煤成氣干燥系數(shù)影響因素探討
——以鄂爾多斯盆地北部上古生界為例

倪春華，包建平，劉光祥，朱建輝，吳小奇,翟常博

[1.長江大學(xué) 地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126]

天然氣勘探開發(fā)實踐表明，煤成氣儲量占據(jù)了天然氣總儲量的3/4，在我國天然氣工業(yè)中占有極其重要的地位[1-5]，如儲量最大的蘇里格氣田、儲量豐度最高的克拉2氣田均為煤成氣田。前人對于煤成氣的研究主要集中在利用組分、碳?xì)渫凰氐鹊厍蚧瘜W(xué)特征開展成因和成藏方面[6-13]。然而，煤成氣(天然氣)成藏是一個復(fù)雜的化學(xué)-物理過程，經(jīng)歷生烴、排烴、運移和聚集等地質(zhì)過程，其地球化學(xué)特征通常會發(fā)生變化[6,9,13-19]。研究認(rèn)為碳?xì)渫凰氐挠绊懸蛩刂饕ǚ逐s效應(yīng)和成熟度等[20-22]，與之相比，對干燥系數(shù)(D=C1/C1-5)等化學(xué)組分的影響因素研究較為薄弱[23]。而干燥系數(shù)可定性反映成熟度，廣泛應(yīng)用于煤成氣(天然氣)地球化學(xué)特征及成因、成藏研究[9-12]。

鄂爾多斯盆地是我國重要的煤成氣產(chǎn)區(qū)之一，前人對煤成氣的碳?xì)渫凰亟M成特征及其成因、來源開展了廣泛深入的研究工作[19-21]，但對其干燥系數(shù)的分布特征未進(jìn)行深入探討。因此，筆者以鄂爾多斯盆地北部東勝(杭錦旗)、大牛地、蘇里格等上古生界氣田為研究對象，重點分析對比該區(qū)上古生界煤成氣干燥系數(shù)的縱、橫向分布特征，并探討影響其分布的主要地質(zhì)因素，以期為該地區(qū)煤成氣地球化學(xué)研究與勘探開發(fā)生產(chǎn)提供有益借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地蘊藏豐富的石油和天然氣，總體呈現(xiàn)“南油北氣、上油下氣”的油氣資源分布格局。盆地中北部地區(qū)已發(fā)現(xiàn)靖邊、蘇里格、大牛地、東勝等大中型氣田，其中蘇里格氣田地質(zhì)儲量達(dá)到3.5×1012m3[24]，充分展現(xiàn)了巨大的天然氣勘探潛力(圖1)。

研究表明，鄂爾多斯盆地是一個穩(wěn)定沉降、扭動明顯、拗陷遷移的多重疊合盆地[24]，晚古生代為大型內(nèi)陸坳陷盆地，廣泛發(fā)育太原組-山西組海陸過渡相煤系烴源巖，具有生烴潛力好、累計厚度大的特點，具備雄厚的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)[25]。下石盒子組、山西組總體為河流相-三角洲相沉積體系，是鄂爾多斯盆地上古生界的主要儲層。但受古埋藏深度大、熱演化程度高、晚成巖階段破壞性成巖作用強等因素影響[26]，砂巖儲層呈現(xiàn)致密化特點。形成鄂北地區(qū)上古生界大中型氣田的基本成藏條件主要包括大面積分布的源-儲近源配置、大范圍同期生烴充注過程和良好的區(qū)域封蓋條件等[27]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元區(qū)劃及北部主要上古生界氣田分布Fig.1 Tectonic units of the Ordos Basin and distribution of majorUpper Paleozoic gas fields in the northern Ordos Basin

2 樣品及分析方法

本次研究利用雙閥門高壓不銹鋼瓶系統(tǒng)采集了杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂北側(cè)什股壕區(qū)帶(東勝氣田)23個天然氣樣品，采樣層位包括二疊系下石盒子組1段(盒1段)、下石盒子組2段(盒2段)和下石盒子組3段(盒3段)。

天然氣化學(xué)組分測試工作由中國石化油氣成藏重點實驗室完成，實驗儀器為Angilent7890A氣相色譜儀，同時配備氫火焰離子化檢測器和熱導(dǎo)檢測器。氣相色譜儀烘箱初始溫度設(shè)定為40 ℃，加熱5 min，然后以10 ℃/min的速率加熱到180 ℃，并保持20 min。

另外，本次研究收集了大牛地氣田試氣取得的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)108個、杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂南側(cè)十里加汗區(qū)帶天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)42個以及蘇里格氣田天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)34個，涉及層位涵蓋二疊系太原組、山西組和下石盒子組[28]。

3 煤成氣干燥系數(shù)分布特征

前人研究證實，鄂爾多斯盆地北部上古生界天然氣均屬于煤成氣[3,5,7,9,13,20,29]?；诒敬尾蓸訉崪y及收集的天然氣化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)，本文重點分析了研究區(qū)內(nèi)蘇里格、大牛地、東勝氣田上古生界煤成氣的干燥系數(shù)分布特征。如圖2所示，三者上古生界煤成氣化學(xué)組分中均以甲烷氣體為主，其含量分別為91.12%～94.25%[28],88.70%～97.52%,87.71%～93.66%，對應(yīng)的干燥系數(shù)平均值分別為0.932,0.914,0.890，總體處于濕氣演化階段(<0.95)，且干燥系數(shù)平面分布具有自盆地中心向盆地邊緣減小的趨勢。

縱向上，煤成氣的干燥系數(shù)分布也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。以層系較齊、數(shù)據(jù)較多的大牛地氣田為例，對比上古生界各層系的煤成氣干燥系數(shù)(由下而上)。太原組2段(太2段)分布范圍為0.902～0.958，平均值為0.927；山西組1段(山1段)分布區(qū)間為0.824～0.943，平均值為0.893；山西組2段(山2段)分布于0.846～0.921，平均值為0.886；盒1段分布于0.862～0.916，平均值為0.888；盒2段分布于0.947～0.968，平均值為0.947；盒3段分布范圍為0.960～0.978，平均值為0.969。不難看出，大牛地氣田上古生界煤成氣干燥系數(shù)縱向上呈現(xiàn)“二段式”分布特點(圖3a)，且由下而上表現(xiàn)為先減小再增大。無獨有偶，杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶上古生界煤成氣干燥系數(shù)具有相近的縱向分布特征(圖3b)，這也暗示了影響上、下兩段干燥系數(shù)分布的主控因素可能不同。

4 煤成氣干燥系數(shù)影響因素

煤成氣經(jīng)歷生烴、排烴、運移和聚集等成藏過程，其地球化學(xué)特征必然會發(fā)生一些變化，作為表征其化學(xué)組成參數(shù)的干燥系數(shù)也不例外。筆者將基于前文對于上古生界煤成氣縱、橫向分布特征的分析，結(jié)合研究區(qū)具體地質(zhì)背景，初步探討該地區(qū)煤成氣干燥系數(shù)的影響因素。

4.1 成熟度

由圖4不難看出，平面上，蘇里格、大牛地和東勝氣田上古生界煤成氣的干燥系數(shù)平均值分別為0.932，0.914，0.890，表現(xiàn)為自盆地中心向盆地邊緣減小趨勢，與鄂爾多斯盆地北部上古生界烴源巖的鏡質(zhì)體反射率Ro總體變化趨勢一致，表明該地區(qū)上古生界煤成氣干燥系數(shù)的區(qū)域分布特征主要受控于上古生界烴源巖的成熟度。

圖2 鄂爾多斯盆地北部主要氣田天然氣組分含量分布Fig.2 Distribution of natural gas contents in major gasfields in the northern Ordos Basina.蘇里格氣田；b.大牛地氣田；c.東勝氣田

縱向上，上古生界不同層系烴源巖的成熟度也控制了煤成氣干燥系數(shù)的分布特征，太原組烴源巖的成熟度高于其上部的山西組烴源巖，故縱向上隨烴源巖成熟度的升高，煤成氣的干燥系數(shù)也相應(yīng)增大，如大牛地氣田山2段、山1段和太2段煤成氣干燥系數(shù)平均值分別為0.886，0.893，0.927(圖3a)。杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶山2段和山1段煤成氣干燥系數(shù)也表現(xiàn)為類似特征(圖3b)。由此分析，“二段式”下段(源內(nèi))干燥系數(shù)主要受控于烴源巖的成熟度。

4.2 地質(zhì)色層作用

運移模擬實驗及天然氣成藏實例均已證實，天然氣橫向或垂向運移過程中會發(fā)生組分分異作用(地質(zhì)色層作用)，其地球化學(xué)特征會發(fā)生變化[29-31]。

圖3 鄂爾多斯盆地北部上古生界不同層系天然氣干燥系數(shù)縱向分布Fig.3 Vertical distribution of dryness coefficient of natural gas in different layers of the Upper Paleozoic in the northern Ordos Basina.大牛地氣田；b.十里加汗區(qū)帶(菱形為散點值，圓圈為平均值，虛線為各層系干燥系數(shù)平均值連線。)

圖4 鄂爾多斯盆地北部上古生界煤成氣干燥系數(shù)與上古生界烴源巖Ro分布(底圖據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)Fig.4 Distribution of dryness coefficient of coal-derived gas andthe vitrinite reflectance of the Upper Paleozoic source rocks innorthern Ordos Basin(Base map modified from reference[28])

對比發(fā)現(xiàn)，杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂南、北兩側(cè)盒1段、盒2段和盒3段天然氣干燥系數(shù)均具有“南小北大”的特點，而斷裂兩側(cè)上古生界烴源巖成熟度則呈現(xiàn)“南高北低”的分布格局[27]，天然氣與烴源巖的成熟度明顯不匹配，如果僅根據(jù)成熟度的影響很難解釋這一現(xiàn)象。故泊爾江海子斷裂以南十里加汗區(qū)帶的天然氣可能向北進(jìn)行了大規(guī)模的橫向運移，在此過程中由于地質(zhì)色層作用的影響，天然氣的化學(xué)組成發(fā)生分異，運移至斷裂以北什股壕區(qū)帶成藏的天然氣由于甲烷相對含量增加，故干燥系數(shù)有所增大。進(jìn)一步對比可以看出，泊爾江海子斷裂兩側(cè)以盒1段干燥系數(shù)的變化最大，反映其可能是天然氣橫向運移的主要輸導(dǎo)層。

另外，從圖5不難看出，杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶下石盒子組煤成氣干燥系數(shù)由下而上呈增大趨勢，反映其存在垂向運移。丁烷異構(gòu)體iC4/nC4值這一地球化學(xué)指標(biāo)能夠有效表征天然氣運移[14,32-33]，且表現(xiàn)為隨運移距離增加，該比值增大。據(jù)此，十里加汗區(qū)帶內(nèi)8口鉆井不同產(chǎn)層天然氣iC4/nC4值由下往上均呈增大趨勢(圖6)，表明泊爾江海子斷裂南側(cè)天然氣也曾發(fā)生過一定的垂向運移。

圖5 杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂兩側(cè)下石盒子組不同層段天然氣干燥系數(shù)對比Fig.5 Comparison of dryness coefficients of natural gas from different layers of the Lower Shihezi Formation on bothwalls of Boerjianghaizi Fault in Hangjinqi area

圖6 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶上古生界天然氣iC4/nC4值剖面Fig.6 Profile of iC4/nC4 ratios of the natural gas in the Upper Paleozoic reservoir in Shilijiahan Play in Hangjinqi area

4.3 逸散作用

氣藏形成是天然氣聚集與逸散的動態(tài)平衡過程，前人對天然氣的逸散也開展了一些研究[34-38]。杭錦旗地區(qū)什股壕區(qū)帶所處的伊盟隆起位于鄂爾多斯盆地邊緣，受后期構(gòu)造運動的影響，地層發(fā)生抬升剝蝕[24]，早期形成的上古生界油氣藏遭受一定程度的改造破壞，從而導(dǎo)致天然氣發(fā)生逸散，烏蘭格爾凸起區(qū)白堊系油苗便是由天然氣逸散至地表凝析而成[39]。

Prinzhofer研究發(fā)現(xiàn)[40]，甲、乙烷碳同位素差值(δ13C1-δ13C2)與甲、乙烷含量比值對數(shù)ln(C1/C2)同步增大，反映成熟度趨勢；而逸散作用導(dǎo)致殘留氣藏天然氣中甲烷含量降低的同時，碳同位素值增大，因而甲、乙烷含量比值減小，甲、乙烷碳同位素差值增大。杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂北側(cè)什股壕區(qū)帶上古生界煤成氣甲、乙烷含量比值與甲、乙烷碳同位素差值表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，明顯受到逸散作用的影響，導(dǎo)致其甲烷相對含量降低、干燥系數(shù)減小(圖7)。

圖7 杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣(δ13C1-δ13C2)—ln(C1/C2)關(guān)系[40]Fig.7 Correlation between δ13C1-δ13C2 and ln(C1/C2)values of the natural gas in the Upper Paleozoic inHangjinqi Area[40]

5 結(jié)論

1) 鄂爾多斯盆地北部東勝(杭錦旗)、大牛地、蘇里格氣田上古生界煤成氣干燥系數(shù)總體呈現(xiàn)由盆地中心向盆地邊緣減小的平面分布特征；縱向上表現(xiàn)為“二段式”分布特征，由下而上具有先減小再增大的趨勢。

2) 鄂爾多斯盆地北部地區(qū)上古生界煤成氣干燥系數(shù)受到成熟度、地質(zhì)色層作用和逸散作用等影響。干燥系數(shù)的宏觀區(qū)域分布主要受控于氣源巖成熟度?？v向上，影響干燥系數(shù)“二段式”分布的主控因素不同，下部烴源層內(nèi)為成熟度作用，而上部儲集層內(nèi)則是地質(zhì)色層作用。局部保存條件欠佳地區(qū)，如泊爾江海子斷裂以北什股壕區(qū)帶上古生界煤成氣干燥系數(shù)受到逸散作用而減小。

致謝：樣品采集與資料收集工作得到了中國石化華北油氣分公司的大力支持和幫助，在此表示感謝！衷心感謝審稿專家提出的寶貴修改意見！

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