天然气运移有机-无机地球化学示踪指标——以四川盆地川西坳陷侏罗系气藏为例

以四川盆地川西坳陷侏罗系气藏作为研究实例,通过分析天然气组分和碳同位素组成特征,结合地层水化学特征、储集层中自生矿物碳、氧同位素组成以及流体包裹体特征,提出了C_1/C_2值、N_2含量、芳烃/烷烃值、甲烷碳同位素组成、地层水矿化度及水化学特征参数、储集层中自生方解石碳氧同位素组成、含烃盐水包裹体均一温度及盐度等指示天然气运移相态、运移方向和运移路径的有机-无机地球化学示踪指标,并对天然气的运移过程及机制进行了探讨。研究表明,川西坳陷中侏罗统天然气以水溶相运移为主,随着运移脱溶过程的进行表现出苯/烷烃值增大、甲烷碳同位素组成变重的趋势,同时具有气藏伴生地层水矿化度较低、含气砂岩中自生方解石的碳氧同位素组成偏轻、含烃盐水包裹体均一温度高且盐度较低等特征;上侏罗统天然气则以游离相运移为主。结合区域地质以及水溶气脱溶成藏过程中的相态演化等方面的研究,证明提出的有机-无机地球化学示踪指标可对川西坳陷侏罗系天然气的运移方向及路径进行有效的判识。     

鄂尔多斯盆地上古生界准连续型气藏天然气运移机制

基于鄂尔多斯盆地上古生界主要产气层段天然气地球化学特征和运移基本地质条件的分析,对上古生界准连续型致密砂岩大气田的天然气运移特征进行了研究。研究表明,鄂尔多斯盆地上古生界准连续型致密砂岩大气田天然气组分和碳同位素组成在平面上的变化主要受烃源岩热成熟度控制,纵向上受到烃源岩热成熟度和天然气运移分馏作用的共同影响。结合运移动力和输导条件进一步分析认为,上古生界致密砂岩大气田主要为初次运移直接成藏和短距离二次运移近源成藏。运移的动力主要为异常高压和气体分子浓度差产生的扩散作用力,浮力作用弱或无。运移方式主要为异常高压驱动下的幕式涌流和扩散作用引起的扩散流。其中,位于生烃体系内的太原组、山2段主要为异常高压驱动下的幕式涌流运移;生烃体系外的山1段、盒8段及以上层段扩散作用引起的扩散流运移对于天然气的成藏具有重要贡献,苏里格气田天然气组分和碳同位素纵向上的规律变化就是其直接反映。     

鄂尔多斯盆地西缘推覆带上古生界天然气成藏地球化学特征

鄂尔多斯盆地西缘推覆带上古生界天然气为非烃类组分含量相对较低、烃类烃组分含量相对较高的煤成气。根据上古生界太原组有机质Ro值平面、纵向上的分布，结合构造演化特征，认为天然气的生成、成藏应晚于推覆构造发生的时间——晚侏罗纪，且烃类以垂向运移为主。根据天然气地化特征纵向变化，认为天然气成藏具有同期次性或运移的均衡性特征，烃源岩较强的排烃能力造成天然气甲烷碳同位素偏重。     

鄂尔多斯盆地下古生界烃源岩与天然气成因

基于鄂尔多斯盆地古生界154口井天然气样品地球化学特征及成因的分类研究,结合盆地下古生界733块烃源岩样品有机质丰度评价,探讨盆地下古生界天然气来源问题。通过分析天然气样品的烷烃气碳同位素组成,结合其地质背景,将盆地下古生界天然气成因及来源分为3个大类4个亚类:1源于上古生界煤系的煤成气;2下古生界自生自储的油型气;3源于上古生界煤系与古生界灰岩的混合气,又可分为正碳同位素系列混合气和负碳同位素系列混合气2个亚类。烃源岩样品TOC、有机显微组分分析表明,盐下样品平均TOC值为0.3%,TOC值大于0.4%的样品占28.2%,其干酪根类型为腐泥型,指示较强的生烃潜力。鄂尔多斯盆地下古生界天然气以来源于上古生界煤系的煤成气为主,在盆地中东部盐下的储集层中发育下古生界自生自储油型气,且其发育一定规模的有效烃源岩,可作为下古生界天然气气源。     

鄂尔多斯盆地上古生界凝析油成因研究

鄂尔多斯盆地古生界凝析油具有低密度、低凝固点、低初馏点的特征;Pr/Ph值均大于2.0,具有姥鲛烷优势;轻烃中甲基环己烷相对含量高于60％;碳同位素值主要分布在-21‰～-26‰之间,正构烷烃单体分子碳同位素值主要分布在-20‰～-29‰之间,且碳同位素值随碳数的增大逐渐变轻,呈分段式分布。将凝析油地球化学特征与上古生界暗色泥岩、煤及下古生界碳酸盐岩进行比较,结果表明鄂尔多斯盆地古生界凝析油与煤的地球化学特征一致,是煤在高成熟阶段的产物。对古生界凝析油成因的探讨为认识鄂尔多斯盆地古生界天然气成因提供一定的依据,一般有凝析油伴生的天然气烃类碳同位素组成相对较重,主要为煤的产物;而烷烃碳同位素组成相对较轻的天然气与泥岩厚度分布特征有一定的关系,可能以上古生界暗色泥岩生成物为主。     

苏里格气田天然气运移和气源分析

通过分析鄂尔多斯盆地苏里格气田天然气组分、稳定同位素和稀有气体同位素组成指出，该气田天然气以烃类气体为主，气体碳同位素组成偏重；天然气源岩形成于淡水一半咸水沉积环境；天然气主要来源于石炭二叠系煤系烃源岩；天然气碳同位素（δ^13C1，δ^13C2）具有从西南向东北方向变重和^3He／^4He值呈略增加的趋势；反映了天然气具有从东北向西南运移的趋势。根据天然气中^40Ar／^36Ar值，计算了石炭一二叠系源岩中K含量的变化范围，初步确定了煤岩生成天然气的贡献率在65％以上，为主要生气源岩。     

利用天然气的碳同位素比值建立热成因气模型

利用同位素模型预测甲烷、乙烷和丙烷的δ13C值（干酪根／油生成气态物的程序指标），并用指标Ⅱ型干酪根的生气特征，通过把气体的多组份动力学模型与同位素模型相结合，可得到气体组份转化率与生成温度之间的相关性，δ13C1，δ13C2和δ13C3之间的关系式利用天然气的热解模型进行限制，通过西得克萨斯Delaware 和Val Verde盆地海相腐泥型页岩（II型干酪根）生成的气体数据对同位素模型进行验证与校对，这些气体相对不受运移和生物气的混合影响，所以气体碳同位素比值的变化能初步反映成熟度的演化程度，因此，这些数据对解释气体生成温度和来源于II型干酪根的气体δ13C值是有实际价值的。     

流体包裹体中气体碳同位素测定新方法及其应用

采用热爆裂法和真空球磨法提取流体包裹体中CO₂和CH₄等多种气体,以灵敏度较高的Delta S仪器测定其碳同位素值。由于热爆裂法产生CO影响CH₄碳同位素测定,而真空球磨法不会改变气体的性质,因此,真空球磨法提取的气体反映真实古流体的性质,测定的碳同位素值比较可靠。采用该种方法对鄂尔多斯盆地中部气田奥陶系储层方解石脉中包裹体的烃类气体进行了碳同位素测定,结果表明,烃类气体δ¹³C₁分布在-2.673%～-4.360%,δ¹³C₂分布在-2.253%～-2.580%,δ¹³C₃分布-2.141%～-2.626%,其组成具有上古生界天然气的特征,并与下古生界天然气差别较大;推测鄂尔多斯盆地中部气田下古生界天然气成藏期有两期,早期可能主要以上古生界煤型气来源为主。     

储层流体特征在天然气运移中的示踪意义探讨——以川西坳陷中段龙门山前中侏罗统上、下沙溪庙组气藏为例

以川西坳陷中段龙门山前中侏罗统上沙溪庙组和下沙溪庙组气藏为研究实例,通过分析地层水化学参数、方解石胶结物碳氧同位素组成、Fe–Mn元素含量差异明确了储层流体特征,并结合孔隙类型差异对天然气的运移方式和路径进行探讨。结果表明,下沙溪庙组地层水表现出高矿化度、高Na+/K+、高Ca2+、高HCO3–的特征,方解石具有相对较低碳氧同位素值,相对较高Fe、Mn元素含量,储层孔隙类型以方解石溶蚀孔为主;上沙溪庙组地层水表现出低矿化度、低Na+/K+、低Ca2+、低HCO3–的特征,方解石具有相对较高碳氧同位素值,相对较低Fe、Mn元素含量,储层孔隙类型以原生孔隙为主。储层流体特征差异表明,断层是龙门山前上沙溪庙组和下沙溪庙组天然气的主要运移通道,其中,下沙溪庙组气藏受下部热流影响较大,天然气以水溶相运移为主;上沙溪庙组气藏受下部热流影响较小,天然气以游离相和扩散运移为主。     

鄂尔多斯盆地临兴地区上古生界天然气成因及来源

天然气成因及来源研究对天然气勘探开发具有重要作用,可以为天然气的运移成藏提供理论依据。通过对鄂尔多斯盆地临兴地区上古生界天然气组分、碳同位素、轻烃及烃源岩等特征进行综合分析研究,探讨该区上古生界天然气成因及来源。结果表明:临兴地区上古生界天然气组分含量以甲烷为主,重烃和非烃含量较低,主要属于干气;天然气δ^13C1值、δ^13C2值和δ^13C3值分别介于-45.6‰^-32.9‰、-28.9‰^-22.3‰和-26.2‰^-19.1‰之间,总体表现出正碳序列变化趋势,并且δ^13C1值均小于-30‰,具有典型的有机成因气特征。轻烃组成特征上具有一定的相似性,C7系列表现出甲基环己烷优势;C5-7系列主要表现出异构烷烃优势。该区上古生界天然气主要属于成熟煤成气,含有少量煤成气与油型气的混合气;石盒子组天然气藏主要是由山西组烃源岩生烃增压扩散运移至近源或远源储层内充注成藏;太原组天然气藏主要来自于太原组自身的烃源岩,在源岩内自生自储成藏。     

碳酸盐岩烃源岩不同热模拟方式下气体碳同位素演变特征

我国海相烃源岩普遍处于高—过成熟阶段,现有的烃气碳同位素指标不能直接应用于判识海相碳酸盐岩天然气成因类型以及进行油气源对比。利用云南禄劝Ⅱ₁型低成熟海相碳酸盐岩烃源岩,开展了不同热模拟方式下的系列热解生烃实验,对收集的气体产物进行碳同位素分析。结果表明:①在整个热演化阶段,干酪根碳同位素值随成熟度变化不大,而甲、乙烷碳同位素值均随成熟度增加先变轻再变重,具有相似的演变特征,在油气生成的主要阶段,明显小于其母质干酪根碳同位素值,在过成熟阶段,乙烷碳同位素变重的趋势明显加快,甚至大于其母质干酪根的碳同位素值,呈现出“煤型气”特征,故单纯地采用甲、乙烷碳同位素值来判识天然气类型时需要慎重;②在成熟度相同时,半封闭—半开放体系模拟实验所得气体碳同位素值相比封闭体系模拟实验的要轻,这指示同一烃源岩排出烃气所形成的常规天然气藏,其烃气碳同位素值与滞留在源内的页岩气碳同位素值存在一定的差异,显示出似乎“不同源”的特征,在利用碳同位素模版或回归公式开展气源对比时也需要注意;③两种热模拟方式下、同一种烃源岩在全演化阶段,甲烷碳同位素值总是比乙烷的要小,这表明由单一烃源岩直接供气形成的常规天然气藏,不会发生甲、乙烷碳同位素的“倒转现象”。      

川东石炭系古岩溶储层锶同位素地球化学特征

石炭系黄龙组岩溶岩是四川盆地东部渝北-邻水地区天然气藏最重要的储层之一,依据其结构特征,将该岩溶岩系划分为弱溶蚀岩溶岩、中等溶蚀多孔状岩溶岩、强溶蚀角砾状岩溶岩和强溶蚀交代次生灰质岩溶岩等4种类型,以及淡水方解石和白云石2种胶结物类型。对各类型样品的锶同位素分析结果表明：①不同成因类型、溶蚀强度、结构和成分特征的岩溶岩与胶结物锶同位素地球化学特征各异,其形成、演化与分布规律明显受古地理背景、流体性质和来源以及锶同位素分馏效应的控制;②岩溶过程中的87Sr/86Sr比值,具有从渗流-活跃潜流带的正偏移,至静滞潜流带逐渐转化为强烈负偏移演化趋势,对应的古岩溶储层物性由差变好至重新变差;③溶蚀过程中,白云质岩溶岩和淡水白云石胶结物对87Sr有很强的正偏移同位素分馏效应,而次生灰质岩溶岩和淡水方解石胶结物缺乏锶同位素分馏效应。     

鄂尔多斯盆地大牛地下古生界天然气地球化学特征及其来源综合判识

近年来,鄂尔多斯盆地大牛地古生界天然气勘探取得重要进展,尤其是下古生界奥陶系风化壳连续高产工业气流的发现,展示了良好的勘探前景,但大牛地下古生界天然气成因及气源研究相对薄弱,直接制约了下一步勘探部署,为此系统开展了大牛地古生界天然气组分、碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等地球化学分析。大牛地古生界天然气中甲烷占绝对优势,含有一定量的重烃,非烃气CO₂和N₂含量相对较高,既有典型的成熟阶段生成的湿气,也有高过成熟阶段生成的干气。大牛地上古生界天然气为典型煤型气,而下古生界天然气既有煤型气,也有油型气。古生界天然气中CO₂主要为有机成因,少数为无机成因,无机成因CO₂赋存于下古生界储层,可能主要由下古生界烃源岩中碳酸盐岩热解产生。综合运用烃源岩岩石脱附气碳同位素—天然气碳同位素—干酪根碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年及混源模拟实验等综合地球化学手段,明确了大牛地上、下古生界煤型气均来源于上古生界煤系烃源岩,而下古生界油型气中混有0～45%的煤型气,主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。      

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川西地区白马庙气田侏罗系的天然气，以往大都认为是来自上三叠统煤系地层，但对具体来源于上三叠统哪一个层位却存在较大的分歧。有的认为是须二段气藏破坏后形成的次生气藏，有的则认为是来自须五段地层。根据天然气组成、碳同位素、凝析油（天然气浓缩烃）轻烃和储集层沥青的生物标志化合物分布特征的综合研究，表明白马庙气田侏罗系气藏的天然气主要是上三叠统煤系地层中不同烃源层生成天然气的混合产物，其中以须二段气藏气为主。天然气组成甲烷含量高，干燥系数大，碳同位素组成重，储层抽提物的甾烷成熟度参数都表明侏罗系的天然气成熟度较高，是高成熟阶段的产物，具晚期运移和聚集成藏的特征。从区域地质背景上看，大兴⑤断层对天然气的向上运移聚集起到了重要的作用。     

鄂尔多斯盆地富县古生界天然气成因及气源综合识别

近年来,鄂尔多斯盆地南部（简称鄂南）古生界天然气勘探取得重要进展,展示了良好的勘探前景,但鄂南古生界天然气成因及气源研究相对薄弱,直接制约了下一步的勘探部署。为此通过系统开展富县古生界天然气组分、烷烃气碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等地球化学分析,查明了鄂南富县古生界天然气中甲烷占绝对优势,含有一定量的重烃,非烃气CO₂、N₂含量相对较高,显示其为过成熟阶段生成的干气。鄂南富县古生界天然气以典型油型气为主,煤型气为辅,甲烷和乙烷的碳同位素组成存在倒转现象可能为油型气与煤型气的混合造成,上古生界天然气烷烃气碳同位素组成普遍比下古生界天然气偏重,可能混有相对较多的煤型气。综合运用烃源岩干酪根碳同位素—岩石脱附气碳同位素—天然气乙烷碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年等综合地球化学手段,推断出鄂南富县古生界天然气可能主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。     

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运用自行设计的天然气运移物理模拟装置，研究天然气在运移过程中所发生的组分分异和碳同位素分馏特征，目的是了解天然气在不同疏导层运移过程中所发生的组分及同位素变化规律。实验结果表明，天然气在运移过程中发生了比较明显的成分色层效应和碳同位素分馏现象，粘土矿物对天然气中重烃组分具有较强的束缚能力，甲烷碳同位素对运移条件及过程较为敏感。本项模拟实验对进一步认识天然气运移过程中组分和碳同位素变化机理具有重要意义。     

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鄂尔多斯盆地上古生界天然气一直被认为是油型气和煤成气二源混合气。通过区域构造特征、盆地演化、地震活动和地球化学等分析，发现上古生界天然气藏沿深大断裂分布,具有生烃期与构造活动时间相吻合的特点，以及部分井天然气中CO₂、N₂、He含量非常高、甲烷同系物碳同位素发生反转、CO₂碳同位素和3He/4He高异常等特征，从而认为上古生界天然气是油型气、煤成气和深源无机气三源混合而成。中生代晚期盆地深大断裂的强烈活动导致深源流体上涌并与古生界天然气发生混合，并且其中的H₂对烃源岩生烃起到加氢作用，促进了其生烃演化，扩大了天然气的丰度。     

普光气田天然气地球化学特征及气源探讨

依据10余口探井60多个气样的化学成分和碳同位素组成数据,并结合烃源岩和储层沥青资料,研究了四川盆地东北部宣汉-达县地区普光气田的天然气地球化学特征、成因及来源,结果表明：普光气田飞仙关组、长兴组天然气为高含硫化氢的干气,其化学成分表现出古油藏原油裂解气的特点;普光气田的烃类气以甲烷为主,干燥系数基本上都在0.99以上,富含非烃气体（CO₂和H₂S平均含量分别达5.32%和11.95%）;普光气田天然气甲烷碳同位素较重,在－29‰~－34‰之间（表征其高热演化性质）,乙烷δ¹³C值主要在－28‰~－33‰之间（表征其属油型气）;普光气田天然气与邻近的川东北其他气田的同层位天然气具有同源性,而与石炭系气藏天然气在化学成分、碳同位素组成上有所不同,意味着各有不同的气源;普光气田储层沥青在生物标志化合物组合和碳同位素组成上反映出其与上二叠统龙潭组泥质烃源岩具有良好的生源关系;天然气乙烷碳同位素与各层系烃源岩干酪根碳同位素值对比结果揭示普光气田天然气主要来自二叠系烃源层。