川西北部河湾场气田天然气地球化学特征及其气源探讨

摘 要

摘要：位于川西北部的河湾场气田为多烃源、多储层、多产层的复合型气田，由于过去勘探开发的主要对象为浅层陆相天然气，对其深层天然气成因和气源还未做过系统研究。为此，根据河湾
摘要：位于川西北部的河湾场气田为多烃源、多储层、多产层的复合型气田，由于过去勘探开发的主要对象为浅层陆相天然气，对其深层天然气成因和气源还未做过系统研究。为此，根据河湾场地区以及邻区的天然气组分、天然气碳同位素和天然气浓缩烃资料，结合区域烃源岩和储层沥青分析资料，研究了该气田天然气的地球化学特征及其气源。结果表明：各地质层位的天然气均表现为不合硫化氢的干气特征；其中奥陶系、二叠系天然气的碳同位素特征与川东石炭系天然气特征极为相似，且天然气具有原油二次裂解气的特征，根据该区储层沥青的分布规律，认为奥陶系、二叠系天然气来源于志留系；而下三叠统飞仙关组天然气则源于二叠系碳酸盐岩油型气与上二叠统吴家坪组煤成气的混合气。
关键词：天然气组分；碳同位素；浓缩轻烃；原油二次裂解气；气源对比；天然气成因；河湾场地区；四川盆地
    川西北部河湾场构造位于四川盆地北部广元市境内，位于龙门山山前带断褶构造带近北端，为一与龙门山脉大致平行的北东东向短轴背斜，北西与南东两翼分别有走马岭向斜和射箭河向斜相隔，构造完整。根据钻井揭示及地表露头，该地区除石炭系地层缺失外，从震旦系至侏罗系均有不同程度的分布。气田主要产层均为海相碳酸盐岩地层，分别为下古生界奥陶系宝塔组(02b)，二叠系茅口组(P1m)、吴家坪组(P2w)以及下三叠统飞仙关组(T1f)。
   该区储层较川西北部地区取得产能的中三叠统雷口坡组(中坝)和上三叠统须家河组(中坝、九龙山)层位老，埋藏深，从钻探情况看，下古生界储层埋深较大，一般在4500m左右。河湾场气田为多烃源、多储层、多产层的复合型气田[1]，前人对其深层天然气成因和气源还未做过系统研究。为此，笔者分别根据天然气组分、天然气碳同位素以及天然气浓缩烃特征来研究该区各层位深层天然气气源。
1 气田天然气地球化学特征
1.1 天然气组分特征
   该区各层位天然气组成均表现为以甲烷为主，甲烷含量超过95%，平均为96.65%；乙烷含量很低，均小于1%，平均为0.53%；干燥系数(C1/C2+)值大，均超过100，最高可达173.44，平均为144.04，属于典型于气，从干燥系数看，整体具有由下到上增大的趋势。
    河湾场气田各层位天然气中H2S含量低，从邻区取得的天然气样品看该区总体H2S含量较低或者不含H2S气体。其天然气组分特征与邻区射箭河、九龙山地区相当，而与矿山梁、吴家坝地区存在一定差异。其差异主要体现在甲烷含量以及非烃气体N2和C02含量上(表1)：河湾场、九龙山、射箭河地区甲烷含量明显高于矿山梁和吴家坝地区，但非烃气体中的N2和C02则存在互补的特征。从干酪根类型与演化看，烃源岩早期以生油为主，仅产少量伴生气，二、三叠系以及奥陶系甲烷平均含量高达96.65%，C2+平均值低到0.54%，说明烃源岩成熟度较高，区内天然气已属高温裂解气[2]。
1.2 天然气碳同位素特征
    从天然气碳同位素特征看，河湾场气田不同层位天然气碳同位素值的差异预示着该区有着不同的天然气来源和次生变化。各层位天然气碳同位素分析结果表明，下三叠统飞仙关组甲烷碳同位较重，一般重于-32‰，而深层的二叠系和奥陶系天然气甲烷碳同位素值却较上覆的飞仙关组轻，一般轻于-35‰，该区不同层位天然气甲烷碳同位素存在一定差异。此外，天然气乙烷碳同位素也反映出二叠系与奥陶系较为接近，而与上覆的飞仙关组存在较大差异。这些差异都反映出该区不同层位天然气来源具有差异。从天然气碳同位素序列看，除奥陶系天然气碳同位素值倒转外，其他层位天然气碳同位素均是正碳同位素值序列特征，天然气碳同位素序列表现出该区天然气为有机成因天然气(表2)。奥陶系碳同位素值倒转可能与该区天然气成藏过程有关[3]。
2 深层天然气的气源探讨
    根据天然气甲、乙烷碳同位素碳交会图(图1)、天然气浓缩烃C7三角图(图2)、天然气浓缩烃特征(表3)，结合区域地质背景认为河湾场气田天然气可分为2类：一类为奥陶系、二叠系天然气；另一类为下三叠统飞仙关组天然气。与油型气相比，热力作用下形成的煤成气具有重的甲烷碳同位素，总体上δ13C1分布在-45‰～-20%，天然气组分相对较干，δ13C1一般大于-27‰。其中尤以乙烷碳同位素最为重要，它受成熟度和次生变化小，是母质类型的最好体现。
2.1 奥陶系、二叠系气源
   在判断天然气成因类型中，天然气碳同位素具有十分重要的作用，国内外学者做过大量研究。据戴金星等(1997)研究，油型气δ13C1分布在-55‰～-30‰范围，δ13C2＜-30‰，δ13C3＜-30‰，当热演化程度Ro超过2.0%时，δ13C1＞-36‰。
   沈平(2005)根据天然气乙烷碳同位素特征，将四川盆地海相地层天然气划分为3种类型。第一类是δ13C1＜-34.0‰，最轻为-37.0‰左右(如福成寨石炭系)，川东绝大部分石炭系，尤其是川东北地区基本属于这一类。王廷栋等(1994)曾利用储层沥青和气体地球化学特征综合判断为志留系腐泥型烃源岩成因。第二类是δ13C2＞-30.0‰，如典型的煤成气板东4井P22和卧龙河部分下二叠统天然气，前人研究表明它们主要属于上二叠统龙潭组煤系有机质成因(杨远聪等，1989；王廷栋等，1994；郑永坚，1995；王兰生等，1997)。第三类δ13C2介于-34.0‰～-30.0‰，主要分布在川东北二叠系和下三叠统飞仙关组中，在平面上环开江-梁平海槽分布或直接分布在开江-梁平海槽中，该类气体碳同位素组成特征与来源于志留系的腐泥型天然气和来源于上二叠统龙潭组煤成气(腐殖气)明显不同。河湾场气田奥陶系、二叠系地层天然气δ13C1介于-35.65‰～-35.40‰，δ13C2介于-35.35‰～-36.34‰，乙烷碳同位素明显低于-34‰，具有典型的腐泥型天然气特征。与此同时该区天然气乙烷碳同位素与川东和川东北地区二、三叠系天然气存在明显的差别，明显偏轻。河湾场气田乙烷碳同位素与川东北地区石炭系天然气乙烷碳同位素大致相当(表2、图3)。其相同或者相近的乙烷碳同位素特征预示它们有着相同的来源。
 

    既然河湾场奥陶系、二叠系天然气与川东石炭系天然气都来源于志留系烃源岩，为何甲烷碳同位素差异这么大呢?在天然气生成过程中，存在着2种成因的天然气，即干酪根裂解气和原油裂解气。对于多期成藏的盆地，早期形成的古油藏随埋深的增大其温度增高，古油藏中的原油必然要发生二次裂解而形成天然气。干酪根裂解和原油裂解形成的天然气中的C1/C2与C2/C3值完全不同：干酪根裂解所形成的天然气ln(C1/C2)值变化较大，ln(C2/C3)值变化较小；而原油二次裂解形成的天然气ln(C1/C2)值变化较小，ln(C2/C3)值变化范围较大[4～9]。由图4可见，河湾场气田的天然气具有原油二次裂解气的特征。此外，川西北部地区经历了古油气藏的形成及多期成藏过程，且泥盆系-侏罗系储层中广泛分布沥青也说明该区存在大量原油裂解气提供了依据。
 

    河深1井奥陶系天然气表现出甲、乙烷碳同位素的倒转，可能与不同成熟阶段生成的天然气混合有关，也可能与天然气的再分配有关。从纵向上看，二叠系天然气碳同位素表现为δ13C1＜δ13C2的正碳同位素系列，但两者相差不大，且干燥系数C1/C2+相对S—O天然气普遍较高，可能与天然气的运移分馏效应有关。综合以上认识，认为河湾场奥陶系、二叠系天然气来源于志留系且应属于原油裂解气成因。
2.2 下三叠统飞仙关组气源
    前人研究表明，川西北部地区下三叠统飞仙关组烃源条件极差，已归属非烃源岩之列，所产天然气主要气源应来自下伏烃源岩，且具有混合气特征。从天然气碳同位素分析，δ13C1、δ13C2明显较二叠系天然气重3.35‰～4.91‰，而地层的实际埋深却比二叠系浅600～700m，如果与奥陶系、二叠系天然气同源的话，根据天然气同位素分馏效应三叠系碳同位素本应比二叠系碳同位素轻才与实际情况相符。飞仙关组天然气表现为δ13C1＜δ13C2的正碳同位素系列，但两者相差不大，其天然气碳同位素特征与川东宝1井长兴组天然气具有相似的碳同位素组成特征(表2)，具有沈平(2005)分类的第三类组成特征及混源特征。前人研究表明，该区P。砌底部的“王坡页岩”可能是飞仙关组的烃源层之一；此外从天然气乙烷碳同位素看，δ13C2＜-28‰，应归属油型气范畴，但特征不如二叠系明显。总之，飞仙关组天然气甲烷碳同位素具煤成气特点，而乙烷碳同位素又具油型气特征。因此推测河湾场飞仙关组天然气可能是二叠系碳酸盐岩油型气与上二叠统吴家坪组煤成气的混合所致。
3 结论与认识
    1) 河湾场气田各层位天然气均表现为甲烷含量超过95%，平均为96.65%；乙烷含量很低，均小于1%，平均为0.53%；干燥系数(C1/C2+)大，均超过100，属于典型干气。
    2) 下三叠统飞仙关组甲烷碳同位较重，一般重于-32‰，而二叠系和奥陶系天然气甲烷碳同位却较上覆飞仙关组轻，一般轻于-35‰，该区不同层位天然气碳同位素存在一定差异预示它们气源和成因上存在一定差异。
    3) 河湾场气田奥陶系、二叠系地层天然气δ13C1在-35.65‰～-35.40‰之间，δ13C2在-35.35‰～-36.34‰，乙烷碳同位素明显低于-34‰，具有典型的腐泥型天然气特征，与川东和川东北地区二、三叠系天然气存在明显的差别，而与川东北地区石炭系天然气乙烷碳同位素大致相当。
    4) 结合该区储层沥青的广泛分布认为河湾场奥陶系、二叠系天然气来源于志留系且应属于原油裂解气成因；而河湾场飞仙关组天然气可能是二叠系碳酸盐岩油型气与上二叠统吴家坪组煤成气的混合所致。
参考文献
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(本文作者：黄东1 戴鑫2 戴赟2 朱永刚3 杨毅3 裴森奇3 1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院；2.西南石油大学；3.中国石油西南油气田公司川西北气矿)