Geochemical characteristics of tight sandstone gas in Kuqa Depression, Tarim Basin

  • Jin LI , 1, 2 ,
  • Jian LI 1, 2 ,
  • Chao WANG , 3, 4 ,
  • Dejiang LI 1 ,
  • Zhongxi HAN 1, 2 ,
  • Haizu ZHANG 5 ,
  • Hui ZHOU 1 ,
  • Yuhong LU 5 ,
  • Mancang LIU 1
Expand
  • 1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China
  • 2. CNPC Key Laboratory for Hydrocarbon Accumulation and Development of Natural Gas,Langfang 065007,China
  • 3. Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China
  • 4. Guangdong Unconventional Energy Engineering and Technology Research Center,Maoming 525000,China
  • 5. PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China

Received date: 2020-12-16

  Revised date: 2021-03-27

  Online published: 2021-08-25

Highlights

Based on the systematic analysis of natural gas geochemical characteristics of gas reservoirs in different zones, this paper discusses the source of deep tight sandstone gas in Kuqa Depression, Tarim Basin. It is considered that the thermal evolution degree of source rocks corresponding to natural gas in the middle section of Kuqa Depression is high, and the natural gas is mainly the mixture of high-over mature coal-derived gas and Triassic lacustrine oil cracking gas. While the thermal evolution degree of source rocks corresponding to natural gas in the eastern and western Kuqa Depression is moderate. The discovered natural gas comes from Jurassic coal measures (Dina Gas Field) and Triassic lacustrine mudstone (Dibei and Bozi Gas Fields), no lacustrine oil cracking gas has been found. According to the differences of geochemical characteristics and sources of natural gas in different zones of Kuqa Depression, combined with the differences of thermal evolution of source rocks, it is pointed out that the effective traps in Jurassic strata in Dabei and Keshen areas are new exploration fields for Triassic lacustrine oil cracking gas; the structural traps in Cretaceous reservoirs under the Paleogene gypsum salt in the middle west section of Qiulitage structure and Awate and Bozi areas, and the Jurassic structural lithologic traps in the eastern part of northern piedmont belt are favorable exploration areas for high and over mature coal-derived gas.

Cite this article

Jin LI , Jian LI , Chao WANG , Dejiang LI , Zhongxi HAN , Haizu ZHANG , Hui ZHOU , Yuhong LU , Mancang LIU . Geochemical characteristics of tight sandstone gas in Kuqa Depression, Tarim Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2021 , 32(8) : 1151 -1162 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.03.018

0 引言

库车坳陷是塔里木盆地油气勘探历史最长、发现油气藏最早的一级构造单元,蕴藏着丰富的天然气和凝析油资源,是我国最重要的天然气生产基地之一。库车坳陷天然气主要赋存在侏罗系、白垩系以及古近系中。气藏埋深大,如西部的神木1井、乌参1井气藏埋深在5 100~6 050 m之间;中部的大北、克拉2、克深等气田气藏埋深在3 500~7 600 m之间;东部的迪那气田、迪北气田普遍在4 500 m以浅,属于深层—超深层气藏。张荣虎等1统计了库车坳陷储层物性特征,指出库车坳陷80%以上的储层达到了致密储层的标准,致密砂岩气成为库车坳陷天然气勘探的重要领域。目前,库车坳陷中部在白垩系持续获得突破,已形成万亿方大气区,而东部和西部尚未发现连片规模储量,寻找接替领域成为持续增储的迫切需求。2019年,秋里塔格构造带中秋段中秋 1 井和2021年克拉苏构造带西部博孜9井分别在6 072~6 286 m、7 664~7 800 m井段的白垩系获得高产油气流,展示了库车坳陷深层—超深层致密砂岩气巨大的勘探潜力。
早在20世纪50年代发现依奇克里克油田以来,众多学者持续对库车坳陷天然气地球化学特征及来源开展研究,认为库车坳陷天然气为成熟—过成熟煤成气,来源于侏罗系—三叠系烃源岩2-8。随着库车坳陷天然气勘探由中浅层向深层、超深层发展,天然气地球化学特征趋于复杂,影响天然气的成因鉴别和来源准确判识,在一定程度上制约库车坳陷致密砂岩气的勘探。本文综合对比库车坳陷不同地区致密砂岩气地球化学特征,分析了致密砂岩气的来源,探讨了库车坳陷高—过成熟天然气中富含正构烷烃的因素,指出库车坳陷深层存在湖相原油裂解气的证据,认为深层湖相原油裂解气可能成为库车坳陷致密砂岩气勘探新领域,为库车坳陷致密砂岩气勘探与开发提供理论依据。

1 地质概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部,北依南天山褶皱带,南抵塔北隆起的轮台断隆,东起库鲁塔格山,西至柯坪断隆。整体呈NEE向的线状展布,东西长450 km,南北宽50~80 km,轮廓面积为2.7×104 km2。库车坳陷经历多期构造运动,形成了“四带三凹”的构造格局,自北向南分别为北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带、秋里塔克背斜带、前缘隆起带及拜城凹陷、阳霞凹陷、乌什凹陷(图1)。
图1 库车坳陷构造划分及气藏位置特征

Fig.1 Structural division and gas reservoir location map of Kuqa Depression

库车坳陷三叠系烃源岩大面积分布,以发育湖相泥岩为特点,厚度分布在200~600 m之间,在大北和克深地区烃源岩厚度达到550~600 m;侏罗系烃源岩分布范围略小于三叠系,以发育沼泽相含煤沉积为特点,其中克孜勒努尔组—阳霞组烃源岩厚度主要分布在300~800 m之间,在北部山前带达到了峰值,而恰克马克组烃源岩分布范围最小,厚度主要集中在100~250 m之间,在大北地区厚度可达到250 m;侏罗系—三叠系烃源岩皆夹杂少量煤系,有机质丰度高,类型以II2—III型为主;库车坳陷深层侏罗系、白垩系与古近系致密砂岩储层岩石类型和孔隙类型存在差异,大北、克深区储层以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主,且构造缝和溶蚀孔较为发育;在秋里塔格和北部山前带储层以长石岩屑和岩屑砂岩为主,主要发育原生孔、溶蚀孔及微裂缝等孔隙类型;钻井揭示库车坳陷新近系—侏罗系发育多套有利于致密气藏分布的储盖组合,由上至下分别是新近系吉迪克组膏盐层与下伏古近系砂岩,古近系库姆格列木组膏盐层与下伏白垩系巴什基奇克组砂岩,克孜勒努尔组泥岩盖层与下伏阳霞组砂岩,以及阳霞组底部泥岩与下伏阿合组砂岩,为库车坳陷内致密砂岩气藏的形成提供了有利的成藏条件。

2 样品与实验

本文采集了乌什凹陷(神木1井、神木2井、乌参1井)、博孜气田、大北气田、克深气田、克拉2气田、秋里塔格构造带(中秋段、东秋段)、迪那气田、迪北气田天然气样品,开展天然气组分、天然气组分碳同位素比值、天然气轻烃以及天然气轻烃组分碳同位素比值研究分析。所采天然气样品层位为白垩系、侏罗系及古近系,气藏深度范围在3 500~7 800 m之间。
本文涉及的各项测试分析工作均在中国石油勘探开发研究院天然气成藏与开发重点实验室完成。其中,天然气轻烃组分的碳同位素比值分析采用HP5890A气相色谱仪-Delta Plus稳定同位素质谱联用仪。采用50 m×0.25 mm的PONA毛细管柱色谱分析,载气为氦气。色谱柱初始温度40 ℃,恒温15 min,然后以1 ℃/min的升温速率,将温度程序升温至70 ℃,再以2 ℃/min的升温速率,将温度升至200 ℃,在200 ℃恒温20 min。进样时,将一段色谱柱浸入液氮,在色谱进样口注入天然气,对天然气中的轻烃进行富集,2 min后撤去液氮,启动色谱程序进行测试。采用美国印第安纳大学生物地球化学实验室Arndt Schinmelmann研制的甲苯进行轻烃碳同位素值的校准,测得值再现性和精确性为±0.3‰。

3 天然气地球化学特征及成因

3.1 天然气组分特点

库车坳陷不同区带天然气的组分具有东西两端天然气相对较湿,中部天然气相对较干的特征。库车坳陷中段(克深、克拉2、大北等气田)天然气中甲烷含量分布在93.7%~99.0%之间,乙烷含量分布在0.27%~2.57%之间,干燥系数(C1/C1-5)分布在0.97~0.99之间,均大于0.95,为干气;库车坳陷西段(乌什凹陷、博孜气田)天然气中甲烷含量分布在73.8%~90.6%之间,乙烷含量分布在5.96%~14.80%之间,C1/C1-5值分布在0.77~0.91之间,为湿气;库车坳陷东段(迪那气田、迪北气田)以及秋里塔格构造带东段—中段天然气中甲烷含量分布在84.68%~96.02%之间,乙烷含量分布在0.94%~7.39%之间,C1/C1-5值分布在0.89~0.98之间,除东秋段天然气为干气外,其他均为湿气[图2(a)]。东秋段天然气C1/C1-5值高达0.98,钻井揭示气藏处于古近系和新近系,多为含水气层或含气水层,推测为水溶解气作用导致天然气干燥系数偏高。库车坳陷致密砂岩气中非烃主要为N2、CO2,含量较低,通常小于5%[图2(b)]。
图2 库车坳陷不同致密砂岩气藏天然气组分分布

Fig. 2 The natural gas components distribution in different tight sandstone gas reservoirs in Kuqa Depression

3.2 天然气碳同位素组成特征

库车坳陷西段(乌什坳陷、博孜气田)天然气甲烷碳同位素值(δ13C1)相对较小。其中,乌什坳陷神木气田天然气δ13C1值分布在-38.1~-35.8‰之间,乌什气田乌什1井δ13C1值为-36.0‰,博孜气田δ13C1值分布在-36.5~-35.6‰之间。乌什坳陷神木1井、神木2井、乌参1井与博孜气田天然气乙烷碳同位素值(δ13C2)分布较为集中,在-26.8‰~-25.1‰之间,烷烃气碳同位素系列呈正序分布特征;库车坳陷东段(迪那气田、迪北气田以及秋里塔格构造带东秋—中秋段)天然气δ13C1值介于-34.5‰~-32.2‰之间,迪北气田天然气δ13C2值介于-25.8‰~-23.9‰之间,迪那气田与秋里塔格构造带中秋段—东秋段天然气δ13C2值相对较大,δ13C2值介于-22.6‰~-20.3‰之间,烷烃气碳同位素系列基本呈正序分布特征,个别天然气出现δ13C313C4局部倒转的现象。库车坳陷中段(克深、克拉2、大北等气田)天然气甲烷、乙烷碳同位素值较大,δ13C1值分布在-29.6‰~-23.3‰之间,δ13C2值分布在-21.0‰~-13.8‰之间,烷烃气碳同位素系列倒转程度大,出现δ13C213C313C4局部倒转的现象[图3(b)]。
图3 库车坳陷不同致密砂岩气藏天然气组分碳同位素分布

Fig. 3 The carbon isotope distribution of natural gas in different tight sandstone gas reservoirs in Kuqa Depression

通过甲烷碳同位素值和烷烃气含量参数(C1/C2+3)判识天然气的成因类型9。库车坳陷乌什凹陷、迪那气田、迪北气田以及秋里塔格构造带中秋—东秋段天然气C1/C2+3值低,δ13C1值小于-32‰,δ13C2值分布在-26.3‰~-20.3‰之间,判识属于煤型凝析油伴生气;博孜气田天然气为湿气,δ13C1值分布在-37.6‰~-34.4‰之间,δ13C2值分布在-26.8‰~-23.0‰之间,为煤成凝析油伴生气和煤成气;克深、克拉2、大北等气田天然气甲烷碳同位素值较高(δ13C1值大于-32‰),C1/C2+3值大,为高—过成熟的煤成气。克拉2气田、克深气田部分天然气落入次生煤成气和无机气分布区(图4),然而,克拉2、克深气田天然气中氦同位素3He/4He值在(4.3~5.0)×10-8之间,R/R a值分布在0.031~0.036之间,为典型的壳源氦10,排除幔源无机成因气的可能。由此,库车坳陷致密砂岩气藏为煤成凝析油伴生气和高—过成熟的煤成气。
图4 库车坳陷致密砂岩气甲烷碳同位素值与烷烃气含量参数关系(图版据戴金星9

Fig.4 Relationship between methane carbon isotope value and alkane gas content of tight sandstone gas in Kuqa Depression(plate is according to DAI9

3.3 天然气轻烃特征

对比库车坳陷不同致密砂岩气藏天然气中的轻烃分布特征,库车坳陷西部(神木2、博孜气田)天然气轻烃中以二甲基戊烷、正己烷为主峰,环烷烃(甲基环戊烷、甲基环己烷)、芳烃(苯、甲苯)含量次之[图5(a),图5(b)];库车坳陷东部(迪北、迪那、中秋段)天然气中轻烃以苯、甲基环己烷为主峰,二甲基戊烷、正己烷含量相对西部低[图5(c)—图5(e)];库车坳陷中部(大北、克拉2、克深气田)天然气轻烃均以苯为主峰,二甲基戊烷、正己烷含量明显低,同时含有一定量的甲基环己烷和甲苯[图5(f)—图5(h)]。
图5 库车坳陷致密砂岩气藏天然气轻烃色谱

Fig.5 Chromatogram of natural gas light hydrocarbon in tight sandstone gas reservoir of Kuqa Depression

库车坳陷克深、克拉2、大北、迪那以及秋里塔格构造带中秋段天然气中存在高含量的芳烃,C6-7芳烃在C6-7轻烃中占比在30%以上,克拉2、克深气田天然气中C6-7芳烃占比高达70%以上(图6)。天然气中高含量的芳烃除受生气母质类型的影响外911,还受水洗、运移作用等因素的影响,如:天然气中的芳烃相对其他轻烃组分较易溶解于水中,水洗作用会导致天然气轻烃中芳烃相对含量偏低12;在天然气运移过程中,苯和甲苯等芳烃具有较高的运移速度,随运移速度的增加,运移出来的天然气中相对富含苯和甲苯13-14
图6 库车坳陷致密砂岩气藏C6-7链烷烃、C6-7环烷烃、C6-7芳烃组成三角图

Fig.6 Composition triangle of C6-7 alkanes, C6-7 cycloalkanes and C6-7 aromatics in tight sandstone gas reservoirs in Kuqa Depression

库车坳陷不同致密砂岩气藏天然气中高含量芳烃指示煤系来源特征715,同时与天然气成熟度关系密切。本文选取天然气轻烃的庚烷值反映成熟度的变化,随成熟度增大,庚烷值增大13。在庚烷值和C6-7轻烃中芳烃的相对含量关系图(图7)上,可以发现随庚烷值增大,C6-7轻烃中芳烃的相对含量亦逐渐增大,证实天然气中过高的芳烃含量与成熟度之间的正相关关系;此外,克拉2、克深、大北等气田天然气中异常高的芳烃含量还与这些地区圏闭阶段捕获侏罗系晚期高过熟煤成气有关16-17
图7 库车坳陷致密砂岩气藏C6-7轻烃中芳烃的相对含量与庚烷值关系

注:庚烷值=正庚烷*100/(环己烷+2-甲基己烷+1,1-二甲基环戊烷+3-甲基己烷+1,反3-二甲基环戊烷+1,顺3-二甲基环戊烷+1,顺2-二甲基环戊烷+正庚烷+甲基环己烷),庚烷值计算公式据文献[13

Fig. 7 Relationship between relative content of aromatics and heptane number in C6-7 light hydrocarbon of tight sandstone gas reservoir in Kuqa Depression

轻烃是天然气重要组成之一,含有丰富的地球化学信息。通过C5-7正构烷烃、环烷烃和支链烷烃组成三角图、C7轻烃组成三角图可以划分天然气成因类型1518。一般来讲,来源于腐泥型母质的轻烃中富含正构烷烃,而源于腐殖型母质的轻烃则富含异构烷烃9,富含环烷烃的轻烃也是陆源母质的重要特征。胡国艺等15将C5-7正构烷烃在C5-7脂肪族组成中的相对含量大于30%作为油型气的判识标准,而小于30%则为煤成气。依据此标准,库车坳陷除了煤成气外,还存在大量的与油型气轻烃特征相似的天然气,尤其以克深、克拉2、博孜气田最为明显,在大北、博孜、迪北气田以及秋里塔格构造带中秋段则存在部分该特征的天然气[图8(a)]。
图8 库车坳陷致密砂岩气轻烃组成三角图(判识标准据胡国艺等15

(a) C5-7正构烷烃、C5-7异构烷烃、C5-7环烷烃组成三角图; (b) 甲基环己烷、二甲基环戊烷、正庚烷组成三角图

Fig. 8 Light hydrocarbon composition triangle of tight sandstone gas in Kuqa Depression(identification standard is according to HU et al.15

天然气中C7轻烃化合物中二甲基环戊烷主要来自水生生物甾族类化合物和萜类化合物中的环状类脂体,它的大量出现是油型气轻烃的一个特点18-19;正庚烷多出现在富含细菌和藻类的烃源岩所产的天然气中,同时受成熟度的影响13;甲基环己烷主要来源于高等植物木质素、纤维素和糖类等,热力学性质相对稳定,是反映陆源母质类型的良好参数,是煤成气中轻烃的一个重要特征1120。库车坳陷深层不同致密砂岩气藏天然气轻烃中二甲基环戊烷相对含量均小于20%,甲基环己烷相对含量高,在25%~65%之间,正庚烷相对含量在20%~60%之间。按照胡国艺等15提出的煤成气和油型气判识标准,迪那气田天然气为煤成气,而克深、克拉2气田天然气以及大北、博孜气田、秋里塔格构造带中秋段部分天然气C7轻烃化合物中正庚烷的相对含量偏高,划入油型气的范畴。观察发现,库车坳陷深层致密砂岩气中正构烷烃相对含量较高的天然气既存在于热演化程度高的克深、克拉2气田以及大北地区,也存在于热演化程度中等的博孜、乌什凹陷、迪北以及中秋等地区[图8(b)],推测天然气中正构烷烃相对含量既与生气母质类型相关,也与热演化程度有关。

3.4 天然气轻烃碳同位素分布特征

库车坳陷致密砂岩气中具有较高含量的环烷烃和芳烃,本文对库车坳陷不同致密砂岩气藏开展天然气中轻烃碳同位素值分析,研究了轻烃碳同位素值分布特征。对比发现,库车坳陷不同致密砂岩气藏天然气轻烃碳同位素值分布差异大,库车坳陷东部地区(迪那、秋里塔格构造带中秋段)以及库车坳陷中部(克深、克拉2、大北气田)致密砂岩气中轻烃碳同位素值相对大,而库车坳陷西部(博孜)、东部(迪北)致密砂岩中轻烃碳同位素值相对小(表1)。
表1 库车坳陷致密砂岩气轻烃碳同位素值信息

Table 1 Carbon isotope values of light hydrocarbon in tight sandstone gas in Kuqa Depression

气田/地区 井号 深度/m 层位 样品描述 碳同位素值δ13C/‰(VPDB)
环己烷 甲基环己烷 甲苯
迪北气田 迪北102 / J1 a 钢瓶天然气 -25.9 -24.5 -25.4 -24.5
迪北104 / J1 a 钢瓶天然气 -26.3 -23.8 -26.3 -29.2
博孜气田 博孜101 6 921~7 091 K1 bs 钢瓶天然气 -26.6 -22.5 -25.0 -29.0
博孜102 6 760 K1 bs 钢瓶天然气 -24.5 -23.6 -22.9 -26.9
博孜104 6 757 K1 bs 钢瓶天然气 -26.8 -21.9 -24.7 -26.6
秋里塔格—中秋段 中秋1 6 072~6 286 K1 bs 钢瓶天然气 -24.1 -21.9 -23.1 -21.3
中秋101 6 270~6 290 K1 bs 钢瓶天然气 -23.4 -24.3 -23.5 -23.3
大北气田 大北301 6 930~7 012 K1 bs 钢瓶天然气 -21.4 -19.1 -18.3 -20.3
大北302 7 209~7 244 K1 bs 钢瓶天然气 -22.4 -21.1 -20.4 -22.3
克拉2气田 克拉2-11 / E 钢瓶天然气 -20.1 -20.5 -21.0 -20.4
克深气田 克深206 6 525~6 800 K1 bs 钢瓶天然气 -18.6 -18.5 -19.8 -18.5
克深201 6 505~6 700 K1 bs 钢瓶天然气 -19.1 -22.2 -24.0 -22.3
克深504 6 453~6 621 K1 bs 钢瓶天然气 -18.9 -19.1 -20.0 -19.1
克深8003 / K1 bs 钢瓶天然气 -19.1 -19.9 -20.3 -19.9
迪那气田 迪那2-24 4 792~5 105.5 E 钢瓶天然气 -23.5 -21.3 -19.8 -19.9
天然气轻烃组分中环烷烃和芳烃碳同位素值与母质有机质碳同位素值有良好的继承效应,受热演化程度和运移效应影响较小21-23,可以作为天然气成因鉴别与气源判识指标。
胡国艺等15指出中国典型煤成气中环己烷、甲基环己烷、苯、甲苯的碳同位素值均大于-24‰。迪那气田天然气4个轻烃组分的碳同位素值均大于-24‰(表1),表现为煤成气特征,其天然气组分、天然气组分碳同位素以及轻烃分布也表现为煤成气特征(图4图8),认为其天然气主要来源于侏罗系煤系;迪北、博孜气田天然气中芳烃碳同位素值明显较其他气田天然气轻,显示其天然气更倾向来源于湖相泥岩,且这2个气田部分天然气样品在天然气轻烃组成上偏油型气的特征(图8),印证其具有湖相泥岩来源特征,结合李谨等7、田军等24对该区油气源判识的结果,认为迪北、博孜气田天然气主要来源于三叠系湖相泥岩;秋里塔格构造带中秋—东秋段部分天然气轻烃组分中含有较高含量的芳烃,且芳烃碳同位素值大于-24‰,均表现为煤成气特征,天然气主要来源于侏罗系煤系8;克深、克拉2、大北气田中天然气中苯、甲苯、环己烷、甲基环己烷的碳同位素值均大于-24‰,为煤系来源特征,主要来源于侏罗系煤系。

4 对库车坳陷高—过成熟天然气中高含量正构烷烃的思考

尽管前文已对库车坳陷不同区带致密砂岩气地球化学特征开展综合对比,明确了各地区/气藏中天然气的主体来源,但研究中发现在热演化程度高的克深、克拉2气田以及大北地区的致密砂岩气中存在较高含量的正构烷烃,其轻烃组分表现出油型气的特征(图8),其指示的母源与天然气组分及碳同位素值判识为煤系来源的观点矛盾。由此,有必要进一步探讨导致这一现象的因素。

4.1 天然气中正构烷烃相对含量明显受热演化程度影响

鉴于这类高含正构烷烃的天然气较多的出现在热演化程度高的克深、克拉2气田以及大北气田部分天然气中,THOMPSON13研究指出天然气中正庚烷容易受成熟度影响。为研究库车坳陷致密砂岩气中正构烷烃含量与热演化程度之间的关系,采用陈建平等25提出的通过甲烷碳同位素值估算煤型气潜在烃源岩成熟度公式,观察库车坳陷致密砂岩气藏中正庚烷/(正庚烷+甲基环己烷+二甲基环戊烷)、C5-7正构烷烃/C5-7(正构烷烃+异构烷烃+环烷烃)值与潜在烃源岩的成熟度关系,发现正庚烷/(正庚烷+甲基环己烷+二甲基环戊烷)与潜在烃源岩成熟度呈较好的正相关关系[图9(a)];C5-7正构烷烃/C5-7(正构烷烃+异构烷烃+环烷烃)值与潜在烃源岩的成熟度总体上也呈正相关关系,但乌什凹陷神木1、博孜以及迪那油气田部分样品样品处于成熟阶段,正构烷烃含量高,处于趋势线外,前文研究指出这些天然气主要来源于湖相泥岩,表明天然气中正构烷烃含量除受成熟度影响之外,还与产气母质关系密切。
图9 库车坳陷致密砂岩气藏中正庚烷相对含量与其潜在烃源岩成熟度关系(潜在烃源岩成熟度计算公式据陈建平等24

Fig. 9 The relationship between relative content of n-heptane and maturity of potential source rocks in tight sandstone gas reservoirs in Kuqa Depression (the calculation formula of maturity of potential source rocks is according to CHEN et al.24

4.2 油气蒸发分馏作用对天然气中正构烷烃相对含量的影响

THOMPSON1426研究指出大规模天然气充入油藏,会使油藏中原油发生分馏,低碳数烃类被天然气通过气洗作用带走,导致天然气中富含较多的低碳数的正构烷烃,高碳数烃类则残留在油藏中。库车坳陷油气藏普遍存在2期的油气充注27-29,第一期主要为原油充注,发生在吉迪克沉积中晚期—康村组沉积早中期(19~12 Ma),第二期主要为高熟煤成气充注,主要发生在库车组沉积时期以来(5~1 Ma)。由此,库车坳陷油气藏中普遍存在的蒸发分馏作用会导致天然气中正构烷烃含量增大。

4.3 原油裂解作用对天然气中正构烷烃相对含量的影响

富含正构烷烃的高—过成熟天然气也可能来源于原油的热裂解过程30-31。库车坳陷深层具备发生原油的热裂解的条件,GUO等32指出克拉2气田天然气可能存在原油裂解气。库车坳陷发育阳霞凹陷和拜城凹陷2个生烃中心,侏罗系和三叠系烃源岩的最大埋深均超过8 000 m,现今地层温度超过200 ℃28。库车坳陷烃源岩热演化史证实三叠系湖相泥岩具备发生原油裂解的条件33。库车组沉积期以来,处于库车坳陷深层生烃凹陷中烃源岩开始急速热演化,侏罗系烃源岩在库车组沉积期,由低熟—成熟阶段急速演化到高—过成熟阶段。侏罗系烃源岩以煤系为主,有机质类型多为Ⅲ型干酪根,H/C值比较低,富含芳基结构和含氧基团,含有少量的甲基和短链的脂肪族结构。在高—过演化阶段,有利于大量裂解产气,以干酪根裂解产气为特征,该天然气产气规模大,组成以C1—C4为主,由于其热演化程度高,天然气中 C 2 +重烃含量低,干燥系数大,δ13C1、δ13C2值高,天然气C5-7轻烃中富含芳烃、环烷烃(图5),且芳烃和环烷烃的碳同位素值高。而湖相泥岩大多存在于三叠系,有机质类型为Ⅱ型,H/C值比较高,富含中等长度的脂肪族链化合物,芳基结构相对较少,有利于生油。在吉迪克组沉积末期,三叠系湖相泥岩大部分已经处于生油阶段;康村组沉积时期,热演化进一步提高,大部分烃源岩处于大量生油阶段;库车组沉积期以来,烃源岩快速热演化,现今大部分已处于生湿气和干气阶段,三叠系湖相泥岩中尚未排出的液态烃在高温下发生裂解产气。这种产气方式由长链烷烃裂解生成短链烷烃为特征,产生的天然气富含正构烷烃。
此外,大北、克拉2气藏中伴生的原油中含有高丰度的金刚烷化合物62832,金刚烷是一类刚性聚合环状烃类化合物,是由多环烃类化合物在高温热力作用下经Lewis酸催化重排形成的产物,高丰度的金刚烷指示原油存在高温裂解作用。而且,金刚烷类化合物的形成不受有机质输入和烃源岩沉积环境的影响,化合物性质稳定,不易受热力、生物降解、运移过程中的色层作用影响,也可作为判别高成熟原油裂解产物的有效指标34-35。张斌等28、朱光有等6根据金刚烷成熟度指标公式计算出大北气田凝析油相当于烃源岩R O值在1.3%~1.6%阶段产物,克拉2气田凝析油相当于烃源岩R O值在1.8%~2.0%之间,达到或超过赵文智等36提出的原油裂解发生的成熟度界限(R O=1.6%)。
库车坳陷深层致密砂岩气克深、克拉2、大北气田中天然气中苯、甲苯、环己烷、甲基环己烷的碳同位素值均相对重,大于-24‰,且天然气组分及碳同位素值均呈高—过成熟的煤成气特征,与存在湖相原油裂解气的观点矛盾。本文认为导致这种现象的原因是库车坳陷存在多种烃源岩(煤系、湖相泥岩)在不同热演化阶段产物的混合所导致的。推测在现今气藏中,这种陆相原油裂解生气规模相对侏罗系煤系所产煤成气低,没有明显影响气藏中C1-4的组成以及碳同位素值,但对天然气中C5-7轻烃的组成影响较大,导致克深、克拉2、大北气田现今气藏中天然气轻烃同时富含正构烷烃、环烷烃、芳烃,出现陆相原油裂解气的特征。
在天然气中正构烷烃相对含量最高的克深地区,其圈闭(克深2构造、克深1构造)在库车组末期至第四系沉积期(3~1 Ma)开始形成至定型37,其致密砂岩气藏仅经历了库车沉积晚期以来的高—过成熟天然气一次性成藏38,表明现今气藏中天然气富含正构烷烃的特征在其充注进圈闭之前就已存在,可能来自现今气藏之下侏罗系内部圈闭早期聚集的油气或残存在地层中的原油发生裂解形成的湖相原油裂解气。
综上所述,库车坳陷中部致密砂岩气藏(克深、克拉2、大北气田)中天然气主体为三叠系—侏罗系煤系在库车沉积期以来生成的高—过熟煤成气,可能存在三叠系湖相泥岩中残存湖相原油裂解气。现今气藏中天然气的特征是由2种端元的天然气地球化学特征及各自资源规模混合导致。

5 致密砂岩气勘探领域预测

库车坳陷发育2个生烃凹陷,即拜城凹陷和阳霞凹陷,三叠系、侏罗系烃源岩厚度大,分布广,生排烃强度高,具备良好的烃源岩条件。基于深层致密砂岩气地球化学特征和来源对比分析,显示库车坳陷中部(克深、克拉2、大北气田)对应烃源岩热演化程度高,天然气主要为高—过成熟煤成气,可能存在三叠系湖相原油裂解气;库车坳陷东部和西部热演化程度中等,现今发现的天然气来源于侏罗系煤系(如迪那气田)或三叠系湖相泥岩(如迪北、博孜气田)。基于气源对比结果和三叠—侏罗系烃源岩成熟度差异特征,提出2个有利的勘探领域。
(1)高—过成熟的湖相原油裂解气勘探领域。大北—克深地区现今发现的天然气富集在古近系、白垩系,天然气主要为源于三叠系—侏罗系煤系的高—过成熟煤成气,可能有来自三叠系湖相烃源岩的湖相原油裂解气。库车组沉积时期以来,该区三叠系和侏罗系均进入过演化阶段,早期在侏罗系储层内部的圈闭内充注形成的湖相原油油藏以及残存在三叠系中的原油可能发生裂解。据此,推测在大北—克深地区侏罗系内有效圈闭是三叠系湖相原油裂解气藏有利勘探领域。
(2)成熟—高成熟煤型气勘探领域。库车坳陷东部和西部地区已发现天然气藏处于古近系、白垩系和侏罗系,对应烃源岩热演化程度相对较低(0.8%<R O<1.4%),未达到原油裂解气的形成条件,现今天然气富集层位主要受控于“源—断—储—盖”有效匹配关系。因此,库车坳陷侏罗系“源—储三明治结构”和“盖—源同层”条件下,侏罗系阿合组和阳霞组内寻找断—盖耦合关系良好的构造或构造—岩性圈闭(如北部山前带),而古近系膏盐之下则寻找白垩系内断—膏耦合保存条件好构造圈闭(如秋里塔格构造中段—西段、阿瓦特—博孜),有望成为成熟—高成熟煤成气有利勘探领域。

6 结论

(1)塔里木盆地库车坳陷致密砂岩气为成熟—过成熟阶段的煤型气。迪那气田、秋里塔格构造带天然气以侏罗系煤系来源为主,博孜气田、迪北气田天然气以三叠系湖相泥岩贡献为主;克深、克拉2、大北气田天然气同时有三叠系—侏罗系煤系和三叠系湖相泥岩贡献,天然气为高—过成熟煤成气,可能混有三叠系湖相原油裂解气。
(2)库车坳陷在埋深大、热演化程度高的地区可能存在三叠系湖相原油裂解气,推测大北—克深地区侏罗系内有效圈闭有望成为三叠系湖相原油裂解气藏勘探新领域。秋里塔格构造中段—西段、阿瓦特—博孜古近系膏盐之下白垩系储层内构造圈闭,以及北部山前带东段侏罗系内构造—岩性圈闭是高—过成熟煤成气有利勘探区域。
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