準噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣地球化學特征及成因研究

李二庭，靳 軍，廖健德，周 波，馬萬云，王海靜

(1.中國石油新疆礫巖油藏實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

沙灣凹陷位于準噶爾盆地西部，凹陷西接紅車斷裂帶和中拐凸起，北臨盆1井西凹陷和莫索灣凸起，東連莫南凸起，南鄰北天山山前沖斷帶的霍瑪吐背斜帶。沙灣凹陷周緣構造資源潛力巨大，自下而上發育石炭系(C)及二疊系佳木河組(P1j)、風城組(P1f)、下烏爾禾組(P2w)等多套烴源巖，烴源巖厚度大，生氣潛力大，具備形成大、中型氣藏的基礎地質條件[1]，其中，西斜坡帶石油地質資源量為1.73×108t，天然氣地質資源量為1 040×108m3，是目前油氣勘探重點區域。近年來在沙灣凹陷西斜坡帶發現了多個油氣田，包括車排子、小拐、金龍、紅山等油氣田，但區域油氣性質表現出明顯的差異性，同一油氣藏不同部位的油氣地球化學特征也具有較大的差異[2]。已發現的氣藏規模普遍較小，平面上分布廣，縱向上主要集中在侏羅系和白堊系，在二疊系和石炭系也有重大發現。由于研究區天然氣類型多樣，成因復雜，既存在腐泥型天然氣，也存在腐殖型天然氣，成熟氣與高—過成熟氣混雜分布，造成天然氣成因與來源認識不清，對于天然氣的勘探造成一定的困擾。前人對沙灣凹陷周緣天然氣研究主要以小區塊單一氣藏為主[3-5]，如陳建平等[3]依據天然氣碳同位素及組成特征，將克拉瑪依地區天然氣劃分為2種成因類型；李二庭等[5]研究認為，新光地區佳木河組致密砂巖天然氣主要來源于高成熟的下烏爾禾組烴源巖。整體上來看，前人對研究區深層天然氣成因研究不夠深入，亟需開展沙灣凹陷不同層系烴源巖生烴特征及其周緣天然氣地球化學特征和成因研究，為研究區天然氣的勘探和成藏研究提供支撐。

1 研究區概況

紅車斷裂帶和中拐凸起位于準噶爾盆地西部隆起帶(圖1)，是在石炭紀基底隆起的背景上，經二疊紀構造運動發育的大型隆起構造，主要的形成期為海西期。三疊紀初期，盆地整體抬升剝蝕，進入沉積—抬升的振蕩發展階段，形成一系列沖斷、褶皺、不整合及超覆等構造組合，并發育大量同沉積斷裂；三疊紀末期，盆地繼續抬升，形成三疊系和侏羅系之間的區域不整合，侏羅系構造變化較小，有較好的繼承性；白堊紀—古近紀是紅車斷裂帶和中拐凸起比較穩定的時期，邊緣緩慢隆升，中心相對沉降，但燕山期也存在2次明顯的構造活動，主要表現為白堊系底界與侏羅系之間的區域不整合、古近系與白堊系之間的不整合，新近紀以來的構造活動在紅車斷裂帶和中拐凸起地區的響應較弱，以抬升為主。

圖1 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣位置及天然氣有利區分布

紅車斷裂帶和中拐凸起供烴來源主要為瑪湖凹陷、沙灣凹陷和盆1井西凹陷，以二疊系烴源巖最為重要，包括下二疊統佳木河組(P1j)、風城組(P1f)和中二疊統下烏爾禾組(P2w)。伴隨盆地振蕩與湖水進退的變化，形成生油巖、儲積巖體的交互與側變，特別是受多源輸入形成多期疊置的洪積、沖積和三角洲砂體是油氣富集成藏的有利位置。研究區上古生界天然氣主要分布在中拐凸起北部五八區、金龍10井區、紅車斷裂帶北段(新光2等井)、紅車斷裂帶中段(車480等井)和紅車斷裂帶南段(車探1井)、新光1井區。

2 天然氣地球化學特征

2.1 天然氣組成特征

準噶爾盆地紅車斷裂帶和中拐凸起中淺層天然氣類型多樣，主要為原油溶解氣，氣層氣較少。由圖2可知：研究區天然氣組成以烴類氣體為主，可達89.07%～99.32%，干燥系數C1/C1-5值為0.79～0.98，屬于濕氣—干氣，反映研究區天然氣成熟度處于成熟—高成熟演化階段。其中，克拉瑪依油田五八區佳木河組的天然氣干燥系數整體偏高，為0.95～0.98，為高、過成熟干氣，主要為氣藏氣；紅車斷裂帶中段油氣主要分布于石炭系，干燥系數較高，主體為0.97以上，主要是受晚期干氣侵入或次生作用影響，如車峰3、車91、車排13井干燥系數為0.98，甲烷含量高達97.51%，樣品埋深較淺(小于2 000 m)，推測可能為生物氣，原油通過厭氧細菌降解作用，主要產物為甲烷，含量一般大于95.00%，具有少量重烴，含量一般為0.50%～5.00%[6]，且生物降解作用常常伴隨稠油生成。而車峰3、車91、車排13井原油均遭受嚴重的生物降解，正構烷烴含量極低或消失，原油密度為0.859 9～0.921 6 g/cm3。

圖2 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣組成

2.2 天然氣碳同位素組成特征

天然氣碳同位素組成是反映其母質類型、成熟度等的重要指標[7-9]。戴金星等[9]根據中國各盆地天然氣組成特征，認為δ13C2值大于-27.5‰為煤型氣，小于-29.0‰為油型氣。

由圖3a可知：研究區天然氣甲烷碳同位素δ13C1值為-47.3‰～-26.6‰，處于成熟—高過成熟階段，乙烷碳同位素δ13C2值為-34.5‰～-23.0‰，說明煤型氣、油型氣和混合型氣均有分布，存在多套烴源巖貢獻。

五八區佳木河組天然氣碳同位素值整體最大，δ13C1值為-31.3‰～-26.6‰，δ13C2值為-25.8‰～-23.0‰，為高—過成熟腐殖型天然氣，其他層位碳同位素值變化范圍較寬，δ13C1值為-47.3‰～-31.1‰，δ13C2值為-34.5‰～-26.1‰，反映其來源復雜，分布有低熟—高成熟腐泥型天然氣、成熟—高成熟腐殖型天然氣及兩者混合氣。金龍10井區碳同位素值變化范圍較小，δ13C1值為-34.2‰～-32.4‰，δ13C2值為-30.2‰～-28.6‰，反映其來源較為一致，主要為偏腐泥型天然氣。紅車斷裂帶北段天然氣顯示少，δ13C1值為-34.1‰～-33.1‰，δ13C2值為-28.6‰～-26.6‰，為混合型氣；紅車斷裂帶中段天然氣成因復雜，車峰3、車91、車排13井天然氣δ13C1值較低，與其他井天然氣成因明顯不同，為低熟生物氣成因，車峰6井天然氣乙烷碳同位素值極大，小于-26.0‰，可能與五八區佳木河組天然氣母質類型一致，其余井天然氣δ13C1值為-36.0‰～-34.5‰，δ13C2值為-30.6‰～-28.4‰，與金龍10井區天然氣碳同位素分布較為相近，主要為偏腐泥型天然氣。紅車斷裂帶南段車探1井δ13C2值為-28.2‰～-27.9‰，為混合型氣。新光1井區天然氣δ13C1值為-34.1‰～-33.1‰，δ13C2值為-29.3‰～-27.4‰，為混合型氣。

圖3 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣δ13C2與δ13C1、C1/C2-3與δ13C1關系

根據C1/C2-3與δ13C1關系圖版也可以判斷天然氣的類型[9]。由圖3b可知：研究區天然氣主要為混合型氣，五八區佳木河組主要為腐殖型天然氣，風城組和烏爾禾組天然氣存在腐泥型原油伴生氣。紅車斷裂帶中段天然氣成因復雜，車峰3、車91、車排13井天然氣為稠油伴生氣，車480、車487井具有較高的C1/C2-3值，可能是早期的腐泥型天然氣遭受晚期干氣侵入導致。

2.3 天然氣輕烴組成特征

輕烴是天然氣的重要組成部分，其中，C7輕烴組成可以區分天然氣的母質類型[10]。準噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣輕烴組成見圖4。由圖4可知：五八區佳木河組天然氣C7輕烴中甲基環己烷占優勢，含量為62.62%～75.57%，反映母質類型為腐殖型；其他層位天然氣C7輕烴中主體以正庚烷占優勢，含量為42.70%～59.09%，個別天然氣以甲基環己烷含量占優勢，含量大于50.00%，反映其母質類型以偏腐泥型為主，部分為混合型，少量腐殖型。金龍10井區天然氣C7輕烴中甲基環己烷含量為24.14%～41.28%，正庚烷含量為41.06%～55.88%，反映其母質類型以偏腐泥型為主，少量為混合型。紅車斷裂帶北段天然氣C7輕烴中正庚烷占優勢，含量為46.32%～54.12%，反映其母質類型為偏腐泥型。紅車斷裂帶中段車峰6井天然氣C7輕烴中甲基環己烷含量為53.85%，反映其母質類型為腐殖型，車峰3、車91、車排13井生物氣甲基環己烷含量基本大于50.00%，其余井天然氣甲基環己烷含量為32.08%～40.07%，正庚烷含量為46.32%～54.12%，反映其母質類型為偏腐泥型；紅車斷裂帶南段車探1井天然氣C7輕烴中正庚烷占優勢，含量為55.77%～56.25%，表現為腐泥型母質類型。

圖4 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣正庚烷—甲基環己烷—二甲基環戊烷關系

3 烴源巖熱模擬實驗研究

3.1 烴源巖地球化學組成特征

準噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣烴源以二疊系佳木河組、風城組和下烏爾禾組最為重要。其中，佳木河組烴源巖以凝灰巖為主，沙灣凹陷沉積厚度最大可達100 m，總體為差—中等烴源巖，部分為較好烴源巖，生烴潛力較差，TOC以小于0.60%為主，氯仿瀝青“A”含量以小于0.05%為主，氫指數為0～150 mg/g，Tmax為400～503 ℃，生烴母質以Ⅲ型為主，屬于腐殖型烴源巖；風城組烴源巖以泥巖、白云質泥巖和泥質白云巖為主，沙灣凹陷沉積厚度為50～225 m，具有很強生烴潛力，TOC以大于1.00%為主，氯仿瀝青“A”含量以大于0.10%為主，氫指數為150～600 mg/g，Tmax為400～460 ℃，生烴母質以Ⅰ、Ⅱ型為主，屬于腐泥型烴源巖；下烏爾禾組烴源巖在沙灣凹陷厚度為50～150 m，TOC以大于1.00%為主，但氯仿瀝青“A”含量以小于0.10%為主，氫指數為10～450 mg/g，Tmax為322～510 ℃，生烴母質以Ⅱ、Ⅲ型為主，屬于混合型烴源巖。

根據前人的研究可知[5]，二疊系佳木河組、風城組和下烏爾禾組烴源巖熱模擬生烴高峰(每噸TOC生烴量)分別為88.80、563.37、371.26 kg/t，總產氣率分別為66.02、351.20、293.35 kg/t。風城組烴源巖生烴能力最強，以生油為主，具有生高熟油型氣的潛力，下烏爾禾組烴源巖既可生油也可生氣，佳木河組烴源巖以生氣為主，下烏爾禾組烴源巖生氣能力明顯高于佳木河組烴源巖。

3.2 烴源巖熱解氣地球化學組成特征

為了探討二疊系佳木河組、風城組和下烏爾禾組烴源巖熱演化生氣過程中碳同位素變化，明確研究區上古生界天然氣的氣源。選取準噶爾盆地西北緣地區不同層位9塊烴源巖樣品(表1)，進行熱模擬實驗，選取的樣品TOC為0.70%～5.51%，Tmax為408～450 ℃，熱模擬實驗溫度設定為400～600 ℃，取樣溫度為400、450、500、550、600 ℃；根據前人研究，模擬取樣點的溫度對應計算Ro分別為1.14%、1.62%、2.28%、3.22%和4.54%[11]，對收集的熱解氣進行碳同位素分析，分析結果見圖5。

表1 準噶爾盆地沙灣凹陷二疊系烴源巖熱模擬樣品信息

圖5 準噶爾盆地沙灣凹陷二疊系烴源巖熱解氣δ13C1和δ13C2特征

沙灣凹陷中二疊統烴源巖沉積中心區成熟度為1.30%～3.00%，下二疊統烴源巖沉積中心區成熟度為2.00%～3.00%。由圖5可知：隨著熱解溫度的升高，烴源巖熱解氣中甲烷和乙烷碳同位素值逐漸變大。500 ℃(Ro=2.28%)時，佳木河組烴源巖熱解氣δ13C1值為-35.1‰～-27.4‰，δ13C2值為-26.4‰～-21.3‰。500 ℃(Ro=2.28%)時，風城組烴源巖熱解氣δ13C1值為-41.4‰～-40.2‰，δ13C2值為-36.0‰～-32.9‰，600 ℃(Ro=4.54%)時，δ13C1值為-38.6‰～-38.5‰，δ13C2值為-31.4‰～-31.0‰。450 ℃(Ro=1.62%)時，下烏爾禾組烴源巖熱解氣δ13C1值為-42.0‰～-36.1‰，δ13C2值為-34.8‰～-26.9‰，500 ℃時，δ13C1值為-38.1‰～-32.5‰，δ13C2值為-29.3‰～-26.1‰。

由熱解實驗可以看出，在相同熱解溫度下，熱解氣δ13C1值和δ13C2值由小到大依次為：腐泥型烴源巖、混合型烴源巖、腐殖型烴源巖。對于腐泥型烴源巖來說，在高、過成熟階段，熱解氣δ13C2值依然小于-31.0‰，可作為油型氣判識標志。

4 天然氣成因及分布

綜合上述分析，認為準噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣主要有6種成因類型。

Ⅰ類天然氣來源于高、過成熟佳木河組烴源巖，主要分布在五八區二疊系佳木河組(克82、金龍4、金龍1井)和紅車斷裂帶中段車峰6井，具有非常大的δ13C2值，可達-25.8‰～-23.0‰，與佳木河組烴源巖500 ℃(Ro=2.28%)熱解氣相似，干燥系數大于0.95，C7輕烴中甲基環己烷占優勢，與前人的研究成果一致[12]。

Ⅱ類天然氣為生物氣，主要分布在紅車斷裂帶中段車峰3、車91、車排13井石炭系，干燥系數接近1.00，具有偏負的天然氣δ13C1值，小于-41.5‰，δ13C2值在-29.0‰左右，δ13C(C2-C1)大于14.0‰，遠高于研究區其他類型天然氣；從伴生稠油地球化學特征來看，具有較高的β-胡蘿卜烷，原油碳同位素小于-29.1‰，伽馬蠟烷指數大于0.30，推測其來源為風城組。

Ⅲ類天然氣主要為佳木河組烴源巖與下烏爾禾組烴源巖混合，如五八區石炭系的金龍16、561井，紅車斷裂帶北段拐5、新光2井和紅車斷裂帶南段車探1井，干燥系數大于0.95，δ13C2偏重，在-26.0‰左右，C7輕烴中甲基環己烷占優勢，推測以佳木河組烴源巖來源為主；從車探1伴生原油的地球化學特征來看，Pr/Ph大于1.00，Pr/nC17和Ph/nC18小于0.60，C21、C22、C23三環萜烷呈“山峰型”分布，具有典型下烏爾禾組來源特征[13-20]。

Ⅳ類天然氣主要來自于下烏爾禾組烴源巖，主要分布于五八區(克75、金龍21、金龍114井)、新光1區佳木河組(新光1、中佳2-H井)和紅車斷裂帶北段(車排18井)；干燥系數大于0.90，δ13C2值為-27.5‰～-26.9‰，具有混合型烴源巖特征，與下烏爾禾組烴源巖500 ℃(Ro=2.28%)熱解氣相似，C7輕烴分布與腹部侏羅系油氣藏天然氣類似。以新光1井伴生凝析油為例，Pr/Ph值為1.15，Pr/nC17值為0.46，Ph/nC18值為0.49，為典型下烏爾禾組來源。

Ⅴ類天然氣主要為下烏爾禾組烴源巖與風城組烴源巖混合，該類型天然氣在研究區廣泛分布，可分為2個小類：Ⅴ-1天然氣以下烏爾禾組來源為主(五八區克78井，金龍10井區金龍6井，新光1井區中佳6井和紅車斷裂帶車排3、車480、車487井)，以偏干氣為主，δ13C2值大于-28.9‰；Ⅴ-2天然氣以風城組來源為主(五八區金龍35井，金龍10井區金龍10、金龍101、金龍124井，新光1井區中佳6井和紅車斷裂帶車473井)，以濕氣—偏干氣為主，δ13C2值小于-29.1‰，C7輕烴中正庚烷占優勢。以金龍10井伴生原油為例，Pr/Ph值為1.15，Pr/nC17值為0.48，Ph/nC18值為0.44，C21、C22、C23三環萜烷呈“上升型”分布，伽馬蠟烷指數為0.50，具有典型風城組和下烏爾禾組混源特征。

Ⅵ類天然氣主要來自風城組烴源巖，該類型天然氣主要分布于五八區上烏爾禾組和風城組(金龍17、金龍46、瑪湖8井)，δ13C2小于-31.2‰，與風城組烴源巖在400～600 ℃生成的熱解氣特征一致，以濕氣為主，C7輕烴具有正庚烷優勢，具有腐泥型母質特征。以金龍34井伴生原油為例，Pr/Ph值為0.99，Pr/nC17值為1.01，Ph/nC18值為1.11，C21、C22、C23三環萜烷呈“上升型”分布，伽馬蠟烷指數為0.31，具有典型風城組來源特征[13]。

根據以上分析，認為沙灣凹陷周緣存在二疊系3套有效氣源，分別為佳木河組、下烏爾禾組腐殖型和風城組腐泥型氣源巖，而由于天然氣具有近源成藏特點，推測沙灣凹陷區是有利的天然氣勘探區。沙探2井為2020年在沙灣凹陷區的新鉆探井(圖1)，在風城組獲得氣層，日產天然氣達2×104m3/d，天然氣同位素值為-30.66‰，主要來自風城組烴源巖，證實了文中研究認識的可靠性。

5 結 論

(1) 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣分布廣泛，天然氣類型多、成因復雜，以成熟—高成熟氣為主，生物氣、煤型氣、油型氣和混合型氣均有分布，二疊系佳木河組、下烏爾禾組和風城組均為有效氣源巖，研究目標區具有較高的天然氣勘探潛力。

(2) 準噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣主要分為6種成因類型：Ⅰ類天然氣來源于佳木河組烴源巖，δ13C2值極重；Ⅱ類天然氣為風城組烴源巖生成原油降解生成的生物氣，具有偏負δ13C1值和極高的干燥系數；Ⅲ類天然氣來源于佳木河組烴源巖與下烏爾禾組烴源巖混合，δ13C2值較重；Ⅳ類天然氣來源于下烏爾禾組烴源巖，δ13C2值為-27.5‰～-26.9‰，具有混合型烴源巖特征；Ⅴ類天然氣主要為下烏爾禾組烴源巖與風城組烴源巖混源，以δ13C2為-29.0‰為分界線，δ13C2值不小于-29.0‰，以下烏爾禾組來源為主，δ13C2值小于-29.0‰，以風城組來源為主；Ⅵ類天然氣來源于風城組烴源巖，δ13C2值小于-31.0‰。