1、书书书东北石油大学学报第 卷第期 年月 收稿日期：；编辑：刘丽丽基金项目：国家科技重大专项（）作者简介：左胜杰（），男，博士，高级工程师，主要从事国际油气项目管理和石油天然气地质成藏综合方面的研究。通信作者：陈冬霞，：川西坳陷叠覆型油气区天然气地球化学特征与成因机制左胜杰，王玉杞，陈冬霞，王福伟，荣澜熹（中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 ；中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 ）摘要：川西坳陷陆相领域气藏分布具有叠合性和广覆性特点，天然气地球化学特征差异明显。基于川西坳陷上三叠统须家河组及侏罗系沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组 个天然气样品，研究天然气组分、天然气轻烃和碳同位素组成，明确
2、天然气地球化学特征分布规律，分析气源对比和运移条件，揭示川西坳陷叠覆型油气区复杂天然气藏成因机制。结果表明：川西坳陷叠覆型油气区天然气成分以甲烷为主，质量分数为 ，甲烷碳同位素（）分布在 之间。由深层上三叠统须家河组二段（须二段）、须家河组四段（须四段）向须家河组五段（须五段），天然气甲烷质量分数降低，甲烷碳同位素减轻；自须五段向中浅层侏罗系天然气甲烷质量分数逐渐升高，甲烷碳同位素逐渐增重。研究区主要为热解成因气，其中深层须四段、须五段和中浅层侏罗系天然气为煤型气，深层须二段天然气是煤型气和油型气的混合类型。中浅层天然气主要来自须五段和须四段，下侏罗统在部分地区有贡献，在马井什邡地区受断层沟通
3、作用影响，须三段也有一定贡献。须四段和须二段天然气主要来自须三段、马鞍塘组和小塘子组。须五段天然气主要为自源形成。天然气地球化学特征的差异主要受母质来源和母质成熟度差异、同一气源运移过程中分馏效应及天然气藏属性差异等影响。该结果为川西坳陷叠覆型油气区致密砂岩气成藏勘探部署提供指导。关键词：川西坳陷；叠覆型油气区；致密砂岩气；天然气地球化学；轻烃指纹；气源对比；成因类型中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言川西坳陷具有多期构造演化、多期生排烃、多期成藏及储层致密化的特点，致密气区具有叠合性、广覆性、节律性、模糊性和多样性等特征，为叠覆型致密气区，表现多个气藏在纵向上的叠置，以及自生自储的源内
4、气藏、近源气藏和下生上储的远源气藏等运聚机制不同的气藏在空间上的叠置与复合。由于气藏分布具有叠合性和广覆性，天然气地球化学特征具有明显差异，成因机制复杂。人们将川西坳陷陆相沉积分为两个勘探领域，中浅层为侏罗系和白垩系，埋深为 ；深层为上三叠统须家河组，埋深大于 ，地层厚度大于 ，分别研究天然气地球化学特征及成因机制，但未形成统一认识。秦胜飞等认为川西坳陷侏罗系和上三叠统主要属于干气气藏，为有机质热解成因气。董才源等认为四川盆地二叠统天然气主要为原油裂解气。王世谦等认为四川盆地侏罗系上三叠统天然气湿度较大，侏罗系为“浅层”油伴生腐泥型气、上三叠统为腐殖型气。朱光有等 认为侏罗系和三叠系须家河组气
5、藏天然气组分中普遍存在重烃类含量高的特征，属于煤成气。王鹏 认为川西坳陷侏罗系和上三叠统天然气主要为煤型高演化成熟度阶段生成的天然气。吴小奇等 认为四川盆地侏罗系致密气为典型煤成气。杨春龙等 认为四川盆地中侏罗统沙溪庙组天然气属于干酪根降解气，川西地区为煤成气，川中地区为油型气，川东地区为煤成气和油型气混合气，以油型气为主。叠覆型油气区天然气地球化学特征不明、成因机制不清制约气藏成因机制研究和勘探部署。笔者分析天然气组分、天然气轻烃及碳同位素组成，明确天然气地球化学特征分布规律，研究气源对比和运移条件，揭示川西坳陷复杂天然气藏成因机制，为叠覆型油气区致密砂岩气成藏勘探部署提供依据。地质概况川西
6、坳陷地处四川盆地西部，为北东走向，为晚三叠世后陆相盆地的深坳陷部分，总面积为 。川西坳陷在区域构造上属于川西前陆盆地的一部分，位于扬子地块的西北缘，西部紧邻龙门山前缘推覆带 。根据主要断层的走向、展布规律及褶皱构造特征，将川西前陆盆地划分为个次级构造单元：安县鸭子河大邑断褶带、知新场龙宝梁构造带、梓潼凹陷、成都凹陷、孝泉丰谷构造带和龙门山前缘推覆带。目前川西坳陷发现马井气田、新都洛带气田、中江气田、孝泉新场气田等大中型天然气田，以及合兴场丰谷、大邑鸭子河、温江薪繁等含气构造。气藏在平面上呈复合连片大面积分布的特征，在构造带和凹陷斜坡带上发现气田（见图）。研究区内陆相领域天然气的勘探目的层自上而
7、下分别为白垩系、侏罗系蓬莱镇组（）、遂宁组（）、沙溪庙组（上沙溪庙组（）和下沙溪庙组（）、千佛崖组（）、自流井组（）、深层三叠系须家河组五段（须五段（）、须家河组四段（须四段（）、须家河组三段（须三段（）和须家河组二段（须二段（）（见图）。受构造演化和沉积旋回控制影响，川西坳陷陆相地层致密砂岩气藏在纵向上呈明显的叠覆型特征，表现为同一个气田多个气藏在纵向上的叠置 。图川西坳陷中部构造划分与主要气田平面分布 实验样品与分析方法利用双阀门高压钢瓶采集川西坳陷中段上三叠统须家河组及侏罗系的沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组 个天然气样品，分别在油气资源与探测国家重点实验室和中国科学院兰州地质所进行天然气组分
8、、天然气轻烃和碳同位素的分析测试，其中天然气组分和轻烃分析应用 型气相色谱仪，采用两根色谱柱：色谱柱使用 分子筛色谱柱（目，柱长为）分离无机气体，色谱柱使用 （）分离烃类气体组分，载气为。色谱柱升温过程：初始温度为，保持 ，以 的速率升温至 ，保持 。碳同位素分析采用 同位素质谱仪，通过气相色谱仪分离气体，转化为 并东北石油大学学报第 卷 年注入质谱仪，单个烷烃气组分（）和 通过色谱柱分离（）。色谱柱升温过程：初始温度为，先以 的速率升温至，再以 的速率升温至 ，保持 。每个样品分析次，分析精度为。图川西坳陷地层综合柱状图 天然气地球化学特征天然气组分特征与碳同位素特征受烃源岩的母质类型、成熟
9、度与次生作用等因素影响。组分特征利用气相色谱仪分析川西坳陷上三叠统须家河组及侏罗系的千佛崖组、沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组等样品，天然气成分主要为烃类气体，以甲烷为主，质量分数为 ，重烃质量分数为 。非烃气体质量分数较低，以 和 为主，几乎不含。川西坳陷深层天然气以甲烷为主，甲烷质量分数在 之间，一般大于，各层段天然气重烃质量分数较少，平均为 。各层段天然气的干燥系数 较高，平均为 ，其中须二段的最高，须四段的次之，须三和须五段的最低。须二段和须四下亚段主要显示干气的性质，须四上亚段和须五段的部分样品含有湿气。中浅层侏罗系天然气以甲烷为主，甲烷的质量分数平均为 ，各层段重烃平均质量分数在 之间，
10、大部分样品显示湿气的性质，部分样品显示为干气，湿气主要分布在新都洛带地区遂宁组和沙溪庙组、中江回龙地区各层段、孝泉新场地区沙溪庙组。除蓬莱镇组、沙溪庙组与自流井组的部分样品外，大部分样品的甲烷质量分数超过 ，由千佛崖组、沙溪庙组、遂宁组第期左胜杰等：川西坳陷叠覆型油气区天然气地球化学特征与成因机制至蓬莱镇组，天然气中甲烷质量分数逐渐升高，平均由 升至 ；干燥系数一般大于 ，由千佛崖组、沙溪庙组至遂宁组的干燥系数逐渐降低，平均由 降至 ，蓬莱镇组和白垩系干燥系数较高，平均达到 （见图、表）。图川西坳陷陆相地层天然气甲烷质量分数和干燥系数分布 表川西坳陷侏罗系与上三叠统须家河组重烃平均质量分数 层
11、位重烃平均质量分数孝泉新场地区合兴场丰谷地区大邑鸭子河地区新都洛带地区中江回龙地区总平均蓬莱镇组（）（）（）（）（）遂宁组（）（）（）上沙溪庙组（）（）（）（）（）下沙溪庙组（）（）（）（）（）千佛崖组（）（）（）（）自流井组（）（）（）（）须五段（）（）（）须四上亚段（）（）（）须四下亚段（）（）（）须二段（）（）（）（）（）注：重烃平均质量分数（样品数）。碳同位素特征分析川西坳陷上三叠统须家河组及侏罗系的沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组天然气样品碳同位素，各层段天然气烷烃同位素序列呈正常序列分布，为典型的有机成因气特征。研究区中浅层天然气稳定碳同位东北石油大学学报第 卷 年素分布特征见表。由表可
12、以看出，甲烷碳同位素（）为 ，乙烷碳同位素（）为 ，丙烷碳同位素（）为 ，丁烷碳同位素（）为 。不同地区主要气藏甲烷碳同位素分布范围与平均值表现一定差异，新都洛带地区遂宁组甲烷碳同位素相对较轻，平均为 ；孝泉新场地区甲烷碳同位素相对较重；马井什邡地区白垩系甲烷碳同位素最重，平均为 。同一地区不同层位甲烷碳同位素也略有差异，呈一定的规律性，新都洛带地区沙溪庙组 平均为 ，遂宁组 平均为 ，蓬莱镇组 平均为 ；孝泉新场地区沙溪庙组 平均为 ，遂宁组 平均为 ，蓬莱镇组 平均为 ，具有地层埋深由深至浅，甲烷碳同位素逐渐增加的趋势。表川西坳陷中浅层天然气稳定碳同位素分布特征 地区地层碳同位素 孝泉新场
13、沙溪庙组 （）（）（）（）遂宁组 （）（）（）（）蓬莱镇组 （）（）（）（）新都洛带沙溪庙组 （）（）（）（）遂宁组 （）（）（）（）蓬莱镇组 （）（）（）（）马井什邡沙溪庙组 （）（）（）（）蓬莱镇组 （）（）（）（）白垩系 （）（）（）（）注：最小最大平均（样品数）。川西坳陷深层须家河组天然气稳定碳同位素分布特征见表。由表可以看出，天然气碳同位素总体分布具有 的正常序列分布特征。其中，为 ，为 ，为 ，为 。与中浅层相比，深层须家河组甲烷碳同位素更重，分布更广泛，乙烷和丁烷碳同位素略重但相差不明显，丙烷分布范围更广泛。不同地区甲烷碳同位素分布具有一定差异，其中深凹区马井什邡地区须二段甲烷碳
14、同位素，高于凹陷内斜坡带的新都洛带和低隆起带孝泉新场地区的。在深层须家河组内部不同层位的主要气藏中，甲烷碳同位素平均值表现一定差异，孝泉新场地区须五段甲烷碳同位素偏重，平均为 ；由须二段至须四上亚段，天然气甲烷碳同位素逐渐变轻，平均由 变为 。乙烷和丙烷碳同位素变化规律不明显。第期左胜杰等：川西坳陷叠覆型油气区天然气地球化学特征与成因机制表川西坳陷深层须家河组天然气稳定碳同位素分布特征 地区地层碳同位素 孝泉新场须五段 （）（）（）（）须四上亚段 （）（）（）（）须四中亚段 （）（）（）（）须四下亚段 （）（）（）（）须二段 （）（）（）（）马井什邡须二段 （）（）（）（）新都洛带须二段 （）
15、（）（）（）中江回龙须二段 （）（）（）（）注：最小最大平均（样品数）。天然气成因类型及气源分析成因类型川西坳陷陆相地层各层段天然气地球化学特征具有明显差异，天然气成因类型反映母质类型及演化形成过程 。有机成因天然气 小于 ，具有正碳同位素系列，无机成因天然气 大于 ，一般认为 大于 或 ，具有负碳同位素系列是无机成因气的重要判别标志 。研究区天然气甲烷碳同位素 普遍小于 ，天然气烷烃碳同位素表现正常序列的分布特征，为有机成因气。天然气 分布在 之间，排除生物成因气的可能。川西坳陷陆相地层烃源岩主要包括下侏罗统自流井组及上三叠统须三段、须五段、马鞍塘组、小塘子组。此外，须四中亚段也具有一定的生
16、烃能力。下侏罗统自流井组烃源岩、上三叠统马鞍塘组、小塘子组泥岩段和须三段烃源岩显示腐殖型特征。马鞍塘组、小塘子组灰岩段、须四中亚段和须五段烃源岩显示腐泥腐殖型特征 。根据母质类型判断，川西坳陷陆相地层天然气成因类型主要为煤型气，含少量的油型气。乙烷和丙烷碳同位素可用于判断天然气成因，煤型气为 大于 ，大于 ；油型气为 小于 ，小于 。川西坳陷中浅层和深层天然气样品的 分布在 之间，部分样品的 分布在 之间，具有典型的煤型气特点。须二段部分样品 低于 、小于 ，可能混有少量油型气。不同类型母质生成的天然气在轻烃组成、指纹化合物的种类与含量上具有一定差异。由于高等植物木质素、纤维素和醣类在演化过程中可以形成甲基环己烷，所以煤型气中一般含有较多甲基环己烷，热力学性质相对稳定，是反映陆源母质类型的良好参数 。油型气中含有丰富的二甲基环戊烷和正庚烷，东北石油大学学报第 卷 年其中二甲基环戊烷主要由水生生物的类脂化合物形成，正庚烷主要来自藻类和细菌，受成熟度影响 。根据以正庚烷、甲基环己烷和二甲基环己烷为顶点的轻烃系统三角图，可以有效判识天然气成因类型。川西坳陷深层、中浅层天然气轻烃系统化合物质量