四川盆地東北部馬路背地區上三疊統須家河組 天然氣地球化學特征及氣源

杜紅權，王 威，時志強，談健康，曹環宇，殷雪峰

[1. 成都理工大學 沉積地質研究院,四川 成都 610059; 2. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學), 四川 成都 610059; 3. 中國石化 勘探分公司 勘探研究院,四川 成都610041; 4. 中國石油 西南油氣田分公司 勘探開發研究院,四川 成都 610041]

馬路背氣田是中國石化在四川盆地東北部(川東北地區)發現的第一個陸相大氣田,多口井在上三疊統須家河組試獲工業天然氣流。其中,M101和M103兩口井須(須家河組)二段試獲高產、穩產的商業氣流。截止目前,M101單井累產氣3.04×108m3,M103單井累產氣2.16×108m3,表明了馬路背地區須家河組是近期有望實現商業開發的有利目標。但針對該區須家河組天然氣成因和來源的認識存在分歧[1-2]。本文在對馬路背地區須家河組天然氣組分及穩定碳、氫同位素分析的基礎上,分析該區須家河組天然氣成因和來源,并結合該區油氣地質特征,探討了海相和陸相烴源巖及深大斷裂對該區天然氣富集的意義,以期對該區或鄰區天然氣勘探具有指導意義。

1 區域地質背景

馬路背地區地理位置位于四川盆地東北緣,構造

位置位于川北坳陷通南巴構造帶。其北側為秦嶺造山帶南緣的米倉山沖斷構造帶,東北側為大巴山前緣弧形推覆構造帶,南鄰川中平緩構造帶[3-4](圖1)。受米倉山、大巴山兩大造山體系影響,通南巴構造帶形成了現今以北東向構造為主,疊加了一系列北西向斷裂和構造的大型背斜構造帶[5],包括南陽場鼻狀構造、涪陽壩斷塊構造和黑池梁鼻狀構造3個次級構造單元。黑池梁鼻狀構造通天斷層發育,構造變形強；南陽場鼻狀構造海相和陸相斷裂不發育,構造變形弱；涪陽壩斷塊構造斷裂褶皺發育,斷層上未通天,下斷至二疊系或志留系。馬路背氣田位于通南巴構造帶涪陽壩斷塊,構造條件好。

受控于川東北地區西低東高的古地貌,元壩-通南巴地區須家河早期為上超沉積模式,通南巴地區普遍缺失須(須家河組)一段及須二下亞段(須家河組二段下亞段),須二段泥巖直接覆蓋于雷口坡組碳酸鹽巖之上,須三段和須五段主要發育暗色泥巖夾薄煤層湖相沉積,須二段及須四段主要發育辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體,巖石類型以細粒巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主。通南巴地區縱向上發育上三疊統須家河組煤系烴源巖、二疊系大隆組硅質泥巖、二疊系吳家坪組灰泥巖、志留系龍馬溪組優質頁巖及下寒武統筇竹寺組優質頁巖等多套優質烴源巖,累計厚度大、有機質豐度高。通南巴地區縱向上發育須二下亞段石英砂巖儲層、須二上亞段和須四段巖屑砂巖儲層及嘉(嘉陵江組)二段和飛(飛仙關組)三段臺內淺灘儲層等多套有利儲層,且構造變形強烈,通源斷裂及裂縫發育,有效溝通海相和陸相多套優質烴源巖,生-儲-蓋組合好,成藏條件優越[6]。

圖1 四川盆地東北部馬路背地區構造位置Fig.1 Structural location of Malubei area,northeastern Sichuan Basin

2 天然氣地球化學特征

2.1 天然氣組分

馬路背地區須家河組天然氣以烷烴氣為主,甲烷含量最高,分布范圍為92.60%～99.04%,平均含量為97.59%；乙烷含量介于0.38%～1.24%,平均含量為0.68%；丙烷平均含量為0.08%,丁烷平均含量為0.02%,戊烷平均含量為0.05%(表1)。干燥系數[C1/(C1—C5)]介于0.985 8～0.995 8,平均為0.992 2,均為干氣,表明熱演化程度較高。非烴氣體含量較少,主要為氮氣(N2)和二氧化碳(CO2)。N2含量介于0.22%～6.20%,平均含量為1.61%；CO2含量介于0.07%～0.54%,平均含量為0.26%。與鄰區元壩地區須家河組天然氣對比,馬路背地區須家河組

天然氣干燥系數更大(表1),表明馬路背地區熱演化程度更高。

2.2 天然氣碳同位素

馬路背地區須家河組天然氣的甲烷碳同位素值(δ13C1)分布在-33.70‰～-28.60‰,平均值為-30.88‰；乙烷碳同位素值(δ13C2)分布在-36.40‰～-28.90‰,平均值為-33.11‰；丙烷碳同位素值主要分布在-37.10‰～-29.50‰,平均值為-31.95‰。乙烷碳同位素大多輕于甲烷碳同位素,兩者形成δ13C1>δ13C2的反序分布；但丙烷碳同位素值并不完全大于或小于乙烷碳同位素值(表2)。馬路背地區須家河組天然氣碳同位素值具有部分倒轉特征。與四川盆地川西、川中須家河組天然氣對比,川東北馬路背地區須家河組天然氣碳同位素明顯具有甲烷碳同位素偏重、乙烷碳同位偏輕的特征(圖2)。

3 天然氣成因類型與氣源

3.1 天然氣成因類型

天然氣中烷烴氣組分及碳同位素值是判別天然氣成因類型的重要依據。其中,甲烷和乙烷碳同位素值是判別天然氣成因類型的重要指標,也是區別煤型氣和油型氣的最常用指標。國內學者一般以δ13C2=-28‰或-29‰作為劃分煤型氣和油型氣的界限[7-12]。按照這一劃分標準,馬路背地區須家河組天然氣全被識別為油型氣(圖3a),而這與馬路背地區須家河組為煤系地層的事實是不符的。因此,筆者認為該圖版不適合馬路背地區須家河組過成熟天然氣的成因類型判別。目前,許多學者提出各種天然氣成因類型識別的參數和圖版,并取得了很好的應用效果；但由于這些圖版主要是基于成熟、高成熟天然氣甲烷和乙烷碳同位素規律的總結,隨著天然氣勘探向深層的發展,過成熟氣越來越多,這些圖版已不能完全滿足研究需要。韓中喜、李劍等通過國內7個含氣盆地近200口井天然氣組分及烷烴碳同位素分析認為,煤型氣和油型氣的劃分界限為:δ13C2(‰)=-[10.2δ13C1(‰)+1 246]/29.8[13]。當δ13C2>-(10.2δ13C1+1 246)/29.8時,天然氣類型為煤型氣；當δ13C2<-(10.2δ13C1+1 246)/29.8,且δ13C1>-55‰時,天然氣類型為油型氣；當δ13C1<-55‰時為生物氣。依據此標準,馬路背地區須家河組天然氣既有煤型氣又有油型氣,為混合熱成因氣(圖3b)。

表1 馬路背及鄰區上三疊統須家河組天然氣化學組分特征Table 1 Chemical composition of natural gas in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Malubei area and adjacent regions

表2 馬路背地區上三疊統須家河組天然氣碳、氫同位素組成特征Table 2 Features of carbon and hydrogen isotopic compositions of natural gas in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Malubei area

圖2 四川盆地上三疊統須家河組天然氣甲烷和乙烷碳同位素組成對比Fig.2 Comparison of carbon isotopic compositions between methane and ethane in the Upper Triassic Xujiahe gas in Sichuan Basin

由于地質條件的復雜性和天然氣地球化學參數的多解性,天然氣成因類型判別時,需要多種參數的綜合判別才能得出比較科學、符合實際的結論[13]。因此,本次研究亦采用δ13C1值與C1/(C2+C3)比值的分類圖版,從化學組分與碳同位素組成上綜合分析研究區天然氣的成因類型。馬路背地區須家河組天然氣樣品數據分布表明,馬路背地區須家河組天然氣母質類型偏向于Ⅱ型干酪根,進一步表明馬路背地區須家河組天然氣為煤型氣和油型氣的混合熱成因氣(圖4)。

圖3 馬路背地區上三疊統須家河組 天然氣成因類型識別Fig.3 Identification of natural gas genetic types in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Malubei areaa.圖版據戴金星等[12]；b.圖版據韓中喜、李劍等[13]

3.2 天然氣氣源

從四川盆地須家河組天然氣的甲烷和乙烷碳同位素值分布圖(圖2)可以看出,馬路背地區須家河組的天然氣甲烷和乙烷碳同位素值分布與元壩須二段類似,表現為乙烷碳同位素偏輕,甲烷和乙烷碳同位素值倒轉,而與元壩須三段、須四段及川中、川西須家河組天然氣差異明顯。元壩地區須三段和須四段天然氣δ13C2大于-28‰,與川西和川中須家河組典型陸相氣特征類似,而川西和川中須家河組天然氣來自須家河組本層煤系烴源巖。因此筆者認為,元壩須三段和須四段天然氣亦來自須家河組本層煤系烴源巖。馬路背地區須家河組及元壩須二段天然氣為煤型氣和油型氣混合氣,煤型氣來自本層煤系烴源巖,元壩須二段油型氣來自須一段海-陸過渡相烴源巖,而通南巴地區缺失須一段海-陸過渡相烴源巖,油型氣只可能來源于下伏海相烴源巖。因此,馬路背地區須家河組及元壩須二段天然氣為海相氣和陸相氣的混合氣,甲烷和乙烷碳同位素值倒轉正是海相氣和陸相氣混合所致。

圖4 馬路背地區上三疊統須家河組天然氣δ13C1值與 C1/(C2+C3)比值的關系Fig.4 The value of δ13C1 vs.the value of C1/(C2+C3) of the natural gas in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Malubei area

依據馬路背地區須家河組天然氣碳同位素值和飛仙關組天然氣、須家河組烴源巖脫附氣碳同位素值對比關系圖(圖5),馬路背地區須家河組天然氣碳同位素與飛仙關組天然氣碳同位素組成特征類似,而飛仙關組天然氣主要來源于上二疊統吳家坪組烴源巖。因此筆者認為,馬路背地區須家河組天然氣中混入的海相氣亦來源于二疊系吳家坪組烴源巖。

馬路背地區須家河組烴源巖主要發育在須三段及須五段(須一段缺失),巖性主要為暗色泥巖夾煤層,須二段及須四段巖性以細粒巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主。馬路背地區須家河組烴源巖干酪根類型以Ⅲ型為主,顯微組分以鏡質組為主,各段烴源巖生成的天然氣其地球化學特征具有很高的相似性,氣-源精細對比難度大,但各段烴源巖由于埋深不同導致熱演化程度不同,因此可以依據天然氣碳同位素值計算烴源巖鏡質體反射率(Ro)來分析氣源。龐雄奇等[14]依據定量化的天然氣成因類型指數(GTI),在前人判別天然氣母質類型和成熟度公式的基礎上,建立了適合油型氣和煤型氣的統一的成熟度判別公式。依據龐雄奇等的混源氣成熟度公式和戴金星等提出的天然氣成熟度公式[15-16],馬路背地區須二段天然氣計算所得Ro值介于2.20%～2.65%,平均為2.50%(表3),與該區須家河組烴源巖平均Ro值1.95%不符合,進一步證明該區除了須家河組自生的陸相氣外,還有海相氣的混入。鄒華耀等研究認為,川東北馬路背地區上二疊統吳家坪組烴源巖樣品Ro值在1.51%～3.33%,平均值為2.42%,與根據混源氣成熟度公式計算的Ro值相近。因此推斷,馬路背地區須家河組天然氣除了來源于須家河組本層煤系烴源巖外,還有一部分氣來自于上二疊統吳家坪組烴源巖。

圖5 馬路背地區天然氣和烴源巖脫附氣 碳同位素值對比Fig.5 Comparison of carbon isotopic compositions between the natural gas and the desorbed gas from source rock in Malubei area

通南巴地區位于米倉山沖斷帶和大巴山弧形沖斷帶的構造疊合區,構造復雜,發育逆沖大斷裂,斷層向下切割中-下三疊統、二疊系并變緩滑脫消失于志留系,向上消失于下侏羅統,天然氣具備向上運移的通道。馬路背地區須家河組天然氣高產富集(馬101井須二段單井累產氣3.04×108m3,馬103井須二段單井累產氣2.16×108m3)與該區海相和陸相烴源巖雙重供烴及深大斷裂有效溝通海相和陸相多套烴源巖關系密切?？碧綄嵺`進一步證實了溝通海相烴源巖的通源斷裂在天然氣成藏富集及后期調整改造方面具有重要作用[17-18]。因此,建議加強該區通源斷裂的梳理、精細刻畫及有效裂縫預測工作,進而尋找該區天然氣高產富集區帶。

表3 馬路背地區上三疊統須家河組天然氣成熟度計算Table 3 Calculation of the natural gas maturity in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Malubei area

4 結論

1) 馬路背地區須家河組天然氣組分以烷烴氣為主,非烴組分少,甲烷含量高,干燥系數大,熱演化程度較高,碳同位素明顯具有甲烷碳同位素偏重、乙烷碳同位偏輕的特征,甲烷和乙烷碳同位素值多表現為倒轉分布。

2) 馬路背地區須家河組天然氣為Ⅲ型和Ⅱ型干酪根生成的煤型氣和油型氣的混合熱成因氣,天然氣主要來源于上三疊統須家河組煤系烴源巖及上二疊統吳家坪組海相烴源巖,甲烷和乙烷碳同位素值倒轉正是海相氣和陸相氣混合所致。

3) 馬路背地區須家河組天然氣高產富集與該區海相、陸相烴源巖雙重供烴及深大斷裂有效溝通海相、陸相多套烴源巖關系密切,溝通海相烴源巖的通源斷裂在該區天然氣成藏富集及后期調整改造方面具有重要作用。