鄂爾多斯盆地大牛地下古生界天然氣地球化學特征及其來源綜合判識

孫 曉，王 杰，陶 成，張 毅，賈會沖，姜海健，馬亮幫，王付斌

(1.成都理工大學 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006；3.中國石油化工集團有限公司 油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126；4.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)

1 大牛地古生界天然氣概況

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，構(gòu)造位置處于伊陜斜坡北部東段(圖1)，構(gòu)造形態(tài)總體為北東高、西南低的平緩單斜，面積為2 003.07 km2。自1999年以來，在“上古為主，兼探下古”勘探思想指導下，大牛地氣田上古生界致密碎屑巖儲集層不斷取得突破。同時，下古生界奧陶系風化殼連續(xù)高產(chǎn)工業(yè)氣流的發(fā)現(xiàn)，證實其具有良好的天然氣勘探潛力，截至2019年7月，古生界資源量8 237×108m3，上古生界提交探明儲量4 545.63×108m3；下古生界馬家溝組提交風化殼控制儲量221.29×108m3，預測儲量129.41×108m3。

大牛地氣田上古生界主要產(chǎn)氣層自上而下為下石盒子組的盒3、盒2、盒1段，山西組的山2、山1段和太原組的太2、太1段；下古生界主要產(chǎn)氣層位為馬家溝組的馬五1—馬五2段、馬五5段等風化殼儲層，少數(shù)井在馬五7段以及馬四段等鹽下組合也見低產(chǎn)工業(yè)氣流。圍繞著上古生界天然氣成因及來源，前人做了大量卓有成效的研究工作，認識比較統(tǒng)一，都為煤型氣，主要來源于上古生界煤系地層[1-3]，大牛地上古生界天然氣即來源于這套烴源巖。而對于下古生界天然氣來源，爭議較大，究竟是以上古生界煤型氣為主，還是以下古生界油型氣為主[4-9]，歸納起來，主要有以下3種主流認識：(1)油型氣，烴源巖來自盆地下古生界低豐度的海相碳酸鹽巖烴源巖[10]；(2)以煤型氣為主，油型氣為輔，主要來自上古生界煤系烴源巖，混有少量的下古生界烴源巖及石炭系的石灰?guī)r生成的少量油型氣[4，11]；(3)完全來自煤型氣，來自于上古生界煤系烴源巖[7，12]。關(guān)于下古生界天然氣成因及來源，前人主要針對盆地中部靖邊氣田周緣天然氣開展了系統(tǒng)研究，李偉等[13]發(fā)現(xiàn)靖邊氣田南部、北部與西部地區(qū)奧陶系馬家溝組天然氣以油型氣為主，靖邊氣田中東部既有煤型氣又有油型氣混源并大規(guī)模聚集。李軍等[14]認為中央古隆起東側(cè)馬家溝組中組合天然氣為上古生界煤系烴源巖生成的煤型氣與下古生界碳酸鹽巖烴源巖生成的油型氣的混合氣，并以上古生界煤型氣為主。劉丹等[15]認為鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組鹽下(奧陶系馬五6巨厚膏鹽巖以下)天然氣地球化學特征與鹽上(奧陶系風化殼)天然氣組分、碳同位素對比，指出下古生界原生的天然氣具有油型氣特點?？讘c芬等[16]研究發(fā)現(xiàn)靖西地區(qū)下古生界奧陶系天然氣以煤成氣為主，局部存在自生自儲的油型氣。由此可見在鄂爾多斯盆地不同地區(qū)的馬家溝組及馬家溝組不同含氣組合的天然氣成因和來源不同。大牛地氣田位于靖邊氣田的東北部，盡管二者在地理位置上相距不遠，但對于大牛地氣田下古生界天然氣成因及氣源研究相對較少，僅有個別學者涉及，惠寬洋等[17]認為大牛地北部以鄂5—鄂8井為代表的奧陶系風化殼工業(yè)性天然氣具有雙重母質(zhì)的混合型天然氣特征，南部以伊 24井為代表的風化殼天然氣則來源于奧陶系典型腐泥型有機質(zhì)，鹽下天然氣為具有單一海相碳酸鹽巖來源的油型天然氣。近年來，隨著勘探的不斷深入，在大牛地中組合鹽下馬四段和馬五7段獲得重大突破，為了有效指導下古生界天然氣下一步勘探部署，必須開展下古生界天然氣成因及來源研究。為此，系統(tǒng)開展了大牛地古生界天然氣組分、碳氫同位素、稀有氣體組分和同位素等有機地球化學分析，探討其成因類型，并在此基礎(chǔ)上綜合運用烴源巖巖石脫附氣碳同位素—天然氣碳同位素—干酪根碳同位素、天然氣甲烷氫同位素、稀有氣體Ar同位素定年等地球化學手段，綜合判識大牛地下古生界天然氣來源。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃和氣田位置Fig.1 Structural division and gas field location in Ordos Basin

2 天然氣地球化學特征及成因分析

大牛地現(xiàn)今產(chǎn)出的下古生界天然氣主要賦存于馬五段風化殼儲層中。D122和D126井在馬四段測試獲得良好的天然氣顯示，2020年6月DS1井在馬四段酸壓測試日產(chǎn)氣量為5 366 m3，說明鹽下具有良好的勘探潛力；上古生界天然氣主要賦存于太原組的太1段和太2段、山西組的山1段和山2段、下石盒子組盒1—盒3段。根據(jù)大牛地古生界天然氣的生產(chǎn)情況，共采集了上古生界天然氣35件、下古生界天然氣63件。天然氣組分、碳氫同位素、稀有氣體組分和同位素等分析測試均由中國石化油氣成藏重點實驗室完成。

2.1 天然氣組分特征

通過對天然氣組分特征分析表明，大牛地上古生界天然氣主要為烴類氣體，甲烷占絕對優(yōu)勢，含量分布在79.56%～97.52%(均值為90.85%)，重烴氣(C2-C5)含量介于2.38%～15.28%(均值為6.97%)，干燥系數(shù)(C1/C1-5)為0.84～0.98，表明既有典型的成熟階段生成的濕氣，也有高過成熟階段生成的干氣(圖2)。下古生界天然氣甲烷含量分布在79.3%～93.34%之間，均值為86.8%；重烴氣含量為1.99%～21.01%，均值為5.73%，天然氣干燥系數(shù)介于0.81～0.98，既有典型的濕氣，也有干氣(圖2)；其中D126井馬四段和D122井馬四上段等鹽下天然氣甲烷含量最低，分別為75.69%和77.62%，重烴含量較高，分別為6.11%和21.01%，其干燥系數(shù)較低，為典型的濕氣，表明其為成熟階段生成的天然氣，體現(xiàn)出與馬五段風化殼天然氣組分的差異性，顯示了馬五段風化殼天然氣和鹽下天然氣在來源和成熟階段的差異性。

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地古生界天然氣組分特征Fig.2 Component characteristics of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

總體而言，大牛地古生界天然氣既有干氣，也有濕氣，顯示出生氣階段的連續(xù)性特征。下古生界天然氣甲烷含量和干燥系數(shù)分布范圍與其上古生界天然氣分布范圍基本一致，但相同干燥系數(shù)下古生界天然氣中甲烷含量相對較小，分布區(qū)域有明顯差異；上古生界絕大部分天然氣的甲烷與其干燥系數(shù)具有較好的正相關(guān)關(guān)系，只有少數(shù)天然氣落入了下古生界天然氣的分布范圍內(nèi)，總體上可能顯示了上、下古生界天然氣來源的差異性。

大牛地古生界天然氣具有一定含量的非烴氣，主要為CO2和N2，還含有微量的氦氣和氫氣等。下古生界天然氣中N2含量分布在0.07%～7.70%，均值為0.51%，CO2含量分布在0.18%～14.39%，均值為6.92%，總體上CO2含量遠高于N2含量。上古生界天然氣中N2含量主要分布在0.1%～0.9%，均值為0.36%，CO2含量分布在0.09%～16.41%，均值為2.06%。因此相對于下古生界，大牛地上古生界天然氣中非烴氣含量相對較低，顯示出二者來源的差異性。

2.2 碳同位素組成特征及成因分析

大牛地上古生界天然氣δ13C1值介于-41.4‰～-33.3‰，均值為-36.2‰；δ13C2值介于-28.6‰～-23.9‰，均值為-25.6‰；δ13C3值介于-28.5‰～-23.0‰，均值為-24.7‰。而下古生界天然氣δ13C1值、δ13C2值和δ13C3值分布范圍分別為-42.6‰～-34.8‰，-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰，其均值分別為-38.0‰，-28.2‰和-26.5‰，烷烴氣碳同位素組成普遍輕于上古生界天然氣。大牛地古生界天然氣δ13C2-δ13C1值分布在2.6‰～15.9‰，δ13C3-δ13C2值為-1.7‰～5.4‰，絕大多數(shù)都為正值，僅有5個天然氣乙烷和丙烷存在一定程度的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，總體上天然氣呈現(xiàn)出明顯的正碳同位素序列，為原生型有機成因氣。

δ13C2和δ13C3值是區(qū)別油型氣和煤型氣的重要標志之一。國內(nèi)研究者多以δ13C2=-29‰和δ13C3=-25.5‰作為劃分油型氣和煤型氣的標志[18-20]。大牛地上古生界天然氣δ13C2值介于-28.6‰～-23.9‰，δ13C3值大多介于-25.4‰～-23.0‰，為典型煤型氣，這與前人關(guān)于上古生界天然氣來源于上古生界煤系烴源巖的認識是一致的[21-23]；而下古生界天然氣δ13C2和δ13C3值范圍分別為-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰，既有油型氣，也有煤型氣(圖3)，煤型氣主要分布在馬五1—馬五2段、馬五5和馬五7段，這部分天然氣來源沒有爭議，主要來源于上古生界煤系烴源巖；而表現(xiàn)為油型氣的天然氣主要分布在奧陶系風化殼馬五1—馬五2段，這可能是下古生界烴源巖生成的天然氣沿斷裂運移到風化殼儲層中形成的，與前人研究認為鄂爾多盆地中部氣田北部、西部及南部區(qū)塊的下古生界天然氣主要為油型氣的認識是一致的[13，24]，當然也可能存在一定的上覆石炭系—二疊系煤型氣來源，只不過在不同地區(qū)煤型氣混入的比例不同。大牛地氣田D122井和D126井鹽下馬四段天然氣δ13C1值分別為-42.0‰和-42.6‰，顯示其成熟度較低，結(jié)合乙烷和丙烷的碳同位素組成特征，綜合判識為成熟階段的油型氣。前人研究認為在盆地中東部環(huán)米脂鹽洼區(qū)下古生界發(fā)育一定規(guī)模的有效烴源巖，可作為下古生界天然氣的氣源[9，13，25]。大牛地正好處于環(huán)米脂鹽洼區(qū)的西北，具有發(fā)育馬家溝組烴源巖的膏鹽湖沉積環(huán)境，綜合評價具有一定的生烴能力，大牛地鹽下天然氣顯然主要來源于下古生界烴源巖。

圖3 鄂爾多斯盆地大牛地古生界 天然氣乙烷與丙烷碳同位素組成特征Fig.3 Carbon isotope composition of ethane and propane of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

天然氣中有機成因的CO2通常相對富集輕碳同位素，無機成因CO2一般相對富集重碳同位素。戴金星等認為無機成因δ13CCO2值大于-8‰，主要在-8‰～3‰?yún)^(qū)間內(nèi)；δ13CCO2值小于-10‰為有機成因CO2；當CO2碳同位素在-10‰～-8‰，為有機成因和無機成因CO2的混合氣的共存區(qū)[26]。大牛地古生界天然氣中CO2的δ13CCO2值分布在-19.9‰～-5.0‰之間(圖4)，其中下古生界δ13CCO2值介于-15.9‰～-5.0‰之間，上古生界δ13CCO2值分布在-19.9‰～-8.1‰之間，總體上表現(xiàn)出隨CO2含量增加其碳同位素組成逐漸變重，說明隨著CO2含量的增加，無機CO2的貢獻逐漸增加。根據(jù)大牛地氣田古生界天然氣中CO2碳同位素組成分析，CO2主要為有機成因，少數(shù)為無機成因，這部分天然氣賦存于下古生界儲層，結(jié)合天然氣稀有氣體同位素其R/Ra處于0.007～0.043，推斷出無機成因CO2主要可能由下古生界烴源巖中碳酸鹽巖熱解產(chǎn)生。

2.3 天然氣稀有氣體同位素特征及成因分析

氦和氬作為微量組分存在于天然氣中，是2種研究較多的稀有氣體。天然氣中氦的來源有3種：大氣氦、殼源氦和幔源氦。大氣氦的3He/4He值(Ra)為1.40×10-6，典型殼源氦的3He/4He值為n×10-8，一般取(2～3)×10-8，幔源氦的3He/4He值通常取1.1×10-5作為表征值。氬在自然界有3種穩(wěn)定同位素36Ar、38Ar和40Ar，上地幔40Ar/36Ar值分布范圍很廣，從接近大氣氬值的295.5到高達1×104；下地幔的40Ar/36Ar值則遠低于上地幔，約為400。

大牛地古生界天然氣中含有微痕量的氦氣和氬氣，氦氣含量分布在0.018%～0.048%，氬氣含量更低，介于(1.9～12.6)×10-5。由圖5可見，氦氣3He/4He值比較低，分布在(2.83～6.07)×10-8，R/Ra介于0.020～0.043，其中下古生界天然氣3He/4He值分布在(2.97～6.07)×10-8范圍內(nèi)(均值為3.78×10-8)；上古生界分布在(2.83～3.57)×10-8范圍內(nèi)(均值為3.21×10-8)，上、下古生界天然氣3He/4He值差異不大，遠小于大氣氦同位素比值，表明其為典型的殼源成因。大牛地下古生界天然氣40Ar/36Ar值分布在505～1 244，均值為947；而上古生界的值則明顯偏大，分布在1 005～1 553，均值為1 314，上、下古生界天然氣40Ar/36Ar值具有較大的差異，顯示出二者來源的差異性。

圖4 鄂爾多斯盆地大牛地古生界 天然氣二氧化碳含量與其碳同位素組成的關(guān)系Fig.4 Relationship between carbon dioxide content and carbon isotope of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地大牛地 古生界天然氣3He/4He值與40Ar/36Ar值的關(guān)系Fig.5 Relationship between 3He/4He and 40Ar/36Ar ratios of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3 下古生界天然氣來源綜合判識

在明確大牛地下古生界天然氣成因的基礎(chǔ)上，利用天然氣甲烷氫同位素、烴源巖脫附氣碳同位素—天然氣碳同位素—干酪根碳同位素、稀有氣體Ar同位素定年及混源比例判識等技術(shù)手段開展氣源精細對比研究，剖析大牛地氣田下古生界天然氣的主要來源。

3.1 甲烷氫同位素組成及氣源判識

天然氣中甲烷氫同位素組成受母質(zhì)特征和熱演化程度的影響，但主要受源巖沉積環(huán)境和水介質(zhì)條件的影響，因此可以利用天然氣的甲烷氫同位素組成研究其母質(zhì)沉積時的水介質(zhì)環(huán)境，進而開展天然氣—氣源巖對比研究[27]。咸水環(huán)境沉積源巖形成的天然氣甲烷的氫同位素偏重，而淡水環(huán)境偏輕。SCHOELL[28]認為由海相源巖生成的天然氣比陸相源巖生成的天然氣明顯地富集重同位素，即海相有機質(zhì)形成的天然氣δDCH4>-180‰，而陸相淡水沉積的則是δDCH4<-180‰。由圖6可見，大牛地下古生界天然氣甲烷氫同位素組成分布在-210‰～-162‰內(nèi)，由此可見其天然氣既有來源于海相咸水沉積環(huán)境形成的烴源巖，也有來自于陸相淡水沉積環(huán)境形成的烴源巖。而大牛地上古生界天然氣甲烷氫同位素組成介于-215‰～-180‰范圍內(nèi)，都輕于-180‰，屬于典型的淡水沉積環(huán)境，說明大牛地上古生界天然氣來自于陸相沉積環(huán)境的烴源巖，即來自于上古生界煤系地層烴源巖。

3.2 天然氣—馬家溝組烴源巖脫附氣對比及氣源判識

為了精細開展大牛地氣田下古生界天然氣來源研究，選擇馬家溝組泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等碳酸鹽巖烴源巖開展脫附氣碳同位素與下古生界天然氣碳同位素對比分析。馬家溝組烴源巖脫附氣甲烷、乙烷碳同位素組成分布在-41.4‰～-35.2‰和-37.9‰～-28.3‰范圍內(nèi)，丙烷碳同位素組成分布在-30.6‰～-26.1‰，顯示出典型油型氣的特征。而大牛地下古生界天然氣δ13C1，δ13C2和δ13C3值分布范圍分別為-42.6‰～-34.8‰，-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰；上古生界天然氣δ13C1，δ13C2和δ13C3值分別為-41.4‰～-33.3‰，-28.6‰～-23.9‰以及-28.5‰～-23.0‰。將烴源巖脫附氣碳同位素組成與古生界天然氣碳同位素組成特征對比研究，發(fā)現(xiàn)大牛地下古生界的油型氣烷烴氣碳同位素組成與馬家溝組烴源巖脫附氣的烷烴氣碳同位素組成范圍一致(圖7)，反映其具有相同的來源，這說明大牛地下古生界油型氣主要來源于下古生界馬家溝組烴源巖。而大牛地下古生界煤型氣與上古生界煤型氣分布區(qū)域一致，二者具有相似的來源，與馬家溝烴源巖沒有親緣關(guān)系。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地氣田 古生界天然氣烷烴氣碳、氫同位素組成特征Fig.6 Isotopic characteristics of carbon and hydrogen of hydrocarbon gas in Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地大牛地古生界天然氣同位素組成與烴源巖脫附氣碳同位素組成特征對比Fig.7 Carbon isotope composition contrast between Paleozoic natural gas and desorbed gas of source rocks in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3.3 干酪根碳同位素與天然氣乙烷碳同位素對比及氣源判識

由于在烴源巖生烴演化過程中，生成的油氣碳同位素組成往往具有一定的母質(zhì)繼承效應和熱力學分餾效應，因此可以用來進行油氣來源示蹤。一般來說，乙烷碳同位素組成主要受母質(zhì)類型而較少受成熟度的影響，常常作為與潛在烴源巖的干酪根碳同位素進行對比研究的重要指標；在同源的情況下，由成熟作用引起的原油碳同位素比相應源巖干酪根輕1‰～3‰，原油裂解氣乙烷碳同位素組成比相應原油碳同位素組成輕2‰～4‰，故天然氣乙烷碳同位素組成比相應源巖干酪根輕3‰～7‰[29]。由圖8可見，大牛地上古生界天然氣乙烷碳同位素組成介于-28.6‰～-23.9‰，均值為-25.6‰，下古生界天然氣乙烷碳同位素組成介于-35.6‰～-24.2‰，均值為-28.2‰。而下古生界烴源巖干酪根碳同位素組成處于-33.4‰～-26.2‰，上古生界烴源巖干酪根碳同位素組成處于-25.6‰～-22.2‰，由此可見大牛地下古生界油型氣主要來源于下古生界烴源巖，大牛地下古生界煤型氣與上古生界天然氣具有相同的來源，即來源于上古生界煤系烴源巖。

圖8 鄂爾多斯盆地大牛地古生界天然氣乙烷碳同位素 與潛在烴源巖干酪根碳同位素組成對比Fig.8 Carbon isotope characteristics comparison between ethane of Paleozoic natural gas and kerogen of possible source rocks in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3.4 天然氣混源比例評價及氣源判識

根據(jù)大牛地下古生界天然氣的地球化學特征，顯示出其既有油型氣，也有煤型氣。煤型氣來源于上古生界煤系烴源巖，油型氣主要來源于下古生界烴源巖，因此有必要開展下古生界油型氣中混入石炭系—二疊系烴源巖貢獻的天然氣比例的判識研究。為此選取馬家溝組烴源巖脫附氣乙烷和丙烷碳同位素平均值作為油型氣端元的乙烷和丙烷碳同位素值(δ13C2和δ13C3值分別為-31.9‰和-28.6‰)，選擇大牛地上古生界天然氣乙烷和丙烷碳同位素均值作為煤型氣端元的乙烷和丙烷碳同位素值(δ13C2和δ13C3值分別為-25.6‰和-24.7‰)。基于天然氣乙烷和丙烷碳同位素分析數(shù)據(jù)，利用端元混源模擬實驗和多元數(shù)理分析方法[30-31]，計算出了大牛地下古生界油型氣中混有0～45%的煤型氣，平均混有25%的煤型氣，個別天然氣混有較多的煤型氣，但主要還是體現(xiàn)了油型氣的特征?；谔烊粴庵邢∮袣怏w3He/4He 值表明其為典型殼源成因天然氣，進而利用稀有氣體Ar同位素定年模型，估算大牛地下古生界油型氣源巖年代約為(460±17) Ma，對應于下古生界馬家溝組烴源巖。

4 結(jié)論

(1)大牛地氣田古生界天然氣中甲烷占絕對優(yōu)勢，含有一定量的重烴，CO2、N2等非烴含量相對較高，既有典型的成熟階段生成的濕氣，也有高過成熟階段生成的干氣；下古生界天然氣甲烷含量和干燥系數(shù)分布范圍與上古生界天然氣分布范圍基本一致，相同干燥系數(shù)下古生界天然氣甲烷含量相對較小，可能顯示了上、下古生界天然氣來源的差異性。

(2)大牛地上古生界天然氣為典型煤型氣，而下古生界天然氣既有煤型氣，也有油型氣。煤型氣主要分布在馬五1—馬五2段、馬五5和馬五7段；油型氣主要分布在奧陶系風化殼馬五1—馬五2段，顯然這部分天然氣主要來源于下古生界烴源巖。

(3)大牛地氣田古生界天然氣中CO2總體上表現(xiàn)出隨CO2含量增加其碳同位素組成逐漸變重的特點。CO2碳同位素組成總體偏負，主要為有機成因，可能由下古生界烴源巖中碳酸鹽巖熱解產(chǎn)生，少數(shù)為無機成因。

(4)綜合運用烴源巖巖石脫附氣碳同位素—天然氣碳同位素—干酪根碳同位素、天然氣甲烷氫同位素、稀有氣體Ar同位素定年模型、混源比例模擬等綜合地球化學手段，明確了大牛地上古生界天然氣和下古生界煤型氣來源于上古生界煤系烴源巖，而下古生界油型氣(混有0～45%的煤型氣)，主要來源于下古生界馬家溝組烴源巖。

致謝：衷心感謝審稿專家提出的寶貴意見！