川中公山庙地区侏罗系天然气地球化学特征

陈 飞 何小平 梁绍洪

（1.中国石油西南油气田公司川中油气矿，四川 南充 637000；2.中国石化中原油田采油一厂地质研究所，河南 濮阳 457171）

0 引言

天然气地球化学特征受控于天然气母质及后期运移作用，所以现今气藏中的天然气地球化学特征蕴含了丰富的天然气成因、成熟度、运移等基本地球化学特征。天然气中天然气组分、碳同位素、轻烃指纹及稀有气体是天然气研究的主要内容，它们有效的结合，极大地丰富了天然气研究内容，使得天然气地球化学特征在判别天然气中是否有无机成因气、示综油气运移路径、确定大地热流值、判断构造活动性等方面发挥了重要的作用。

前人对川中公山庙地区储层特征及沉积特征均作了大量的研究［1-3］，但是对研究区天然气地球化学特征及气源关系的研究较少，而天然气地球化学特征蕴含了丰富的地质及油气信息，天然气的气源关系不仅反映了天然气的来源，同时对指导天然气勘探开发也具有十分重要的意义。因此，有必要对研究区天然气地球化学特征及气源关系进行深入认识。

1 区域地质背景

公山庙构造位于四川盆地川中油气区内，地理位置上位于四川省西充、南部、仪陇、蓬安诸县境内，构造分区上隶属于川中古隆起营山构造群， 西以葫芦溪向斜与八角场构造相隔，东邻营山构造，南隔红花铺向斜与南充构造相望，东北与洪山场向斜相接，勘探面积为1 700 km2［1-2］。目前发现的公山庙地区油气资源主要来自中、下侏罗统，尤其是在中侏罗统沙一段已获得了丰富的油气资源。前人对川中地区的研究表明，侏罗系下伏上三叠统须家河组发育了须一段、须三段、须五段3个重要的煤系烃源岩层，有机质类型以Ⅲ型为主，有机质丰度高（平均有机碳含量大于2%），有机质成熟度高（Ro值为1.02%～1.59%）［4］，成烃方向主要为煤型气，须家河组天然气主要来自须家河组煤系烃源岩。川中地区侏罗系中，仅在下侏罗统大安寨段与中侏罗统凉高山组有烃源岩发育，烃源岩平均厚度为45 m左右，有机质丰度较高（有机碳含量通常大于1%），成熟度较低（Ro值为0.70% ～1.12%），但已达到成熟阶段，有机质类型主要为Ⅱ1型与I型［5］，成烃方向主要为油型气。

2 天然气地球化学特征

2.1 基本组分特征

本次研究收集了川中公山庙地区侏罗系天然气样品11件，从样品天然气组分特征来看（表1），研究区天然气以烃类气体为主，烃类气体含量高达95%以上，非烃类天然气含量较低；烃类气体中又以甲烷含量为主，其次为乙烷和丙烷，天然气中重烃含量相对较高，平均值为17.09%，由于重烃含量较高，故而研究区天然气干燥系数较低，平均值仅为0.82，说明研究区天然气整体以湿气为主。同时研究区天然气中各烃类组分含量变化范围均较大，干燥系数也表现出较大的变化范围（表1）。从研究区天然气甲烷含量与干燥系数关系图（图1）中，可以看出研究区天然气甲烷含量为65%～85%、干燥系数为0.7～0.85，天然气甲烷含量低，干燥系数低。另外少部分天然气样品甲烷含量在90%左右，干燥系数大于0.9，该类天然气甲烷含量及干燥系数明显偏高。研究区天然气甲烷含量及干燥系数的明显差异，表明天然气可能有不同的来源。根据研究区烃源岩发育特征，下侏罗统及上三叠统均有烃源岩发育，若天然气仅来自某一套烃源岩，则它们的干燥系数不会有如此明显的差异，因此研究区侏罗系天然气可能来自上三叠统与下侏罗统烃源岩的共同贡献。考虑上三叠统与下侏罗统烃源岩埋深关系，来自上三叠统烃源岩具有更高的甲烷含量与干燥系数，所以，研究区侏罗系中少数较高甲烷含量（90%左右）天然气可能来自上三叠统须家河组烃源岩。前人研究也表明［5］12，川中地区来自须家河组烃源岩的天然气甲烷含量为88%～96%，这进一步证实了研究区部分高甲烷含量天然气来自上三叠统须家河组烃源岩。而研究区更多的甲烷含量较低（小于85%）的天然气则来自下侏罗统烃源岩。

为了更好地探讨侏罗系天然气与上三叠统天然气的关系，本次研究对侏罗系与上三叠统天然气甲烷含量与重烃含量（C2+）的相关性进行了分析（图2）。从图2可以看出，侏罗系天然气与上三叠统天然气烷烃气含量差异较为明显，中、下侏罗统主体表现为甲烷含量低、乙烷含量高、丙烷含量高、重烃含量高，上三叠统天然气则相反，体现了它们气源的差异。由于上三叠统天然气主要来自上三叠统煤系烃源岩，侏罗系天然气甲烷含量更低、重烃含量更高，所以来自上三叠统之上烃源岩，结合其发育特征，侏罗系天然气主要来自下侏罗统烃源岩。同时，部分侏罗系天然气甲烷含量、乙烷含量、丙烷含量及重烃含量与上三叠统天然气较为一致，说明侏罗系部分天然气来自上三叠统煤系烃源岩。

图1 公山庙地区侏罗系天然气甲烷含量与干燥系数关系图

图2 天然气中甲烷及重烃体积分数星形图

2.2 碳同位素特征

戴金星（1993）对中国天然气碳同位素的研究表明，不论是有机成因煤型气还是油型气，都有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正碳同位素分布特征，部分天然气受天然气成因、气源差异、后期作用等影响可能出现局部倒转的现象，而无机成因烷烃气则表现为δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4的碳同位素分布特征［6］，因此可以通过天然气中主要烷烃气碳同位素特征来识别天然气成因及气源关系等。从研究区天然气样品碳同位素组合特征来看（图3），天然气样品碳同位素值均表现出δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素系列特征，表明研究区天然气为有机成因气。同时，研究区天然气未发现碳同位素倒转现象，表明研究区天然气成因特征及气源关系相对简单。

表1 公山庙侏罗系天然气组分及干燥系数统计表

图3 侏罗系天然气碳同位素分布特征图

前人研究表明，腐殖型有机质主要由相对富集δ13C2的芳香结构组成，腐泥型有机质主要由相对富集δ13C2的脂肪族结构组成，腐殖型有机质主要生成煤型气，腐泥型有机质主要成油，后期油裂解成气，所以相同或相近成熟度源岩形成的煤型气烷烃碳同位素大于油型气烷烃对应值［6］4-5。干酪根中的碳同位素具有很强的遗传性，可以传递给它生成的烷烃气，甲烷同位素除了受母质类型的控制外，同时受热演化程度的影响。相对于甲烷，乙烷同位素主要受母质类型的控制，所以源岩的碳同位素对乙烷具有更强的传递性，刚文哲等（1997）通过实验模拟证实了该结论［7］。乙烷碳同位素对母质的继承性，使得它成为天然气成因类型划分的重要方法。张士亚等［8］根据我国大量天然气乙烷碳同位素的统计分析认为：腐泥型天然气δ13C2值小于-28‰，腐殖型天然气δ13C2值大于-28‰。为了更好地说明研究区侏罗系天然气成因特征，本次收集了部分川中地区上三叠统腐泥型天然气样品的碳同位素数据，进行对比分析。从侏罗系与上三叠统天然气甲烷与乙烷碳同位素关系图可以看出（图4），上三叠统与侏罗系天然气甲烷、乙烷碳同位素值有明显的差异，上三叠统天然气乙烷碳同位素值均大于-28‰，进一步证实了上三叠统天然气的煤型气成因特征，与上三叠统发育多套煤系烃源岩的地质特征相符；而侏罗系天然气乙烷碳同位素以小于-28‰为主，表明侏罗系天然气以油型气为主。从研究区烃源岩发育特征来看，侏罗系天然气主要来自以有机质类型Ⅱ1型与I型为主的下侏罗统烃源岩。

图4 天然气甲烷、乙烷碳同位素关系图

同时，天然气甲烷碳同位素特征也支持了侏罗系与上三叠统天然气成因及气源差异。相对于乙烷碳同位素对天然气成因有很好的继承性，甲烷碳同位素对天然气成熟度则表现出更好的继承性，成熟度越高甲烷碳同位素值越大，从图4可以看出上三叠统天然气甲烷碳同位素值明显大于侏罗系天然气，即上三叠统天然气成熟度更高于下侏罗统，所以它们来自不同的烃源岩。结合烃源岩发育特征，上三叠统天然气来自埋深更大的上三叠统煤系烃源岩，而侏罗系天然气则来自埋深相对较浅的下侏罗统腐泥型干酪根为主的烃源岩，故而天然气成因差异明显。

另外，从图4中可以看出，有一个侏罗系天然气样品，不论是甲烷碳同位素值还是乙烷碳同位素值都与上三叠统天然气碳同位素值相似，这说明侏罗系部分天然气样品来自上三叠统烃源岩。

国内外很多学者都注意到天然气中主要烷烃气碳同位素（δ13C）与天然气成熟度值（Ro）之间有很好的正相关性，同时也提出了很多的δ13C与Ro的关系式［6，9］，最为常用的为戴金星（1987）提出的不同成因气δ13C-Ro关系式（油型气：δ13C1=15.80 lg Ro-42.20；煤型气：δ13C1=14.12 lg Ro-34.39）［6］4-5，利用这些关系式可以获得天然气的成熟度、成因及来源等重要信息。根据戴金星煤型气δ13C1-Ro关系式计算研究区天然气成熟度Ro值，计算天然气成熟度Ro值仅为0.14%～0.27%，显然不符合研究区侏罗系天然气有机成因气的特征，所以不能利用煤型气δ13C1-Ro关系式计算研究区侏罗系天然气成熟度值。选用油型气δ13C1与Ro的关系式计算研究区侏罗系天然气的成熟度值，计算天然气成熟度Ro值主要分布在0.6%～1.0%之间，符合有机成因气的特征，表明研究区侏罗系天然气主要分布在成熟阶段。侏罗系天然气δ13C1-Ro关系式计算成熟度值与陈盛吉等［5］14实测侏罗系天然气烃源岩成熟度0.70%～1.12%十分相似，说明按油型气δ13C1-Ro关系计算的研究区天然气成熟度值与实际相符，同时也说明研究区天然气主要为油型气，天然气的成因结合烃源岩特征体现了研究区侏罗系天然气的气源主要来自下侏罗统烃源岩。

2.3 轻烃特征

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）有着不同的母质来源，不同成因天然气具有不同的富C7轻烃特征，所以可以根据该特征判别天然气的成因类型。通常，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；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中轻烃的一个重要特征；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，甾族类化合物和萜类化合物中的环状类脂体，它的大量出现是油型气轻烃的重要特征。

从川中公山庙侏罗系天然气C7轻烃三角图（图5）来看，侏罗系天然气主要分布在Ⅰ与Ⅱ干酪根成因气分界线附近，表明研究区天然气主要为Ⅱ1型与I型干酪根成因气，即油型气，与上文碳同位素分析结果一致。

3 结论

对川中公山庙地区天然气的基本组分、碳同位素、轻烃等基本地球化学特征进行了分析，结果表明研究区天然气主要为湿气，天然气以腐泥型干酪根成因油型气为主，部分天然气为腐殖型干酪根成因煤型气。碳同位素计算研究区天然气成熟度Ro值为0.6%～1.0%，天然气处于成熟阶段，计算天然气成熟度值与实测天然气成熟度值一致。天然气组分与碳同位素特征分析均表明，研究区天然气主要来自中、下侏罗统烃源岩，部分来自上三叠统烃源岩。

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