川南地区W 202区块碳同位素倒转特征研究

秦 凤 强

(中国石油长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引 言

四川盆地川西南区块是我国页岩气主要产区，烃源岩及储层地球化学参数能够反映天然气的演化程度、成因、来源以及气藏的形成过程。根据碳同位素的热力学分馏机理，母质演化程度越高，生成烃类的碳同位素组成就越重，随着深度增加母质类型及演化程度发生变化导致页岩气的碳同位素组成纵向发生变化，根据页岩气纵向上的变化来分析页岩气成藏富集过程，为页岩气地质甜点的寻获提供理论依据。北美地区的高、过成熟页岩气普遍存在碳同位素倒转或者反转的现象，可判识天然气的成因及来源，研究母质成熟度及天然气次生变化。本文通过W 202区块5口井在五峰组-龙马溪组层位研究碳同位素的纵向变化规律，页岩气成因、成熟度及页岩气成藏机理，为页岩气勘探开发提供技术支持。

1 区域地质背景

四川盆地处于扬子准地台上偏西北一侧。威远构造属于川中隆起区的川西南低陡褶带，东及东北与安岳南江低褶皱带相邻，南与新店子向斜接自流井凹陷构造群，北西界金河向斜与龙泉山构造带相望，西南与寿保场构造鞍部相接(图1)。威远气田发现了震旦系、寒武系、奥陶系、志留系以及茅口组、嘉陵江组6个含气单元，其中下古生界志留系龙马溪组页岩具有厚度较大，含气性较好，横向分布稳定的特点，根据威远页岩气划分方案将五峰组-龙马溪组地层龙马溪组进行三段划分(龙三段、龙二段、龙一段)。在此基础上，为了实际勘探生产方便，进一步将包括五峰组、龙一段在内的页岩气勘探核心层段统一划分为8个小层，具体划分方案见图2。

图1 威远构造区域位置

图2 威远地区五峰组-龙马溪组地层划分方案

2 页岩气碳同位素地球化学特征

本次研究选取四川盆地威远地区5口正钻井WH 562、WH 583、WH 824、WH 826、WH 836井钻井液气样、罐顶气样。两种气样同深度，取样层位均为五峰组-龙一段。

2.1 碳同位素分布特征统计

W 202区块页岩气是非常优质的天然气，烷烃气的平均含量为98.99%，其中甲烷含量为95.52%～99.41%、平均含量为98.82%，乙烷含量为0.15%～1.12%，丙烷含量为0.01%～0.02%，不含丁烷；非烃气体主要是CO2(0.02%～1.06%)和N2(0～2.86%)，不含H2S；天然气湿度为0.26%～0.67%，是典型的干气。甲烷碳同位素(δ13C1)平均值为-36.83‰，乙烷碳同位素(δ13C2)平均值为-38.15‰。因乙烷碳同位素具有较强的母质继承性，是区分煤型气及油型气的指标[1]，学者研究认为油型气(或腐泥型气)δ13C2<-29‰，煤型气(或腐殖型气)δ13C2>-28‰；随着深度、成熟度的增加，油型气或者煤型气乙烷碳同位素值都会增加[2]。因五峰组-龙马溪组页岩为偏腐泥型烃源岩，其生烃能力较强，录井段成熟度主要为成熟-过成熟阶段(Romax为2.73%，Romin为1.99%，Roavg为2.41%)，在高-过成熟度阶段(Ro>2.0%)。依据本次分析数据，结合戴金星等[3]研究天然气成因图板(图3、图4)，确定本区块页岩气成因为高成熟度油型气。

本次录井共分析钻井液气样805个，统计的主要烷烃气碳同位素分布特征见表1：甲烷碳同位素分布范围-39.14‰～-33.13‰，主要分布在-38‰～-36‰，平均值-36.83‰(图5)；乙烷碳同位素分布范围-42.47‰～-34.34‰，主要分布在-40‰～-36‰，平均值-38.15‰(图6)；丙烷碳同位素分布范围-36.81‰～-29.11‰，主要分布在-34‰～-32‰，平均值-32.85‰(图7)。碳同位素正常分布特征为δ13C1<δ13C2<δ13C3,而W 202区块碳同位素分布特征为δ13C2<δ13C1<δ13C3，表明出现碳同位素部分倒转现象(图8)。

2.2 碳同位素纵向分布特征

页岩气形成过程一般都会经历干酪根裂解生气阶段、生油阶段、油裂解生气阶段、气裂解阶段等，不同演化阶段产生的烷烃气体具有不同的碳同位素组成特征。W 202区块页岩气成因为高成熟度油型气，纵向上表现出一定的规律性：甲烷碳同位素⑥→②层变化中随着深度增加，碳同位素值变轻，并在②层中趋于稳定(②层碳同位素的变化范围为-38.26‰～-36.73‰)；乙烷、丙烷碳同位素⑥→③层变化中随着深度增加同位素值变轻，并在②层随着深度增加碳同位素值变重，在②底部趋于稳定(图9)。

图3 δ13C1-δ13C2-δ13C3烷烃成因鉴别图

图4 干燥系数与甲烷碳同位素成因鉴别图

表1 碳同位素分布频率统计 /‰

图5 甲烷碳同位素频率分布图

图6 乙烷碳同位素频率分布图

图7 丙烷碳同位素频率分布图

图8 碳同位素倒转图

图9 WH 826井碳同位素录井图

碳同位素这种纵向分布特征的原因在于：(1)在生烃母质变化不大的情况下原油裂解气碳同位素组成相对干酪根裂解气偏轻，原油裂解气所占比例越大，则碳同位素组成越轻；③、④层以原油裂解为主，导致该阶段乙烷、丙烷同位素变轻。(2)②层随着深度增加乙烷、丙烷碳同位素增加变重原受HICE事件影响[4-8]，奥陶纪与志留纪之交赫南特阶沉积时期存在一次全球范围的碳同位素值正偏为标志的 HICE事件(δ13Corg有机质碳同位素和δ13Ccarb碳酸盐岩碳同位素值都在赫南特阶发生正偏移)[3-6]，该事件发生层位为五峰组即笔石带(WF3)顶部至带(WF4)底部，龙马溪组即笔石带(LM1)中部至带(LM2)底部，相当于威远区块①层，造成龙一段底部乙烷和丙烷碳同位素变重。

2.3 页岩气倒转原因研究

W 202区块具有碳同位素部分倒转特征(δ13C2<δ13C1<δ13C3，图10)，碳同位素倒转往往预示着良好产能。王鹏等[9-10]研究认为，烷烃气碳同位素倒转的原因主要为：(1)有机气和无机气的混合；(2)煤成气和油型气的混合；(3)同型不同源天然气混合；(4)同一烃源岩不同热演化程度天然气的混合；(5)细菌氧化作用的影响。

图10 WH 834井碳同位素录井图

W 202区块天然气中烷烃以甲烷为主，甲烷含量 占99%以上；因威远地区坳陷构造运动相对稳定，不存在与地幔沟通的深大断裂，因此可以排除无机碳成因引起碳同位素倒转。细菌氧化作用会使烷烃组分含量降低，同时使该组分碳同位素变重；本区块烷烃气含量都是随烷烃碳数增大而依次递减，同时细菌活动的温度一般在75℃以下，相当于正常地温梯度下地层深度2 000 m左右；本区块有烷烃气碳同位素倒转现象的主要产层的埋深通常都超过3 300 m，因此W 202区块碳同位素倒转不是细菌氧化作用造成的。依据W 202区块五峰组-龙马溪组页岩为偏腐泥型烃源岩，录井段成熟度主要为成熟-过成熟阶段(Romax2.73%，Romin1.99%，Roavg2.41%)，在高-过成熟度阶段(Ro>2.0%)，结合碳同位素数据可以判断本区块页岩气为高成熟度油型气成因，可以排除煤成气和油型气混合造成碳同位素倒转。

综合上述分析得知，同型不同源天然气混合、同源不同期天然气混合是造成W 202区块碳同位素倒转的主要原因。

3 结 论

(1)W 202区块页岩气成因为高成熟度油型气。

(2)W 202区块碳同位素纵向分布受原油裂解及HICE事件影响。

(3)W 202区块五峰组-龙马溪组页岩气页岩成熟度高，碳同位素具有倒转特征，生产气甲烷含量高(98.59%)，干燥系数高(>99%)，说明了该区处于干气生气窗，对于自生自储，自封闭体系的页岩气，此阶段为产气高峰，预示着良好产能，因此可以将②层底部作为开发主要目的层。