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(gè)天然氣富集區(qū)，但目前對(duì)該區(qū)烴類(lèi)氣體的地球化學(xué)特征和主要來(lái)源尚不清楚。為此，通過(guò)綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來(lái)確定其天然氣地球化學(xué)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(diǎn)；②氣藏的重?zé)N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(jī)質(zhì)形成的天然氣(煤成氣)，成熟度較低，為原生型有機(jī)成因氣；④氣源一方面來(lái)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(guān)鍵詞  鄂爾多斯盆地  永利探區(qū)  晚古生代  天然氣  地球化學(xué)特征  氣源巖  甲烷  碳同位素  氣源對(duì)比.

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地在中國(guó)含油氣盆地中構(gòu)造最穩(wěn)定，也是目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量超過(guò)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(zhǎng)約83 km，東西寬約35 km，是一個(gè)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(jì)厚度為600 m。儲(chǔ)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(xì)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(fù)雜，發(fā)育多套烴源巖，烴類(lèi)氣體的地球化學(xué)特征和主要來(lái)源尚不清楚。本文試圖通過(guò)綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來(lái)確定研究區(qū)天然氣地球化學(xué)特征、成因和氣源，為研究區(qū)及鄂爾多斯盆地西緣類(lèi)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(xué)組成可分為烴類(lèi)氣體和非烴類(lèi)氣體兩類(lèi)，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(yùn)移成藏及后期改造作用有關(guān)^[1]。

2.1 天然氣的烴類(lèi)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(lèi)氣體為主，其樣品的烴類(lèi)氣體含量介于91.3％～97.33％(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)，烴類(lèi)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(lèi)氣體中甲烷含量變化范圍相對(duì)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(shì)。重?zé)N含量以山西組為最高，達(dá)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(lèi)型和成熟度有關(guān)。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(duì)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(guān)。

2.2 非烴組分特征

大量的測(cè)試資料統(tǒng)計(jì)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?dú)?，氫氣、氦氣等組分的含量極低，一般小于0.1％，未檢測(cè)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?dú)?，含量一般?span lang="EN-US">3％以上。太原組天然氣組分中氮?dú)夂繛?span lang="EN-US">7.36％；山西組氣藏中氮?dú)夂坑兴档?，分布范圍?span lang="EN-US">2.15％～3.41％，均值為2.88％；下石盒子組氮?dú)夂颗c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?dú)夂拷疲哂谟芰?、神木、米脂等氣田。由此可?jiàn)，構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈的西緣逆沖帶為整個(gè)鄂爾多斯盆地氮?dú)夂肯鄬?duì)較高的區(qū)域。這一現(xiàn)象說(shuō)明天然氣中氮?dú)夂康脑黾又饕c氣藏的保存條件有關(guān)，但也可能有深大斷裂造就的深源氮?dú)獾呢暙I(xiàn)。

另外一種比較常見(jiàn)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(jì)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(shì)，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(yùn)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(jī)質(zhì)熱演化程度以及天然氣運(yùn)移作用的影響，可以作為運(yùn)移參數(shù)來(lái)考慮。一般情況下，相同母質(zhì)類(lèi)型條件下，低成熟、長(zhǎng)距離運(yùn)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(dá)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(yuǎn)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(guò)明顯的分餾效應(yīng)，大部分天然氣可能經(jīng)歷了一定距離的運(yùn)移。需要說(shuō)明的是，天然氣組分特征除受運(yùn)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(guó)內(nèi)外對(duì)氣源識(shí)別應(yīng)用最廣、使用最成熟的地化指標(biāo)，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定碳同位素組成特征的分析，能夠識(shí)別天然氣成因類(lèi)型^[4-5]。甲烷碳同位素值(δ¹³C₁)受母質(zhì)類(lèi)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(zhǔn)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)^[6]，腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的乙烷其δ¹³C₂＜-29‰，而腐殖型有機(jī)質(zhì)生成的乙烷則相對(duì)較重，δ¹³C₂＞-28‰永利探區(qū)天然氣接近于腐殖型(煤成氣)有機(jī)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(lèi)型對(duì)于分析天然氣的成因、研究天然氣運(yùn)移途徑和氣源對(duì)比具有十分重要的意義^[7]。研究表明，有機(jī)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(wú)機(jī)成因原生烷烴氣的碳同位素系列為負(fù)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(shì)，連線束呈“L”形，具有δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃的正碳同位素系列特征(圖3)，說(shuō)明這些烷烴氣是原生型有機(jī)成因氣。

4 氣源探討

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

按照陳安定1993年通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)提出的鄂爾多斯盆地濱海沼澤相煤成氣成熟度關(guān)系方程δ¹³C₁=15.84 lgR₀-36.06^[10]，天然氣的δ¹³C₁判為煤系成因時(shí)指示R₀＜1.5％。研究區(qū)δ¹³C₁分布區(qū)間為-36.9‰～-38.86％o，計(jì)算出R₀介于0.81％～0.86％，處于煤系來(lái)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(dāng)。這也與通過(guò)該公式計(jì)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(shuō)明其與盆地西緣其他氣田天然氣來(lái)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(guān)系。

研究區(qū)氣藏除了來(lái)自本區(qū)山西組-羊虎溝組太原組煤系烴源巖的自生自儲(chǔ)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(shí)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(lái)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(lèi)氣體為主，甲烷為烴類(lèi)氣體的主要組分，其含量多超過(guò)90％，非烴氣體以氮?dú)鉃橹?，極少量為二氧化碳；氣藏的重?zé)N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(guò)較明顯的分餾作用。

2)天然氣接近于腐殖型(煤成氣)有機(jī)質(zhì)形成的天然氣，成熟度較低，為原生型有機(jī)成因氣。氣源一方面是來(lái)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(xiàn)

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

[2] 長(zhǎng)慶油田石油地質(zhì)志編寫(xiě)組.中國(guó)石油地質(zhì)志：卷十二長(zhǎng)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(kāi)發(fā)，l991，18(2)：42-49.

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

[5] 戴金星.各類(lèi)烷烴氣的鑒別[J].中國(guó)科學(xué)：B輯 化學(xué)，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(duì)比[J].石油學(xué)報(bào)，2005.26(1)：18-26.

[7] 戴金星.概論有機(jī)烷烴氣碳同位素系列倒轉(zhuǎn)的成因問(wèn)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(xué)特征及成因類(lèi)型對(duì)比[J].中國(guó)科學(xué)：D輯地球科學(xué)，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(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的同位素特征及應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)：B輯 化學(xué)，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(guó)

作者單位：中國(guó)石化中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院    中國(guó)石化中原油田測(cè)井公司