天然气成因类型及来源范文

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《海洋地质与第四纪地质杂志》2016年第三期

摘要：

准噶尔盆地南缘霍玛吐背斜带经历了复杂的构造变动和演化，地质条件非常复杂，对油气成藏条件特别是油气成因一直存在争议。通过对目前已发现气藏的天然气组分、碳同位素、轻烃组成等特征分析，探讨了霍玛吐背斜带天然气成因类型及来源。组分分析结果表明，霍玛吐背斜带天然气为有机成因湿气，主要为腐殖型干酪根裂解气；碳同位素分析结果表明，霍玛吐背斜带天然气主要为煤型气，既有热解气，也有裂解气；轻烃分析结果表明，霍玛吐背斜带天然气为典型煤型气。综合成因类型分析结果认为，该区天然气主要来源于侏罗系烃源岩的煤系地层，既有热解气，也有裂解气。

关键词：

天然气；成因类型；气源；霍玛吐背斜带；准噶尔盆地

准噶尔盆地南缘是前景较好的天然气勘探领域，根据准噶尔盆地第三次油气资源评价结果，南缘地区天然气资源量为5．371×1011m3，探明天然气储量为192×108m3，勘探潜力巨大［1］。由于该区烃源岩类型多样，成熟度差异较大，导致天然气成因类型多样［2－3］，厘清天然气的成因及来源是研究其分布特征和成藏规律的根本，对该区天然气勘探具有重要指导意义。

1区域地质概况

准噶尔盆地南缘霍玛吐背斜带位于准噶尔盆地北天山山前冲断带的二级构造单元，南为齐古断褶带，北是中央凹陷的南斜坡，东临乌鲁木齐，西连车排子凸起；主要构造包括第三排构造带的独山子背斜、安集海背斜、呼图壁背斜和第二排构造带的霍尔果斯背斜、玛纳斯背斜、吐谷鲁背斜（图1）。霍玛吐背斜带中上组合自下而上发育白垩系东沟组（K2d）、古近系紫泥泉子组（E1－2z）、安集海河组（E2－3a）、新近系沙湾组（N1s）、塔西河组（N1t）；主力烃源岩为下白垩统吐谷鲁群湖相泥岩及侏罗系煤系地层［4－5］。研究区六大主要背斜均见天然气，但产层与产量有较大区别，主要的产气构造是玛纳斯背斜和呼图壁背斜，主要的产层为紫泥泉子组。

2天然气成因类型

2．1天然气组分特征天然气组分是反映天然气成因类型的主要地化指标［6］，同一类型天然气在经历不同的地质演化历程之后也会产生不同的变化，因此，研究天然气组分特征对天然气成因的分析具有重要意义。研究区天然气以烃类为主，烃类总含量占63．47％～99．84％，含量随埋深增大有增大的趋势；层位上，除安集海河组、沙湾组部分含量较低外，紫泥泉子组天然气烃类含量均大于95％；平面上，以吐谷鲁背斜烃类总含量较低。非烃气体中以N2为主，CO2含量小于1％。整体而言，研究区天然气均为有机成因气（图2）。天然气干燥系数为43．99％～97．43％，绝大部分低于95％，主要为湿气。干气主要见于吐谷鲁背斜和玛纳斯背斜的紫泥泉子组，且吐谷鲁背斜干气最为典型，大部分样品干燥系数都高于95％；该背斜油气层埋深较浅，约1700m，含气量极低，气藏不成规模。笔者初步认为该天然气干燥系数偏高原因为：深层气源岩生成的天然气运移到浅层产生运移分馏效应致使干燥系数变大。典型的湿气主要出现在安集海背斜安集海河组，其干燥系数一般小于75％，初步认为其可能为生油主带的伴生气（图3）。Prinzhofer等［7］通过对干酪根进行产烃模拟实验，发现不同成因类型天然气组分有明显的差异：干酪根裂解气Ln（C2／C3）变化较小，Ln（C1／C2）逐渐增大；油裂解气Ln（C2／C3）变化较大，Ln（C1／C2）几乎不变。天然气组分的Ln（C1／C2）和Ln（C2／C3）的关系图显示6个背斜天然气Ln（C1／C2）变化明显，而其对应的Ln（C2／C3）分布稳定（图4），显示了霍玛吐背斜带天然气干酪根裂解成因的特征。腐泥型有机质和腐殖型有机质均能产生裂解气，然而腐泥型有机质通常生成油裂解气，腐殖型有机质则主要产生干酪根裂解气，因此，霍玛吐背斜带天然气主要为腐殖型干酪根裂解气。

2．2天然气碳同位素特征天然气碳同位素特征是划分天然气成因类型重要依据。不同学者判识天然气的标准不尽相同［8－10］，但差别不大，基本上根据甲烷和乙烷碳同位素特征对天然气成因进行较为有效地判识。笔者在调研大量文献资料的基础上主要依据戴金星（1993）提出的碳同位素标准对研究区天然气进行成因判识。研究区天然气δ13C2均在－28‰以上，为典型的煤型气；而δ13C1的分布域较广，为－43．15‰～－30．95‰，独山子背斜、安集海背斜、霍尔果斯背斜以及吐谷鲁背斜天然气甲烷碳同位素丰度相对较低，大部分小于－33‰，表示这些天然气热演化程度较低，应为高成熟阶段以前生成的热解气；玛纳斯背斜、呼图壁背斜的天然气甲烷碳同位素丰度相对较高，绝大部分大于－33‰，表示这些天然气热演化程度较高，应为高—过成熟阶段干酪根裂解生成的天然气［11－12］（图5）。有机成因的天然气中，同源同期形成的天然气各组分的δ13C值随着烷烃分子的碳数增加而增大，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4。如果该序列出现倒转，其可能的原因是有机成因气与无机成因气的混合、煤型气与油型气的混合、同型（母质）不同源气混合、同源不同热演化阶段气的混合或某些组分遭受细菌氧化［13］。研究区大多数天然气均出现δ13C3＞δ13C4的现象，且呼图壁背斜出现多数样品的δ13C2＞δ13C4，严重倒转，因前述证实研究区主要为有机成因煤型气，故初步判断这可能是前期捕获的低演化阶段的气遭受后期高演化阶段气的混合导致，亦即研究区至少捕获了两个生气阶段的天然气，且呼图壁背斜最为典型。

2．3轻烃组成特征轻烃一般指沸点低于200℃的烃类化合物，包括正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳烃，油气勘探研究应用中主要是C1—C7化合物，主要应用于轻质油和凝析油的研究，现代高科技的分析技术也使天然气中含有一定量的轻烃得以应用分析［14－15］。Leythauser等［16］研究认为源于腐殖型母质烃源岩的天然气中富含异构烷烃和环烷烃，而源于腐泥型烃源岩的天然气富含正构烷烃。研究区天然气呈现富集异构烷烃和环烷烃的现象，各同系物异构烷烃相对含量占35％～67％，环烷烃相对含量占4％～39％，正构烷烃含量仅占24％～43％，根据戴金星等［14］提出的划分标准，研究区绝大部分天然气属腐殖（煤）型。C7同系物中的正庚烷、甲基环己烷、二甲基环戊烷具有不同的生物来源，一般认为正庚烷主要来自藻类和细菌，二甲基环戊烷主要来源于水生生物，二者热力学不稳定，对成熟度反应敏感。甲基环己烷主要来源于高等植物，热力学性质稳定，不易受成熟度的影响［17－18］，众多学者已经证实其大量存在是煤成烃的良好标志。研究区天然气中甲基环己烷含量高达44％～72％，属于典型的煤型气。

3天然气来源分析

3．1烃源岩特征准噶尔盆地为一大型叠合盆地，先后经历了晚海西、印支、燕山及喜山多旋回构造演化运动，自下而上依次发育石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系和古近系安集海河组五套烃源岩，南缘地区以下白垩统吐谷鲁群湖相泥岩及侏罗系煤系地层为主力烃源岩［4－5］。侏罗系煤系地层烃源岩主要发育在中、下侏罗统，为一套湖沼相煤系沉积，岩性为灰黑色泥岩、碳质页岩和煤，暗色泥岩主要集中在三工河组（J1s）和西山窑组（J2x）。泥岩中正构烷烃分布呈后峰型，主峰碳在C20—C25之间，植烷占优势；生物型规则甾烷ααα－C27、ααα－C28与ααα－C29三者呈“V”和反“L”型两种；β－胡萝卜烷较低，C19、C20三环萜烷和C24四环萜烷含量相对较高，且C20、C21、C23三环萜含量相差不大，呈山峰型分布，C24四环萜烷／C26三环萜烷在1．0～3．0之间；γ－蜡烷含量低，γ－蜡烷／C30藿烷通常小于0．25，反映为偏氧化的淡水环境；Ts／Tm低于0．4，CPI均高于1．1，C29ββ／（ββ＋αα）与C29SS／（SS＋RR）的值分别为0．4～0．7和0．2～0．5，均接近演化平衡值；干酪根碳同位素范围较大：为－26‰～－23‰，主要集中在－24‰，处于成熟－高成熟演化阶段。因此，中、下侏罗统烃源岩以陆源高等植物供给为主的偏弱氧化—弱还原的淡水沉积环境，Ⅲ型干酪根，中—高成熟度。白垩系烃源岩主要发育在下统吐谷鲁群，以灰绿色—暗色泥岩沉积为主。正构烷烃呈双峰型，主峰碳为C18，Pr／Ph较低，生物型规则甾烷ααα－C27、ααα－C28与ααα－C29呈“V”型，重排甾烷数量较少，反映为以陆源高等植物为主的水陆过渡环境；三环萜烷中C19＜C20，C20、C21和C23分布呈山峰型，C24四环萜烷／C26三环萜烷一般在0．4～1．2之间；γ－蜡烷含量较高，γ－蜡烷／C30藿烷集中在0．2，反映为水陆混源的高盐度环境；Ts／Tm基本大于0．2，CPI均高于1．3，具明显奇碳优势，C29甾烷异构化参数ααα20S／（20S＋20R）和C29ββ／（ββ＋αα）分别为0．27和0．31，反映出白垩系烃源岩成熟度中等。

3．2气源分析下白垩统吐谷鲁群烃源岩母质类型为腐泥型，较低的成熟度决定成烃方向主要为油与油型气；侏罗系煤系地层烃源岩母质类型为腐殖型，中－高成熟度阶段以生成煤型裂解气为主。研究区中天然气极高的烃类总含量，极低的氧、氮、二氧化碳含量以及组分碳同位素的正序列（δ13C1＜δ13C2＜δ13C3）表明，研究区天然气均为有机成因气。天然气δ13C2整体偏重、较高异构烷烃含量以及较高的甲基环己烷含量说明研究区主要为煤型气，天然气主要来源于典型的煤系地层———中、下侏罗统。天然气干燥系数显示除吐谷鲁背斜外，研究区其他背斜天然气主要为湿气，安集海背斜安集海河组所产天然气最“湿”，独山子背斜沙湾组次之，霍尔果斯、玛纳斯、呼图壁背斜虽为湿气但干燥系数偏高，一般都在90％以上，干燥系数分布域较广；同时δ13C1分布域亦较广，且其分布与干燥系数大致呈线性关系，随着δ13C1增大，干燥系数不断增大，此现象说明研究区天然气干燥系数的变化主要受控于热成熟作用，即原生作用。中、下侏罗统烃源岩在晚白垩世进入生油高峰期，此时南缘第二、三排构造带尚未形成，油气主要向南缘靠近山前的第一排构造运移，部分沿着齐古组上部的断裂运移并在第二、三排构造带下部侏罗系及白垩系储层中聚集成藏。喜山运动使北天山向北推覆，南缘第二、三排构造带形成，并发育了切割侏罗系－白垩系的深大断裂，成为深部油气的主要运移通道。第二排构造带的霍、玛、吐背斜较第三排构造带先形成，独山子沉积时期（13～8Ma）侏罗系生成的大量油气通过深部逆冲断层和中部反冲断层交换、分配、运移至第二排构造带紫泥泉子组形成油气藏；第三排构造的独、安、呼背斜在Q4时期定型，此时深部侏罗系烃源岩已开始大量生气，但由于缺少输导体系，侏罗系的天然气无法向上运移，安集海背斜更多的是白垩系生成的油气充注，可能是生油主带的伴生气使安集海背斜的天然气表现出最“湿”的主要原因。呼图壁背斜位于中、下侏罗统烃源岩生烃中心，中、下侏罗统高成熟天然气充注到前期成熟原油伴生气中混合，研究区大多数天然气均出现δ13C3＞δ13C4的现象就说明天然气来自不同热演化阶段天然气的混合，尤其呼图壁背斜出现多数样品的δ13C2＞δ13C4严重倒转。如此多样的组分特征和同位素特征说明研究区不同构造上捕获不同热演化阶段天然气的数量有所不同，玛纳斯、呼图壁背斜更多地捕获了干酪根裂解气，而其他地区则更多地捕获了热解气。

4结论

（1）霍玛吐背斜带天然气以烃类为主，非烃气体主要为N2，CO2含量较少，为典型的有机成因气；除玛纳斯背斜和吐谷鲁背斜部分天然气干燥系数大于95％外，霍玛吐背斜带天然气均为湿气。（2）霍玛吐背斜带天然气既有热解气也有干酪根裂解气；其中，玛纳斯背斜和呼图壁背斜天然气热演化程度高，主要为裂解气，其他地区主要为热解气。研究区天然气普遍具有碳同位素发生倒转的现象，主要源自同源不同热演化阶段气的混合。（3）霍玛吐背斜带天然气δ13C2均在－28‰以上，轻烃组成中，异构烷烃和环烷烃含量较大，同时富含甲基环己烷，为典型的煤成气，与侏罗系煤系地层相匹配，故霍玛吐背斜带天然气主要来源于侏罗系煤系地层烃源岩。

作者：刘建 张文慧 高翠欣 倪倩 袁红英 单位：南京军区南京总医院肾脏科