元壩氣藏和通南巴氣藏氣藏碳同位素組成特征

元壩氣藏和通南巴氣藏氣藏碳同位素組成特征

0致密砂巖氣田通過2012年《石油勘探與開發(fā)》第三版《中國致密砂巖氣及勘探與開發(fā)的重要意義》一書，作者以中國15個(gè)致密砂巖氣田烷烴碳作為特征，結(jié)合其他科學(xué)家在中國的一些發(fā)展中國家和近畿砂巖氣田的研究成果，得出結(jié)論，中國的致密砂巖氣是通過煤炭形成的結(jié)論。印峰等在《石油勘探與開發(fā)》2013年第1期《也談致密砂巖氣藏的氣源》(以下簡稱“印文”)一文中,以四川盆地元壩和通南巴地區(qū)須家河組(T3x)致密砂巖氣藏為例,研究認(rèn)為“元壩氣田須家河組致密砂巖氣主要由自源型的煤成氣和他源型的油型氣組成,同時(shí)伴有少量無機(jī)成因氣,為混合改造型氣”,“通南巴氣田須家河組致密砂巖氣主要由他源型的油型氣組成,也伴有少量的無機(jī)成因氣,為混合成因型氣”,筆者認(rèn)為印文有關(guān)四川盆地元壩和通南巴地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏氣源問題的認(rèn)識還有待商榷。1天然氣的概念1.1油型氣質(zhì)及煤成氣質(zhì)組分天然氣成因一般可根據(jù)其來源,分為來自生物源的有機(jī)成因及來自非生物源的無機(jī)成因兩類,據(jù)此原則稀有氣體均為無機(jī)成因。眾所周知:天然氣組分如烷烴氣、CO2、N2和H2S等均有有機(jī)成因和無機(jī)成因兩類,但這些組分中只有烷烴氣可根據(jù)其烴源巖干酪根類型,或根據(jù)其碳?xì)渫凰亟M成特征并輔以某些輕烴組分指標(biāo),鑒別出其為油型氣還是煤成氣。其他組分則既沒有可靠的鑒別指標(biāo),也一般不是天然氣中的主要組分,目前還沒有把其分為油型氣或煤成氣。由于天然氣中通常含有微量的稀有氣體,同時(shí)在地層中含有現(xiàn)代及古代的生物源,所以天然氣中通常是有機(jī)成因組分占絕對優(yōu)勢,也有極微量的稀有氣體。因此,通常沉積巖中的氣體是有機(jī)成因氣和無機(jī)成因氣的混合體,并以有機(jī)成因氣組分為主,僅在特殊地質(zhì)環(huán)境中見純無機(jī)成因的天然氣,如火山噴發(fā)氣、大洋中脊排放的天然氣(如北大西洋中脊LostCity的天然氣,其δ13C1值為-9.9‰,δ13C2值為-13.3‰,δ13C3值為-14.2‰,δ13C4值為-14.3‰,證明烷烴氣是無機(jī)成因)。1.2氣田藏氣所謂氣田(藏)氣廣義上是指聚集在某種圈閉中的各種組分的天然氣,實(shí)際上通常論及氣田(藏)氣時(shí)往往是指狹義上氣藏中最大(主流)組分的氣。廣義上氣田(藏)氣的氣源都是有機(jī)成因與無機(jī)成因的混合型,但在狹義上,從經(jīng)濟(jì)性、氣源對比和成因研究角度看,氣田(藏)氣往往是指占絕大部分的主流組分。因而,世界上絕大多數(shù)氣田(藏)氣系指烷烴氣氣田,因?yàn)橥闊N氣在天然氣中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大,其氣源對比信息量大,容易利用其鑒別成因。當(dāng)然,世界上還有少數(shù)或個(gè)別氣田(藏)氣以CO2或H2S為主。如中國東部及大陸架上發(fā)育CO2含量在90%以上的氣田,研究確定其CO2為無機(jī)幔源成因,伴生的少許烷烴氣則是有機(jī)成因,這些氣田通常稱之為幔源成因CO2氣田,而不稱之為混合成因氣田,盡管這些CO2氣田中含有少量有機(jī)成因烷烴氣。2元水庫氣田徐家河群致密砂巖氣藏之源2.1煤成氣與油型氣元壩氣田須家河組致密砂巖烷烴氣含量為81.95%(元壩27井)~99.56%(元壩11井),平均為97.58%(見表1、表2),即烷烴氣是該氣田的主要組分,它的存在體現(xiàn)了氣田的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此氣田的氣源應(yīng)以其為體現(xiàn)?！坝∥摹备鶕?jù)表1中14個(gè)氣樣烷烴氣δ13C1值小于-30‰、多數(shù)樣品具正碳同位素系列及7個(gè)氣樣3He/4He值為0.0108~0.0145的殼源型氣特征,得出元壩氣田須家河組致密砂巖氣是有機(jī)成因的結(jié)論是正確的。烷烴氣碳同位素研究是目前進(jìn)行氣源對比的最有效方法,但在應(yīng)用該方法時(shí)應(yīng)密切注意烷烴氣各碳同位素值之間的相互關(guān)聯(lián)性并與實(shí)際地質(zhì)情況結(jié)合。“印文”根據(jù)煤成氣的δ13C2值一般大于-28.0‰、油型氣的δ13C2值一般小于-28.5‰的鑒別標(biāo)準(zhǔn),得出元壩氣田8個(gè)氣樣為油型氣(元壩2井的T3x2、T3x1,元壩4井的T3x2,元壩6井,元壩22井,元壩27井,元陸6井和元陸9井)。筆者認(rèn)為,此處僅根據(jù)δ13C2值鑒別氣源,而未考慮烷烴氣各碳同位素值之間的關(guān)聯(lián)性,且未結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行分析,因而將這些氣樣確定為油型氣的結(jié)論存在弊端。結(jié)合地質(zhì)分析,表1中元壩2井有4個(gè)樣品,δ13C1值為-32.0‰~-30.9‰,δ13C3值為-26.5‰~-23.4‰,呈煤成氣特征。其中T3x3和T3x2(4600~4640m)氣樣,δ13C2值分別為-25.2‰和-27.0‰,結(jié)合該兩氣樣的δ13C1值和δ13C3值,把此兩氣樣確定為煤成氣是合理的;但T3x2(4512~4535m)和T3x1氣樣的δ13C2值則變輕,分別為-30.4‰和-30.2‰,“印文”認(rèn)為此兩氣樣應(yīng)為油型氣,但與其δ13C1值和δ13C3值具有煤成氣的特點(diǎn)相矛盾,故不考慮δ13C1、δ13C2及δ13C3值的關(guān)聯(lián)性,僅根據(jù)δ13C2值確定氣是油型氣值得商榷和懷疑,因?yàn)閷τ谕豢诰毤液咏M煤系氣源巖段,地層垂直剖面上出現(xiàn)油型氣—煤成氣—油型氣—煤成氣的氣源組合是不可能的。同時(shí),元壩4井同一口井有T3x4和T3x2兩個(gè)氣樣,根據(jù)T3x2的δ13C2值為-29.7‰而把氣源定為油型氣,與將元壩2井兩個(gè)氣樣定為油型氣情況相同,亦值得商榷?！坝∥摹敝羞€根據(jù)δ13C2值小于-28.5‰把元壩6井、元壩22井、元陸6井和元陸9井4口井氣源都劃為油型氣,亦值得商榷:只有正碳同位素系列即原生型烷烴氣中δ13C2值小于-28.5‰才可把該氣歸為油型氣。由表1可知,元壩6井烷烴氣發(fā)生碳同位素倒轉(zhuǎn),故不能用δ13C2值作為劃分油型氣的標(biāo)志;同樣元壩22井δ13C1值為-34.5‰、δ13C2為-35.4‰,元陸6井δ13C1值為-31.3‰、δ13C2值為-31.4‰、δ13C3值為-31.7‰,元陸9井δ13C1值為-31.4‰、δ13C2值為-32.0‰、δ13C3值為-32.1‰,這3口井烷烴氣具無機(jī)成因烷烴氣典型的負(fù)碳同位素系列,故也不能用δ13C2值作為劃分油型氣的標(biāo)志,所以把元壩6井、元壩22井、元陸6井和元陸9井烷烴氣劃為油型氣的根據(jù)不足。由表1和表2可見,元壩氣田17個(gè)氣樣的δ13C1值為-34.5‰(元壩22井)~-30.3‰(元壩11井),多數(shù)井δ13C1值大于-32.0‰,即較重。若按“印文”觀點(diǎn),8口井油型氣的δ13C1值亦為-34.5‰~-30.3‰,平均為-32.0‰,具如此重δ13C1值的油型氣的烴源巖成熟度應(yīng)該很高。中國威遠(yuǎn)氣田燈影組(Z1d)天然氣被公認(rèn)為是成熟度很高的烴源巖(威28井Ro值為3.39%)生成的天然氣,其δ13C1值為-32.7‰(威30井)~-32.0‰(威27井)(見表3),平均值為-32.4‰,比元壩氣田δ13C1平均值-32.0‰還輕,故推斷元壩氣田氣源若為油型氣,其氣源巖Ro值應(yīng)比威遠(yuǎn)氣田的還高。取元壩氣田δ13C1平均值-32.0‰,按戴金星等油型氣公式,或趙文智和劉文匯Ⅰ型源巖油型氣公式計(jì)算,分別得到元壩氣田若為油型氣時(shí)其源巖Ro值分別為4.42%和3.57%。從表1和表2元壩氣田17個(gè)氣樣組分分析得知,各氣樣均含C2H6、C3H8和C4H10,17個(gè)氣樣中有15個(gè)氣樣C2H6含量在1%以上,另2個(gè)氣樣C2H6含量也分別為0.91%和0.67%。但由表3可見威遠(yuǎn)氣田氣樣中重?zé)N氣僅有C2H6,含量為0.07%~0.17%,比元壩氣田低得多。重?zé)N氣含量對比表明威遠(yuǎn)氣田源巖成熟度比元壩氣田高。所以“印文”中依據(jù)元壩氣田δ13C1平均值為-32.0‰認(rèn)定其為油型氣是錯(cuò)誤的,只有認(rèn)為是煤成氣才能解釋上述重?zé)N氣含量的不同,且符合元壩氣田氣源巖成熟度比威遠(yuǎn)氣田低的事實(shí):元壩氣田須家河組三段Ro值約為1.6%。國內(nèi)外油型裂解氣δ13C1值幾乎都小于-31‰,如威遠(yuǎn)氣田(見表1),但高成熟度的煤成氣則有許多δ13C1值大于-32.0‰甚至大于-30.0‰(見表4)。基于以上對比,把元壩氣田烷烴氣氣源確定為煤成氣比油型氣更符合該氣田的實(shí)際地質(zhì)情況。2.2碳同位素系列由表1可知元壩22井、元陸6井和元陸9井具有負(fù)碳同位素系列,“印文”據(jù)此認(rèn)為元壩氣田須家河組致密砂巖烷烴氣可能有非煤成氣來源。筆者認(rèn)為導(dǎo)致這種負(fù)碳同位素系列的原因有以下2點(diǎn):①氣田水溶氣比氣層氣碳同位素組成明顯偏重,氣田水對天然氣碳同位素組成有明顯的分餾作用,當(dāng)水溶氣混入氣層氣中占主導(dǎo)地位時(shí),可導(dǎo)致碳同位素系列出現(xiàn)倒轉(zhuǎn);②美國阿伯拉契亞盆地北部志留系和奧陶系深盆氣藏甲烷及其同系物出現(xiàn)負(fù)碳同位素系列,Burruss等認(rèn)為除了混合作用外,還與過渡金屬及水介質(zhì)在250~300℃發(fā)生氧化還原作用時(shí)乙烷和丙烷發(fā)生瑞利分餾有關(guān)。所以在此把有機(jī)烷烴受后期分餾改造偶爾出現(xiàn)的負(fù)碳同位素系列稱為異常的負(fù)碳同位素系列。2.3油型氣標(biāo)志的增加天然氣中烷烴氣碳同位素系列對比不能確定其氣源,可借助與之共生同源的C7輕烴系統(tǒng)研究輔助印證氣源研究。許多學(xué)者利用C7輕烴系統(tǒng)三角圖版成功鑒別了煤成氣和油型氣。C7輕烴系統(tǒng)的化合物包括3類:正庚烷(nC7)、甲基環(huán)己烷(MCC6)及各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷(∑DMCC5)。正庚烷主要來自藻類和細(xì)菌,是良好的成熟度指標(biāo),其多是油型氣標(biāo)志。各種結(jié)構(gòu)二甲基環(huán)戊烷主要來自水生生物的類脂化合物,其多是油型氣的標(biāo)志。甲基環(huán)己烷主要來自高等植物木質(zhì)素、纖維素、糖類,是反映陸源母質(zhì)類型的良好參數(shù),其多是煤成氣的標(biāo)志。因此,以上述3類化合物為頂點(diǎn)編制的三角圖(見圖1)能較好判別出煤成氣和油型氣。例如,表1和表2中元壩3井T3x4烷烴氣碳同位素發(fā)生倒轉(zhuǎn),但基本具有煤成氣特征,根據(jù)C7系統(tǒng)三角圖判定其必定為煤成氣(見圖1)。2.4碳酸鹽巖儲集層“印文”認(rèn)為元壩氣田須家河組致密砂巖氣12個(gè)氣樣除元陸9井的δ13CCO2值為-12.5‰,為有機(jī)成因外,其余11個(gè)均為無機(jī)成因的觀點(diǎn)是正確的,但認(rèn)為這些無機(jī)成因CO2顯示深部氣源的特點(diǎn),即為下伏雷口坡組碳酸鹽巖的變質(zhì)或水解成因值得商榷。鈣屑砂巖(碎屑中碳酸鹽巖巖屑占50%以上)在整個(gè)川西坳陷須家河組四段廣泛分布,元壩地區(qū)須家河組三段也發(fā)育鈣屑砂巖。元壩地區(qū)須家河組晚成巖階段須三段泥巖壓實(shí)過程中排出有機(jī)酸,對鈣屑砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物及碳酸鹽巖碎屑顆粒進(jìn)行溶蝕,形成溶蝕裂隙及溶蝕孔隙,改造儲集層,使其物性變好,同時(shí)有機(jī)酸溶蝕碳酸鹽巖也產(chǎn)生無機(jī)成因CO2,所以,筆者認(rèn)為須家河組致密砂巖中含量很低的CO2是須家河組自生自儲的,而并非來自下伏雷口坡組碳酸鹽巖;同時(shí)元壩地區(qū)雷口坡組壓力系數(shù)為1.388~1.626,而上覆須家河組地層壓力系數(shù)普遍大于1.8,高于雷口坡組,這也說明須家河組CO2不可能由雷口坡組向上運(yùn)移而來。3油型氣與煤成氣的地層關(guān)系“印文”根據(jù)表5中5口井氣樣烷烴氣碳同位素系列,以及馬101井和馬102井氦同位素具有殼源型特征,得出烷烴氣主要是有機(jī)成因的結(jié)論是正確的。但“印文”認(rèn)為“通南巴氣田須家河組致密砂巖氣主要為油型氣組成”,即為他源型的油型氣,并伴有少量(0.07%~0.44%)無機(jī)成因CO2,故確定為混合成因型氣的結(jié)論值得商榷。以下幾點(diǎn)可證明通南巴氣田須家河組致密砂巖氣藏的氣源是自生自儲的煤成氣。①表5中馬1井須家河組四段烷烴氣占99.53%,CO2僅占0.15%,按前述原則,氣藏的氣源應(yīng)該是其主要組分烷烴氣的成因。該井δ13C1值為-25.2‰,在有機(jī)成因氣中,高成熟和過成熟的煤成氣δ13C1值可為(-30‰,-10‰),表4中部分氣樣δ13C1值就很大,如克拉201井為-26.2‰,升深1-1井為-26.0‰,故馬1井須四段烷烴氣應(yīng)是煤成氣。②表2和表5中通南巴氣田須家河組5口井甲烷含量為93.3%~98.9%,是烷烴氣的主要組分,因此在討論氣源時(shí)應(yīng)把甲烷作為重點(diǎn)。該5口井δ13C1值為-31.7‰(表5中的馬101井)~-25.2‰(表5的馬1井),都是高成熟度的煤成氣特征(見表4),比中國最高成熟度油型氣威遠(yuǎn)氣田的δ13C1值(均小于-32‰)都重(見表3),故通南巴氣田須家河組天然氣含量占絕對優(yōu)勢的甲烷是該煤系自生自儲的煤成氣。③由表5可知馬101井和河壩104井氣樣具負(fù)碳同位素系列,由表2可知馬102井氣樣也是負(fù)碳同位素系列,馬2井氣樣碳同位素部分倒轉(zhuǎn)。上文在討論元壩氣田的氣源時(shí)已指出,利用δ13C2值鑒別烷烴氣是煤成氣還是油型氣時(shí)只適用于正碳同位素系列,不能應(yīng)用在負(fù)碳同位素系列或有部分倒轉(zhuǎn)的同位素系列中,否則可能得出錯(cuò)誤的鑒別結(jié)論。例如表5中馬102井T3x4氣樣僅有δ13C1值(-30.8‰),“印文”認(rèn)為是油型氣;表2馬102井同是T3x4,δ13C1值為-29.6‰,δ13C2值為-30.0‰,按“印文”原則判斷也應(yīng)屬油型氣。但作者分析了馬102井天然氣中C7輕烴系統(tǒng),正庚烷占16.8%,甲基環(huán)己烷占70.6%,各種結(jié)構(gòu)的二甲基環(huán)戊烷占12.6%,把這些數(shù)據(jù)投入圖1,可見馬102井T3x4天然氣共生同源C7輕烴系統(tǒng)指示該天然氣不是油型氣而是煤成氣。通南巴氣田須家河組天然氣δ13CCO2值為-5.00‰~2.37‰,均屬無機(jī)成因,“印文”認(rèn)為其來自下伏海相雷口坡組碳酸鹽巖的觀點(diǎn)值得探討,作者認(rèn)為其與元壩氣田的CO2有相同成因,即是須家河組鈣屑砂巖受有機(jī)酸溶蝕自生自儲的產(chǎn)物,同時(shí)其CO2含量極低,從表5可知為0.07%~0.44%,故根據(jù)含量極微的無機(jī)成因CO2把須家河組氣藏氣源確定為“主要由他源型的油型氣組成,也伴有少量的無機(jī)成因氣,為混合成因型氣”的結(jié)論不妥。4碳同位素組成對比本文論述了元壩氣田和通南巴氣田須家河組致密砂巖氣藏的氣源是煤成氣,進(jìn)一步證明了中國現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的致