Natural Gas Geoscience >

2026 , Vol. 37 >Issue 2: 363 - 378

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.08.014

Evolution of composition and carbon isotopes of light hydrocarbons from pyrolysis gas of sapropelic and humic source rocks in Junggar Basin

  • Erting LI , 1 ,
  • Wanyun MA 1 ,
  • Haoyu WU 2 ,
  • Yueyang PAN 1 ,
  • Yu ZHANG 1 ,
  • Xiuwei GAO 1 ,
  • Zaibo XIE 3 ,
  • Ming WANG 1
Expand
  • 1. Research Institute of Exploration and Development，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay 834000，China
  • 2. Jiqing Oilfield Operation Area，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Jimsar 831700，China
  • 3. Northwest Institute of Eco⁃Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

Received date: 2025-07-25

  Revised date: 2025-08-28

  Online published: 2025-09-25

Supported by

The PetroChina Science and Technology Major Project(2019E-2601)

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Abstract

Based on the semi-closed thermal simulation system， evolution of composition and carbon isotope of light hydrocarbons from pyrolysis gas of sapropelic and humic source rocks were studied， which laid a foundation for the study of natural gas genesis in the Junggar Basin. The results show that pyrolysis gas from source rocks of Fengcheng Formation and Pingdiquan Formation is sapropelic gas. The carbon isotopes of ethane and propane are negatively deviated， with δ13C2<-32.0‰ and δ13C3<-31.1‰. The composition of C7 light hydrocarbons is： n-heptane > methylcyclohexane > dimethylcyclopentane， the content of n-heptane is greater than 40%， and the relative content of C5-7 normal alkanes is greater than 40%. The pyrolysis gas from source rocks of Carboniferous and Jiamuhe Formation is humic gas. The carbon isotope values of ethane and propane are relatively high， with δ13C2>-28.5‰ and δ13C3>-26.6‰. The composition of C7 light hydrocarbons is： methylcyclohexane > n-heptane > dimethylcyclopentane， the content of n-heptane is less than 40%， and the relative content of C5-7 normal alkanes is less than 40%. There are obvious differences in carbon isotope characteristics of light hydrocarbons from pyrolysis gas between sapropelic and humic source rocks. The distribution of carbon isotope of light hydrocarbons is less affected by temperature， which can be used for identification of natural gas source. The carbon isotopes of light hydrocarbons in sapropelic gas are negatively deviated， which are <-24‰ for benzene and toluene， <-26‰ for cyclohexane and methylcyclohexane， <-28‰ for n-hexane and n-heptane， and <-29‰ for 3-methylcyclopentane and 3-methylcyclohexane are. The carbon isotope values of light hydrocarbons in humic gas are high， which are >-24‰ for benzene and toluene， >-26‰ for cyclohexane and methylcyclohexane， >-27‰ for n-hexane and n-heptane， and >-28‰ for 3-methylcyclopentane and 3-methylcyclohexane.

Key words： Light hydrocarbon; Carbon isotope of hydrocarbon; Sapropelic gas; Humic gas; Junggar Basin

Cite this article

Erting LI , Wanyun MA , Haoyu WU , Yueyang PAN , Yu ZHANG , Xiuwei GAO , Zaibo XIE , Ming WANG . Evolution of composition and carbon isotopes of light hydrocarbons from pyrolysis gas of sapropelic and humic source rocks in Junggar Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2026 , 37(2) : 363 -378 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.08.014

0 引言

天然气成因研究能够确定天然气的来源，是天然气成藏过程研究的基础，而烃源岩是天然气和原油形成的基础物质，烃源岩的类型决定油气的组成和类型。根据温度补偿时间的原理，采用烃源岩热模拟实验技术，获得烃源岩热解生气组成、同位素及轻烃参数等［1-4］研究天然气的成因、来源与次生蚀变作用。天然气中的轻烃化合物一般指C5—C8的烃类化合物，种类和数量多，具有丰富的地球化学信息，已被广泛应用于分析天然气的母质类型［5-6］，计算天然气的热演化程度［7］，评价油气遭受的次生改造作用［8-9］等研究。天然气演化程度达到过成熟阶段以后，轻烃含量较低，用于气—气和气—源对比的参数更少。随着轻烃单体化合物分离、富集技术的发展，苯、甲苯、甲基环己烷等轻烃化合物碳、氢同位素分析技术成为气源研究的重要手段，如胡国艺等［10］发现具有相同来源的天然气具有相似的轻烃碳同位素分布特征，烃源岩热解生成的气中，甲基环己烷和环己烷碳同位素值随热模拟温度增加变化小，而不同类型烃源岩生成的天然气中环己烷和甲基环己烷碳同位素值差别较大，可用于划分天然气的母源类型［11］。蒋助生等［12］和李剑等［13］认为天然气轻烃中苯、甲苯碳同位素受烃源岩有机质类型的控制，成熟度演化和运移分馏作用对同位素的影响较小，可用于鉴别有机质的类型。
准噶尔盆地位于中国西部，主要发育石炭系、二叠系（西部为下二叠统佳木河组和风城组，东部为中二叠统芦草沟组、平地泉组）和侏罗系（八道湾组和西山窑组）3套主力烃源岩。石炭系、二叠系佳木河组和侏罗系烃源岩有机质以Ⅲ型为主，少量Ⅱ1型，处于高成熟至过成熟演化阶段，已进入烃源岩生湿气和干气阶段，发现了以石炭系烃源岩为气源的克拉美丽气田［14］，以二叠系佳木河组烃源岩为主的西北缘五八区，以侏罗系烃源岩为气源的南缘地区。下二叠统风城组烃源岩，以及中二叠统芦草沟组、平地泉组烃源岩主要以Ⅰ型和Ⅱ1型烃源岩为主，凹陷区成熟度已达到高成熟至过成熟阶段［15-17］，虽然一般认为腐泥型烃源岩以生油为主，但前人［15-17］的研究认为腐泥型烃源岩内残余油依然具有较大裂解生气的潜力，在沙湾凹陷、阜康凹陷和东道海子凹陷周缘均发现了高成熟的腐泥型天然气。前人［15-18］对准噶尔盆地不同层系、不同类型烃源岩的生气产率，生气组分及烃气碳同位素等方面做了较多工作，如龚德瑜等［15］采用封闭热模拟体系，提出风城组烃源岩天然气最大产率为650 mL/gTOC，具备巨大的气藏勘探潜力。李二庭等［18］开展了二叠系佳木河组、风城组以及下乌尔禾组烃源岩热模拟实验，根据不同类型烃源岩裂解气组分及碳同位素特征，将沙湾凹陷古生界天然气成因划分为6类。而关于盆地不同类型烃源岩热解生成轻烃组成及碳同位素演化规律研究相对较少。本文采用半封闭热模拟体系开展石炭系及二叠系佳木河组、风城组和平地泉组烃源岩热解生气实验，探讨腐泥型与腐殖型烃源岩热解生气过程中，轻烃组成及碳同位素的差异及演化特征，为准噶尔盆地天然气成因及来源研究奠定基础。

1 实验样品及方法

1.1　样品

选取了石炭系及二叠系佳木河组、风城组和平地泉组烃源岩样品4块。C262井石炭系凝灰质泥岩［有机碳含量（TOC）为5.80%，最高热解温度（T max）为439 ℃，生烃潜力指数（S 1+S 2）为5.90 mg/g，氢指数（I H）为101.73 mg/g，有机质类型为Ⅲ型］；K034井二叠系佳木河组泥岩［TOC值为1.80%，最高热解温度（T max）为435 ℃，生烃潜力指数（S 1+S 2）为1.09 mg/g，氢指数（I H）为60.48 mg/g，有机质类型为Ⅲ型］；MY1井二叠系风城组云质泥岩［TOC值为1.12%，最高热解温度（T max）为440 ℃，生烃潜力指数（S 1+S 2）为5.98 mg/g，氢指数（I H）为534.23 mg/g，有机质类型为Ⅰ型］，C4井二叠系平地泉组泥岩，TOC值为1.6%，最高热解温度（T max）为435 ℃，生烃潜力指数（S 1+S 2）为11.13 mg/g，氢指数（I H）为695.76 mg/g，有机质类型为Ⅰ型。

1.2　烃源岩热模拟实验

实验装置采用中国科学院西北生态环境资源研究院WYMN-3型高温高压模拟仪，通过自动排烃装置控制排烃，随着模拟反应进行，热解产生的油气组分体积增大，超过设定的临界压力时，自动排烃装置会自动打开排烃阀，排出体系内的烃类流体［19］，本文研究排烃的压力阀值设定为2.0 MPa。温度和压力控制系统包括：高压釜、加热炉、加压系统、温度和压力控制仪。地层围压和上覆静岩压力采用外部机械加压，地层孔隙流体压力采用高压泵注水实现。随着模拟进行，烃源岩热解生成的油气会导致模拟系统体积膨胀，压力增大，当模拟系统的压力达到实验设计的排烃压力时，系统开始幕式排烃，天然气产物收集后进行组分、碳同位素分析，具体操作流程见文献［20］。
热模拟实验的静岩压力保持恒定，为30 MPa，在整个热模拟实验过程中，将烃源岩粉碎至200目后混合均匀，取6份烃源岩样品，每份样品的质量为20~30 g，热模拟从室温开始升温，在2 h内升温至目标温度，并恒温72 h，目标温度分别为300 ℃、350 ℃、375 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃。

1.3　烃源岩热模拟产物分析方法

气态烃分析方法：采用南京科捷分析仪器有限公司生产的 GC5890N 色谱仪，色谱柱采用ZKAT-PLOT AL2O3/S石英毛细管柱（30 m×0.53 mm×15 µm），进样口的温度设置为40 ℃，柱箱的初始温度设置为40 ℃，保持恒温10 min，然后以10 ℃/min速率升温至180℃，保持恒温30 min；载气：高纯氮气（99.999%）；载气压力：0.30 MPa；氢气压力：0.15 MPa；采用分流模式进样，分流比为6∶1。
气态烃碳同位素分析方法：采用 MAT-253型气体稳定同位素质谱仪，色谱柱采用Agilent HP-Plot-Q石英毛细管柱（50 m×0.53 mm×40 μm），柱箱初始温度设置为40 ℃，保持恒温3 min，然后以15 ℃/min速率升温至200℃，保持恒温20 min；载气：高纯氦气（99.999%）；载气流速：3.0 mL/min；燃烧炉温度：960℃。
轻烃组分分析方法：采用Agilent 7890GC气相色谱分析仪，色谱柱采用HP-PONA石英毛细管柱（50 m×0.20 mm×0.50 µm），进样口温度设置为150 ℃，柱箱初始温度设置为40 ℃，保持恒温15 min，然后以2 ℃/min升温至100 ℃，保持恒温20 min，然后以12 ℃/min升温至290 ℃，保持恒温20 min；载气：高纯氦气（99.999%）；采用分流模式进样，分流比为20∶1。
轻烃碳同位素分析方法：采用固相微萃取技术（SPME）对气态烃中的微量轻烃进行富集，SPME是微量化合物分离富集的常用方法，具有较高的富集效率，对碳同位素分馏影响很小［3，20］。对轻烃化合物的分离、富集采用碳分子/聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯固相微萃取头；萃取温度：25 ℃；萃取时间：30 min，解析温度：200 ℃；解吸时间：2 min。解析完成后，直接进入碳同位素分析仪，碳同位素分析采用MAT-253型气体稳定同位素质谱仪，分析条件与轻烃组分分析一致。

2 结果与讨论

2.1　烃源岩热解气态烃组成演化特征

准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解气态烃组成特征如图1所示。随着热模拟温度的增大，总气态烃的产率不断增加，其中石炭系和佳木河组烃源岩热解气态烃产率相对较低，500 ℃时总气态烃产率小于100 mg/gTOC，风城组和平地泉组烃源岩热解气态烃产率高，具有非常好的生气潜力，500 ℃时总气态烃产率大于450 mg/gTOC。
图1 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气态烃组成特征

（a）不同类型烃源岩热解气态烃总产率特征；（b）不同类型烃源岩热解气干燥系数特征；

（c）不同类型烃源岩热解中乙烷产率特征；（d）不同类型烃源岩热解中丙烷产率特征

Fig.1 Composition of pyrolysis gaseous hydrocarbon from different types of source rocks in Junggar Basin

从烃类气体产率及组成变化可以将烃源岩生气划分为3个阶段：在300~350 ℃时，总气态烃产率低，仅占最大产率的6.0%，干燥系数随温度升高降低，此阶段主要为干酪根生油的成熟阶段（R O<1.2%），气主要来自干酪根的裂解；350~450 ℃阶段，总气态烃产率随热模拟温度的升高持续快速增大，占最大气态烃产率的90%以上，干燥系数持续升高，乙烷和丙烷的产率在400 ℃前随着热模拟温度升高迅速增大，400 ℃后随着热模拟温度升高缓慢增大，在450 ℃时达到最大，此阶段为凝析油和湿气生成的高成熟阶段（R O<2.0%），烃气来自干酪根以及残留油的裂解，重烃气开始发生裂解；450~500 ℃，乙烷和丙烷的产率随着热模拟温度的升高快速降低，总气态烃产率随着热解温度升高缓慢增加，干燥系数持续增大，此阶段为干气生成的过成熟阶段（R O>2.0%），烃气来自干酪根和重烃气的裂解。

2.2　烃源岩热解气态烃碳同位素演化特征

准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解气态烃碳同位素组成特征如图2所示［21-22］。整体上，气态烃的碳同位素遵循“δ13C1<δ13C2<δ13C3”的正碳同位素分布序列，表明气态烃是由干酪根或者油裂解产生的，属于有机成因气［21］。
图2 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气态烃甲烷—乙烷—丙烷碳同位素关系图（图版引自文献［22］）

Fig.2 Carbon isotope relationships of methane， ethane and propane from pyrolysis gas of different types of source rocks in Junggar Basin（plate cited from Ref. ［22］）

风城组和平地泉组烃源岩热解气态烃碳同位素组成偏轻，表现为腐泥型气特征，甲烷碳同位素值分别为-44.4‰~-38.0‰和-47.5‰~-37.0‰，乙烷和丙烷碳同位素值负偏，乙烷碳同位素值分别为-35.7‰~-32.0‰和-38.3‰~-34.0‰，丙烷碳同位素值分别为-35.7‰~-31.1‰和-36.5‰~-33.0‰。石炭系和佳木河组烃源岩热解气态烃碳同位素组成偏轻，表现为腐殖型气特征，甲烷碳同位素值分别为-38.7‰~-29.9‰和-38.2‰~-29.1‰，乙烷碳同位素值分别为-27.1‰~-24.5‰和-28.5‰~-25.9‰，丙烷碳同位素值分别为-25.0‰~-22.7‰和-26.6‰~-24.2‰。
气态烃组成与碳同位素之间的关系可用于判断天然气的来源及成因［23-24］。图3（a）为乙烷和丙烷浓度比值（C2/C3）与乙烷和丙烷碳同位素差值（δ13C2－δ13C3）的相关关系，不同类型烃源岩热解生气组分和碳同位素存在差异。风城组和平地泉组腐泥型烃源岩热解气态烃的成因较为复杂，包含干酪根的初次裂解、残余油的裂解和重烃气的裂解，热模拟温度为300 ~350 ℃时，风城组和平地泉组烃源岩热解气态烃主要分布在干酪根的初次裂解区，热模拟温度为350 ~400 ℃时，腐泥型烃源岩热解气态烃主要分布于油裂解区；热模拟温度为400~500 ℃时，腐泥型烃源岩热解气态烃主要分布在油气裂解区，石炭系和佳木河组烃源岩不同演化阶段，热解气态烃均分布在油气裂解区，可能是由于这2类烃源岩类型差，以生气为主，气的成因较为单一。
图3 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气态烃组成与碳同位素关系

（a）乙烷/丙烷和乙烷碳同位素—丙烷碳同位素差值（图版引自文献［23］）；（b）甲烷碳同位素和甲烷与乙烷+丙烷比值（图版引自文献［24］）

Fig.3 Relationship between composition and carbon isotope of pyrolysis gaseous hydrocarbon from different types of source rocks in Junggar Basin

Milkov and Etiope基于大量天然气样品的甲烷碳同位素（δ13C1）与甲烷和乙烷加丙烷的浓度比值［C1/（C2+C3）］关系划分了不同类型天然气成因与来源［24］［图3（b）］。准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解生成的气态烃均为热成因气，低温热解阶段（300~350 ℃），数据点位于早期成熟阶段Ⅰ区与Ⅱ区中期成熟阶段的交界处；在350~400 ℃阶段，数据点主要落点于油裂解区Ⅱ区中期成熟阶段与油裂解相关的热演化区，可能存在干酪根裂解气与油裂解气的混合；在400~500 ℃阶段，投点落在Ⅱ区和Ⅲ区晚期成熟阶段的热演化的交界处，表明此时存在干酪根和重烃气裂解的混合。

2.3　烃源岩热解气中轻烃组成演化特征

天然气轻烃组分中C7系列的正庚烷（nC7）、二甲基环戊烷（ΣDMCP）和甲基环己烷（MCH）相对含量可用于判断天然气成因类型。前人［7， 25］的研究认为正庚烷、二甲基环戊烷和甲基环己烷来源不同，正庚烷主要来自藻类、细菌，二甲基环戊烷主要来自水生生物，甲基环己烷主要来自高等植物。胡国艺等［26-27］利用甲基环己烷、正庚烷和二甲基环戊烷的相对含量识别出油型气和煤型气，提出正庚烷相对含量>30%，甲基环己烷相对含量<70%为油型气，正庚烷相对含量<35%，甲基环己烷相对含量>50%为煤型气。
准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解气C7轻烃组成特征如表1和图4所示。不同类型烃源岩轻烃组成有所差异，风城组和平地泉组烃源岩热解气C7轻烃系列中正庚烷相对含量占绝对优势，风城组烃源岩热解气C7轻烃中正庚烷相对含量为45.9%~50.0%，甲基环己烷相对含量为33.8%~37.9%，平地泉组烃源岩热解气C7轻烃中正庚烷相对含量为45.3%~48.5%，甲基环己烷相对含量为35.1%~36.6%，表现为腐泥型气特征。石炭系和佳木河组烃源岩热解气C7轻烃系列中甲基环己烷相对含量占优势，石炭系烃源岩热解气C7轻烃中正庚烷相对含量为32.3%~36.4%，甲基环己烷相对含量为49.5%~53.2%，佳木河组烃源岩热解气C7轻烃中正庚烷相对含量为36.6%~40.2%，甲基环己烷相对含量为43.2%~48.7%，反映为腐殖型气特征。
表1 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气C7轻烃组成

Table 1 Composition of C7 light hydrocarbon of pyrolysis gas from different types of source rocks in Junggar Basin

热解温度/℃ 石炭系烃源岩C7轻烃/% 佳木河组烃源岩C7轻烃/% 风城组烃源岩C7轻烃/% 平地泉组烃源岩C7轻烃/%
nC7 ΣDMCP MCH nC7 ΣDMCP MCH nC7 ΣDMCP MCH nC7 ΣDMCP MCH
300 33.21 17.31 49.49 37.85 18.94 43.21 45.91 17.64 36.45 45.30 18.81 35.89
350 32.34 14.78 52.88 40.21 16.35 43.44 49.41 16.81 33.78 45.97 18.06 35.97
400 36.42 14.20 49.38 37.62 16.38 46.00 49.27 16.41 34.32 46.36 17.06 36.58
450 32.72 14.07 53.21 39.89 14.18 45.93 49.98 13.82 36.20 47.88 16.98 35.14
500 35.83 12.78 51.39 36.55 14.74 48.71 49.30 12.84 37.87 48.51 15.34 36.15

注： nC7为正庚烷；ΣDMCP为二甲基环戊烷总和；MCH为甲基环己烷

图4 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气轻烃色谱

注：1为异戊烷；2为正戊烷；3为2， 2-二甲基丁烷；4为2-甲烷戊烷；5为3-甲基戊烷；6为正己烷；7为甲基环戊烷；8为苯；9为环己烷；10为2-甲基己烷；11为3-甲基己烷；12为正庚烷；13为甲基环己烷；14为甲苯

Fig.4 Light hydrocarbon chromatograms of pyrolysis gas from different types of source rocks in Junggar Basin

随着热解温度的升高，不同类型烃源岩热解中C7轻烃组成变化不同（图5）。随着热解温度升高，风城组烃源岩热解气中正庚烷和甲基环戊烷相对含量都有所增加，但甲基环己烷与正庚烷的比值由0.79降低为0.77，正庚烷相对含量增加幅度更大，呈向腐泥型气演化的趋势［图6（a）］。平地泉组烃源岩热解气中正庚烷和甲基环戊烷相对含量演化趋势与风城组烃源岩相似，随着热解温度升高，正庚烷和甲基环戊烷相对含量都有所增加，甲基环己烷与正庚烷的比值由0.79降低为0.75，正庚烷相对含量增加幅度更大，呈向腐泥型气演化的趋势［图6（a）］。
图5 准噶尔盆地烃源岩不同温度热解气轻烃组成

（a）烃源岩热解气C7轻烃中正庚烷含量；（b）烃源岩热解气C7轻烃中甲基环己烷含量；（c）烃源岩热解气C7轻烃中二甲基环戊烷含量；（d）烃源岩热解气C5—C7正构烷烃含量；（e）烃源岩热解气C5—C7异构烷烃含量；（f）烃源岩热解气C5—C7环烷烃含量

Fig.5 Light hydrocarbon composition of pyrolysis gas from source rocks at different temperatures in the Junggar Basin

图6 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气轻烃组成

（a）不同类型烃源岩热解气C7轻烃组成；（b）不同类型烃源岩热解气C5—C7轻烃组成

Fig.6 Light hydrocarbon composition of pyrolysis gas from different types of source rocks in the Junggar Basin

随着热解温度升高，石炭系烃源岩热解气中正庚烷和甲基环戊烷相对含量都有所增加，但甲基环己烷与正庚烷的比值由1.49升高为1.63，甲基环己烷相对含量增加幅度更大，呈向腐殖型气演化的趋势［图6（a）］。同样，随着热解温度升高，佳木河组烃源岩热解气中正庚烷和甲基环戊烷相对含量都有所增加，但甲基环己烷与正庚烷的比值由1.16升高为1.33，甲基环己烷相对含量增加幅度更大，呈向腐殖型气演化的趋势［图6（a）］。
准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组烃源岩生成的腐殖型气与二叠系风城组和平地泉组烃源岩生成的腐泥型气中C7轻烃相对含量界限与前人研究［26-27］划定的判识界限有所差异，风城组和平地泉组烃源岩热解生成的腐泥型气中正庚烷相对含量>40%，甲基环己烷相对含量<40%，石炭系和佳木河组烃源岩热解生成的腐殖型气中正庚烷相对含量<40%，甲基环己烷相对含量>40%，并且随着热解温度升高，风城组和平地泉组烃源岩热解气中C7轻烃组成向腐泥型气的演化趋势，石炭系和佳木河组烃源岩热解气中C7轻烃组成向腐殖型气的演化趋势，腐殖型和腐泥型气的C7轻烃组成差异随着热解温度升高逐渐变大［图6（a）］，避免了石炭系和佳木河组烃源岩低熟阶段与风城组和平地泉组烃源岩高成熟阶段生成气态烃碳同位素重叠无法有效判识气源的问题。
C5-7轻烃中环烷烃、正构烷烃和异构烷烃的相对含量也可以用于判识有机质的类型。前人的研究认为腐泥型气中C5-7正构烷烃相对含量一般大于30%，而腐殖型气中C5-7正构烷烃相对含量则小于30%［26-27］。准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解气中C5-7轻烃组成特征如图5和图6所示。不同类型烃源岩热解气中C5-7轻烃均以正构烷烃和异构烷烃含量为主，但存在一定差异。二叠系风城组烃源岩热解气中C5-7异构烷烃相对含量是所有烃源岩中最高的，为47.3%~51.5%，C5-7正构烷烃相对含量为40.9%~46.8%，C5-7环烷烃相对含量极低，为5.85%~9.27%；平地泉组烃源岩热解气中C5-7正构烷烃相对含量是所有烃源岩中最高的，为49.6%~53.1%，C5-7异构烷烃相对含量为35.6%~36.9%，C5-7环烷烃相对含量高于风城组烃源岩，为10.65%~14.57%。
腐殖型气中C5-7环烷烃相对含量高于腐泥型气。石炭系烃源岩热解气中C5-7正构烷烃、异构烷烃和环烷烃相对含量差异不大，分别为37.2%~40.2%、31.5%~33.8%和28.1%~30.1%；佳木河组烃源岩热解气中C5-7异构烷烃相对含量较高，甚至高于平地泉组烃源岩，为43.8%~46.2%，C5-7正构烷烃相对含量与石炭系烃源岩接近，为35.2%~38.8%，C5-7环烷烃相对含量略高于平地泉组烃源岩，为15.8%~18.8%。
随着温度的升高，C5-7正构烷烃相对含量逐渐降低，C5-7异构烷烃含量相对略有增加，C5-7环烷烃含量逐渐升高，但变化幅度较小，二叠系风城组和平地泉组烃源岩热解气中C5-7正构烷烃相对含量>40%，石炭系和佳木河组烃源岩热解气中C5-7正构烷烃相对含量<40%［图6（b）］，可以利用C5-7轻烃中正构烷烃、异构烷烃和环烷烃的含量能够很好的区分石炭系、佳木河组、风城组和平地泉组烃源岩生成的气。

2.4　烃源岩热解气轻烃碳同位素演化特征

准噶尔盆地石炭系和二叠系佳木河组、风城组、平地泉组烃源岩热解气中轻烃碳同位素组成见表2。前人［26-28］研究显示腐殖型天然气中轻烃碳同位素组成普遍较重，苯碳同位素值大于-24.0‰，甲苯碳同位素值大于-23.0‰，环己烷碳同位素值大于-24.0‰，甲基环己烷碳同位素值大于-24.0‰，腐泥型天然气中轻烃碳同位素轻［29］，苯碳同位素值小于-24.0‰，甲苯碳同位素值小于-24.0‰，环己烷碳同位素值小于-26.0‰，甲基环己烷碳同位素值小于-24.0‰。准噶尔盆地石炭系、佳木河组、风城组和平地泉组烃源岩热解气轻烃碳同位素差异明显（图7，图8）。
表2 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气轻烃碳同位素组成

Table 2 Carbon isotope of light hydrocarbon of pyrolysis gas from different types of source rocks in the Junggar Basin

热解温度/℃ 烃源岩 轻烃化合物碳同位素/‰（VPDB）
iC5 nC5 3MC5 nC6 Bz CYC6 3MC6 nC7 MCYC6 TOL
300 风城组 -32.4 -30.2 -31.1 -32.1 -27.1 -29.0 -33.1 -31.5 -28.0 -27.9
350 -32.0 -30.8 -31.8 -33.2 -26.9 -27.2 -33.8 -30.8 -28.7 -26.3
400 -31.4 -29.9 -33.1 -28.9 -27.1 -28.3 -33.1 -30.7 -28.4 -26.9
450 -32.0 -30.8 -32.7 -30.7 -25.5 -27.9 -31.2 -29.5 -28.2 -25.5
500 -31.6 -30.3 -29.8 -29.6 -25.1 -27.8 -31.1 -28.9 -29.1 -25.6
300 芦草沟组 -29.9 -29.7 -33.1 -30.4 -27.9 -27.0 -31.1 -31.9 -29.6 -28.6
350 -30.5 -28.4 -31.2 -33.6 -27.2 -26.4 -32.1 -30.3 -29.1 -26.3
400 -31.0 -29.1 -31.7 -30.9 -28.5 -29.6 -32.1 -30.8 -28.6 -26.8
450 -30.2 -31.1 -30.3 -30.0 -28.7 -29.3 -30.4 -30.3 -27.1 -26.9
500 -29.9 -30.4 -31.1 -32.1 -26.6 -27.8 -31.3 -30.9 -28.4 -26.0
300 佳木河组 -25.6 -24.3 -26.3 -26.4 -19.3 -24.3 -25.9 -24.3 -24.8 -20.1
350 -26.9 -24.8 -28.6 -25.6 -20.6 -25.6 -23.5 -23.8 -25.8 -21.1
400 -25.2 -24.4 -25.6 -25.2 -19.6 -24.1 -25.8 -23.9 -23.9 -22.7
450 -23.2 -24.4 -25.3 -24.6 -20.8 -24.9 -23.4 -24.4 -22.1 -22.2
500 -24.4 -23.0 -24.7 -24.0 -19.7 -24.5 -23.9 -24.5 -24.3 -21.7
300 石炭系 -25.6 -24.3 -27.4 -25.4 -20.5 -23.2 -27.2 -26.2 -25.6 -22.9
350 -25.0 -22.3 -26.4 -24.7 -22.2 -24.7 -27.1 -25.9 -26.0 -22.8
400 -26.3 -25.8 -24.6 -24.9 -22.0 -21.9 -28.1 -24.4 -25.8 -21.1
450 -25.1 -24.5 -24.3 -23.9 -21.8 -23.3 -26.2 -23.3 -24.6 -20.4
500 -23.3 -24.1 -25.2 -23.3 -19.3 -21.5 -25.5 -23.5 -22.9 -19.1

注： iC5—异戊烷；nC5—正戊烷；3MC5—3-甲基戊烷；nC6—正己烷；Bz—苯；CYC6—环己烷；3MC6—3-甲基己烷；nC7—正庚烷；MCYC6—甲基环己烷；TOL—甲苯

图7 准噶尔盆地烃源岩不同温度热解气中链烷烃碳同位素组成

（a）不同类型烃源岩热解气中3-甲基戊烷碳同位素随温度变化；（b）不同类型烃源岩热解气中3-甲基己烷碳同位素随温度变化；

（c）不同类型烃源岩热解气中正己烷碳同位素随温度变化；（d）不同类型烃源岩热解气中正庚烷碳同位素随温度变化

Fig.7 Carbon isotopic of alkanes in pyrolysis gas from source rocks at different temperatures in the Junggar Basin

图8 准噶尔盆地烃源岩不同温度热解气中环烷烃和芳烃碳同位素组成

（a）不同类型烃源岩热解气中环己烷碳同位素随温度变化；（b）不同类型烃源岩热解气中甲基环己烷碳同位素随温度变化；

（c）不同类型烃源岩热解气中苯碳同位素随温度变化；（d）不同类型烃源岩热解气中甲苯碳同位素随温度变化

Fig.8 Carbon isotopic of naphthenes and aromatics in pyrolysis gas from source rocks at different temperatures in the Junggar Basin

风城组和平地泉组烃源岩热解生成的腐泥型气中轻烃碳同位素组成普遍偏轻。风城组烃源岩热解气中链烷烃碳同位素组成最轻，环烷烃碳同位素组成偏重，芳烃碳同位素值最重。3-甲基戊烷碳同位素值分布在-33.1‰~-29.8‰之间，平均为-31.7‰，3-甲基己烷碳同位素值分布在-33.8‰~-31.1‰之间，平均为-32.5‰，正己烷碳同位素值分布在-33.2‰~-28.9‰之间，平均为-30.9‰，正庚烷碳同位素值分布在-31.5‰~-28.9‰之间，平均为-30.3‰；环己烷碳同位素值分布在-29.0‰~-27.2‰之间，平均为-28.0‰，甲基环己烷碳同位素值分布在-29.1‰~-28.0‰之间，平均为-28.5‰；苯碳同位素值分布在-27.1‰~-25.1‰之间，平均为-26.3‰，甲苯碳同位素值分布在-27.9‰~-25.5‰之间，平均为-26.4‰。
平地泉组烃源岩热解气轻烃碳同位素与风城组烃源岩整体相似。3-甲基戊烷碳同位素值分布在-33.1‰~-30.3‰之间，平均为-31.5‰，3-甲基己烷碳同位素值分布在-32.1‰~-30.4‰之间，平均为-31.4‰，正己烷碳同位素值分布在-33.6‰~-30.0‰之间，平均为-31.4‰，正庚烷碳同位素值分布在-31.9‰~-30.3‰之间，平均为-30.8‰；环己烷碳同位素值分布在-29.6‰~-26.4‰之间，平均为-28.0‰，甲基环己烷碳同位素值分布在-29.6‰~-27.1‰之间，平均为-28.6‰；苯碳同位素值分布在-28.7‰~-26.6‰之间，平均为-27.8‰，甲苯碳同位素值分布在-28.6‰~-26.0‰之间，平均为-26.9‰。
石炭系和二叠系佳木河组烃源岩热解生成的腐泥型气中轻烃碳同位素组成普遍重。石炭系烃源岩热解气中3-甲基戊烷碳同位素值分布在-27.4‰~-24.3‰之间，平均为-25.6‰，3-甲基己烷碳同位素值分布在-28.1‰~-25.5‰之间，平均为-26.8‰，正己烷碳同位素值分布在-25.4‰~-23.3‰之间，平均为-24.4‰，正庚烷碳同位素值分布在-26.2‰~-23.3‰之间，平均为-24.7‰；环己烷碳同位素值分布在-24.7‰~-21.5‰之间，平均为-22.9‰，甲基环己烷碳同位素值分布在-26.0‰~-22.9‰之间，平均为-25.0‰；苯碳同位素值分布在-22.2‰~-19.3‰之间，平均为-21.2‰，甲苯碳同位素值分布在-22.9‰~-19.1‰之间，平均为-21.3‰。
佳木河组烃源岩热解气中3-甲基戊烷碳同位素值分布在-28.6‰~-24.7‰之间，平均为-26.1‰，3-甲基己烷碳同位素值分布在-25.9‰~-23.4‰之间，平均为-24.5‰，正己烷碳同位素值分布在-26.4‰~-24.0‰之间，平均为-25.2‰，正庚烷碳同位素值分布在-24.5‰~-23.8‰之间，平均为-24.2‰；环己烷碳同位素值分布在-25.6‰~-24.1‰之间，平均为-24.7‰，甲基环己烷碳同位素值分布在-25.8‰~-22.1‰之间，平均为-24.2‰；苯碳同位素值分布在-20.8‰~-19.3‰之间，平均为-20.0‰，甲苯碳同位素值分布在-25.8‰~-22.1‰之间，平均为-24.2‰。
随着热解温度的升高，不同类型烃源岩热解生成的轻烃碳同位素组成均变重（图7，图8），3-甲基戊烷碳同位素值最大变化幅度在2.8‰~3.9‰之间［图7（a）］，3-甲基己烷碳同位素值最大变化幅度在1.7‰~2.7‰之间［图7（b）］，正己烷碳同位素值最大变化幅度在2.1‰~4.3‰之间［图7（c）］，正庚烷碳同位素值最大变化幅度在0.7‰~2.9‰之间［图7（d）］，环己烷碳同位素值最大变化幅度在1.5‰~3.2‰之间［图8（a）］，甲基环己烷碳同位素值最大变化幅度在1.1‰~3.7‰之间［图8（b）］，苯同位素值最大变化幅度在2.8‰~3.9‰之间［图8（c）］，甲苯碳同位素值最大变化幅度在2.4‰~3.8‰之间［图8（d）］。
腐泥型烃源岩与腐殖型烃源岩热解气轻烃化合物碳同位素差异较大（图7，图8），3-甲基戊烷碳同位素平均差值在5.4‰~6.1‰之间［图7（a）］，3-甲基己烷碳同位素值最大变化幅度在4.6‰~8.0‰之间［图7（b）］，正己烷碳同位素值最大变化幅度在5.7‰~7.0‰之间［图7（c）］，正庚烷碳同位素值最大变化幅度在5.6‰~6.7‰之间［图7（d）］，环己烷碳同位素值最大变化幅度在3.3‰~5.1‰［图8（a）］，甲基环己烷碳同位素值最大变化幅度在3.5‰~4.4‰之间［图8（b）］，苯同位素值最大变化幅度在5.2‰~7.8‰之间［图8（c）］，甲苯碳同位素值最大变化幅度在4.9‰~5.7‰之间［图8（d）］。
不同轻烃化合物碳同位素受热解温度影响变化幅度均较小，变化幅度在0.7‰~4.3‰之间，腐泥型烃源岩与腐殖型烃源岩热解气轻烃化合物碳同位素值差异更大，在3.3‰~8.0‰之间，表明轻烃化合物碳同位素受有机质类型控制作用更强，可用于腐泥型气与腐殖型气的识别。
腐泥型气和腐殖型气轻烃碳同位素分布曲线差异明显，风城组和平地泉组烃源岩热解气中轻烃碳同位素组成整体偏负（<-26‰），石炭系和二叠系佳木河组烃源岩热解气轻烃碳同位素组成较重（>-26‰），且随着温度升高，轻烃碳同位素分布曲线基本不变（图9），可用于不同类型天然气识别。
图9 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气轻烃碳同位素组成特征

（a）风城组烃源岩热解气轻烃碳同位素组成；（b）佳木河组烃源岩热解气轻烃碳同位素组成；

（c）平地泉组烃源岩热解气轻烃碳同位素组成；（d）石炭系烃源岩热解气轻烃碳同位素组成；注：3MC5—3-甲基戊烷；nC6—正己烷；Bz—苯；CYC6—环己烷；3MC6—3-甲基己烷；nC7—正庚烷；MCYC6—甲基环己烷；TOL—甲苯

Fig.9 Carbon isotope of light hydrocarbons in pyrolysis gas from different types of source rocks in the Junggar Basin

准噶尔盆地腐殖型气和腐泥型气的判识界限与前人研究结果不同［29］。腐泥型气：苯碳同位素<-24‰，甲苯碳同位素<-24‰，环己烷碳同位素<-26‰，甲基环己烷碳同位素<-26‰，正己烷碳同位素<-28‰，正庚烷碳同位素<-28‰，甲基环戊烷碳同位素<-29‰，3-甲基环己烷碳同位素<-29‰；腐殖型气：苯碳同位素>-24‰，甲苯碳同位素>-24‰，环己烷碳同位素>-26‰，甲基环己烷碳同位素>-26‰，正己烷碳同位素>-27‰，正庚烷碳同位素>-27‰，3-甲基环戊烷>-28‰，3-甲基环己烷碳同位素>-28‰。相同热模拟温度下，石炭系烃源岩热解气中环己烷碳同位素组成重于佳木河组烃源岩，而3-甲基环己烷碳同位素组成轻于佳木河组烃源岩。
对同一类型烃源岩热解气来说，轻烃碳同位素的分布特征存在较小差异（图9）。腐殖型热解气中，佳木河组烃源岩热解气轻烃碳同位素与石炭系烃源岩热解气整体相近，但苯碳同位素组成最重，平均值为-20.0‰，较石炭系烃源岩苯同位素值高1.2‰，3-甲基己烷碳同位素平均值为-24.5‰，较石炭系烃源岩3-甲基己烷碳同位素值高2.3‰，环己烷碳同位素平均值为-24.7‰，较石炭系烃源岩环己烷碳同位素值低1.8‰。腐泥型热解气中，风城组烃源岩热解气轻烃碳同位素与平地泉组烃源岩热解气整体相近，仅苯碳同位素值相对重，平均值为-26.3‰，较平地泉组烃源岩苯同位素值高1.4‰，3-甲基己烷碳同位素平均值为-32.5‰，较平地泉组烃源岩3-甲基己烷碳同位素低1.1‰。

2.5　轻烃碳同位素在准噶尔盆地南缘地区的应用

准噶尔盆地南缘中段深层下组合是重要的天然气勘探领域，先后在HT1、TW1等多口井获得高产工业油气流［5-6］。研究区主要发育二叠系、侏罗系和白垩系3套烃源岩［30-31］，前人研究［32-33］主要集中在浅层中、上组合，认为天然气主要来自侏罗系腐殖型烃源岩，存在二叠系或三叠系烃源岩湖相烃源岩，或白垩系烃源岩贡献，对深层下组合油气藏天然气研究较少。
南缘中段深层天然气干燥系数分布在0.94~0.99之间，为偏干气和干气。乙烷碳同位素组成均较重，分布在-25.04‰~-21.14‰之间［图10（a）］，显示为腐殖型气，南缘中段深层下组合天然气甲烷与乙烷和丙烷之和的比值（C1/C2-3）分布在17.10~168.21之间，落入了煤型气的范围［图10（b）］。天然气甲烷碳同位素值分布在-32.15‰~-29.53‰之间，基于陈建平等［34］建立的煤型气甲烷碳同位素与成熟度R O的关系式，δ13C1=25LgR O－37.5，成熟度分布在1.64%~2.08%之间，与南缘中段侏罗系烃源岩成熟度匹配性较好，显示天然气“源”控特征［33］。另外，TW1井天然气甲烷、乙烷、丙烷和丁烷碳同位素出现倒转现象，丙烷和丁烷碳同位素值分别为-26.16‰和-29.3‰，说明TW1井存在腐泥型天然气的混入。
图10 准噶尔盆地南缘中段深层天然气与侏罗系烃源岩热解气δ13C2与δ13C1 （a）和C1/C2 - 3与δ13C1（b）关系

Fig.10 Cross plot of δ13C2 -δ13C1 （a） and C1/C2 - 3 -δ13C1 （b） of Jurassic source rock pyrolysis gas and deep gas in the middle part of southern margin of Junggar Basin

南缘中段深层天然气轻烃碳同位素特征见图11。研究区HT1井、H101井、H102井和H6井天然气中3-甲基戊烷碳同位素值分布在-26.2‰~-25.6‰之间，3-甲基己烷碳同位素值分布在-26.8‰~-25.6‰之间，正己烷碳同位素值分布在-26.0‰~-25.7‰之间，正庚烷碳同位素值分布在-26.7‰~-25.7‰之间，环己烷碳同位素值分布在-25.0‰~-24.4‰之间，甲基环己烷碳同位素值分布在-24.4‰~-24.0‰之间，苯碳同位素值分布在-23.3‰~-21.5‰之间，甲苯碳同位素值分布在-23.5‰~-21.3‰之间，轻烃化合物碳同位素组成整体偏重，散点落在腐殖型气分布区，表明HT1井、H101井、H102井和H6井天然气来自侏罗系腐殖型烃源岩，与天然气组成和碳同位素方法判识一致（图11）。LT1井天然气成熟度高，干燥系数达到0.99，因此，轻烃仅测到苯和甲苯的碳同位素值，分别为-23.1‰和-23.5‰，表现为腐殖型气特征。
图11 准噶尔盆地不同类型烃源岩热解气与南缘深层天然气轻烃碳同位素划分图版

（a）3-甲基环戊烷与3-甲基环己烷碳同位素划分图版；（b）正己烷与正庚烷碳同位素划分图版；

（c）环己烷与甲基环己烷碳同位素划分图版；（d）苯与甲苯碳同位素划分图版

Fig.11 Classification chart of carbon isotope of light hydrocarbons in pyrolysis gas from different types of source rocks and deep gas from middle part of southern margin of Junggar Basin

TW1井轻烃碳同位素分布有所不同。甲基戊烷、3-甲基己烷、环己烷、甲基环己烷、苯和甲苯碳同位素组成偏重，值分别为-26.7‰、-27.9‰、-24.3‰、-24.2‰、-23.9‰和-24.1‰，表现为腐殖型气特征，而正己烷和正庚烷碳同位素组成负偏，值分别为-30.4‰和-30.8‰，表现为腐泥型气特征，说明TW1井主要来自侏罗系烃源岩，混入了湖相腐泥型烃源岩贡献，与前文天然气碳同位素分布判识结果一致。

3 结论

（1）准噶尔盆地腐殖型和腐泥型烃源岩生气分为3个阶段：300~350 ℃为干酪根裂解生气阶段，总气态烃产率低，干燥系数随温度升高逐渐降低，350~450 ℃为凝析油和湿气生成的高成熟阶段，烃气来自干酪根以及残留油的裂解，450~500 ℃，天然气来自干酪根和重烃气的裂解。
--引用第三方内容--

（2）风城组和平地泉组烃源岩热解气轻烃中正庚烷占优势，相对含量大于40%，C5-7正构烷烃含量大于40%，为腐泥型气特征，石炭系和二叠系佳木河组烃源岩热解气轻烃中甲基环己烷占优势，相对含量大于40%，C5-7正构烷烃含量小于40%，为腐殖型气特征。

（3）腐泥型与腐殖型烃源岩热解气轻烃碳同位素分布曲线差异明显，受成熟演化影响小，可用于天然气气源判识。腐殖型气轻烃碳同位素组成偏重，苯和甲苯碳同位素>-24‰，环己烷和甲基环己烷碳同位素>-26‰，正己烷和正庚烷碳同位素>-27‰，3⁃甲基环戊烷和3⁃甲基环己烷碳同位素>-28‰；腐泥型气轻烃碳同位素偏轻，苯和甲苯碳同位素<-24‰，环己烷和甲基环己烷碳同位素<-26‰，正己烷和正庚烷碳同位素<-28‰，3⁃甲基环戊烷和3-甲基环己烷碳同位素<-29‰。

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