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四川盆地志留系龙马溪组页岩气产出过程中气体地球化学特征及意义

曹春辉  
【摘要】:页岩气是全球新兴开发的一种重要的非常规天然气资源。中国页岩气资源潜力巨大,其中四川盆地下古生界志留系龙马溪组海相页岩是我国页岩气勘探开发的最成功的靶区,威远、长宁和焦石坝等地区志留系龙马溪组页岩气实现了商业生产。本文对四川盆地威远和长宁两地志留系龙马溪组页岩气产出过程中的气体化学组成、碳-氢同位素和稀有气体同位素组成进行了系统研究,揭示了志留系龙马溪组页岩气的成因及来源,阐述了威远、长宁两地页岩气在气体地球化学方面的差异及原因,探讨了页岩气产出过程(3.5年)中气体化学组成和C-He-Ar同位素组成变化及意义,取得了以下主要认识:1.确认四川盆地志留系龙马溪组页岩气是世界上最干的天然气之一,威远与长宁地区页岩气在产出过程中存在化学组成差异:威远-长宁地区志留系龙马溪组页岩气的化学组成以甲烷为主,平均含量97.2%;乙烷含量平均0.48%,丙烷0.02%。湿度在0.33-0.62%之间,非烃气体以N_2、CO_2为主,含少量He和Ar,未检测到H_2S。威远地区龙马溪组页岩气中甲烷含量(平均96.4%)比长宁地区甲烷(平均98.6%)低,而CO_2和N_2的含量(平均分别为0.79%和2.20%)高于长宁地区(0.33%和0.40%)。2.四川盆地威远、长宁两地志留系龙马溪组页岩气产出过程中持续存在碳-氢同位素组成的系统差异性,并保持不同的碳同位素组成反序分布特征。威远地区龙马溪组页岩气中CH_4碳同位素组成(δ~(13)C_1:-34.3‰~-37.3‰)比长宁地区(-26.9‰~-29.7‰)偏轻约8‰左右,C_2H_6碳同位素组成(δ~(13)C_2:-32.0‰~-43.4‰比长宁地区(-32.0‰~-34.9‰)偏轻6‰左右,C_3H_8碳同位素组成(δ~(13)C_3:-30.0‰~-45.5‰)与长宁地区(-30.0‰~-37.2‰)相近。威远地区气态烃碳同位素组成呈现部分反序分布特征,即δ~(13)C_1δ~(13)C_2δ~(13)C_3。长宁地区呈现完全反序,即δ~(13)C_1δ~(13)C_2δ~(13)C_3。部分生产井页岩气出现氢同位素组成反序分布特征(δD_1δD_2)。3.发现四川盆地威远、长宁两地志留系龙马溪组页岩气产出过程中稀有气体丰度及同位素组成变化存在差异和区域不均一性。威远地区马溪组页岩气中He和Ar的丰度及同位素比值与长宁地区不同,威远地区页岩气中~4He和~(40)Ar含量(分别为228.0-1286.3 ppm和66.9-734.7 ppm)比长宁的(187.0-465.4 ppm和32.0-551.4 ppm)变化范围较大,~(40)Ar/~(36)Ar比值(340.5-7364.5)比长宁地区(1700左右)变化范围大;~3He/~4He比值接近,威远地区主要在0.02Ra左右,长宁地区~3He/~4He=0.01-0.03Ra。两地页岩气中20Ne/22Ne和21Ne/22Ne比值接近大气Ne同位素组成。龙马溪组页岩气稀有气体丰度及同位素组成存在区域和深度不均一性。4.四川盆地威远、长宁两地志留系龙马溪组页岩气为热成因来源,确定页岩中有机质(特别是I-II型)初次裂解和不同比例液态/高碳数烷烃二次裂解成气是龙马溪页岩气形成的重要机理:威远和长宁两地志留系龙马溪组富有机质页岩处于高-过成熟阶段,经历了复杂的热演化。龙马溪组页岩气~3He/~4He和~(40)Ar/~(36)Ar比值指示气体主要来自于壳源。页岩气产出过程中气态烃碳同位素持续反序分布的特征表明存在液态/高碳数烷烃二次裂解成因气的贡献。N_2主要是有机质在高-过成熟阶段裂解形成。5.威远、长宁两地志留系龙马溪组页岩气组成的差异性可能源于不同比例残余干酪根及液态烃裂解气的混入及页岩气的损失程度:威远、长宁地区志留系龙马溪组页岩中残余干酪根和液态烃的含量、后期构造运动及抬升的差异导致页岩演化温度、压力条件的差异,不同比例残余干酪根及液态烃裂解气的贡献、以及不同程度的页岩气损失可能是导致威远、长宁两地页岩气化学组成、碳同位素显著差异的主要原因。长宁地区页岩气中可能存在较高比例的残余干酪根裂解气及水-有机质相互作用来源气。6.龙马溪组页岩气产出过程中气体地球化学特征的规律性变化特征可能揭示气源供给的充足程度,甲烷碳同位素组成变化是判识页岩气气源供给的一个有力指标。长宁地区龙马溪组页岩气中~4He、~(40)Ar浓度及同位素比值随页岩气产出过程基本保持不变。威远地区龙马溪组页岩气中~(40)Ar浓度随生产井开采时间逐渐增加,而~(40)Ar/~(36)Ar比值逐渐减小,推断长宁地区龙马溪组页岩气的气源供给比威远地区充足,长宁页岩气很高的井口压力也支持这一推论。稀有气体(特别是放射性成因的~4He和~(40)Ar)含量的变化,结合威远、长宁页岩气井口压力,可以指示页岩气的气源供给的丰富程度。页岩气中异常高的Ar同位素(7364.5,W201-H1井)可能指示围岩中气体的渗入。


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