元坝地区雷口坡组气源与碳同位素倒转成因

秦 华, 潘 磊, 印 峰, 申继山

(中国石化勘探分公司，成都 610041)



元坝地区雷口坡组气源与碳同位素倒转成因

秦 华, 潘 磊, 印 峰, 申继山

(中国石化勘探分公司，成都 610041)

探讨四川盆地元坝地区雷口坡组气源与碳同位素倒转成因。通过雷口坡组烃源岩与天然气地化参数分析，其烃源岩以泥晶灰岩、含泥灰岩为主，TOC质量分数平均为0.37%，生烃能力较差。天然气中非烃气的体积分数多数<10%，烷烃气组分较干，CH4相对体积分数平均为99.0%，碳同位素较轻，其中δ13C1均值为-34.19‰，δ13C2均值为-33.31‰，且多数样品发生δ13C1,δ13C2倒转；甲烷氢同位素较轻，均值为-156.3‰。与相邻层位烷烃气对比并结合烃源背景，综合分析认为其气源主要为须家河组煤型气，其甲烷、乙烷碳同位素倒转为水溶分馏作用导致气层中乙烷变轻程度超过甲烷一定幅度引起。

元坝地区；雷口坡组；气源；碳同位素倒转；水溶分馏；水溶气

目前川东北元坝地区中三叠统雷口坡组(T2l)第四段(以下简称“雷四段”)为重要产油气层系。对四川盆地其他地区雷口坡组天然气来源，前人做过较多研究。如川中磨溪气田雷口坡组气源，王顺玉、戴鸿鸣认为来源于下伏上二叠统龙潭组煤系烃源岩[1,2]；对川西北中坝气田雷口坡组气源，则不同研究认识差异较大：如汪华等认为主要来源于上三叠统小塘子组气源岩[3]，而秦胜飞等则认为主要来自雷口坡组海相碳酸盐岩[4]，廖凤蓉等认为气源以二叠系油型气为主，并混有上三叠统须家河组(T3x)煤型气[5]。针对元坝地区雷口坡组天然气气源，同样存在多种观点，主流认识为须家河组第一段烃源岩生气[6,7]；但部分人认为为雷口坡组自生自储天然气[8]，郝芳等还认为须二段气源大部分来自雷口坡组烃源岩[9]。由于雷口坡组烷烃气与飞仙关组、长兴组天然气特征迥异，雷口坡组沉积环境、烃源岩特征也不支持自生自储观点，用须家河组烃源岩生烃的观点解释则较为符合地质实际。但其δ13C2值多数为<-28‰，与须家河组煤系烃源岩的事实不符。笔者在证明其气源为须家河组煤型气基础上分析其变轻原因，并进一步对甲烷、乙烷碳同位素倒转现象做出解释，以期为油气勘探研究提供依据。

1 概 况

1.1 区域地质背景

元坝地区位于四川省广元市苍溪县，构造上位于川东北苍溪-巴中低缓构造带 (图 1)。该区的雷口坡组与下伏下三叠统嘉陵江组(T1j)上部大套膏盐岩整合接触，与上覆须家河组第一段呈角度不整合接触(图2)。近年来该区多口井在雷四段试获中-高产工业气流，预示该区雷口坡组具有商业性的勘探潜力。研究表明与喀斯特不整合相关的气藏主要分布于元坝南部喀斯特斜坡上被沟槽分割的台丘区。

川东北雷口坡组为局限台地沉积，由下至上发育雷一段-雷四段，其中雷四段可细分为2个亚段。元坝地区因印支期构造抬升，雷四段Ⅱ亚段顶部往往部分缺失，并向北东方向缺失程度增加。雷一段、雷三段以泥粉晶灰岩、含泥灰岩、白云质灰岩为主，雷二段、雷四段以膏岩、白云岩为主，储层主要发育于雷四段Ⅱ亚段顶部喀斯特白云岩段(图2)。

须家河组主要为三角洲前缘和滨浅湖-沼泽相沉积，由下至上发育须一段-须五段，其中须一段、须二段中部“腰带子”、须三段、须五段以泥岩、碳质泥岩为主并夹少量煤线；须二段和须四段以致密砂岩为主，为“三明治”式烃源岩夹储层结构[10]。其产气层段主要为元坝西部须二段下亚段岩屑砂岩段及元坝西北部须三段泥岩所夹钙屑砂岩段。

1.2 烃源条件

元坝须家河组暗色泥岩总厚度160～220 m，向西南增厚，其中须三段最厚，须一段次之。364个暗色泥岩样品TOC质量分数(wTOC)为0.17%～13.38%，多数在0.5%～5%之间，均值为2.51%，达到很好的烃源岩标准。其中，须二、须三段wTOC值最高，均值>3.0%。其Ro值一般为1.43%～2.86%，均值为1.91%，处于高成熟晚期—过成熟早期干气阶段[11]。

图1 元坝地区地理与构造位置图Fig.1 Geographic and tectonic map of the Yuanba area in Sichuan Basin(据黄仁春,2014)[8]

图2 川东北元坝地区典型井综合柱状图Fig.2 Integrated stratigraphic column of the Yuanba area

元坝雷口坡组烃源岩主要为泥晶灰岩、含泥灰岩，厚100～150 m，分布较稳定，但多为数十米厚膏岩隔开。32个烃源岩样wTOC值为0.02%～0.81%，多数为<0.5%，均值为0.37%，按被勘探证实的碳酸盐岩有效烃源岩最新划分标准，有效烃源岩wTOC下限为0.40%～0.50%[12,13]，其显然不具备较好的生烃能力；由固体沥青反射率换算的Ro值为2.0%左右。

图3 热演化过程中干酪根碳同位素组成变化Fig.3 Variation characteristics of carbon isotopic compositions for kerogen during thermal evolution(据苏艾国，1999; 熊永强,2004)[14,15]

考虑到本区烃源岩成熟度较高，其干酪根结构和组成发生变化导致显微组分可能已失去可鉴别的形态和光性特征，利用干酪根显微组分分析法可能存在较大误差。而干酪根δ13C值在热演化过程中一般仅变重1‰～2‰[14,15](图3)，是确定高成熟烃源岩有机质类型的有效参数。须家河组51个暗色泥岩及煤层的干酪根δ13C值为-23.4‰～-25.6‰(1个样品的δ13C值为-26.2‰)，均值为-24.5‰；雷口坡组烃源岩干酪根的δ13C值为-25.0‰～-26.4‰，平均为-26‰。按照黄第藩提出的Ⅱ、Ⅲ型干酪根以-26‰为界的标准[16]，须家河组有机质类型均为Ⅲ型，结合雷口坡组为海相沉积的事实判断其有机质类型应为偏腐殖型的生油型(混合型)。

2 天然气地化特征

2.1 组分特征

雷口坡组12个气样分析(表1)表明，其烷烃气的体积分数(φ)>90%，非烃<10%，平均为3.82%。烷烃气中CH4相对体积分数为98.60%～99.41%，平均为99.0%；C2H6相对体积分数为0.55%～1.23%，平均为0.89%；干燥系数极高，部分样C4+重烃组分缺失。非烃成分主要为CO2与N2，其中CO2的体积分数为0%～26.14%，平均为8.3%。进一步分析发现，未酸化改造井样品CO2体积分数多数为<1.0%，可见CO2主要为酸化改造过程中酸液与碳酸盐岩反应形成；同样，N2多为试挤改造过程中所注液氮返排，其数据也不具研究意义。

2.2 碳、氢同位素特征

一般认为，有机烷烃气的乙烷碳同位素值主要取决于成烃母质继承效应，甲烷、乙烷碳同位素差值主要取决于演化程度。元坝雷四段12个气样的地化参数(表1、图4)表明，其δ13C1值为-31.70‰～-35.55‰，均值为-34.19‰；δ13C2值为-27.7‰～-36.61‰，均值为-33.31‰；且δ13C1、δ13C2值多发生倒转，甚至为负碳同位素系列。折线图中δ13C1、δ13C2斜率杂乱，与须二段相近，表明受次生改造的影响较大。须三段烷烃气则整体为正碳同位素系列，其折线图中δ13C1、δ13C2斜率相近，表明总体为原生气藏(图4)。

气态烃的氢同位素首先受控于源岩沉积水体的盐度，其次是成熟度的影响[17]，母质类型影响不大。在成熟度相似的条件下，海相源岩生成的甲烷δ2H值较重，半咸水湖相源岩生成的甲烷其次，湖相淡水源岩生成的甲烷δ2H值最轻[18]。雷四段烷烃气甲烷δ2H值平均为-156.3‰，与须家河组相应值(-154.9‰)接近，明显轻于海相长兴组、飞仙关组烷烃气。

图4 元坝气田雷四段及相邻层位烷烃气各组分δ13C变化曲线Fig.4 Alkane δ13 C curves of the Leikoupo Formation & Xujiahe Formation in Yuanba gas field

3 气源探讨

目前主流观点认为元坝雷四段气藏气源来自喀斯特斜坡沟槽中充填的须一段烃源岩生烃，横向近距离运移而成[6]；或上覆须一段烃源岩所生气沿不整合面运移并倒灌充注[7]。由于其烷烃气δ13C2<-28‰(不同研究者提出的数值略有差别，但不影响生烃有机质类型判别)，部分研究者据此认为其主要为自生自储油型气[8]。笔者认为主要为须一段烃源岩生烃，但不排除少量自生自储气混入的可能，以下逐一分析其原因。

3.1 雷四段烷烃气不是自身烃源岩生气

首先，雷口坡组烃源岩有机质类型为混合型，故大量生气时应有相当量原油伴生或残留，但数十口已钻井未见；如果因为演化程度太高原油完全裂解为烷烃气，应产生大量沥青，尤其是高温成因的焦沥青和结构构造比较特殊的“中间相焦沥青”[19]，但事实上也未见上述现象。可见雷口坡组烃源岩是否具有与其产能匹配的大规模生烃能力值得商榷。

其次，沉积相研究表明雷口坡组为局限海环境[20]，其盐度应大于正常海沉积，其自生自储烷烃气甲烷δ2H值应重于海相长兴组、飞仙关组烷烃气相应值(-120‰～-140‰)。但事实上，其δ2H值平均为-156.3‰，与须家河组相应值(-154.9‰)接近。

再者，相近成熟度的油型气应明显湿于煤型气，但雷四段烷烃气平均干燥系数却略大于演化程度更低的须家河组自生自储煤型气的相应值；且多个气样中δ13C1较轻的样品(轻于-35‰)，其乙烷含量往往低于平均值，不符合烷烃气演化程度低者(δ13C1轻者)更湿的热演化规律。

上述现象均不是雷口坡组自身烃源岩生气能解释的。可见其气源不是自身烃源岩。

3.2 雷四段烷烃气不是下伏长兴组、飞仙关组天然气大量混入形成

元坝地区海相长兴组、飞仙关组烷烃气均为原油裂解气，干燥系数极高，乙烷平均体积分数为0.05%，δ13C1均值为-29.5‰，δ2H值多数为-120‰～-140‰；且海相气常因发生TSR反应而富含硫化氢[21](表2)。

表2 元坝地区长兴组、飞仙关组天然气地球化学参数

雷口坡组天然气特征与上述海相气迥异，其乙烷体积分数均值0.89%，远高于长兴组、飞仙关组天然气的相应值0.05%；δ13C1、δ13C2值也均明显轻于后者，δ2H值平均为-156.3‰，也明显不同于后者，且不含(或仅含微量)硫化氢。另外，雷口坡组与长兴组、飞仙关组之间存在嘉陵江组第四-第五段及雷口坡组第一-第二段累计厚度达二三百米的膏盐岩形成的区域隔层(图2)，且断裂不发育，可见其气源不是来自下伏海相烃源岩生气。

3.3 须家河组气源证据

通过上述分析，元坝雷口坡组天然气仅有的可能就是来自上覆须家河组烃源岩生气。

首先，元坝须家河组具有较好的烃源条件，尤其须一段暗色泥岩最大厚度可达150 m，且喀斯特斜坡中沟槽区厚度最大，与相邻台丘区雷四段白云岩储层形成良好生储配置关系，具有近源成藏的优势[6]；而雷口坡组自身烃源条件较差，且纵向上多有数十米厚膏盐岩相隔；且元坝雷口坡组压力系数为1.39～1.63，而上覆须家河组相应值普遍为>1.80[7]。

其次，雷口坡组烷烃气组分干燥程度、甲烷氢同位素特征、碳同位素特征及倒转现象也与须二段烷烃气接近。

可见解释为须家河组(第一段)气源更符合地质实际，唯一需要解释的是雷口坡组烷烃气δ13C1、δ13C2值均明显轻于理论值(其中δ13C2值偏轻的程度更大)，结合其折线图认为应是某种改造作用导致。

4 雷口坡组烷烃气碳同位素倒转成因

4.1 雷口坡组烷烃气甲烷、乙烷碳同位素倒转为水溶作用引起

戴金星院士认为，当有机烷烃气部分发生碳同位素值倒转时，不能使用δ13C2<-28‰时为油型气的判断标准[22]，即雷口坡组烷烃气δ13C2<-28‰并不能说明其为油型气。将须家河组烃源岩Ro均值1.9代入煤型气δ13C-Ro回归方程[23]计算须家河组煤型气δ13C1、δ13C2、δ13C3理论值分别为-30.6‰、-24.4‰、-22.1%。即雷口坡组δ13C1、δ13C2值比理论值分别偏轻3.6‰、8.9‰，并引起多数样品δ13C1、δ13C2值倒转，反映天然气成藏后经历了混源、散失或其他次生改造作用。

除原生无机成因烷烃气为负碳同位素系列外，戴金星院士认为常见烷烃气δ13C值倒转有4种成因：①有机烷烃气与无机烷烃气相混合；②煤型气和油型气的混合；③“同型不同源”气之间或“同源不同期”气之间的混合；④某一或某些组分被细菌氧化后变重[24]。其他研究成果还包括⑤水溶分馏作用[25]；⑥高温下碳同位素交换平衡[26]；⑦运移过程中的分馏作用[27]。其中①②③⑤可概括为混合作用引起，⑥⑦可概括为分馏作用引起。

由于对煤型气来说，③导致的结果可能为δ13C值变轻(混入更轻的煤型气)，但不会出现δ13C2明显轻于-28‰的现象；①④导致的结果为使有机烷烃气δ13C值变重。可见，除混入较轻的油型气外(上文已经排除)，引起烷烃气δ13C值变轻的原因主要有2种，即水溶分馏作用或运移过程中分馏作用。由于元坝雷口坡组无富含黏土矿物(或高成熟有机质)等吸附能力较强的吸附介质，或远距离运移等使烷烃气尤其是重烃气组分严重变轻的条件，故推测为水溶分馏作用导致与水溶气伴生的气层气各组分变轻进而引起倒转。主要证据如下。

a.元坝雷口坡组存在水溶作用条件，十多口井测试或试采过程中均不同程度出水，根据电测解释结果等资料利用容积法计算元坝雷四段天然气控制储量53.192×109m3，水资源量0.091×109m3。研究表明地层水为局部封存水，即成藏动力不足，气驱水不充分引起；而水溶分馏作用可以造成气层气组分变轻[28]，已经得到证实。

b.邻区与水溶气相伴生的气层气，发生δ13C1、δ13C2倒转的均为组分较干(乙烷体积分数多数为<1%)的样品，而组分较湿的样品均未发生δ13C1、δ13C2倒转(表3)，与本区雷口坡组情况类似。

c.本区雷口坡组产气层随生产阶段天然气产能下降、产水量增加烷烃气碳同位素变重的现象，与水溶气脱溶后混入气层气并使之变重的理论是相符的。

表3 四川盆地气层气和水溶气地化参数

(据秦胜飞，2012)[25]

4.2 水溶作用分馏机理及引起有机烷烃气甲烷、乙烷碳同位素倒转的条件

前人对烷烃气在水中的溶解机理[25,27,29,30]与溶解度[31-36]做了很多研究，并深入了解其在水中的溶解特性。水溶气在天然气成藏过程中的贡献也逐渐引起重视[37,38]。但研究对象上主要侧重于水溶气本身的碳同位素变重及混入气层气并使后者甲烷变重从而引起δ13C1、δ13C2值倒转[25]；研究内容上主要侧重水溶气脱溶条件及水溶气资源量计算[39]。针对与水溶气伴生的气层气的研究仅限于水洗引起甲烷变轻，及甲烷对水溶作用较重烃更敏感，而针对与水溶气伴生的气层气碳同位素变轻的研究较少。

通过分析秦胜飞水溶气数据(表3)可知，水溶作用造成甲烷组分的碳同位素分异达到6.7‰～24.3‰，平均为14.0‰，对乙烷的碳同位素分异最高也达到11.3‰，平均为5.3‰。即大多数情况下水溶作用对甲烷的碳同位素分异效果比对乙烷等重烃气组分更明显。进一步分析可知，其对某组分的分异主要表现为使水溶气中该组分明显变重，而气层气中该组分变轻程度较小。根据质量守恒定律，对乙烷组分，上述多数样品溶于水的乙烷绝对含量应远小于与之伴生的气层气中乙烷绝对含量，即发生了明显的杠杆效应。可见，理论上只要溶于水的乙烷量和与之伴生的气层气乙烷量比值增加，后者碳同位素即有可能发生较明显的碳同位素变轻(如10‰)。

前人研究表明，烷烃气组分在地层水中的溶解度主要有如下特征：①与水合常数有关，烷烃气组分在水中溶解度均较小，甲烷溶解度多数为<6 m3/t。例如克拉2井气藏，压力73.46 MPa、温度123℃、地层水矿化度(CaCl2)128 g/L时，单位体积水溶甲烷体积数为水的2.79倍[33]。②由于烷烃气中甲烷含量一般远大于乙烷，即分压较大，且甲烷本身溶解度大于乙烷，故水中甲烷溶解量远大于乙烷。③温度>90℃，随温度升高而增大，超过150℃后增幅减小[35]。④随压力增加而增加，但达到一定压力后趋近于常数[35]。⑤随地层水盐度增加轻微降低，但与何种盐关系不大。

根据亨利定律，气体某组分溶解度与该组分在气体总压中的分压成正比，即原始气中乙烷含量降低(组分更干)，并不会影响乙烷在水溶气与气层气中绝对量的分配比例。但是，①极稀溶液中气组分在两相中分配是否适用亨利定律；②相同条件下通过降低天然气乙烷组分相对含量(使气层气与水溶液中乙烷浓度同时变小)，是否会因为有足够的交换介质(水)而引起乙烷更明显的碳同位素分异效应值得探讨。

目前针对乙烷的水溶引起碳同位素变化实验较少，由于乙烷组分在水溶液中扩散-交换过程非常缓慢，效率较低，相关实验不好开展，即使勉强开展恐怕也难得出分馏的差异来。上述结果需要完全证实还需要做更多的工作。

5 结 论

a.元坝地区雷口坡组天然气具有烷烃含量高、烷烃气干燥系数高、碳同位素较轻的特点，多发生δ13C1、δ13C2倒转，甲烷氢同位素较轻。

b.元坝地区雷口坡组天然气主要来自须家河组煤型气，但不排除自身烃源岩少量生气的可能。

c.元坝地区雷口坡组天然气δ13C1、δ13C2值倒转主要由δ13C2值变轻引起，其变轻主要为水溶分馏作用引起。

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Discuss on source of natural gas and causation of reversed orders of δ13C in alkane gas from Leikoupo Formation in Yuanba, Sichuan Basin, China

QIN Hua, PAN Lei, YIN Feng, SHEN Ji-shan

ResearchInstituteofExplorationCompany,SINOPEC,Chengdu610041,China

This paper discusses the source of gas in Middle Triassic Leikoupo Formation in Yuanba area and the origin of the reversed order of the carbon isotope. Statistical analysis data of source rock and gas reveal that the mean TOC of the micritic limestone and argillaceous is low (0.37%), indicting a comparative low capacity of gas generation. The natural gas in the Yuanba area is dominated by hydrocarbon component with a low amount of heavy hydrocarbons (1%) and contain relatively low concentration of no-hydrocarbons (abundances of CO2and N2< 10%). The average ofδ13C1values of gas samples in the studied area are -34.19‰, while theδ13C2values are relatively light (-33.31‰), with a reversed order of the carbon isotope in most of the gas samples characterizing by the average of isotopes of hydrogen as low as -156.3‰. Based on the characteristics of alkane in neighbor formation and the background of the source rock, it considers that the source of gas in Leikoupo Formation in Yuanba area is mainly from coal-formed gas of Upper Triassic Xujiahe Formation, and the origin of the reversed order of the carbon isotope is caused by fractionation of water-soluble, which makes the lighter amplitude of ethane isotope much bigger than methane in the majority of the gas samples.

Yuanba area; Leikoupo Formation; source; carbon isotope reverses; water-soluble fractionation; water-soluble gas

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.05.09

1671-9727(2016)05-0591-10

2015-06-02。

国家科技重大专项(2011ZX5002-004-005)。

秦华(1980-),男,工程师,主要从事石油地质综合研究, E-mail:qinh.ktnf@sinopec.com。

TE122.114; P597

A