰～-23.3‰，為典型煤型氣，其烷烴氣碳同位素序列呈正常組合(圖2)，具有典型的陸相氣特征。

圖2 天然氣甲烷與乙烷碳同位素相關(guān)圖

須家河組天然氣中甲烷和丙烷碳同位素值分布相對集中，δ13C1值為-34.1‰～-32.4‰，δ13C3值為-28.87‰～-25.9‰，δ13C2值分布較為分散，為-36.39‰～-26.7‰；雷口坡組天然氣δ13C1值分布相對集中，為-31.6‰～-29.0‰，乙烷和丙烷碳同位素值分布較為分散，δ13C2值為-31.9‰～-26.4‰，δ13C3值為-29.6‰～-22.8‰。須家河組和雷口坡組天然氣乙烷碳同位素特征反映均具有混源的特征，而兩者烷烴氣碳同位素序列相似性差，既有正常型組合(圖3)，又有局部倒轉(zhuǎn)型組合，反映出須家河組和雷口坡組天然氣有不同源天然氣混合，既有海相偏腐泥型氣，又有陸相煤型氣。

圖3 川南赤水地區(qū)天然氣碳同位素序列

嘉陵江組天然氣中甲烷和乙烷碳同位素值分布相對集中，δ13C1值為-30.3‰～-27.7‰，δ13C2值為-34.8‰～-29.6‰，δ13C3值分布較為分散，為-30.8‰～-25.5‰。

嘉陵江組、茅口組和志留系天然氣δ13C2都小于-28.5‰，均屬于油型氣，其烷烴氣碳同位素也均為局部倒轉(zhuǎn)型組合，推斷應(yīng)是同型不同源氣混合造成的，綜合判斷這3個層系氣源都屬于海相偏腐泥型氣(圖4)。

圖4 天然氣乙烷碳同位素與甲烷氫同位素相關(guān)圖

從天然氣甲烷與乙烷碳同位素關(guān)系圖版可知，川南赤水地區(qū)侏羅系天然氣顯示出煤型氣特征，須家河組天然氣顯示出混源氣和單純的油型氣特征，雷口坡組天然氣顯示出混源氣特征，嘉陵江組、茅口組和志留系天然氣主要為油型氣(圖5)。

研究區(qū)主要產(chǎn)層的天然氣以甲烷氣為主，重?zé)N氣含量較低。從甲烷氫同位素分析結(jié)果來看，侏羅系的δD1值相對較低，為-159.0‰；其他4個層系的天然氣樣品δD1普遍較重，為-125.0‰～-118.0‰。結(jié)合川西及川東天然氣樣品測試分析數(shù)據(jù)，根據(jù)天然氣乙烷碳同位素與甲烷氫同位素關(guān)系圖版(圖6)，認(rèn)為侏羅系天然氣為陸相氣，須家河組天然氣為混源氣，雷口坡組、嘉陵江組、茅口組和志留系天然氣為海相氣。

4 輕烴特征與氣源對比

天然氣輕烴組成主要為C6、C7的化合物，是天然氣與原油的中間產(chǎn)物，此碳數(shù)范圍內(nèi)的烴類異構(gòu)物豐富、信息量較大[13]。官11、官16、旺9井天然氣樣品獲得了檢測數(shù)據(jù)(表2)，寶2、太4井天然氣演化程度較高，未檢測出輕烴。由于原始有機(jī)質(zhì)類型的差異，可以大致將氣源劃分為油型(腐泥型)氣和煤型(腐殖型)氣[14-15]。根據(jù)3口鉆井輕烴指紋數(shù)據(jù)在輕烴Mango參數(shù)及C7輕烴組成等相關(guān)圖上投影結(jié)果顯示，3個層系天然氣反映出同源的特征，或腐殖型氣或腐泥型氣，與上述天然氣組分及烷烴氣同位素特征對比結(jié)果相悖，這是因為川南地區(qū)各層系天然氣成熟度較高，天然氣以烴類氣體為主，輕烴氣體含量太低，因此，川南地區(qū)天然氣輕烴分析結(jié)果不足以作為判識天然氣類型及來源的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 川南赤水地區(qū)侏羅系天然氣碳同位素序列

圖6 川南赤水地區(qū)天然氣碳同位素序列

5 天然氣成熟度

依據(jù)龐雄奇[16]等提出的判別天然氣母質(zhì)類型混合型成因定量地質(zhì)模式，并采用戴金星等提出的經(jīng)驗公式參數(shù)[14]，計算得出了川南赤水地區(qū)官11井等6口鉆井的天然氣樣品成熟度。

綜合天然氣組分特征、烷烴碳?xì)渫凰靥卣鳌⑤p烴指紋特征以及天然氣成熟度特征，并結(jié)合生儲蓋配置關(guān)系研究成果，分析得出：侏羅系天然氣以陸源腐殖型氣為主，其Ro為1.83%，屬于高成熟天然氣，與須家河組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型和演化程度(Ro為1.70%～1.82%)相近，表明其主要來源于須家河組煤系烴源巖；而須家河組天然氣既有海相偏腐泥型氣，又有陸相煤型氣，Ro為1.83%～2.18%，屬于高成熟—過成熟天然氣，既與須家河組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型和演化程度(Ro為1.70%～1.82%)一致，又和二疊系龍?zhí)督M烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型和演化程度(Ro平均為2.15%)相近，表明其來源于須家河組烴源巖和二疊系烴源巖；雷口坡組與嘉陵江組均以海相偏腐泥型氣為主，Ro為3.20%左右，屬于過成熟氣，二者氣源同源，主要氣源巖均為二疊系及志留系烴源巖；茅口組以海相腐泥型氣為主，Ro為3.29%，也屬于過成熟氣，主要來源于中二疊統(tǒng)烴源巖及志留系龍馬溪組烴源巖。

表2 川南赤水地區(qū)天然氣成熟度

6 結(jié) 論

(1) 川南赤水地區(qū)天然氣以烴類氣體為主，除侏羅系天然氣干燥系數(shù)相對較低，其他層系天然氣干燥系數(shù)均在0.981以上，須家河組天然氣表現(xiàn)出典型干氣的特征，海相各層系天然氣干燥系數(shù)都高于0.995，為典型的高演化干氣。

(2) 川南赤水地區(qū)陸相侏羅系天然氣表現(xiàn)出典型陸相煤型氣的特點，主要來源于須家河組煤系烴源巖；須家河組天然氣表現(xiàn)出混源的特征，既有海相偏腐泥型氣，又有陸相煤型氣，主要來源于須家河組烴源巖和二疊系烴源巖。

(3) 川南赤水地區(qū)海相天然氣屬于過成熟天然氣，雷口坡組天然氣雖表現(xiàn)出混源的特征，但以海相偏腐泥型氣為主，可能主要來源于二疊系及志留系烴源巖；嘉陵江組、茅口組天然氣以海相偏腐泥型氣為主，主要來源于二疊統(tǒng)烴源巖及志留系龍馬溪組烴源巖。