库车坳陷东部吐格尔明地区天然气地球化学特征及油气充注史

刘 洋，李贤庆，赵光杰，刘满仓，董才源，李 谨，肖中尧

(1.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083；4.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

近些年来，随着塔里木盆地库车坳陷油气勘探的不断突破，库车坳陷东部地区已成为油气勘探的重要接替区。库车坳陷东部油气勘探主要目的层系为侏罗系，已发现迪北、吐孜洛克等气藏[1-4]。2017年，位于吐格尔明地区的吐东2井获得了日产近127 000 m3高产工业油气流，随后部署的吐格1井、吐格2井等都见油气显示，油气勘探前景广阔。

目前，对吐格尔明地区油气成因与成藏特征已有一定的认识，共性为吐格尔明地区天然气为煤成气，油气源主要为侏罗系克孜勒努尔组与阳霞组煤系烃源岩，部分来源于三叠系湖相烃源岩[5-6]。该区油气成熟度、油气充注期次及充注时间尚存在较大的争议：刘如红等[5]研究表明原油与天然气均处于成熟阶段；而万佳林[6]认为油气成熟度不同，原油处于低成熟-成熟阶段，天然气成熟度较高。吐格尔明地区存在一期、二期或三期油气充注的观点都有，且充注时间认识不同[7]。在成藏特征研究方面，卢斌[8]通过分析储层物性特征和油气分布层位，认为吐格尔明构造带具有源储叠置、气水倒置的致密砂岩气成藏特征；王珂等[9]研究认为吐格尔明地区以构造-岩性油气藏为主。同时，对于吐格尔明地区油气充注成藏过程解剖研究尚少，制约了该区油气勘探进程。

本文在前人研究[2-9]的基础上，利用天然气组分、碳同位素组成数据，分析研究库车坳陷东部吐格尔明地区天然气的地球化学特征和成因类型；根据储层流体包裹体镜下特征、均一温度分析与地层沉积埋藏史，厘定吐格尔明地区油气成藏期次和时间。结合吐格尔明地区构造演化史，研究其油气充注史与成藏过程，旨在为库车坳陷东部下一步油气勘探提供基础资料和科学依据。

1 地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北缘，为经历三期构造演化形成的叠合坳陷。新近纪-第四纪强烈的挤压应力和多样的沉积环境，使其形成了复杂的构造组合样式，横向上显示出分段性，纵向上为分层性的特点，多种成藏要素在空间上的有效匹配使库车坳陷蕴含极为丰富的油气资源[10]。

吐格尔明地区位于库车坳陷东部(图1(a))，南接阳霞凹陷，西邻吐孜洛克，整体发育一个宽缓吐格尔明背斜；吐格尔明地区北邻南天山，受到燕山与喜山两期构造运动的影响，该区构造运动强烈，地层沉积厚度呈现明显的差异，东部地层保存较好，背斜核部地层风化剥蚀严重，使得元古界变质岩出露地表[11]；吐格尔明构造带主要受到迪北-阳北断裂的控制，逆断层发育，且沟通了源储地层，部分基底卷入逆断层在构造高部位断穿至地表。

吐格尔明地区侏罗系最为发育，厚度超1 300 m，烃源岩、储层和盖层分布层位也主要集中在侏罗系，从而构成了自生自储和下生上储型的源储组合(图1(b)和(c))。侏罗系烃源岩厚度大，多数煤系泥岩的TOC>3.0%，属于中等-好烃源岩[12]。主要储层克孜勒努尔组为沼泽化滨浅湖亚相沉积，阿合组和阳霞组岩性以泥质粉砂岩、细砂岩为主，沉积相为辫状三角洲平原与前缘沉积，纵横叠置，分布广泛，为油气提供了有效储集空间。

2 样品与实验方法

本次研究样品来自吐格尔明地区的吐东2井、吐东201井、吐西1井侏罗系阿合组、阳霞组和克孜勒努尔组储层，其中天然气样品8个，储层砂岩样品23个。

天然气组分测定仪器为HP5890气相色谱仪，采用国家标准GB13610—2014进行，升温程序为：初始温度32 ℃，升至180 ℃，升温速率为15 ℃/min，载气为N2。在MAT 253同位素质谱仪上进行天然气组分碳同位素测定，依据石油天然气行业标准SY/T 5238—2008，对每个样品进行2～3次测试，测试误差±0.1‰，采用VPDB标准。

吐格尔明地区侏罗系储层流体包裹体产状、大小和颜色等岩相学特征在日产显微镜Olympus下完成；含油包裹体丰度(GOI)分析方法为：选取包裹体薄片任意100个视域，统计含油包裹体矿物颗粒数目占总矿物颗粒百分比。使用LINKAM-THMSG600液氮型冷热台测定与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一温度，测定误差为±0.1 ℃。

3 天然气地球化学特征及成因

3.1 天然气组分含量

天然气组分由烃类和非烃类组分组成。如表1所示，库车坳陷东部吐格尔明地区天然气烃类组分以甲烷为主，甲烷含量为75.56%～90.11%，平均为84.11%；重烃(C2+)含量6.26%～19.4%，平均为12.17%。非烃类组分以CO2和N2为主，两者含量介于1.20%～3.94%；天然气干燥系数分布在0.79～0.93之间，平均为0.86，属于湿气，表明天然气干燥系数值较低，可能与该区天然气成熟度较低有关[13-14]。

3.2 天然气组分碳同位素组成

吐格尔明地区天然气组分碳同位素组成见表2。不难看出，吐格尔明地区天然气甲烷碳同位素(δ13C1)值分布较为集中且较轻(图2(a))，分布在-35.73‰～-33.80‰之间，平均为-34.88‰；乙烷碳同位素(δ13C2)值范围是-26.41‰～-25.30‰，均大于-28.80‰，明显具有煤成气特征[15]；丙烷碳同位素(δ13C3)值范围是-25.50‰～-22.40‰；丁烷碳同位素(δ13C4)值范围是-25.10‰～-21.30‰；烷烃气组分碳同位素值基本呈δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4正序排列，为典型有机成因气，个别气样存在丙烷和丁烷碳同位素倒转现象(δ13C3>δ13C4), 图2(b)。库车坳陷东部不同地区主力气源不同，吐格尔明地区天然气气源以侏罗系煤系烃源岩为主，部分来自三叠系湖相烃源岩[16]，两者生成的天然气相混合，属于“同型不同源”造成的碳同位素局部倒转[17]。

表1 吐格尔明地区天然气组分含量数据表

表2 吐格尔明地区天然气组分碳同位素组成数据表

3.3 天然气成熟度

天然气甲烷碳同位素(δ13C1)与成熟度Ro具有良好的相关性，我国多位学者根据各盆地天然气δ13C1与Ro间关系，建立了δ13C1-Ro计算公式[18-20]。此次利用戴金星建立的煤型气δ13C1-Ro关系式δ13C1=14.12lnRo-34.39，计算得出吐东2井和吐东201两口井的天然气成熟度(表2)。其天然气成熟度Ro为0.79%～1.10%，属于成熟阶段的天然气。吐东2井克孜勒努尔组的天然气成熟度相对阿合组略低。烃源岩热演化史显示，库车组沉积期，侏罗系阿合组烃源岩镜质体反射率Ro为1.0%～1.2%，而克孜勒努尔组烃源岩镜质体反射率Ro为0.70%～0.95%，烃源岩成熟度的不同可能是造成天然气成熟度出现差异的原因之一[21]。

3.4 天然气成因类型

前人研究[22-24]表明，库车坳陷不同构造带天然气地球化学特征具有差异性，但库车坳陷天然气大部分为煤成气。甲烷、乙烷碳同位素值常被用来分析天然气成因和成熟度等研究[25]。根据δ13C1-δ13C2天然气判别图版[26]，吐格尔明地区天然气δ13C1>-36‰，δ13C2>-28‰，分布于煤成气区域。

图3为吐格尔明地区天然气甲烷碳同位素和烷烃气含量比值(δ13C1-C1/C2+3)关系图，重烃含量较大，使得C1/C2+3偏小，大多小于10，天然气位于凝析油伴生气和煤成气分布区；该区发育沼泽化滨浅湖-浅湖亚相沉积煤系烃源岩，天然气呈现出陆源高等植物来源的特点，烃源岩有机质类型大部分为Ⅱ2-Ⅲ，演化阶段处于低成熟-成熟，以倾气为主的克孜勒努尔组—阳霞组(J2kz-J1y)烃源岩可形成煤成气和凝析油[5,27]。

4 储层流体包裹体特征与油气充注时间

4.1 包裹体岩相学特征

吐格尔明地区侏罗系砂岩储层样品中发育较丰富的流体包裹体，不规则形与椭圆形为包裹体主要形态，产状多为群状、串珠状和条带状。包裹体大小多为3～10 μm，个体较小，气液比<20%；烃类包裹体主要分布在石英颗粒表面及次生加大边、石英颗粒微裂缝与破裂愈合缝。根据相态的不同，吐格尔明地区储层烃类包裹体可分为3类，且在紫外光下颜色不同，分别是在紫外光下呈亮橙色和黄色(图4(a))的液态烃包裹体，发蓝白色荧光的气液烃包裹体(图4(c)、(f))，以及气烃无荧光显示、呈灰色的气态烃包裹体(图4(b)、(d)、(e))。

根据流体包裹体镜下观察、产状分布和相态特征，可将吐格尔明地区侏罗系储层流体包裹体分为两期：第Ι期为发育在石英颗粒表面及其加大边的成岩期微裂缝亮橙色、黄色液态烃包裹体，荧光颜色指示了低成熟的原油充注；第Ⅱ期为切穿石英颗粒加大边或方解石胶结物微裂隙和石英破裂愈合缝的蓝白色荧光的气液烃包裹体和灰色气烃包裹体，反映了天然气充注。可见，吐格尔明地区存在两期油气充注。

4.2 流体包裹体均一温度

流体包裹体是研究含油气盆地油气成藏信息的重要手段，与油气包裹体共生的盐水包裹体均一温度代表其捕获流体时的古地温，通过分析包裹体均一温度分布可划分油气充注期次，结合油气藏的沉积埋藏史，追溯油气充注时间[28]。

吐格尔明地区各井侏罗系储层盐水包裹体均一温度分布见图5。包裹体均一温度的分布范围介于75～180 ℃；吐东2井和吐西1井包裹体均一温度主频值呈现出双峰型的特征。吐东2井包裹体主峰温度为115～125 ℃与135～145 ℃；吐西1井包裹体两个主峰温度区间分别为100～115 ℃和120～130 ℃，反映吐格尔明地区经历2期油气充注。

4.3 含油包裹体丰度(GOI)特征

含油包裹体丰度(GOI)用来表征储层含油饱和度，定量判断油水层[29-30]，其标准为当GOI值小于1时，即为水层，GOI值介于1～5时为油气运移通道，GOI值大于5时为油层[31]。此次实验测试了吐东2井侏罗系阿合组、阳霞组和吐西1井侏罗系阳霞组储层样品的GOI，其GOI值分布在3%～45%之间(图6)，GOI平均值近19%，远大于5%的油层标准。吐西1井相似深度样品的GOI差异较大，1 308.2 m与1 309.1 m的4个样品中，GOI值最大为45%，最小为14%。出现这种差异的原因可能与侏罗系储层物性的非均质性有关[32]，吐格4井储层孔隙度仅为4.4%，而明南1井的储层孔隙度达到近20%[33]，可见不同井或层位储层物性差别明显，原油难以沿着致密储层运移，岩石捕获较少原油而形成含油包裹体，使得GOI偏低。除储层物性外，油气充注强度也是影响吐格尔明地区储层GOI值差异较大的重要因素。吐东2井储层GOI分布较集中，大多在20%以上，3 000 m左右深度储层的GOI分布在10%～20%之间，3 980 m左右储层的GOI在20%～30%之间。吐格尔明地区侏罗系储层GOI值整体较高，表明吐格尔明地区存在原油充注。

4.4 油气充注期次及时间

基于流体包裹体岩相学、均一温度和含油包裹体丰度特征，结合吐东2井沉积埋藏史(图7)、古地温史和烃源岩热演化史，认为其早期原油充注时间为13 ～7 Ma，对应的是黄色液态烃包裹体，此时克孜勒努尔组和阳霞组烃源岩镜质体反射率Ro介于0.37%～0.7%[6]，处于低成熟度阶段；天然气充注时间晚，发生在距今2.6 Ma以来，储层中蓝白色的气液烃包裹体记录了这一事件，库车组沉积期，由于构造挤压运动增强以及地层沉积厚度变大，烃源岩埋藏深度进一步加大，部分烃源岩处于较高成熟阶段，进入生烃范围[34-35]，天然气通过断裂和不整合面构成的复合输导系统运移至克孜勒努尔组和阳霞组保存。因此，吐格尔明地区经历了2期油气充注，即康村组早中期的原油充注和库车组晚期的天然气充注。

5 油气充注成藏过程

白垩系晚期到古近系，吐格尔明地区构造活动较强烈，断层以继承性活动为主[36]，未形成有效圈闭，且此时烃源岩还处于未成熟阶段，难以形成油气藏。康村组早中期，吐格尔明地区受到构造运动的影响，断裂进一步向上发育，沟通了源储层，同时形成了平缓的背斜圈闭(图8)；烃源岩埋藏加深，部分侏罗系烃源岩达到成熟阶段，煤系烃源岩生成的凝析油通过油源断裂运移至克孜勒努尔组上部砂泥岩储层保存，侏罗系储层较高GOI值和丰富黄色的液态烃包裹体反映了此阶段不仅存在油充注，且强度较大。

库车组沉积期，吐格尔明地区受到喜马拉雅中期运动的强烈挤压[37]，地层倾斜幅度变大，断层向上断穿古近系地层，散失部分原油。新发育的中角度逆断层与原先存在的断层构成了阶梯型组合样式；同时吐格尔明地区存在多个区域不整合面，断裂-不整合构成了高效的油气运移通道。该阶段具体成藏过程为：烃源岩生排烃史表明[38]，阳霞组煤系烃源岩在库车组沉积期达到高峰，生成的油气大部分保留在阳霞组中部的砂岩段，吐东2井3 938.6 m处阳霞组储层发育的气态烃包裹体，反映该时期的天然气充注，部分油气沿断裂向上运移，遇克孜勒努尔组不整合面后，侧向运移至储层。克孜勒努尔组内部发育自生自储式源储组合，大部分天然气沿着断层-不整合面向构造高部位运移，重烃含量较高且甲烷碳同位素较轻的湿气保存背斜圈闭中，在克孜勒努尔组聚集成藏，2 966.06 m克孜勒努尔组储层样品中的蓝白色气液烃包裹体同样显示了库车组晚期成熟的煤成气充注。致密的泥岩和吉迪克组强塑性的膏盐岩为油气保存提供了双重屏障[39]，使得油气聚集成藏。

西域组沉积时期，吐格尔明地区构造运动达到顶峰，地层进一步向上抬升与倾斜，油气分布得到调整与改造，具有埋深浅、多层系含气的特点，形成吐东2构造-岩性油气藏。而位于西部构造高部位的明南1井侏罗系含油层遭到严重风化剥蚀，发育多个通天断层，吉迪克组膏盐岩厚度小，空间分布范围窄，保存条件差；古油藏破坏严重，地表可见多处油苗[3]，不具备形成工业油气流基础。

6 结 论

(1)吐格尔明地区天然气烃类组分以甲烷为主，甲烷平均含量为86.10%；重烃含量较高(6.26%～19.4%，平均12.17%)，干燥系数为0.79～0.93，属于湿气；天然气δ13C1值分布在-35.73‰～-33.80‰之间，δ13C2值为-26.41‰～-25.30‰，天然气成因类型为成熟的煤成气。

(2)吐格尔明地区存在两期烃类包裹体，第Ι期包裹体为黄色液态烃包裹体，与其共生的盐水包裹体均一温度是115～125 ℃，为发生在13～7 Ma低成熟的凝析油充注；第Ⅱ期包裹体为蓝白色荧光气液烃包裹体和灰色气烃包裹体，共生的盐水包裹体均一温度是135～145 ℃，反映了晚期的天然气充注，充注时间为2.6 Ma以来。

(3)康村组早中期，吐格尔明地区烃源岩形成的原油充注至宽缓背斜圈闭中保存；库车组沉积晚期，侏罗系阳霞组和克孜勒努尔组发育煤系烃源岩与砂岩储层，构成了良好的源储组合，天然气近距离充注至侏罗系储层聚集成藏。