川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣氣源判定及成藏分析

王睿婧，劉樹根，張貴生，孫 瑋

（1．成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；2．中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院）

川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣氣源判定及成藏分析

王睿婧1，劉樹根1，張貴生2，孫 瑋1

（1．成都理工大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室；2．中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院）

對川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣組成及碳同位素的分析表明，須二段天然氣為煤型氣和油裂解氣的混合成因氣，其氣源有3種：①馬鞍塘組—小塘子組烴源巖，腐殖-腐泥混合型有機質生油生氣，而后油在高溫下裂解成氣；②須二段內部烴源巖，以生氣為主，自生自儲；③須三段烴源巖對須二段天然氣聚集也有貢獻，但貢獻極小。在對須二段氣藏烴源巖生排烴高峰期天然氣充注史與巖石致密演化之間的動態關系進行分析判定，認為須二段氣藏屬于典型的“后成型”致密氣藏，其成藏過程符合“早聚、中封、晚活化”的成藏模式。

天然氣氣源；天然氣成藏；須家河組；川西坳陷

致密砂巖氣藏是指孔隙度低（＜12%）、滲透率較低（1 mD）、含氣飽和度低（＜60%）、含水飽和度高（＞40%）、天然氣在其中流動速度較為緩慢的砂巖層中的天然氣藏［1］，是一種儲量巨大的非常規氣藏［2］。早在20世紀70年代，我國專家汲取北美在勘探開發致密砂巖含氣方面的豐富經驗，結合我國含氣盆地的地質條件，逐步開展了致密砂巖含氣領域的研究［3-6］。近年來在該研究領域更是取得了豐碩的成果［7-16］。川西坳陷上三疊統須家河組天然氣藏屬于典型的致密-超致密氣藏［17］，一直以來都是油氣勘探研究的重點區塊。筆者在判斷研究區致密氣藏類型的基礎上，通過對研究區須家河組二段天然氣組分、碳同位素等地球化學特征的研究，并綜合借鑒前人研究成果，探討其天然氣的來源，分析天然氣的成藏過程。

1 地質概況

川西坳陷位于四川盆地西部，為晚三疊世以來陸相盆地的深坳陷部分，走向北東，總面積約3.1×104km2。大地構造位置處于龍門山造山帶以東、揚子地塊西北緣［18］。該坳陷的西界為龍門山推覆構造帶，東界位于龍泉山一帶，北界為米倉山推覆構造帶，南界位于雅安—樂山一帶。孝泉—新場—合興場地區位于川西坳陷中段（圖1）。

圖1 川西坳陷須家河組氣田分布及研究區位置圖Fig.1 Gas fields distribution of Xujiahe Formation in West Sichuan depression and the location of the study area

2 須二段天然氣類型及烴源巖分析

川西坳陷上三疊統為一套退覆沉積，經歷了臺地邊緣濱海相→海陸過渡相→陸相的沉積旋回，并以陸相旋回期較長的沉積過程［19］，自下而上沉積了馬鞍塘組—小塘子組（T3m—T3t）、須二段（T3x2）、須三段（T3x3）、須四段（T3x4）、須五段（T3x5）地層。 各層段中均有烴源巖發育，其中又以馬鞍塘組烴源巖、須三段烴源巖和須五段烴源巖為主力烴源巖層。烴源巖具有厚度大、分布廣、有機質豐度高、品質好、生氣量巨大的特點①楊克明，葉軍，朱宏權，等.川西致密碎屑巖天然氣富集規律與勘探開發關鍵技術.中國石化油田勘探開發事業部油氣勘探先導項目成果報告，2009.。

2.1 須二段天然氣特征

川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣甲烷含量主要為91.64%～98.71%，乙烷僅占0.47%～5.99%，丙烷占0.07%～1.07%，其它烴含量均很低，碳數越大，含量越小。非烴氣體組成中基本不含H2S或H2S含量極少，這是由其成烴環境和成烴母質所決定的。研究區須二段δ13C1分布為-37.27‰～-30.30‰，δ13C2為 -27.10‰～-20.84‰，δ13C3為 -27.53‰～-19.31‰［20］，總體呈現出 δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正常系列分布趨勢，顯示天然氣為典型的有機成因氣［20］。研究區須二段天然氣組分特征及碳同位素分析見表1。

表1 川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣組分及碳同位素分析表（據內部資料②吳世祥，宋立珩，馮瓊，等.川西坳陷上三疊統氣水分布規律及控制因素研究.中國石化西南分公司勘探生產科研項目研究成果報告，2007.及文獻［21-23］整理）Table 1 Analysis of natural gas composition and carbon isotope of the second member of Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang area

2.2 須二段天然氣類型判定

判定天然氣類型的方法很多，目前主要是根據典型地區天然氣的各種地球化學特征及其之間的相互關系推出一般的規律，從而制定出通用性的判定圖版和判別標準［19-21］。根據判別目的的不同，選擇相應的判定標準或圖版。在判別油型氣和煤型氣成因方面，戴金星［24］曾提出過中國煤型氣與油型氣成因的判別標準，認為δ13C1為-10‰～-43‰，并且δ13C2＞-25.8‰ 的天然氣為標準煤型氣；而 δ13C1為-30‰～-55‰，且 δ13C2＜-28.8‰ 的天然氣為油型氣。考慮到研究區碳同位素數據的有限性、復雜性及該判別標準可能造成的多解性，筆者采用戴金星提出的δ13C1-C1/C2+3圖版來鑒定研究區天然氣的類型（圖 2）。

圖2 川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣類型判別圖Fig.2 Gas type of the second member of Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang area

從圖2可以看出，須二段天然氣組分特征及甲烷同位素投射到圖版上的點，基本落在Ⅱ1區間里，表明須二段天然氣的類型可判定為煤型氣和油型裂解氣的混合成因氣。

從天然氣生成的過程分析，主要是以干酪根裂解氣為主，也有石油裂解氣，前者與煤型氣相對應，后者則對應油型裂解氣。20世紀90年代以來，國內外學者應用天然氣中C1—C3組成及δ13C1—δ13C3同位素資料來鑒別原油裂解氣和干酪根熱降解氣，所用的主要參數包括 δ13C2—δ13C3與 ln（C2/C3）的關系圖版、ln（C1/C2）與 ln（C2/C3）的關系圖版等［25-26］。目前，較為通用的是 ln（C1/C2）與 ln（C2/C3）的關系圖版［27］。利用該圖版，結合表1中須二段氣體成分含量分析并借鑒須四段數據，編制了圖3。

圖3 川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段、須四段天然氣 ln（C1/C2）-ln（C2/C3）圖解Fig.3 Illustration of carbon isotope relation for gas samples of the second and fourth member of Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang area

根據表1中川高561井天然氣的組分含量及碳同位素值，其數值點落于圖2中的Ⅱ2區域，則說明其為煤型氣或凝析油伴生氣。因為δ13C1值為-37.37‰，δ13C2值為-21.54‰，根據戴金星提出的天然氣類型判定標準，可確定其屬于與煤型氣相關的天然氣，為初次裂解氣。圖3中，川高561井數據點附近的探井天然氣組分數據均有此特征，可判斷這些井的天然氣處于初次裂解氣范圍；而圖中剩余井的氣體數據分布與圖版中二次裂解氣的分布形式相近，因此判斷其天然氣為二次裂解氣。由此看來，須二段天然氣既有初次裂解氣，也有二次裂解氣的存在。

大多學者普遍認為，研究區須二段天然氣是以煤型氣為主［15，23-24］，但其油型氣的成因也得到了一些學者的認可。葉軍［28］認為，川西坳陷須二段主要為下伏馬鞍塘組—小塘子組烴源巖，其有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主，須二段氣藏為早期原油裂解氣藏。羅小平［29］指出須二段致密砂巖的溶蝕孔洞、裂縫及砂巖層理界面上分布大量瀝青，為馬鞍塘組—小塘子組與須二段海灣相油型烴源巖在生油窗期生成的古油藏，在后來的高溫條件下裂解成天然氣后的殘留物。一般來講，干酪根的生油窗為60～150℃，生氣窗為150～180℃，當溫度大于180℃時，以原油裂解為主，生成干氣。川西孝泉—新場—合興場地區須二段儲層埋藏深度普遍較深，位于地下4000～5000 m。李林濤等［30］利用剝蝕量恢復技術推斷出川西孝泉—新場—合興場地區自晚三疊世以來的總剝蝕量為2300 m，因此，須二段在地史期內最大埋深可達7300 m。根據古地溫梯度的折算（川西古地溫梯度為25℃/km［31］，假設地表溫度為現今地表溫度20℃），當時須二段所經歷的溫度大致為195℃，滿足原油裂解成氣的要求，故研究區須二段天然氣的油裂解成因觀點是具有地質依據的。

2.3 須二段天然氣來源

通過以上的分析可知，川西坳陷孝泉—新場—合興場地區須二段天然氣的類型為油型裂解氣與煤型氣的混合成因氣，兩者是由不同的成烴母質和成烴環境所決定的，以下分別探討這2種成因天然氣的來源。

2.3.1 油型裂解氣的烴源巖

馬鞍塘組—小塘子組（也稱須一段）烴源巖下伏于須二段儲層中，沉積于淺海陸棚海灣環境,生烴巖石主要為海灣泥坪和濱岸沼澤相為主的泥灰巖、泥頁巖。其泥質烴源巖有機質類型主要為腐泥-腐殖型（Ⅱb），灰巖有機質類型為腐殖型-腐泥型（Ⅱa）和腐泥－腐殖型（Ⅱb），生烴潛力巨大。

馬鞍塘組—小塘子組有機質在高成熟以前主要是生成液態石油，這些液態石油向上運移至須二段儲層中富集，后期由于埋藏深度加大，原油在儲層中過熟裂解成氣。須二段儲層中見到的瀝青充填物［29］，即是液態烴裂解成天然氣后的殘留物，這便是須二段古油藏裂解成氣藏的有力證據。須二段古油藏也是川西坳陷上三疊統須家河組天然氣的重要氣源。

2.3.2 煤型氣的烴源巖

須二段烴源巖以黑色頁巖為主，夾煤線，有機質類型主要為腐殖型（Ⅲ）。

田軍等［32］、何心貴等［33］研究川西坳陷新場地區天然氣及其氣源時，運用氣源巖的δ13C1-Ro關系式定量追蹤天然氣源巖。研究表明，新856井和新853井須二段天然氣來自于須二段自身的烴源巖，呈現出自生自儲的特點。

沈忠民等［20］通過對天然氣組分、穩定碳同位素分布、天然氣干燥系數、天然氣輕烴特征等地球化學特征的分析認為，須二段天然氣應該是不同時期形成的、成熟度不同的天然氣相互混合而成，以自生自儲為主。其天然氣具有明顯的運移分異效應，這正好與其巖層致密化特征相符。

須三段烴源巖為一套深灰色炭質泥頁巖夾砂巖、煤系地層，有機質類型主要為腐殖型（Ⅲ）。

處于相對低部位的須三段烴源巖所生成的天然氣在向上運移的過程中，可能在某些處于側向高部位的須二段儲層中聚集。

3 須二段致密砂巖氣藏形成演化

源巖生排烴高峰期天然氣充注與巖石致密演化之間存在動態關系。姜振學等根據這個關系將致密砂巖氣藏分為2種類型：一是“先成型”深盆氣藏，即儲層致密化過程（孔隙度小于12%，滲透率小于1 mD）發生在源巖生排烴高峰期天然氣充注之前；二是“后成型”致密氣藏，即儲層致密化過程發生在源巖生排烴高峰期天然氣充注之后［34］。筆者采用孔隙度10%作為劃分致密儲層的標準。

“后成型”致密砂巖氣藏早期的常規儲層利于天然氣運移、聚集，之后儲層致密化，天然氣與孔隙水被封堵，氣水關系極其復雜。但從一定程度上來講，天然氣得到了很好的保存。后期的構造運動產生大量斷裂和裂縫，前期封堵在致密儲層中的天然氣沿斷裂及裂縫通道運移，重新分布，聚集成藏。

對于須二段氣藏而言，其氣源多樣，烴源巖生烴強度大，油氣充注期次多。楊克明等［35］將其成藏過程總體概括為“早聚、中封、晚活化”，與其具有“后成型”致密砂巖氣藏特征相符（圖4）。

圖4 川西坳陷孝泉—新場地區須二段氣藏天然氣充注史與巖石致密化關系圖Fig.4 Relationship between gas charging history and rock-tightening evolution of the second member of Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang area

現以新場地區為例，對研究區須二段天然氣成藏過程進行具體的剖析：

（1）須四段沉積末期，T3m+t—T3x2油氣成藏系統內馬鞍塘組—小塘子組海陸過渡相烴源巖開始生油（圖 5a），直至早侏羅世均以生油為主［28］，在T3x5沉積時期，馬鞍塘組—小塘子組烴源巖出現了第一次生、排烴高峰（圖4中紅色條帶所示）。早期生成的石油向上運移至須二段古構造中并聚集成藏（此時儲層未致密，符合常規儲層天然氣成藏機理，圖4），隨后埋藏加深，石油發生熱裂解作用，生成天然氣，須二段古油藏逐漸向氣藏過渡（圖5b），須二段儲層中見到的大量瀝青殘留物便是有力的證據。同時，熱降解瀝青以固相成分參與了儲層的致密化作用［36］。從中侏羅世末期到晚侏羅世，馬鞍塘組—小塘子組烴源巖和須二段烴源巖均出現了2次以氣為主的生排烴高峰（圖4中紅色條帶所示，J2s沉積時和J3p沉積時），此時大部分儲層孔隙度仍大于7%～8%，滿足天然氣運移聚集的儲集條件（圖4）。須二段內部烴源巖生成的天然氣其二次運移距離短，有利于自生自儲，且生、排烴高峰延續至了早白堊世。在同一地史時期內，T3x3—T3x4油氣成藏系統中須三段烴源巖也出現了2次生氣高峰，須三段烴源巖生氣量大，天然氣成游離態運移，其小部分可能通過斷層連通，最終在某些處于側向高位的須二段儲層中得以聚集。這一階段天然氣按常規油氣藏差異聚集原理富集，形成燕山期古隆起有利的油氣富集區，以常規背斜圈閉聚集為主（可能有部分非背斜圈閉）的天然氣藏［35］。

圖5 新場地區須二段氣藏成藏模式圖Fig.5 The accumulation model of the second member of Xujiahe Formation in Xinchang area

（2）K—E時期大幅沉降，須二段儲層超致密化，天然氣被封存起來，不再運移［37］，這為天然氣的保存起到了重要作用。

（3）喜馬拉雅期，構造運動強烈，分支斷層、褶皺和裂縫系統發育［38］，須二段氣藏部分天然氣通過斷層和裂縫垂向上竄，在上覆地層形成次生氣藏，即所謂的煙囪作用（效應）［37］。部分油裂解氣攜帶瀝青，其運移后，可能將瀝青殘留在斷層面上或裂縫中（圖 5c）。

4 結論

（1）川西孝泉—新場—合興場地區須二段氣藏天然氣甲烷同位素分布為-37.27‰～-30.30‰，乙烷同位素為-27.10‰～-20.84‰，為煤型氣與油型裂解氣的混合成因氣。

（2）川西孝泉—新場—合興場地區須二段氣藏天然氣來源有3種：馬鞍塘組—小塘組烴源巖；須二段內部烴源巖；須三段烴源巖。

（3）須二段氣藏屬于典型的“后成型”致密氣藏，其氣源多樣，多期充注，成藏過程符合“早聚、中封、晚活化”的成藏模型。

［1］關德師，牛嘉玉.中國非常規油氣地質［M］.北京：石油工業出版社，1995：60-85.

［2］董曉霞，梅廉夫，全永旺，等.致密砂巖氣藏的類型和勘探前景［J］.天然氣地球科學，2007，28（3）：351-355.

［3］查爾斯W，斯潘塞.致密儲氣層地質學［M］.龔正榮，譯.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1991：57-93.

［4］王金琪.超致密砂巖含氣問題［J］.石油與天然氣地質，1993，14（3）：169-179.

［5］張金川，金之鈞.阿爾伯達盆地深盆氣成藏條件與基本特征［J］.國外油氣勘探，1999，11（5）：400-407.

［6］王金琪.中國大型致密砂巖含氣區展望［J］.天然氣工業，2000，20（1）：10-16.

［7］張金亮，常象春，張金功.鄂爾多斯盆地上古生界深盆氣藏研究［J］.石油勘探與開發，2000，27（4）：30-35.

［8］宋巖，洪峰.四川盆地川西坳陷深盆氣地質條件分析［J］.石油勘探與開發，2001，28（2）：11-14.

［9］馬新華.鄂爾多斯盆地上古生界深盆氣特點與成藏機理探討［J］.石油與天然氣地質，2005，26（2）：230-236.

［10］張金亮，常向春，王世謙.四川盆地上三疊統深盆氣研究［J］.石油學報，2002，23（3）：27-32.

［11］張金川，金之鈞.深盆氣成藏機理及分布預測［M］.北京：石油工業出版社，2005：5-9，82-83.

［12］趙靖舟，吳少波，武富禮.論低滲透儲層的分類與評價標準——以鄂爾多斯盆地為例［J］.巖性油氣藏，2007，19（3）：29-31.

［13］李云，時志強.四川盆地中部須家河組致密砂巖儲層流體包裹體研究［J］.巖性油氣藏，2008，20（1）：27-32.

［14］李慶忠.巖性油氣藏地震勘探若干問題討論（Ⅰ）［J］.巖性油氣藏，2008，20（2）：2-5.

［15］史建南，鄭榮才，韓永林，等.鄂爾多斯盆地姬塬地區長8油層組巖性油藏成藏機理研究［J］.巖性油氣藏，2009，21（3）：129-133.

［16］葛善良，周文，謝潤成，等.復雜構造變形地區致密巖石力學性質實驗分析［J］.巖性油氣藏，2010，22（1）：60-64.

［17］李林濤，鄧克，張建華.川西坳陷中段上三疊統須家河組致密氣藏超壓特征與組合類型劃分［J］.特種油氣藏，2010，17（3）：20-30.

［18］楊克明.川西坳陷須家河組天然氣成藏模式探討［J］.石油與天然氣地質，2006，27（6）：786-794.

［19］葉軍，曾華盛.川西須家河泥頁巖氣成藏條件與勘探潛力［J］.天然氣工業，2008，28（12）：18-25.

［20］沈忠民，潘中亮，呂正祥，等.川西坳陷中段須家河組天然氣地球化學特征與氣源追蹤［J］.成都理工大學學報:自然科學版，2009，36（3）：226-229.

［21］李書兵.川西坳陷中段上三疊統成藏年代學及流體演化特征研究［D］.成都：成都理工大學，2007.

［22］王玲輝，沈忠民，趙虎.川西坳陷中段天然氣碳同位素特征及其成因類型［J］.物探化探計算技術，2008，30（4）：321-330.

［23］戴金星，倪云燕，鄒才能，等.四川盆地須家河組煤系烷烴氣碳同位素特征及氣源對比意義［J］.石油與天然氣地質，2009，30（5）：521-529.

［24］戴金星.天然氣碳氫同位素特征和各類天然氣鑒別［J］.天然氣地球科學，1993，3（2/3）：11-14.

［25］孫瑋，劉樹根，馬永生，等.四川盆地威遠—資陽地區震旦系油裂解氣判定及成藏過程定量模擬［J］.地質學報，2007，81（8）：1154-1159.

［26］Behar F，Kressmann S，Rudkiewicz J L，et al.Experimental simulation in confined system and kinetic modeling of kerogen and oil cracking［J］.Organic Geochemistry，1991，19：173-189.

［27］Prinzhofer A，Huc A Y.Genetic and post 2 genetic molecular and isotopic fractionations in natural gases［J］.Chemical Geology，1995，126：281-290.

［28］葉軍.川西坳陷馬鞍塘組—須二段天然氣成礦系統烴源巖評價［J］.天然氣工業，2003，23（1）：21-25.

［29］羅小平，曹軍，沈忠民.川西坳陷中段上三疊統須家河組儲層瀝青地球化學特征及成因研究［J］.礦物巖石，2009，29（1）：93-98.

［30］李林濤，龐雄奇，熊亮，等.運用剝蝕量恢復技術進行構造圈閉演化研究——以川西坳陷中段須家河組為例［J］.天然氣地球科學，2010，21（3）：441-448.

［31］劉樹根，羅志立，戴蘇蘭.龍門山沖斷帶的隆升和川西前陸盆地的沉降［J］.地質學報，1995，69（3）：205-214.

［32］田軍，沈忠民，呂正祥，等.川西坳陷中段新場地區天然氣研究及氣源對比［J］.地質學報，2009，29（1）：20-23.

［33］何心貴，楊先利.川西坳陷中段陸相天然氣源巖追蹤［J］.天然氣工業，2002，22（3）：14-17.

［34］姜振學，林世國，龐雄奇，等.兩種類型致密砂巖氣藏對比［J］.石油實驗地質，2006，28（3）：200-214.

［35］楊克明，葉軍，呂正祥.川西坳陷上三疊統須家河組天然氣分布及成藏特征［J］.石油與天然氣地質，2004，25（5）：502-505.

［36］葉軍.川西新場851井深部氣藏形成機理研究——X 851井高產工業氣流的發現及意義［J］.天然氣工業，2001，21（4）：16-20.

［37］劉樹根，李國蓉，李巨初，等.川西前陸盆地流體的跨層流動和天然氣爆發式成藏［J］.地質學報，2005，79（5）：690-699.

［38］王金琪.早聚晚藏——川西坳陷天然氣基本特征［J］.天然氣工業，2001，21（1）：5-12.

Judgement of natural gas resource and accumulation analysis of the second member of Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang area of West Sichuan depression

WANG Rui-jing1， LIU Shu-gen1， ZHANG Gui-sheng2， SUN Wei1
（1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059，China； 2.Research Institute of Exploration and Development， Southwest Branch,Sinopec， Chengdu 610051， China）

The analysis ofnatural gas composition and carbon isotope ofthe second member ofUpper Triassic Xujiahe Formation in Xiaoquan-Xinchang-Hexingchangarea ofWest Sichuan depression indicates that the natural gas is hybrid origin consistingofcoaliferous gas and oil-cracked gas.It has three sources:①source rock ofMaantangand Xiaotangzi Formation,humic-sapropelic organic material generated oil and gas and then the oil cracked into gas under high temperature;②source rock within the second member ofXujiahe Formation,gas-generated mainly,self-generatingand self-reserving;③source rock within the third member of Xujiahe Formation,which did few contributions to the gas accumulation ofthe second member ofXujiahe Formation.Byanalyzingthe dynamic relationship between gas charging history and the rock-tightening evolution,the gas reservoir of the second member of Xujiahe Formation is judged as a typical“subsequent tight sand gas” reservoir,whose accumulation process conformed to the specific mode of“early accumulation-seal up-late activation”.

natural gas resource；gas accumulation；Xujiahe Formation；West Sichuan depression

TE122.11

A

2011-03-28；

2011-04-20

王睿婧，1986年生，女，成都理工大學在讀碩士研究生，主要從事石油天然氣地質和天然氣成藏研究。地址：（610059）四川省成都市成華區二仙橋東三路 1號成都理工大學能源學院。E-mail：fancysafina@sina.com

1673-8926（2011）04-0100-06

楊琦）