準噶爾盆地南緣天然氣成因類型與氣源

陳建平，王緒龍，倪云燕，向寶力，廖鳳蓉，廖鍵德，趙長毅

（1.中國石油勘探開發研究院,北京 100083；2.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；3.中國石油天然氣集團公司油氣地球化學重點實驗室,北京 100083；4.中國石油新疆油田公司,新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

準噶爾盆地南緣是指盆地北天山山前沖斷帶，面積2.1×104km2，最大沉積地層厚度達15 km。南緣地區構造圈閉十分發育，是全盆地油氣顯示最活躍的地區，很多背斜構造都發現了油氣[1-8]，被認為是最具天然氣勘探潛力的地區[9-12]，但是歷經幾十年的勘探未取得重大突破，僅在中部地區呼圖壁背斜和瑪納斯背斜發現了兩個中型氣田。最近南緣西部四棵樹凹陷高泉構造的高探1井在深層下白堊統清水河組底部獲日產原油1 213 m3、天然氣32.17×104m3的高產油氣流[8]，這是迄今為止準噶爾盆地日產油氣最高的探井，展現了南緣地區良好的油氣勘探前景。以往雖然對南緣地區已發現天然氣的地球化學特征與氣源進行了研究[1,7,13-19]，認為該地區天然氣基本上為煤型氣，來源于侏羅系煤系烴源巖；但是，南緣地區發育二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和古近系5套烴源巖[1-2,6]，為什么所有天然氣均來源于侏羅系？從已發表的文獻資料來看，以往對該區天然氣地球化學特征的研究不夠深入細致，對不同構造天然氣地球化學特征缺乏系統對比，成因類型和來源判識過于籠統，沒有認識到天然氣成因與來源的復雜性。本文在南緣及其他地區大量天然氣樣品地球化學分析的基礎上，結合高探1井最新資料分析，系統梳理和對比不同構造天然氣組分與碳氫同位素組成特征，探討天然氣成因類型與來源，以期為南緣地區天然氣成藏研究奠定基礎，為天然氣勘探決策提供參考。

1 基本地質背景

1.1 基本構造特征

準噶爾盆地南緣東起阜康斷裂帶，西至四棵樹凹陷，北與沙灣凹陷、莫南凸起、阜康凹陷相接，南鄰北天山，東西長500 km，南北寬40～60 km，構造位置屬于北天山山前沖斷帶（見圖1）。根據構造形成機理及構造樣式，可將其進一步劃分為4個二級構造單元[20]：四棵樹凹陷、霍瑪吐背斜帶、齊古斷褶帶和阜康斷裂帶（見圖1）。在齊古斷褶帶—霍瑪吐背斜帶，由南向北發育了3排背斜構造：第1排構造帶包括托斯臺、南安集海、紅溝、清水河、齊古背斜等；第2排構造帶包括霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯背斜等；第3排構造帶包括安集海、呼西、呼圖壁背斜等。根據構造特點與差異性，南緣分為西、中、東3部分，獨山子以西為西部（西段），獨山子到烏魯木齊為中部（中段），烏魯木齊以東為東部（東段）。

1.2 沉積地層

南緣地區發育有二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系等7套沉積地層，其中中部地區地層最厚可達15 km，西部和東部厚度相對薄一些，但一般也為8～12 km[1-2,6,21]。南緣地區下二疊統主要為一套粗碎屑沉積；中二疊統為一套半深湖—深湖相沉積，厚600～1 600 m，是該地區重要的烴源巖發育層系之一，其中東部地區蘆草溝組油頁巖很發育；上二疊統主要為河流相—半深湖相沉積。中下三疊統主要為河流—淺湖相粗碎屑沉積，而上三疊統為濱淺湖—半深湖相沉積，夾有沼澤相的炭質泥巖薄層和煤線，厚300～800 m，在南緣中部和阜康凹陷烴源巖比較發育。中下侏羅統八道灣組（J1b）、三工河組、西山窯組和頭屯河組是一套河流沼澤相與湖沼相含煤沉積，厚度一般為1 000～2 000 m，是該地區主要的烴源巖發育層系之一；上侏羅統齊古組和喀拉扎組為一套紅色粗碎屑沉積。下白堊統是一套淺湖—半深湖相沉積，最厚達1 594 m，在南緣中部地區暗色地層相對比較發育；上白堊統主要為河流相粗碎屑沉積。古新統—始新統為河流—淺湖相沉積；始新統—漸新統安集海河組以淺湖—半深湖—深湖相沉積為主，在南緣西部地區暗色泥巖比較發育。漸新統—上新統以淺湖相及河流相沉積為主。第四系西域組為山麓洪積—沖積扇—河流相礫巖、砂礫巖沉積。

圖1 準噶爾盆地南緣構造圈閉與油氣田分布圖

2 天然氣地球化學特征

南緣地區很多背斜構造均發現了天然氣[1-8]，但是具有商業規模的天然氣田僅有位于中部地區呼圖壁背斜的呼圖壁氣田和瑪納斯背斜的瑪河氣田（見圖1），東部三臺地區的馬莊氣田為小型氣田，其他構造的天然氣主要為單井揭示的小規模氣層或者油藏伴生氣[1]。在這些氣田或含氣背斜構造中，中部地區背斜構造天然氣主要分布在古近系（見表1），只有南安集海背斜和齊古背斜的天然氣分布在侏羅系和三疊系—侏羅系。西部地區獨山子背斜油氣主要分布于新近系，而卡因迪克、西湖和高泉背斜構造油氣主要分布在侏羅系齊古組上部至下白堊統清水河組底部。東部馬莊氣田天然氣主要分布于上侏羅統。

表1 準噶爾盆地南緣地區不同構造天然氣組分組成統計表

2.1 天然氣組分組成

南緣地區天然氣以烴類氣體為主（見表1），含量大于90%，平均為96.75%；其他氣體主要為氮氣，占0.5%～8.5%，平均為2.21%；其次為二氧化碳，占0～2%，平均為0.18%。在烴類氣組成中，不同組分的含量變化較大（見圖2）。甲烷基本為50%～99%，絕大多數為70%～95%，平均為83.27%；乙烷為0.2%～35.0%，絕大多數為2%～15%，平均為8.46%；丙烷為0.1%～25.0%，絕大多數為0.5%～8.0%，平均為3.37%；丁烷為0～10%，絕大多數為0.2%～4.0%，平均為1.63%?？傮w上，該地區天然氣以濕氣為主，少量干氣。

南緣地區不同構造天然氣組分組成存在很大差異（見表1、圖2）。南緣東部三臺地區天然氣甲烷含量高，一般為92%～95%，為干氣。位于南緣中部第1排構造的南安集海背斜與齊古背斜天然氣甲烷含量高達97%以上，干燥系數達0.99，均為干氣，是南緣地區所有天然氣中最干的。南緣中部第2、第3排構造即安集海、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯、呼圖壁背斜構造的天然氣甲烷含量低于第1排構造天然氣，一般為50%～95%，基本以濕氣為主。這些構造天然氣組分變化具有很好的規律性（見表1、圖2），甲烷含量由西向東逐漸增高，乙烷和丙烷等重烴氣含量逐漸降低，干燥系數逐漸增大，其中：安集海背斜天然氣甲烷含量最低，屬于該地區最濕的天然氣；呼圖壁背斜天然氣甲烷含量最高，基本上屬干氣。南緣西部地區各構造天然氣甲烷平均含量基本上為70%～90%，干燥系數為0.73～0.93，以濕氣為主。高泉構造高探1井清水河組油氣藏中的天然氣甲烷含量僅75.47%，乙烷含量達13.36%，丙烷及以上重烴氣為9.84%，干燥系數僅為0.77，為濕氣。西湖背斜天然氣甲烷含量超過88%，乙烷含量為4%～7%，丙烷含量為0.1%～2.2%，其中西5井4 605～4 609 m天然氣干燥系數為0.90，為濕氣，而西湖1井6 139 m處天然氣干燥系數達0.96，屬于干氣。

圖2 準噶爾盆地南緣天然氣組分組成圖

2.2 天然氣碳同位素組成

南緣中西部構造天然氣的碳同位素組成總體上比較重（見圖3、圖4），且由西向東呈現逐漸變重的趨勢，其中：甲烷碳同位素δ13C1值為-47‰～-29‰，絕大多數為-42‰～-31‰；乙烷碳同位素δ13C2值為-30‰～-21‰，絕大多數為-28‰～-22‰；丙烷碳同位素δ13C3值為-27‰～-19‰，大多數為-25‰～-20‰。東部三臺地區天然氣的碳同位素組成很輕，甲烷碳同位素δ13C1值為-51‰～-43‰，絕大多數為-48‰～-43‰；乙烷碳同位素δ13C2值為-33‰～-25‰，絕大多數為-33‰～-28‰，與中西部天然氣明顯不同。

圖3 南緣地區不同構造天然氣甲烷、乙烷和丙烷碳同位素組成與變化（吐哈盆地數據來源于王昌桂等[22]、Ni等[23]；

南緣中部安集海、霍爾果斯、瑪納斯背斜絕大多數天然氣甲烷碳同位素δ13C1值為-35‰～-33‰，少數小于-35‰，乙烷的δ13C2值基本上均為-24.0‰～-22.5‰，丙烷δ13C3值為-24‰～-20‰（見圖3b），不同組分的碳同位素組成呈現正序分布，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4（見圖4）。安集海背斜天然氣甲烷碳同位素組成最輕；霍爾果斯其次，瑪納斯背斜天然又重一些；吐谷魯與呼圖壁背斜天然氣碳同位素組成基本一致，又明顯比瑪納斯、霍爾果斯背斜天然氣重一些，其中甲烷的δ13C1值為-33‰～-31‰，乙烷δ13C2值為-23‰～-22‰，丙烷δ13C3值為-23‰～-21‰，有部分天然氣乙烷以上組分或丙烷、丁烷碳同位素組成出現倒轉（見圖4）。齊古背斜天然氣碳同位素組成變化范圍較大，甲烷的δ13C1值為-41‰～-29‰，乙烷的δ13C2值為-25‰～-22‰，丙烷的δ13C3值為-27.0‰～-23.5‰，乙烷、丙烷及丁烷的碳同位素組成呈現倒轉（見圖4）。

圖4 準噶爾盆地南緣不同構造天然氣組分碳同位素組成分布

西部卡因迪克背斜構造天然氣甲烷碳同位素δ13C1值主要為-35‰左右、乙烷碳同位素δ13C2值為-26.5‰左右、丙烷的δ13C3值為-24‰左右（見圖3）。但是，卡6井3 956～3 980 m井段侏羅系齊古組儲集層中天然氣卻輕得多，乙烷和丙烷的δ13C值分別為-29.74‰和-26.35‰（見圖3）。高泉背斜高探1井5 768～5 775 m下白堊統清水河組油氣藏天然氣甲烷碳同位素δ13C1值為-40.42‰，乙烷和丙烷的δ13C2、δ13C3值分別為-28.94‰和-26.72‰，組分碳同位素組成呈正序分布，與卡6井齊古組天然氣非常相似，而與南緣地區其他天然氣明顯不同（見圖3、圖4）。西湖背斜天然氣的碳同位素組成與卡因迪克油氣田多數天然氣非常類似，但西湖1井5 992 m處天然氣碳同位素組成相對較重。獨山子背斜天然氣碳同位素組成比較特別，甲烷碳同位素組成δ13C1值為-43‰～-35‰，但乙烷的碳同位素δ13C2值基本在-26‰左右，丙烷的碳同位素組成又呈現較大變化，δ13C3值為-26‰～-19‰，與南緣其他天然氣明顯不同（見圖3b）。南緣西部地區天然氣組分碳同位素組成基本上呈現正常的正序分布，只有少量天然氣的丙烷和丁烷碳同位素組成出現輕微倒轉（見圖4），這可能與丁烷組分含量低、分析誤差較大等因素有關，或者與成熟度高及混合作用有關。

3 天然氣成因類型與成熟度

3.1 天然氣成因類型

有機熱成因天然氣組分、碳氫同位素組成與生氣母質的沉積環境、有機質類型及熱演化程度密切相關，因而碳氫同位素組成常被用于判識天然氣的成因類型與來源[25-42]。南緣地區天然氣組成C1/(C2+C3)值為2～500，但絕大多數為4～30，甲烷碳同位素δ13C1值為-51‰～-28‰，絕大多數為-42‰～-31‰，屬于有機熱成因天然氣（見圖5a）。

3.1.1 天然氣組分與碳同位素組成判識

在南緣天然氣中，西部四棵樹凹陷卡因迪克、西湖和獨山子等背斜構造天然氣C1/(C2+C3)值最小，甲烷碳同位素組成最輕，與吐哈盆地臺北凹陷來源于中下侏羅統煤系烴源巖的天然氣[22-23]比較相似或甲烷碳同位素組成略重，大多數屬Ⅲ型干酪根來源的熱成因氣，少數屬于偏Ⅱ型干酪根來源的有機熱成因氣。高泉背斜高探1井天然氣具有較輕的甲烷碳同位素組成和非常低的C1/(C2+C3)值，與西部地區大多數天然氣有所差異（見圖5a）。

另外，據戴金星等[24]資料，獨山子背斜、冒煙山構造等地面泥火山天然氣苗甲烷碳同位素δ13C1值為-47‰～-40‰，乙烷碳同位素δ13C2值為-28‰～-26‰，烷烴氣碳同位素組成具有δ13C1<δ13C2<δ13C3特征，屬于典型的熱成因煤成氣。但是，這些天然氣苗的C1/(C2+C3)值為10～20（見圖5a），明顯不同于獨山子、卡因迪克等背斜構造探井中的天然氣，也不同于吐哈盆地臺北凹陷天然氣，而與西北緣北部來源于二疊系風城組的油型氣[1,7]處于相同區域，似乎為更偏于Ⅱ型有機質來源的天然氣或者混合氣，或者為成熟度較低的煤型氣。此外，在這些泥火山天然氣苗中有一個樣品的C1/(C2+C3)值甚至高達255，甲烷碳同位素δ13C1值輕至-49.1‰，已經處于熱成因氣與生物氣混合區域。

圖5 南緣地區不同背斜構造天然氣組分成因類型判識

南緣中部地區安集海背斜構造天然氣與西部天然氣相似，從安集海、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯至呼圖壁背斜，天然氣的C1/(C2+C3)值逐漸增大、甲烷碳同位素組成逐漸變重，樣品點基本上均位于Ⅲ型干酪根熱演化生氣范圍，與吐哈盆地臺北凹陷天然氣構成一個熱演化序列，表明這些天然氣應該主要源于腐殖型有機質。但是，南緣中部第1排構造即南安集海背斜和齊古背斜構造的天然氣，雖然其甲烷碳同位素δ13C1值與中部地區第2、第3排背斜（安集海背斜—呼圖壁背斜）的天然氣相同，其C1/(C2+C3)值為80～500，明顯高于中部其他背斜構造的天然氣，處于Ⅱ型干酪根高熱演化生氣區域，它們與西北緣二疊系風城組油型氣[1,7]處于同一演化序列區域，與中部其他構造天然氣的生氣母質類型不同，似乎表明這些天然氣主要來源于高成熟的Ⅱ型有機質。南緣東部三臺地區天然氣與西北緣天然氣具有相同的甲烷碳同位素組成，但其C1/(C2+C3)值為20～100，明顯高于西北緣油型氣，主要處于Ⅰ型、Ⅱ型干酪根生成天然氣區域，表明其應該來源于腐泥型和腐泥-腐殖型有機質，部分天然氣已經處于混合氣區，可能有生物氣混入[1,13]。

3.1.2 天然氣碳氫同位素組成判識

天然氣甲烷碳氫同位素組成交匯圖也常被用于判識天然氣成因類型[26,28-30,32,34,36-39]。陸相淡水沉積有機質生成的甲烷δD值一般小于-190‰，而海相咸水沉積有機質生成的甲烷δD值一般大于-190‰[26,28-30,32,34,38]，但隨著熱演化程度的增高，甲烷的氫同位素組成也明顯變重[28-29,43-45]。南緣中部呼圖壁氣田天然氣的甲烷碳同位素δ13C值為-32‰～-30‰，甲烷氫同位素δD值為-200‰～-197‰[18]，顯然屬于有機熱成因天然氣（見圖5b）。與吐哈盆地臺北凹陷相比，呼圖壁氣田天然氣碳氫同位素組成均要重得多，與塔里木盆地庫車坳陷天然氣相比，呼圖壁氣田天然氣的碳氫同位素組成又要輕一些。吐哈盆地臺北凹陷天然氣主要來源于中下侏羅統煤系烴源巖腐殖型有機質，屬于煤型（成）氣，并且由于中下侏羅統烴源巖總體處于低成熟—成熟階段[22,46-47]，因而天然氣的成熟度也相對較低，以濕氣為主[22-23]。庫車坳陷天然氣也是主要來源于中下侏羅統煤系烴源巖，也屬于煤型氣[43-44]，但中下侏羅統煤系主要處于成熟—過成熟演化階段[48]，因而其生成的天然氣成熟度也較高，基本上以干氣為主。顯然，臺北凹陷天然氣、南緣呼圖壁氣田天然氣、庫車坳陷天然氣構成了一個煤型氣成熟度序列。

南緣東部三臺地區馬莊氣田侏羅系氣藏天然氣甲烷碳同位素δ13C值基本上為-51‰～-44‰，甲烷的氫同位素δD值為-250‰～-180‰[13]，主要屬于有機熱成因天然氣（見圖5b）。但是，該氣田天然氣與呼圖壁氣田煤型氣明顯不同，碳氫同位素組成要輕得多，而與塔里木盆地臺盆區塔中、塔北隆起油型氣[44]處于同一序列，顯然馬莊氣田天然氣屬于油型氣。

另外，據戴金星等研究[24]，南緣西部獨山子構造等泥火山天然氣苗的氫同位素δD值為-247‰～-231‰，阿爾欽溝泥火山氣苗甚至輕達-268‰～-267‰，與南緣東部馬莊氣田和吐哈盆地臺北凹陷的天然氣相似，明顯比呼圖壁氣田天然氣輕，更輕于庫車坳陷侏羅系煤系有機質來源的天然氣，表明其為淡水—微咸水沉積環境有機質生成的天然氣，且成熟度相對較低。

3.1.3 天然氣組分碳同位素組成分布判識

戴金星[30]提出了甲烷、乙烷和丙烷碳同位素組成判識圖版（見圖6），認為乙烷碳同位素δ13C2值大于-25‰為煤成（型）氣，-25‰～-28‰為油型氣/煤成氣混合氣，小于-28‰則為油型氣。此外，天然氣組分碳同位素組成的分布序列也是鑒別有機熱成因天然氣的方法，在一般正常有機熱成因天然氣中，無論是油型氣還是煤型氣，其C1—C4系列碳同位素組成通常呈現逐漸變重的正序列，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，而遭受次生改造的天然氣的組分碳同位素組成則常出現倒轉[31,49]。

圖6 南緣地區天然氣類型判識（圖版據戴金星等[31]，略有修改）

從天然氣組分碳同位素組成分布看，南緣地區絕大多數天然氣組分碳同位素組成呈現正序列分布（見圖4），即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，表明這些天然氣均屬于正常的有機成因天然氣。但是，也有一小部分天然氣丙烷、丁烷呈現倒轉（見圖4），如卡因迪克與獨山子構造的一些天然氣；有些甚至乙烷與丙烷、丁烷均倒轉，如齊古背斜和吐谷魯背斜的天然氣，反映了這些天然氣復雜的成因或成藏過程。從天然氣不同組分碳同位素組成之間的關系看（見圖3），南緣地區天然氣乙烷碳同位素組成明顯要比西北緣克拉瑪依—烏夏地區天然氣重很多，兩者不是一個序列，與腹部地區的天然氣也不是一個序列（見圖3a）。從乙烷與丙烷碳同位素組成看，兩者仍然呈現很好的線性關系（見圖3b），只是西北緣天然氣的乙烷與丙烷碳同位素組成明顯比南緣天然氣輕很多，表明南緣天然氣母質類型明顯比西北緣天然氣的母質類型差。西北緣克拉瑪依—烏夏地區原油與天然氣主要來源于下二疊統風城組湖相烴源巖，天然氣多為原油伴生氣，屬于典型的油型氣[1,7]。由此對比可見，南緣中西部地區絕大多數天然氣顯然不屬于油型氣，而是屬于煤型氣和混合氣，只有東部三臺地區的天然氣主要為油型氣（見圖3、圖6）?？ㄒ虻峡擞吞锟?井和高泉構造高探1井白堊系清水河組油藏中的天然氣介于混合氣和典型油型氣之間（見圖3、圖6），似乎也以油型氣為主，但與西北緣典型油型氣又有一定差異，應該還是屬于混合氣。

需要說明的是，這里劃分的混合氣不僅僅指典型Ⅰ、Ⅱ1型干酪根生成的油型氣與典型Ⅲ型干酪根生成的煤型氣混合構成的混合氣，也包括侏羅系煤系Ⅱ型（腐泥腐殖型-腐殖腐泥型）干酪根生成的天然氣，因為這些天然氣主要來源于南緣地區侏羅系煤系有機質（詳見后文）。實際上，南緣地區侏羅系煤系有機質在地質歷史時期生成了大量原油，卡因迪克油田主體侏羅系—白堊系油藏原油即來源于侏羅系煤系烴源巖，西湖背斜等其他構造也有侏羅系來源的原油[1,4]；最近在高泉構造獲得高產油氣流的高探1井白堊系清水河組油氣藏原油也是來源于侏羅系煤系烴源巖；齊古油田侏羅系儲集層中原油也有50%來源于侏羅系烴源巖[1,4]。這些大量原油的存在充分表明南緣地區侏羅系煤系有機質除了主要生氣的Ⅲ型干酪根外，還有相當數量的既可生氣又可生油的Ⅱ型干酪根。與準噶爾盆地二疊系、三疊系、白堊系湖相有機質及其生成的原油相比，侏羅系煤系有機質及其生成的原油均具有相對較重的碳同位素組成（前者生成的原油δ13C值一般在-32‰～-29‰，后者生成的原油δ13C值一般在-28‰～-26‰）。相應地，與侏羅系原油伴生的天然氣也應該具有相對較重的碳同位素組成，可能不具有典型油型氣的碳同位素組成特征，也不具有煤系Ⅲ型有機質生成的典型煤型氣的碳同位素組成特征，而是呈現混合氣的特征。如果將煤系烴源巖來源的天然氣均定義為煤型（成）氣，或者將煤型氣的乙烷碳同位素δ13C2值界定為大于-28‰[24]，那么南緣地區這些混合氣多數屬于煤型氣。但是，這樣的劃分并不科學，與沉積有機質類型劃分也不對應。例如，準噶爾盆地腹部地區原油及其伴生的天然氣均來源于二疊系湖相混合型（Ⅱ型）有機質[1,7]，但是絕大多數天然氣的乙烷碳同位素組成在-28‰～-26‰（見圖3），不能就此認為這些天然氣為煤型氣。實際上，在以往許多天然氣成因類型判識標準中將乙烷碳同位素δ13C2值大于-25‰劃分為煤型氣主要是指高—過成熟煤系有機質來源的煤型氣[31]，低—中成熟煤系有機質生成的天然氣乙烷碳同位素組成通常小于-25‰，如吐哈盆地臺北凹陷的天然氣[22-23,29,32]。

值得注意的是，南緣第1排構造南安集海和齊古背斜的天然氣，如按照碳同位素組成來看它們與南緣其他背斜構造的天然氣均處于煤型氣系列（見圖3a）或煤型氣分布范圍（見圖3b、圖6），但按照其組分和甲烷碳同位素組成看（見圖3a），它們與南緣其他天然氣明顯不同，屬于來源于Ⅱ型干酪根的高成熟油型氣或混合氣。這兩個構造的天然氣C2以上重烴含量很低，重烴碳同位素組成甚至已經倒轉（見圖4），說明其成熟度已經很高，與西北緣原油伴生的油型氣在成熟度上有很大差異。按照組分含量與甲烷碳同位素組成判識（見圖5a），南安集海背斜天然氣屬于油型氣，齊古背斜天然氣則介于油型氣和煤型氣之間。實際上，齊古背斜的天然氣比較復雜，淺層侏羅系儲集層中天然氣的甲烷碳同位素組成比較輕，乙烷、丙烷和丁烷的碳同位素組成也比呼圖壁氣田天然氣輕；二疊系—三疊系儲集層中天然氣甲烷、乙烷碳同位素組成與呼圖壁天然氣基本相當，但丙烷、丁烷明顯比呼圖壁氣田天然氣輕（見圖4）。齊古背斜侏羅系油藏原油是二疊系原油與侏羅系原油的混合[1,4]，天然氣也可能是不同來源天然氣的混合，可能是二疊系油型氣和侏羅系煤型氣不同比例的混合導致了這些天然氣碳同位素組成出現較大的差異，其中侏羅系儲集層天然氣中二疊系油型氣的比例相對較高而呈現混合氣特征，二疊系—三疊系儲集層天然氣中油型氣的比例相對較低而主要呈現煤型氣特征。

另外，獨山子背斜天然氣碳同位素組成也很復雜（見圖3），一部分天然氣甲烷和乙烷碳同位素組成與吐哈盆地臺北凹陷天然氣相似，與南緣中部構造的天然氣屬于一個序列；有一部分天然氣乙烷碳同位素組成與其他天然氣相似，但甲烷碳同位素組成明顯偏重（見圖3a）。這些天然氣共同的特點是丙烷的碳同位素組成特別重（見圖3b）。獨山子和冒煙山構造泥火山氣苗也具有特別重的丙烷碳同位素組成[24]。此外，獨58井的天然氣具有輕的甲烷和乙烷碳同位素組成，似乎屬于油型氣（見圖3a），但其丙烷碳同位素組成也特別重。究竟是什么原因導致的這些天然氣丙烷碳同位素組成異常重還需進一步深入研究，推測是微生物降解作用導致的異常。

3.1.4 天然氣成因類型

總體上，按照天然氣組分組成、碳氫同位素組成以及與其他盆地天然氣的對比來看，南緣地區天然氣可分為3類：即煤型氣、混合氣與油型氣，而且以煤型氣與混合氣為主，油型氣的數量相對較少。具體而言，南緣西部卡因迪克、西湖及獨山子背斜構造以煤型氣和混合氣為主，高探1井清水河組油氣藏天然氣為混合氣；南緣中部安集海、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯及呼圖壁背斜構造以煤型氣為主；南安集海背斜天然氣為油型氣；齊古背斜天然氣為混合氣和煤型氣；南緣東部三臺馬莊氣田天然氣屬于油型氣。

3.2 天然氣成熟度

天然氣烴類組分相對含量和碳氫同位素組成也被用于判識天然氣的成熟度。隨著成熟度增高甲烷含量逐漸增高，乙烷和丙烷等重烴氣含量逐漸降低，碳氫同位素組成逐漸變重，其中甲烷受烴源巖熱演化的影響遠大于乙烷、丙烷等重烴氣。因此，許多學者提出了成熟度參數鏡質體反射率與碳氫同位素組成之間的經驗公式[26,28,34-35,50-52]；天然氣的干燥系數或濕度系數也常被用來衡量天然氣的成熟度[43,53-54]。

3.2.1 干燥系數判識成熟度

南緣地區天然氣烴類組分變化很大（見圖2），甲烷含量為50%～99%，乙烷含量為0.2%～26.0%，丙烷含量為0.2%～17.0%，干燥系數為0.6～1.0，表明其成熟度變化很大。由表1可見，西部卡因迪克、獨山子和西湖背斜天然氣干燥系數分別為0.73、0.82和0.93，均為濕氣。但是，據戴金星等[24]，西部地區泥火山天然氣苗的干燥系數基本上為0.89～1.0，其中阿爾欽溝、冒煙山構造和獨山子構造泥火山氣苗為0.92～1.0，多屬于干氣，只有四棵樹煤礦附近泥火山氣苗為0.89～0.92，但也明顯高于西部凹陷探井中的天然氣。顯然，如果不是后期生物降解作用，那么南緣這些泥火山氣苗天然氣的成熟度明顯較高。

南緣中部安集海背斜天然氣的重烴含量最高，干燥系數平均僅為0.71，是南緣地區所有構造中干燥系數最低的。由安集海背斜向東至呼圖壁背斜，天然氣干燥系數逐漸增高，呼圖壁背斜天然氣干燥系數達0.95，臨界干氣。顯然，南緣中部天然氣主要為濕氣，因而生氣母質的成熟度基本上在成熟至高成熟演化階段。但是，中部第1排構造帶南安集海、齊古背斜天然氣干燥系數分別為1.0和0.99，均為干氣；南緣西部的阿爾欽溝背斜、冒煙山構造也位于第1排構造帶，也均為干氣。顯然，第1排構造帶天然氣的成熟度總體高于第2、第3排構造天然氣。南緣東部三臺地區馬莊氣田天然氣的干燥系數達0.97，已經為干氣，似乎其成熟度也較高。但是，這些天然氣可能是原油遭受細菌降解形成的生物氣，或者有菌解氣混合，因而盡管其組分已經主要為甲烷，但不能按照干燥系數來判識其成熟度。

3.2.2 組分碳同位素組成判識成熟度

生氣母質類型和成熟度對南緣地區天然氣甲烷、乙烷碳同位素組成的影響也很明顯（見圖3），隨著成熟度增加，不同類型天然氣的甲烷和乙烷碳同位素組成均明顯逐漸變重。根據前文確定的南緣地區天然氣類型，按照戴金星等[51]提出的煤型氣和油型氣成熟度經驗公式計算獲得，該地區絕大多數天然氣的成熟度或生氣母質的成熟度為0.8%～1.7%，由西向東逐漸增高，其中安集海背斜天然氣為0.8%～1.0%；霍爾果斯背斜天然氣為0.8%～1.2%；瑪納斯背斜天然氣為0.9%～1.4%；吐谷魯背斜天然氣為1.4%～2.0%；呼圖壁氣田天然氣為1.5%～1.9%。南安集海背斜天然氣為2.0%～2.3%，與其處于高—過成熟階段的Ⅱ型干酪根來源天然氣演化區域相對應（見圖5a）。齊古背斜侏羅系儲集層中的天然氣，若按照煤型氣計算其成熟度僅為0.33%～0.88%，顯然與其組分組成不相符；若按照油型氣公式計算則其成熟度為1.17%～2.77%，變化范圍很大，因而其為油型氣和煤型氣的混合可能性很大。二疊系—三疊系儲集層中天然氣按油型氣計算則高達4.7%～6.6%，顯然不可能達到這么高成熟度；而按煤型氣計算則為1.6%～2.3%，與其組分及所處Ⅲ型和Ⅱ型高—過成熟干酪根所生天然氣的分布區域相對應（見圖5a）。

南緣西部卡因迪克、西湖和獨山子背斜多數天然氣，按煤型氣公式計算，只有那些具有較重碳同位素組成的天然氣成熟度為0.7%～1.0%，與這些背斜中共存的原油的成熟度基本相一致[1,3-4,7]。具有較輕碳同位素組成的天然氣，如卡6井清水河組天然氣和高探1井清水河組油氣藏天然氣，按煤型氣公式計算僅為0.38%，與該區侏羅系煤系烴源巖及伴生的原油成熟度明顯不符。若按油型氣公式計算則為1.0%～1.3%，與侏羅系烴源巖的成熟度及伴生原油成熟度相似，但略偏高。此外，按照煤型氣公式計算，獨山子背斜等具有較輕甲烷碳同位素組成的天然氣和泥火山氣苗基本上低于0.4%，明顯太低；如果按照油型氣公式計算大多數為0.9%～1.4%，明顯比按煤型氣計算更合理，但與其接近干氣的組分構成不完全相符；還有一些天然氣，如獨230井淺層天然氣和一些泥火山氣苗，即使按油型氣公式計算也仍然偏低（0.35%～0.55%），顯然與其組分接近干氣嚴重不符。由此可見，南緣西部天然氣的類型比較復雜，按煤型氣和油型氣經驗公式均難以估算其成熟度，這說明它們的來源與成藏過程比較復雜。

南緣東部馬莊氣田天然氣按油型氣計算其成熟度也僅0.28%～0.79%，按煤型氣則低至0.2%以下，顯然與其干氣的組分組成不相符，因而其應該有生物氣混入，或主要是原油降解形成的次生生物氣。

4 天然氣氣源判識

4.1 潛在氣源巖

南緣地區存在二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系5套烴源巖[1-2,6]。中二疊統蘆草溝組湖相烴源巖主要分布于南緣東部至中部，有機質豐度高、類型好、生烴潛力大。上三疊統黃山街組湖相—郝家溝組湖沼相烴源巖也廣泛分布于南緣地區，有機質豐度低于二疊系蘆草溝組，以Ⅱ型和Ⅲ型有機質為主，具有較高的生烴潛力。中下侏羅統為煤系，廣泛分布于南緣地區，發育暗色泥巖、炭質泥巖和煤3類烴源巖，烴源巖厚度大，有機質豐度高，以Ⅱ2型和Ⅲ型有機質為主，有一定數量Ⅱ1型有機質，是南緣地區最重要的一套油氣源巖。下白堊統清水河組湖相烴源巖在南緣中部最發育，有機質豐度較高，以Ⅰ型和Ⅱ1型有機質為主，具有較高的生烴潛力。古近系安集海河組湖相烴源巖主要分布于南緣中西部，有機碳含量變化較大，以Ⅱ型有機質為主，具有較高的生烴潛力。上述5套烴源巖中，二疊系、三疊系、侏羅系埋藏深度均很大，烴源巖處于成熟—過成熟演化階段，在地質歷史時期均具有生成大量石油和天然氣的成熟度條件，而下白堊統和古近系烴源巖主要處于低成熟—成熟生油階段，尚未達到大量生成天然氣的熱演化階段，基本不具備生成大量天然氣的成熟度條件[1,2,6]。因此，南緣地區有效天然氣源巖主要為中下侏羅統煤系、上三疊統湖沼相和二疊系湖相烴源巖。

4.2 天然氣氣源判識

根據前面天然氣地球化學特征和類型的討論，南緣地區天然氣可分為3類：煤型氣、混合氣與油型氣，而且以煤型氣與混合氣為主，油型氣數量非常少。

4.2.1 南緣中部天然氣

南緣中部安集海、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯及呼圖壁構造天然氣組分重烴含量變化大，干燥系數從西至東由0.65逐漸增高至0.95，由濕氣逐漸變為干氣，其成熟度變化與侏羅系烴源巖成熟度變化基本對應[1,2,6]；另一方面，這些天然氣碳同位素組成重，除安集海背斜天然氣外，其他背斜天然氣乙烷碳同位素δ13C2值基本上大于-25‰，丙烷碳同位素δ13C3值基本上大于-23‰，屬于典型的高成熟煤型氣。

在中部地區3套可能氣源巖中，二疊系和三疊系主要為湖相烴源巖，生成的原油和天然氣具有較輕的碳同位素組成[1,3-6]；西北緣地區來源于二疊系湖相烴源巖的油型氣具有輕的碳同位素組成[1,7]，完全不同于南緣中部這些天然氣。侏羅系為煤系烴源巖，生成的原油具有較重的碳同位素組成，生成的天然氣也應該具有較重的碳同位素組成，與這些天然氣的碳同位素組成是相對應的。事實上，安集海背斜中成熟度較低的天然氣碳同位素組成與吐哈盆地臺北凹陷侏羅系煤系來源的天然氣具有十分相似的碳同位素組成，而高成熟的呼圖壁氣田天然氣碳同位素組成與庫車坳陷來源于侏羅系煤系的天然氣相似。

因此，南緣中部這些背斜構造的煤型氣應該主要來源于中下侏羅統煤系烴源巖，可能有少量上三疊統上部含煤段烴源巖的貢獻，天然氣與原油不同源。南緣中部第1排背斜構造的天然氣主要為干氣，成熟度高于第2排、第3排背斜構造的天然氣，碳同位素組成也比較復雜，其中南安集海背斜天然氣為油型氣，可能的氣源是高—過成熟的二疊系或三疊系湖相烴源巖。齊古背斜的天然氣比較復雜，侏羅系儲集層中的天然氣主要為混合氣，應該是侏羅系煤系來源的煤型氣與二疊系/三疊系湖相有機質來源的油型氣以不同比例的混合，而二疊系—三疊系儲集層中則主要為高成熟煤型氣，主要來源于侏羅系煤系烴源巖，也可能有不同程度的二疊系、三疊系油型氣的混入。

4.2.2 南緣西部天然氣

南緣西部卡因迪克油田、西湖背斜天然氣組分中重烴氣含量較高，成熟度中等，但其碳同位素組成較重，與西北緣二疊系來源的油型氣明顯不同，與吐哈盆地臺北凹陷天然氣比較相似，屬于混合氣和煤型氣。南緣西部地區已經落實的油氣源巖主要為侏羅系煤系烴源巖，目前主要處于成熟生油高峰階段；古近系安集海河組湖相烴源巖成熟度低，不是主要氣源巖；二疊系和三疊系湖相烴源巖分布和生烴潛力等均不清楚。目前在卡因迪克背斜、西湖背斜齊古組—清水河組發現的油藏原油均來源于中下侏羅統煤系烴源巖[1,4,7]，天然氣主要為原油伴生氣。因此，這些構造中的天然氣應該主要來源于成熟的侏羅系煤系烴源巖。獨山子背斜的天然氣，包括泥火山氣苗，碳同位素組成也比較特殊，乙烷的碳同位素δ13C2值基本在-26‰左右，丙烷碳同位素δ13C值為-26‰～-19‰，呈現較大變化，表明這些天然氣的成因和來源比較復雜。從乙烷和丙烷碳同位素組成看，應該主要來源于侏羅系煤系烴源巖，但可能遭受了細菌降解改造。

4.2.3 高探1井天然氣

值得特別關注的是，在西部地區的背斜構造中也有一些天然氣具有輕的碳同位素組成。最近獲得高產油氣流的高泉背斜構造高探1井5 768～5 775 m井段和卡因迪克油田卡6井3 956～3 980 m井段下白堊統清水河組底部油氣藏的天然氣即具有較輕的碳同位素組成。類似的天然氣在獨山子背斜獨58井新近系也有發現。高探1井天然氣干燥系數僅為0.76，甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素組成都偏輕（見圖3），尤其是乙烷和丙烷，不僅比南緣中部瑪河氣田、呼圖壁氣田高成熟的天然氣（干燥系數0.90～0.95）偏輕很多，也比安集海背斜成熟的天然氣（干燥系數僅為0.71的濕氣）輕許多，比干燥系數相似（成熟度相近）的卡因迪克油田、西湖背斜等的天然氣均輕，甚至比吐哈盆地臺北凹陷來源于中下侏羅統煤系烴源巖的低成熟天然氣[22-23]（很多是與原油伴生氣）也輕，幾乎是南緣地區碳同位素組成最輕的天然氣。另一方面，這類天然氣的碳同位素組成又比西北緣風城組來源的典型油型氣重（見圖3b）。

顯然，這類天然氣應該不是完全來源于中下侏羅統煤系烴源巖，而是侏羅系煤系烴源巖生成的天然氣與二疊系湖相烴源巖生成的天然氣的混合氣。按照天然氣碳同位素組成二元混合模型可以計算侏羅系和二疊系的相對貢獻?？ㄒ虻峡擞吞?、西湖背斜、安集海背斜天然氣來源于侏羅系煤系，其烴類組分組成（干燥系數）與高探1井天然氣基本一致（見表1），表明它們的成熟度也基本一致，因而可以作為典型侏羅系來源煤型氣的端元。南緣中部瑪河氣田和呼圖壁氣田天然氣組分以甲烷為主，干燥系數明顯高于高探1井天然氣（見表1），表明其成熟度高于高探1井天然氣，因而不能作為煤型氣的端元氣。西北緣北部天然氣主要來源于二疊系風城組，其烴類組分組成與高探1井天然氣也很類似[1,7]，因而可以作為二疊系來源油型氣端元?？ㄒ虻峡吮承钡葋碓从谫_系煤系烴源巖的天然氣平均干燥系數為0.80，甲烷和乙烷平均碳同位素δ13C值分別為-37.63‰和-26.27‰；西北緣來源于二疊系風城組的天然氣平均干燥系數為0.88，甲烷和乙烷平均碳同位素δ13C值分別為-43.24‰和-31.35‰；高探1井清水河組油氣藏天然氣干燥系數為0.77，甲烷和乙烷碳同位素δ13C值分別為-40.42‰和-28.94‰，這些天然氣的干燥系數非常相近也即成熟度很相近。因此，按照二元混合模型和甲烷碳同位素δ13C值計算，高探1井天然氣中侏羅系煤系烴源巖的貢獻為50.27%，二疊系湖相烴源巖的貢獻為49.73%；按照乙烷碳同位素計算，侏羅系煤系烴源巖的貢獻為47.44%，二疊系湖相烴源巖的貢獻為52.56%。由此可見，高探1井天然氣中侏羅系和二疊系烴源巖的貢獻基本上各占一半左右。

4.2.4 南緣東部天然氣

南緣東部地區馬莊氣田天然氣，惠榮耀等[13]認為是源于侏羅系煤系烴源巖的煤型氣。然而，這些天然氣基本上為干氣，且具有非常輕的碳同位素組成，明顯與南緣呼圖壁氣田高成熟煤型氣不同，屬于油型氣。但是，無論是按戴金星等[51]的油型氣公式還是煤型氣公式，計算獲得的成熟度均很低，基本為處于未成熟與低成熟階段的天然氣，顯然與其干氣的組分不符合。徐永昌等[34]將烴源巖在低成熟階段（Ro值為0.5%～0.6%）生成的天然氣稱之為生物-熱催化過渡帶天然氣；戴金星[31]將這一類型的天然氣稱之為亞生物氣，這類天然氣的特點是以甲烷為主，乙烷及其以上重烴氣含量低，一般為干氣，甲烷的碳同位素δ13C1值為-55‰～-50‰，而且常常與少量低熟油共生[31,34]。三臺地區的這些天然氣也為干氣，但其甲烷的碳同位素δ13C1值一般為-50‰～-44‰，比徐永昌等[34]稱之為生物-熱催化過渡帶氣的天然氣要重5‰左右。因此，這些天然氣應該不是烴源巖在低成熟階段生成的天然氣。實際上，這種類型的天然氣在陸梁隆起（陸9井油氣藏）、西北緣風城地區也有分布，其特點是通常與生物降解稠油相伴生或位于稠油油藏之上。三臺地區這些天然氣目前的埋藏深度一般小于2 200 m，而且基本上與生物稠油相伴生或者位于稠油油藏之上[1]。因此，筆者認為馬莊氣田的這些干氣是油藏原油遭受生物降解過程中形成的次生生物成因天然氣。三臺地區原油來源于中二疊統蘆草溝組湖相烴源巖[1]，因而這些天然氣是間接來源于二疊系湖相烴源巖。

5 結論

準噶爾盆地南緣地區天然氣烴類組分變化大，總體以濕氣為主，少量干氣。西部四棵樹凹陷天然氣干燥系數為0.73～0.93，以濕氣為主；中部第2、第3排構造天然氣干燥系數為0.63～0.95，由西向東逐漸增大，基本上為濕氣，第1排構造天然氣為干氣；東部馬莊氣田天然氣為干氣。

南緣地區天然氣碳同位素組成總體較重而氫同位素組成較輕，絕大多數天然氣組分碳同位素組成呈現正序分布，少量呈倒轉分布，均屬于有機熱成因天然氣，由淡水—微咸水沉積有機質生成，可以分為煤型氣、混合氣與油型氣3類，以煤型氣與混合氣為主。西部卡因迪克、西湖及獨山子背斜構造以煤型氣和混合氣為主；中部安集海、霍爾果斯、瑪納斯、吐谷魯及呼圖壁背斜構造以煤型氣為主，南安集海背斜天然氣為油型氣，齊古背斜天然氣為混合氣和煤型氣；東部三臺地區馬莊氣田天然氣屬于油型氣。

侏羅系煤系烴源巖是南緣地區最主要的天然氣源巖，二疊系和上三疊統烴源巖在局部地區也是重要的天然氣源巖。中部第2排、第3排構造天然氣主要來源于侏羅系煤系烴源巖，第1排構造天然氣來源于二疊系湖相烴源巖和侏羅系煤系烴源巖，可能有上三疊統湖相—湖沼相烴源巖的貢獻；西部構造天然氣主要來源于侏羅系煤系烴源巖和二疊系湖相烴源巖；東部三臺地區天然氣來源于二疊系湖相烴源巖。

南緣西部四棵樹凹陷高泉背斜構造高探1井下白堊統清水河組油氣藏中天然氣為煤型氣和油型氣的混合氣，侏羅系煤系和二疊系湖相烴源巖的貢獻各占一半左右，揭示南緣西部不僅只有侏羅系一套油氣源巖，還應該有二疊系氣源巖。

致謝：感謝梁狄剛教授認真審閱了本文并提出了許多寶貴修改建議，在此表示誠摯地感謝！