秦勝飛，黃純虎，張本健，楊雨，袁苗

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油西南油氣田公司川中氣礦，四川遂寧 629000；3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621709；4.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610051）

0 引言

煤成氣的研究、勘探和開發(fā)推動了中國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展。中國無論是在發(fā)現(xiàn)大氣田的數(shù)量，還是天然氣總探明儲量，以及天然氣產(chǎn)量上都以煤成氣為主[1-3]。近年來，非常規(guī)天然氣勘探越來越受重視，其中的致密砂巖氣也以煤成氣為主[4]。所以，煤成氣的研究在中國天然氣研究中地位十分重要。

用地球化學參數(shù)判斷天然氣成熟度最常用的是前人建立的δ13C1與Ro關系式，最具代表性的公式是Stahl[5]、戴金星[6]、劉文匯[7]等建立的。在這些公式中，無一例外地明確了隨δ13C1變重，成熟度逐漸增加。因此，在無法確定氣源或氣源巖成熟度時，它們曾被廣泛應用。雖然油田公司下屬各礦區(qū)等一般都有能力分析天然氣組分，但卻不具有測定天然氣碳同位素組成的儀器設備，而且樣品外送分析周期較長，給研究和生產(chǎn)帶來了不便。

長期以來人們一直關注能否從天然氣組成中尋求反映其成熟度的參數(shù)。近期，戴金星根據(jù)煤成氣中重烴含量與折算鏡質體反射率Ro間較好的相關性，建立了煤成氣濕度系數(shù)（C2—5/C1—5）與成熟度之間的關系式[8]。另外，通過對天然氣組分的研究，還可以追蹤天然氣的運移[9-10]。

隨著分析儀器的更新，對天然氣組分分析的精度比以前有了很大提高，特別是對含量較低的丁烷和戊烷異構體的測定，使得研究天然氣中重烴組分和計算相關參數(shù)成為可能。

天然氣中iC4/nC4和iC5/nC5值常被研究人員忽略。異構烷烴由于沸點低，飽和蒸汽壓高，分子間作用力較小，因而擴散系數(shù)要大于同碳數(shù)的正構烷烴[11]。所以，iC4和iC5的運移速率分別大于nC4和nC5。在氣相色譜測定天然氣組分時，異構烷烴出峰時間早于同碳數(shù)的正構烷烴。據(jù)此推測隨天然氣運移距離的增加，iC4/nC4與iC5/nC5值可能會增大。筆者曾利用這些參數(shù)追蹤四川盆地西部前陸盆地中天然氣運移；研究發(fā)現(xiàn)，隨天然氣運移路徑增加，兩者比值確有增加[9]。關于iC4/nC4與iC5/nC5值與烴源巖成熟度之間的關系也有人曾做過研究，有觀點認為這些比值會隨成熟度增加而降低[12-13]，但因缺乏研究實例，提供的證據(jù)都不夠充分。筆者研究發(fā)現(xiàn)，iC4/nC4與iC5/nC5值并非隨成熟度增加而降低。為了揭示iC4/nC4與iC5/nC5值與成熟度之間的關系，本文選擇四川盆地中部（以下簡稱川中）一些氣田三疊系須家河組（T3x）原生氣藏中天然氣作為研究對象，這些氣田為廣安氣田、安岳氣田、龍崗氣田、合川氣田、龍女寺氣田、磨溪氣田、南充氣田和潼南氣田。川中須家河組天然氣為致密氣，分布廣泛，縱向氣層較多且互相疊置，天然氣并未經(jīng)歷明顯的橫向和縱向運移[14]，組分運移分餾作用很小，這為研究煤成氣各種組分隨成熟度的變化提供了理想的實例，也為潛在成熟度參數(shù)的提出奠定了基礎。

1 研究區(qū)地質背景

研究層位須家河組位于三疊系上統(tǒng)，其下伏地層為三疊系中統(tǒng)雷口坡組（T2l），上覆地層為下侏羅統(tǒng)（J1）。須家河組由多套煤系烴源巖和砂巖互層組成，自下而上可劃分為須一段（T3x1）至須六段（T3x6），其中須一段（T3x1）、須三段（T3x3）、須五段（T3x5）以煤系為主夾薄層砂巖，為主要氣源巖。須二段（T3x2）、須四段（T3x4）和須六段（T3x6）以灰白色、灰色細—中粒砂巖為主，夾薄層暗色泥巖，是較好的儲集層（見圖1）。雷口坡組以白云巖為主，夾石膏和薄層灰黑色頁巖，是全區(qū)優(yōu)質封隔層。須家河組上覆的下侏羅統(tǒng)黑色湖相頁巖不僅是川中地區(qū)侏羅系油氣藏的優(yōu)質烴源巖，也是下伏須家河組天然氣的優(yōu)質區(qū)域蓋層。

川中須家河組儲集層廣泛分布、縱向疊置，大面積含氣，絕大部分地區(qū)構造比較平緩，氣藏主要以構造-巖性復合氣藏為主[15-16]，儲集層物性較差，孔隙度為4%～8%，滲透率為（0.01～1.00）×10-3μm2，屬低孔、低滲和特低孔、特低滲儲集層[17-18]。雖然喜馬拉雅運動在川中地區(qū)表現(xiàn)為整體抬升，但未形成大的斷裂系統(tǒng)，這對原生天然氣藏的保存非常有利。

2 川中須家河組天然氣地球化學特征

前人對四川盆地須家河組天然氣地球化學特征及其成因類型做過很多研究，結論比較一致。從烷烴氣碳同位素組成特征看，其乙烷碳同位素組成大于-28.0‰；根據(jù)中國含油氣盆地天然氣成因類型判別標準[19]，為典型的煤成氣。但需要強調的是，川中須家河組天然氣是典型煤系烴源巖生成的熱解氣，因為這些天然氣的干燥系數(shù)（C1/C1+）為0.84～0.96，平均為0.91（見表1）。如果以干燥系數(shù)等于0.95作為劃分干氣和濕氣的界限[20]，小于該值為濕氣，大于該值為干氣，那么川中地區(qū)須家河組天然氣主要為濕氣。

在Whitcar圖版上，川中地區(qū)須家河組天然氣分布在熱成因氣區(qū)域（見圖2），表明這些天然氣未經(jīng)歷過明顯的熱裂解，這為研究煤系源巖生成的天然氣重烴氣地球化學特征提供了較好的地質和地球化學條件。

前人所不曾注意到的是，川中地區(qū)須家河組不同層段天然氣中iC4/nC4、iC5/nC5值明顯不同，總體為下部層位高于上部層位，如T3x6、T3x4和T3x2天然氣中，iC4/nC4值分別是1.04，1.22和1.26，iC5/nC5值分別為1.89，2.15和2.27。這種現(xiàn)象如用運移分餾作用難以解釋，因為上部層段的天然氣不大可能越過下伏烴源巖層運移到下部儲集層中。例如，T3x6段天然氣不大可能往下穿過T3x5段烴源巖運移至T3x4段儲集層中，依次類推。由于川中地區(qū)須家河組天然氣為原生氣藏，天然氣未經(jīng)歷過規(guī)模性的縱向或橫向運移[14]；由此推測，煤成氣中iC4/nC4、iC5/nC5值與其成熟度有關。

圖1 川中須家河組氣田分布和油氣系統(tǒng)

須家河組T3x5、T3x3和T3x1段烴源巖隨埋藏深度的增加Ro逐漸增大，例如廣安氣田的廣100井，T3x5段1 840 m井深處Ro值為1.28%，T3x3段2 043 m井深處Ro值為1.53%；龍女寺氣田女107井T3x5段1 895 m井深處Ro值為1.30%，T3x3段2 090 m井深處Ro值為1.52%[21]。并且，同一口井中，自T3x2到T3x4、T3x6，重烴氣含量依次增加，干燥系數(shù)依次降低，這與T3x1、T3x3和T3x5烴源巖成熟度逐漸降低相吻合[4]。

筆者選取了一批T3x4和T3x6氣藏天然氣樣品進行上、下氣藏天然氣差異研究，T3x4氣藏中天然氣濕度系數(shù)明顯高于T3x6氣藏，重烴氣含量T3x6氣藏天然氣高于T3x4氣藏。

筆者還對廣安及其他氣田一些鉆穿整個須家河組的鉆井，把不同深度氣藏中的天然氣一些地球化學特征進行對比發(fā)現(xiàn)，自下而上，即從T3x2到T3x4、T3x6，天然氣密度逐漸增大，甲烷含量逐漸降低（見表1），與T3x1、T3x3和T3x5烴源巖成熟度逐漸降低相吻合。這也說明上、下氣藏之間天然氣沒有混合現(xiàn)象，天然氣為原位成藏，成藏后沒有經(jīng)過明顯運移。

廣安氣田開發(fā)層位較多，其主要產(chǎn)層為T3x4和T3x6，不同產(chǎn)層天然氣最有可能來自氣藏下部的T3x3和T3x5煤系烴源巖，沉積地層埋藏深度決定了T3x3烴源巖的成熟度要高于上部T3x5段烴源巖。如圖3所示，廣安氣田T3x4段天然氣的干燥系數(shù)和iC4/nC4值高于T3x6。這一差異不大可能是T3x6氣藏的天然氣向下越過T3x5段烴源巖運移至下部的T3x4儲集層中，致使T3x4天然氣干燥系數(shù)和iC4/nC4值變大。同理，從組分特征來看，T3x4氣藏天然氣也不大可能運移至T3x6氣藏；如果天然氣自T3x4氣藏運移至T3x6氣藏，根據(jù)運移分餾效應，T3x6氣藏中的天然氣干燥系數(shù)和iC4/nC4、iC5/nC5值都應分別高于T3x4氣藏，而事實卻恰恰相反。上述現(xiàn)象可以用烴源巖成熟度的不同進行解釋：隨烴源巖成熟度增加，天然氣干燥系數(shù)增加，iC4/nC4值增加，甲烷碳同位素組成變重。

3 iC4/nC4、iC5/nC5值變化趨勢

把表1中所有的樣品中的iC4/nC4、iC5/nC5值數(shù)據(jù)做成相關圖（見圖4）發(fā)現(xiàn)，隨iC4/nC4值增加，iC5/nC5值也隨之增加，兩者變化趨勢基本一致，呈很好的相關性，復相關系數(shù)（R2）達0.818 5。此外，iC4/nC4和iC5/nC5值最低出現(xiàn)在南充氣田，廣安氣田部分樣品以及合川氣田該比值相對較高。其中廣安氣田樣品分別來自T3x4和T3x6氣藏，對應的烴源巖為T3x3和T3x5，烴源巖成熟度跨度相對較大，這可能是其iC4/nC4和iC5/nC5比值差異大的原因。

表1 川中須家河組主要氣田天然氣組分和碳同位素組成

圖2 川中地區(qū)須家河組天然氣δ13C1-C1/(C2+3)鑒別圖

圖3 廣安氣田T3x4和T3x6氣藏天然氣中iC4/nC4和C1/C1+關系圖

4 iC4/nC4、iC5/nC5值與成熟度關系

圖4 川中地區(qū)須家河組氣藏iC4/nC4和iC5/nC5關系圖

隨著成熟度（Ro）的增加，煤系烴源巖所生成天然氣的干燥系數(shù)也會逐漸變大，甲烷碳同位素組成逐漸變重。因此，天然氣干燥系數(shù)和甲烷碳同位素組成從某種程度上也能反映烴源巖的成熟度。為了便于比較，本文分別建立iC4/nC4、iC5/nC5值與天然氣干燥系數(shù)、甲烷碳同位素組成和折算Ro之間的關系圖版和關系式。

4.1 與天然氣濕度系數(shù)之間關系

戴金星等研究煤成氣濕度系數(shù)與其成熟度關系結果表明，隨成熟度增加，濕度系數(shù)降低[8]。濕度系數(shù)與干燥系數(shù)的變化趨勢呈相反關系，因此隨成熟度增加，天然氣干燥系數(shù)會相應增大。本文中天然氣iC4/nC4、iC5/nC5值都與干燥系數(shù)呈較好的正相關關系，即隨干燥系數(shù)增加，iC4/nC4和iC5/nC5值隨之增大（見圖5）。由圖5還可見，iC4/nC4值與干燥系數(shù)之間復相關系數(shù)為0.748 0，iC5/nC5值與干燥系數(shù)之間復相關系數(shù)為0.593 5，相較而言丁烷的相關系數(shù)更高，這可能是因為各種因素導致的測試誤差對戊烷含量影響更顯著，導致iC5/nC5值與干燥系數(shù)之間相關系數(shù)略有降低。

4.2 與甲烷碳同位素組成之間關系

無論是煤成氣還是油型氣，甲烷碳同位素組成與其成熟度之間都有較好的相關性，即隨成熟度增加，碳同位素組成變重。據(jù)此，前人建立了很多Ro-δ13C1關系式。川中地區(qū)須家河組煤成氣iC4/nC4、iC5/nC5值與甲烷碳同位素組成都呈較好的正相關關系，即隨干燥系數(shù)增加，兩比值都隨之增大（見圖6）。同樣地，相對戊烷而言，iC4/nC4值與甲烷碳同位素組成之間相關性更高，復相關系數(shù)達0.786 4，戊烷的相關系數(shù)略低，復相關系數(shù)為0.572 0。

圖5 川中地區(qū)須家河組氣藏iC4/nC4和iC5/nC5值分別與C1/C1+關系圖

4.3 與Ro之間關系

首先根據(jù)公式δ13C1≈14.12lgRo-34.39[6]換算出相應的Ro值，再利用川中地區(qū)部分鉆井的實測Ro值對計算值進行校正，用校正后的Ro值分別與iC4/nC4、iC5/nC5值作擬合圖。由圖7可見，隨烴源巖成熟度增加，川中須家河組煤成氣iC4/nC4、iC5/nC5值與Ro值也都分別呈較好的正相關關系。同樣地，iC4/nC4值與Ro值之間相關性高于iC5/nC5值，前者復相關系數(shù)為0.774 2，后者復相關系數(shù)為0.599 0。

圖6 川中地區(qū)須家河組氣藏iC4/nC4、iC5/nC5值和δ13C1關系圖

圖7 川中須家河組氣藏iC4/nC4、iC5/nC5值和Ro值關系圖

5 機理討論和地質意義

5.1 機理討論

國內一些學者認為，在有機質成熟過程中生成的正構烷烴與異構烷烴，兩者有著不同的生成機制，前者主要來自于自由基斷裂反應，后者主要來自碳陽離子反應，自由基斷裂反應在相對高成熟階段占優(yōu)勢，而碳陽離子反應則在相對低成熟階段占優(yōu)勢，導致iC4/nC4值隨成熟度增加而降低[12-13,26]。研究人員通過腐殖煤加水熱模擬實驗得出，從300 ℃到360 ℃生成天然氣中iC4/nC4和iC5/nC5值都逐漸降低，認為熱作用可使得其支鏈斷裂而趨于生成碳數(shù)更低的正構烷烴，導致烷烴的異正構比降低[27]。模擬實驗通常利用短時間、高溫來彌補地質歷史中的漫長、低溫狀態(tài)下有機質演化特征，但高溫容易促使烴類裂解，得出的iC4/nC4和iC5/nC5值隨成熟度變化規(guī)律的可靠性存疑。

國外有學者對Mississippian盆地Barnett組和Fayetteville組頁巖氣和常規(guī)天然氣組分進行詳細研究得出，在天然氣濕度小于5%時，即成熟度相對較高時，隨濕度變?。ǔ墒於仍黾樱?，iC4/nC4值快速降低；天然氣濕度大于5%時，隨濕度變?。ǔ墒於鹊脑黾樱琲C4/nC4值緩慢增加[28]。在天然氣濕度小于5%時濕氣發(fā)生裂解，異丁烷的穩(wěn)定性低于正丁烷，異丁烷減少的速率快于正丁烷[29]，導致iC4/nC4值快速降低；但在天然氣濕度大于5%時，為什么iC4/nC4值隨成熟度增加而有序增加未作解釋。

川中須家河組天然氣都屬于濕氣，伴隨濕氣還有少量凝析油產(chǎn)出，尚未達到濕氣裂解階段，濕度都大于5%（見表1），iC4/nC4和iC5/nC5值隨成熟度增加逐漸增大；其中，iC4/nC4值的變化趨勢與Mississippian盆地類似。至于為何iC4/nC4和iC5/nC5值隨成熟度增加而增加，這可能是由于支鏈烷烴相比直鏈烷烴從干酪根斷裂需要更高的能量，在成熟度較高但還未達到濕氣裂解階段，生成的異構烷烴的量相對較多。因此，本文所使用的數(shù)據(jù)來自未發(fā)生大規(guī)模運移的煤成濕氣，屬原生氣藏，且濕氣尚未經(jīng)過裂解，天然氣中丁烷和戊烷主要來自干酪根熱解，提出的iC4/nC4和iC5/nC5值作為煤成氣成熟度指標比較可靠，適用于濕度系數(shù)大于5%且未經(jīng)長距離運移的煤成氣，也適用于其他煤成氣盆地。

5.2 地質意義

天然氣中iC4/nC4和iC5/nC5值受母源類型、成熟度、運移和生物降解或氧化作用等諸多因素的影響，理論上這些比值能反映出很多地質現(xiàn)象；但長期以來，正是因為這些比值具有多解性，在應用方面具有較大的局限性。因此，先弄清天然氣在生成過程中這些比值隨成熟度的變化規(guī)律十分必要。結合地質背景，研究iC4/nC4和iC5/nC5值變化規(guī)律可以解決很多地質問題；例如，在原生氣藏中，利用這些比值可以大致判斷烴源巖的成熟度；其次，已知烴源巖成熟度，利用這些比值可以幫助揭示天然氣的運移動態(tài)和成藏過程；如果天然氣未經(jīng)歷大規(guī)模運移，該比值的變化或許揭示了遭受生物降解或氧化作用。

6 結論

川中須家河組天然氣為中等成熟度煤系烴源巖生成的熱解濕氣，未達到裂解氣階段，天然氣也未曾經(jīng)歷過大規(guī)模的運移和改造，屬原生氣藏，為研究煤成氣丁烷和戊烷的異正構比值變化規(guī)律提供了理想的地質條件。煤成氣中丁烷和戊烷異正構比值呈很好的正相關關系，在中—低成熟度階段，即天然氣濕度大于5%時，煤成氣iC4/nC4和iC5/nC5值隨天然氣干燥系數(shù)增加、甲烷碳同位素組成變重而逐漸呈線性增大，即隨成熟度增加，比值逐漸變大。由于支鏈烷烴從干酪根斷裂相比直鏈烷烴需要更高的能量；隨成熟度增加，生成的異構烷烴的量相對較多，使iC4/nC4和iC5/nC5值變大。本研究揭示了煤成氣丁烷和戊烷異正構比值隨熱演化的變化規(guī)律，提供了新的煤成氣回歸方程和成熟度計算指標，也為煤成烴地球化學和成藏研究提供了重要參考。