新场地区上三叠统须五段陆相页岩层系非常规天然气特征与成因

新场地区上三叠统须五段陆相页岩层系非常规天然气特征与成
因
史洪亮;杨克明;熊亮;魏力民;陈冬霞
【摘要】除下古生界海相页岩具有页岩气开采的价值外,四川盆地陆相领域页岩层序也非常发育;其中川西坳陷须五段获得突破,但其非常规天然气地球化学特征十分复杂、成因类型多样,开展非常规天然气特征和成因的研究对于有效的认识四川盆地陆相页岩的勘探开发前景具有重要意义.在对川西坳陷上三叠统须五段陆相页岩层序天然气组分和同位素特征分析的基础上,结合该区实际地质条件的分析,研究了天然气的成因类型、天然气成熟度和天然气的赋存状态.结果表明:须五段天然气主要为烃类气体,甲烷含量、干燥系数变化大;但平均值较低,烷烃同位素具有δ13C1＜δ13C2 ＜δ13C3＜δ13C4的正常序列分布特点;但甲烷碳同位素值(δ13C1)变化大,在-44.4‰～-27.1‰之间;乙烷碳同位素值明显偏轻,介于-28.1‰ ～-22.9‰之间.须五段天然气为典型煤型气,具有成熟-中等成熟阶段热成因气的特征;天然气为吸附气与游离气的混合气体,但以吸附气为主,在生产过程中,由于同位素的分馏效应,导致天然气甲烷碳同位素偏重.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)021
【总页数】8页(P109-116)
【关键词】川西坳陷;须五段;非常规天然气;天然气成因;天然气赋存状态
【作者】史洪亮;杨克明;熊亮;魏力民;陈冬霞
【作者单位】中国石化西南油气分公司勘探与开发研究院,成都610017;中国石化
西南油气分公司勘探与开发研究院,成都610017;中国石化西南油气分公司勘探与
开发研究院,成都610017;中国石化西南油气分公司勘探与开发研究院,成都610017;中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249
【正文语种】中文
【中图分类】TE122.111
四川盆地发育海相、海陆过渡相、陆相多套页岩地层，被认为是最具潜力的、也是最先突破的重点页岩气勘探地区［1，2］。

中石油、中石化在四川长宁、威远、
富顺、焦石坝等地进行海相页岩气开发先导示范区建设，并获得重大突破［3，4］。

四川盆地陆相领域页岩层序也非常发育，其中上三叠统须家河组和下侏罗统自流井组湖相泥页岩具分布广、厚度大、有机质丰度较高、保存条件好、脆性矿物含量高的特点［5］。

盆地内非常规天然气类型较多，既包括上三叠统普遍发育的须家河组致密砂岩气，也包括古生界海相筇竹寺组和龙马溪组的海相页岩气，近年，又在中生界陆相页岩气获得突破，成功钻探多口页岩气井，其中元坝9井在侏罗
系自流井组日产气1.15×104m3;川西坳陷XYB井上三叠统须五段陆相页岩层序中测试产气，产能达到1.9×104m3/d，之后又相继有十几口井获得产能。

须五段页岩实验测试含气量在0.64 ～6.27 m3/t之间，平均1.37 m3/t，显示出较好的勘
探开发潜力。

但目前除了对川西地区须家河组成藏条件和勘探潜力［6］、建南地区侏罗系页岩气评价与预测的研究外［7］，陆相页岩层序天然气并未获得足够重视，研究还非常薄弱。

勘探实践和地球化学实验分析显示，不同类型、不同演化时期形成的非常规天然气的地球化学特征不同，且与常规天然气存在一定的差异。

从目前国外已开采的页岩
气井数据来看，页岩气成分主要为甲烷，含有一定量的乙烷和少量的丙烷，非烃气体较少，且碳同位素容易发生倒转［8，9］。

烃类气体的组成及相对含量与页岩
气的成熟度密切相关，页岩气井产出的气体组分可指示页岩气的成熟度。

在高—
过成熟页岩中，页岩气一般为干气，气体湿度小于5%［10］。

川东北下寒武统筇竹寺组页岩气中甲烷含量介于96.38% ～98.83%，甲烷碳同位素值(δ13C1)在-32.2‰～-29.5‰之间，且表现出甲烷碳同位素值大于乙烷碳同位素值的特点，
随解吸时间的增加，甲烷碳同位素组成变重［11］。

焦页 1井、彭页1井、
长宁地区龙马溪组天然气发生了甲烷、乙烷碳同位素倒转，说明碳同位素倒转是龙马溪组页岩气的共有特征［12］。

而川西坳陷中段须家河组致密砂岩气以甲烷为主，含量基本在90%以上，乙烷含量相对较少，须四段天然气中乙烷含量一般为1% ～5%，甲烷碳同位素值(δ13C1)在 -38.4‰ ～ -32.2‰之间，乙烷碳同位素
值(δ13C2)在 -28.2‰ ～ -24.2‰之间，且川西坳陷须家河组天然气碳同位素组
成总体上表现为δ13C1 ＜δ13C2 ＜δ13C3的正序特征［13，14］。

大量研究
表明，页岩气以吸附气为主，且在解吸和开发生产过程中其地球化学特征会发生变化，而致密砂岩气以游离气为主，开发生产过程中其地球化学特征变化不明显。

川西坳陷上三叠统须五段为三角洲前缘远端-滨浅湖-沼泽相沉积，岩石类型可以分为泥页岩(含粉砂质泥岩)、粉砂岩(含泥质粉砂岩)和细砂岩(含细粒以上不等粒砂岩)，其天然气地球化学特征十分复杂、成因类型多样，研究难度大。

明确须五段天然气地球化学特征和成因类型，确定天然气的赋存机理，对该区天然气勘探具有重要指导意义。

1 气藏地质特征
川西坳陷位于四川盆地西部，在构造位置上属于川西前陆盆地的一部分，包括梓潼凹陷、孝泉—新场—丰谷构造带、成都凹陷、安县—鸭子河—大邑断褶带和知新场—龙宝梁构造带等5个构造单元(图1)。

陆相地层发育有上三叠统、侏罗系、白
垩系、古近系、新近系和第四系，这些沉积地层厚度巨大，现今最厚达6 000 m 以上，其中上三叠统须家河组自下而上表现为一个完整的由海相-海陆过渡相-陆相的正常退覆层序。

须一段(马鞍塘-小塘子组)、须三段和须五段为主要的气源岩层位，发育早期的浅海陆棚相的暗色泥页岩及中晚期的三角洲、湖沼相的灰色炭质泥页岩夹砂岩、煤层。

须二段和须四段以砂岩沉积为主，主要为三角洲平原和三角洲前缘沉积，是主要的致密砂岩气产层。

由于印支晚幕运动的影响，须五段沉积时期基准面不断上升、湖水位上涨至最大湖泛期，川西坳陷西北主要发育辫状河三角洲沉积体系，向东南逐渐过渡为前三角洲-滨浅湖沉积环境。

沉积中心位于彭州附近，须五段厚度可达700 m以上。

储层岩石类型可以分为泥页岩(含粉砂质泥岩)、粉砂岩(含泥质粉砂岩)和细砂岩(含细粒以上不等粒砂岩)三类，其中泥页岩是须五段储层的主体，并且须五段砂泥岩频繁互层，厚度不等，整体表现为较强的非均质性，在垂向上形成富砂型、互层型和富泥型等3种叠覆式储层结构，其中富砂型可以进一步划分为单纯富砂型和富砂型中砂体以厚层和泥岩互层型(图2)。

图1 川西坳陷位置及构造区划图Fig.1 The location and tectonic division maps of western Sichuan depression
图2 川西坳陷须五段储层组合结构Fig.2 Reservoir combination structure of
T3x5in Western Sichuan Depression
须五段的三种储层具有不同的物性特征，从分析化验资料来看，泥页岩物性好于粉砂岩和细砂岩，泥页岩的平均孔隙度为3.89%，粉砂岩平均孔隙度为3.13%，而细砂岩的平均孔隙度为2.44%;泥页岩平均渗透率为0.065 1 mD，细砂岩平均渗透率为0.008 2 mD，粉砂岩平均渗透率为0.002 1 mD。

总体来看，具有特低孔隙度(＜5%)和渗透率(＜1 mD)并且储集空间类型多样的特点。

三种岩石的物性不同主要与其岩石结构成分有关，根据须五段的铸体薄片及全岩X衍射分析数据，
须五段储层成分主要为黏土矿物、石英、长石、碳酸盐矿物，泥页岩的黏土矿物所占比例最大，为43.65%，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，发育大量晶间孔，且部分含有有机质孔，因此泥页岩孔隙度相对较大。

砂岩成分结构中长石和石英所占比例最大，为52.62%，碳酸盐矿物占23.67%，黏土矿物含量为20.59%，细-粉砂岩的粒间孔被黏土充填并受压实作用影响，仅发育部分杂基微孔，因此细-粉
砂岩物性较泥页岩物性差。

川西坳陷上三叠统须家河组须五段已经被证实为川西地区的主力烃源岩之一，为中浅层侏罗系提供了充足的天然气源［15，16］。

富有机碳页岩TOC值一般大于2%，主要分布在0.5% ～4%之间，80%以上的样品有机碳含量大于1%，TOC值最高为9.88%，平均为2.78%。

烃源岩显微组分以镜质组和惰质组为主，壳质组
含量极低，绝大部分在5%以下，腐泥组含量也很低，烃源岩有机质类型为腐殖型。

对须五段泥页岩224个样品的统计表明，须五段泥页岩 Ro值介于 0.65% ～
1.86%，平均为1.18%;超过70%的页岩样品 Ro值介于0.8% ～1.3%，说明须五段泥页岩有机质绝大部分处于中等成熟演化阶段，少量处于高成熟阶段。

在钻至须五段页岩时普遍见到气显示(气浸、井漏、井涌)，川西地区钻遇须五段的80口井中，累计页岩气显示349层，累厚1 306 m。

须五段页岩29块岩石样品
实测的气含量在0.42～6.27 m3/t之间，平均为 1.37 m3/t，含气量小于 0.5
m3/t的仅占10%左右;分布在0.5～1.0 m3/t之间的较多，占总样品数的
41.38%;1.0 ～1.5 m3/t之间的样品也较多，占31.03%。

天然气中，吸附气量所
占比例为59.03% ～87.94%之间，平均为 75.22%;游离气含量所占比例为
10.63% ～39.06% 之间，平均为34.32%;其余为溶解气，明显显示出以吸附气为
主的特征。

2 非常规天然气地球化学特征
利用不锈钢瓶采集井口天然气样品，天然气的组分和碳同位素组成的测试在中国石
油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室测试完成，其中组分分析采用美国Agilent 6890N气相色谱仪;碳同位素组成采用MAT-252同位素质谱计测试完成，天然气的组分和碳同位素数据见表1。

2.1 天然气组分特征
根据送检中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室的21个天然气组分
及碳同位素样品分析，川西坳陷须五段天然气主要为烃类气体，大部分非烃类气体含量小于2%，非烃气体以N2、CO2为主，几乎无H2S。

川西坳陷须五段目前已经获得的天然气主要来自正向构造单元的孝泉-新场地区，部分来自合兴场和丰谷
地区。

须五段天然气的甲烷含量变化大，一般在72% ～96%之间，平均为84.5%;与其他层位相比，甲烷含量明显偏低［表1，图3(a)］，低于深层的须二段、须四段天然气中甲烷的含量，同时也比由其主要提供来源的侏罗系天然气的甲烷含量要低。

重烃气含量变化范围也非常大，介于 1.9% ～19.24%，平均为 8.2%，明显高于其他层位［表1，图3(b)］。

由于须五段天然气甲烷含量变化大，平均值低，同时重烃含量变化大，平均值高，导致须五段与其他层位，包括深层的须二段和须四段，中浅层的蓬莱镇、遂宁和沙溪庙组天然气相比，干燥系数也具有变化范围大、平均值较低的特点［图3(c)］。

天然气中非烃含量较低，含有少量的CO2、N2，总含量 0.77% ～6.98%，平均仅为 2.0%，其中N2含量相对较高，含量介于
0.3% ～5.4%，平均 1.41%。

表1 川西坳陷上三叠统须五段天然气组分和同位素组成特征Table 1 Gas components and isotope composition characteristics of T3x5in western Sichuan depression序号井号深度/m CH4/%2014.5 2 XCA 3 155 78.76 8.93 3.23 0.97 0.23 -35.9 -23.8 -21.9 采样时间:2014.5 3 XCA 3 155 87.02 8.04
2.45 0.75 0.29 -42 -26.1 -21.6 采样时间:2014.12 4 XCA 3 155 86.27 8.31 2.55 1.07 0.30 -42.2 -26.1 -21.8 采样时间:2014.12 5 XCB 3 050 74.49 6.88
3.57
0.73 0.31 -38.1 -27.3 -23.7 采样时间:2014.5 6 XCC 3 045 73.76 9.95 5.51
0.95 0.27 -44.4 -28.0 -24.9 采样时间:2014.5 7 XCC 3 010 72.66 9.83 5.47
1.18 0.25 -43.6 -27.3 -2
2.9 采样时间:2014.5 8 XYA 3 028.81 ～3 029.01 95.84
2.82 0.15 0.01 1.18 -3
3.1 -26.3 采样时间:201
4.5 9 XYA 3 034.67 ～3 034.87 8
5.58 4.28 0.33 8.43 1.36 -30.7 采样时间:2014.5 10 XYA 3 042.82 ～3 043.02 92.43 2.62 0.11 3.14 1.69 -30.3 -25.6 -23 采样时间:2014.5 11 XYA 3
043.68 ～3 043.87 89.99 6.56 0.43 1.93 1.05 -27.1 -24.9 -22.8 采样时
间:2014.5 12 XYA 3 057.56 ～3 057.72 95.72 3.07 0.23 0.32 0.76 -28.3 -22.9 采样时间:2014.5 13 XYA 3 059.37 ～3 059.57 98.23 1.24 0.05 0.01 0.47 -28.6 采样时间:2014.5 14 XYB 3 286 86.21 5.06 1.60 0.39 0.38 -35.2 -24.4 -22.1 采样时间:2014.5 15 XYB 3 287 87.04 5.14 1.62 0.35 0.34 -35.1 -24.5 -22.5 采样时间:2014.5 16 XYB 3 288 87.56 5.04 1.54 0.36 0.42 -34.6 -24.7 -23.5 采样时间:2014.5 17 XYB 3 289 88.05 5.15 1.59 0.33 0.24 -35.2 -25.1 -22.8 采样时间:2014.5 18 XYB 3 290 86.82 5.15 1.64 0.48 0.32 -34.21 -24.2 -22.1 采样时间:2014.5 19 XYB 3 292 87.01 5.06 1.55 0.50 0.39 -35.4 -25.0 -22.5 采样时间:2014.5 20 XYB 3 288 91.2 5.30 1.55 0.56 0.42 -36.3 -24.8 -21.8 采样时间:2014.12 21 XYB 3 289 91.18 5.29 1.56 0.59 0.43 -36.2 -24.6 -21.8 采样时间:备注1 XCA 3 155 85.02 5.65 1.48 0.85 2.09 -41.0 -26.2 -22 采样时
间:C2H6C3H8/%/%N2/%CO2/%δ13C1/‰δ13C2/‰δ13C3/‰2014.12
2.2 天然气碳同位素特征
川西坳陷须五段天然气甲烷碳同位素值介于-44.4‰ ～ -27.1‰之间，乙烷碳同位素值介于-28.1‰ ～ -22.9‰之间，丙烷碳同位素值介于-24.9‰～-21.9‰之间。

烷烃气同位素组成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正常序列分布特点，并没有出现倒转。

须五段甲烷碳同位素(δ13C1)值变化范围大(-44‰～-
27.1‰)，既不同于深层须二、四段天然气，也不同与中浅层侏罗系各层段天然气(表1，图4)。

与深层须二段和须四段天然气乙烷碳同位素值介于-27‰～-20‰
相比，须五段乙烷碳同位素值略微偏轻。

3 非常规天然气成因机制
3.1 天然气成因类型
国内外大量分析资料表明［17］:生物气δ13C1为-100‰～-55‰;油型气特征是-30‰ ＞δ13C1＞-55‰，δ13C2＜ -28.8‰;煤型气具有 -10‰ ＞δ13C1＞ -43‰，δ13C2＞ -25.1‰的特点。

由于甲烷的碳同位素值受成熟度和运移影响较大，乙烷的碳同位素值受有机质类型影响大。

因此，可以结合两者进行气源对比。

图3为孝泉-新场地区不同层位δ13C1随深度变化关系图，中浅层甲烷碳同位素
值从须五、沙溪庙组、遂宁组至蓬莱镇组逐渐变重，深层甲烷碳同位素值由须五段、须四段至须二段逐渐变重，且须五段甲烷碳同位素分布范围较广，主要分布在-44‰～-27‰之间。

须五段乙烷碳同位素值主要分布在-25‰～-22‰之间，频
率为52.38%，须五段丙烷碳同位素值主要分布在 -24.9‰ ～-21.6‰之间，平均为 -22.5‰，通过甲烷碳同位素及重烃气碳同位素综合表明须五段天然气为典型
煤型气。

3.2 天然气成熟度
甲烷与乙烷的碳同位素差值可判断气体的成熟度，而不是用每个碳的同位素绝对值［18］。

δ13C2-δ13C1差值是一项与成熟度有关的参数，具有随成熟度增高，其差值变小的规律;在高成熟演化阶段(Ro=0.5% ～2.4%)这一差值一般在5‰ ～12‰;而在过成熟阶段 (Ro=2.4% ～3.6%)该值变小，甚至出现负值(-2‰ ～5‰)［19］。

天然气的正构烷烃组分之间的碳同位素差值与母源无关，而受成熟度的
影响［20，21］，其中，甲烷与乙烷的碳同位素差值(δ13C2-δ13C1)是随天然气湿度的减小和成熟度的增加而减小，成熟期—高成熟早期(Ro:0.6% ～1.5%)，
δ13C2- δ13C1值为7.4‰ ～12‰;进入高成熟后期(Ro＞1.5%)，δ13C2-
δ13C1＜7‰。

图3 川西坳陷上三叠统须五段天然气组分特征分布直方图(其他层位数据［13］)Fig.3 The components characteristics distribution histogram of
T3x5in western sichuan depression
图4 川西坳陷陆相层系天然气δ13C1(%)深度变化关系图Fig.4 The relationship beween δ13C1(%)of the Continental natural gas and the depth inwestern sichuan depression
由须五段甲烷碳同位素和δ13C2～δ13C1成因图版分析表明:δ13C2～δ13C1在2.20‰ ～16.31‰，表明研究区天然气主要为热成因的天然气(图5、图6)。

这与须五段泥页岩成熟度 Ro分布于0.65% ～1.86%、平均为1.18%相对应，说明泥页岩成熟度Ro及天然气碳同位素较低，显示须五段天然气属于成熟-中等成熟阶段。

综合分析表明，须五段天然气属于成熟-中等成熟热解成因煤型气。

须五段致密气的低甲烷含量、低干燥系数的原因是其形成过程持续时间长，成熟度较低的天然气具有甲烷含量低的特点。

在样品分析中，却发现XCA井有几个样品的乙烷碳同位素与甲烷碳同位素的差值很低，仅在2.27‰-6.87‰之间，如果按照甲烷碳同位素和δ13C2～δ13C1成因图版计算其成熟度高，应当达到高-过成熟阶段。

由于XCA井位于川西坳陷内部的孝泉-新场-丰谷隆起带上，须五段埋藏深度一般在2 700～3 300 m之间，镜质体反射率根据实际测量资料，Ro分布于 1.0% ～1.2%，平均仅为 1.12%。

上述事实暗示，仅仅依赖于须五段正常的热演化生烃形成的常规天然气，显然很难达到如此高成熟度的天然气。

产生这种反常的现象可能有两种原因，一是须五段页岩内部的天然气来自深部的须三段，甚至更深的须一段(马鞍塘-小塘子组);二是须五段可能除了常规的致密气之外，还有其他赋存状态的天然气，或者是在开采过程中赋存状态发生了改变。

对于第一种可能，由于目前须
五段天然气的组分相对于深层的须三段和须一段而言，不具有典型的高甲烷含量、低重烃含量的干气特点，所以排除了来自深部高-过演化阶段气的可能，这就暗示了其天然气赋存状态与川西坳陷其他层位的不同。

3.3 天然气赋存状态
图5 川西坳陷陆相领域天然气δ13C1与δ13C2～δ13C1关系图Fig.5 The relationship beween δ13C1(%)and δ13C2～δ13C1of the Continental natural gas and the depth in western Sichuan depression
图6 川西坳陷陆相层系天然气“X”成因图版［22］Fig.6 The orgin of the Continental natural gas in western Sichuan depression［22］
非常规天然气的赋存形式具有多样性，包括游离态(指赋存在天然裂缝和粒间孔隙中)、吸附态(大量吸附于有机质颗粒、黏土矿物颗粒、干酪根颗粒以及孔隙表面之上)及溶解态(少量溶解于干酪根、沥青质以及液态原油中)，但以游离态和吸附态为主，溶解态仅少量存在。

前人研究表明，煤层气甲烷碳同位素普遍轻于常规煤成气甲烷碳同位素，煤层气甲烷碳同位素值分布范围很大，主要在-90‰～-35‰范围内，而常规煤成气则主要分布在-40‰～-30‰范围内［23，24］。

煤层气中90%以上的气体以吸附气的形式保存在煤的内表面，游离气不足10%，可以将煤层气近似看作为吸附气。

川西坳陷须五段天然气部分样品的甲烷同位素值非常低，XCA井、XCB井、XCC井等均实测有甲烷碳同位素小于-40‰的气体，这说明须五段部分非常规气以吸附气的状态赋存。

美国Barnett页岩气、Fayetteville页岩气、Appalachian页岩气都含有大量轻碳同位素组成的甲烷。

前文谈到须五段中还含有部分重甲烷碳同位素的天然气，为非高-过成熟阶段形成的天然气，其形成的原因主要可能是其赋存状态的不同而造成的。

李五忠等、韩辉等通过实验研究了解析过程中甲烷碳同位素的变化，发现高甲烷同位素值是由于致密气解吸过程中甲烷碳同位素分馏引起的［11，25］，由于在解析的过程中，13C 比12C 的原子量
大，煤对13C的甲烷的吸附能力要比对12C甲烷的吸附能力更强，因此，12C甲烷在煤层气解吸过程中要优先于13C的甲烷从煤基质中解吸出来。

表1中样品
3～4及20～21采样时间晚于先前采样时间半年左右，从统计数据分析得知须五
段天然气在生产过程中，早期测得的样品为相对低甲烷含量、高重烃含量、轻-中等甲烷碳同位素值的游离气和吸附气混合成因的天然气，而生产一定时间后，主要为高甲烷含量、重甲烷碳同位素值吸附气为主的天然气特征。

正是由于这样的较为特殊的天然气赋存状态，导致天然气在生产过程中，具有早期较高的天然气产能，而后期天然气产能急剧下降后趋于较稳定的特点(图7)。

图7 XYA井生产曲线Fig.7 Xinye1 well production curve
4 结论
川西坳陷上三叠统须五段天然气主要为烃类气体，甲烷含量、干燥系数变化大，但平均值较低，烷烃气同位素组成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正常序列分布特点，但甲烷碳同位素值(δ13C1)变化大，在-44.4‰～-27.1‰之间，
乙烷碳同位素值介于 -28.1‰ ～ -22.9‰之间。

须五段天然气为典型煤型气，具有成熟-中等成熟阶段热解成因气的特征。

须五段天然气为吸附气及游离气的混合气体，但以吸附气为主。

在生产过程中，早期天然气为相对低甲烷含量、高重烃含量、轻-中等甲烷碳同位素值的游离气和吸附气的混合，而生产一定时间后，以高甲烷含量、重甲烷碳同位素值的吸附气为主。

参考文献
【相关文献】
1 朱华，姜文利，边瑞康，等.页岩气资源评价方法体系及其应用——以川西坳陷为例.天然气工业，2009;29(12):130—134
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