鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北部奧陶系天然氣成藏期次

劉素彤 肖暉 杜元?jiǎng)P 柳志勇 田雯 李昊璽

摘要：以鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北部奧陶系含氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，進(jìn)行天然氣成藏期次研究。采用流體包裹體巖相學(xué)觀察及均一溫度測(cè)試、氣烴包裹體激光拉曼和包裹體碳同位素分析技術(shù)，結(jié)合埋藏?zé)嵫莼贩治?，確定了天然氣成藏期次，并根據(jù)已有天然氣地球化學(xué)特征及成藏地質(zhì)條件，建立了成藏流體演化特征及成藏過程。結(jié)果表明，奧陶系含氣儲(chǔ)層發(fā)育早、晚兩期烴類包裹體，早期以瀝青包裹體和液烴包裹體為主，反映早期原油成藏過程，包裹體均一溫度峰值122 - 142℃對(duì)應(yīng)中侏羅世成藏過程;晚期發(fā)育氣液烴和氣烴包裹體為主，包裹體均一溫度峰值154 -168℃對(duì)應(yīng)侏羅紀(jì)末一早白堊世成藏過程。包裹體氣烴成分主要為CH4，其甲烷碳同位素平均值在- 38. 84‰，表明包裹體中CH。來源于早期原油裂解成因氣。結(jié)合研究區(qū)天然氣成藏地質(zhì)特征分析，侏羅紀(jì)末一早白堊世為天然氣關(guān)鍵成藏期，在天環(huán)坳陷斜坡深部及深凹陷區(qū)可以形成源自奧陶系氣源巖的內(nèi)幕氣藏。

關(guān)鍵詞：流體包裹體;激光拉曼;充注期次;奧陶系;鄂爾多斯盆地

中圖分類號(hào)：TE 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672 -9315 （2019）06 -1007 -09

DOI：10. 13800/j. cnki. xakjdxxb. 2019. 0613

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

收稿日期：2019 -01 - 05

責(zé)任編輯：李克永

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41102082）;陜西省科技廳研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012JQ5011）

第一作者：劉素彤（1992 -），女，陜西西安人，碩士，E-mail：362662828@ qq.com

通信作者：肖暉（1980 -），男，陜西西安人，博士，副教授，E-mail：xiaohui@ xsyu.edu.cn

0 引言

中奧陶世鄂爾多斯沉積環(huán)境受慶陽古隆起分隔，東、西兩側(cè)分別為華北海體系域和祁連海體系域，該研究區(qū)面積大約為6×104 km2，在鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北部區(qū)域。近年來隨著盆地西部海相碳酸鹽巖勘探的不斷深入，不同學(xué)者該地區(qū)巖相古地理、成藏地質(zhì)條件、烴源巖評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了深入研究[1-4]，但在天然氣成藏期次及演化特征上研究相對(duì)薄弱。作為成藏過程中最為關(guān)鍵的問題，成藏年代的研究不可或缺[5-8]。目前鄂爾多斯盆地西部奧陶系天然氣成藏研究主要存在2種認(rèn)識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為奧陶系天然氣為煤成氣，為源自上古生界煤系烴源巖上生下儲(chǔ)型氣藏[4];另一種觀點(diǎn)認(rèn)為天環(huán)坳陷中、西部地區(qū)為源自奧陶系內(nèi)部有效烴源巖自生自儲(chǔ)型氣藏[3，9-10]。在前人研究的基礎(chǔ)上，通過開展流體包裹體均一溫度測(cè)試、包裹體激光拉曼和碳同位素分析技術(shù)，對(duì)研究區(qū)奧陶系天然氣成藏期次和演化特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，為鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北部奧陶系天然氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)及地球化學(xué)特征

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于拉張裂谷邊緣[11-12]，早奧陶世缺失冶里組（O1y）和亮甲山組（01l）沉積，三道坎組（Ois）發(fā)育混積陸棚、濱岸及潮緣沉積，巖性為砂巖和灰?guī)r不等厚互層，厚度在0-50 m，與寒武系呈角度不整合接觸。中奧陶世桌子山組（02zh）以開闊海臺(tái)地相厚層灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r為主[1，3]，該沉積期對(duì)應(yīng)最大海泛期，厚度達(dá)50 -800 m.克里摩里組（02k）沉積期，由于基底變陡擴(kuò)張，水體也加深。巖性主要為灰?guī)r夾薄層白云巖、泥灰?guī)r、黑色頁巖，其中粒屑灰?guī)r和碎屑流成因的鈣質(zhì)角礫巖，為奧陶系天然氣主要產(chǎn)層[3]。晚奧陶世，烏拉力克組（03W）和拉什仲組（03l）主要發(fā)育斜坡一深水沉積，在海退的作用下，呈現(xiàn)西厚東薄的特征。

奧陶系天然氣除天1井氣藏為構(gòu)造圈閉外，已發(fā)現(xiàn)氣藏類型均為巖性圈閉，氣藏儲(chǔ)層分為巖溶縫洞和灘相透鏡體2類[13]。除YT -1井外，氣藏頂面距奧陶系頂部距離在18 -120 m，集中在18 -53.4 m，具有典型的煤成氣特征的烷烴氣，813 Ci在- 35.4- - 33.29‰之間，813 C2在27. 28 -- 21. 43‰之間，為上古生界生成的煤成氣沿風(fēng)化殼表面溶蝕縫洞或斷層向下運(yùn)移[8]。不同學(xué)者對(duì)YT -1井奧陶系天然氣成因具有不同認(rèn)識(shí)，持煤成氣觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為，YT -1井奧陶系天然氣甲烷碳同位素813 C1值為- 38. 92‰，乙烷813 C2值為- 27.17‰[4，10，14]，按照813 Ci - 813 C2 - 813 C3判別圖版[15]，該氣藏應(yīng)為煤成氣，甲烷同位素偏負(fù)可能為天然氣順層運(yùn)移分餾所致[4]。持油型氣觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為，該氣藏甲烷碳同位素值偏負(fù)顯示出源自奧陶系內(nèi)部有效烴源巖自生自儲(chǔ)型氣藏成因[4]。

2 樣品特征及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)樣品來自包括YT -1井在內(nèi)的6口鉆井巖心樣品，鉆井分布如圖l所示。樣品巖性特征主要為含氣儲(chǔ)層段粉晶灰?guī)r、鈣質(zhì)角礫灰?guī)r和溶蝕孑L洞灰?guī)r。采樣層位主要為克里摩里組，其次為桌子山組，深度范圍在3 987 -4 226 m.本次研究共涉及3種實(shí)驗(yàn)分析。包裹體巖相學(xué)觀察和均一溫度測(cè)定在leicaDM2500P搭配linkam THMS600型冷熱臺(tái)進(jìn)行，測(cè)溫精度為±l℃;烴類包裹體激光拉曼測(cè)定使用Renshaw- Via型激光拉曼探針，激光功率20 mW，掃描速度10 s/6次疊加，光譜儀狹縫20 μm.包裹體碳同位素測(cè)試采用機(jī)械破碎法獲取，將巖心鑿下的方解石脈粉碎至80目左右，在特定的溫度條件下（80℃）將方解石裂縫中的吸附氣通過烘干去掉;將樣品（15 -20g）放入壓碎容器中并再次抽真空，將裝有樣品壓碎器包裝好后整體放入碎樣機(jī)中，從而達(dá)到包裹體全部破碎的目的。包裹體中氣體性質(zhì)分析在Agilent公司與Wasson合作生產(chǎn)練廠氣微量氣相色譜儀上進(jìn)行，該系統(tǒng)誤差在l%范圍內(nèi);氣體單體烴穩(wěn)定同位素分析采用IsochrffomⅡ型GC-IRMS同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試，每種氣體同位素均測(cè)試分析2次，2次分析誤差在0.5‰以內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試條件可參見文獻(xiàn)[16]。

3 烴類包裹體特征

根據(jù)流體包裹體類型鑒定和劃分方法[17 -19]，結(jié)合烴類包裹體產(chǎn)狀、發(fā)育程度和宿主礦物特征，可將奧陶系儲(chǔ)層烴類包裹體劃分為2期（圖2）。第1期烴類包裹體主要發(fā)育在鈣質(zhì)角礫間充填的方解石和溶蝕孔縫中充填的早期方解石，主要以液烴包裹體和瀝青包裹體為主，包裹體常因后期發(fā)生破裂而形成碳質(zhì)瀝青（圖2（c）、（d））。該類包裹體直徑一般在10 -20 μm，在早期方解石中呈面狀分布，為烴類流體經(jīng)過運(yùn)移和聚集，且在后期發(fā)生熱裂解作用。第2期常見于溶蝕孔縫中充填的晚期方解石（圖2（e）、（f））和灰?guī)r脈體中（圖2（g）、（h）），以氣液烴和氣烴包裹體為主，少見含石鹽子晶的氣一液一固三相烴類包裹體。氣液烴包裹體發(fā)育豐度高，氣液比常在20% - 40%之間，個(gè)體較大，顯微鏡單偏光下呈灰褐色，純氣態(tài)烴包裹體主要為較高氣液比（>50%），個(gè)體較大，長(zhǎng)軸直徑一般大于20 μm，半自形特征，氣相部分在單偏光下不發(fā)光或淺紅褐色。

對(duì)2種包裹體進(jìn)行均一溫度測(cè)試（表1）。確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，防止測(cè)試過程中的成分丟失，要求進(jìn)行測(cè)試的鹽水包裹體、伴生含烴鹽水包裹體的形態(tài)相對(duì)規(guī)則，氣液比要求均要高于20% [20]。溶蝕孔縫充填方解石包裹體均一溫度在123 - 167℃之間，2個(gè)峰值分在130 - 142℃和152 - 162℃之間;方解石脈中晚期亮晶方解石包裹體均一溫度在144 - 173℃之間，顯示為較高的均一溫度，在152 -168℃之間分布較為集中;鈣質(zhì)角礫間方解石膠結(jié)物中包裹體均一溫度在118 -142℃之間。通過對(duì)以上3種包裹體測(cè)試結(jié)果的分析，均一溫度分布區(qū)間主要分布在122 - 142℃和154 - 168℃2個(gè)峰值溫度之間，這就與第一種產(chǎn)狀的流體包裹體均一溫度分布規(guī)律很相似（圖3）。

4 氣烴包裹體激光拉曼特征

激光拉曼光譜可以提供拉曼活性物質(zhì)分子基團(tuán)結(jié)構(gòu)單元的很多信息，在石油地質(zhì)中常用于測(cè)定單個(gè)包裹體的組成特征，用于提供劃分成藏期次的重要依據(jù)。由于液烴（石油）包裹體在激光照射下產(chǎn)生強(qiáng)熒光干擾而難以實(shí)際測(cè)定，通常激光拉曼主要用于測(cè)定儲(chǔ)層樣品中各種不發(fā)熒光的C02，N2，H2S等無機(jī)氣體包裹體以及含氣態(tài)烷烴的烴類氣體包裹體和含瀝青包裹體中的固體物質(zhì)[21]。本次研究對(duì)多口井巖心薄片中發(fā)育的瀝青包裹體和烴類包裹體中的氣烴部分進(jìn)行測(cè)試，通過不同類型烴類包裹體成分信息反映成藏流體演化特征。

前人的研究得出，瀝青在盆地西部、古隆起周邊的奧陶系地層中存在較為廣泛[22]。觀察可得，大部分瀝青呈現(xiàn)出半充填的特點(diǎn)，且瀝青在微裂隙、壓溶縫、溶孔、晶間孔（圖2（a）、（b）、（c）、（d》中存在證明了液態(tài)烴發(fā)生過運(yùn)移和聚集。從YT1和HT1兩口井瀝青包裹體激光拉曼光譜特征上看（圖4），反映瀝青成分的拉曼特征峰十分明顯。理論研究表明，原油族組成中的瀝青質(zhì)，是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的大分子組成，往往以1 360，1 620cm拉曼特征峰比較明顯[23]，因此，結(jié)果驗(yàn)證了奧陶系儲(chǔ)層中瀝青包裹體的存在，也說明與瀝青相伴生的液烴包裹體代表了奧陶系儲(chǔ)層早期發(fā)生的油氣運(yùn)移和聚集過程。

瀝青生物標(biāo)志化合物分析表明瀝青來源于海相烴源巖。研究還對(duì)Su359井奧陶系灰?guī)r儲(chǔ)層瀝青進(jìn)行了飽和烴色譜、色譜一質(zhì)譜分析。C27 - C29甾烷呈倒“L”型，C27/C29比值介于0.3-0.5，甾烷C29aaa20S/（ 20S +20R）主要介于0.4-0.5之間，而甾烷C29αββ/（aaa+αββ）主要在0.3-0.5之間，這些參數(shù)表現(xiàn)高成熟度出腐泥型有機(jī)質(zhì)的特征，也顯示這些瀝青主要來自古生界海相烴源巖[22]。

同時(shí)對(duì)晚期發(fā)育的高成熟度氣液烴包裹體進(jìn)行激光拉曼分析，來自3口鉆井的10塊樣品測(cè)試結(jié)果表明，氣相成分幾乎以CH4為主，摩爾含量在63.3% - 100%，其次為C02和少量H2S，H2.包裹體中大量賦存的CH4表明晚期成藏流體主要為高成熟度烷烴氣。

5 包裹體氣烴碳同位素特征

為了探討晚期成藏流體中CH4的來源，應(yīng)用包裹體機(jī)械破碎法獲取釋放氣體并測(cè)試其碳同位素值。樣品來自3口井4塊灰?guī)r樣品，方解石晶粒取自溶蝕孔洞中，樣品層位向上110 - 200 m處為奧陶系的頂界面，奧陶系頂界面的上層即為泥巖蓋層，厚度約為100多m，由于蓋層厚度較大，故采集樣品所在的層位幾乎不會(huì)受到上古生界的影響。通過實(shí)驗(yàn)證明（表2），甲烷是主要的氣烴成分，而包裹體中乙烷以上氣烴成分少，含量在1% - 2%左右，本次測(cè)試中將樣品重復(fù)測(cè)量從而降低誤差，本次測(cè)試包裹體氣烴甲烷碳同位素在- 40. 29%0 -- 36. 52‰.平均值在- 38. 84‰，乙烷碳同位素只測(cè)得一個(gè)數(shù)值為- 31. 67‰.包裹體破碎法獲得的氣烴碳同位素盡管可能混合有多期成藏流體信息，但是從甲烷碳同位素平均值來看，813C.的實(shí)驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)了油型氣的特征，這一研究結(jié)果的甲烷碳同位素值與YT1井非常接近[1O，14]，證實(shí)了古油藏?zé)崃呀獬梢蛱烊粴獾恼f法，也就是說，氣烴成分主要為油型氣，這一結(jié)論也與前人的研究結(jié)果相吻合[24]。

6 天然氣成藏期次及演化特征

6.1 天然氣成藏期次

古流體被捕獲時(shí)候的最低溫度可以通過流體包裹體的均一溫度來確定[25]，故成藏的時(shí)間可以通過將均一溫度與埋藏?zé)嵫莼废嘟Y(jié)合的方法來研究。YT1井是天環(huán)坳陷北部具有代表性的探井，可以結(jié)合BasinmodlD軟件模擬出熱演化史，應(yīng)用聲波時(shí)差法求得YT1井早白堊世末抬升剝蝕量大約在960 m，古地溫梯度取值3.6-4.1℃/100m[26]，采用Easy% Ro反演法獲得埋藏?zé)嵫莼穲D（圖5）。將早期包裹體均一溫度峰值區(qū)段和晚期包裹體均一溫度峰值區(qū)段分別投影到埋藏一熱演化史圖上，通過投影過的埋藏一熱演化史圖得出122 - 142℃與154 - 168℃均一溫度段對(duì)應(yīng)油氣充注時(shí)間分別為中侏羅世和侏羅紀(jì)末一早白堊世兩期油氣成藏過程。早期成藏過程為源自海相烴源巖古油藏形成，以液烴包裹體和瀝青質(zhì)的形成為主，晚期成藏代表天然氣成藏過程，以氣液烴、氣烴包裹體為主，是天然氣關(guān)鍵成藏時(shí)期。

6.2 奧陶系天然氣成藏演化特征

鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷奧陶系含氣儲(chǔ)層流體包裹體記錄了2期成藏過程：中侏羅世為源自腐泥型有機(jī)質(zhì)生液烴成藏過程;侏羅紀(jì)晚期一早白堊世包裹體特征記錄了古油藏裂解氣成藏過程，是奧陶系天然氣藏的關(guān)鍵成藏期。根據(jù)研究區(qū)天然氣地球化學(xué)特征，碳同位素值整體反映了天然氣來源于上古生界煤成氣，這與包裹體系統(tǒng)研究的結(jié)論相矛盾。因此實(shí)際天然氣的成藏演化過程還要考慮到地質(zhì)發(fā)育背景，即天環(huán)坳陷奧陶系烴源巖的評(píng)價(jià)和成藏地質(zhì)條件。

通過大量的烴源巖樣品分析已經(jīng)證明[4]，天環(huán)坳陷烴源巖主要發(fā)育中、西部埋藏較大地區(qū)，發(fā)育層位以烏拉力克組、克里摩里組上部以及拉什仲組為主，巖性主要為深灰色泥巖、灰泥巖及灰色灰?guī)r，TOC平均值在0.52%，具備良好的生烴能力。天環(huán)坳陷東部地區(qū)，隨著上奧陶統(tǒng)地層的抬升，地層沉積環(huán)境由還原條件逐漸向氧化環(huán)境過度，地層有機(jī)質(zhì)含量減少，烴源巖生烴條件變差。同時(shí)處于天環(huán)坳陷東部斜坡淺部地區(qū)的鉆井，由于奧陶系遭受不同程度的剝蝕，天然氣氣藏頂部泥巖蓋層封存質(zhì)量變差，因此這些地區(qū)形成源自奧陶系烴源巖氣藏的可能性較低，而主要以上古生界煤成氣氣藏為主。但通過本次研究證實(shí)，天環(huán)坳陷奧陶系含氣儲(chǔ)層內(nèi)部普遍發(fā)生過古油藏二次裂解生氣過程，說明在天環(huán)坳陷斜坡深部及深凹陷區(qū)，奧陶系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐都高，后期保存條件較好，這些地區(qū)可以形成奧陶系內(nèi)幕氣藏，YT1井氣藏就是例證[14]。

7 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷奧陶系含氣儲(chǔ)層發(fā)育早期烴類包裹體主要是瀝青包裹體和液烴包裹體，反映早期原油成藏過程;晚期烴類包裹體主要以氣液烴和氣烴包裹體為主，反映晚期高成熟度天然氣成藏過程，是研究區(qū)關(guān)鍵成藏期。早、晚兩期包裹體均一溫度峰值區(qū)段投影到埋藏一熱演化史圖上，122 -142℃與154 -168℃均一溫度段對(duì)應(yīng)油氣充注時(shí)間分別為中侏羅世和侏羅紀(jì)末一早白堊世兩期油氣成藏過程。

2）烴類包裹體激光拉曼分析表明，瀝青包裹體主要成分為固體碳質(zhì)，氣烴包裹體氣相成分主要為甲烷，含有少量C02，H2S和H2.包裹體烷烴氣碳同位素分析結(jié)果顯示，包裹體中的氣烴為早期原油裂解成因氣，反映了早期成藏原油的二次裂解過程。

3）結(jié)合研究區(qū)奧陶系天然氣成藏地質(zhì)特征分析認(rèn)為，天環(huán)坳陷斜坡深部或深凹陷區(qū)存在另一種成藏過程，即源于奧陶系有效烴源巖形成的天然氣，在侏羅紀(jì)末到早白堊世形成奧陶系內(nèi)幕氣藏，以YT1井氣藏為代表。

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