四川盆地須家河組煤系烴源巖氣藏分布特征

四川盆地須家河組煤系烴源巖氣藏分布特征

1侏羅系地質及成巖環(huán)境四川盆地是中國重要的天然氣產區(qū)之一。該盆地可分為4個油氣聚集區(qū)(見圖1):川東氣區(qū)、川南氣區(qū)、川西氣區(qū)和川中油氣區(qū),其中川西氣區(qū)又大致以綿竹—新場和大邑—成都為界分為北部、中部和南部。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)主要為一套濱湖、沼澤相沉積,其暗色泥質巖和所夾煤層是主要烴源巖。須家河組自下而上可以分為6段(T3x1—T3x6),其中須一、須三、須五段以泥巖、頁巖為主,夾薄層粉砂巖、炭質頁巖和煤線,須二、須四、須六段以灰色、灰白色砂巖為主,夾薄層泥巖。須家河組泥巖有機質極為豐富,有機碳含量為0.50%~9.70%,平均1.96%,干酪根類型以Ⅱ型和Ⅲ型為主,是一套良好的生氣源巖。川西北和川中地區(qū)須家河組烴源巖厚度大、類型好(以生氣為主的腐殖型干酪跟),具有很高的生氣強度,為須家河組和上覆侏羅系儲集層提供了充沛的氣源條件;在川東和川南地區(qū),須家河組烴源巖厚度薄,生氣強度小,難以充滿自身儲集層,因此這兩個地區(qū)的須家河組天然氣具有其他氣源。近年來,隨著勘探不斷取得突破,上三疊統(tǒng)須家河組已成為四川盆地僅次于飛仙關組的天然氣儲集層,顯示出巨大的勘探潛力。須家河組氣田(藏)或以須家河組為主要氣層的氣田共計39個,主要分布在川西北和川中地區(qū),川東和川南地區(qū)須家河組儲集層厚度和氣藏規(guī)模均較小,例如臥龍河氣田與合江氣田的須家河組含氣層。四川盆地早在1977年就發(fā)現(xiàn)了第1個侏羅系氣藏——川西大興西沙溪廟組氣藏,但直到20世紀90年代才真正取得較大發(fā)現(xiàn),在川西地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了平落壩、孝泉—新場、松華—白馬廟和洛帶等侏羅系氣田(藏),到2001年已獲得天然氣探明加控制儲量近1500×108m3。四川盆地侏羅系從上到下依次可分為蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)、遂寧組(J3s)、沙溪廟組(J2s)、千佛崖組(J2q)和自流井組(J1z),目前各層中均發(fā)現(xiàn)了天然氣。四川盆地侏羅系天然氣集中在川中和川西氣區(qū)[5,6,7,8,9,10,11,12]。川西地區(qū)侏羅系總體上缺乏生烴條件,泥巖有機質豐度極低,有機碳含量一般小于0.2%,基本不具備生油氣能力,天然氣普遍被認為來自下伏的須家河組煤系烴源巖,但在孝泉—新場—合興場地區(qū)自流井組烴源巖可能有一定程度的貢獻。在川中油氣區(qū),除八角場氣田在侏羅系中發(fā)現(xiàn)部分油型氣外,侏羅系中的氣樣均為煤成氣,其氣源亦主要來自三疊系須家河組煤系烴源巖。須家河組煤系烴源巖不僅為須家河組氣藏提供了充足的氣源,而且也是上覆侏羅系中天然氣的主要源巖。從烷烴氣碳同位素組成、碳同位素序列、垂向和橫向分布特征等角度探討須家河組煤系生成的天然氣的地球化學特征,不僅有利于明確其與烴源巖成熟度、成藏期次和次生作用的關系,而且可以為進一步深化勘探提供理論指導。2gc/c/irms同位素分析本次研究采集了川西氣區(qū)須家河組和侏羅系共22個氣樣,天然氣組分和甲烷及其同系物碳同位素組成分析均在中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院進行,分別采用HP6890型氣相色譜儀和DeltaSGC/C/IRMS同位素質譜儀測定,分析結果見表1。此外,筆者還收集了68井次侏羅系煤成氣氣樣數(shù)據和134井次須家河組煤成氣氣樣數(shù)據[1,3,4,6,7,8,10,11,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26],以便于綜合分析。2.1c2天然氣特征前人提出了多種鑒別煤成氣和油型氣的指標,考慮到前人發(fā)表的數(shù)據以烷烴氣碳同位素組成為主,因此本研究也選用碳同位素組成進行鑒別比較。乙烷碳同位素組成具有較強的原始母質繼承性,其受烴源巖熱演化程度的影響遠小于甲烷碳同位素組成,因此,乙烷碳同位素組成是區(qū)別煤成氣和油型氣最常用的有效指標。王世謙研究了四川盆地侏羅系—震旦系天然氣的地球化學特征后指出,煤成氣的δ13C2值大于-29‰;剛文哲等研究認為,δ13C2值對天然氣的母質類型反應比較靈敏,腐殖型天然氣δ13C2值大于-29‰,腐泥型天然氣δ13C2值小于-29‰;戴金星等綜合研究了中國天然氣特征后指出,油型氣的δ13C2值小于-29‰,而煤成氣的δ13C2值大于-27.5‰;肖芝華等認為,腐泥型天然氣碳同位素組成比腐殖型天然氣輕,尤其是δ13C2值有較明顯的區(qū)別,腐泥型氣的δ13C2值一般小于-30‰,而腐殖型氣的δ13C2值一般大于-28‰。綜合前人提出的判別標準,筆者采用δ13C2值-29‰作為油型氣和煤成氣的界限,即δ13C2值大于-29‰的天然氣主要為煤成氣,δ13C2值小于-29‰的天然氣則以油型氣為主。依據這一原則選出的須家河組和侏羅系煤成氣在(C1/C2+3)-δ13C1相關圖(見圖2)上均表現(xiàn)出熱成因氣的典型特征,且基本落在Ⅲ型干酪根生成的天然氣范圍附近,表現(xiàn)出腐殖型氣的特點。2.2烷烴氣碳的親和力組成2.2.1須家河組烴源巖ro值和碳同位素組成研究區(qū)須家河組埋深差異很大,使得須家河組烴源巖的熱演化程度存在較大差別。秦勝飛等研究指出,須家河組須一、須三和須五段烴源巖演化程度有明顯差別,如白馬廟氣田白馬9井隨埋藏深度增加,鏡質體反射率Ro值明顯增大,須一段烴源巖Ro值最高,須五段最低。這也使得須家河組自生自儲的煤成氣碳同位素組成具有較大的分布范圍。從圖3可以看出,須一、須三、須五段作為烴源巖層,其中發(fā)現(xiàn)的氣樣較少;天然氣主要分布在須二、須四、須六段儲集層中,故這些地層中發(fā)現(xiàn)的氣樣明顯較多。從須家河組天然氣δ13C值(見圖3)的分布特征看,盡管不同層位δ13C分布范圍有所差異,但其平均值從須一段到須六段整體表現(xiàn)出逐漸變小的趨勢。2.2.2中、上侏羅系碳烴源巖的13c川西地區(qū)只有1個侏羅系氣樣(新場氣田)位于下侏羅統(tǒng),其余均位于中、上侏羅統(tǒng),且中侏羅統(tǒng)下部千佛崖組中氣樣也較少,這主要是由于川西地區(qū)構造活動較為強烈,須家河組氣樣多沿斷裂向上逸散,在侏羅系上部層位中發(fā)生聚集。這也正是該區(qū)上三疊統(tǒng)天然氣勘探未取得明顯突破,卻在侏羅系紅層中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氣田(藏)的原因。中、上侏羅統(tǒng)不同層位天然氣δ13C值分布區(qū)間有一定的差異,但各層位烷烴氣碳同位素值分布范圍大體一致,未表現(xiàn)出明顯的分餾趨勢,這是由于川西地區(qū)斷裂切穿了須家河組不同層位,侏羅系聚集了來自不同層位烴源巖的天然氣。中、上侏羅統(tǒng)烷烴氣的δ13C值基本落在須家河組氣樣范圍內,表現(xiàn)出同源的特征;部分氣樣的δ13C3和δ13C4值偏大,個別大于須家河組氣樣值?？紤]到須家河組氣樣中有很少部分來自須一段,δ13C3和δ13C4值大于須家河組氣樣的個別樣品可能直接來自須一段,斷裂直接溝通須一段烴源巖。如川西白馬廟氣田上侏羅統(tǒng)天然氣δ13C1值大于須二段、須三段、須四段天然氣,表明該氣田侏羅系烷烴氣可能來自須一段烴源巖。川中地區(qū)侏羅系氣樣均位于下侏羅統(tǒng)自流井組中。川中地區(qū)區(qū)域構造穩(wěn)定,自流井組沉積時受到的區(qū)域構造應力較弱,斷層不發(fā)育。因此,川中地區(qū)須家河組生成的天然氣除了在須家河組中聚集成藏外,還在其上覆自流井組中發(fā)生近源聚集成藏。由于缺乏斷裂的連通,中、上侏羅統(tǒng)中未發(fā)現(xiàn)須家河組煤成氣。對于下侏羅統(tǒng)烷烴氣,除川西新場地區(qū)報道了一個氣樣(δ13C1和δ13C2值明顯偏大)外,其余氣樣均來自川中地區(qū);圖3中δ13C1、δ13C2和δ13C4值較小的下侏羅統(tǒng)氣樣均分布在川中氣區(qū);此外,川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)煤成氣δ13C值與四川盆地須家河組煤成氣δ13C值相比整體較小,δ13C4值明顯小于須家河組氣樣,不落入須家河組氣樣δ13C4值分布范圍(見圖3)。這些都表明川中氣區(qū)的煤成氣受到了侏羅系自流井組油型氣的明顯影響。2.3川中地區(qū)侏羅系煤成氣碳同位素的差異四川盆地須家河組煤成氣δ13C1值分布表現(xiàn)出寬峰特征,峰值范圍為-43‰~-33‰;δ13C2值分布則具有雙峰特征,峰值范圍分別為-28‰~-24‰和-22‰~-21‰(見圖4)。四川盆地侏羅系煤成氣δ13C1值和δ13C2值分布均具有單主峰特征,主峰值范圍分別為-35‰~-33‰和-24‰~-22‰(見圖5),這與四川盆地須家河組煤成氣δ13C1值和δ13C2值分布特征明顯不同。考慮到不同地區(qū)須家河組埋深和厚度具有明顯的差異,筆者針對在侏羅系中發(fā)現(xiàn)天然氣的氣田,統(tǒng)計其須家河組天然氣的δ13C1和δ13C2值,且分川中和川西地區(qū)分別進行統(tǒng)計(見圖5)。從圖5可以看出,川西氣區(qū)須家河組和侏羅系煤成氣的碳同位素分布特征具有較好的對應性:δ13C1峰值均為-35‰~-33‰,且后者主峰值較小;須家河組δ13C2主峰值為-23‰~-21‰,次峰值為-25‰~-24‰,侏羅系δ13C2主峰值為-24‰~-22‰,次峰值為-26‰~-25‰,侏羅系峰值略小。這反映了須家河組煤系生成的甲烷和乙烷在向上運移進入侏羅系的過程中發(fā)生了輕微的碳同位素分餾。對川中地區(qū)而言,由于構造穩(wěn)定,斷裂不發(fā)育,侏羅系僅在下侏羅統(tǒng)自流井組發(fā)現(xiàn)有小部分煤成氣,氣樣數(shù)明顯少于川西侏羅系的氣樣數(shù)。從有限的樣品數(shù)據來看,川中地區(qū)侏羅系δ13C1和δ13C2值均落在其下伏須家河組煤成氣δ13C1和δ13C2值范圍內,且整體略小,這與川西地區(qū)的特征一致。從區(qū)域上看,川中地區(qū)須家河組煤成氣的δ13C1和δ13C2值明顯小于川西地區(qū),侏羅系煤成氣也表現(xiàn)出同樣的區(qū)域性差異,且特征更為明顯,這主要是因為川中地區(qū)須家河組埋藏深度比川西地區(qū)淺,烴源巖熱演化程度較低;此外,川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組油型氣與須家河組煤成氣發(fā)生一定程度的混合,也會使得該區(qū)煤成氣的δ13C1和δ13C2值變小。結合圖4和圖5可以看出,四川盆地侏羅系煤成氣具有近源聚集成藏的特點,主要來自與其緊鄰的下伏須家河組煤系,且未發(fā)生大規(guī)模、遠距離的運移。2.4碳同位素組成分析四川盆地部分氣田在侏羅系和須家河組中均發(fā)現(xiàn)了天然氣,也有部分氣田在須家河組中發(fā)現(xiàn)了天然氣而在侏羅系中未發(fā)現(xiàn)天然氣。對這兩類氣田天然氣甲烷及其同系物碳同位素序列分別作圖,見圖6和圖7。侏羅系煤成氣與其所在氣田須家河組煤成氣碳同位素序列(見圖6)一致,但二者碳同位素組成的相對大小卻表現(xiàn)出不同的特征,可以分為3種。(1)大多數(shù)氣田侏羅系煤成氣與其所在氣田的須家河組煤成氣δ13C值一致,如磨溪、孝泉、合興場等氣田。在這些氣田中,侏羅系和須家河組煤成氣碳同位素序列基本重合,反映出同源的特征。(2)部分氣田侏羅系煤成氣碳同位素組成普遍大于其所在氣田須家河組煤成氣碳同位素組成,如白馬廟、大興場等氣田。以白馬廟氣田為例,上侏羅統(tǒng)—須二段—須三段—須四段,煤成氣δ13C1值逐漸降低,反映侏羅系煤成氣可能直接來自須一段。(3)部分氣田侏羅系煤成氣碳同位素組成普遍小于其所在氣田的須家河組煤成氣碳同位素組成,如八角場、金華鎮(zhèn)、平落壩等氣田。這可能有兩種原因:一是可能混合了δ13C值較小的油型氣,如川中地區(qū)在八角場等氣田下侏羅統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了油型氣;另外一種則是由于須家河組煤成氣在向上運移進入侏羅系的過程中發(fā)生了碳同位素分餾而使得δ13C值有所降低,川西氣區(qū)侏羅系中沒有發(fā)現(xiàn)油型氣,因而該區(qū)煤成氣較低的δ13C值很可能源自自下而上運移過程碳同位素的分餾效應。四川盆地須家河組和侏羅系煤成氣少許氣樣發(fā)生了部分碳同位素倒轉(見圖6、圖7),具體有兩種,δ13C2>δ13C3或δ13C3>δ13C4。烷烴氣碳同位素倒轉的原因有4種:生物成因與非生物成因烷烴氣混合;煤成氣和油型氣混合;同型不同源氣或同源不同期氣混合;烷烴氣中某一或某些組分被細菌氧化。從圖6和圖7可以看出,四川盆地須家河組和侏羅系煤成氣沒有表現(xiàn)出完全反序的碳同位素序列,與典型非生物成因氣不同;四川盆地迄今未發(fā)現(xiàn)有非生物成因烷烴氣的報道,因此可以排除非生物成因氣與生物成因氣混合的可能。重烴氣某組分被細菌氧化,在使得該組分含量降低的同時還會使剩余部分碳同位素組成變重。四川盆地須家河組氣藏深度大多大于2000m,受細菌改造作用影響較小,且發(fā)生碳同位素倒轉的侏羅系和須家河組氣樣組分含量變化正常,甚至部分樣品碳同位素變化趨勢與細菌氧化后的趨勢完全相反,如孝泉地區(qū)川孝96井須五段2625~2630m煤成氣C1—C4的含量依次為95.36%、2.95%、0.74%、0.83%,即丙烷的含量小于乙烷和丁烷的含量,但δ13C值分別為-35.9‰、-22.9‰、-26.6‰、-22.3‰,δ13C2>δ13C3,δ13C3<δ13C4。因此,可以排除細菌氧化作用的影響。戴金星等研究指出,須家河組少數(shù)氣樣發(fā)生碳同位素倒轉是同源不同期氣混合所致。流體包裹體巖相學與顯微測溫分析結果表明,四川盆地中部上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖儲集層存在早、晚兩期流體包裹體,證明了這一觀點。當然,考慮到川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)油型氣的存在,該區(qū)侏羅系和須家河組部分烷烴氣碳同位素倒轉也可能源自油型氣混合的影響。2.5在油型氣樣中的意義由須家河組煤成氣δ13C1-δ13C2相關圖(見圖8)可見,川中和川南氣區(qū)煤成氣δ13C1、δ13C2值特征類似,均明顯小于川西氣區(qū),主要是因為這兩個地區(qū)須家河組埋藏相對較淺,烴源巖厚度較薄,熱演化程度比川西要低;川東氣區(qū)樣品很少(僅在普光氣田有2個氣樣),其δ13C1值與川西氣區(qū)氣樣范圍類似,但δ13C2值小于川西氣樣的值,而與川中和川南氣樣的值接近;川西氣區(qū)北部氣樣具有較低的δ13C1、δ13C2值,南部氣樣的δ13C1、δ13C2值明顯偏高,而中部地區(qū)δ13C1值與南部類似,但δ13C2值偏小,與北部地區(qū)類似。由侏羅系煤成氣δ13C1-δ13C2相關圖(見圖8)可見,川中地區(qū)氣樣的δ13C1與δ13C2值明顯小于川西氣樣的值,這與須家河組氣樣的特征一致,一方面反映其繼承了下伏須家河組氣樣的特征,另一方面也反映其受到了下侏羅統(tǒng)油型氣的影響致使δ13C1與δ13C2值降低;川西氣區(qū)侏羅系烷烴氣主要分布在其南部和中部,且兩個地區(qū)氣樣的δ13C1與δ13C2值范圍基本重合。四川盆地侏羅系和須家河組烷烴氣δ13C2-δ13C1值與δ13C1值表現(xiàn)出良好的線性相關性,且二者趨勢基本一致(見圖8)。少數(shù)氣樣由于δ13C2值偏小而落在數(shù)據點主體部分的下方。這可能有兩種原因:(1)甲烷菌的氧化作用會使得δ13C1值增大而δ13C2值保持不變,從而數(shù)據點表現(xiàn)出異常。但是甲烷菌的氧化作用會使得甲烷含量明顯減小,而上述異常氣樣其甲烷的含量卻基本大于97%,沒有表現(xiàn)出減小趨勢。因此,這些氣樣受到甲烷菌影響的可能性很小。(2)在相同δ13C1值時,油型氣的δ13C2值明顯小于煤成氣的δ13C2值,因此這些氣樣中如果混合了部分油型氣就會使得δ13C2值明顯偏小而表現(xiàn)出異常。須家河組中也發(fā)現(xiàn)了部分油型氣,如川南氣區(qū)合江氣田合8井1262.00~1276.98m井段天然氣δ13C1、δ13C2值分別為-30.2‰、-33.8‰,赤水地區(qū)官8井須一段烷烴氣δ13C1、δ13C2、δ13C3值分別為-32.4‰、-32.81‰、-28.65‰,因此,油型氣的混合會使得烷烴氣碳同位素組成特征與典型煤成氣不同而表現(xiàn)出異常。川南氣區(qū)丹鳳場氣田丹2井的δ13C2值為-28.6‰,因此在圖8中均落在主體數(shù)據點的下部,這類氣樣可能混有深部以腐泥型為主的天然氣。對于侏羅系煤成氣而言,受下侏羅統(tǒng)自流井組油型氣的影響