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吐哈盆地是我国西北的一个富煤陆相盆地,油气资源丰富,截止2006年底,探明石油地质储量2.9×108t、天然气及溶解气地质储量为910.6×108m3。台北凹陷是吐哈盆地的主要油气发现区,凹陷面积1.01×104km2,在其J1-2发现的油气资源促成了我国煤成油理论的诞生。近年来,在该油田发现的天然气资源更是引起了对其天然气成因的思考。本文以吐哈盆地台北凹陷的原油、天然气和J1-2烃源岩为研究对象,选取了J1-2烃源岩进行了详尽的有机地球化学与有机岩石学研究,并在托克逊凹陷选取了T-J1b、台南凹陷选取了C-P1烃源岩样品进行了对比地球化学研究;对台北凹陷J1-2烃源岩进行了倾油倾气性评价;基于气态分子组成、同位素组成和轻烃组成对天然气样品进行了成因和成熟度探讨;通过伴生油的油源对比、气一油-源三元对比进行了直接和间接气源对比,取得了一些有益的认识。
台北凹陷J1-2烃源岩有机质丰度变化范围大,总体上有机碳含量高,但生烃潜量和氯仿沥青“A”的含量不高。其有机显微组分总体贫惰质组,煤和碳质泥岩富镜质组,J2q湖相泥岩富壳质组+腐泥组:部分J2q湖相泥岩的HI＞100mg/gTOC,降解率＜10%,表征其有机质类型为Ⅱ型;大多数J1-2煤系烃源岩的HI＜100mg/gTOC,降解率＜10%,寓示有机质为Ⅲ型干酪根。台北凹陷J1-2烃源岩热演化程度总体不高:小草湖洼陷Ro为0.45～0.65%,处于未成熟到低成熟阶段;丘东洼陷Ro介于0.51～0.90%,为低熟到成熟阶段;胜北洼陷Ro介于0.42～0.97%,为未熟到成熟阶段。但是小草湖洼陷地温梯度远较其他洼陷高,因此洼陷中心可能会具有较高的热成熟度。综合烃源岩有机质丰度、类型和成熟度指标,可得出台北凹陷不同洼陷不同层系烃源岩评价:小草湖洼陷中J2q为好的油气源岩;而三间房组(J2S)和西山窑组(J2x)均为中等油气源岩或气源岩。丘东洼陷hx为气源岩或非烃源岩;下侏罗统三工河组J1s为中等油气源岩;八道湾组(J1b)属气源岩。胜北洼陷J2q有机质丰度高,部分烃源岩为中-好油气源岩,而J2x泥岩则为中等油气源岩。
台北凹陷J1-2烃源岩的有机显微组分以贫惰质组、富镜质组和壳质组+腐泥组为特征,其中J2q湖相泥岩主要位于倾油区,煤和碳质泥岩则主要位于倾气区和油气并举区,J1-2煤系泥岩则主要位于倾油区和油气并举区,揭示烃源岩的显微组分组成是有利其生油的。分子组成方面,倾气的煤岩和碳质泥岩富含芳烃化合物,氯仿沥青“A”色谱质谱分析(GC/MS)的总流子图(TIC)上以芳烃化合物为主,罕见正构烷烃;倾油的J2q湖相泥岩则以富含正构烷烃为特征,GCMS分析的TIC图上以正构烷烃占绝对优势,芳烃化合物少见。基于氯仿沥青“A”GC/MS分析的总离子流图面貌、正构烷烃和芳烃的绝对含量和相对含量,建立了吐哈盆地J1-2烃源岩倾油倾气性的定量判识标准:正构烷烃绝对含量＞110μg/m氯仿沥青“A”、芳烃绝对含量＜20μg/mg,正构烷烃,芳烃＞8的烃源岩为倾油性;正构烷烃绝对含量＜82μg/mg、芳烃绝对含量＞40μg/mg,正构烷烃,芳烃＜1.5的烃源岩为倾气性。根据吐哈盆地烃源岩倾油倾气性的定量判识标准,并结合烃源岩显微组分的分布类型对台北凹陷J1-2烃源岩进行了倾油倾气性进行了系统的判识,结果表明台北凹陷湖沼相煤岩和碳质泥岩以倾气性为主;而J1-2泥岩则以倾油和油气并举为主。不同层位倾油气性存在明显的规律性变化,台北凹陷从J1b到J1s再到J2x、J2q烃源岩,其倾油性逐渐增强,可能与其沉积环境变迁有关;而J2s烃源岩倾气性较强,则与这些样品均取自小草湖洼陷有关。平面上,除J2q湖相泥岩外,台北凹陷J1-2煤系烃源岩中倾油的样品均集中在西部的胜北洼陷,而东部的丘东洼陷和小草湖洼陷的样品则为倾气或倾油气,即凹陷东部烃源岩倾气性强,而西部倾油性强,与凹陷内“东气西油”的油气分布格局相吻合。烃源岩的倾油倾气性和地温梯度的不均衡可能是导致凹陷油气分布格局的主要因素。
正构烷烃的组成与分布往往可以反映有机质类型与热演化程度:如强的中高碳数奇数碳优势往往表征了低成熟度和陆源高等植物的贡献,强偶碳优势则多出现于海相或盐湖盆地。除中高碳数奇数碳优势外,吐哈盆地烃源岩氯仿沥青“A”中还检测出了nC33、nC35优势和中低碳数偶碳优势,烃源岩类型不同,氯仿沥青“A”中正构烷烃分布模式不同。nC33和nC35优势主要出现在煤岩和碳质泥岩中,且与中高碳数奇数碳优势正相关,表征其与中高碳数奇数碳具相似生源;CP135与Ro总体呈负相关关系,且具最高CP135比值样品的Ro约为0.57%,暗示nC33、nC35与其他高碳数奇碳构烷烃的形成机理相类似,由形成于沼泽环境的先质在较低的热演化程度下直接生成,随热成熟度增加而发生C-C键断裂最终生成分子量较小的链烷烃,导致nC33、nC35优势消失。中低碳数偶碳优势(C14～C20)在台南凹陷海陆过渡相C-P1泥灰岩和部分台北凹陷J1-2湖相和湖沼相泥岩正构烷烃中较明显,其CPI16比值总体上与埋深无明显相关性,与伽玛蜡烷含量亦无明显相关性,但多见于低Pr/Ph样品,表征水体的咸度和热演化程度对其影响不大,但水体的氧化还原性影响较大。正构烷烃单体烃碳同位素组成特征表明:具有中低碳数偶碳优势的正构烷烃,其单体烃碳同位素呈锯齿状分布,偶碳数正构烷烃碳同位素轻,奇碳数正构烷烃碳同位素重,同一个样品内部相邻碳数之间碳同位素组成差异明显,表征偶碳数正构烷烃中水生生物的贡献较大。
吐哈盆地烃源岩氯仿沥青“A”地球化学特征剖析表明:烃源岩类型不同,其生物标志化合物组合特征不同。台北凹陷的煤岩和碳质泥岩Pr/Ph＞1.3、最高可达6.72,贫伽玛蜡烷、Ga/C31R＜0.4,表征其淡水、弱氧化弱还原的沉积水体,与其湖沼相沉积环境相吻合。三环萜烷化合物中以低碳数占优势、C24TeT/C26TT＞1.0;升藿烷系列化合物具正常降式分布;规则甾烷以C29甾烷占绝对优势,C27αααR、C28αααR和C29αααR甾烷呈现明显的反“L”型模式,表征其母源以陆源高等植物输入为主。重排藿烷、重排甾烷含量低、部分样品可检测出明显的苯并藿烷系列化合物,表征其成熟度较低。另一方面,低含量的重排藿烷与C29Ts可能与其低泥质含量有关。台南凹陷海陆交互相的C-P1泥灰岩的生物标志物组合特征则与之截然不同:多数样品的Pr/Ph＜1.5、最低仅0.49:相对富含伽玛蜡烷,多数样品的Ga/C31R＞1.1,C34、C35藿烷有较为明显的优势,与其还原性的咸水沉积环境相吻合。三环萜烷化合物中C23TT萜烷相对含量较高、C24TeT/C26TT＜1.0:规则甾烷中C27甾烷丰度较高,C27αααR、C28αααR和C29αααR甾烷呈不对称“V”字型;表征水生生物的贡献明显。
不同类型烃源岩的生物标志物地球化学特征还表明苯并藿烷在煤和碳质泥岩中相对丰度较高,但在台南凹陷C-P1泥灰岩中丰度较低:∑BH/C30H与C31/C32H成正比,说明贫游离氧的环境可能不利于苯并藿烷的形成;苯并藿烷(BH)的丰度与Ro成反比,表征该类化合物为低成熟度的产物;即苯并藿烷的丰度可作为一种低热演化程度下的弱氧化环境指向指标。
无论是湖沼相的煤系烃源岩还是海陆交互相的C-P1泥灰岩,其氯仿沥青“A”中芳香甾烷和芳香藿烷含量都不高,均以常规多环芳烃,如烷基萘、烷基菲等为芳烃馏分的主要组成部分。从芳烃总组成来看,湖沼相的煤和碳质泥岩烷基萘丰度高;海陆交互相的C-P1泥灰岩则贫烷基萘富无烷基取代基芳烃。就单体芳烃组成而言,煤和碳质泥岩相对贫1,2,5,7TeMN,富二苯并呋喃和贫芘,表征湖沼相的沉积环境;用做对比的台南凹陷C-P泥灰岩则相对富9-MP、1-MP/9-MP＜0.6,富二苯并噻吩、贫二苯并呋喃、高芘含量的特征,表征陆源输入贡献较低、海陆过渡相的沉积环境。
台北凹陷天然气非烃气体含量低,非烃气体主要为N2,且N2含量与δ13C1成正比,表征研究区的高N2含量可能与高成熟度相关。天然气以烃类气体占绝对优势,烃类气体则富含重烃。台北凹陷的天然气总体以湿气和高湿气为主,且胜北洼陷的天然气重烃含量明显较丘东洼陷和小草湖洼陷高,与此相对应,胜北洼陷天然气的相对密度总体上也比东洼陷和小草湖凹陷大。
吐哈盆地吐鲁番坳陷的台北凹陷和托克逊凹陷以及哈密坳陷所取得的天然气样品的碳同位素组成方面总体都呈正系列,表征天然气的有机成因。哈密坳陷哈2井δ13C2为.30.2‰:吐鲁番坳陷托克逊凹陷2个天然气样品的δ13C2均＜-30‰,表征其油型气成因。相对而言,台北凹陷天然气的碳同位素组成较分散,δ13C1总体介于-45.5～-33.5‰、δ13C2介于-30.2～-10.5‰、δ13C3总体介于-27.6～-11.2‰之间,如果不考虑碳同位素组成明显偏重的样品,则δ13C1、δ13C2和δ13C3分别介于-45.5～-35.3‰、-30.2～-24.7‰和-27.6～-22.6‰;该组成比常规的油型气的碳同位素重但又比煤型气轻,因此可能是成熟度高的油型气,也可能是成熟度低的煤成气。天然气的氢同位素δD1、δD2和δD3主体分别介于-260.3～-223.5%0、-230.0～-179.0%0和-224.3～-188.1‰,表征热成因气。天然气的C5-7脂族烃以支链烷烃占优势,大部分样品,尤其是丘东洼陷的庚烷值与异庚烷值的分布与芳香曲线一致,甲基环己烷指数＞50,表征煤成气的贡献。就其碳同位素组成来看,δ13C2与δ13C3之间存在很好的正相关关系,表征乙烷和丙烷是同成因的。但δ13C1与δ13C2之间并无明显的相关性,所计算出来的甲烷和乙烷的Ro也有较大差异,说明天然气为混合成因。据δ13C2计算出的Ro主体介于0.4～0.8%,寓示天然气成熟度不高,也就是说台北凹陷天然气的主体为成熟度不高的煤成气,即所谓的低熟气。
台北凹陷另有部分样品的碳同位素明显轻于其他样品,其δ13C1＜-43‰、δ13C2＜-29‰,与煤成气的碳同位素组成差异较大;其氢同位素组成也比我国典型煤成气的氢同位素轻。而且,同一口井中不同深度天然气样品的碳同位素组成随埋深变浅而加重,表征了油型气的贡献。部分碳同位素明显偏重的样品呈倒转系列,往往伴随有某一或某些组分含量的异常低和高iC4/nC4比值,表征这些样品受到了细菌氧化的次生蚀变作用。
天然气伴生原油具有高Pr/Ph比、贫伽玛蜡烷、富四环萜烷、低碳数三环萜烷优势、富C29甾烷、贫芘、低1,2,5,7TeMN的特征,与煤系烃源岩中的煤岩和碳质泥岩特征一致,表征天然气伴生原油源于煤系烃源岩的煤和碳质泥岩。根据乙烷碳同位素组成和Ro与地层埋深之间的关系所计算出来的生气源岩在小草湖洼陷埋深为2491.8～3779.8m,在胜北洼陷对应2376.1～4744.1m,在丘东洼陷对应于2291.6～5228.3m,均与中下侏罗统八道湾组至西山窑组烃源岩相当。对台北凹陷气源岩的地质和地球化学特征详细研究的基础上,用气-油-源三元直接对比法,即利用烃源岩在450℃热模拟生成的轻烃、天然气浓缩轻烃和原油溶解轻烃进行对比,发现小草湖洼陷、丘东洼陷天然气轻烃特征均与J2x烃源岩相吻合、而胜北洼陷则还有J2q烃源岩的贡献。综上所述。台北凹陷天然气主力源岩为台北凹陷J1-2煤系烃源岩。