塔里木盆地轮南地区天然气成藏特征分析

姜 林，薄冬梅，周 波，张春莲，朱永峰

(1.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083； 2.提高石油采收率国家重点实验室,北京 100083； 3.中国石油天然气集团公司 盆地构造与油气成藏重点实验室,北京 100083； 4.塔里木油田分公司 勘探开发研究院,新疆 库尔勒 841000)

塔里木盆地轮南地区天然气成藏特征分析

姜 林1,2,3，薄冬梅1，周 波1，张春莲4，朱永峰4

(1.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083； 2.提高石油采收率国家重点实验室,北京 100083； 3.中国石油天然气集团公司 盆地构造与油气成藏重点实验室,北京 100083； 4.塔里木油田分公司 勘探开发研究院,新疆 库尔勒 841000)

通过天然气物性特征统计分析，阐明了轮南地区天然气分布特征，指出深部的奥陶系和石炭系天然气干燥系数较高，一般在0.95以上；三叠系天然气干燥系数较低，大都在0.9附近。通过天然气地球化学特征及成因分析，阐明了轮南地区天然气为油型气且为干酪根裂解气的成因，揭示了天然气碳同位素局部倒转由同型不同源或同源不同期天然气混合造成。结合油气成藏过程分析，认为三叠系天然气主要是分馏作用形成的，所以干燥系数较低；深部奥陶系和石炭系天然气主要是烃源岩过成熟期生成的天然气，因此干燥系数较高。两期天然气的混合导致天然气碳同位素局部倒转，由于烃源岩过成熟期生成的天然气主要是甲烷，所以混合后仅出现甲烷和乙烷的碳同位素倒转。

天然气；组分；碳同位素；轮南地区；塔里木盆地

塔里木盆地轮南地区三面临凹，油气源条件良好，多期构造运动导致轮南地区断裂构造的发育，奥陶系低幅度碳酸盐岩古潜山的形成为油气成藏提供了良好的运移通道和储集空间[1-4]。经过多年的油气勘探，轮南地区发现了广泛分布的油气资源，成为塔里木盆地主要的油气产区之一。勘探实践表明，油气空间分布存在一定的变化规律，其中奥陶系油气分布总体上具有南重北轻、西油东气及低油高气、低重高轻的特点，尤其以南重北轻、低重高轻的分布最为明显[5-6]。但由于轮南地区构造条件复杂，油气成藏具有多期性，而且不同期次成藏油气的保存条件不一致等，导致天然气成藏特征比较复杂。研究天然气物理化学性质的特殊性，揭示天然气成藏的复杂成因，对于深入认识轮南地区天然气成藏地质过程及有利勘探方向预测有十分重要的意义。

1 构造背景

轮南地区位于塔里木盆地塔北隆起中段，东连草湖凹陷，西接哈拉哈塘凹陷，南邻满加尔凹陷，北靠轮台凸起(图1)。钻井资料证实奥陶系侵蚀面是一个向东、西、南、北4个方向倾没的大型潜山隆起，奥陶系内幕是一个大背斜。在轮南潜山隆起上，还发育了与轮台断裂大致平行、发育时间基本相同的4条压扭性断裂，形成了2个近东西向的断垒带，即轮南断垒带和桑塔木断垒带。根据区域构造特征，轮南地区平面上自北向南可分为轮南北部潜山斜坡、轮南潜山断垒带、轮南中部潜山平台、桑塔木断垒带、轮南南部潜山-内幕斜坡，东西部分别为轮南东部内幕斜坡、轮南西部潜山和塔河潜山背斜带。本次研究的区域主要包括轮南潜山断垒带、轮南中部潜山平台、桑塔木断垒带、轮南南部潜山-内幕斜坡、轮南东部内幕斜坡和轮南西部潜山。

图1 轮南地区构造分区

2 天然气物理性质特征

轮南地区天然气组成一般以甲烷为主，含有少量的重烃(包括乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)和一定量的非烃气体(包括二氧化碳和氮气)。天然气干燥系数较高，一般大于0.90，最低0.75，最高0.99。氮气体积分数大多在1%～10%，二氧化碳体积分数多为1%～6%。

轮南地区天然气主要分布在奥陶系、石炭系和三叠系等层系，并且在不同层系、不同构造部位表现出不同的物性特征。从目前发现的天然气藏来看，奥陶系分布最广，几乎遍布各个构造分区，主要分布在轮南西部潜山、轮南中部潜山平台、桑塔木断垒带和轮南东部内幕斜坡，并且东部干燥系数大，西部干燥系数小(图2)。 石炭系天然气分布范围有限，主要分布在轮南中部潜山平台、桑塔木断垒带，轮南西部潜山和轮南南部潜山-内幕斜坡也有发现，干燥系数普遍较高，除了在轮南西部潜山为0.86外，其他区域干燥系数均在0.95以上(图3)。与原油分布特征类似，三叠系天然气分布范围较石炭系大很多，除了在轮南断垒带、轮南中部潜山平台、桑塔木断垒带有分布外，在轮南南部潜山-内幕斜坡广泛分布，但干燥系数普遍不高，主要分布在0.80～0.94(图4)。

图2 轮南地区奥陶系天然气干燥系数分布

图3 轮南地区石炭系天然气干燥系数分布

图4 轮南地区三叠系天然气干燥系数分布

3 天然气地球化学特征

根据天然气原始成气物质可将其分为有机成因气和无机成因气2种类型，划分、识别的最主要标志是甲烷碳同位素的组成特征。通常将δ13C1>-20‰作为无机成因甲烷的标志之一[6]。戴金星等[3]提出在无煤系地层存在时，此值可扩展至δ13C1>-30‰，而轮南地区天然气δ13C1值均小于-30‰。烷烃碳同位素一般表现为正序特征：δ13C1<δ13C2<δ13C3，说明轮南地区天然气为有机成因气。

天然气组分碳同位素是判断成因及来源的重要方法，其中乙烷受成熟度影响较小，具有明显的母质继承性，是天然气成因类型判识的最好方法，并且一般将乙烷碳同位素值小于-29‰作为油型气判识标准[7-10]。轮南地区天然气δ13C2值均小于-29‰，表明该区天然气主要为油型气。

干酪根裂解和原油裂解形成的天然气的φ(C1)/φ(C2)值完全不同：对于干酪根裂解所形成的天然气在ln(φ(C1)/φ(C2))变化较大的情况下，ln(φ(C2))变化较小；然而对于原油二次裂解形成的天然气在ln(φ(C1))变化较小的情况下，ln(φ(C2))变化范围较大。在较深的层次上，若不考虑扩散、运移、残留等因素的影响，ln(φ(C1)/φ(C2))和ln(φ(C2))应与母质特征和热演化程度有关。如干酪根裂解气，随热演化程度增高，母质产生的C2、C3保持着相对稳定的量，但是C1增长较快，所生成的C1量变化范围较大，所以从机理上应与干酪根裂解产生联系[11-13]。轮南地区ln(φ(C1)/φ(C2))主要分布在2～5，变化范围值为3；ln(φ(C2)/φ(C3))主要分布在0.3～1.8之间，变化范围值为1.5。ln(φ(C1)/φ(C2))的变化范围值是ln(φ(C2)/φ(C3))的2倍，ln(φ(C1)/φ(C2))的变化明显较快(图5)， 说明轮南地区天然气应为干酪根裂解气。根据有机质热演化生烃的过程，轮南地区的烃源岩演化阶段，已经达到过成熟阶段，至少部分烃源岩演化达到过成熟阶段。

图5 轮南地区天然气φ(C1)/φ(C2)与φ(C2)/φ(C3)变化关系

另外， 轮南地区奥陶系和石炭系天然气存在碳同位素倒转的现象，但仅限于甲烷和乙烷的碳同位素倒转(表1)，为碳同位素局部倒转。根据戴金星等[14]的研究，天然气碳同位素倒转的原因有有机烷烃气和无机烷烃气的混合、煤成气和油型气的混合、同型不同源气或同源不同期气的混合、烷烃气中某一或某些组分被细菌氧化。而天然气成因分析表明，轮南地区天然气为有机成因气，并且均为油型气，因此，可以排除有机烷烃气和无机烷烃气的混合以及煤成气和油型气的混合产生天然气碳同位素倒转的可能。原油地球化学分析表明，轮南地区后期成藏原油得到较好的保存[15]，在天然气成藏的地质时期，轮南地区应具有良好的保存条件，细菌氧化的情况基本可以排除。因此，可以认为轮南地区天然气碳同位素局部倒转是由于同型不同源或同源不同期天然气混合造成的。

表1 天然气碳同位素

4 碳同位素局部倒转成因

轮南地区油气多期成藏，导致天然气成藏特征比较复杂，天然气干燥系数较大，特别是奥陶系和石炭系，干燥系数一般在0.95以上，但在三叠系，干燥系数较低，大都在0.90附近。奥陶系和石炭系天然气存在碳同位素倒转现象，但只出现甲烷和乙烷的碳同位素倒转。

从烃源岩热演化过程上看，天然气的大规模成藏表明有相当一部分烃源岩已经经历了生成气-油比较高的高成熟原油阶段，演化到过成熟的生气阶段。这种原油在运移和聚集过程中，会随着地层温度、压力的降低而分馏，原油达到过饱和后，天然气以及一部分轻质原油组分会从原油中脱离出来，以游离相的天然气运移和聚集。但由于奥陶系和石炭系埋藏深度较大，原油不容易达到饱和天然气状态，不易形成天然气分馏。三叠系埋藏相对较浅，地层压力相对较低，高气-油比的原油达到饱和后，发生分馏作用，部分天然气从原油中脱离出来，形成游离相的天然气运移，在适宜的圈闭中聚集。这种分馏作用形成的天然气由于部分轻质原油组分的混入，天然气干燥系数较低。后期生成的天然气在运移过程中经岩石孔隙、孔隙水和残留油等的作用[16]，干燥系数变得更高。差异聚集作用[17-21]导致天然气主要聚集在深部的奥陶系，部分运移至石炭系。由于奥陶系和石炭系分馏作用形成的天然气量有限，而本期运移天然气量较大，两者混合后，干燥系数仍然较高，最高达0.99。由于后期运移的天然气干燥系数高，天然气几乎全部是甲烷，因此，混合对甲烷的碳同位素值影响较大，部分气藏天然气甲烷与乙烷碳同位素发生倒转。

5 结 论

(1)轮南地区天然气干燥系数较大，特别是奥陶系和石炭系，干燥系数一般在0.95以上，而三叠系天然气干燥系数较低，大都在0.90附近。三叠系天然气主要是分馏作用形成的，干燥系数较低；而深部奥陶系和石炭系天然气主要是烃源岩过成熟期生成的天然气，干燥系数较高。

(2)轮南地区奥陶系和石炭系天然气存在碳同位素倒转的现象，但仅限于甲烷和乙烷的碳同位素倒转。这种天然气局部倒转是由于同源不同期天然气混合造成的，是少量高成熟原油分馏成因天然气与烃源岩过成熟期生成的天然气混合造成的，并且由于烃源岩过成熟期生成的天然气主要是甲烷，因此，混合后仅出现甲烷和乙烷的碳同位素倒转。

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责任编辑：王 辉

2014-09-02

国家油气重大专项“前陆盆地油气成藏规律、关键技术及目标评价(二期)”(编号：2011ZX05003)

姜林(1976-)，博士，高级工程师，主要从事油气藏的形成与分布研究。E-mail：jianglin01@petrochina.com.cn

1673-064X(2015)02-0040-04

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