鄂爾多斯盆地靖邊氣田地球化學特征與成因再認識

劉文匯,王曉鋒,張東東,蔡鄭紅,羅厚勇,陳曉艷,王 桐,李芙蓉,張 雯,李福奇

(1.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069;2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710018)

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通的西部,為中國最穩(wěn)定的構造單元之一[1],也是中國最大的天然氣產(chǎn)區(qū)。2019年最新一輪油氣資源評價結果表明,鄂爾多斯盆地天然氣總資源量為16.31×1012m3。其中,長慶氣區(qū)總資源量為14.27×1012m3。截至2020年底,已提交天然氣探明儲量4.01×1012m3,探明率28.1%[2],探明程度仍處于勘探早-中期階段,潛力巨大。近年來,盆地中東部地區(qū)奧陶系鹽下天然氣勘探持續(xù)取得重大發(fā)現(xiàn)[3],靖邊西側地區(qū)發(fā)現(xiàn)了奧陶系中組合白云巖巖性氣藏,形成千億立方米儲量規(guī)模的新區(qū)帶,在靖西風化殼新增天然氣探明地質儲量2 210×108m3,表明鄂爾多斯盆地古生界依然存在發(fā)現(xiàn)大氣田的勘探潛力[4-5]。

盆地主要的產(chǎn)氣層位包括上古生界石炭系二疊系碎屑巖地層和下古生界奧陶系海相碳酸鹽巖地層。上古生界石炭系二疊系煤層和暗色泥巖有機質豐度高、分布范圍極為廣泛,累積厚度多在80～150 m,整體具有很高的生烴及供烴潛力,具有“廣覆式”生烴特點,其天然氣成藏機理已比較清楚,主要為下生上儲或自生自儲[4-6]。鄂爾多斯盆地下古生界海相烴源巖有機碳含量低(均值0.2%,一般<0.5%),碳酸鹽巖-膏鹽巖體系中自生烴源巖的品質相對較差,且下古生界烴源巖成熟度Ro值多數(shù)大于2.0%[7-12],學者們一度認為其難以對奧陶系鹽下層系的天然氣成藏形成大的貢獻。目前普遍認為,下古生界奧陶系風化殼氣藏的氣源主要是上古生界C-P煤成氣為主[13-17],不排除下古生界氣源的貢獻[5,18-21]。付金華等[22]認為,盆地東部馬四段已發(fā)現(xiàn)的天然氣藏的甲烷碳同位素值介于-45.4‰ ～-37.2‰,且部分富含H2S,來自于馬家溝組海相烴源巖,為自生自儲油型氣;劉丹等[23]將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、碳同位素進行對比,指出下古生界原生的天然氣具有油型氣特點;郭彥如[24]通過分析奧陶系儲集層中瀝青及烴類包裹體,認為油藏主要來自中上奧陶統(tǒng)海相烴源巖;陳安定[25]提出了以乙烷碳同位素研究天然氣母質,利用海相油型氣與煤成氣δ13C2‰和C2H6%相關圖判別出鄂爾多斯盆地中部氣田主要為腐泥氣,主要來源為下古生界碳酸鹽巖,并計算出鄂爾多斯盆地中部氣田中80%～90%的天然氣來源于下古生界烴源巖。黃第藩等[25]采用δ13C1與δ13C2結合以及δ13C1與Δ(δ13C2-δ13C1)相結合的辦法對鄂爾多斯中部氣田下古生界的氣源進行判識,得到下古生界氣源應以下古為主的結論。徐雁前等[26]對鄂爾多斯盆地中部氣田下古生界天然氣樣品進行生物標志化合物分析,認為中部氣田氣源來自于下古生界。還有一種觀點認為奧陶系天然氣來自上古生界煤成氣和下古生界油型氣的兩源混合氣[27-29]。同時,在鄂爾多斯盆地中東部發(fā)現(xiàn)了多個鹽下白云巖氣藏距離石炭系二疊系煤系烴源巖比較遠[5],含氣層之上有巨厚且致密的鹽巖層阻擋(與奧陶系頂部風化殼距離205～270 m),上古煤系生氣很難穿過膏鹽層向下運移。

綜上所述,鄂爾多斯盆地古生界天然氣資源潛力巨大,仍具有發(fā)現(xiàn)大型天然氣田的勘探前景，但天然氣的成因來源尚存異議。鑒于此,本文以鄂爾多斯盆地中部靖邊氣田為重點解剖對象,在分析和梳理前人天然氣地球化學數(shù)據(jù)基礎之上,對天然氣組分、碳氫同位素以及稀有氣體同位素等特征進行精細分區(qū)分層對比分析,結合不同層系巖性變化、成巖演變以及地質背景對靖邊氣田的天然氣藏的成因及其演變機制進行再討論。本文相關認識將有益于明確鄂爾多斯盆地古生界天然氣的不同來源的判識指標,同時為深部天然氣的進一步勘探與資源評價提供科學依據(jù)。

1 靖邊氣田地質與勘探概況

靖邊氣田位于鄂爾多斯盆地中部伊陜斜坡構造單元(見圖1A),構造形態(tài)總體為東高西低的平緩單斜,跨秦、蒙兩省,為我國陸上最大的整裝氣田。鄂爾多斯盆地的天然氣勘探與靖邊氣田的發(fā)現(xiàn)和理論認識的創(chuàng)新密不可分,靖邊氣田的勘探過程可分為4個階段[30-31]:20世紀80年代氣田發(fā)現(xiàn)階段:風化殼、古巖溶及局部構造控制的古地貌成藏模式,代表性高產(chǎn)井有陜參1、林1井等;1990—1991年整體解剖階段:受單斜控制的大面積溶蝕孔洞成藏,以陜5、陜6等高產(chǎn)井為代表;1992—1999年集中探明階段:“臺中有灘、臺外有槽”的巖溶階地的溝槽成藏模式,累積探明天然氣地質儲量2 300×108m3;2000年至今規(guī)模擴大階段:提出“含膏云坪相帶控制儲層發(fā)育,風化殼巖溶古地貌控制圈閉成藏”的地質認識,靖邊氣田東側和西側油氣勘探取得了較大的進展,天然氣探明儲量實現(xiàn)跨越式增長,接近翻番。上古生界天然氣主要賦存于本溪組、太原組、山西組、石盒子組等多層系;下古生界馬家溝組的馬五1—馬五4段發(fā)育豐富的風化殼巖溶氣藏,其次為馬五5段、馬五6段的碳酸鹽縫洞型氣藏,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(見圖1B)。

圖1 鄂爾多斯盆地靖邊氣田位置及主要含氣層位Fig.1 Location of Jingbian gas field in Ordos Basin and main gas-bearing strata

2 天然氣地球化學特征與成因

靖邊氣田天然氣的儲層主要分布在上下古生界中。上古生界包括石盒子組、山西組、太原組和本溪組;下古生界主要是奧陶系馬家溝組,根據(jù)成藏組合,以馬四段和馬五4膏鹽巖層為界,分為上、中、下組合[32]。文中討論天然氣的上古生界、下古生界奧陶系上中下組合主要指天然氣的儲集層位,而非天然氣來源(烴源巖)層位,以便其成藏過程的討論。

2.1 天然氣組分

靖邊氣田上古生界天然氣烴類氣體主要為甲烷,濕氣組分占比較低,干燥系數(shù)介于0.89～0.99之間,平均為0.96(見表1),除個別數(shù)據(jù)點外,甲烷和乙烷占比呈良好的負相關(見圖2),表明靖邊氣田上古生界天然氣具有相同的氣源。同一氣源的甲、乙烷占比隨成熟度增加,乙烷占比減少、甲烷占比增加。靖邊氣田馬家溝組上組合天然氣干燥系數(shù)均大于0.95,平均為0.99(見表1),濕氣組分主要為乙烷,其含量普遍小于2%。并且甲、乙烷占比沒有明顯相關關系,甲烷占比有較大變化(見圖2),說明靖邊氣田馬家溝組上組合天然氣可能受到了次生改造或者不同氣源的混合作用。而靖邊氣田馬家溝組中-下組合天然氣干燥系數(shù)分布在0.85～1.0之間,平均為0.98(見表1),但是其甲、乙烷占比表現(xiàn)出了兩種明顯的分布特征,如圖2所示。一種是與上古生界天然氣類似,甲烷占比隨乙烷占比減小而增大,顯示出同源的特征；另一種是與馬家溝組上組合類似,乙烷占比整體低于2%,甲、乙烷占比沒有明顯相關關系,但是與上組合不同的是中-下組合天然氣甲烷占比分布范圍較廣(70.85%～98.4%),非烴氣體含量相對高,反映其可能遭受了更強烈的次生改造或混合作用。

表1 靖邊氣田天然氣地球化學數(shù)據(jù)表Tab.1 Geochemical data of Jingbian gas field

圖2 靖邊氣田不同層系天然氣CH4和C2H6含量關系圖Fig.2 Relationship between CH4 and C2H6 content of natural gas from different strata in Jingbian gas field

天然氣非烴組分主要由CO2、N2和H2S等組成,其中CO2和H2S占比變化能反映天然氣的成因差異以及TSR等次生改造情況,比如碳酸鹽巖地層通常有較高的CO2占比、高H2S占比一般與TSR作用有關。靖邊氣田上古生界天然氣CO2占比分布在0.11%～7.05%之間,平均值為1.64%,而且除了太原組一個樣品表現(xiàn)出較高的CO2占比外,其他樣品CO2占比均低于3%,明顯低于下古生界馬家溝組天然氣(見表1、圖3),其上組合和中-下組合天然氣CO2占比平均值分別為2.52%(0.02%～7.86%)和2.86%(0.02%～10.45%),表現(xiàn)出較大的分布范圍。此外,如圖3所示,靖邊氣田上古生界天然氣均不含H2S,儲層中不發(fā)育黃鐵礦。馬家溝組上組合天然氣H2S占比極低,但是黃鐵礦發(fā)育。中-下組合部分井(如隴92、統(tǒng)58/74/75、靳探1等)天然氣樣品則檢測出較高的H2S占比(1.2%～23.23%)。靖邊氣田下古生界馬家溝組天然氣CO2和H2S占比的變化，主要與TSR反應有關。下古生界天然氣藏具備TSR反應的物質和能量條件。

圖3 靖邊氣田不同層系天然氣CO2和H2S占比分布特征Fig.3 Distribution characteristics of natural gas CO2 and H2S content in different strata of Jingbian gas field

2.2 天然氣同位素組成

靖邊氣田不同層系天然氣甲烷、乙烷碳同位素具有明顯的分區(qū)特征(見表1、圖4),其中上古生界天然氣甲、乙烷均表現(xiàn)出較重的碳同位素特征,分別介于-35.4‰～-26.0‰(-29.8‰)和-34.2‰～-20.7‰(-26.8‰),表現(xiàn)為典型的煤型氣特征;而馬家溝組中-下組合天然氣甲、乙烷碳同位素均相對較輕、分布范圍較廣,分別為-45.9‰～-25.1‰(-36.6‰)和-39.4‰～-20.2‰(-30.2‰),表現(xiàn)出了不同于上古生界煤型氣的同位素組成特征,主要與下古生界烴源有關;馬家溝組上組合天然氣甲烷碳同位素居于兩者之間,平均值為-33.6‰(-38.9‰～-30.7‰),乙烷碳同位素則與中-下組合相當,平均值為-30.4‰(-37.8‰～-24.5‰),反映其可能是上古生界天然氣和馬家溝組中-下組合天然氣的混合的結果。此外,靖邊氣田不同層系天然氣部分樣品甲、乙烷碳同位素均表現(xiàn)出了不同程度的倒轉現(xiàn)象(見圖4),而且發(fā)生碳同位素倒轉的天然氣主要來自于靖邊氣田南部(天然氣碳同位素倒轉井位置見圖1A紅色井位)。TSR、細菌降解等次生改造和混源作用都可引起天然氣倒轉[33-35]。結合前文分析,上古生界以碎屑巖為主的儲層不具備經(jīng)歷TSR改造形成天然氣的條件,極大可能是由下古生界氣源混合成藏導致的碳同位素倒轉,而馬家溝組中-下組合天然氣碳同位素倒轉應該是TSR參與成烴、成藏的結果。上組合部分天然氣同樣發(fā)生了TSR作用,只是還原態(tài)的S主要以黃鐵礦的形式存在。

此外,靖邊氣田不同層系天然氣乙烷、丙烷碳同位素特征也反映了類似的結論(見圖5),其中上古生界天然氣乙、丙烷碳同位素表現(xiàn)出良好的正相關性,體現(xiàn)了煤型氣隨熱演化變化的特征,但是部分樣品乙、丙烷碳同位素較輕,表現(xiàn)為油型氣特征,印證了甲、乙烷碳同素分析有下古生界氣源混合的結論;馬家溝組上組合天然氣部分樣品乙、丙烷碳同位素與上古生界相似,表現(xiàn)為煤型氣和油型氣混源的特征,但是有很大一部分樣品丙烷明顯偏重,認為是TSR作用消耗了輕碳同位素所致;馬家溝組中下組合天然氣雖然部分樣品表現(xiàn)出了煤型氣的乙烷、丙烷碳同位素組成特征,但是其并非是真正意義上的煤型氣,而是由于強TSR作用消耗乙烷、丙烷輕碳同位素,導致重碳同位素富集,從而表現(xiàn)出了煤型氣的假象,其本質還是油型氣,與前文分析結果完全吻合。

圖4 靖邊氣田不同層系天然氣CH4和C2H6碳同位素組成交匯圖Fig.4 Plot of CH4 and C2H6 carbon isotope composition of natural gas from different strata of Jingbian gas field

圖5 靖邊氣田不同層系天然氣C2H6和C3H8碳同位素組成交匯圖Fig.5 Plot of C2H6 and C3H8 carbon isotope compositions of natural gas from different strata of Jingbian gas field

隨著熱演化程度的增加,天然氣甲烷碳、氫同位素具有良好的正相關關系,且與典型煤型氣相比,典型海相腐泥型天然氣具有更重的氫同位素組成,一般大于-180‰,而典型煤型氣只有在熱演化成熟度很高的時候,甲烷氫同位素才會超過-180‰[36]。通過與典型煤型氣和海相腐泥型天然氣甲烷碳、 氫同位素組成對比(見表1、 圖6), 發(fā)現(xiàn)靖邊氣田上古生界天然氣氫同位素分布在-185‰～-162‰之間,大部分表現(xiàn)出典型煤型氣特征,少部分有海相油型氣混源的現(xiàn)象。馬家溝組上組合天然氣主要分布于煤型氣海相油型氣過渡區(qū)域,個別樣品位于典型海相油型氣區(qū)域,表現(xiàn)出了混源的特征。而馬家溝組中下組合天然氣則是部分落于典型海相油型氣區(qū),部分分布在煤型氣海相油型氣過渡區(qū)域。此外,甲烷氫同位素與乙烷碳同位素結合也能很好的區(qū)分典型海相腐泥型天然氣和腐殖型天然氣,如圖7所示,上古生界天然氣主要為煤型氣,少部分有混源特征,而馬家溝組上組合和中下組合天然氣可能受混源和TSR作用影響,分布均比較分散,結果與前文分析結果一致。

圖6 靖邊氣田不同層系天然氣CH4碳、氫同位素組成交匯圖(圖版來自Wang et al., 2015[36])Fig.6 Plot of CH4 carbon and hydrogen isotopic compositions of natural gas from different strata in Jingbian gas field(Version from Wang et al., 2015 [36])

綜上所述, 靖邊氣田上古生界天然氣主要為煤型氣, 馬家溝組上組合天然氣組分和同位素組成是混源和TSR改造共同作用的結果, 而中下組合天然氣組分及碳、 氫同位素組成特征揭示主要為海相腐泥型氣, 但是遭受了不同程度的TSR改造。

3 靖邊氣田成因再認識

3.1 下古生界存在有效烴源

我國下古生界海相碳酸鹽巖層系的油氣勘探取得了重大突破,在此背景下,下古生界廣泛發(fā)育的高演化、低TOC豐度的碳酸鹽巖能否成為有效烴源備受關注[37-40]。特別是在鄂爾多斯盆地,近年來盆地中東部馬家溝組五段鹽下層系的多口探井獲得工業(yè)氣流[22]。特別是米探1井馬四段獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流,堅定了下古生界存在有效烴源的認識[3,22,42]。

碳酸鹽巖烴源巖中的成烴生物主要以浮游藻類為主,有機質除了干酪根之外,還存在豐富的可溶有機質和酸溶有機質[39,42]。這些特殊性質決定了碳酸鹽巖中有機質具有較高的生烴轉化率。另一方面,高過成熟階段,碳酸鹽巖烴源巖中存在顯著的有機碳向無機碳轉換過程。研究顯示,鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝在碳酸鹽巖碳同位素組成存在顯著的“負漂”現(xiàn)象[43],全巖無機碳同位素組成分布在-12‰～2‰之間。其中出現(xiàn)碳同位素組成規(guī)模性“負漂”的層段主要集中在富含膏鹽巖的層段,其機理主要與有機酸鹽生烴和TSR作用有關[44]。這些因素是導致高演化碳酸鹽巖烴源巖表觀TOC低的重要因素。因此，不能以TOC低否定高演化碳酸鹽巖烴源巖經(jīng)歷的生烴過程和生成烴量。

圖7 靖邊氣田不同層系天然氣甲烷氫同位素組成與乙烷碳同位素組成交匯圖(圖版來自Wang et al., 2015[36])Fig.7 Plot of methane hydrogen isotopic composition and ethane carbon isotopic composition of natural gas from different strata of Jingbian gas field(Version from Wang et al., 2015 [36])

鄂爾多斯中東部地區(qū)奧陶系馬家溝組發(fā)育巨厚的碳酸鹽巖與膏鹽巖交互的沉積體系[3]。這些層段發(fā)育的嗜鹽細菌和浮游藻類是主要的成烴生物。有機質組成中富含可溶有機質和有機酸鹽,有機質類型好,生烴轉化率高[39]。同時，膏鹽巖發(fā)育環(huán)境有利于有機質的保存。有機酸鹽是碳酸鹽巖烴源巖特殊的生烴物質[44-47],模擬實驗結果顯示,有機酸鹽形成的天然氣具有相對較重的乙烷碳同位素組成[48],也可能是造成下古生界天然氣地球化學特征復雜的原因之一。

生烴演化過程中,有機酸鹽生烴和低演化階段形成的液態(tài)烴部分參與TSR導致了大量有機碳轉化為無機碳,相應層段出現(xiàn)了顯著的無機碳同位素組成負漂[42]。雖然TSR作用對油氣產(chǎn)生較強的破壞作用,但同時也存在積極的因素。TSR和原油的裂解作用發(fā)生的溫度條件基本一致,而且TSR作用對原油裂解具有明顯的促進作用[49]。另外,甲烷很難參與TSR作用,同時高碳數(shù)烴類發(fā)生TSR作用會生成以甲烷為主的烷烴氣體[50],因此鄂爾多斯盆地下古生界鹽下天然氣以干燥系數(shù)較高的天然氣為主。綜合考慮成烴生物特征、有機碳同位素組成與無機碳同位素負漂等因素,鄂爾多斯盆地馬家溝組碳酸鹽巖存在顯著的生烴過程,是盆地中東部下古生界重要的烴源巖。

3.2 TSR作用及其對天然氣地球化學特征的影響

硫酸鹽熱化學還原反應(thermochemical sulfate reduction,TSR)是海相碳酸鹽巖儲層中常見的一種有機無機作用,具體指地層水中硫酸根與烴類(有機質)發(fā)生氧化還原反應生成CO2、H2S等,同時對烴類組分和碳同位素組成進行改造的過程[51-53]。國內外學者對含膏碳酸鹽巖油氣藏中油水界面及原油裂解過程中TSR的反應及其次生改造研究較多[54-55],但對于碳酸鹽巖烴源巖中的TSR反應尚未涉及。鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)奧陶系馬家溝組烴源巖和儲層中均含有豐富的硬石膏,且普遍經(jīng)歷過較大的埋深,成烴和成藏演化中均具備發(fā)生TSR的物質和能量條件。

靖邊氣田各產(chǎn)層中均含有H2S,但各層位含量差異顯著,上組合普遍低含微含H2S,含量分布在0～1.0%之間,平均值為0.09%[56-57];中組合、下組合探井較少,但目前已知的H2S含量均在1.0%以上,相對上組合更富含硫化氫。前人對靖邊氣田硫化氫成因的研究,主要對象是上組合風化殼氣藏,對低含量硫化氫的形成機理存在爭議,部分學者認為上組合天然氣主要來自上古煤成氣,烴源巖貧硫,加之上組合缺少膏巖層發(fā)育,所以風化殼儲層整體低含硫化氫[58];而代金友等人的研究發(fā)現(xiàn),靖邊氣田馬五1—馬五4亞段石膏層最厚可達28m,平均厚度為6.8m,并認為硫化氫的含量受地層水分布的局限性控制[56]。

靖邊氣田各層位的含硫物質的硫同位素分析結果顯示, 無論上組合、 中組合還是下組合,δ34S硬石膏值均分布在+25.0‰～+28.5‰之間,平均值為+27.0‰,表明硬石膏為馬家溝組原生沉積;δ34S硫化氫值分布在+15.0‰～+19.0‰之間,平均值為+18.0‰,由于TSR反應導致的硫同位素分餾范圍一般為10.0‰～20.0‰,表明靖邊氣田各層位H2S屬于TSR成因;上組合風化殼儲層中富含重金屬離子,H2S極易轉化為黃鐵礦,使得風化殼儲層中發(fā)育大量立方體或八面體的黃鐵礦,δ34S硬石膏值分布在0‰～+19.0‰之間,分布范圍較大;中組合、下組合儲層常見硫磺充填,未見黃鐵礦,δ34S硫磺值分布在+15.0‰～+20.0‰之間,平均值為18.2‰,烴源巖中常見立方體或八面體的黃鐵礦,δ34S黃鐵礦值分布+15.0‰～+19.0‰之間,平均值為18.0‰,中組合、下組合硫磺和黃鐵礦硫同位素組成均指示其為TSR的次生產(chǎn)物(見圖8)。綜上所述,靖邊氣田成烴、成藏演化過程中均伴隨TSR作用,上組合硫化氫含硫較低的原因主要是大量硫化氫轉化為黃鐵礦,中組合、下組合儲層中由于缺少能夠消耗硫化氫的重金屬離子,導致現(xiàn)今氣藏硫化氫含量普遍較高。

圖8 馬家溝組含硫物質硫同位素組成分布Fig.8 Distribution of sulfur isotope composition of sulfur-bearing materials in the Majiagou Formation

地質實際研究和模擬實驗結果表明,TSR作用在消耗烴類物質的同時,還會造成烴類碳同位素變化,由于12C-12C與13C-13C之間的鍵能不同,在TSR過程中12C-12C優(yōu)先破裂,12C更多地參與了反應而形成碳同位素組成較輕的CO2,13C則更多地保留在殘余的烴類中,使其相對富集13C而導致碳同位素組成變重。鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)奧陶系經(jīng)歷的熱演化程度較高,TSR達到了消耗重烴氣(C2+)的階段,甲烷碳同位素組成變輕,乙烷以上烴碳同位素組成依次反向變重。靖邊氣田奧陶系天然氣乙烷δ13C值主體分布在-38.0‰～-24.0‰之間,甲烷δ13C值主體分布在-46.0‰～-30.0‰之間(見圖4),顯示部分天然氣遭受TSR改造,導致乙烷碳同位素組成變重,甲烷碳同位素組成變輕。

3.3 南北地質背景差異導致天然氣碳同位素組成異常

馬家溝組是靖邊氣田的主力產(chǎn)層,已探明的天然氣儲量主要分布在古巖溶發(fā)育的奧陶系頂部風化殼中,氣田整體屬于受古構造、巖相古地理及巖溶古地貌等制約的地層巖性復合圈閉的隱蔽氣藏[59-62]。靖邊氣田大部分位于馬五期陜北鹽湖西側,古地理環(huán)境為含膏湖的硬石膏巖、白云巖盆緣坪,即蒸發(fā)潮坪,北邊受北部局限海影響,南邊受南部開闊海影響,西邊隔著環(huán)陸云坪與慶陽古陸相望[63-65],形成了南邊含膏層系薄,北邊含膏層系厚的格局。受封蓋條件差異和古隆起的影響,靖邊氣田風化殼氣藏總體為應為上古生界煤成氣和下古生界油型氣的混合氣,但南北天然氣地球化學差異明顯,氣田南部天然氣顯示乙烷等重烴組分含量低,大多數(shù)樣品的濕氣系數(shù)小于2%,天然氣甲烷碳同位素組成顯著偏重,乙烷碳同位素組成較輕,出現(xiàn)碳同位素系列倒轉。

熱演化程度是導致碳同位素系列倒轉的基本條件,靖邊氣田南北跨度大,南部上古生界煤系烴源巖RO達到2.2%～3.0%[66],推測其下伏海相烴源巖經(jīng)歷過高過成熟階段,通常當乙烷等重烴組分含量極低的高演化天然氣混入少量乙烷等重烴組分含量高、碳同位素組成顯著偏輕的天然氣就可形成天然氣的乙烷等重烴組分碳同位素異常偏輕、碳同位素倒轉[28]。風化殼氣藏中乙烷含量很低時,混入含有少量具有較輕乙烷碳同位素組成的天然氣等就會導致重烴組分碳同位素異常與

碳同位素的倒轉,而這種天然氣可能來自馬家溝組及更老層系的海相烴源的貢獻。

稀有氣體同位素組成從成源、成烴方面也印證油氣的來源特征。劉文匯等(2001)研究顯示,靖邊天然氣中40Ar/36Ar比值與129Xe/130Xe存在負相關關系,體現(xiàn)了年代積累效應(見圖9)[67]。靖邊氣田40Ar/36Ar同位素組成結果顯示,其估算源巖時代在古生界較大的分布范圍,反映氣田中天然氣來源的復雜性。天然氣中重稀有氣體和同位素組成,特別是Xe同位素組成也顯示出兩源復合特征。氣田的東北部與西南部的氣體來源有一定差異?？傮w上,下古生界氣源對西南部貢獻比東北部大。兩類氣體在重稀有氣體同位素組成以及其與Ar同位素組成的關系中均有一定體現(xiàn)。

圖9 靖邊氣田天然氣中40Ar/36Ar與129Xe/130Xe關系圖Fig.9 Relationship between 40Ar/36Ar and 129Xe/130Xe in natural gas from Jingbian gas field

4 結語

靖邊氣田不同層系天然氣地球化學特征與成因存在顯著差異,其中上古天然氣屬于C-P煤系烴源巖形成煤型氣;馬家溝組中下組合天然氣主要與下古生界碳酸鹽巖烴源形成的油型氣有關;馬家溝組上組合天然氣是前兩者混合的結果,其中下古生界烴源貢獻較大,不容忽視。氣田南北地質背景的差異也是造成天然氣地球化學特征差異的重要原因之一。天然氣地球化學特征顯示下古生界存在有效烴源,馬家溝組的干酪根、分散可溶有機質和酸溶有機質是構成烴源物質的三個重要組成部分。有機酸鹽生烴和TSR作用是造成馬家溝組烴源巖無機碳同位素顯著負漂的主要原因,同時也是馬家溝組烴源巖生烴的主要證據(jù)。