四川盆地西部天然气碳同位素组成分析及应用.pdf

收稿日期 2002209224 基金项目国家自然科学基金资助项目49773188 作者简介樊然学1937～ , 男汉族 , 贵州贵阳市人,教授,同位素地球化学专业 E-mail frxcdut. edu. cn 第24卷 第1期 2003年1月 质 谱 学 报 Journal of ChineseM ass Spectrometry Society Vol . 24 No. 1 Jan. 2003 四川盆地西部天然气碳同位素 组成分析及应用 樊然学 成都理工大学,四川 成都610059 摘要测定了14种四川盆地西部南段平落坝气田和中段新场气田天然气样品的甲、 乙烷碳同位素组成。 这些 样品的 ∆ 13C1 - 3. 92 ,C2 2 Cn 0. 8 ,结果表明这两处气田的烃类气体是由沉积物有机质经热解作用 生成的。由此两处气田的 ∆ 13C1 、 ∆ 13C2 相对分馏值,计算出气田的烃源岩生烃温度分别为51～81℃、100～ 118℃;并从两处气田各气藏的 ∆13C1、 ∆13C2值同气藏深度的良好函数关系及其同位素分馏机理,认识到平落 坝气田和新场气田的烃类是从下伏烃源岩垂直向上迁移而聚集成藏的。 关键词质谱学;碳同位素组成分析;天然气;四川盆地西部;烃类 中图分类号O657163;O 613171 文献标识码 A 文章编号 1004229972003012257204 四川盆地西部蕴藏着丰富的天然气资源,区 内有闻名遐迩的平落坝、 新场、 中坝等大中型工 业气田,还有孝泉、 合兴场、 大兴西、 白马庙等众 多很有开发远景的含气构造。 这些气田与含气构 造的天然气主要由甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷、 二氧 化碳、 氮、 氢、 氦、 氩等气体组成。众所周知,天然 气中这些烃类的同位素组成是判识天然气的来 源、 成因类型、 形成机制、 二次迁移与聚集成藏的 可靠地球化学示踪剂。 近几年来,作者对上述气田及含气构造的天 然气C、He、A r等同位素进行了测试分析,现仅 就部分气田的碳同位素组成的分析及应用进行 探讨。 1 样品位置与采样、 分析方法 四川盆地西部是一个中新生代时期形成的 山前盆地。 它东邻龙泉山丘陵,西靠龙门山高地, 北起绵阳,南抵峨眉,面积约50 000 km 2。 地质调 查和钻探结果表明,天然气的生烃源岩是上三叠 统富含有机质的1 200～4 000 m厚黑色砂泥岩 系,储集岩是上三叠统部分岩段和侏罗系约 2 500 m厚的红色砂泥岩系。 本工作分析样品是四川盆地西部中段的新 场侏罗系气田和南段的平落坝上三叠统-中侏 罗统气田不同深度气藏的天然气,气藏埋藏深度 650～3 710m。 样品直接采集于这些气藏的钻井 井头或气水分离器蒸汽气端,采样前用井气对盛 样钢瓶进行过反复冲洗,以驱逐瓶内残留的气体 与吸附气。 样品的碳同位素组成用常规方法进行 分析。 其中,大部分样品的甲烷、 乙烷碳同位素组 成在四川石油管理局勘探开发研究院应用 MA T2252同位素质谱计进行测试,它们的化学 组成由四川石油管理局川西北矿区地质研究所 进行分析和无偿提供测试结果;部分样品的甲 烷、 乙烷碳同位素组成和化学组成在中国科学院 兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室 应用MA T2252同位素质谱计及MA T2271气体 质谱计进行测试分析。 样品的同位素比值测量精 确度优于0. 01 1Ρ , 化学组成测量精确度 优于0. 1 1Ρ。 2 结果与讨论 2. 1 天然气化学成份和碳同位素组成 样品的天然气化学成份,甲烷、 乙烷碳同位 素组成简写为 ∆ 13C 1、 ∆ 13C 2和钻井地质资料列 于表1。对表1中天然气的含量作100归一化 处理。 表1 四川盆地西部气藏天然气的化学和同位素组成 Table 1 Chem ical and isotope compositions of natural gas in the western Sichuan Basin 样品 平落坝气田 井号地层时代D1m 化学组成 CH4C2H6C3H8C4H10N2CO2 同位素组成 ∆13C1∆13C2 1CX2136JU65098. 930. 710 1 0. 141 6 0. 033 6 0. 179 1 0. 001 0- 3. 486- 2. 516 2CX2134JU1 71097. 611. 215 9 0. 242 8 0. 064 4 0. 848 6 0. 018 7- 3. 281n. d. 3CX2129JM2 35698. 241. 325 7 0. 2 535 0. 069 6 0. 087 8 0. 022 1- 3. 303- 2. 283 4CX2152JM2 73097. 951. 425 4 0. 341 9 0. 087 1 0. 132 4 0. 063 3- 3. 272- 2. 328 5CX2135JL2 75296. 272. 319 8 0. 648 1 0. 201 6 0. 555 5 0. 001 9- 3. 272- 2. 358 样品 新场气田 井号地层时代D2m 化学组成 CH4C2H6C3H8C4H10N2CO2 同位素组成 ∆13C1∆13C2 6CS22JM160 593. 584. 012 1 0. 570 3 0. 196 1 1. 620 9 0. 021 0- 3. 921- 2. 545 7CS2121JM2 04092. 505. 049 6 1. 111 1 0. 426 6 0. 863 1 0. 049 6- 3. 825- 2. 501 8CS2122TU3 46596. 562. 239 4 0. 208 1 0. 061 4 0. 842 2 0. 089 2- 3. 431- 2. 267 9CS2123TU3 51396. 562. 240 7 0. 210 1 0. 061 0 0. 840 3 0. 089 0- 3. 382- 2. 243 10CS210TU3 67296. 032. 322 3 0. 330 3 0. 129 1 0. 390 4 0. 800 8- 3. 370- 2. 172 11CS2621TU3 76497. 172. 231 3 0. 231 2 0. 074 4 0. 291 5n. d.- 3. 363- 2. 199 12CS28TU3 59496. 471. 991 1 0. 240 1 0. 085 0 0. 480 3 0. 730 4- 3. 357- 2. 164 13CS26TU365 096. 092. 351 8 0. 310 2 0. 113 1 0. 370 3 0. 760 6- 3. 350- 2. 170 14CS23TU3 71096. 431. 961 2 0. 240 1 0. 080 0 0. 540 3 0. 750 5- 3. 330- 2. 166 注Notes J- 侏罗系; T-三叠系;U -上统;M -中统;L -下统; n. d. -未测定 从表1看出,CH4是所有样品天然气的主要 组分,其体积百分含量简称含量高达93～ 99; C2H6、C3H8、C4H10具有可检测量,含量分别 在0. 03～5. 0。其它烃类的含量甚微,因此 将CH4、C2H6、C3H8、C4H10四种成分统称为烃类 简写为 2Cn , 将C2H6、C3H8、C4H10三种成分称 为重烃类记为C2。甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷之 间有着很好的含量相关性,其中, CH42C2H6、 C2H62C3H8、C3H8、C4H10和CH42C2三种成分含 量的相关系数r分别为- 0. 980、0. 842、0. 989 和- 0. 968。 样品的非烃组份的含量很低,CO2的 含量为0. 01～0. 8 ,除个别气藏样品的N2 含量稍高≥1. 6 外,所有样品中N2的含量 分布在0. 1～0. 9;N2含量及N2 CO2含 量和同CH4含量有弱相关性,其相关系数r分 别为- 0. 704和- 0. 666。 从表1还看出,在平落坝气田的各气藏中, 最浅气藏CS2 2 的 ∆ 13C 1和 ∆ 13C 2值最轻,分别 为- 3. 921和- 2. 545 ,最深气藏CS2 3 的 ∆ 13C 1和 ∆ 13C 2值为最重,分别为- 3. 330和- 2. 166;在新场气田的各气藏中,最浅气藏 CX2 136 的 ∆ 13C 1和 ∆ 13C 2值最轻,为- 3. 486 和- 2. 516 ,最深气藏CX2 135 的 ∆ 13C 1测量 值最重- 3. 272 。两处气田的 ∆ 13C 1、 ∆ 13C 2值 852质 谱 学 报 第24卷 均有随气藏埋藏深度增加而变重的趋势。 以上所有样品的化学成份和碳同位素组成 分析结果表明,四川盆地西部中段新场气田与南 段平落坝气田虽然相距较远,但它们的烃类组分 却有着很好的含量相关关系,并且其中的甲烷、 乙烷碳同位素组成都有随深度变化而变化的趋 势。 这些特征可用来探讨两处气田中天然气的成 因和聚集。 2. 2 甲烷碳同位素组成与天然气成因 甲烷同系物是平落坝、 新场气田天然气的最 主要组分,认识其成因对于该气田的勘探开发和 远景评价有着重要的意义。甲烷碳同位素组成 ∆ 13C 1和重烃C2在烃类中所占比例C2 2Cn,称湿度是用于判识烃类成因的重要指标。 通常,由沉积物有机质经微生物菌解作用生成的 烃类主要是甲烷的碳同位素组成最轻∆ 13C 1 - 5 ;沉积物有机质受热力作用裂解生成的 烃类的碳同位素组成较重- 5 ∆ 13C 1 - 2 。而生物成因的烃类气体湿度较小 C2 2 Cn 0. 5 ;热解成因的烃类气体湿度 较大0. 5 0. 8 ,因 此平落坝气田和新场气田各气藏的烃类气体是 由沉积物有机质经热解作用生成的。 2. 3 甲、 乙烷碳同位素组成与烃源岩成熟演化 所有样品的 ∆ 13C 1、 ∆ 13C 2值之间存在相关 性。其中,平落坝气田各气藏和新场气田各气藏 的 ∆ 13C1、 ∆13C 2值分别有着很好的相关性,示于 图1。其中,平落坝气田的 ∆ 13C 2 0. 652∆ 13C 2 -0. 000 94 r 0. 988,新场气田的 ∆ 13C 2 0. 889∆ 13C 2 0. 594 r 0. 903。这两处气 田的甲烷、 乙烷碳同位素相对分馏值△13C2- 1 ∆ 13C 2 2∆ 13C 1分别为0197～1. 02和1. 14 ～1. 38。图中,根据James1983的不同温度 的甲烷、 乙烷碳同位素分馏系数计算出这些△ 13C 2- 1值的相应温度℃ , 附在样品号的括号内。 平落坝、 新场气田各气藏的 ∆ 13C 1、 ∆ 13C 2值 和△13C2- 1温度值可直接反映其烃源岩成熟演化 状况。从图1看出,平落坝气田和新场气田的甲 烷、 乙烷在各自气田内是共生的,平落坝气田的 甲烷、 乙烷共生温度是从51～81℃,新场气田的 甲烷、 乙烷共生温度在100～118℃;并看出,两 处气田的甲烷、 乙烷碳同位素组成的演化特征虽 图1 四川盆地西部甲烷、 乙烷同位素组成关系图 括号内数字为温度值,根据James 甲、 乙烷碳同位素分馏系数计算 Fig. 1 Relationship between two isotope compositions in western Sichun Basin the figure in bracket is temperature value calculated according to fractionation coefficient of two carbon isotopes 然不同,但两者的 ∆ 13C 1、 ∆ 13C 2值都分别随温度 增大而升高、 △13C2- 1值随温度增大而减小。 此现 象表明,不同气田的甲烷、 乙烷是分别在巨厚的 上三叠统烃源岩的不同层段的不同演化阶段所 形成的,平落坝各气藏的甲烷、 乙烷是由其烃源 岩有机质在低温到中温阶段或低成熟到成熟阶 段的热解产物,新场气田各气藏的甲烷、 乙烷是 其烃源岩有机质在中温到高温阶段或成熟到过 成熟阶段产生的。 2. 4 天然气迁移和碳同位素组成变化 平落坝气田和新场气田的甲烷碳同位素组 成分别同气藏的埋藏深度D1、D2有着很好的 函数关系。 在∆ 13C 12D图中示于图2,平落坝气 田的D1 - 357∆ 13C 1- 15 651r - 0. 996; 新场气田的D2 -856∆ 13C 1-30 488 r - 0. 892,除CX134气藏外新场气田其余气藏 的∆ 13C 12D2相关性系数高达- 0. 999。两处气田 的甲烷碳同位素组成均随气藏埋藏深度的减小 即离烃源岩越远而变轻。这些现象证实,每处 气田的不同深度气藏的甲烷是分别从各自的烃 源岩层段垂直向上迁移聚集的。在迁移过程中, 含12C核素的甲烷较富13C核素的甲烷迁移速度 快,迁移前锋甲烷的碳同位素组成越来越轻。图 2还表明,各气田的甲烷按各自的路径演化,即 952 第1期 樊然学,四川盆地西部天然气碳同位素组成分析及应用 它们之间没有横向迁移混合。 图2 四川盆地西部甲烷碳同位素组成迁移变化 Fig. 2 Composition m igration of methane carbon isotope in W estern Sichun Basin 平落坝气田和新场气田各气藏的 ∆ 13C 2、D 值也具有类似图2的函数关系,平落坝气田的线 性回归方程为D1 - 534∆ 13C 2- 15 341 r - 0. 982,两处气田共有的线性回归方程为 D2 - 645∆ 13C 2- 17 719r - 0. 921。这些 特征揭示,不同气田的乙烷等重烃气体是同甲烷 一道由不同的烃源岩层段形成的,并一道从各自 气藏下面的烃源岩层段垂直向上迁移,以及一道 在迁移过程中发生碳同位素分馏而组成越变越 轻。 3 小 结 从以上四川盆地西部天然气碳同位素组成 的测试及其特征分析,可看出碳同位素对于探索 沉积盆地的天然气成因机制及其时空分布规律 是十分有用的示踪剂。 参考文献 [1] Fan Ranxue. O rigin andM igration ofN atural Ga2 ses in the Central Segment of W estern Sichuan Depression Evidence From Carbon Isotope Geo2 chem istry[J ].Progress in N atural Science, 2000, 101 47～53. [ 2] James A T. Correlation of N atural Gas by U sing Carbon Isotopic D istribution Between Hydrocar2 bon Components [J ].American A ssociation of Petroleum Geologists Bulletin, 1983, 67 1 176～ 1 191. Analysis and Application of Carbon Isotopic Composition of Natural Gases in theW estern Sichuan Basin FAN Ran2xue Chengdu U niversity of T echnology,Chengdu610059,China Abstract The carbon isotopic compositions of methane and ethane have been determ ined in 14 gas samples taken from the Pingluoba and Xinchang gas fields in theW estern Sichuan Basin. The∆ 13C 1 and C2 2 Cnvalues of the samples are higher than - 3. 92 and 0. 8 , respectively. The results in2 dicate that hydrocarbons of the both gas2fields entirely are generated from sedi mentary organicmat2 ter during thermal cracking. The calculated hydrocarbon ation temperatures based on the frac2 tionation values betw een∆ 13C 2and∆ 13C 1of the gas fields are 51～81℃and 100～118℃, respective2 ly. A ll∆ 13C 1and∆ 13C 2values of these gas fields display as a w ell function of depth, and results sug2 gest that the hydrocarbons of Pingluoba and Xinchang gas fields have m igrated vertically from deeply buried source rocks through sedi mentary layers, and entered into overlying reservoirs. Key words mass spectrometry; analysis of carbon isotope compositions; natural gases; w estern Sichuan Basin; hydrocarbon 062质 谱 学 报 第24卷