0 引言
中国钻井工程把埋深4 500~6 000 m定义为深层，大于6 000 m定义为超深层［1］。伴随着油气勘探工作的不断深入与油气钻采技术的提高，勘探向深层和超深层领域延伸已经成为必然趋势。全球深层油气田主要分布于墨西哥湾、中南美洲和非洲位于大西洋两岸的地区、澳洲西北海岸以及中东和西西伯利亚［2］。在墨西哥和美国，深部工业油气田的发现率可达50%~71%，其中有25个是巨型油气田［3］。近年来，中国在塔里木盆地、四川盆地、准噶尔盆地南缘等地区的超深层油气勘探获得重要发现，如塔里木盆地的“深地工程”已经完钻160口垂深超过8 000 m的超深井［4］。四川盆地的普光、元坝、安岳、龙岗等一批深层—超深层大气田、塔里木盆地的库车坳陷前陆冲断带的超大型克深气田、塔北隆起哈拉哈塘等超深层大气田都已为中国陆上天然气勘探突破做出重大贡献。
深层—超深层天然气相态类型多样、不同盆地或层系差异较大、天然气来源复杂，使得深层—超深层天然气生气机理研究显得尤为重要，是指导天然气勘探开发向超深层进发的主要依据。轻烃是天然气的重要组成部分，对天然气的成因类型、成熟度、气源对比、运移方向以及次生变化（包括蒸发分馏、生物降解、热化学硫酸盐还原作用等）起着良好的判识作用［5］。通过轻烃生成的热模拟实验，随着成熟度增加，轻芳烃含量逐渐增加，但在550 ℃以后，芳烃含量逐渐降低，主要是源于芳烃发生了脱甲基或者裂解作用［6］，轻烃是深层—超深层天然气处于高—过成熟阶段的原因之一，所以对深层—超深层天然气轻烃地球化学特征进行研究是探索其生气机理的重要手段。但是，深层—超深层天然气轻烃地球化学研究尚有较多问题亟待解决。如深层—超深层天然气轻烃地球化学特征有何分布规律？深层—超深层天然气轻烃组成影响因素及可否作为判识气源和形成阶段的良好指标？本文采集了塔里木盆地和四川盆地的56个深层—超深层天然气样品，对其进行轻烃地球化学分析，同时收集了100余个深层—超深层天然气样品的组分、碳同位素等地球化学数据，综述深层—超深层天然气轻烃地球化学特征的分布规律并阐明其地质意义。此举将进一步丰富中国天然气轻烃地球化学信息库，并对深层—超深层天然气勘探具有一定指导意义。
1 样品及实验分析
共采集56个深层—超深层天然气样品，主要分布在四川盆地龙岗气田长兴组—飞仙关组（5 022~6 828 m）和安岳气田龙王庙组（4 630~6 530 m）；塔里木盆地库车坳陷克深气田白垩系（6 505~7 445 m）、大北气田白垩系（6 950~7 357 m），塔北隆起英买2地区奥陶系（6 050 m）、哈拉哈塘地区奥陶系（6 534~6 880 m）、轮南地区奥陶系（5 324~5 821 m），以及塔中奥陶系、寒武系（6 020~6 835 m）。对样品进行了轻烃分析，分析方法见文献［7］。同时收集了100余个深层—超深层天然气样品的地球化学数据，其中塔里木盆地样品主要分布在库车前陆区砂岩储层的克深、中秋、大北等地区白垩系（6 453~7 552 m），海相克拉通区碳酸盐岩储层的塔北哈拉哈塘、轮古、英买等地区奥陶系、寒武系（6 050~7 334 m），塔中地区奥陶系、寒武系（6 008~6 944 m）；四川盆地天然气样品主要分布在龙岗、元坝、普光、安岳气田长兴组—飞仙关组、龙王庙组（5 436~7 030 m）。主要样品分布位置见图1。
2 中国深层—超深层天然气轻烃组成特征
用来表述轻烃地球化学特征的指标众多，其中C6—C7链烷烃、环烷烃、芳烃组成三角图，C5—C7正构烷烃、异构烷烃、环烷烃组成三角图及C7轻烃（甲基环己烷、二甲基环戊烷和正庚烷）组成三角图可以直观地展示天然气轻烃特征，将56个深层天然气样品轻烃组分组成数据分别投入三角图中，可以归纳出3种类型。
2.1 天然气轻烃组分以链烷烃为主
这一类深层—超深层天然气以塔里木盆地塔中地区和塔北地区为代表。C6—C7轻烃组成三角图（图2）显示塔中隆起地区以链烷烃为主，含量为47%~75%；塔北坳陷轮南、哈拉哈塘和英买2地区天然气链烷烃含量也较高，主要分布在35%~73%之间。另外，C5—C7轻烃组成三角图（图3）也显示塔里木盆地塔中地区及塔北坳陷轮南、哈拉哈塘地区深层天然气正构烷烃含量均高于40%。根据天然气碳同位素分析，Ⅰ号断裂带的塔中奥陶系凝析气δ13C1值为-51.5‰~-37.3‰，δ13C2值为-38.4‰~-33‰；塔北隆起哈拉哈塘和英买2地区奥陶系天然气δ13C1值为-50.5‰~-42.6‰，δ13C2值分布在-41.1‰~-35.5‰之间，为塔里木盆地深层天然气碳同位素值相对较低的地区。天然气碳同位素判识图版（图4）表明上述天然气均落入油型气区域。塔中、塔北深层气虽然均为油型气，但其来源复杂，既有腐泥型干酪根裂解气，也有原油处于开始裂解阶段产生的天然气［8］，但均表现为链烷烃优势。
图2 中国深层—超深层天然气C6-7轻烃分布Fig.2 Distribution map of C6-7 light hydrocarbons in deep to ultra deep natural gas in China |
图3 中国深层—超深层天然气C5-7轻烃三角图Fig.3 Triangle diagram of C5-7 light hydrocarbons in deep to ultra deep natural gas in China |
2.2 天然气轻烃组分以环烷烃为主
一般认为，源于腐殖型母质的轻烃组分中富含环烷烃和芳香烃，来源于陆源母质的轻烃组分凝析物富含链烷烃［9］。甲基环己烷主要来自高等植物的木质素、纤维素和糖类等，其热力学性质比较稳定，是反映腐殖型母质的良好参数；二甲基环戊烷主要来自水生生物的类脂化合物，对成熟度敏感，是反映腐泥型母质的指标；正庚烷主要来自藻类和细菌，对成熟度敏感，是良好的成熟度指标［6］。所以，龙岗气田天然气具备腐殖型干酪根裂解气轻烃特征［10］，这与其甲烷碳同位素值分布在-31.7‰~-27.4‰之间、乙烷碳同位素值分布在-30.8‰~-22.1‰之间的特征相符；而安岳气田天然气虽然环烷烃含量也较高，但为原油裂解气，安岳气田甲烷和乙烷碳同位素值分别分布在-34.5‰~-31.1‰和-32.5‰~-29.3‰之间，甲烷含量为93.8%~97.7%，指示原油大量裂解，基本转化为天然气。
2.3 天然气轻烃组分以芳烃为主
3 轻烃组成在深层—超深层天然气地球化学研究中的应用
深层—超深层天然气的来源复杂，主要生气途径包括有机质热演化生气和原油（也包括源内滞留烃和源外分散液态烃）二次裂解，主要受地层温度和流体—围岩作用的影响［4］。塔里木盆地平均地温梯度为（2.26±0.30） ℃/100 m［13］，6 000 m尚处于生油（气）窗内（60~150 ℃）。对于小于6 000 m的深层天然气，有机质热演化可分为腐泥型干酪根热解为主和腐殖型干酪根热解为主，分别以四川盆地龙岗气田和塔里木塔中古城地区为代表［10-11］。对于大于6 000 m的超深层天然气，腐殖型干酪根裂解气表现为高—过成熟干气的特征，以塔里木盆地大北气田超深层气为代表［12］；而原油裂解气则更为复杂，若有原油热化学硫酸盐还原作用（TSR），可使原油裂解温度降低导致原油提前裂解，如塔中盆地凝析气田，如果温度达到160~220 ℃，则原油大量裂解，再如四川安岳气田龙王庙组超深层气。对于深层—超深层天然气来源和演化程度的判识，是深层—超深层天然气生气机理研究的重要部分，除了碳、氢同位素这些常用指标外，轻烃组成特征也可以作为指示深层—超深层天然气的来源和演化阶段的辅助手段［14］。
3.1 轻烃组成可反映深层—超深层天然气的来源
具有链烷烃优势的深层—超深层天然气多与海相烃源岩有关。如塔里木盆地塔中和塔北地区深层—超深层天然气有明显的链烷烃优势，其主要来源于腐泥型干酪根裂解气和原油裂解气，均与海相烃源岩有关。海相腐泥型有机质在不同演化阶段轻烃生成的热模拟实验表明其产物链烷烃含量一般较高。这主要与海相烃源岩源于Ⅰ型和Ⅱ型有机质结构有关，这类有机质酯键丰富，与煤或者Ⅲ型有机质相比，多芳香族核和杂原子的酮与羧酸基较少，而中等长度的酯族链状化合物和环状化合物丰富［14］。另外，原油开始裂解也会产生链烷烃，但当原油大量裂解基本完全转化为天然气时，其环烷烃和芳烃含量会相应变高，导致链烷烃在轻烃产物中所占比例有所下降。
高含芳烃的深层—超深层气多数与煤系烃源岩有关。如塔里木盆地前陆库车砂岩储层克深和大北气田深层气均具有芳烃优势，气源主要是库车前陆区发育的三叠系—侏罗系厚层煤系烃源岩；四川盆地龙岗气田深层气为煤成气，虽然环烷烃占优势，但是芳烃含量也相对较高。这与煤的有机质结构有关，煤有机质由大量的多芳香族的核和杂原子的酮以及羧酸基所组成，酯族只是有机质中较少的组分，来源于高等植物的蜡，在相对较低的地温下形成的产物链烷烃或者环烷烃含量较高，而在较高的地温下产物中芳香烃含量较高［6］。
3.2 轻烃组成可反映深层—超深层天然气的演化阶段
链烷烃含量较高的深层—超深层气主要为油型气，来源于腐泥型烃源岩或原油开始大量裂解的阶段。而环烷烃含量较高的油型气则可能指示原油已完全裂解，成熟度处于高—过成熟阶段。如塔中奥陶系凝析气具有链烷烃优势，四川盆地安岳气田龙王庙天然气具有环烷烃优势，分别处于原油的不同裂解阶段。但是，环烷烃含量高也可能是处于煤成干酪根裂解气成熟阶段，如四川盆地龙岗气田深层气。
3.3 部分深层—超深层天然气轻烃组成可能与TSR反应有关
H2S含量较高是部分深层—超深层天然气不可忽视的重要特征。如四川盆地深层—超深层碳酸盐岩地层中，川东气区高含H2S气田最多，主要由下三叠统飞仙关组的普光、罗家寨、渡口河、铁山坡、七里北气田和嘉陵江组的卧龙河气田组成，含H2S天然气的储量规模占全盆地含H2S天然气的70%以上，且H2S含量均在5%以上，多数大于10%。飞仙关组气藏H2S含量平均在14%左右，部分高达16%~17%；龙岗、元坝、川西地区的长兴组—飞仙关组气藏H2S含量可高达25%。另外，塔里木盆地高含H2S的深层—超深层天然气主要分布在塔北隆起哈拉哈塘、英买2地区奥陶系和塔中地区中古、中深井奥陶系，虽然其评价的H2S含量远低于四川盆地，但仍有少部分可达到15%［9，16-19］。
总而言之，深层—超深层天然气轻烃特征可反映天然气的来源、成熟度以及TSR反应等，这在中、浅层天然气中同样适用，但是中、浅层天然气的轻烃组成特征与深层—超深层也存在差异。例如，四川盆地广安、邛西、中坝和遂南地区须家河组的煤成气，轻烃C7化合物具有甲基环己烷优势，分布在48%~73%之间，C6-7化合物中环烷烃含量也较高，分布在23%~60%之间，但芳香烃含量却较低，除邛西分布在25%~39%外，其他气田均分布在4%~12%之间［6］，这与四川盆地龙岗气田深层—超深层煤成气和塔里木库车高—过成熟煤成气轻烃分布均有差异。这说明轻烃指标在判识天然气来源及成熟度等时，不能单纯以数值作为判识依据，要结合其他地球化学特征及实际地质条件综合考虑。
4 结论
（1）深层—超深层油气资源可观，为中国油气重要接替领域。中国油气勘探开发已向万米深地举进，深层—超深层天然气生气机理研究尤为重要，是指导油气勘探开发的重要依据之一。
（2）塔里木盆地与四川盆地深层—超深层气轻烃组成特征既有相似性也有差异性。轻烃组成以链烷烃为主的天然气代表为塔里木盆地塔中地区凝析气，反映了原油初期裂解的特征；以环烷烃为主的天然气代表为四川盆地龙岗气田和安岳气田，分别反映腐殖型干酪根大量生气和原油大量裂解阶段；以芳烃为主的天然气代表为塔里木盆地大北、克深气田天然气，反映高—过成熟煤成气的特征。
（3）与海相烃源岩有关的深层—超深层天然气大部分富含链烷烃，但当原油大量裂解时，其环烷烃和芳烃含量可能会相应变高，导致链烷烃在轻烃产物中所占比例有所下降。而来源于煤系烃源岩的深层—超深层天然气大部分富含芳烃。部分深层—超深层天然气组成中硫化氢含量高值得关注，TSR作用对轻烃组成和轻烃单体烃碳同位素均会造成影响，TSR作用对深层—超深层天然气生气机理方面的研究亟待加深。
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