鄂爾多斯盆地東北部天然氣地球化學特征及成藏分析

楊麗麗，徐飛，陳斗，楊皓銘，王春雷，韓旭

1.中國石油測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710201 2.中國石油集團測井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710201 3.中國石油集團測井有限公司培訓中心，陜西 西安 710201

鄂爾多斯盆地天然氣勘探獲得一系列重大突破，明確了該區(qū)天然氣具有豐富的資源潛力[1-3]。盆地的上古生界各組段均有氣層發(fā)現(xiàn)，且具有多層系復合含氣聚集的特點[4，5]。上古生界天然氣主要來自二疊系太原組和山西組的煤系及暗色泥巖烴源巖，以煤型氣為主，混合了石炭系本溪組及太原組泥灰?guī)r形成的部分油型氣[6，7]。20世紀70年代末，鄂爾多斯盆地便開展了上古生界煤型氣研究，由于地質(zhì)認識處于初步階段，未能取得突破性進展。隨著生產(chǎn)實踐的推進，鄂爾多斯盆地天然氣勘探逐步取得重要成果，已發(fā)現(xiàn)煤型氣氣田12個，探明煤型氣地質(zhì)儲量達到了5.24×1012m3，成為業(yè)內(nèi)研究的熱點[8，9]。鄂爾多斯盆地東北部為該盆地天然氣的重要勘探領(lǐng)域，由于天然氣組分復雜，成藏條件多樣，一直困擾著勘探人員對天然氣成藏及分布規(guī)律的深入認識。為此，筆者以鄂爾多斯盆地東北部上古生界天然氣為研究對象，運用地球化學實驗和包裹體測溫實驗，開展天然氣成因分析，明確形成期次，探討天然氣成藏模式，以期為該區(qū)天然氣研究和下一步勘探實踐提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地塊西部，是典型的克拉通盆地，具有穩(wěn)定沉降、扭動遷移和多旋回等特征[10，11]。盆地經(jīng)歷早古生代淺海臺地和晚古生代近海平原兩大沉積旋回，形成古生界發(fā)育穩(wěn)定的碳酸鹽巖和碎屑巖沉積[12，13]。盆地上古生界以海陸過渡相沉積為主，自下而上為石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組。本溪組、太原組和山西組發(fā)育多套煤層和暗色泥巖，分布面積廣泛，成為該盆地煤型氣的主力生烴源巖[14-16]。近年來，鄂爾多斯盆地東北部上古生界天然氣勘探取得重大突破[17，18]，成為天然氣增產(chǎn)的重要領(lǐng)域(見圖1)。

2 天然氣組分特征

針對鄂爾多斯盆地東北部東勝氣田、大牛地氣田、子洲氣田、榆林氣田和蘇里格氣田的上古生界氣藏進行樣品采集，天然氣組分分析在西安石油大學地質(zhì)實驗測試分析中心進行。

2.1 烴類組分

研究區(qū)天然氣組分含量頻率(見圖2(a))顯示，不同含氣層甲烷含量變化較大，在75%～99%范圍內(nèi)均有分布，主頻分布為94%左右，整體表現(xiàn)為以干氣為主、濕氣為輔的特征。

圖2 研究區(qū)天然氣組分含量頻率直方圖

1)太原組。含氣層21個樣品中，甲烷含量均值為93.01%，主峰在85%～90%區(qū)間，整體表現(xiàn)為干氣，夾有少量濕氣。

2)山西組。含氣層66個樣品中，甲烷含量均值為92.27%，僅有3個樣品甲烷含量在90%以下，主峰在85%～90%區(qū)間，次峰在90%～95%區(qū)間。整體表現(xiàn)為干氣，夾有少量濕氣。

3)石盒子組。含氣層45個樣品中，甲烷含量均值為92.09%，主峰在85%～90%區(qū)間。整體表現(xiàn)為干氣，夾有少量濕氣。

4)石千峰組。含氣層10個樣品中，甲烷含量均值為91.71%，主峰在90%～95%區(qū)間。整體表現(xiàn)為干氣，夾有少量濕氣。

2.2 非烴組分

研究區(qū)上古生界天然氣中非烴組分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0.2%，未檢測到硫化氫。

2.2.1 二氧化碳

上古生界太原組、山西組、石盒子組和石千峰組的二氧化碳含量均較低，但比氮氣含量稍高，分布在0～5%之間，主頻均在0%～2%區(qū)間(見圖2(b))。

1)太原組。含氣層17個樣品中，二氧化碳含量均值為1.64%，主峰在1%～2%區(qū)間，次峰為0～1%區(qū)間。太原組在上古生界各層系中二氧化碳的含量最高。

2)山西組。含氣層59個樣品中，二氧化碳含量均值為1.41%，主峰在0～1%區(qū)間。

3)石盒子組。含氣層32個樣品中，二氧化碳含量均值為1.08%，主峰在0～1%區(qū)間。石盒子組在上古生界各層系中二氧化碳含量最低。

4)石千峰組。含氣層10個樣品中，二氧化碳含量均值為1.26%，主峰在0～1%區(qū)間。

2.2.2 氮氣

上古生界太原組、山西組、石盒子組和石千峰組的氮氣含量也較低，分布在0～5%之間，主頻均在0～1%之間。太原組和石千峰組的氮氣含量較低，均值分別為0.55%和0.32%，山西組和石盒子組的氮氣含量較高，均值分別為1.04%和1.27%(見圖2(c))。

1)太原組。含氣層16個樣品中，氮氣含量均值為0.54%，主峰在0～1%區(qū)間。太原組在上古生界各層系中氮氣的含量較低。

2)山西組。含氣層59個樣品中，氮氣含量均值為1.04%，主峰在0～1%區(qū)間，少部分樣品氮氣含量分布在1%～5%區(qū)間。

3)石盒子組。含氣層34個樣品中，氮氣含量均值為1.27%，主峰在0～1%區(qū)間。石盒子組在上古生界各層系中氮氣含量最高。

4)石千峰組。含氣層10個樣品中，氮氣含量均值為0.32%，主峰在0～1%區(qū)間。石千峰組在上古生界各層系中氮氣含量最低，可能與氣藏保存條件有關(guān)。

3 天然氣碳同位素特征

針對鄂爾多斯盆地東北部東勝氣田、大牛地氣田、子洲氣田、榆林氣田和蘇里格氣田的上古生界氣藏進行樣品采集，天然氣碳同位素分析在西安石油大學地質(zhì)實驗測試分析中心進行。

3.1 甲烷碳同位素特征

研究區(qū)不同含氣層天然氣組分甲烷碳同位素頻率(見圖3(a))顯示，太原組有9個樣品的δ13C1分布在-34‰～-22‰之間，均值為-25.76‰；山西組有4個樣品的δ13C1分布在-24‰～-20‰之間，均值為-22.64‰；石盒子組有17個樣品的δ13C1分布在-30‰～-20‰之間，均值為-24.35‰；石千峰組只有3個樣品的δ13C1分布在-30‰～-24‰之間，均值為-26.9‰。

圖3 研究區(qū)不同含氣層天然氣組分同位素頻率直方圖

3.2 乙烷碳同位素特征

太原組有9個樣品的δ13C2分布在-40‰～-28‰之間，均值為-37.3‰；山西組有4個樣品的δ13C2分布在-38‰～-34‰之間，均值為-35.92‰；石盒子組有19個樣品的δ13C2分布在-40‰～-20‰之間，均值為-32.7‰；石千峰組只有3個樣品的δ13C2分布在-40‰～-36‰之間，均值為-37.36‰(見圖3(b))。

3.3 丙烷碳同位素特征

太原組有7個樣品的δ13C3分布在-30‰～-22‰之間，均值為-25.16‰；山西組有4個樣品的δ13C3分布在-24‰～-18‰之間，均值為-21.7‰；石盒子組有18個樣品的δ13C3分布在-30‰～-18‰之間，均值為-24.72‰；石千峰組只有2個樣品的δ13C3分布在-28‰～-24‰之間，均值為-24.9‰(見圖3(c))。各層系丙烷碳同位素均值較重，表明研究區(qū)上古生界各含氣層的天然氣具有典型的煤型氣特征。

4 成因分析

4.1 氣源對比

根據(jù)鄂爾多斯盆地東北部東勝氣田等大型氣田不同含氣層天然氣δ13C1與(δ13C2-δ13C1)關(guān)系分析結(jié)果(見圖4)表明，上古生界的天然氣具有同源性，以煤型氣為主，混合了部分油型氣。研究區(qū)天然氣主力生烴源巖主要為上古生界煤系地層[19，20]。因此，推斷其氣源應為太原組和山西組的煤層、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖。

圖4 研究區(qū)不同含氣層天然氣δ13C1與(δ13C2-δ13C1)關(guān)系圖

根據(jù)δ13C1-δ13C2-δ13C3烷烴氣類型圖版(圖5)顯示，上古生界氣田中的天然氣碳同位素數(shù)據(jù)位于煤型氣區(qū)，其成因同樣表明天然氣為腐殖型有機質(zhì)生成，顯示出煤型氣特征，天然氣來源于上古生界太原組和山西組的煤系地層。

圖5 研究區(qū)δ13C1-δ13C2-δ13C3烷烴氣類型圖(據(jù)文獻[21]，有修改)

4.2 天然氣形成期

分析研究區(qū)不同期次生石英加大邊內(nèi)的包裹體發(fā)現(xiàn)：第一期次生石英加大邊形成時，其內(nèi)捕獲的地層流體溫度在100～130℃內(nèi)(見圖6)，該時期捕獲的有少量的含氣態(tài)烴包裹體和大量二氧化碳三相包裹體，表明該時期由于有機質(zhì)釋放烴類，使得地層水內(nèi)二氧化碳明顯增多，因而二氧化碳三相包裹體的比例相對較多；第二期次生石英加大邊形成時，其內(nèi)捕獲的地層流體溫度在140～160℃內(nèi)，捕獲氣態(tài)烴包裹體數(shù)量較多(見圖7)。

圖6 研究區(qū)包裹體均一溫度直方圖 圖7 氣態(tài)烴包裹體單偏光及其熒光對比圖(S23井，2411.1m，山2段)

根據(jù)烴類共生鹽水包裹體測溫實驗結(jié)果，結(jié)合埋藏史-熱演化史[22]發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)天然氣主要有兩期充注(見圖8)：第一期充注時間為195～180Ma，即早侏羅世，為煤系烴源巖的Ⅲ干酪根早期生成的少量液態(tài)烴和氣態(tài)烴；第二期充注時間為170～110Ma，即晚侏羅世和早白堊世，該期為研究區(qū)上古生界天然氣主力形成期。

注：D為泥盆紀；C為石炭紀；P1為早二疊世(下二疊統(tǒng))；P2為晚二疊世(上二疊統(tǒng))；T為三疊紀；J為侏羅紀；K為白堊紀；E為古近紀；N為新近系；Q為第四紀；J2為上侏羅統(tǒng)；J1為下侏羅統(tǒng)；T3為上三疊統(tǒng)；T2為中三疊統(tǒng)；T1為下三疊統(tǒng)；C2為上石炭統(tǒng)。

4.3 天然氣成藏模式

根據(jù)天然氣組分以及氣源對比研究，結(jié)合研究區(qū)埋藏史和熱演化史分析，認為鄂爾多斯盆地東北部烴源巖為太原組和山西組的煤系地層和暗色泥巖，主力生氣成藏期為晚侏羅世至早白堊世，成藏特征為近源-鄰源充注成藏(見圖9)。

圖9 研究區(qū)上古生界晚期成藏模式

自印支運動以來，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷大幅度沉積沉降期[23-25]，上古生界埋藏深度加大，地溫大幅度提升。早侏羅世起，上古生界煤系地層達到生烴門限，進入早期生烴期[26]。由于燕山運動活動的影響，鄂爾多斯盆地發(fā)生區(qū)域性抬升事件，上古生界煤系烴源巖受其影響，生烴發(fā)生短暫停歇。晚侏羅世，盆地再次發(fā)生大幅度沉降事件[27-29]，上古生界持續(xù)增溫，烴源巖熱演化進入高成熟階段，開始大量排烴，形成區(qū)域性主力生烴期，天然氣形成近源聚集。受構(gòu)造運動影響，古生界裂縫和斷層較為發(fā)育，為天然氣運移形成良好通道[30，31]，由煤系烴源巖生成烴類物質(zhì)后向上進入石盒子組及石千峰組優(yōu)質(zhì)儲層[32，33]，發(fā)生規(guī)模性聚集成藏。

5 結(jié)論及建議

1)鄂爾多斯盆地東北部上古生界天然氣組分中甲烷含量主頻分布為94%，非烴組分含量一般小于0.2%，干氣為主、濕氣為輔，并且具有同源性；以煤型氣為主，混合了部分油型氣，來源于太原組和山西組煤層和暗色泥巖。上古生界煤型氣分別由早侏羅世和晚侏羅世至早白堊世兩期形成，其中晚侏羅世至早白堊世為主力形成期。研究區(qū)天然氣具有近源-鄰源充注成藏的特點，成藏受控于構(gòu)造運動，古生界裂縫和斷層為天然氣運移良好通道，由煤系烴源巖生成烴類物質(zhì)后向上進入優(yōu)質(zhì)儲層，發(fā)生規(guī)模性聚集成藏。

2)依據(jù)鄂爾多斯盆地東北部天然氣地球化學特征及成藏分析結(jié)果，建議在鄂爾多斯盆地東北部上古生界煤系地層進行有利砂體預測研究，并實施精細勘探。受裂縫和斷層等有利輸導環(huán)境影響，建議圍繞上古生界構(gòu)造發(fā)育區(qū)在石盒子組和石千峰組優(yōu)質(zhì)儲層中尋求規(guī)模性勘探突破。