中石油西南油气田分公司部署钻探的双探3井首次在四川盆地川西北地区中泥盆统观雾山组获得工业性气流,并且在野外和井下储层中发现了大量沥青的存在,开启了四川盆地泥盆系天然气勘探与开发的序幕。中泥盆统观雾山组作为四川盆地古生界海相地层天然气勘探与开发的新层系,储层沥青成因、来源以及沥青与油气成藏演化的关系等方面认识不清,严重制约了泥盆系天然气的进一步勘探。因此,本文对川西北地区烃源岩、野外何家梁剖面露头沥青及双探3井储层沥青区开展了大量分析测试,具体包括:烃源岩的有机碳含量、元素组成、干酪根碳同位素、沥青反射率、生物标志化合物特征;沥青样品族组分、碳同位素、生物标志化合物特征等分析测试,明确了沥青的成因机制与来源,建立了沥青与油气演化的动态关系。对四川盆地泥盆系天然气成藏规律以及下一步勘探与开发具有重要的指导意义。川西北地区古生界海相地层存在三套烃源岩,分别为下寒武筇竹寺组烃源岩、下志留龙马溪组烃源岩和下二叠茅口组烃源岩,其中下寒武统筇竹寺组沉积厚度较大,有机质丰度高,有机质类型好,为典型的Ⅰ型有机质,有机质成熟度高,普遍处于过成熟阶段,是古生界天然气的主力烃源岩层位;下志留龙马溪组烃源岩虽然各项指标较好,但是在川西北地区处于剥蚀区,在研究区西南部近2/3区域已经被剥蚀殆尽,仅在研究区东北部地区留有残留地层,烃源岩展布范围有限,对川西北古生界天然气成藏贡献较小;下二叠茅口组烃源岩厚度大、有机质丰度较高、有机质类型较好、热演化程度较高,也具有一定的生烃潜力,对油气成藏具有一定的贡献能力。野外露头沥青处于成熟阶段,沥青反射率分布在1.05%～1.22%,平均1.13%,族组成中饱和烃1.59%～3.87%,平均2.88%;芳烃4.04%～7.95%,平均5.92%;非烃46.95%～51.65%,平均49.32%;沥青质37.32%～43.59%,平均40.08%。沥青碳同位素分布在-33.81‰～-30.69‰,平均-32.22‰;生物标志化合物中,野外露头沥青正构烷烃碳数保留程度较差,除残留部分环烷烃外,大部分正构烷烃和支链烷烃均已消失,气相色谱基线呈“锯齿-鼓包”状,基线漂移严重;萜烷中三环萜烷占优势,C23峰值最高,五环萜烷化合物中,以C29降藿烷为主峰,Ts/Tm比值偏低,分布在0.31～0.46,平均0.38;伽马蜡烷丰度较高,伽马蜡烷/C31升藿烷比值分布在0.77～0.92,平均为0.82;规则甾烷呈现“L”型分布。双探3井下样品沥青处于过成熟阶段,沥青反射率分布在2.13%～3.17%,平均值2.81%,族组分中饱和烃31.43%～40.93%,平均37.38%;芳烃1.65%～7.54%,平均 3.97%;非烃 27.89%～37.52%,平均 32.67%;沥青质 1 7.47%～28.04%,平均 24.53%;沥青碳同位素分布在-33.73‰～-29.78‰,平均-31.69‰;生物标志化合物中正构烷烃保存较为完整,碳数主要分布在nC15～nC30之间,呈双主峰特征,主峰分别为nC18和nC25,且nC18>nC25,低碳数占据一定优势;姥植比较低,Pr/Ph分布在0.38～0.51,平均0.46;三环萜烷化合物中以C23为主峰,五环萜烷中以C30藿烷为主峰,Ts/Tm比值分布在0.64～0.95,平均0.79;伽马蜡烷含量较低,伽马蜡烷/C31升藿烷比值分布在0.33～0.52,均值为0.43;规则甾烷中,呈现不规则的“V”型分布。井下沥青与野外沥青来源与成因机制方面存在差异,野外露头沥青来自寒武系烃源岩,属于生物降解成因;井下沥青来自寒武系和二叠系烃源岩的混合,属于热裂解成因。后期构造演化的差异,是形成两种不同机制沥青的关键原因。侏罗纪之后,川西北地区龙门山一带地层急剧抬升,来自寒武系烃源岩的原油遭受破坏,形成野外露头的生物降解沥青,而双探3井区则继续沉降,在埋藏过程中混入了少量二叠系烃源岩生成的原油,后期在高温条件下,混合原油发生热裂解:轻质组分形成干气,同时重质组分沉淀形成焦沥青。