倪云燕，廖鳳蓉，龔德瑜，焦立新，高金亮，姚立邈

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009）

0 引言

自1979年《成煤作用中形成的天然氣與石油》[1]一文發(fā)表以來(lái)，在煤成氣理論的指導(dǎo)下，中國(guó)天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量近40年來(lái)有了一個(gè)快速的增長(zhǎng)。煤成氣理論創(chuàng)立之前，1978年中國(guó)天然氣總儲(chǔ)量2 284×108m3（其中煤成氣203×108m3），年產(chǎn)氣137×108m3（其中煤成氣3.43×108m3），至2016年全國(guó)天然氣總儲(chǔ)量118 951.20× 108m3（其中煤成氣82 889.32×108m3），年產(chǎn)氣1 384× 108m3（其中煤成氣742.91×108m3），共發(fā)現(xiàn)煤成大氣田39個(gè)，占全國(guó)大氣田總數(shù)（59個(gè)）的66%；其中全國(guó)儲(chǔ)量最大、年產(chǎn)氣量最高的蘇里格氣田就是煤成氣田[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，世界對(duì)油氣資源的需求不斷增加，而隨著常規(guī)油氣已被大量發(fā)現(xiàn)，其勘探變得越來(lái)越困難，勘探的目標(biāo)不斷向其他高難領(lǐng)域擴(kuò)展，比如非常規(guī)、深層、低熟、高過(guò)成熟以及無(wú)機(jī)成因等各類油氣。由于天然氣主要由少數(shù)簡(jiǎn)單的低分子量烴類組成，其成因分析主要依靠碳、氫同位素組成特征和組分含量[2]。前人針對(duì)天然氣成因判識(shí)和氣源對(duì)比，利用天然氣碳?xì)渫凰亟M成進(jìn)行了一系列卓有成效的研究，這為疊合盆地復(fù)雜天然氣成因的判識(shí)提供了重要的研究手段[3-10]。

吐哈盆地為中國(guó)重要的含油氣盆地，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是煤成油的典型盆地[11-14]，其煤成氣勘探始于20世紀(jì)90年代初。目前該盆地的天然氣勘探工作主要集中在臺(tái)北凹陷，因此，臺(tái)北凹陷天然氣地球化學(xué)特征及成因來(lái)源研究對(duì)于吐哈盆地天然氣勘探意義重大。但對(duì)于臺(tái)北凹陷天然氣的成因與來(lái)源，一直存在諸多爭(zhēng)議，目前主要觀點(diǎn)如下：臺(tái)北凹陷天然氣為來(lái)自中下侏羅統(tǒng)的低熟煤成氣，源巖以西山窯組為主[15-16]、八道灣組為輔或者以八道灣組為主、西山窯組為輔[17]；吐哈盆地天然氣大多數(shù)屬于接近油型氣的混合氣，來(lái)自煤系泥巖而非煤層[13]；臺(tái)北凹陷天然氣主要為煤成氣，但巴喀和鄯善油田的個(gè)別井屬于生物改造氣或混合氣[18]；丘東次凹致密砂巖氣為來(lái)自于煤系泥巖的煤成氣和混合氣，柯柯亞地區(qū)煤成氣來(lái)自于煤系泥巖，而混合氣主要來(lái)源于西山窯組煤系源巖[19]。對(duì)于臺(tái)北凹陷天然氣的成因與來(lái)源，目前還沒(méi)有定論。Ni等[3]根據(jù)天然氣地球化學(xué)特征，結(jié)合天然氣氫同位素組成研究，認(rèn)為丘東和紅臺(tái)氣田天然氣為來(lái)自中下侏羅統(tǒng)煤系源巖的煤成氣，但沒(méi)有對(duì)臺(tái)北凹陷其他地區(qū)的天然氣成因進(jìn)行詳細(xì)研究。本文將根據(jù)天然氣組分、穩(wěn)定碳同位素組成、穩(wěn)定氫同位素組成，對(duì)臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、丘陵和溫米等油氣田天然氣成因進(jìn)行系統(tǒng)分析，深入探討其成因和來(lái)源。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

吐哈盆地位于新疆東部，呈東西向展布，是新疆地區(qū)3大沉積盆地之一。盆地東西長(zhǎng)660 km，南北寬60 km，面積約5.35×104km2。盆地內(nèi)部構(gòu)造單元分為東部哈密坳陷、中部了墩隆起和西部吐魯番坳陷。其中吐魯番坳陷是盆地的主體坳陷，臺(tái)北凹陷是吐魯番坳陷的次一級(jí)構(gòu)造單元，面積為9 600 m2，是主要的侏羅系煤系含油氣區(qū)（見(jiàn)圖1）。盆地中發(fā)育石炭系—第四系，最大累計(jì)厚度逾9 000 m。其中石炭系—二疊系為海相沉積巖—火山巖組合，三疊系為半深湖—淺湖相沉積，中下侏羅統(tǒng)為半深湖—河流沼澤相含煤沉積，白堊系和第三系為淺湖—河流相沉積[13]。侏羅系在盆地中分布最為廣泛，厚度可達(dá)4 600 m；其中臺(tái)北凹陷的侏羅系發(fā)育最為齊全（見(jiàn)圖2）。吐哈盆地?zé)N源巖主要包括：石炭系—下二疊統(tǒng)海相泥巖、上二疊統(tǒng)和上三疊統(tǒng)黃山街組半深湖—淺湖相泥巖、中下侏羅統(tǒng)八道灣組和西山窯組半深湖-河流沼澤相含煤沉積和中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組黑色泥巖[11,14,20]。其中中下侏羅統(tǒng)的八道灣組和西山窯組是盆地中最主要的烴源巖層，煤化程度較低，西山窯組頂面Ro值為0.4%～0.9%，多數(shù)是成熟源巖，部分為低熟源巖，其下伏下侏羅統(tǒng)成熟度更高，下侏羅統(tǒng)八道灣組是成熟—高成熟源巖[13]。西山窯組暗色泥巖厚達(dá)600 m，主體厚度為200～400 m，暗色泥巖TOC值為0.5%～3.6%，煤層厚度為40～60 m，最大厚度可達(dá)100 m；八道灣組暗色泥巖厚度為50～300 m，暗色泥巖TOC值為0.5%～3.0%，煤層厚度為40～60 m[11,13]。盆地中三工河組暗色泥巖厚度為50～100 m，三間房組和七克臺(tái)組暗色泥巖厚度分別為50～200 m和100～200 m[13]。盆地中煤層厚度平均為70～80 m，西山窯組相比八道灣組含煤更多，三工河組、三間房組和七克臺(tái)組含煤較少或幾乎不含煤[13]。

2 樣品和測(cè)試方法

在吐哈盆地臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、丘陵和溫米等油氣田共采集23個(gè)天然氣樣品，另外對(duì)比分析了紅臺(tái)氣田的12個(gè)氣樣和丘東氣田的11個(gè)氣樣[3]。天然氣樣品的采集采用雙閥門高壓鋼瓶，天然氣組分和碳?xì)渫凰亟M成測(cè)試均在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院完成。天然氣組分分析采用Agilent 7890型氣相色譜儀，碳同位素組成分析則采用氣相色譜-同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-IRMS），該裝置由一臺(tái)Thermo Delta V質(zhì)譜儀和一臺(tái)Thermo Trace GC Ultra色譜儀連接組成。天然氣氫同位素組成分析是在GC/TC/IRMS上進(jìn)行的，該裝置由一臺(tái)MAT253質(zhì)譜儀與一臺(tái)裝有溫度為1 450 ℃顯微熱解爐的Trace GC Ultra色譜儀相連接。每個(gè)樣品至少重復(fù)測(cè)試2次，碳同位素組成分析精度為±0.3‰，標(biāo)準(zhǔn)為VPDB，氫同位素組成分析精度為±3‰，標(biāo)準(zhǔn)為VSMOW[21]。

圖1 吐哈盆地臺(tái)北凹陷油氣田分布圖

圖2 吐哈盆地臺(tái)北凹陷侏羅系、中上三疊統(tǒng)地層柱狀圖

3 天然氣地球化學(xué)特征

通過(guò)對(duì)臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、溫米和丘陵等油氣田天然氣樣品的測(cè)試分析（見(jiàn)表1），并結(jié)合前期對(duì)丘東和紅臺(tái)氣田天然氣的研究（見(jiàn)表2），進(jìn)一步分析該區(qū)天然氣的地球化學(xué)特征。

3.1 組分特征

臺(tái)北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和溫米等地區(qū)天然氣以烴類氣體為主，甲烷含量為65.84%～97.94%，平均為81.29%，重?zé)N氣（C2—5）含量為1.55%～34.98%，平均值為18.70%（見(jiàn)表1）。天然氣干燥系數(shù)（C1/C1—5）為0.66～0.98，平均值為0.81，略低于丘東（干燥系數(shù)均值0.83）和紅臺(tái)（干燥系數(shù)均值0.85）的天然氣，全部為濕氣。非烴氣體（CO2、N2）含量非常低，只在個(gè)別井含微量N2（小于0.04%），未檢測(cè)到CO2。

3.2 碳同位素組成特征

臺(tái)北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和溫米等地區(qū)天然氣δ13C1值變化范圍為-44.9‰～-40.4‰，平均值為-41.6‰；δ13C2值為-28.2‰～-24.9‰，平均值為-26.9‰；δ13C3值為-27.1‰～-18.0‰，平均值為-25.2‰；δ13C4值為-26.7‰～-22.1‰，平均值為-24.9‰；δ13C5值為-25.9‰～-22.5‰，平均值為-24.4‰（見(jiàn)表1）。除了巴喀油田巴23井和柯19井，天然氣甲烷及其同系物（C2—C5）基本上表現(xiàn)為碳同位素組成正序排列（δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4<δ13C5），這與典型的有機(jī)成因烷烴氣碳同位素組成特征一致[25]。該區(qū)天然氣甲烷碳同位素組成總體上與丘東氣田（δ13C1均值-41.2‰）的比較相近，而比紅臺(tái)（δ13C1均值-38.4‰）的輕?？傮w上，巴喀、丘陵、鄯善和溫米等4個(gè)油氣田甲烷碳同位素組成相近，均輕于-40‰，說(shuō)明天然氣成熟度較低，與丘東氣田的相近，比紅臺(tái)氣田的要低[3]。巴喀油田巴23井和柯19井天然氣丙烷和/或丁烷碳同位素組成相對(duì)變重，使整個(gè)碳同位素組成序列出現(xiàn)部分倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象（見(jiàn)圖3），表明后期發(fā)生次生改造作用。巴喀、丘陵、鄯善和溫米等4個(gè)油氣田乙烷碳同位素組成也都相近，巴喀油田乙烷δ13C均值為-26.5‰，丘陵油田乙烷δ13C均值為-27.8‰，鄯善油田乙烷δ13C均值也為-27.8‰，溫米油田乙烷δ13C均值為-26.8‰。溫米油田乙烷δ13C值總體上較重，變化范圍很小，為-26.4‰～-27.0‰，巴喀油田除了巴23井和柯19井乙烷δ13C值較重外（巴23井δ13C2值為-25.4‰，柯19井δ13C2值為-24.9‰），其余井乙烷δ13C值變化范圍很小，-26.7‰～-27.3‰。巴23井和柯19井的丙烷δ13C值也相對(duì)較重，巴23井丙烷δ13C值為-18.0‰，柯19井丙烷δ13C值為-23.8‰，均高于其他井。

表1 吐哈盆地臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、丘陵和溫米等油田天然氣組分、碳?xì)渫凰亟M成地球化學(xué)特征

表2 吐哈盆地臺(tái)北凹陷紅臺(tái)和丘東氣田天然氣組分、碳?xì)渫凰亟M成地球化學(xué)特征

圖3 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣甲烷及其同系物碳（a）、氫（b）同位素組成分布特征（丘東和紅臺(tái)數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[3]）

3.3 氫同位素組成特征

臺(tái)北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和溫米等地區(qū)天然氣δD1值變化不大，為-272‰～-252‰，平均值為-262‰；乙烷氫同位素組成值變化范圍稍大，為-236‰～-200‰，平均值為-225‰；而丙烷氫同位素組成值變化范圍則更大，為-222‰～-174‰，平均值為-211‰（見(jiàn)表1）。該區(qū)天然氣甲烷及其同系物（C2、C3）表現(xiàn)為正序排列（δD1<δD2<δD3）（見(jiàn)圖3）。

4 天然氣成因和來(lái)源

臺(tái)北凹陷巴喀、丘陵、鄯善和溫米等地區(qū)天然氣甲烷及其同系物（C2—C5）整體上表現(xiàn)為正序碳?xì)渫凰亟M成特征（δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4<δ13C5，δD1<δD2<δD3）（見(jiàn)圖3），即烷烴氣的碳同位素組成隨著碳數(shù)的增加而更加富集13C，這與典型有機(jī)成因烷烴氣一致[2]。這是同位素組成動(dòng)力學(xué)分餾效應(yīng)的結(jié)果，即當(dāng)一個(gè)烷基從其母源有機(jī)質(zhì)分離的時(shí)候，12C-12C鍵比12C-13C鍵弱，所以優(yōu)先斷裂，使得熱解產(chǎn)物相對(duì)于其高分子母質(zhì)更加貧13C[26]。根據(jù)Whiticar圖版[27]（見(jiàn)圖4）和Bernard圖版[28]（見(jiàn)圖5），研究區(qū)天然氣樣品都落在熱成因氣區(qū)，數(shù)據(jù)相對(duì)比較集中，沒(méi)有出現(xiàn)與生物氣之間的混合現(xiàn)象。與丘東和紅臺(tái)的樣品數(shù)據(jù)相近，有的幾乎是重疊。在Whiticar圖版中，樣品主要落在低成熟的熱成因氣區(qū)，而在Bernard圖版中，則主要偏向于Ⅲ型干酪根母質(zhì)類型。

圖4 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣甲烷碳（a）、氫（b）同位素

圖5 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣δ13C1-C1/(C2+C3)圖

根據(jù)原始有機(jī)質(zhì)類型不同，可以將熱成因氣劃分為煤成氣（主要來(lái)自于陸相腐殖型有機(jī)質(zhì)）和油型氣（主要來(lái)自于海相或湖相腐泥型及腐泥-腐殖型有機(jī)質(zhì)）兩種類型。煤成氣氣源巖干酪根類型為Ⅲ和Ⅱ2型，其主要是由相對(duì)富集13C的芳香結(jié)構(gòu)及短支鏈結(jié)構(gòu)組成；油型氣則是由烴源巖中Ⅰ和Ⅱ1型干酪根形成，主要由相對(duì)富集12C的長(zhǎng)鏈脂肪族結(jié)構(gòu)組成[29]。烴源巖在相同或相近成熟度進(jìn)行成氣作用，腐殖型和腐泥型干酪根在生氣過(guò)程中，其碳同位素組成均會(huì)發(fā)生繼承作用，致使煤成氣甲烷及其同系物比油型氣甲烷及其同系物的δ13C值重[30]。乙烷碳同位素組成具有較強(qiáng)的原始母質(zhì)繼承性，盡管也受源巖熱演化程度的影響，但受影響程度遠(yuǎn)小于甲烷碳同位素組成；因此，乙烷碳同位素組成經(jīng)常被用來(lái)作為區(qū)別煤成氣和油型氣的有效指標(biāo)[30]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要采用-28‰[31-32]或者-29‰[30,33-34]作為界限值。根據(jù)前人的研究成果，Ni等[3]采用-28‰作為煤成氣和油型氣的界限，指出丘東和紅臺(tái)兩氣田天然氣乙烷碳同位素組成都不低于-27.5‰，屬于煤成氣。本區(qū)天然氣乙烷碳同位素組成為-28.2‰～-24.9‰，均值為-26.9‰。除了鄯13-61C井，其乙烷碳同位素組成為-28.2‰，其他井乙烷碳同位素組成都重于-28‰（見(jiàn)圖6）。采用-28‰作為煤成氣和油型氣的界限，根據(jù)乙烷碳同位素組成比值，分析認(rèn)為臺(tái)北凹陷鄯善、巴喀、丘陵和溫米等4個(gè)油氣田的天然氣主要為煤成氣。

乙烷碳同位素組成除了主要受母質(zhì)類型影響外，還會(huì)受到烴源巖熱演化程度的影響。一般來(lái)說(shuō)，甲烷和乙烷的碳同位素組成隨著烴源巖熱演化程度的增加而增加[7,29,35]，如圖6所示，成熟度越高的氣樣則越落在圖版右上方，而成熟度越低的氣樣則越落在圖版的左下方。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)次生改造的原生氣，如果落在同一個(gè)成熟度趨勢(shì)線上，則可能代表其處于不同熱演化階段，而如果落在不同成熟度趨勢(shì)線上，則更可能反映其不同源或者后期發(fā)生過(guò)次生改造。圖6出示了前人有關(guān)來(lái)自Ⅲ型干酪根煤成氣的不同類型δ13C1-δ13C2關(guān)系[23,36-38]。臺(tái)北凹陷鄯善、巴喀、丘陵和溫米的氣樣與Sacramento盆地來(lái)自Ⅲ型干酪根的氣樣相似[36]，落在同一個(gè)成熟度趨勢(shì)線上，這說(shuō)明研究區(qū)氣樣屬于來(lái)自Ⅲ型干酪根的煤成氣。與紅臺(tái)的氣樣相比，研究區(qū)部分井氣樣在圖6的落點(diǎn)更偏向右下方，即處在成熟度趨勢(shì)線的下端位置，與丘東的氣樣相似，說(shuō)明這些井氣樣所代表的烴源巖成熟度更低，這與其組分中含有更多的重?zé)N氣即干燥系數(shù)更低一些完全對(duì)應(yīng)。因此，臺(tái)北凹陷鄯善、巴喀、丘陵和溫米等4個(gè)油氣田天然氣為成熟度較低的煤成氣。中下侏羅統(tǒng)煤系源巖在小草湖凹陷的熱演化程度相對(duì)于丘東凹陷的要高，這與前人的研究完全一致[3,11]。總體上來(lái)說(shuō)，臺(tái)北凹陷鄯善、巴喀、丘陵和溫米油田天然氣成熟度較低，甲烷和乙烷的碳同位素組成也相應(yīng)較低，與四川盆地須家河組天然氣相比[8]，在δ13C1-δ13C2圖版中明顯落在左下方（見(jiàn)圖6）。

圖6 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣δ13C1-δ13C2相關(guān)特征

利用Dai等[39]的δ13C1-δ13C2-δ13C3圖版（見(jiàn)圖7），研究區(qū)氣樣也都主要落在煤成氣區(qū)，這與紅臺(tái)和丘東的氣樣相似。巴23和柯19井氣樣在圖6中明顯偏離了δ13C1-δ13C2成熟度曲線，巴23井在圖7中也落在煤成氣區(qū)域外。這兩口井的丙烷和丁烷之間的碳同位素組成都發(fā)生了倒轉(zhuǎn)（δ13C3>δ13C4）。許多因素可能都會(huì)導(dǎo)致烷烴氣碳同位素組成系列倒轉(zhuǎn)，比如混合、生物降解等[25]。巴23井和柯19井則符合生物降解成因，主要有以下4點(diǎn)原因：①巴23井（埋深1 174.0～1 180.0 m、1 854.6～1 876.2 m、1 901.8～1 916.0 m和1 930.0～1 951.2 m）儲(chǔ)集層埋藏深度比較淺，在2 000 m以淺，地層溫度一般低于80 ℃，生物活性強(qiáng)，容易發(fā)生生物降解作用；②除了柯21C井為干氣外，研究區(qū)其余22口井氣樣中， 巴23井和柯19井C2—5重?zé)N含量是最低的，其中巴23井C2—5含量為10.92%，柯19井C2—5含量為7.16%；研究區(qū)剩余20口井氣樣C2—5含量則為12.67%～34.15%，平均為20.50%，明顯高于巴23井和柯19井。巴23井和柯19井的C3—5重?zé)N含量則更低，其中巴23井C3—5含量為2.54%，柯19井C3—5含量為0.75%；研究區(qū)剩余20口井氣樣（除了柯21C井為干氣）C3—5含量則為4.87%～17.31%，平均為9.86%，明顯高于巴23井和柯19井。③巴喀油田7口井中，巴23井和柯19井的乙烷和丙烷δ13C值明顯偏重。巴23井乙烷和丙烷δ13C值分別為-25.4‰和-18.0‰，柯19井乙烷和丙烷的δ13C值分別為-24.9‰和-23.8‰，而巴喀油田其余5口井乙烷和丙烷的均值分別為-27.0‰和-25.2‰。④巴喀油田7口井中，巴23井和柯19井的甲烷碳同位素組成明顯偏輕。巴23井和柯19井的甲烷δ13C值分別為-44.9‰和-42.3‰，而其余5口井甲烷δ13C均值為-41.0‰。在生物降解過(guò)程中細(xì)菌會(huì)優(yōu)先氧化12C-12C鍵，使得剩余組分富集13C，從而使其δ13C變重。菌種不同，被氧化降解的組分也不同，比如存在丙烷氧化菌，天然氣中丙烷就優(yōu)先被降解消耗，致使剩余丙烷的δ13C值變重，組分變輕[29]；同時(shí)，生物降解過(guò)程中還可以產(chǎn)生以甲烷為主的、碳同位素組成偏輕的次生生物氣。因此，推斷巴23井和柯19井發(fā)生重?zé)N生物降解作用，導(dǎo)致其重?zé)N含量降低，重?zé)N碳同位素組成偏重，丙烷和丁烷之間發(fā)生碳同位素組成倒轉(zhuǎn)，甲烷碳同位素組成偏輕。巴喀油田離盆地北緣主要供水區(qū)最近，且斷裂發(fā)育。儲(chǔ)集層埋藏較淺，地下水活動(dòng)和地表水滲入都會(huì)破壞油氣藏，對(duì)烴類進(jìn)行改造[18]。巴23井氣藏埋藏最淺，為1 174～1 951 m，最容易遭受地下水活動(dòng)和地表水滲入導(dǎo)致的生物降解。根據(jù)臺(tái)北凹陷地表溫度為20 ℃，地溫梯度為2.3 ℃/100 m，則巴23井對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)集層溫度為47～65 ℃[40]?？紤]到地質(zhì)歷史過(guò)程中可能存在地層抬升，該儲(chǔ)集層溫度完全適宜細(xì)菌活動(dòng)，不構(gòu)成限制因素。另外，天然氣中丙烷、丁烷和戊烷碳同位素組成倒轉(zhuǎn)最明顯，甲烷碳同位素組成也比其他探井天然氣偏輕（見(jiàn)表1、圖3），充分表明該天然氣確實(shí)遭受了生物降解。這一認(rèn)識(shí)與前人研究結(jié)果一致[40-41]。

圖7 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣δ13C1-δ13C2-δ13C3分布特征

甲烷碳同位素組成隨烴源巖成熟度增加而變重，δ13C1與Ro之間存在對(duì)數(shù)線性相關(guān)性，但這種δ13C1-Ro成熟度模型有一定的適用范圍，比如成熟度范圍、地域范圍、母質(zhì)類型等[11,23,42]。吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣盡管屬于煤成氣，但是成熟度較低，因此本文采用戴金星和戚厚發(fā)[23]、沈平等[22]、王昌桂等[11]、劉文匯和徐永昌[24]的δ13C1-Ro成熟度計(jì)算公式對(duì)研究區(qū)天然氣進(jìn)行Ro的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果Ro平均值分別為0.31%、0.65%、0.69%、0.70%（見(jiàn)表1）。戴金星和戚厚發(fā)[23]和沈平等[22]的δ13C1-Ro關(guān)系式反映了長(zhǎng)期連續(xù)演化的煤成氣特征，前者體現(xiàn)的主要為高演化階段，而后者則更反映了低演化階段煤成甲烷碳同位素組成分餾特征[24,43]。在高演化階段，煤成甲烷碳同位素組成比油型甲烷的重；但有研究指出，低演化階段煤成甲烷的碳同位素組成并不一定比油型甲烷的重[22]，說(shuō)明不同演化階段的煤系成氣機(jī)制可能不同[24]。因此，劉文匯和徐永昌[24]提出了煤系甲烷的二階段碳同位素組成分餾模式，即煤系成氣過(guò)程中，早期主要為脂肪側(cè)鏈降解為主，其形成的煤成氣δ13C也較輕，后期主要為芳香核縮聚作用，形成的煤成氣δ13C則較重。王昌桂等[11]的計(jì)算公式則是基于吐哈盆地天然氣而推導(dǎo)的。不同的關(guān)系式具有不同的適用范圍，王昌桂等[11]和劉文匯和徐永昌[24]的δ13C1-Ro關(guān)系式得出的Ro均值相似，分別為0.69%和0.70%。王昌桂等[11]的δ13C1-Ro關(guān)系式主要是基于吐哈盆地天然氣歸納總結(jié)的，理論上該關(guān)系式計(jì)算的Ro值應(yīng)該最接近于實(shí)際值。但δ13C1-Ro關(guān)系式準(zhǔn)確度在很大程度上依賴于所統(tǒng)計(jì)的樣品，王昌桂等[11]當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)的氣井深度主要都在3 000 m以淺，埋深超過(guò)3 000 m的氣井較少，這在一定程度上可能會(huì)導(dǎo)致其δ13C1-Ro關(guān)系式所計(jì)算的Ro值低于實(shí)際值。在吐哈盆地4套烴源巖中，中下侏羅統(tǒng)西山窯組和八道灣組為半深湖-河流沼澤相含煤沉積，被認(rèn)為是臺(tái)北凹陷內(nèi)煤成氣的主要?dú)庠磶r[3,11,13]。研究區(qū)西山窯組頂部的現(xiàn)今Ro值約為0.4%～0.9%，八道灣組頂部的現(xiàn)今Ro值約為0.6%～1.0%，已經(jīng)進(jìn)入生烴門限，具備大量生烴的條件[11,13]。西山窯組暗色泥巖在全盆地都有分布，厚度一般為200～400 m，煤層厚度一般為40～60 m，八道灣組暗色泥巖厚度一般為50～200 m，煤層厚度一般為40～60 m[11,13]。西山窯組暗色泥巖TOC值平均為1.51%，熱解生烴潛量（S1+S2）平均值為1.84 mg/g，八道灣組暗色泥巖TOC值平均為2.08%，（S1+S2）值平均為3.79 mg/g；從全盆地來(lái)看，煤顯微組分中鏡質(zhì)組含量60%～80%，殼質(zhì)組含量小于10%，惰質(zhì)組含量為10%～40%，其中西山窯組煤層TOC值平均為62.07%，（S1+S2）平均值為154.14 mg/g，八道灣組煤層TOC值平均為68.35%，（S1+S2）值平均183.43 mg/g，總體上臺(tái)北凹陷西山窯組和八道灣組煤系烴源巖的TOC值和熱解生烴潛量都明顯高于全盆地平均值，具有較好的生烴潛力[13]。兩套烴源巖在研究區(qū)也均有分布，生烴潛力都較大，熱演化程度匹配，綜合認(rèn)為其為研究區(qū)天然氣的主要?dú)庠磶r。

5 天然氣氫同位素組成及地質(zhì)意義

在所有元素中，氫的兩種穩(wěn)定同位素組成（H：99.985%；D：0.015%）之間的相對(duì)質(zhì)量差最大，導(dǎo)致了氫具有最大的穩(wěn)定同位素組成比值變化范圍[44-45]。成熟階段的天然氣甲烷碳同位素組成變化范圍從-50‰到-20‰，而甲烷氫同位素組成的變化范圍可以從-250‰到-150‰[46]；因此，氫同位素組成由于具有更大的變化范圍，相比較碳同位素組成，其變化增量更大，對(duì)同一環(huán)境地球化學(xué)變化的反應(yīng)也相對(duì)更加靈敏。前人已經(jīng)針對(duì)油氣中的氫同位素組成開展了一系列卓有成效的研究[7-8,10,29,46-50]，指出天然氣氫同位素組成除了受到烴源巖熱演化程度的影響外，還受到水介質(zhì)條件的影響。海相和咸水湖相環(huán)境下形成的生物甲烷氫同位素組成一般重于-190‰[7]或-200‰[51]，而陸相淡水環(huán)境下形成的生物甲烷氫同位素組成則輕于-190‰[7]或-200‰[51]。煤成甲烷氫同位素組成也具有類似特征，其主要取決于水介質(zhì)性質(zhì)，即隨水介質(zhì)鹽度的增加，煤成甲烷的氫同位素組成變重[9]。研究區(qū)天然氣甲烷的氫同位素組成都比較輕，小于-200‰。但巴喀油田天然氣甲烷的氫同位素組成總體上比鄯善、丘陵和溫米的偏重，大于-260‰，與紅臺(tái)地區(qū)相當(dāng)，而鄯善、丘陵和溫米等油田天然氣甲烷氫同位素組成則與丘東氣田的相當(dāng)，均小于-260‰（見(jiàn)圖8b）。這與中下侏羅統(tǒng)煤系源巖在臺(tái)北凹陷的形成環(huán)境可能存在水體局部咸化有關(guān)[52]，與烴源巖熱演化程度關(guān)系不大，其甲烷碳?xì)渫凰亟M成之間相關(guān)性不強(qiáng)。總體上來(lái)說(shuō)，研究區(qū)天然氣甲烷氫同位素組成反映的烴源巖形成環(huán)境具備陸相淡水環(huán)境特征；中國(guó)其他類似地區(qū)，比如以松遼為代表的煤成甲烷氫同位素組成為-257‰～-217‰，屬于陸相淡水—微咸水沼澤成煤環(huán)境[9]。吐哈盆地中下侏羅統(tǒng)煤系源巖主要為淡水湖沼沉積，沒(méi)有發(fā)生過(guò)海水入侵，可能只在巴喀地區(qū)發(fā)生過(guò)水體局部咸化[11,52]，因此研究區(qū)天然氣甲烷氫同位素組成（δD1）均小于-250‰，比松遼的煤成甲烷氫同位素組成要輕。

臺(tái)北凹陷天然氣甲烷在碳?xì)渫凰亟M成上存在一定的差異?？傮w上來(lái)說(shuō)，紅臺(tái)氣田天然氣甲烷的碳?xì)渫凰亟M成相對(duì)偏重，丘東、鄯善、巴喀、丘陵和溫米等4個(gè)油氣田天然氣甲烷碳?xì)渫凰亟M成則相對(duì)偏輕，但其中巴喀氣田天然氣甲烷的氫同位素組成與紅臺(tái)氣田的類似。這主要是因?yàn)橹邢沦_統(tǒng)煤系源巖在小草湖凹陷的熱演化程度相對(duì)于丘東凹陷的要高，因此，紅臺(tái)氣田天然氣的成熟度相對(duì)要高，其碳?xì)渫凰亟M成也相應(yīng)偏高[3,11]。巴喀油田甲烷氫同位素組成與紅臺(tái)氣田的相似，則主要與中下侏羅統(tǒng)煤系源巖在臺(tái)北凹陷的形成環(huán)境存在水體局部咸化有關(guān)[11,52]。

圖8 吐哈盆地臺(tái)北凹陷天然氣甲烷和乙烷碳同位素組成（a）和氫同位素組成（b）的線性相關(guān)性

研究區(qū)甲烷和乙烷的碳同位素組成和氫同位素組成之間都各自具有較好的相關(guān)性，比如δ13C1-δ13C2的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.717 4（不包含巴23井和柯19井），δD1-δD2的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.816 5（不包含巴23井和柯19井）（見(jiàn)圖8）。這是由于隨著烴源巖熱演化程度的增加，甲烷和乙烷的碳?xì)渫凰亟M成都逐漸變重，并呈現(xiàn)線性相關(guān)性（成熟度趨勢(shì)線）[26,40]。隨著烴源巖熱演化程度的逐漸增加，甲烷和乙烷之間的碳?xì)渫凰亟M成差值也將逐漸變小，在高過(guò)成熟階段甚至可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其分別與甲烷的碳?xì)渫凰亟M成之間呈現(xiàn)線性相關(guān)性。除了巴23井和柯19井外，鄯善、丘陵、巴喀、溫米、紅臺(tái)和丘東等地區(qū)天然氣δ13C1-δ13C2—1（δ13C2—1表示δ13CC2H6—CH4）之間有著很好的線性相關(guān)性（R2=0.912 6）（見(jiàn)圖9a），說(shuō)明隨著烴源巖熱演化程度的增加，甲烷和乙烷之間的碳同位素組成差異變得越來(lái)越小。但隨著烴源巖熱演化程度的增加，甲烷和乙烷之間的氫同位素組成差異并沒(méi)有變得越來(lái)越小，兩者之間沒(méi)有相關(guān)性（見(jiàn)圖9b）。如果與碳同位素組成相似，烴源巖熱演化程度為天然氣氫同位素組成的主要影響因素，則隨著烴源巖熱演化程度的增加，δD2-1（δD2—1表示δDC2H6—CH4）與δD1之間將具有線性相關(guān)性。結(jié)合圖8b中δD1與δD2之間具有較好的線性相關(guān)性（R2=0.816 5），但圖9b中δD2—1與δD1之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.071，認(rèn)為天然氣氫同位素組成雖然受到烴源巖熱演化程度的影響，但烴源巖熱演化程度不是唯一的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，自然界中，水介質(zhì)條件對(duì)天然氣氫同位素組成具有較強(qiáng)的影響[7,51,53]。海相和咸水湖相環(huán)境下形成的生烴母質(zhì)氫同位素組成遠(yuǎn)重于陸相淡水環(huán)境下的；另外，由于成巖過(guò)程中的同位素組成交換反應(yīng)，水介質(zhì)條件也會(huì)影響生烴母質(zhì)氫同位素組成，但天然氣形成過(guò)程中，水介質(zhì)條件對(duì)其氫同位素組成的影響相對(duì)較小[53]。這可能是導(dǎo)致甲烷和乙烷之間的氫同位素組成差異與烴源巖熱演化程度之間沒(méi)有線性相關(guān)性的重要原因。

圖9 吐哈盆地臺(tái)北凹陷甲烷與乙烷之間的碳?xì)渫凰亟M成差異（δ13C2—1表示δ13CC2H6—CH4，δD2—1表示δDC2H6—CH4，

盡管天然氣氫同位素組成可以反映許多地質(zhì)過(guò)程的重要特征，但是，野外地質(zhì)樣品中氫同位素的解釋可能存在一系列的不確定性。比如，與水[54]和/或黏土[55]之間的同位素交換、熱成熟過(guò)程[56-57]、生物降解[58]、水洗以及運(yùn)移等都會(huì)嚴(yán)重改變氫同位素比值。本文通過(guò)對(duì)吐哈盆地臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、丘陵和溫米等油氣田天然氣的研究，證實(shí)研究區(qū)天然氣氫同位素受到烴源巖熱演化程度和烴源巖形成環(huán)境水介質(zhì)條件的影響?？梢?jiàn)，甲烷氫同位素組成這一指標(biāo)可以應(yīng)用到有關(guān)烴源巖形成環(huán)境水介質(zhì)條件的判識(shí)研究中?？傮w上，陸相淡水湖沼條件下形成的甲烷氫同位素組成較輕，在研究區(qū)甲烷δD均小于-250‰。而由海相或者海陸交互相烴源巖形成的甲烷，其氫同位素組成普遍偏重，比如，四川盆地須家河組天然氣也為來(lái)自煤系烴源巖的煤成氣，但其甲烷氫同位素組成相對(duì)較重（δD1值為-155‰～-173‰），這可能與其海陸交互相背景下存在海水咸化有關(guān)[8]。

6 結(jié)論

根據(jù)吐哈盆地臺(tái)北凹陷巴喀、鄯善、丘陵和溫米等油氣田23個(gè)天然氣樣品的組分和碳?xì)渫凰亟M成數(shù)據(jù)分析，結(jié)合前人研究成果和區(qū)域地質(zhì)背景，指出研究區(qū)天然氣以烷烴類氣體為主，甲烷含量為65.84%～92.84%，幾乎不含非烴氣體（N2、CO2），屬于濕氣。根據(jù)δ13C1-Ro計(jì)算公式，天然氣成熟度Ro均值為0.7%。研究區(qū)天然氣δ13C2值為-28.2‰～-24.9‰，屬于成熟度比較低的煤成氣，主要來(lái)自中下侏羅統(tǒng)煤系源巖。天然氣甲烷及其同系物（C2—5）基本上為碳?xì)渫凰亟M成正序排列（δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4<δ13C5、δD1<δD2<δD3），與典型的有機(jī)成因烷烴氣碳?xì)渫凰亟M成特征一致，沒(méi)有遭受后期的次生改造，但巴喀油田巴23井和柯19井天然氣為生物改造氣，其重?zé)N碳同位素組成偏重，丙烷和丁烷之間發(fā)生碳同位素組成倒轉(zhuǎn)。研究區(qū)天然氣甲烷δD較輕，小于-250‰，表明其烴源巖形成環(huán)境為陸相淡水湖沼相沉積，沒(méi)有發(fā)生海水入侵事件。

致謝：本文寫作過(guò)程中，得到戴金星院士和陳建平教授的悉心指導(dǎo)，樣品采集得到鄒才能院士和吐哈油田金穎、余進(jìn)之、周國(guó)兵、余飛等主任的幫助，樣品分析得到中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院米敬奎教授、張文龍博士的幫助，在此一并表示誠(chéng)摯感謝!