李二庭，靳 軍，廖健德，周 波，馬萬(wàn)云，王海靜

(1.中國(guó)石油新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

沙灣凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西部，凹陷西接紅車斷裂帶和中拐凸起，北臨盆1井西凹陷和莫索灣凸起，東連莫南凸起，南鄰北天山山前沖斷帶的霍瑪吐背斜帶。沙灣凹陷周緣構(gòu)造資源潛力巨大，自下而上發(fā)育石炭系(C)及二疊系佳木河組(P1j)、風(fēng)城組(P1f)、下烏爾禾組(P2w)等多套烴源巖，烴源巖厚度大，生氣潛力大，具備形成大、中型氣藏的基礎(chǔ)地質(zhì)條件[1]，其中，西斜坡帶石油地質(zhì)資源量為1.73×108t，天然氣地質(zhì)資源量為1 040×108m3，是目前油氣勘探重點(diǎn)區(qū)域。近年來(lái)在沙灣凹陷西斜坡帶發(fā)現(xiàn)了多個(gè)油氣田，包括車排子、小拐、金龍、紅山等油氣田，但區(qū)域油氣性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的差異性，同一油氣藏不同部位的油氣地球化學(xué)特征也具有較大的差異[2]。已發(fā)現(xiàn)的氣藏規(guī)模普遍較小，平面上分布廣，縱向上主要集中在侏羅系和白堊系，在二疊系和石炭系也有重大發(fā)現(xiàn)。由于研究區(qū)天然氣類型多樣，成因復(fù)雜，既存在腐泥型天然氣，也存在腐殖型天然氣，成熟氣與高—過(guò)成熟氣混雜分布，造成天然氣成因與來(lái)源認(rèn)識(shí)不清，對(duì)于天然氣的勘探造成一定的困擾。前人對(duì)沙灣凹陷周緣天然氣研究主要以小區(qū)塊單一氣藏為主[3-5]，如陳建平等[3]依據(jù)天然氣碳同位素及組成特征，將克拉瑪依地區(qū)天然氣劃分為2種成因類型；李二庭等[5]研究認(rèn)為，新光地區(qū)佳木河組致密砂巖天然氣主要來(lái)源于高成熟的下烏爾禾組烴源巖。整體上來(lái)看，前人對(duì)研究區(qū)深層天然氣成因研究不夠深入，亟需開展沙灣凹陷不同層系烴源巖生烴特征及其周緣天然氣地球化學(xué)特征和成因研究，為研究區(qū)天然氣的勘探和成藏研究提供支撐。

1 研究區(qū)概況

紅車斷裂帶和中拐凸起位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起帶(圖1)，是在石炭紀(jì)基底隆起的背景上，經(jīng)二疊紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育的大型隆起構(gòu)造，主要的形成期為海西期。三疊紀(jì)初期，盆地整體抬升剝蝕，進(jìn)入沉積—抬升的振蕩發(fā)展階段，形成一系列沖斷、褶皺、不整合及超覆等構(gòu)造組合，并發(fā)育大量同沉積斷裂；三疊紀(jì)末期，盆地繼續(xù)抬升，形成三疊系和侏羅系之間的區(qū)域不整合，侏羅系構(gòu)造變化較小，有較好的繼承性；白堊紀(jì)—古近紀(jì)是紅車斷裂帶和中拐凸起比較穩(wěn)定的時(shí)期，邊緣緩慢隆升，中心相對(duì)沉降，但燕山期也存在2次明顯的構(gòu)造活動(dòng)，主要表現(xiàn)為白堊系底界與侏羅系之間的區(qū)域不整合、古近系與白堊系之間的不整合，新近紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造活動(dòng)在紅車斷裂帶和中拐凸起地區(qū)的響應(yīng)較弱，以抬升為主。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣位置及天然氣有利區(qū)分布

紅車斷裂帶和中拐凸起供烴來(lái)源主要為瑪湖凹陷、沙灣凹陷和盆1井西凹陷，以二疊系烴源巖最為重要，包括下二疊統(tǒng)佳木河組(P1j)、風(fēng)城組(P1f)和中二疊統(tǒng)下烏爾禾組(P2w)。伴隨盆地振蕩與湖水進(jìn)退的變化，形成生油巖、儲(chǔ)積巖體的交互與側(cè)變，特別是受多源輸入形成多期疊置的洪積、沖積和三角洲砂體是油氣富集成藏的有利位置。研究區(qū)上古生界天然氣主要分布在中拐凸起北部五八區(qū)、金龍10井區(qū)、紅車斷裂帶北段(新光2等井)、紅車斷裂帶中段(車480等井)和紅車斷裂帶南段(車探1井)、新光1井區(qū)。

2 天然氣地球化學(xué)特征

2.1 天然氣組成特征

準(zhǔn)噶爾盆地紅車斷裂帶和中拐凸起中淺層天然氣類型多樣，主要為原油溶解氣，氣層氣較少。由圖2可知：研究區(qū)天然氣組成以烴類氣體為主，可達(dá)89.07%～99.32%，干燥系數(shù)C1/C1-5值為0.79～0.98，屬于濕氣—干氣，反映研究區(qū)天然氣成熟度處于成熟—高成熟演化階段。其中，克拉瑪依油田五八區(qū)佳木河組的天然氣干燥系數(shù)整體偏高，為0.95～0.98，為高、過(guò)成熟干氣，主要為氣藏氣；紅車斷裂帶中段油氣主要分布于石炭系，干燥系數(shù)較高，主體為0.97以上，主要是受晚期干氣侵入或次生作用影響，如車峰3、車91、車排13井干燥系數(shù)為0.98，甲烷含量高達(dá)97.51%，樣品埋深較淺(小于2 000 m)，推測(cè)可能為生物氣，原油通過(guò)厭氧細(xì)菌降解作用，主要產(chǎn)物為甲烷，含量一般大于95.00%，具有少量重?zé)N，含量一般為0.50%～5.00%[6]，且生物降解作用常常伴隨稠油生成。而車峰3、車91、車排13井原油均遭受嚴(yán)重的生物降解，正構(gòu)烷烴含量極低或消失，原油密度為0.859 9～0.921 6 g/cm3。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣組成

2.2 天然氣碳同位素組成特征

天然氣碳同位素組成是反映其母質(zhì)類型、成熟度等的重要指標(biāo)[7-9]。戴金星等[9]根據(jù)中國(guó)各盆地天然氣組成特征，認(rèn)為δ13C2值大于-27.5‰為煤型氣，小于-29.0‰為油型氣。

由圖3a可知：研究區(qū)天然氣甲烷碳同位素δ13C1值為-47.3‰～-26.6‰，處于成熟—高過(guò)成熟階段，乙烷碳同位素δ13C2值為-34.5‰～-23.0‰，說(shuō)明煤型氣、油型氣和混合型氣均有分布，存在多套烴源巖貢獻(xiàn)。

五八區(qū)佳木河組天然氣碳同位素值整體最大，δ13C1值為-31.3‰～-26.6‰，δ13C2值為-25.8‰～-23.0‰，為高—過(guò)成熟腐殖型天然氣，其他層位碳同位素值變化范圍較寬，δ13C1值為-47.3‰～-31.1‰，δ13C2值為-34.5‰～-26.1‰，反映其來(lái)源復(fù)雜，分布有低熟—高成熟腐泥型天然氣、成熟—高成熟腐殖型天然氣及兩者混合氣。金龍10井區(qū)碳同位素值變化范圍較小，δ13C1值為-34.2‰～-32.4‰，δ13C2值為-30.2‰～-28.6‰，反映其來(lái)源較為一致，主要為偏腐泥型天然氣。紅車斷裂帶北段天然氣顯示少，δ13C1值為-34.1‰～-33.1‰，δ13C2值為-28.6‰～-26.6‰，為混合型氣；紅車斷裂帶中段天然氣成因復(fù)雜，車峰3、車91、車排13井天然氣δ13C1值較低，與其他井天然氣成因明顯不同，為低熟生物氣成因，車峰6井天然氣乙烷碳同位素值極大，小于-26.0‰，可能與五八區(qū)佳木河組天然氣母質(zhì)類型一致，其余井天然氣δ13C1值為-36.0‰～-34.5‰，δ13C2值為-30.6‰～-28.4‰，與金龍10井區(qū)天然氣碳同位素分布較為相近，主要為偏腐泥型天然氣。紅車斷裂帶南段車探1井δ13C2值為-28.2‰～-27.9‰，為混合型氣。新光1井區(qū)天然氣δ13C1值為-34.1‰～-33.1‰，δ13C2值為-29.3‰～-27.4‰，為混合型氣。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣δ13C2與δ13C1、C1/C2-3與δ13C1關(guān)系

根據(jù)C1/C2-3與δ13C1關(guān)系圖版也可以判斷天然氣的類型[9]。由圖3b可知：研究區(qū)天然氣主要為混合型氣，五八區(qū)佳木河組主要為腐殖型天然氣，風(fēng)城組和烏爾禾組天然氣存在腐泥型原油伴生氣。紅車斷裂帶中段天然氣成因復(fù)雜，車峰3、車91、車排13井天然氣為稠油伴生氣，車480、車487井具有較高的C1/C2-3值，可能是早期的腐泥型天然氣遭受晚期干氣侵入導(dǎo)致。

2.3 天然氣輕烴組成特征

輕烴是天然氣的重要組成部分，其中，C7輕烴組成可以區(qū)分天然氣的母質(zhì)類型[10]。準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣輕烴組成見圖4。由圖4可知：五八區(qū)佳木河組天然氣C7輕烴中甲基環(huán)己烷占優(yōu)勢(shì)，含量為62.62%～75.57%，反映母質(zhì)類型為腐殖型；其他層位天然氣C7輕烴中主體以正庚烷占優(yōu)勢(shì)，含量為42.70%～59.09%，個(gè)別天然氣以甲基環(huán)己烷含量占優(yōu)勢(shì)，含量大于50.00%，反映其母質(zhì)類型以偏腐泥型為主，部分為混合型，少量腐殖型。金龍10井區(qū)天然氣C7輕烴中甲基環(huán)己烷含量為24.14%～41.28%，正庚烷含量為41.06%～55.88%，反映其母質(zhì)類型以偏腐泥型為主，少量為混合型。紅車斷裂帶北段天然氣C7輕烴中正庚烷占優(yōu)勢(shì)，含量為46.32%～54.12%，反映其母質(zhì)類型為偏腐泥型。紅車斷裂帶中段車峰6井天然氣C7輕烴中甲基環(huán)己烷含量為53.85%，反映其母質(zhì)類型為腐殖型，車峰3、車91、車排13井生物氣甲基環(huán)己烷含量基本大于50.00%，其余井天然氣甲基環(huán)己烷含量為32.08%～40.07%，正庚烷含量為46.32%～54.12%，反映其母質(zhì)類型為偏腐泥型；紅車斷裂帶南段車探1井天然氣C7輕烴中正庚烷占優(yōu)勢(shì)，含量為55.77%～56.25%，表現(xiàn)為腐泥型母質(zhì)類型。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣正庚烷—甲基環(huán)己烷—二甲基環(huán)戊烷關(guān)系

3 烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)研究

3.1 烴源巖地球化學(xué)組成特征

準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣天然氣烴源以二疊系佳木河組、風(fēng)城組和下烏爾禾組最為重要。其中，佳木河組烴源巖以凝灰?guī)r為主，沙灣凹陷沉積厚度最大可達(dá)100 m，總體為差—中等烴源巖，部分為較好烴源巖，生烴潛力較差，TOC以小于0.60%為主，氯仿瀝青“A”含量以小于0.05%為主，氫指數(shù)為0～150 mg/g，Tmax為400～503 ℃，生烴母質(zhì)以Ⅲ型為主，屬于腐殖型烴源巖；風(fēng)城組烴源巖以泥巖、白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖為主，沙灣凹陷沉積厚度為50～225 m，具有很強(qiáng)生烴潛力，TOC以大于1.00%為主，氯仿瀝青“A”含量以大于0.10%為主，氫指數(shù)為150～600 mg/g，Tmax為400～460 ℃，生烴母質(zhì)以Ⅰ、Ⅱ型為主，屬于腐泥型烴源巖；下烏爾禾組烴源巖在沙灣凹陷厚度為50～150 m，TOC以大于1.00%為主，但氯仿瀝青“A”含量以小于0.10%為主，氫指數(shù)為10～450 mg/g，Tmax為322～510 ℃，生烴母質(zhì)以Ⅱ、Ⅲ型為主，屬于混合型烴源巖。

根據(jù)前人的研究可知[5]，二疊系佳木河組、風(fēng)城組和下烏爾禾組烴源巖熱模擬生烴高峰(每噸TOC生烴量)分別為88.80、563.37、371.26 kg/t，總產(chǎn)氣率分別為66.02、351.20、293.35 kg/t。風(fēng)城組烴源巖生烴能力最強(qiáng)，以生油為主，具有生高熟油型氣的潛力，下烏爾禾組烴源巖既可生油也可生氣，佳木河組烴源巖以生氣為主，下烏爾禾組烴源巖生氣能力明顯高于佳木河組烴源巖。

3.2 烴源巖熱解氣地球化學(xué)組成特征

為了探討二疊系佳木河組、風(fēng)城組和下烏爾禾組烴源巖熱演化生氣過(guò)程中碳同位素變化，明確研究區(qū)上古生界天然氣的氣源。選取準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)不同層位9塊烴源巖樣品(表1)，進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，選取的樣品TOC為0.70%～5.51%，Tmax為408～450 ℃，熱模擬實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為400～600 ℃，取樣溫度為400、450、500、550、600 ℃；根據(jù)前人研究，模擬取樣點(diǎn)的溫度對(duì)應(yīng)計(jì)算Ro分別為1.14%、1.62%、2.28%、3.22%和4.54%[11]，對(duì)收集的熱解氣進(jìn)行碳同位素分析，分析結(jié)果見圖5。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷二疊系烴源巖熱模擬樣品信息

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷二疊系烴源巖熱解氣δ13C1和δ13C2特征

沙灣凹陷中二疊統(tǒng)烴源巖沉積中心區(qū)成熟度為1.30%～3.00%，下二疊統(tǒng)烴源巖沉積中心區(qū)成熟度為2.00%～3.00%。由圖5可知：隨著熱解溫度的升高，烴源巖熱解氣中甲烷和乙烷碳同位素值逐漸變大。500 ℃(Ro=2.28%)時(shí)，佳木河組烴源巖熱解氣δ13C1值為-35.1‰～-27.4‰，δ13C2值為-26.4‰～-21.3‰。500 ℃(Ro=2.28%)時(shí)，風(fēng)城組烴源巖熱解氣δ13C1值為-41.4‰～-40.2‰，δ13C2值為-36.0‰～-32.9‰，600 ℃(Ro=4.54%)時(shí)，δ13C1值為-38.6‰～-38.5‰，δ13C2值為-31.4‰～-31.0‰。450 ℃(Ro=1.62%)時(shí)，下烏爾禾組烴源巖熱解氣δ13C1值為-42.0‰～-36.1‰，δ13C2值為-34.8‰～-26.9‰，500 ℃時(shí)，δ13C1值為-38.1‰～-32.5‰，δ13C2值為-29.3‰～-26.1‰。

由熱解實(shí)驗(yàn)可以看出，在相同熱解溫度下，熱解氣δ13C1值和δ13C2值由小到大依次為：腐泥型烴源巖、混合型烴源巖、腐殖型烴源巖。對(duì)于腐泥型烴源巖來(lái)說(shuō)，在高、過(guò)成熟階段，熱解氣δ13C2值依然小于-31.0‰，可作為油型氣判識(shí)標(biāo)志。

4 天然氣成因及分布

綜合上述分析，認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣主要有6種成因類型。

Ⅰ類天然氣來(lái)源于高、過(guò)成熟佳木河組烴源巖，主要分布在五八區(qū)二疊系佳木河組(克82、金龍4、金龍1井)和紅車斷裂帶中段車峰6井，具有非常大的δ13C2值，可達(dá)-25.8‰～-23.0‰，與佳木河組烴源巖500 ℃(Ro=2.28%)熱解氣相似，干燥系數(shù)大于0.95，C7輕烴中甲基環(huán)己烷占優(yōu)勢(shì)，與前人的研究成果一致[12]。

Ⅱ類天然氣為生物氣，主要分布在紅車斷裂帶中段車峰3、車91、車排13井石炭系，干燥系數(shù)接近1.00，具有偏負(fù)的天然氣δ13C1值，小于-41.5‰，δ13C2值在-29.0‰左右，δ13C(C2-C1)大于14.0‰，遠(yuǎn)高于研究區(qū)其他類型天然氣；從伴生稠油地球化學(xué)特征來(lái)看，具有較高的β-胡蘿卜烷，原油碳同位素小于-29.1‰，伽馬蠟烷指數(shù)大于0.30，推測(cè)其來(lái)源為風(fēng)城組。

Ⅲ類天然氣主要為佳木河組烴源巖與下烏爾禾組烴源巖混合，如五八區(qū)石炭系的金龍16、561井，紅車斷裂帶北段拐5、新光2井和紅車斷裂帶南段車探1井，干燥系數(shù)大于0.95，δ13C2偏重，在-26.0‰左右，C7輕烴中甲基環(huán)己烷占優(yōu)勢(shì)，推測(cè)以佳木河組烴源巖來(lái)源為主；從車探1伴生原油的地球化學(xué)特征來(lái)看，Pr/Ph大于1.00，Pr/nC17和Ph/nC18小于0.60，C21、C22、C23三環(huán)萜烷呈“山峰型”分布，具有典型下烏爾禾組來(lái)源特征[13-20]。

Ⅳ類天然氣主要來(lái)自于下烏爾禾組烴源巖，主要分布于五八區(qū)(克75、金龍21、金龍114井)、新光1區(qū)佳木河組(新光1、中佳2-H井)和紅車斷裂帶北段(車排18井)；干燥系數(shù)大于0.90，δ13C2值為-27.5‰～-26.9‰，具有混合型烴源巖特征，與下烏爾禾組烴源巖500 ℃(Ro=2.28%)熱解氣相似，C7輕烴分布與腹部侏羅系油氣藏天然氣類似。以新光1井伴生凝析油為例，Pr/Ph值為1.15，Pr/nC17值為0.46，Ph/nC18值為0.49，為典型下烏爾禾組來(lái)源。

Ⅴ類天然氣主要為下烏爾禾組烴源巖與風(fēng)城組烴源巖混合，該類型天然氣在研究區(qū)廣泛分布，可分為2個(gè)小類：Ⅴ-1天然氣以下烏爾禾組來(lái)源為主(五八區(qū)克78井，金龍10井區(qū)金龍6井，新光1井區(qū)中佳6井和紅車斷裂帶車排3、車480、車487井)，以偏干氣為主，δ13C2值大于-28.9‰；Ⅴ-2天然氣以風(fēng)城組來(lái)源為主(五八區(qū)金龍35井，金龍10井區(qū)金龍10、金龍101、金龍124井，新光1井區(qū)中佳6井和紅車斷裂帶車473井)，以濕氣—偏干氣為主，δ13C2值小于-29.1‰，C7輕烴中正庚烷占優(yōu)勢(shì)。以金龍10井伴生原油為例，Pr/Ph值為1.15，Pr/nC17值為0.48，Ph/nC18值為0.44，C21、C22、C23三環(huán)萜烷呈“上升型”分布，伽馬蠟烷指數(shù)為0.50，具有典型風(fēng)城組和下烏爾禾組混源特征。

Ⅵ類天然氣主要來(lái)自風(fēng)城組烴源巖，該類型天然氣主要分布于五八區(qū)上烏爾禾組和風(fēng)城組(金龍17、金龍46、瑪湖8井)，δ13C2小于-31.2‰，與風(fēng)城組烴源巖在400～600 ℃生成的熱解氣特征一致，以濕氣為主，C7輕烴具有正庚烷優(yōu)勢(shì)，具有腐泥型母質(zhì)特征。以金龍34井伴生原油為例，Pr/Ph值為0.99，Pr/nC17值為1.01，Ph/nC18值為1.11，C21、C22、C23三環(huán)萜烷呈“上升型”分布，伽馬蠟烷指數(shù)為0.31，具有典型風(fēng)城組來(lái)源特征[13]。

根據(jù)以上分析，認(rèn)為沙灣凹陷周緣存在二疊系3套有效氣源，分別為佳木河組、下烏爾禾組腐殖型和風(fēng)城組腐泥型氣源巖，而由于天然氣具有近源成藏特點(diǎn)，推測(cè)沙灣凹陷區(qū)是有利的天然氣勘探區(qū)。沙探2井為2020年在沙灣凹陷區(qū)的新鉆探井(圖1)，在風(fēng)城組獲得氣層，日產(chǎn)天然氣達(dá)2×104m3/d，天然氣同位素值為-30.66‰，主要來(lái)自風(fēng)城組烴源巖，證實(shí)了文中研究認(rèn)識(shí)的可靠性。

5 結(jié) 論

(1) 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣分布廣泛，天然氣類型多、成因復(fù)雜，以成熟—高成熟氣為主，生物氣、煤型氣、油型氣和混合型氣均有分布，二疊系佳木河組、下烏爾禾組和風(fēng)城組均為有效氣源巖，研究目標(biāo)區(qū)具有較高的天然氣勘探潛力。

(2) 準(zhǔn)噶爾盆地沙灣凹陷周緣上古生界天然氣主要分為6種成因類型：Ⅰ類天然氣來(lái)源于佳木河組烴源巖，δ13C2值極重；Ⅱ類天然氣為風(fēng)城組烴源巖生成原油降解生成的生物氣，具有偏負(fù)δ13C1值和極高的干燥系數(shù)；Ⅲ類天然氣來(lái)源于佳木河組烴源巖與下烏爾禾組烴源巖混合，δ13C2值較重；Ⅳ類天然氣來(lái)源于下烏爾禾組烴源巖，δ13C2值為-27.5‰～-26.9‰，具有混合型烴源巖特征；Ⅴ類天然氣主要為下烏爾禾組烴源巖與風(fēng)城組烴源巖混源，以δ13C2為-29.0‰為分界線，δ13C2值不小于-29.0‰，以下烏爾禾組來(lái)源為主，δ13C2值小于-29.0‰，以風(fēng)城組來(lái)源為主；Ⅵ類天然氣來(lái)源于風(fēng)城組烴源巖，δ13C2值小于-31.0‰。