摘要  永利探區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣逆沖斷帶的中部，是一個天然氣富集區(qū)，但目前對該區(qū)烴類氣體的地球化學特征和主要來源尚不清楚。為此，通過綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來確定其天然氣地球化學特征、成因及氣源。研究結(jié)果表明：①該區(qū)上古生界天然氣具有高甲烷含量、低非烴氣體含量的特點；②氣藏的重烴含量不高，干燥系數(shù)較高，氣藏總體上偏干，中二疊統(tǒng)下石盒子組天然氣曾經(jīng)經(jīng)歷較明顯的分餾作用；③該區(qū)天然氣接近于腐殖型有機質(zhì)形成的天然氣(煤成氣)，成熟度較低，為原生型有機成因氣；④氣源一方面來自于該區(qū)下部太原組和羊虎溝組低成熟-成熟階段的、以腐殖型干酪根為主的母質(zhì)烴源巖生成的天然氣，另一方面也有可能接受東側(cè)天環(huán)向斜早期的側(cè)向供烴。

關鍵詞  鄂爾多斯盆地  永利探區(qū)  晚古生代  天然氣  地球化學特征  氣源巖  甲烷  碳同位素  氣源對比.

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地在中國含油氣盆地中構(gòu)造最穩(wěn)定，也是目前中國發(fā)現(xiàn)儲量超過l 000×lO⁸ m³大氣田最多的盆地^[1-2]。永利探區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣逆沖斷帶的中部，南北長約83 km，東西寬約35 km，是一個天然氣富集區(qū)(圖1)。區(qū)內(nèi)上古生界層系齊全，發(fā)育有上石炭統(tǒng)羊虎溝組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組、中二疊統(tǒng)下石盒子組和上石盒子組、上二疊統(tǒng)石千峰組^[2]。主要烴源巖為上古生界二疊系太原組-羊虎溝組大套暗色泥巖和少量煤層，最大累計厚度為600 m。儲集層主要為太原組、山西組和下石盒子組灰色、灰白色中砂巖、細砂巖及石英粗砂巖等。

目前，研究區(qū)內(nèi)多口井在山西組和下石盒子組獲得氣流，顯示了該區(qū)良好的油氣勘探前景，但研究區(qū)內(nèi)深大斷裂發(fā)育，天然氣成分復雜，發(fā)育多套烴源巖，烴類氣體的地球化學特征和主要來源尚不清楚。本文試圖通過綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來確定研究區(qū)天然氣地球化學特征、成因和氣源，為研究區(qū)及鄂爾多斯盆地西緣類似區(qū)塊的天然氣勘探提供參考。

2 天然氣組分特征

天然氣的化學組成可分為烴類氣體和非烴類氣體兩類，不同層位中天然氣組成略有不同，一方面主要是由于天然氣本身的成因不同所致，另外也與天然氣形成后的運移成藏及后期改造作用有關^[1]。

2.1 天然氣的烴類組分

研究區(qū)上古生界不同層系氣藏中的天然氣組分均以烴類氣體為主，其樣品的烴類氣體含量介于91.3％～97.33％(摩爾分數(shù)，下同)，烴類氣體主要組分為甲烷，其次為乙烷、丙烷及微量高碳數(shù)烷烴。烴類氣體中甲烷含量變化范圍相對較小，分布區(qū)間為87.24％～94.31％。甲烷平均含量太原組氣藏為88.93％，山西組氣藏為90.21％，下石盒子組氣藏約為93.68％，表現(xiàn)出隨著地層年代變新，甲烷含量明顯升高的趨勢。重烴含量以山西組為最高，達6.55％，以下石盒子組為最低，均值為2.94％(表1)。

天然氣干燥系數(shù)(C₁／∑C₁⁺)介于88％～99％，平均值為93％～97％，反映了以“干氣”為主、“濕氣”為輔的特征。天然氣的干燥系數(shù)與烴源巖的母質(zhì)類型和成熟度有關。研究區(qū)不同層系天然氣干燥系數(shù)變化不大。太原組氣藏干燥系數(shù)為0.96，相對較高；山西組氣藏干燥系數(shù)略低，分布在0.91～0.95之間，均值為0.93；下石盒子組氣藏干燥系數(shù)最高，約為0.97(表1)?？傮w上，本區(qū)上古生界氣藏干燥系數(shù)除部分樣品較低外，總體較高，氣藏偏干。這可能與現(xiàn)今烴源巖的埋藏深度大、熱演化程度高有關。

2.2 非烴組分特征

大量的測試資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，研究區(qū)上古生界天然氣中非烴組分含量分布范圍介于3.24％～7.49％，主要為二氧化碳和氮氣，氫氣、氦氣等組分的含量極低，一般小于0.1％，未檢測到硫化氫。

本區(qū)上古生界天然氣中含量最高的非烴氣體為氮氣，含量一般在3％以上。太原組天然氣組分中氮氣含量為7.36％；山西組氣藏中氮氣含量有所降低，分布范圍為2.15％～3.41％，均值為2.88％；下石盒子組氮氣含量與下部的山西組氣藏相近，均值為3.Ol％(表1、圖2)。這一分布特征與區(qū)塊北部的天環(huán)北段和橫山堡氣田的天然氣中氮氣含量近似，要高于榆林、神木、米脂等氣田。由此可見，構(gòu)造活動較為強烈的西緣逆沖帶為整個鄂爾多斯盆地氮氣含量相對較高的區(qū)域。這一現(xiàn)象說明天然氣中氮氣含量的增加主要與氣藏的保存條件有關，但也可能有深大斷裂造就的深源氮氣的貢獻。

另外一種比較常見的非烴氣體為二氧化碳，其含量均較低，絕大部分樣品的二氧化碳含量小于l％(表1、圖2)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，縱向上天然氣中C0₂含量白下而上呈現(xiàn)出升高的趨勢，其變化具有一定的規(guī)律性，可能反映了天然氣自下向上的垂向運移。

2.3 比值特征

天然氣中異丁烷與正丁烷比值(iC₄／nC₄)或異戊烷與正戊烷比值(iC₅／nC₅)由于受有機質(zhì)熱演化程度以及天然氣運移作用的影響，可以作為運移參數(shù)來考慮。一般情況下，相同母質(zhì)類型條件下，低成熟、長距離運移的天然氣該比值較高。

永利探區(qū)上古生界含氣組合中天然氣的iC₄／nC₄介于0.64～55.6，大多數(shù)樣品的iC₄／nC₄比值較低，變化平穩(wěn)，僅下石盒子組氣藏iC₄／nC₄值變化幅度較大，均值高達50.3(表1)；異戊烷與正戊烷比值(iC₅／nC₅)介于l.28～45.o5。其中，下石盒子組iC₅／nC₅均值為35.82，遠高于太原組和山西組(表1)。這表明，下石盒子組氣藏發(fā)生過明顯的分餾效應，大部分天然氣可能經(jīng)歷了一定距離的運移。需要說明的是，天然氣組分特征除受運移條件的影響外，還受到許多其他外在因素的影響，如：溫壓條件、產(chǎn)狀以及生物降解作用等^[3]，因此上述判斷只能作為參考。

3 天然氣烷烴碳同位素值分布特征

穩(wěn)定碳同位素值仍是國內(nèi)外對氣源識別應用最廣、使用最成熟的地化指標，通過對穩(wěn)定碳同位素組成特征的分析，能夠識別天然氣成因類型^[4-5]。甲烷碳同位素值(δ¹³C₁)受母質(zhì)類型和成熟度兩方面的影響，而乙烷碳同位素值(δ¹³C₂)受成熟度的影響則較小，能夠更準確地反映成氣母質(zhì)的屬性。

研究區(qū)上古生界天然氣中的甲烷及其同系物具有相對富穩(wěn)定同位素¹³C₁的煤成氣特征：δ¹³C₁主要分布在-36.9‰～-38.86‰，δ¹³C₂介于-26.62‰～-27.93‰，δ¹³C₃多分布在-25.8‰～-27.06‰。天然氣中甲烷碳同位素值和乙烷碳同位素值與鄰區(qū)上古生界和部分奧陶系產(chǎn)層中的天然氣相比要偏輕一些(表2)。按照戴金星的天然氣成因劃分標準^[6]，腐泥型有機質(zhì)形成的乙烷其δ¹³C₂＜-29‰，而腐殖型有機質(zhì)生成的乙烷則相對較重，δ¹³C₂＞-28‰永利探區(qū)天然氣接近于腐殖型(煤成氣)有機質(zhì)形成的天然氣，考慮到甲烷碳同位素值較輕，則反映出低成熟的特征。

天然氣碳同位素值連線類型對于分析天然氣的成因、研究天然氣運移途徑和氣源對比具有十分重要的意義^[7]。研究表明，有機成因原生烷烴氣的碳同位素系列屬正碳同位素系列，即烷烴氣δ¹³C值依碳數(shù)增加而遞增(δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃)；無機成因原生烷烴氣的碳同位素系列為負碳同位素系列，即烷烴氣δ¹³C值依碳數(shù)增加而遞減(δ¹³C₁＞δ¹³C₂＞δ¹³C₃)。研究區(qū)上古生界氣藏中烷烴δ¹³C值隨碳數(shù)增加呈遞減趨勢，連線束呈“L”形，具有δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃的正碳同位素系列特征(圖3)，說明這些烷烴氣是原生型有機成因氣。

4 氣源探討

常規(guī)的氣源對比通常有氣／氣之間的天然氣組分和碳同位素對比，另外有氣／源巖對比，主要通過烴源巖熱脫附輕烴及輕烴碳同位素值方法進行對比^[8-9]。

按照陳安定1993年通過模擬實驗提出的鄂爾多斯盆地濱海沼澤相煤成氣成熟度關系方程δ¹³C₁=15.84 lgR₀-36.06^[10]，天然氣的δ¹³C₁判為煤系成因時指示R₀＜1.5％。研究區(qū)δ¹³C₁分布區(qū)間為-36.9‰～-38.86％o，計算出R₀介于0.81％～0.86％，處于煤系來源范圍，與本區(qū)太原組煤系氣源巖的R₀值(0.83％～0.88％)基本相當。這也與通過該公式計算出的盆地西緣沖斷帶勝利井一帶煤系地層產(chǎn)出氣的R₀分布區(qū)間相近^[10]，說明其與盆地西緣其他氣田天然氣來源具有一定的相似性。此外，山西組氣層油砂抽提物的族組分碳同位素組成與本區(qū)太原組-羊虎溝組煤系烴源巖接近，表明山西組氣層中的天然氣與太原組-羊虎溝組烴源巖具有親緣關系。

研究區(qū)氣藏除了來自本區(qū)山西組-羊虎溝組太原組煤系烴源巖的自生自儲型氣源外，也有可能接受東側(cè)天環(huán)向斜早期的側(cè)向供烴。天環(huán)向斜北部二疊系下部(山西組、太原組)和石炭系羊虎溝組有效烴源巖的目前的成熟度為I.35％～2.0％，區(qū)域資料證實其在西緣構(gòu)造定型之前與西緣的源巖演化較為一致，西緣構(gòu)造隆升除了可以接受本區(qū)下部烴源巖的垂向供烴外，也可以接受天環(huán)向斜的側(cè)向供烴。另外，研究區(qū)天然氣組分特征及輕烴同位素特征與天環(huán)北段有一定的相似性(表2)，表明其有可能是同源的天然氣，因而不能排除天環(huán)向斜為其來源之一。

5 結(jié)論

1)永利探區(qū)上古生界氣藏天然氣組分以烴類氣體為主，甲烷為烴類氣體的主要組分，其含量多超過90％，非烴氣體以氮氣為主，極少量為二氧化碳；氣藏的重烴含量不高，干燥系數(shù)較高，氣藏總體上偏干，下石盒子組天然氣曾經(jīng)經(jīng)歷過較明顯的分餾作用。

2)天然氣接近于腐殖型(煤成氣)有機質(zhì)形成的天然氣，成熟度較低，為原生型有機成因氣。氣源一方面是來自本區(qū)下部太原組和羊虎溝組低成熟-成熟階段的、以腐殖型干酪根為主的母質(zhì)烴源巖生成的天然氣，另一方面也有可能接受東側(cè)天環(huán)向斜早期的側(cè)向供烴。

參考文獻

[1] 楊俊杰，裴錫占.中國天然氣地質(zhì)學：卷四鄂爾多斯盆地[M].北京：石油工業(yè)出版社，l996.

[2] 長慶油田石油地質(zhì)志編寫組.中國石油地質(zhì)志：卷十二長慶油田[M].北京：石油工業(yè)出版社，l992：l-80.

[3] 宋巖.影響天然氣組分變化的主要因素[J].石油勘探與開發(fā)，l991，18(2)：42-49.

[4] 戴金星.各類天然氣的成因鑒別[J].中國海上油氣：地質(zhì)，1992，6(1)：1l-l9.

[5] 戴金星.各類烷烴氣的鑒別[J].中國科學：B輯 化學，1992，22(2)：185-193.

[6] 戴金星，李劍，羅霞，等.鄂爾多斯盆地大氣田的烷烴氣碳同位素組成特征及其氣源對比[J].石油學報，2005.26(1)：18-26.

[7] 戴金星.概論有機烷烴氣碳同位素系列倒轉(zhuǎn)的成因問題[J].天然氣工業(yè)，1990，10(6)：15-20.

[8] 戴金星.天然氣中烷烴氣碳同位素研究的意義[J].天然氣工業(yè)，2011，31(12)：1-6.

[9] 胡安平，李劍，張文正，等.鄂爾多斯盆地上、下古生界和中生界天然氣地球化學特征及成因類型對比[J].中國科學：D輯地球科學，2007，37(增刊2)：157-166.

[10] 陳安定，張文正，徐永昌，等.沉積巖成烴熱模擬實驗產(chǎn)物的同位素特征及應用[J].中國科學：B輯 化學，l993，23(2)：209-217.

本文作者：徐深謀  鄧已尋  王鑫峰  王立波  郭勛  李建國

作者單位：中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學研究院    中國石化中原油田測井公司