天然氣成因類型及來源范文

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《海洋地質與第四紀地質雜志》2016年第三期

摘要：

準噶爾盆地南緣霍瑪吐背斜帶經歷了復雜的構造變動和演化，地質條件非常復雜，對油氣成藏條件特別是油氣成因一直存在爭議。通過對目前已發現氣藏的天然氣組分、碳同位素、輕烴組成等特征分析，探討了霍瑪吐背斜帶天然氣成因類型及來源。組分分析結果表明，霍瑪吐背斜帶天然氣為有機成因濕氣，主要為腐殖型干酪根裂解氣；碳同位素分析結果表明，霍瑪吐背斜帶天然氣主要為煤型氣，既有熱解氣，也有裂解氣；輕烴分析結果表明，霍瑪吐背斜帶天然氣為典型煤型氣。綜合成因類型分析結果認為，該區天然氣主要來源于侏羅系烴源巖的煤系地層，既有熱解氣，也有裂解氣。

關鍵詞：

天然氣；成因類型；氣源；霍瑪吐背斜帶；準噶爾盆地

準噶爾盆地南緣是前景較好的天然氣勘探領域，根據準噶爾盆地第三次油氣資源評價結果，南緣地區天然氣資源量為5．371×1011m3，探明天然氣儲量為192×108m3，勘探潛力巨大［1］。由于該區烴源巖類型多樣，成熟度差異較大，導致天然氣成因類型多樣［2－3］，厘清天然氣的成因及來源是研究其分布特征和成藏規律的根本，對該區天然氣勘探具有重要指導意義。

1區域地質概況

準噶爾盆地南緣霍瑪吐背斜帶位于準噶爾盆地北天山山前沖斷帶的二級構造單元，南為齊古斷褶帶，北是中央凹陷的南斜坡，東臨烏魯木齊，西連車排子凸起；主要構造包括第三排構造帶的獨山子背斜、安集海背斜、呼圖壁背斜和第二排構造帶的霍爾果斯背斜、瑪納斯背斜、吐谷魯背斜（圖1）。霍瑪吐背斜帶中上組合自下而上發育白堊系東溝組（K2d）、古近系紫泥泉子組（E1－2z）、安集海河組（E2－3a）、新近系沙灣組（N1s）、塔西河組（N1t）；主力烴源巖為下白堊統吐谷魯群湖相泥巖及侏羅系煤系地層［4－5］。研究區六大主要背斜均見天然氣，但產層與產量有較大區別，主要的產氣構造是瑪納斯背斜和呼圖壁背斜，主要的產層為紫泥泉子組。

2天然氣成因類型

2．1天然氣組分特征天然氣組分是反映天然氣成因類型的主要地化指標［6］，同一類型天然氣在經歷不同的地質演化歷程之后也會產生不同的變化，因此，研究天然氣組分特征對天然氣成因的分析具有重要意義。研究區天然氣以烴類為主，烴類總含量占63．47％～99．84％，含量隨埋深增大有增大的趨勢；層位上，除安集海河組、沙灣組部分含量較低外，紫泥泉子組天然氣烴類含量均大于95％；平面上，以吐谷魯背斜烴類總含量較低。非烴氣體中以N2為主，CO2含量小于1％。整體而言，研究區天然氣均為有機成因氣（圖2）。天然氣干燥系數為43．99％～97．43％，絕大部分低于95％，主要為濕氣。干氣主要見于吐谷魯背斜和瑪納斯背斜的紫泥泉子組，且吐谷魯背斜干氣最為典型，大部分樣品干燥系數都高于95％；該背斜油氣層埋深較淺，約1700m，含氣量極低，氣藏不成規模。筆者初步認為該天然氣干燥系數偏高原因為：深層氣源巖生成的天然氣運移到淺層產生運移分餾效應致使干燥系數變大。典型的濕氣主要出現在安集海背斜安集海河組，其干燥系數一般小于75％，初步認為其可能為生油主帶的伴生氣（圖3）。Prinzhofer等［7］通過對干酪根進行產烴模擬實驗，發現不同成因類型天然氣組分有明顯的差異：干酪根裂解氣Ln（C2／C3）變化較小，Ln（C1／C2）逐漸增大；油裂解氣Ln（C2／C3）變化較大，Ln（C1／C2）幾乎不變。天然氣組分的Ln（C1／C2）和Ln（C2／C3）的關系圖顯示6個背斜天然氣Ln（C1／C2）變化明顯，而其對應的Ln（C2／C3）分布穩定（圖4），顯示了霍瑪吐背斜帶天然氣干酪根裂解成因的特征。腐泥型有機質和腐殖型有機質均能產生裂解氣，然而腐泥型有機質通常生成油裂解氣，腐殖型有機質則主要產生干酪根裂解氣，因此，霍瑪吐背斜帶天然氣主要為腐殖型干酪根裂解氣。

2．2天然氣碳同位素特征天然氣碳同位素特征是劃分天然氣成因類型重要依據。不同學者判識天然氣的標準不盡相同［8－10］，但差別不大，基本上根據甲烷和乙烷碳同位素特征對天然氣成因進行較為有效地判識。筆者在調研大量文獻資料的基礎上主要依據戴金星（1993）提出的碳同位素標準對研究區天然氣進行成因判識。研究區天然氣δ13C2均在－28‰以上，為典型的煤型氣；而δ13C1的分布域較廣，為－43．15‰～－30．95‰，獨山子背斜、安集海背斜、霍爾果斯背斜以及吐谷魯背斜天然氣甲烷碳同位素豐度相對較低，大部分小于－33‰，表示這些天然氣熱演化程度較低，應為高成熟階段以前生成的熱解氣；瑪納斯背斜、呼圖壁背斜的天然氣甲烷碳同位素豐度相對較高，絕大部分大于－33‰，表示這些天然氣熱演化程度較高，應為高—過成熟階段干酪根裂解生成的天然氣［11－12］（圖5）。有機成因的天然氣中，同源同期形成的天然氣各組分的δ13C值隨著烷烴分子的碳數增加而增大，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4。如果該序列出現倒轉，其可能的原因是有機成因氣與無機成因氣的混合、煤型氣與油型氣的混合、同型（母質）不同源氣混合、同源不同熱演化階段氣的混合或某些組分遭受細菌氧化［13］。研究區大多數天然氣均出現δ13C3＞δ13C4的現象，且呼圖壁背斜出現多數樣品的δ13C2＞δ13C4，嚴重倒轉，因前述證實研究區主要為有機成因煤型氣，故初步判斷這可能是前期捕獲的低演化階段的氣遭受后期高演化階段氣的混合導致，亦即研究區至少捕獲了兩個生氣階段的天然氣，且呼圖壁背斜最為典型。

2．3輕烴組成特征輕烴一般指沸點低于200℃的烴類化合物，包括正構烷烴、異構烷烴、環烷烴和芳烴，油氣勘探研究應用中主要是C1—C7化合物，主要應用于輕質油和凝析油的研究，現代高科技的分析技術也使天然氣中含有一定量的輕烴得以應用分析［14－15］。Leythauser等［16］研究認為源于腐殖型母質烴源巖的天然氣中富含異構烷烴和環烷烴，而源于腐泥型烴源巖的天然氣富含正構烷烴。研究區天然氣呈現富集異構烷烴和環烷烴的現象，各同系物異構烷烴相對含量占35％～67％，環烷烴相對含量占4％～39％，正構烷烴含量僅占24％～43％，根據戴金星等［14］提出的劃分標準，研究區絕大部分天然氣屬腐殖（煤）型。C7同系物中的正庚烷、甲基環己烷、二甲基環戊烷具有不同的生物來源，一般認為正庚烷主要來自藻類和細菌，二甲基環戊烷主要來源于水生生物，二者熱力學不穩定，對成熟度反應敏感。甲基環己烷主要來源于高等植物，熱力學性質穩定，不易受成熟度的影響［17－18］，眾多學者已經證實其大量存在是煤成烴的良好標志。研究區天然氣中甲基環己烷含量高達44％～72％，屬于典型的煤型氣。

3天然氣來源分析

3．1烴源巖特征準噶爾盆地為一大型疊合盆地，先后經歷了晚海西、印支、燕山及喜山多旋回構造演化運動，自下而上依次發育石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和古近系安集海河組五套烴源巖，南緣地區以下白堊統吐谷魯群湖相泥巖及侏羅系煤系地層為主力烴源巖［4－5］。侏羅系煤系地層烴源巖主要發育在中、下侏羅統，為一套湖沼相煤系沉積，巖性為灰黑色泥巖、碳質頁巖和煤，暗色泥巖主要集中在三工河組（J1s）和西山窯組（J2x）。泥巖中正構烷烴分布呈后峰型，主峰碳在C20—C25之間，植烷占優勢；生物型規則甾烷ααα－C27、ααα－C28與ααα－C29三者呈“V”和反“L”型兩種；β－胡蘿卜烷較低，C19、C20三環萜烷和C24四環萜烷含量相對較高，且C20、C21、C23三環萜含量相差不大，呈山峰型分布，C24四環萜烷／C26三環萜烷在1．0～3．0之間；γ－蠟烷含量低，γ－蠟烷／C30藿烷通常小于0．25，反映為偏氧化的淡水環境；Ts／Tm低于0．4，CPI均高于1．1，C29ββ／（ββ＋αα）與C29SS／（SS＋RR）的值分別為0．4～0．7和0．2～0．5，均接近演化平衡值；干酪根碳同位素范圍較大：為－26‰～－23‰，主要集中在－24‰，處于成熟－高成熟演化階段。因此，中、下侏羅統烴源巖以陸源高等植物供給為主的偏弱氧化—弱還原的淡水沉積環境，Ⅲ型干酪根，中—高成熟度。白堊系烴源巖主要發育在下統吐谷魯群，以灰綠色—暗色泥巖沉積為主。正構烷烴呈雙峰型，主峰碳為C18，Pr／Ph較低，生物型規則甾烷ααα－C27、ααα－C28與ααα－C29呈“V”型，重排甾烷數量較少，反映為以陸源高等植物為主的水陸過渡環境；三環萜烷中C19＜C20，C20、C21和C23分布呈山峰型，C24四環萜烷／C26三環萜烷一般在0．4～1．2之間；γ－蠟烷含量較高，γ－蠟烷／C30藿烷集中在0．2，反映為水陸混源的高鹽度環境；Ts／Tm基本大于0．2，CPI均高于1．3，具明顯奇碳優勢，C29甾烷異構化參數ααα20S／（20S＋20R）和C29ββ／（ββ＋αα）分別為0．27和0．31，反映出白堊系烴源巖成熟度中等。

3．2氣源分析下白堊統吐谷魯群烴源巖母質類型為腐泥型，較低的成熟度決定成烴方向主要為油與油型氣；侏羅系煤系地層烴源巖母質類型為腐殖型，中－高成熟度階段以生成煤型裂解氣為主。研究區中天然氣極高的烴類總含量，極低的氧、氮、二氧化碳含量以及組分碳同位素的正序列（δ13C1＜δ13C2＜δ13C3）表明，研究區天然氣均為有機成因氣。天然氣δ13C2整體偏重、較高異構烷烴含量以及較高的甲基環己烷含量說明研究區主要為煤型氣，天然氣主要來源于典型的煤系地層———中、下侏羅統。天然氣干燥系數顯示除吐谷魯背斜外，研究區其他背斜天然氣主要為濕氣，安集海背斜安集海河組所產天然氣最“濕”，獨山子背斜沙灣組次之，霍爾果斯、瑪納斯、呼圖壁背斜雖為濕氣但干燥系數偏高，一般都在90％以上，干燥系數分布域較廣；同時δ13C1分布域亦較廣，且其分布與干燥系數大致呈線性關系，隨著δ13C1增大，干燥系數不斷增大，此現象說明研究區天然氣干燥系數的變化主要受控于熱成熟作用，即原生作用。中、下侏羅統烴源巖在晚白堊世進入生油高峰期，此時南緣第二、三排構造帶尚未形成，油氣主要向南緣靠近山前的第一排構造運移，部分沿著齊古組上部的斷裂運移并在第二、三排構造帶下部侏羅系及白堊系儲層中聚集成藏。喜山運動使北天山向北推覆，南緣第二、三排構造帶形成，并發育了切割侏羅系－白堊系的深大斷裂，成為深部油氣的主要運移通道。第二排構造帶的霍、瑪、吐背斜較第三排構造帶先形成，獨山子沉積時期（13～8Ma）侏羅系生成的大量油氣通過深部逆沖斷層和中部反沖斷層交換、分配、運移至第二排構造帶紫泥泉子組形成油氣藏；第三排構造的獨、安、呼背斜在Q4時期定型，此時深部侏羅系烴源巖已開始大量生氣，但由于缺少輸導體系，侏羅系的天然氣無法向上運移，安集海背斜更多的是白堊系生成的油氣充注，可能是生油主帶的伴生氣使安集海背斜的天然氣表現出最“濕”的主要原因。呼圖壁背斜位于中、下侏羅統烴源巖生烴中心，中、下侏羅統高成熟天然氣充注到前期成熟原油伴生氣中混合，研究區大多數天然氣均出現δ13C3＞δ13C4的現象就說明天然氣來自不同熱演化階段天然氣的混合，尤其呼圖壁背斜出現多數樣品的δ13C2＞δ13C4嚴重倒轉。如此多樣的組分特征和同位素特征說明研究區不同構造上捕獲不同熱演化階段天然氣的數量有所不同，瑪納斯、呼圖壁背斜更多地捕獲了干酪根裂解氣，而其他地區則更多地捕獲了熱解氣。

4結論

（1）霍瑪吐背斜帶天然氣以烴類為主，非烴氣體主要為N2，CO2含量較少，為典型的有機成因氣；除瑪納斯背斜和吐谷魯背斜部分天然氣干燥系數大于95％外，霍瑪吐背斜帶天然氣均為濕氣。（2）霍瑪吐背斜帶天然氣既有熱解氣也有干酪根裂解氣；其中，瑪納斯背斜和呼圖壁背斜天然氣熱演化程度高，主要為裂解氣，其他地區主要為熱解氣。研究區天然氣普遍具有碳同位素發生倒轉的現象，主要源自同源不同熱演化階段氣的混合。（3）霍瑪吐背斜帶天然氣δ13C2均在－28‰以上，輕烴組成中，異構烷烴和環烷烴含量較大，同時富含甲基環己烷，為典型的煤成氣，與侏羅系煤系地層相匹配，故霍瑪吐背斜帶天然氣主要來源于侏羅系煤系地層烴源巖。

作者：劉建 張文慧 高翠欣 倪倩 袁紅英 單位：南京軍區南京總醫院腎臟科