川中與川西地區(qū)陸相煤成氣地球化學特征差異

周國曉，姚嘉，宋昌貴

（中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083）

川中與川西地區(qū)陸相煤成氣地球化學特征差異

周國曉，姚嘉，宋昌貴

（中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083）

對四川盆地川中與川西地區(qū)陸相氣藏天然氣組分、碳同位素和氫同位素數(shù)據(jù)進行分析。結果表明：川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系天然氣以干氣為主，川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組天然氣以濕氣為主；天然氣中甲烷含量、干燥系數(shù)和氮氣含量等在川西地區(qū)縱向上有規(guī)律變化。川中地區(qū)上三疊統(tǒng)天然氣甲烷碳同位素輕于川西地區(qū)天然氣甲烷碳同位素；乙烷碳同位素值除川中八角場大安寨組氣藏部分氣樣表現(xiàn)為油型氣外，川中地區(qū)須家河組氣藏和川西地區(qū)須家河組、侏羅系氣藏均為煤型氣。造成上述差異的主要原因是：川西地區(qū)須家河組在須三段沉積末期就進入生烴門限，川中地區(qū)須家河組直到早侏羅世才開始生烴。川西地區(qū)侏羅系次生氣藏是須家河組氣源在高壓下以混合相通過斷裂形成的，川中地區(qū)須家河組氣藏主要以游離相匯聚至物性較好的砂體中。

川中地區(qū)；川西地區(qū)；須家河組；煤成氣；天然氣地球化學特征

0引言

煤成氣占中國大氣田數(shù)量的61%，占天然氣儲量的3/4［1］。上三疊統(tǒng)須家河組煤成氣勘探開始于20世紀50年代，截止2008年該層系探明率僅為為10.40%［2］。結合前人研究成果，對川中與川西地區(qū)以須家河為氣源的氣藏天然氣地球化學特征進行對比，為下一步勘探提供地質(zhì)-地球化學依據(jù)。

川中地區(qū)位于華鎣山斷裂以西，龍泉山以東，構造上屬于川中低平構造帶，具有強磁性剛性基底，區(qū)域構造穩(wěn)定，斷層不發(fā)育［3］。川西地區(qū)是指龍門山斷裂與龍泉山斷裂之間的區(qū)域，構造上屬于川西低陡構造帶（圖1）。中三疊世末期的早印支運動造成盆地區(qū)域隆升，海水西退過渡為陸相碎屑巖沉積環(huán)境；晚三疊世由于龍門山逆沖推覆作用，造成川西地區(qū)沉降幅度大，呈現(xiàn)出西低東高的構造格局；須家河組沉積后經(jīng)歷了侏羅紀和早白堊世的深埋作用；晚白堊世及其之后由于川西龍門山與川北大巴山的逆沖推覆作用，四川盆地整體抬升剝蝕［4-5］。須家河組主要發(fā)育潮濕環(huán)境下的沖積扇、河流相、湖泊相、沼澤相及扇三角洲相的含煤沉積，呈西厚東薄發(fā)育特征，三套含煤泥巖與含煤砂巖呈互層狀分布［6］，自下而上可分為六段：須家河組須一段、須三段和須五段為炭質(zhì)頁巖、暗色泥巖和煤沉積，須二段、須四段和須六段巖性為致密砂巖。侏羅系為氧化環(huán)境下沉積的不具生烴能力的陸相碎屑巖。在川西地區(qū)，上三疊統(tǒng)須家河組、下侏羅統(tǒng)白田壩組—上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組和下白堊統(tǒng)均有氣藏分布；川中地區(qū)主要發(fā)育上三疊統(tǒng)須家河組自生自儲氣藏。

圖1　四川盆地煤成氣氣田分布圖Figure 1 Coal gas fields distribution in Sichuan Basin

1天然氣地球化學特征

1.1組分特征

在烴類氣體中，除川西地區(qū)北段的中壩氣田須二段氣藏甲烷含量與川中地區(qū)須家河組氣藏甲烷含量相當外，川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系各層位氣藏天然氣甲烷含量均高于川中地區(qū)須家河組氣藏天然氣甲烷含量，乙烷和丙烷含量則相反（表1）。因此，川西地區(qū)陸相氣藏天然氣干燥系數(shù)多數(shù)大于0.95，屬干氣，川中地區(qū)須家河組氣藏天然氣干燥系數(shù)均小于0.95，屬濕氣。這與川西地區(qū)須家河組烴源巖比川中地區(qū)埋深大、熱演化程度高有關。

在川西地區(qū)，甲烷含量、天然氣干燥系數(shù)和氮氣含量在上三疊統(tǒng)須家河組中隨埋藏深度變淺有減小的趨勢，而在侏羅系中隨埋藏深度變淺有增大的趨勢，筆者認為前者是須家河組不同段烴源巖熱成熟作用差異導致的，后者與天然氣長距離運移造成的組分分餾相關。二氧化碳分子大于氮氣分子，不容易遷移，所以可以看出隨地層埋深變淺二氧化碳含量呈減少的趨勢。在川西地區(qū)，侏羅系氣藏異丁烷與正丁烷的比值均大于下伏須家河組氣藏，這也是天然氣長距離運移分餾造成的結果。

川中地區(qū)廣泛分布的只有須二段氣藏，甲烷含量和干燥系數(shù)在由北向南分布的八角場、合川和安岳須二段氣藏中表現(xiàn)為逐漸變小。除合川和安岳地區(qū)須二段氣藏外，縱向上由須二段至下侏羅統(tǒng)大安寨組氣藏，可以看出因地層埋深變化、成熟度降低導致的甲烷含量和干燥系數(shù)減小，重烴氣含量增大。在川中地層須家河組氣藏中，非烴氣體二氧化碳含量較為集中，氮氣含量較零散。

1.2同位素特征

川西與川中地區(qū)氣樣的碳同位素組合均為正序列，說明均為有機成因氣［11］。川西地區(qū)甲烷碳同位素值主要為-35.6‰～-33.2‰，乙烷碳同位素為-25.3‰～-22.0‰；而川中地區(qū)甲烷碳同位素在-43.2‰～-37.2‰，乙烷同位素值在-27.4‰～-25.5‰，對比發(fā)現(xiàn)川中地區(qū)甲烷和乙烷碳同位素整體偏輕。

表1　川中與川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系氣藏天然氣平均組分表Table 1 Upper Triassic Xujiahe Formation and Jurassic System gas reservoir natural gas average components in central and western Sichuan

甲烷碳同位素主要與母源和成熟度相關［11］，受成熟度影響較大。川西地區(qū)甲烷碳同位素值為-35.6‰～-33.2‰，而川西地區(qū)南段的邛西地區(qū)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組氣藏甲烷碳同位素明顯偏輕，為-38.5‰，落入川中地區(qū)須家河組甲烷同位素區(qū)間（-43.2‰～-37.2‰）。筆者認為邛西地區(qū)中侏羅統(tǒng)沙溪廟組氣藏甲烷異常偏輕是因為它來自下伏須家河組烴源巖低成熟—成熟階段早期的產(chǎn)物。

乙烷對源巖的碳同位素具有很好的繼承性，主要反映母質(zhì)類型［12］。無論采用-28‰或-29‰還是-30‰為分界線，都發(fā)現(xiàn)川中地區(qū)八角場地區(qū)下侏羅統(tǒng)大安寨組乙烷碳同位素還是落入油型氣的范圍，乙烷碳同位素輕至-31.5‰，初步認為川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)氣藏有自身生成的油型氣混入。而八角場氣田須家河組氣藏和其他氣田不同層位的氣藏乙烷碳同位素都比較重，屬于煤成氣。

烷烴氣的氫同位素組成主要受源巖沉積環(huán)境、成熟度和有機物類型三個因素制約［12］。在川中與川西地區(qū)須家河組源巖的沉積環(huán)境和有機物類型基本相同，川西地區(qū)的甲烷氫同位素之所以大于川中地區(qū)的甲烷氫同位素，主要還是成熟度較大造成的。符合四川盆地海相成因天然氣和陸相成因天然氣甲烷氫同位素值約以-150‰為界的標準，陸相成因天然氣甲烷氫同位素值一般小于-150‰［13］。

2烴源巖演化

上三疊統(tǒng)須家河組烴源巖根據(jù)有機質(zhì)富集程度可分為煤、碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖，屬半深湖-淺湖-湖濱平原相沉積，自東向西逐漸增厚，在川西地區(qū)泥質(zhì)烴源巖厚度達300～850 m，尤其在川西中段達最厚；而在川中地區(qū)厚度只有100～300 m［14］，有機質(zhì)類型為Ⅲ型，以生氣為主。

川西地區(qū)須一段大部分均處于高-過成熟階段，而川中地區(qū)須一段處于成熟階段；須三段在川西地區(qū)達高成熟階段，而在川中地區(qū)處于成熟階段，須五段在兩地區(qū)成熟度相差不大，但川西地區(qū)還是稍高一些（表1）。在川西地區(qū)，以綿竹—新場和大邑—成都為界，又可分為北段、中段和南段，須家河組烴源巖在中段的成熟度為最高，在北段和南段相差不大，均處在成熟—高成熟階段。

3氣藏的分布特征和成藏差異

3.1氣藏的分布特征

川西地區(qū)不僅發(fā)育須家河組自生自儲氣藏，而且發(fā)育有侏羅系次生氣藏。以綿竹—新場和大邑—成都為界，可將川西地區(qū)分為北段、中段和南段。北段變形較弱，代表性氣田為中壩氣田，只發(fā)育須二段氣藏。中段變形強度介于北段和南段之間，代表性氣田有新場氣田和洛帶氣田，除了在須二段和須四段發(fā)育氣藏外，還在下侏羅統(tǒng)白田壩組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組和沙溪廟組、上侏羅統(tǒng)遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組，均有氣藏發(fā)育。南段構造變形較強，代表性氣田有邛西氣田、平落壩氣田和白馬廟氣田，次生氣藏主要發(fā)育在中侏羅統(tǒng)沙溪廟組和上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組中?？傊诖ㄎ鞯貐^(qū)從北至南，次生氣藏發(fā)育層位有相對變淺的趨勢，這與它們的構造變形程度有很大關系。

表2　川中與川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系天然氣單體烴碳氫同位素表Table 2 Upper Triassic Xujiahe Formation and Jurassic System natural gas monomer hydrocarbon carbon and hydrogen isotopes

表3　須家河組烴源巖Ro分布表Table 3 Xujiahe Formation source rock ROdistribution /%

川中地區(qū)北部的八角場氣田氣藏發(fā)育層位從下至上有：須家河組二段、須家河組四段、須家河組六段和下侏羅統(tǒng)大安寨組。南部的安岳氣田和合川氣田只發(fā)現(xiàn)須二段氣藏。處于它們之間的廣安地區(qū)氣藏發(fā)育層位為須四段和須六段。這說明川中地區(qū)須家河組氣藏在北部較南部發(fā)育，氣藏分布層位多。另外，川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)大安寨組氣藏與下伏須家河組氣藏屬于兩個不同的油氣系統(tǒng)，這跟川西地區(qū)侏羅系氣藏有本質(zhì)的區(qū)別。

3.2成藏差異

川西地區(qū)上三疊統(tǒng)烴源巖在須三段末期就開始生烴，總體是在早侏羅世進入排烴門限，晚侏羅世-晚白堊世為生排烴高峰期，須四、五段烴源巖也大量生、排烴［15］。燕山運動晚期—喜山運動早期（烷白堊世末期—古近紀），在逆沖作用下川西地區(qū)整體大幅度抬升，并形成溝通上三疊統(tǒng)須家河組與淺層侏羅系的深大斷裂帶，由于生烴作用形成的高壓驅(qū)動，天然氣以水溶相與游離相形成的混合相沿斷裂快速涌至中上侏羅統(tǒng)，導致縱向上地層水因混合作用礦化度較為接近。當?shù)貙铀恐林匈_統(tǒng)沙溪廟組和上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，豐富的芳烴化合物在沙溪廟組富集［16］，因溫壓降低，水溶相天然氣大量脫溶出來［17］，與游離天然氣混合在相鄰的物性較好的構造—巖性圈閉中聚集成藏。

川中地區(qū)須家河組砂巖石英礦物中的流體包裹體的均一溫度分布范圍較寬（61.2～148℃），說明油氣充注是一個連續(xù)的過程，但主要還是集中在80～110℃和120～140℃，分別對應晚侏羅世-早白堊世和晚白堊世-古近紀末［18］。結合沉積埋藏史，可將成藏過程劃分為持續(xù)埋藏階段和構造抬升階段：在持續(xù)埋藏階段（侏羅紀—早白堊世），砂巖儲層發(fā)生明顯的致密膠結作用，差異壓實作用和生烴作用使源儲壓差急劇增大，天然氣呈面狀蒸發(fā)式排烴，在就近的儲層體中富集成藏；在構造抬升階段（晚白堊世之后），因受川西龍門山和川北大巴山的逆沖推覆作用，四川盆地整體發(fā)生抬升剝蝕，煤系源巖天然氣發(fā)生解析膨脹排烴，分散在砂體中的天然氣通過微裂隙匯聚到物性較好的砂體中，俗稱甜點。

4結論

（1）川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系氣藏天然氣多為干氣，且干燥系數(shù)在縱向上先減小后增大；川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組重烴含量高，為濕氣。

（2）除川中地區(qū)八角場下侏羅統(tǒng)大安寨組有部分油型氣混入，川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組以及川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組和侏羅系氣藏天然氣均屬煤成氣。

（3）川西地區(qū)不僅發(fā)育須家河組自生自儲煤成氣氣藏，而且在淺層侏羅系和下白堊統(tǒng)發(fā)育次生氣藏，氣源均為須家河組煤系烴源巖。川中地區(qū)須家河組以原生氣藏為主，與上覆下白堊統(tǒng)氣藏為兩個不同的油氣系統(tǒng)。

（4）川西地區(qū)進入生烴門限早于川中地區(qū)，川西地區(qū)上三疊統(tǒng)烴源巖在須三段末期就開始生烴，川中地區(qū)須家河組直到早侏羅世才開始生烴。

（5）川西地區(qū)侏羅系次生氣藏是在高壓下以水溶相與游離相混合通過斷裂溝通形成的。川中地區(qū)須家河組主要是天然氣以游離相面狀蒸發(fā)至儲層中，再隨地層抬升匯聚到物性較好的砂體中。

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Geochemical Characteristic Difference between Terrestrial Coal Gas from Central Sichuan and Western Sichuan

Zhou Guoxiao，Yao Jia and Song Changgui
（School of Geosciences and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083）

The composition，carbon and hydrogen isotopes data of terrestrial natural gas reservoirs from central Sichuan and western Sichuan both in the Sichuan Basin have been analyzed.The result has shown that the natural gas from Upper Triassic Xujiahe Formation and Jurassic System in western Sichuan is mainly dry gas；from Upper Triassic Xujiahe Formation in central Sichuan is mainly wet gas. Variation of methane content，drying coefficient and nitrogen content in natural gas is regular vertically in western Sichuan.The Upper Triassic natural gas methane carbon isotope in central Sichuan is lighter than in western Sichuan.The ethane carbon isotope value except part of gas samples from Daanzhai Formation in Bajiaochang，central Sichuan appears as oil gas，all gas reservoirs from Xujiahe Formation in central Sichuan，Xujiahe Formation and Jurassic System in western Sichuan are all coal gas.The main reason of above difference is：in western Sichuan，the end of third member of Xujiahe Formation has been entered into hydrocarbon generation threshold，while Xujiahe Formation in central Sichuan just starts until the early Jurassic.The secondary gas reservoir in western Sichuan Jurassic System was formed from Xujiahe Formation gas source under high pressure as mixed facies through faults.Gas reservoir in central Sichuan Xujiahe Formation mainly as free facies converged into sand bodies with better physical property.

central Sichuan；western Sichuan；Xujiahe Formation；coal gas；natural gas geochemical characteristics

P622

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.03

1674-1803（2016）09-0014-04

周國曉（1991—），男，在讀研究生，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，天然氣地質(zhì)方向。

2016-05-05

責任編輯：宋博輦