姜 林，薄冬梅，周 波，張春蓮，朱永峰

(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083； 2.提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083； 3.中國石油天然氣集團(tuán)公司 盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083； 4.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000)

塔里木盆地輪南地區(qū)天然氣成藏特征分析

姜 林1,2,3，薄冬梅1，周 波1，張春蓮4，朱永峰4

(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083； 2.提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083； 3.中國石油天然氣集團(tuán)公司 盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083； 4.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000)

通過天然氣物性特征統(tǒng)計(jì)分析，闡明了輪南地區(qū)天然氣分布特征，指出深部的奧陶系和石炭系天然氣干燥系數(shù)較高，一般在0.95以上；三疊系天然氣干燥系數(shù)較低，大都在0.9附近。通過天然氣地球化學(xué)特征及成因分析，闡明了輪南地區(qū)天然氣為油型氣且為干酪根裂解氣的成因，揭示了天然氣碳同位素局部倒轉(zhuǎn)由同型不同源或同源不同期天然氣混合造成。結(jié)合油氣成藏過程分析，認(rèn)為三疊系天然氣主要是分餾作用形成的，所以干燥系數(shù)較低；深部奧陶系和石炭系天然氣主要是烴源巖過成熟期生成的天然氣，因此干燥系數(shù)較高。兩期天然氣的混合導(dǎo)致天然氣碳同位素局部倒轉(zhuǎn)，由于烴源巖過成熟期生成的天然氣主要是甲烷，所以混合后僅出現(xiàn)甲烷和乙烷的碳同位素倒轉(zhuǎn)。

天然氣；組分；碳同位素；輪南地區(qū)；塔里木盆地

塔里木盆地輪南地區(qū)三面臨凹，油氣源條件良好，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致輪南地區(qū)斷裂構(gòu)造的發(fā)育，奧陶系低幅度碳酸鹽巖古潛山的形成為油氣成藏提供了良好的運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間[1-4]。經(jīng)過多年的油氣勘探，輪南地區(qū)發(fā)現(xiàn)了廣泛分布的油氣資源，成為塔里木盆地主要的油氣產(chǎn)區(qū)之一?？碧綄?shí)踐表明，油氣空間分布存在一定的變化規(guī)律，其中奧陶系油氣分布總體上具有南重北輕、西油東氣及低油高氣、低重高輕的特點(diǎn)，尤其以南重北輕、低重高輕的分布最為明顯[5-6]。但由于輪南地區(qū)構(gòu)造條件復(fù)雜，油氣成藏具有多期性，而且不同期次成藏油氣的保存條件不一致等，導(dǎo)致天然氣成藏特征比較復(fù)雜。研究天然氣物理化學(xué)性質(zhì)的特殊性，揭示天然氣成藏的復(fù)雜成因，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)輪南地區(qū)天然氣成藏地質(zhì)過程及有利勘探方向預(yù)測(cè)有十分重要的意義。

1 構(gòu)造背景

輪南地區(qū)位于塔里木盆地塔北隆起中段，東連草湖凹陷，西接哈拉哈塘凹陷，南鄰滿加爾凹陷，北靠輪臺(tái)凸起(圖1)。鉆井資料證實(shí)奧陶系侵蝕面是一個(gè)向東、西、南、北4個(gè)方向傾沒的大型潛山隆起，奧陶系內(nèi)幕是一個(gè)大背斜。在輪南潛山隆起上，還發(fā)育了與輪臺(tái)斷裂大致平行、發(fā)育時(shí)間基本相同的4條壓扭性斷裂，形成了2個(gè)近東西向的斷壘帶，即輪南斷壘帶和桑塔木斷壘帶。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征，輪南地區(qū)平面上自北向南可分為輪南北部潛山斜坡、輪南潛山斷壘帶、輪南中部潛山平臺(tái)、桑塔木斷壘帶、輪南南部潛山-內(nèi)幕斜坡，東西部分別為輪南東部內(nèi)幕斜坡、輪南西部潛山和塔河潛山背斜帶。本次研究的區(qū)域主要包括輪南潛山斷壘帶、輪南中部潛山平臺(tái)、桑塔木斷壘帶、輪南南部潛山-內(nèi)幕斜坡、輪南東部內(nèi)幕斜坡和輪南西部潛山。

圖1 輪南地區(qū)構(gòu)造分區(qū)

2 天然氣物理性質(zhì)特征

輪南地區(qū)天然氣組成一般以甲烷為主，含有少量的重?zé)N(包括乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)和一定量的非烴氣體(包括二氧化碳和氮?dú)?。天然氣干燥系數(shù)較高，一般大于0.90，最低0.75，最高0.99。氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)大多在1%～10%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)多為1%～6%。

輪南地區(qū)天然氣主要分布在奧陶系、石炭系和三疊系等層系，并且在不同層系、不同構(gòu)造部位表現(xiàn)出不同的物性特征。從目前發(fā)現(xiàn)的天然氣藏來看，奧陶系分布最廣，幾乎遍布各個(gè)構(gòu)造分區(qū)，主要分布在輪南西部潛山、輪南中部潛山平臺(tái)、桑塔木斷壘帶和輪南東部內(nèi)幕斜坡，并且東部干燥系數(shù)大，西部干燥系數(shù)小(圖2)。 石炭系天然氣分布范圍有限，主要分布在輪南中部潛山平臺(tái)、桑塔木斷壘帶，輪南西部潛山和輪南南部潛山-內(nèi)幕斜坡也有發(fā)現(xiàn)，干燥系數(shù)普遍較高，除了在輪南西部潛山為0.86外，其他區(qū)域干燥系數(shù)均在0.95以上(圖3)。與原油分布特征類似，三疊系天然氣分布范圍較石炭系大很多，除了在輪南斷壘帶、輪南中部潛山平臺(tái)、桑塔木斷壘帶有分布外，在輪南南部潛山-內(nèi)幕斜坡廣泛分布，但干燥系數(shù)普遍不高，主要分布在0.80～0.94(圖4)。

圖2 輪南地區(qū)奧陶系天然氣干燥系數(shù)分布

圖3 輪南地區(qū)石炭系天然氣干燥系數(shù)分布

圖4 輪南地區(qū)三疊系天然氣干燥系數(shù)分布

3 天然氣地球化學(xué)特征

根據(jù)天然氣原始成氣物質(zhì)可將其分為有機(jī)成因氣和無機(jī)成因氣2種類型，劃分、識(shí)別的最主要標(biāo)志是甲烷碳同位素的組成特征。通常將δ13C1>-20‰作為無機(jī)成因甲烷的標(biāo)志之一[6]。戴金星等[3]提出在無煤系地層存在時(shí)，此值可擴(kuò)展至δ13C1>-30‰，而輪南地區(qū)天然氣δ13C1值均小于-30‰。烷烴碳同位素一般表現(xiàn)為正序特征：δ13C1<δ13C2<δ13C3，說明輪南地區(qū)天然氣為有機(jī)成因氣。

天然氣組分碳同位素是判斷成因及來源的重要方法，其中乙烷受成熟度影響較小，具有明顯的母質(zhì)繼承性，是天然氣成因類型判識(shí)的最好方法，并且一般將乙烷碳同位素值小于-29‰作為油型氣判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)[7-10]。輪南地區(qū)天然氣δ13C2值均小于-29‰，表明該區(qū)天然氣主要為油型氣。

干酪根裂解和原油裂解形成的天然氣的φ(C1)/φ(C2)值完全不同：對(duì)于干酪根裂解所形成的天然氣在ln(φ(C1)/φ(C2))變化較大的情況下，ln(φ(C2))變化較??；然而對(duì)于原油二次裂解形成的天然氣在ln(φ(C1))變化較小的情況下，ln(φ(C2))變化范圍較大。在較深的層次上，若不考慮擴(kuò)散、運(yùn)移、殘留等因素的影響，ln(φ(C1)/φ(C2))和ln(φ(C2))應(yīng)與母質(zhì)特征和熱演化程度有關(guān)。如干酪根裂解氣，隨熱演化程度增高，母質(zhì)產(chǎn)生的C2、C3保持著相對(duì)穩(wěn)定的量，但是C1增長較快，所生成的C1量變化范圍較大，所以從機(jī)理上應(yīng)與干酪根裂解產(chǎn)生聯(lián)系[11-13]。輪南地區(qū)ln(φ(C1)/φ(C2))主要分布在2～5，變化范圍值為3；ln(φ(C2)/φ(C3))主要分布在0.3～1.8之間，變化范圍值為1.5。ln(φ(C1)/φ(C2))的變化范圍值是ln(φ(C2)/φ(C3))的2倍，ln(φ(C1)/φ(C2))的變化明顯較快(圖5)， 說明輪南地區(qū)天然氣應(yīng)為干酪根裂解氣。根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化生烴的過程，輪南地區(qū)的烴源巖演化階段，已經(jīng)達(dá)到過成熟階段，至少部分烴源巖演化達(dá)到過成熟階段。

圖5 輪南地區(qū)天然氣φ(C1)/φ(C2)與φ(C2)/φ(C3)變化關(guān)系

另外， 輪南地區(qū)奧陶系和石炭系天然氣存在碳同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但僅限于甲烷和乙烷的碳同位素倒轉(zhuǎn)(表1)，為碳同位素局部倒轉(zhuǎn)。根據(jù)戴金星等[14]的研究，天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的原因有有機(jī)烷烴氣和無機(jī)烷烴氣的混合、煤成氣和油型氣的混合、同型不同源氣或同源不同期氣的混合、烷烴氣中某一或某些組分被細(xì)菌氧化。而天然氣成因分析表明，輪南地區(qū)天然氣為有機(jī)成因氣，并且均為油型氣，因此，可以排除有機(jī)烷烴氣和無機(jī)烷烴氣的混合以及煤成氣和油型氣的混合產(chǎn)生天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的可能。原油地球化學(xué)分析表明，輪南地區(qū)后期成藏原油得到較好的保存[15]，在天然氣成藏的地質(zhì)時(shí)期，輪南地區(qū)應(yīng)具有良好的保存條件，細(xì)菌氧化的情況基本可以排除。因此，可以認(rèn)為輪南地區(qū)天然氣碳同位素局部倒轉(zhuǎn)是由于同型不同源或同源不同期天然氣混合造成的。

表1 天然氣碳同位素

4 碳同位素局部倒轉(zhuǎn)成因

輪南地區(qū)油氣多期成藏，導(dǎo)致天然氣成藏特征比較復(fù)雜，天然氣干燥系數(shù)較大，特別是奧陶系和石炭系，干燥系數(shù)一般在0.95以上，但在三疊系，干燥系數(shù)較低，大都在0.90附近。奧陶系和石炭系天然氣存在碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但只出現(xiàn)甲烷和乙烷的碳同位素倒轉(zhuǎn)。

從烴源巖熱演化過程上看，天然氣的大規(guī)模成藏表明有相當(dāng)一部分烴源巖已經(jīng)經(jīng)歷了生成氣-油比較高的高成熟原油階段，演化到過成熟的生氣階段。這種原油在運(yùn)移和聚集過程中，會(huì)隨著地層溫度、壓力的降低而分餾，原油達(dá)到過飽和后，天然氣以及一部分輕質(zhì)原油組分會(huì)從原油中脫離出來，以游離相的天然氣運(yùn)移和聚集。但由于奧陶系和石炭系埋藏深度較大，原油不容易達(dá)到飽和天然氣狀態(tài)，不易形成天然氣分餾。三疊系埋藏相對(duì)較淺，地層壓力相對(duì)較低，高氣-油比的原油達(dá)到飽和后，發(fā)生分餾作用，部分天然氣從原油中脫離出來，形成游離相的天然氣運(yùn)移，在適宜的圈閉中聚集。這種分餾作用形成的天然氣由于部分輕質(zhì)原油組分的混入，天然氣干燥系數(shù)較低。后期生成的天然氣在運(yùn)移過程中經(jīng)巖石孔隙、孔隙水和殘留油等的作用[16]，干燥系數(shù)變得更高。差異聚集作用[17-21]導(dǎo)致天然氣主要聚集在深部的奧陶系，部分運(yùn)移至石炭系。由于奧陶系和石炭系分餾作用形成的天然氣量有限，而本期運(yùn)移天然氣量較大，兩者混合后，干燥系數(shù)仍然較高，最高達(dá)0.99。由于后期運(yùn)移的天然氣干燥系數(shù)高，天然氣幾乎全部是甲烷，因此，混合對(duì)甲烷的碳同位素值影響較大，部分氣藏天然氣甲烷與乙烷碳同位素發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

5 結(jié) 論

(1)輪南地區(qū)天然氣干燥系數(shù)較大，特別是奧陶系和石炭系，干燥系數(shù)一般在0.95以上，而三疊系天然氣干燥系數(shù)較低，大都在0.90附近。三疊系天然氣主要是分餾作用形成的，干燥系數(shù)較低；而深部奧陶系和石炭系天然氣主要是烴源巖過成熟期生成的天然氣，干燥系數(shù)較高。

(2)輪南地區(qū)奧陶系和石炭系天然氣存在碳同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，但僅限于甲烷和乙烷的碳同位素倒轉(zhuǎn)。這種天然氣局部倒轉(zhuǎn)是由于同源不同期天然氣混合造成的，是少量高成熟原油分餾成因天然氣與烴源巖過成熟期生成的天然氣混合造成的，并且由于烴源巖過成熟期生成的天然氣主要是甲烷，因此，混合后僅出現(xiàn)甲烷和乙烷的碳同位素倒轉(zhuǎn)。

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責(zé)任編輯：王 輝

2014-09-02

國家油氣重大專項(xiàng)“前陸盆地油氣成藏規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)及目標(biāo)評(píng)價(jià)(二期)”(編號(hào)：2011ZX05003)

姜林(1976-)，博士，高級(jí)工程師，主要從事油氣藏的形成與分布研究。E-mail：jianglin01@petrochina.com.cn

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

TE122.1

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