川西拗陷中段天然气轻烃地球化学特征

沈忠民 王 鹏 刘四兵， 吕正祥 朱宏权

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石化西南分公司勘探开发研究院，成都610081）

轻烃是石油和天然气的重要组成部分，一般为C5～C10的化合物，蕴含着丰富的信息，在油气研究中有着广泛的应用。轻烃常用于天然气成因分类，Thompson（1983）提出利用轻烃组成对油气分类［1］；戴金星（1993）阐述了采用 C7轻烃组成、C6－7芳烃和支链烷烃组合、苯和甲苯含量、C5－7脂肪族组成、甲基环己烷指数等来鉴别煤型气和油型气［2］；张文正等（1993）根据单体轻烃特征对天然气进行了分类［3］；胡国艺等（2007）对中国4个盆地典型煤型气和油型气的209个样品轻烃组成进行分析，提出了适用性较好的煤型气和油型气鉴别指标［4］。Thompson（1983）提出用庚烷值和异庚烷值来确定石油的成熟度［1］；程克明等（1985）、刘宝泉等（1990）、王祥等（2008）都提出了不同地区的油气成熟度庚烷值划分标准［5－7］。Mango（1990）提出利用2，4－DMC5和2，3－DMC5比值求Ro的方法［8］；李广之等（2003）认为iC4／nC4和iC5／nC5值可以用来判断成熟度［9］；侯读杰等（1989）通过热模拟实验认为，只有当成熟度＜0.8 时，iC4／nC4和iC5／nC5值 灵 敏 度 才 较高［10］。沈平等（1992）和王培荣等（2007）分别探讨了C6轻烃和C7轻烃与沉积环境的关系［11，12］。轻烃有较强的母源继承性，能用于气源对比的参数众多，这些特征使之成为了气源对比的重要手段［13－16］。轻烃还被用于判别水洗、生物降解、热蚀变、天然气运移相态、油气保存条件等［14，17－21］。

前人对四川盆地轻烃特征研究已有一定的认识，刘光祥等（2003）利用天然气轻烃组成探讨了川东和川东北地区晚古生代和中生代天然气来源［14］；谢增业等（2007）对四川盆地天然气轻烃组成进行了研究［20］；唐艳等（2001）、鲍典等（2008）将天然气轻烃应用于川西拗陷成藏研究［21，22］。本文在前人的研究认识基础上，对川西拗陷孝泉、新场、合兴场、丰谷等地区天然气轻烃进行分析，利用轻烃特征对研究区天然气成因、成熟度、运移相态进行研究，利用轻烃配对参数对研究区天然气进行气源对比，以期进一步认识研究区天然气特征及气源关系，指导该区天然气勘探。

1 地质背景

川西拗陷是四川盆地西部晚三叠世以来陆相盆地的深拗陷部分，为龙门山推覆构造带前陆盆地，西界为龙门山推覆构造带，东界位于龙泉山一带，北界为米仓山推覆构造带，南界位于雅安－乐山一带，面积近60 000km2［13］。川西拗陷中段孝泉－新场－合兴场－丰谷地区位于绵竹－盐亭隆起带上，印支期中晚幕受龙门山向SE方向的逆冲推覆作用，形成NE向构造和强烈沉降的川西拗陷，并被上三叠统海相的马鞍塘组、小塘子组和陆相的须家河组及侏罗系和白垩系依次充填［23］。陆相的须家河组是该区的主力烃源岩；须家河组及侏罗系和白垩系均有储层发育，多种类型盖层，多种输导体系（断层、裂缝、不整合面和孔隙），在空间上存在多套有效的生储盖组合［15，23－27］。有利的生、储、盖组合和良好的输导条件，使得川西拗陷中段纵向上发育了多个含气层系。

2 样品分布及实验条件

本次采集了53件天然气样品，平面上分布于川西拗陷中段孝泉、新场、合兴场、丰谷地区，纵向上包括三叠系须家河组第二段、第四段及第五段（简称“须二段”、“须四段”、“须五段”），侏罗系的千佛崖组、沙溪庙组及蓬莱镇组和下白垩统。样品分布区域广，涵盖地层多，具有代表性。

样品由中国石化西南分公司勘探开发研究院地球化学实验室测定。仪器为HP6890气相色谱仪；色谱柱为 HP－1柱，长度50m，内径0.2mm，膜厚0.025mm；采用高纯N2作为载气；升温程序：30℃恒温10min以后，3℃／min升至180℃。

3 轻烃地球化学特征应用

3.1 天然气成因

C7轻烃系列中的正庚烷（nC7）、甲基环己烷（MCC6）及二甲基环戊烷（DMCC5）有着不同的生源，与天然气成因密切相关，常被用来判识天然气来源。一般认为，甲基环己烷主要来源于高等植物木质素、纤维素、糖类等，且热力学性质稳定，是指示有机质生源的良好参数，它的大量存在是煤成气轻烃的一个重要特征［4］；各种结构的二甲基环戊烷主要来自水生生物的类脂化合物，它的大量出现是油型气轻烃的主要特征［2］；正庚烷主要来自藻类和细菌，对成熟作用敏感，是良好的成熟度指标。

从C7轻烃化合物组成三角图（图1）可以看出，研究区白垩系、侏罗系及须家河组样品均以甲基环己烷占绝对优势，除须家河组、侏罗系各1个样品外，其他样品均落入Ⅲ型有机质区域，说明研究区天然气主要是来源于Ⅲ型有机质的煤型气。胡国艺等（2007）在对鄂尔多斯盆地、四川盆地、柴达木盆地、塔里木盆地的209个天然气样品系统分析的基础上，提出了中国油型气和煤型气的C7轻烃划分标准：nC7相对质量分数＞30%，MCC6相对质量分数＜70%，为油型气；nC7相对质量分数＜35%，MCC6相对质量分数＞50%，为煤型气。按照该标准从图1中同样可以得出，研究区天然气主要是煤型气。

图1 天然气C7轻烃三角图Fig.1 Compositions of C7light hydrocarbon in natural gas

在生物体中，五元环结构（环戊烷系列的基本结构）仅见于甾类、萜类化合物、前列腺素等生长激素以及饱和、不饱和脂肪酸中，它们都属于类脂化合物，富集在腐泥型有机质中。六元环结构（环己烷系列的基本结构）虽然在上述化合物中存在，但它更多地由木质素和纤维素的六元含氧环演化而来，并常作为中间产物向芳香环演化，因此与腐殖型有机质的关系更密切。根据C6轻烃（甲基环戊烷、环己烷和正己烷）三角图（图2），可以看出除浅层（K1＋J3p）1个样品落在腐泥型天然气区域内，其他天然气样品都分布在腐殖型有机质区域，说明研究区天然气以煤型气为主，这与前文C7轻烃化合物研究结果是一致的。

图2 天然气C6轻烃三角图Fig.2 Compositions of C6light hydrocarbon in natural gas

3.2 天然气成熟度

轻烃中有几组参数可以用来研究油气成熟度，例如庚烷值与异庚烷值、2，4－二甲基戊烷与2，3－二甲基戊烷比值、iC4／nC4值和iC5／nC5值等。有学者指出只有当成熟度（Ro）＜0.8%时，iC4／nC4和iC5／nC5值灵敏度才较高，可以作为有机质演化早期阶段的成熟度指标；成熟度＞0.8%则效果不佳［10］。故本文采用前2组轻烃参数对川西拗陷中段天然气成熟度进行研究。

庚烷值和异庚烷值是轻烃参数中最常用的成熟度分析指标。Thompson（1983）最早提出庚烷值和异庚烷值与凝析油成熟度的关系式［1］。之后，程克明等（1985）、刘宝泉等（1990）、王祥等（2008）学者也提出了中国不同地区油气成熟度异庚烷值和庚烷值的划分标准［5－7］。根据研究区的实际情况，本文采用程克明提出的成熟度划分标准：低成熟阶段，异庚烷值＜1，庚烷值＜20%；成熟阶段，异庚烷值为1～3，庚烷值20%～30%；高成熟阶段，异庚烷值为3～10，庚烷值为30%～40%；过成熟阶段，异庚烷值为＞10，庚烷值＞40%［5］。依据该分类标准对天然气成熟度进行分析（图3），研究区天然气样品都落在了成熟和高成熟区域内，处于成熟和高成熟阶段。

图3 川西拗陷中段天然气轻烃成熟度Fig.3 Maturity of light hydrocarbon in natural gas in the middle member of West Sichuan depression

Mango稳态催化动力学轻烃成因理论认为，2，4－二甲基戊烷与 2，3－二甲基戊烷比值（2，4－DMC5／2，3－DMC5）的对数与温度（t）呈线性正相关，其关系式为t＝140＋15×ln（2，4－DMC5／2，3－DMC5）［8］。该关系式计算出的温度为原油或天然气母质经历的最高地温。根据Barker（1990）温度和成熟度经验公式［28］，对研究区天然气样品成熟度进行分析，Ro值分布范围为0.83%～1.59%（平均值为1.28%），处于成熟－高成熟阶段，这与利用庚烷值定性判别结果是一致的。

3.3 天然气运移相态

成藏过程中天然气的不同运移相态，可以引起轻烃组分特征显著变化。天然气以游离相运移时，影响组分变化的主要因素是烃类分子的极性大小。由于地质色层作用，极性强的分子在运移过程中沿烃类运移方向含量逐渐降低。由于芳香烃的极性大于烷烃，随着运移距离的增加其含量会相对减少。天然气以水溶相运移时，轻烃组分在水中溶解度差异是决定其变化特征的重要因素，沿着运移方向，溶解度小的组分先脱溶，溶解度大的组分后脱溶。相同条件下，同碳数的芳烃溶解度明显高于烷烃，所以沿运移路径前方，芳烃／烷烃值呈增加趋势［15，31］。根据研究区天然气的苯／正己烷和苯／环己烷与深度关系（图4），T3x2和T3x4层位天然气的苯／正己烷和苯／环己烷值变化范围较大，且二者的变化范围较为一致，说明了这2个层位天然气同时存在水溶相和游离相运移特征。研究区J2层位中天然气的苯／正己烷和苯／环己烷变化范围最大，苯／正己烷和苯／环己烷最大值也出现在该层位，说明该层位也存在水溶相和游离相天然气运移特征，水溶相运移特征加强。J3和K层位天然气的苯／正己烷和苯／环己烷值分布相当集中，而且远小于其下的其他层位，体现出J3和K层位天然气游离相运移的特征。所以，研究区天然气运移相态特征为：从T3x2到J2层位，天然气存在水溶相和游离相2种运移相态，随深度变浅水溶相运移加强；J3和K层位天然气以游离相运移为主。

图4 川西拗陷中段天然气苯／正己烷、苯／环己烷随深度变化图Fig.4 The relation between the benzene／hexaneand and the benzene cyclohexane in natural gas and the depth in the middle member of the West Sichuan depression

3.4 天然气气源对比

由于不同结构轻烃单体具有不同的标准生成自由能，故在同一成熟度阶段，相同母源输入的油气应具有相似的轻烃指纹。为减少非成因因素对轻烃组分的影响，一般将化学结构和沸点相近的轻烃单体配对，用配对组分的浓度比值来作气源对比［30］。可用于气源对比的轻烃配对参数众多，较常用的达10多组，这也是轻烃成为气源对比重要方法的一个原因。

对研究区须二段天然气及烃源岩轻烃配对参数对比表明，须二段天然气与须二段烃源岩轻烃配对参数有很好的相似性，说明须二段天然气来自须二段烃源岩。以新场地区为例（图5），新2井、新3井、新856井须二段天然气与新856井须二段烃源岩轻烃配对参数有很好相似性，证实了须二段天然气自生自储的特征。

图5 须二段气源对比Fig.5 The comparison of the source rock and the natural gas from T3x2 Formation

新场和丰谷地区须四段天然气和烃源岩轻烃配对参数有很好的相似性，须四段天然气与须三段烃源岩轻烃配对参数差异性较大，与须五段烃源岩有较好的相关性。以丰谷地区为例（图6），川丰131井、川丰563井须四段天然气轻烃配对参数有很好的相似性，它们可能来自相同的烃源岩。川丰131井、川丰563井须四段天然气与须四段烃源岩轻烃配对参数有很好的相似性，说明本区天然气主要来自须四段烃源岩。川丰131井、川丰563井须四段天然气与须五段烃源岩大多数轻烃配对参数有较好的相似性，说明本区天然气也有来自须五段烃源岩的贡献。须三段烃源岩与须四段天然气轻烃配对参数差异较大，说明须三段烃源岩对须四段天然气贡献较小。

图6 须四段气源对比Fig.6 The comparison of the source rock and the natural gas from T3x4 Formation

孝泉、新场、合兴场、丰谷地区侏罗系和白垩系天然气与须五段烃源岩轻烃配对参数相关性较好，侏罗系和白垩系天然气主要来自须五段烃源岩。如在新场地区，川孝455井、新浅31井、川孝105井和川孝163井侏罗系不同层位的天然气轻烃配对参数相关性非常好（图7），说明该区侏罗系天然气有共同的来源。新884井须五段烃源岩与侏罗系天然气轻烃配对参数有很好的相关性，说明该区侏罗系天然气主要来自须五段烃源岩。川孝568井须四段烃源岩与侏罗系天然气轻烃配对参数有一定相似性，说明二者有一定的亲缘性，须四段烃源岩对侏罗系天然气有一定贡献。

4 结论

通过对川西拗陷中段天然气轻烃地球化学特征研究，认为：

a.该区天然气主要是来自Ⅲ型有机质的煤型气。

b.成熟度定性分析表明研究区天然气处于成熟－高成熟阶段，定量计算天然气成熟度（Ro）值为0.83%～1.59%，定性和定量分析结果一致。

c.T3x2到J2层位的天然气存在水溶相和游离相2种运移相态，随深度变浅水溶相运移加强；浅层的J3和K层位天然气以游离相运移为主。

d.气源对比表明：须二段天然气以自生自储为主；须四段天然气主要来自须四段烃源岩，须五段烃源岩有一定贡献，须三段烃源岩对其贡献较小；侏罗系和白垩系天然气主要来自须五段烃源岩，须四段烃源岩对侏罗系天然气有一定贡献。

图7 侏罗系气源对比Fig.7 The comparison of the source rock and the natural gas from Jurassic System

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