大北大宛齐天然气地球化学特征及成因分析

王巧丽

包建平 (长江大学地球化学系，湖北 荆州 434023)

谢治国，汪生秀

包建平 (长江大学地球化学系，湖北 荆州 434023)

通过对大北-大宛齐构造上85个天然气样品的组分特征和11个样品的碳同位素特征的综合分析，得出以下几点认识：①甲烷含量较高，CO2含量较低，气体性质偏干；②烷烃同位素重，具有煤成气的特点，气源岩主要是下伏中生界侏罗系煤系地层，三叠系的煤系地层也有一定的贡献；③天然气碳同位素呈正碳系列，为有机成因；母质类型为腐殖型，以干酪根裂解气为主；成熟度较高，处于干酪根裂解生气阶段。

大北-大宛齐；地球化学特征；天然气；成因分析

库车坳陷位于塔里木盆地北部的天山南麓，东起库尔勒，西至阿克苏，东西长400km，南北宽30～170km，面积2.8×104km2。坳陷呈北东东走向，东窄西宽，东浅西深，自北而南划分为7个二级构造单元，即北单斜带、克拉苏-依奇克里克山前冲断背斜带、秋立塔格前缘冲断背斜带、南部斜坡带及乌什、拜城、阳霞3个凹陷，含油气面积大于2000km2，其中主要的大气田发现于山前冲断背斜带和前缘冲断背斜带[1]。目前除北部单斜带外，在其余3个构造带上共探明11个油气田，发现了6个油气构造，累计天然气探明储量5000×108m3，石油储量8194×104t，按照当量计算，气油比为5∶1[2]。

大北-大宛齐构造上位于塔里木盆地库车坳陷拜城凹陷西部的克拉苏构造带以西，其构造主要是在喜马拉雅晚期构造运动影响下，随着地层的挤压变形和地下膏盐层的上拱作用，逐渐形成了北缓南陡的大宛齐穹隆背斜构造，在背斜核部发育了多条正断层。目前探明的油气藏主要集中分布在穹窿背斜核部拱张地堑，其油气主要来源于拜城凹陷三叠系及侏罗系煤系层[3]。

1 天然气组分特征

1.1烃类气体组成

大北-大宛齐构造上天然气总体上以烃类为主，CO2、N2等非烃气体含量较低。烃类气体以甲烷为主，重烃气体含量较低，整体上组分偏干(见表1)。烃类气体含量在79.92%～99.97%之间，平均值为97.19%，峰值为95%～100%。烃类气体含量大于80%的样品占99%。甲烷含量在65.20%～96.97%之间，平均值为89.18%，峰值为90 %～95%。甲烷含量大于90%的样品占65%，整体上大北-大宛齐构造上天然气组分偏干。重烃气含量在0.09%～34.16%之间，平均值为8.00%，峰值为0%～5%。重烃含量小于5%的气体占60%，反映大北-大宛齐构造上天然气整体上重烃含量较低。

C1/C1-5分布在66%～100%的范围，平均值为92%，峰值为95%～100%。其中C1/C1-5>95%的干气占59%，大部分天然气为干气(见表1)。

1.2非烃气体组成

大北-大宛齐构造上天然气中非烃气体含量普遍较低，主要为N2和CO2及微量的稀有气体。CO2含量非常低，分布在0.01%～4.36%之间(见表1)，平均值为0.52%，峰值为0%～0.5%，含量小于0.5%的样品占51%。N2含量高于CO2，分布在0.08%～20%之间(见表1)，平均含量2.78%，峰值为0%～2%。其中，含量小于2%的样品占55%。

表1 大北-大宛齐构造上天然气化学组成分布综合数据表

2 天然气碳同位素特征及成因分析

2.1天然气碳同位素特征

大北-大宛齐构造上天然气烷烃碳同位素总体上偏重，尤其是与塔中地区的样品相比(见表2，其中塔中样品用于对比)。生气母质-干酪根的碳同位素受年代积累效应的控制，也反映到其产物石油和天然气的碳同位素组成上，大北-大宛齐样品从甲烷到丁烷的碳同位素都能测定，这有利天然气的成因研究。

由于大北-大宛齐天然气中烷烃气占到95%以上，所以，讨论天然气的成因主要是阐述占绝对优势的烷烃气的成因[4]。天然气碳同位素序列可以判别是有机还是无机成因。正碳同位素系列：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，则表明该天然气为有机成因。负碳同位素系列：δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4，则表明该天然气为无机成因[5-6]。当碳同位素发生局部倒转时，判断是否属于正或负碳同位素系列，主要是看δ13C1是大于δ13C4(δ13C3)或小于δ13C4(δ13C3)。δ13C1<δ13C4基本是正碳同位素系列，δ13C1>δ13C4基本是负碳同位素系列[4]。大北-大宛齐的天然气基本是反映有机成因的正碳同位素序列(见图1，除去一个异常样品)。

1)甲烷碳同位素 大北-大宛齐构造上甲烷碳同位素值(δ13C1)分布在-17.9‰～-38.18‰之间，平均值为-31.34‰，峰值为-32‰～-34‰， 具有煤成气的特征[7]。

2)乙烷碳同位素 乙烷碳同位素(δ13C2)分布在-19.5‰～-30.1‰，平均值为-22.67‰，峰值为-22‰～-20‰。天然气中乙烷碳同位素组成如果除去混源外，主要反映天然气的母质来源。在中国，乙烷碳同位素大于27.8%或者29%的天然气是煤成气[8-10]，且库车坳陷的乙烷碳同位素能有效的区分库车坳陷陆相天然气与台盆区海相油型气，前者大于-28‰，后者小于-28‰[11]，故大北-大宛齐主要是陆相煤成气。冯福闿等把δ13C1～δ13C2结合起来对天然气的成因进行判断[12]，认为大北大宛齐主要是腐殖型热成气(见图2)。

图1 大北-大宛齐天然气碳同位素序列 图2 里木盆地天然气δ13C1-δ13C2类型图

3)丙烷和丁烷碳同位素 丙烷和丁烷碳同位素都较重，丙烷分布在-19.8‰～-27.5‰，平均值为-22.78‰，峰值在-22‰～-20‰之间；丁烷分布在-21.9‰～-27.5‰，平均值为-23.38‰，峰值在-23‰～-22‰之间。它们也能将库车坳陷陆相天然气与台盆区海相油型气区分开来。

甲烷和乙烷碳同位素的差值较大，各井的δ13C2-δ13C1分布范围为3.9‰～13.01‰(去掉一个负值)，平均值为8.7‰，这也是煤型气的特征之一[11]。而乙烷和丙烷、丙烷和丁烷之间的碳同位素差值较小，Δ(δ13C3-δ13C2)，特别是Δ(δ13C4-δ13C3)往往是负值。

表2 大北-大宛齐构造上天然气碳同位素分布表

注：①Ro是根据包建平公式:δ13C1=13.604lnRo-37.993算得;②塔中的样品仅用于对比。

2.2成因分析

图3 大北-大宛齐天然气中ln(C1/C2)与ln(C2/C3)关系图

天然气在演化过程中要经历干酪根裂解生气和干酪根生成原油后的二次裂解生气2阶段，相对于干酪根生成原油后的二次裂解气，有人将直接来源于干酪根的裂解气称为初次裂解气。根据Behar等[13]和Prinzhofor等[14]建立的ln(C1/C2)与ln(C2/C3)关系图版及Prinzhofor等[14]建立的ln(C2/C3)与(δ13C2-δ13C3)关系图版等方法可以很好的区分这2个阶段[15]。图3中ln(C1/C2)值稳定，主要介于2.5～4.0之间，变化范围不大，而ln (C2/C3)值有较大的变化范围，主要介于1～5之间且几乎垂直于X轴，这一现象与Prinzhofor等指出的干酪根初次裂解成气阶段相符合。说明在大北-大宛齐构造上的天然气大多属于干酪根初次热裂解气，且具有较高的成熟度。

用包建平库车煤岩碳同位素与成熟度的经验公式 计算出Ro分布在0.99%-1.84%之间(δ13C1=13.604lnRo-37.993)(除去一个异常值4.38%)，平均值为1.50%，基本上也都处于高成熟阶段，与上述的成熟度特征基本一致。

4 结 论

1)大北-大宛齐构造上天然气甲烷含量较高，分布在65.20%～96.97%之间，主体分布在90%～100%，平均89.18%；CO2含量较低，平均含量0.52%，大多数样品CO2含量小于0.5%；气体性质偏干，干燥系数分布在0.66～1.00之间，主体分布在0.9～1.0之间，总体平均为0.92。

2)烷烃同位素重，具有煤成气的特点：δ13C1分布在-17.9‰～-38.18‰之间，峰值为-32‰～-34‰；δ13C2分布在-19.5‰～-30.1‰，峰值为-22‰～-20‰；δ13C3分布在-29.8‰～-27.5‰，峰值为-22‰～-20‰；δ13C4分布在-21.9‰～-27.5‰，峰值为-23‰～-22‰。气源岩主要是下伏中生界侏罗系煤系地层，三叠系的煤系地层也有一定的贡献。

3)天然气呈正碳同位素系列，为有机成因；母质类型为腐殖型，以干酪根裂解气为主；成熟度较高，处于干酪根裂解生气阶段。

致谢：对长江大学蒋兴超和朱翠山老师在论文完成过程中的帮助表示感谢！

[1]赵文智,王红军，单家增,等.库车坳陷天然气高效成藏过程分析[J].石油与天然气地质,2005，26(6):703-710.

[2]朱筱敏，顾家裕，贾进华，等.塔里木盆地-重点层系储盖层评价[M].北京：石油工业出版社，2003.

[3]杨宪彰，车朝山,大宛齐油田油气藏类型及其分布规律研究[J].中国西部油气地质,2006，2(1): 41-44.

[4]戴金星,李剑，丁巍伟，等.中国储量千亿立方米以上气田天然气地球化学特征[J].石油勘探与开发,2005，32(4): 16-23.

[5]戴金星,各类烷烃气的鉴别[J].中国科学B辑,1992(2): 185-193.

[6]戴金星，宋岩，戴春森.中国东部无机成因气及其气藏形成条件[M].北京: 科学出版社,1995.

[7]戴金星.我国煤成气资源勘探开发和研究的重大意义[J].天然气工业,1993，13(2): 7-12.

[8]戴金星.中国煤成气研究20年重大进展[J].石油勘探与开发,1999，26(3): 1-10.

[9]王世谦.四川盆地侏罗系-震旦系天然气地球化学特征[J].天然气工业,1994，14(6): 1-5.

[10]戴金星,李剑，罗霞，等.鄂尔多斯盆地大气田的烷烃气碳同位素组成特征及其气源对比[J].石油学报,2005， 26(1): 18-26.

[11]梁狄刚，陈建平，张宝民，等.塔里木盆地-库车坳陷陆相油气的生成[M].北京:石油工业出版社，2004.

[12]冯福闿，王庭斌，张士亚，等.中国天然气地质[M].北京: 地质出版社,1995.

[13]Behar F,Kressmann S,Vandenbroucke M,et al.Experimental simulation in Confined system and kinetic modeling of Kerogen and oil cracking[J].Organic Geochemistry,1991， 1(9): 173-189.

[14]Prinzhofer A A，Huc A Y.Genetic and post-genetic molecular and isotopic fractionations in natural gases[J].Chemical Geology,1995， 12(6): 281-290.

[15]Rooney M A,Claypool G E,Chung H M.Modeling thermogenic gas generation using carbon isotope ratios of natural gas hydrocarbons[J].Chemical Geology,1995，12(6): 219-232.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.010

P618.13

A

1673-1409(2012)08-N028-04

2012-05-13

王巧丽(1982-)，女，2007年大学毕业，硕士，工程师，现主要从事油气地球化学方面的研究工作。

[编辑] 洪云飞