塔里木盆地西南山前坳陷油气资源丰富、勘探潜力大^[1-4]。第四次资源评价显示，坳陷内石油资源量为4.5×10⁸ t，天然气资源量为1.9×10¹² m³，但目前油气探明率仅为6.6%和4.4%。截至目前，塔西南地区发现了5个油气藏(田)。1977年，在柯克亚褶皱带新近系西河甫组(N₁x)发现柯克亚凝析油气藏，至今仍在生产油气；2001年，在喀什凹陷北部下白垩统克孜勒苏群发现了阿克莫木气田^[5]；2010年，在柯克亚东部柯东构造带白垩系发现了柯东1凝析气藏^[6]；2021年，在甫沙构造带发现甫沙8油藏；2023年，在乌恰构造带恰探1井二叠系碳酸盐岩层段钻遇高产工业气流(图 1)，日产气量达7.91×10⁴ m³，首次取得了塔西南山前坳陷二叠系天然气勘探的重大突破^[7]，为塔西南山前地区发现一个全新的勘探层系。

图  1  塔里木盆地西南山前坳陷恰探1井气藏构造位置

据参考文献[7]修改。

Figure  1.  Structural location of gas reservoir in well Qiatan-1 of piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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塔西南地区主要存在3套潜在烃源岩，从下到上依次为石炭系、二叠系和侏罗系。前人对塔西南地区的油气来源问题进行了深入研究，针对柯克亚油气藏和阿克莫木气藏的成因及来源提出了多种观点，目前尚未达成统一认识。初步来看，恰探1井天然气的地球化学特征似乎与阿克莫木气田比较接近，气体干燥系数高且碳同位素组成非常重^[7]。前人对阿克莫木天然气的来源提出了几种截然不同的观点，赵孟军等^[8-9]认为其主要来源于石炭系烃源岩，而王东良等^[10]认为其主要来源于二叠系，WU等^[11-12]认为其主要来源于侏罗系，刘伟等^[13]认为其为二叠系和侏罗系混合来源。

前人对柯克亚气藏的来源也提出了多种观点，主要分为3类：一类认为其以侏罗系来源为主，其他来源为辅^{[8, 11, 14-16]}；第二种观点认为其以石炭系—二叠系来源为主，侏罗系为辅^{[6, 17-19]}；还有一种观点认为是3套源岩中的2套或3套混源^{[10, 12]}。由此可见，前人对阿克莫木气藏和柯克亚气藏的来源问题争议很大，原因在于研究区属于山前地带，具有异常复杂的沉积和构造特征，且存在多套烃源岩，其分布、深度、厚度、成熟度等变化剧烈，客观上增加了气源判识的难度。

王清华等^[7]初步研究认为恰探1井天然气来源于二叠系棋盘组，其有机质类型为I—II型，但天然气地球化学特征又表明其气源母质偏腐殖型，两者存在矛盾。因此，为了探究恰探1井天然气的成因和来源，指导该区下一步天然气勘探部署，结合前人的研究成果，综合分析研究区烃源岩的地质、地球化学特征，结合天然气组分和碳氢同位素组成、稀有气体He同位素组成等系统分析了恰探1井天然气成因和来源，以期为该区天然气勘探部署提供科学依据。

1.   地质背景

塔里木盆地西南山前坳陷西北侧为西天山冲断带，西南侧为西昆仑山冲断带，两大冲断带又可进一步划分为多个次一级构造带(图 1)。区内构造特征复杂，主要发育倾向盆地的单斜构造、高角度逆冲断裂、叠瓦冲断构造等。总面积约为14×10⁴ km²，是塔里木盆地油气勘探战略接替区之一^[7]。其中，恰探1井位于西天山冲断带的乌恰构造带(图 1)。

塔西南山前坳陷具有叠合型前陆盆地特征^[20-23]，区域内沉积地层主要包括石炭系至新近系。石炭纪—二叠纪，区内经历了一个较为完整的“海侵—海退”旋回^[24-25]。早石炭世开始出现海侵，为浅海陆棚环境；早二叠世初期，海侵达到最大，发育大规模碳酸盐台地沉积，期间发育多套碳酸盐岩地层，岩性主要为泥晶灰岩和亮晶灰岩。中二叠世开始海退，海相沉积逐渐演变为海陆过渡相沉积，发育灰色泥岩和粉砂质泥岩为主的碎屑岩。晚二叠世，海水全面退出塔西南地区，区域内完全进入了陆相沉积阶段。从石炭纪到侏罗纪总体沉积环境发生由海相—过渡相—陆相的演化，水体具有西深东浅、北深南浅的特征^[7]。

2.   样品与分析

在恰探1井共采集了7个气样，分别在二叠系棋盘组(P₁q)不同深度(约5 200~5 300 m)采集了3个气样，主要为随钻产出气，气量较小，达不到工业开采标准。在二叠系塔哈奇组(P₁t，5 702~5 760 m)钻遇高产工业气流，在酸压测试期间采集4个气样(表 1)。为了更好地对比恰探1井天然气与塔西南坳陷其他气藏天然气的异同，此次也采集了阿克莫木气田、柯克亚气田以及新钻探的甫沙8井、康苏6井、昆探1井等天然气样，共获得天然气样26个。气体样品采集使用双阀门高压钢瓶，并用所采天然气反复冲洗，以避免大气污染，气体采集压力大于2 MPa。此外，在塔西南坳陷100余个剖面/井采集了1 000余块烃源岩样品，开展了烃源岩地球化学分析，包括总有机碳(TOC)含量、镜质体反射率(R_o)等分析。在喀什凹陷及周缘地区选取了23个典型剖面/井的烃源岩样品共144块，开展了干酪根碳同位素组成分析。

表  1  塔里木盆地西南山前坳陷天然气地球化学特征

Table  1.  Geochemical characteristics of natural gas in piedmont depression, southwestern Tarim Basin

区域	井号	深度/m	层位	气体组分/%										δ13CVPDB/‰							δDVSMOW/‰
				CH4	C2H6	C3H8	iC4H10	nC4H10	iC5H12	nC5H12	N2	CO2		CH4	CO2	C2H6	C3H8	iC4H10	nC4H10		CH4	C2H6	C3H8
乌恰	恰探11	5 702~5 760	P1t	79.76	0.57	0.07	0.02	0.02	0.01	0.01	8.26	11.17		-27.2	2.7	-19.8	-17.8	-16.7	-17.3		-145
	恰探12	5 702~5 760	P1t	81.08	0.57	0.07	0.02	0.02	0.01	0.01	8.45	9.66		-28.2	1.9	-20.2	-18.5	-15.9	-18.0		-142
	恰探13	5 702~5 760	P1t	85.87	0.61	0.07	0.02	0.02	0.01	0.01	8.52	4.74		-27.6	2.0	-20.2	-18.2	-16.4	-18.0		-142
	恰探14	5 702~5 760	P1t	87.40	0.61	0.07	0.02	0.02	0.01	0.01	8.21	3.54		-28.1	0.2	-20.5	-19.2	-18.2	-19.0		-143
	恰探1	5 237~5 241	P1q	2.55	0.02	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	97.09	0.34		-31.6	-18.5	-24.0					-145
	恰探1	5 252~5 257	P1q	6.57	0.03	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	93.08	0.32		-31.5	-17.9	-22.5					-142
	恰探1	5 301~5 309	P1q	5.71	0.03	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	93.94	0.31		-32.4	-17.6	-22.4					-142	-85
阿克莫木	阿克101		K2	74.54	0.30	0.03	0.03				7.96	17.01		-25.8	-3.2	-22.8					-137	-67
	阿克401		K2	75.49	0.39	0.05	0.05				7.43	16.45		-26.0	-2.6	-22.4					-146	-190	-168
康苏	康苏6	6 203.32		59.71	13.59	10.05	1.56	2.75	0.65	0.54	10.40	0.74		-47.9	-24.4	-31.7	-29.2	-30.4	-28.1		-225	-191	-168
	康苏6	6 212.32		59.32	14.86	10.05	1.49	2.72	0.65	0.53	10.36	0.01		-48.1		-31.8	-29.1	-30.2	-28.3		-225
棋北	昆探1	7 046.5~7 054.5	C2t	17.25	0.15	0.04	0.01	0.01	0.09	0.05	0.16	82.35		-29.5	0.9	-22.1	-19.9	-20.1	-19.3
	昆探1	7 046.5~7 054.5	C2t	11.50	0.01							88.23		-28.4	2.0
甫沙	甫沙8	3 859.5~3 877.5	J1s	63.95	16.26	7.39	0.78	2.16	0.25	0.53	8.60	0.08		-42.2		-31.3	-29.6	-30.0	-29.6
	甫沙8	3 859.5~3 877.5	J1s	63.38	15.29	6.56	0.65	1.70	0.18	0.35	11.85	0.04		-42.7		-31.1	-29.6	-29.3	-29.4
柯克亚	柯300		N1x	79.91	7.48	2.21	0.44	1.22	0.43	1.00	6.04	0.32		-38.8		-26.3	-24.7	-25.6	-25.7		-168	-137	-118
	柯516		N1x	79.39	8.45	2.07	0.42	1.17	0.49	1.10	6.33	0.35		-38.8		-26.3	-24.9	-26.0	-25.9		-168	-140	-116
	柯7102		N1x	83.59	7.15	2.30	0.40	0.91	0.19	0.38	4.36	0.42		-37.6		-25.9	-24.4	-26.3	-25.4		-166	-137	-121
	柯412		N1x	82.95	7.47	2.27	0.35	0.72	0.13	0.28	5.13	0.30		-37.9		-26.1	-24.5	-26.3	-25.8		-166	-139	-119
	柯301		N1x	87.20	7.32	1.04	0.04	0.09	0.02	0.06	3.89	0.21		-37.1		-26.0	-24.0		-26.4		-166	-138	-94
	柯7102		N1x	83.36	7.05	2.47	0.48	1.13	0.24	0.52	3.61	0.62		-37.6		-25.9	-24.4	-26.3	-25.4		-166	-138	-118
	柯7010		N1x	85.57	7.11	1.69	0.24	0.51	0.10	0.20	4.04	0.29		-37.4		-26.0	-24.2	-26.3	-25.4		-166	-138	-113
	柯233		N1x	80.10	8.31	2.68	0.44	0.96	0.19	0.37	6.27	0.27		-38.8		-26.4	-24.6	-26.1	-26.3		-168	-155	-121
柯深	柯深101	6 354~6 363	E2k	88.97	5.60	1.50	1.02				2.38	0.52		-35.6	-9.6	-24.2	-25.3
	柯深102	6 277~6 328	E2k	88.84	5.88	1.80	0.96				1.89	0.00		-35.0		-27.7	-24.7				-154	-125	-111
	柯深101	6 807~6 835	K1kz	80.65	1.46	0.07	0.03				17.66	0.12		-38.4		-24.9
注：1为2023年2月26日08：30时取样；2为2023年2月26日16：30时取样；3为2023年3月1日08：30时取样；4为2023年3月1日16：30时取样。C2t为石炭系塔哈奇组；E2k为古近系卡拉塔尔组。

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2.1   气体地球化学分析

上述所有天然气样品均开展了气体组分和碳同位素组成分析，并对其中20个样品开展了氢同位素组成分析。天然气相关分析均在中国科学院西北生态环境资源研究院完成，气体组分测试采用Agilent 6890N气相色谱仪(GC)，碳同位素组成测试采用Agilent 6890气相色谱-MAT 253稳定同位素质谱联用仪，氢同位素组成测试采用Ultra trace GC-MAT 253同位素比质谱联用仪，具体分析流程及实验条件可参考孟强等^[26]。恰探1井天然气作为重点研究对象，分析了其稀有气体氦同位素组成。氦同位素比值分析在中国科学院西北生态环境资源研究院完成，采用英国Nu公司的Noblesse稀有气体同位素质谱仪，³He/⁴He的分析标准偏差小于3%。

2.2   烃源岩地球化学分析

开展了烃源岩样品的TOC含量、R_o、干酪根碳同位素组成等分析。TOC含量分析采用美国LECO CS230PCHC定碳定硫分析仪，R_o分析采用德国卡尔蔡司数字显微煤岩分析系统。干酪根碳同位素组成分析时，先将烃源岩样品粉碎至100目以上，再取100 g左右制备干酪根。取制备好的干酪根样品1~2 mg放入流动氧有机质燃烧碳同位素制样装置的石英燃烧管中，通入足量高纯氧气，将干酪根充分燃烧转化为CO₂，除水、除杂后采用MAT 253稳定同位素质谱仪测试干酪根碳同位素组成，碳同位素测定采用国标《地质样品有机地球化学分析方法：GB/T 18340.2—2010》。

3.   天然气地球化学特征

塔西南山前坳陷各天然气藏(田)的气体地球化学特征差异极大(表 1)。除恰探1井随钻气(埋深约5 200~5 300 m)和昆探1井外，大多数天然气以烃类气体为主，甲烷平均含量为78.62%，乙烷平均含量为6.49%；非烃气体主要为N₂和CO₂，N₂平均含量为7.22%；CO₂平均含量为3.18%。恰探1井随钻气以N₂为主，含量为93.08%~97.09%，气体干燥系数(C₁/C_1-5)为0.994；昆探1井以CO₂为主，2个气样的CO₂含量分别为82.35%和88.23%，气体干燥系数(C₁/C_1-5)分别为0.980和0.999。恰探1井天然气(5 702~5 760 m)中甲烷平均含量为83.53%，乙烷平均含量为0.59%；非烃气体主要是N₂和CO₂，N₂平均含量为8.36%；CO₂平均含量为7.28%，气体干燥系数(C₁/C_1-5)为0.992，为干气。

塔西南山前坳陷天然气的碳同位素组成分布范围较广，δ¹³C₁平均为-35.0‰，δ¹³C₂平均为-25.1‰，δ¹³C₃平均为-24.0‰。其中阿克莫木气藏的甲烷碳同位素组成最重，δ¹³C₁为-26.0‰，δ¹³C₂为-22.6‰。前人也对阿克莫木天然气进行了测试分析，此次收集到了7个天然气数据，前人测的δ¹³C₁平均为-24.0‰，δ¹³C₂平均为-21.2‰^{[9, 11, 13, 27]}。康苏6井的甲烷碳同位素组成最轻，其δ¹³C₁为-48.1‰~-47.9‰，δ¹³C₂为-31.8‰~-31.7‰，δ¹³C₃为-29.2‰~-29.1‰。恰探1井随钻气的δ¹³C₁为-32.4‰~-31.5‰，δ¹³C₂为-24.0‰~ -22.4‰，丙烷含量低，δ¹³C_CO2为-18.5‰~ -17.6‰。恰探1井天然气(5 702~5 760 m)的δ¹³C₁为-28.2‰~-27.2‰，δ¹³C₂为-20.5‰~-19.8‰，δ¹³C₃为-19.2‰~-17.8‰，δ¹³C_CO2为0.2‰~2.7‰。

塔西南山前坳陷天然气的氢同位素组成可分为3类，一是以康苏6井为代表的具有较轻的氢同位素组成天然气，其甲烷、乙烷、丙烷的氢同位素组成分别为-225‰、-190‰、-168‰；二是以柯克亚和柯深地区为代表的天然气，其甲烷、乙烷、丙烷的氢同位素组成平均分别为-165‰、-138‰、-115‰；三是以恰探1井和阿克莫木为代表的天然气，其甲烷氢同位素平均为-143‰，乙烷、丙烷因含量低，难以测得可信的氢同位素数据。

恰探1井天然气He含量为0.110%(表 2)，达到富氦天然气(He≥0.100%)标准^[29-30]，³He/⁴He比值为1.7×10^-6，R/Ra比值为1.214。

表  2  塔里木盆地西南山前坳陷天然气中的稀有气体地球化学特征

Table  2.  Geochemical characteristics of rare gases in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

井名/地区	层位	深度/m	He/%	Ar/%	3He/4He/10-8	R/Ra	幔源He/%
恰探1井	P1t	5 702~2 760	0.110	0.036	170	1.214	14.60
阿克1井	K2	3 225~3 341	0.134		83.4	0.596	6.80
柯深101井	E2k	6 354~6 363			13.7	0.098	1.20
柯克亚地区	N1		0.010		6.1~8.6	0.050~0.075	0.65
大北2井	K	5 658~5 670			5.32	0.038	0.43
迪那2井	N1	4 598			2.48	0.018	0.15
DW105-25井	N1	367~396			5.67	0.041	0.45
YH23-1井	N1	4 946~4 988			3.46	0.025	0.25
YH1井	E	5 451~5 466			3.81	0.027	0.28
却勒1井	K	5 761~5 764			5.36	0.038	0.44

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4.   讨论

4.1   恰探1井天然气成因类型

天然气的成因来源复杂多样，通常采用气体组分、碳同位素组成、氢同位素组成并结合地质背景来综合区分天然气成因类型^{[26, 28]}。通过表 1的天然气地球化学数据可以发现，恰探1井天然气有几个突出特点：(1)气体干燥系数很高，C₁/C_1-5大于0.99，干气一般来源于生物气或高—过成熟源岩；(2)烷烃碳、氢同位素组成很重，表明其源岩热演化程度很高，可能有无机成因气混入，或经历了次生作用，如生物降解或热化学硫酸盐还原作用(TSR)等。从目前的资料来看，因其深度较大(＞5 700 m)，不具备生物降解的条件；天然气组分中也未检测到H₂S气体，说明未发生还原作用；(3)非烃气体N₂和CO₂含量均较高，说明可能经历了次生作用或有深部来源气体的混合；(4)CO₂碳同位素组成偏重，δ¹³C_CO2全部为正值，表明其CO₂为无机成因。阿克莫木天然气也具有上述类似特征，但二者并不完全一致。值得注意的是，恰探1井天然气中CO₂含量在酸压测试期间随采样时间推迟明显降低，δ¹³C_CO2也逐渐变小，高含量的CO₂与较重的碳同位素组成可能与酸和储层碳酸盐岩发生溶蚀作用有关。

广义来说，天然气分为有机成因气和无机成因气，碳同位素组成序列是区分二者的首要标志，有机成因气一般为正序，无机成因气一般为反序^[29-31]。塔西南山前坳陷天然气烷烃碳同位素组成分布范围广泛，但碳同位素序列全部为正序(图 2)，说明天然气主体为有机成因。另外，恰探1井天然气的碳同位素组成序列与其碳原子数的倒数(1/n) 的连线非一条直线，表明其可能存在混源或次生作用^[32]。

图  2  塔西南山前坳陷天然气烷烃碳同位素序列

Figure  2.  Alkane carbon isotope sequence of natural gas in piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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有机成因天然气一般包括煤型气、油型气或二者的混合气^{[29-30, 33]}。有机成因天然气的甲、乙烷碳同位素组成之间一般具有正相关性，即甲烷碳同位素组成较重则乙烷碳同位素组成也较重，甲、乙烷碳同位素组成与源岩热演化程度R_o密切相关。前人根据δ¹³C₁与R_o之间存在对应关系建立了油型气和煤型气的经验公式^{[29, 34-38]}，大体认为甲烷碳同位素组成随热演化程度增高而逐渐变重，相同热演化程度时煤型气的甲烷碳同位素组成重于油型气。

将塔西南山前天然气的甲、乙烷碳同位素组成与盆地内其他区块(塔中、和田河、克拉2、大北等) 的天然气进行对比，以业界广泛使用的δ¹³C₂=-28‰为界划分煤型气和油型气可以发现，恰探1井、阿克莫木、柯克亚、柯东1井均为煤型气，而康苏6井和甫沙8井为油型气(图 3a)。前人通过统计分析认为，油型气的乙烷碳同位素组成一般小于-28‰，丙烷碳同位素组成一般小于-25‰，煤型气则刚好相反^{[28, 41]}。从乙、丙烷的碳同位素组成特征来看，康苏6井和甫沙8井也落在油型气区域，阿克莫木、恰探1井、柯克亚、柯东1井落在煤型气区域(图 3b)。从碳同位素组成判识认为，塔西南地区的康苏6、甫沙8井落在油型气区域，但与塔中、和田河的典型油型气有所区别，介于油型气与煤型气之间，结合其较轻的甲烷碳同位素组成判断其可能为油型气为主的混合气。柯克亚、柯东、阿克莫木气藏恰探1井等主体可能是煤型气，其中阿克莫木气藏的源岩成熟度最高，其次为恰探1井，康苏6井和甫沙8井的源岩成熟度相对较低。从甲、乙烷碳同位素组成来看，柯克亚、柯东和柯深地区应该来源于不同成熟度的同一套烃源岩，相对来说，柯东1井成熟度略高。

图  3  塔西南山前坳陷天然气的甲烷和乙烷、乙烷和丙烷碳同位素组成相关性

Figure  3.  Correlation of carbon isotope compositions between methane and ethane, and between ethane and propane in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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在判识天然气成因时，常用WHITICAR^{[33, 42]}提出的利用δ¹³C₁与C₁/C₂₊₃的关系图版来判识，该图版将天然气的分子和同位素信息结合起来，可以区分不同类型的热成因气、生物气及混合气。从WHITICAR的图版来看，柯克亚气田与塔中油型气具有相近的甲烷碳同位素组成，但柯克亚气田具有更高的重烃气体含量(C₁/C₂₊₃)，更符合煤型气的特征，康苏6、甫沙8井在此处难以判断，更接近混合气的特征；恰探1井与阿克莫木天然气更接近煤型气的特征(图 4)。

图  4  塔西南山前坳陷天然气甲烷碳同位素组成与C₁/C₂₊₃关系

据参考文献[33, 42]修改。

Figure  4.  Relationship between methane carbon isotope composition and C₁/C₂₊₃ in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim BasinRelationship between methane carbon isotope composition and C₁/C₂₊₃ in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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天然气中最主要的成分是甲烷，因此，可以利用甲烷的碳/氢同位素组成来判识天然气的成因。一般认为，与煤型气相比，油型气具有较轻的碳同位素和较重的氢同位素。WANG等^[43]曾利用甲烷碳、氢同位素组成建立了油型气与煤型气的判识图版，从甲烷碳/氢同位素组成来看，恰探1井、阿克莫木均落入煤型气区域，康苏6井为混合气(图 5a)，与前面的判识一致；但柯克亚落入了油型气区域(图 5a)，与前面的判识结果出现了矛盾，原因在于柯克亚具有较重的甲烷氢同位素组成，影响氢同位素的因素除母质类型外，还包括热演化程度和古水介质。从甲烷氢同位素和乙烷碳同位素组成来看，阿克莫木、柯克亚、恰探1井天然气均为煤型气，康苏6井更偏向煤型气(图 5b)。

图  5  塔西南山前坳陷天然气甲烷碳、氢同位素(a)，甲烷氢同位素和乙烷碳同位素(b)组成特征

图版参考自文献[43]。

Figure  5.  Compositional characteristics of methane carbon and hydrogen isotopes (a), methane hydrogen and ethane carbon isotopes (b) in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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正常热演化形成的天然气或同一气源形成的天然气其甲烷和乙烷含量一般具有很好的负相关性，即甲烷含量越高，乙烷含量则越低。不同源天然气或经过次生改造的天然气其甲烷和乙烷含量会有所偏离，偏离程度与混合或次生改造程度有关。将塔里木盆地典型气藏的甲烷和乙烷含量投点发现，康苏6井和甫沙8井与正常天然气相比有所偏离，而阿克莫木和恰探1井则严重偏离(图 6)。偏离的原因可能是二者的非烃气体含量相对较高，使得甲烷、乙烷相对含量降低。例如，恰探1井天然气中N₂含量为8.21%~8.52%，平均为8.36%，CO₂含量为3.54%~11.17%，平均为7.28%；阿克莫木天然气中N₂含量平均7.70%，CO₂含量平均为16.73%；康苏6井天然气中N₂含量平均为10.38%，甫沙8井天然气中N₂含量平均为10.22%(表 1)。上述几口井偏离的原因均是非烃气体含量较高所致，因此，笔者认为恰探1井和阿克莫木天然气中高含量的非烃气体应具有次生改造或混源特征。

图  6  塔西南山前坳陷天然气甲烷和乙烷含量关系

Figure  6.  Relationship between methane and ethane content in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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综上所述，烷烃碳氢同位素组成、烃类气体组分综合判识认为恰探1井天然气为高—过成熟阶段的煤型气，可能经历了混合或次生作用。

4.2   恰探1井天然气来源

4.2.1   区域烃源岩特征

塔西南地区主要存在3套潜在烃源岩，从下到上依次为石炭系、二叠系和侏罗系。石炭系烃源岩主要分布在齐美干周缘地区，烃源岩厚度主要集中在100~500 m，在昆探1井、拓1井及库山河剖面附近最大厚度分别超过350 m和700 m(图 7a)，其TOC含量主要为0.6%~1.2%，在拓1井—棋北3井附近TOC含量超过1.2%，烃源岩R_o主要为1.3%~2.8%，处于成熟—过成熟阶段。

图  7  塔西南山前坳陷烃源岩分布及其厚度等值线

Figure  7.  Distribution and thickness isolines of source rocks in piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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二叠系烃源岩包括棋盘组和普司格组，棋盘组烃源岩分布在喀什地区及齐美干周缘地区，烃源岩厚度主要集中在50~650 m，在昆探1井—拓1井及恰探1井—阿北1井区带附近最大厚度分别超过300 m和650 m(图 7b)。棋盘组烃源岩TOC含量主要为0.6%~1.2%，在恰探1、拓1井及和什拉甫—阿尔塔什剖面附近TOC含量最大值超过了1.2%。烃源岩R_o主要分布在1.2%~1.8%之间，处于成熟—高成熟阶段，其中恰探1井棋盘组烃源岩(埋深5 526 m) 实测R_o为1.34%~1.36%。普司格组烃源岩主要分布在柯克亚地区，烃源岩厚度主要集中在50~500 m之间，在甫沙8井—柯东2井区带附近最大厚度超过550 m。普司格组烃源岩TOC含量主要为0.5%~ 1.2%，在甫沙2井附近TOC含量超过1.2%，其R_o主要分布在1.2%~1.8%之间，处于成熟—高成熟阶段。

侏罗系烃源岩在喀什地区、齐美干周缘地区及柯克亚地区均有分布，烃源岩厚度主要集中在100~ 600 m，在库孜贡苏剖面北部、依格孜牙剖面及甫沙8井区带附近最大厚度分别超过800、550、450 m (图 7c)。侏罗系烃源岩R_o主要分布在0.6%~1.2% 之间，处于成熟阶段。侏罗系烃源岩在喀什地区主要为湖泊相或三角洲相沉积为主的杨叶组碎屑岩，位于阿克1气藏西部，距离恰探1井较远，且分布范围较为局限。从目前的勘探资料来看，根据区域内烃源岩的分布及厚度，二叠系棋盘组烃源岩最有可能为恰探1井的气源，其次为侏罗系烃源岩，石炭系烃源岩在喀什构造带基本没有分布或分布范围较为局限，不太可能为其气源。

前人对区域内3套烃源岩的有机质类型尚有争议^{[7, 9, 12]}。如莫午零等^[6]认为二叠系烃源岩主要为Ⅱ型，少量Ⅰ型，但其研究区域位于柯克亚—柯东构造带，与喀什凹陷乌恰构造带二叠系烃源岩有机质类型可能有差异。王清华等^[7]认为二叠系烃源岩成烃生物以藻类体和无定形体为主，有机质类型为Ⅰ—Ⅱ型。笔者认为成烃生物是鉴定有机质类型最直观的方法，但受限于地层的非均质性，需要对大量样品的显微组分进行统计分析，计算干酪根类型指数(TI指数)才能得出较为客观的认识，工作量巨大且受人为因素影响大。笔者也观察了恰探1井二叠系烃源岩的成烃生物特征，有的样品中有机质以层状藻类体和无定形体为主，也有很多样品中的有机质以镜质组和惰质组为主，地层非均质性非常强。恰探1井二叠系棋盘组烃源岩厚度超过300 m，仅用几个样品的成烃生物特征难以全面反映该层段的有机质类型。因此，本次研究采用干酪根碳同位素数据判别有机质类型，该方法受样品非均质性、热成熟度、人为因素等影响较小。喀什凹陷及周缘地区144个烃源岩的干酪根碳同位素组成数据显示侏罗系杨叶组烃源岩以Ⅱ₁—Ⅱ₂型有机质为主，康苏组烃源岩以Ⅱ₂—Ⅲ型为主；二叠系棋盘组烃源岩以Ⅲ型有机质为主；石炭系烃源岩较为复杂，从I型到Ⅲ型均有分布(图 8)。

图  8  塔里木盆地喀什凹陷及周缘地区烃源岩干酪根碳同位素组成

Figure  8.  Carbon isotope composition of kerogen in source rocks from Kashi Sag and surrounding areas, Tarim Basin

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前已述及，恰探1井天然气为高—过成熟阶段的煤型气。从有机质类型来看，只有二叠系棋盘组和侏罗系康苏组烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主，但康苏组烃源岩处于成熟阶段，棋盘组烃源岩处于成熟—高成熟阶段。根据前人提出的煤型气的δ¹³C₁—R_o的经验公式计算恰探1井天然气的源岩R_o为1.03%~ 3.79%(表 3)。其中STAHL^[34]和SCHOELL ^[35]通过欧洲和北美的煤型气研究提出了δ¹³C₁—R_o经验公式，与中国学者提出的δ¹³C₁—R_o经验公式计算结果差距甚大(表 3)，这可能与不同盆地的地质背景有关。中国学者提出的公式中，徐永昌等^[30]提出的可能更适用于累积聚集的天然气藏，刘文汇等^[37]根据中国东部盆地天然气总结的经验公式对中低成熟度煤型气更适用。相对来说，陈建平等^[38]在前人基础上根据准噶尔盆地和吐哈盆地天然气提出的煤型气经验公式可能更适用于本研究区，其计算结果表明恰探1井天然气的源岩R_o为2.44%(表 3)，处于过成熟阶段。根据区域内烃源岩分布可知，恰探1井天然气的潜在烃源岩包括二叠系棋盘组和侏罗系康苏组、杨叶组。相对来说，其来源于成熟度更高的二叠系棋盘组烃源岩的可能性更大一些。但恰探1井棋盘组烃源岩(埋深5 500 m) 实测R_o为1.34%~1.36%，与经验公式计算值差异较大。考虑到研究区叠瓦冲断构造发育，处于下盘的更深部的棋盘组烃源岩具有更高的热成熟度，单井盆地模拟结果显示下盘该层段烃源岩成熟度达到理论计算值(R_o=2.44%)时，深度将超过11 km。由此出现一个问题，若恰探1井天然气主要来源于下盘的棋盘组烃源岩，那大面积、厚层、广泛分布的离气藏更近的上盘烃源岩贡献在何处？因此，这种解释似乎并不合理，更可能是恰探1井天然气主要来源于更近的上盘棋盘组烃源岩，不排除下盘烃源岩的贡献，还有可能混入了少量碳同位素更重的无机成因烃类气，从而导致恰探1井天然气的甲烷碳同位素组成偏重。

表  3  塔里木盆地西南山前坳陷天然气的烷烃碳同位素组成(平均)及其烃源岩镜质体反射率

Table  3.  Average alkane carbon isotope composition of natural gas and calculated vitrinite reflectance of source rocks in piedmont depression, southwestern Tarim Basin

地区/井号	δ13C/‰				煤型气Ro/%
	CH4	C2H6	C3H8		Ro①	Ro②	Ro③	Ro④	Ro⑤	Ro⑥	Ro⑦
克拉2	-27.0	-18.6	-19.7		1.18	1.31	3.34	4.69	1.49	2.23	2.63
大北	-29.6	-20.5	-20.6		0.77	0.65	2.18	2.35	1.28	1.71	2.07
阿克1	-24.9	-21.7	-20.3		1.67	2.29	4.70	8.21	1.68	2.76	3.19
甫沙8	-42.5	-31.2	-29.6		0.09	0.02	0.27	0.08	0.62	0.45	0.63
柯东1	-36.0	-24.7	-23.4		0.27	0.12	0.77	0.43	0.89	0.88	1.15
柯克亚	-38.6	-26.0	-25.5		0.17	0.06	0.50	0.21	0.77	0.68	0.90
恰探1	-27.8	-20.2	-18.4		1.03	1.06	2.93	3.79	1.42	2.05	2.44
注：Ro①~ Ro⑦分别据STAHL[34]、SCHOELL[35]、戴金星等[29]、沈平等[36]、徐永昌等[30]、刘文汇等[37]、陈建平等[38]。

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4.2.2   非烃气体和稀有气体特征

非烃气体和稀有气体也是研究地质体形成、演化特征的良好示踪剂^[44]。塔西南坳陷部分天然气藏/井具有较高的非烃气体含量，如阿克莫木、恰探1井及柯深、柯克亚的部分气井具有较高的N₂含量，大体介于5%~10%之间；阿克莫木和恰探1井也具有较高的CO₂含量，约为4%~18%；但N₂含量与CO₂含量之间似乎无相关关系(图 9)。天然气藏中N₂的来源一般包括大气来源、源岩有机质的生物降解或热分解成因、沉积岩含氮矿物的高温热解成因、地壳深部和上地幔来源等^[45]。柯克亚气藏中的N₂主要是烃源岩热氨化作用与烃源岩裂解产生的氮气混合^[18]。阿克莫木气藏中的N₂主要是热氨化作用产生的N₂与上地幔氮气混合^[46]。恰探1井位于阿克莫木气田东侧约20 km处，且二者的地球化学特征较为相似，因此，初步推测恰探1井天然气中的N₂主要是深部来源，混合少量有机质热解来源。

图  9  塔西南山前坳陷天然气中N₂含量和CO₂含量的关系

Figure  9.  Relationship between N₂ and CO₂ contents in natural gas from piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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碳同位素组成是判识天然气中CO₂成因的重要标志，一般认为有机成因CO₂具有较轻的碳同位素组成(δ¹³C_CO2<-10‰)，而无机成因CO₂具有较重的碳同位素组成(δ¹³C_CO2＞-7‰)^[29-30]。阿克莫木和恰探1井天然气均具有较高的CO₂含量和较重的碳同位素组成，相对来说，阿克莫木天然气的CO₂含量更高但碳同位素略轻，而恰探1井天然气的CO₂含量稍低但碳同位素更重。其中阿克莫木天然气的δ¹³C_CO2为-5‰~-1‰，恰探1井天然气的δ¹³C_CO2为0.2‰~2.7‰(图 10)，两者均符合无机成因CO₂的特征，可能为碳酸盐矿物分解/溶解或地幔来源。相对来说，恰探1井天然气中无机CO₂比例可能高于阿克莫木天然气。前已述及，恰探1井天然气中高含量的CO₂与较重的碳同位素组成可能与人工酸和储层碳酸盐岩发生溶蚀作用有关，因此恰探1井天然气中的CO₂包括原生气和压裂改造气，但目前尚无法明确二者的贡献率。从表 1可以看出，恰探1井的4个样品，CO₂含量随着采样时间推迟明显降低，CO₂的碳同位素值也逐渐降低，反映了酸压作用影响的逐渐消失。最后一次采样的CO₂含量为3.54%，δ¹³C_CO2为0.2‰，与阿克莫木天然气中CO₂的碳同位素值逐渐靠近，因此，认为恰探1井天然气中的CO₂可能为无机来源。

图  10  塔西南山前坳陷天然气中CO₂含量和碳同位素特征

成因划分依据参考文献[29-30]。

Figure  10.  CO₂ content and carbon isotope composition of natural gas in piedmont depression, southwestern Tarim Basin

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稀有气体也是天然气中的重要组成部分，应用氦及其他稀有气体同位素组成特征可以有效判别氦气成因、来源^[44]。大气来源氦的³He/⁴He值为1.4×10^-6，壳源氦的³He/⁴He值为n(10^-8~10^-9)，幔源氦的³He/⁴He值为1.1×10^-5或更高^[47]。恰探1井天然气具有较高的氦气含量，达到0.11%，³He/⁴He值为1.7×10^-6；阿克莫木天然气也具有较高的氦气含量(0.134%)和较大的³He/⁴He比值(8.34×10^-7)(表 2)。上述特征表明恰探1井和阿克莫木天然气中的氦气具有壳—幔混合特征，幔源氦具有重要贡献。为了确定幔源氦的贡献比例，本文采用前人常用的估算方法，以壳源和幔源为两个端元，选取壳源氦的³He/⁴He值为2×10^-8，幔源氦的³He/⁴He值为1.1×10^-5[44]。计算结果表明恰探1井天然气的幔源氦比例为14.6%，阿克1井的幔源氦比例为6.8%(表 2)。

综上所述，N₂、CO₂等非烃气体和稀有气体He的组分和同位素证据均表明恰探1井天然气有一定比例的无机气混入，该结果印证了天然气成因类型综合判识的结果。因此，恰探1井天然气主要来源于二叠系棋盘组烃源岩，同时有一定比例的无机烃类气和非烃气体混入。

5.   结论

(1) 基于区域地质背景、天然气烷烃组分、烷烃碳/氢同位素组成等综合判识认为塔西南山前坳陷恰探1井天然气为高—过成熟阶段的煤型气。

(2) 根据烃源岩分布及其有机质丰度、类型、热成熟度等综合分析表明，恰探1井天然气可能主要来源于二叠系棋盘组烃源岩，还有可能混入了少量碳同位素更重的无机成因烃类气。

(3) 结合烃源岩特征、非烃气体(N₂、CO₂)及稀有气体He的组分和同位素证据表明，恰探1井天然气有一定比例的无机气体混入，氦同位素组成反映了幔源氦比例约14.6%，其氦含量已达到富氦天然气(He≥1 000×10^-6)标准。