鄂爾多斯盆地延安地區(qū)下古生界天然氣氣源分析

王香增，曹紅霞，曹 軍，高 潮

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710065)

0 引言

鄂爾多斯盆地下古生界發(fā)育海相碳酸鹽巖沉積地層。20世紀(jì)80年代，長慶油田在盆地中部下古生界發(fā)現(xiàn)靖邊氣田，隨后下古生界天然氣勘探在縱向和橫向上不斷突破。21世紀(jì)初，延長石油集團(tuán)開始在鄂爾多斯盆地東南部進(jìn)行天然氣勘探，近年來在下古生界獲得多口1×106m3高產(chǎn)氣流井，累積探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過20×1010m3，打開了盆地東南部下古生界天然氣勘探新局面。前人從不同角度對盆地不同區(qū)域下古生界的天然氣氣源進(jìn)行了研究，但在認(rèn)識上也存在一定的分歧，主要有以下幾種觀點(diǎn)：陳安定[1]、黃第藩[2]等人對鄂爾多斯盆地中部靖邊氣田下古生界的天然氣成因及運(yùn)移進(jìn)行了探討，認(rèn)為奧陶系儲(chǔ)集氣以奧陶系來源的油型氣為主；張士亞[3]、夏新宇[4]等人對靖邊氣田天然氣碳同位素組成特征進(jìn)行分析，認(rèn)為下古生界氣源為上古生界煤成氣；楊華[5]等人提出上古生界煤系烴源巖為下古生界提供了豐富的氣源；李浩[6]等人提出延安氣田馬家溝組氣源以煤型氣為主、油型氣為輔；王杰[7]等人對盆地南部富縣地區(qū)下古生界的天然氣成因及氣源進(jìn)行了綜合識別，認(rèn)為富縣地區(qū)下古生界以油型氣為主、煤成氣為輔。受勘探程度限制，前人對于延安地區(qū)下古生界天然氣氣源的研究較少。該研究在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，較為詳盡地對延安地區(qū)下古生界天然氣進(jìn)行取樣測試，確定天然氣組分特征及來源，為后期地質(zhì)研究和儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)提供重要依據(jù)。

1 氣源巖特征及分布

根據(jù)野外露頭和鉆井巖心資料綜合分析，海相烴源巖發(fā)育于低能水體及相對還原的碳酸鹽巖與蒸發(fā)巖互層沉積中，而研究區(qū)的泥質(zhì)碳酸鹽巖以及含藻類碳酸鹽巖廣泛發(fā)育，是下古生界主要的烴源巖。圖1所示為延安地區(qū)及周緣馬家溝組烴源巖分布圖，平面上，海相烴源巖主體分布在榆林—靖邊—志丹和子洲—子長2個(gè)區(qū)域，平均TOC>2.50%，烴源巖累計(jì)厚度大于70 m。垂向上，受巖相因素影響，研究區(qū)馬五6亞段厚層膏鹽巖之下(簡稱“鹽下”)烴源巖主要分布在馬五6～馬五10亞段，“鹽上”烴源巖主要分布在馬五1～5亞段。圖2所示為延安地區(qū)馬家溝組綜合柱狀剖面圖。

圖1 延安地區(qū)及周緣馬家溝組烴源巖分布圖Fig.1 Distribution map of source rocks of Majiagou Formation in Yan’an Area and its periphery

圖2 延安地區(qū)馬家溝組綜合柱狀剖面圖Fig.2 Comprehensive columnar profile map of Majiagou Formation in Yan’an Area

2 天然氣地球化學(xué)特征及成因判別

天然氣地球化學(xué)特征是天然氣成因類型、成熟度和烴源巖識別最直接、最有力的依據(jù)，鄂爾多斯盆地延安地區(qū)下古生界天然氣主力產(chǎn)氣層為奧陶系馬家溝組。

2.1 天然氣組分特征

延安地區(qū)下古生界馬家溝組天然氣以烴類氣體為主，其天然氣組分直方圖如圖3所示。甲烷為主要?dú)怏w，含量為81.255%～98.170%，平均值為91.610%；重?zé)N氣含量為0.001%～2.421%，平均值為0.203%。天然氣可分為干氣和濕氣，一般認(rèn)為重?zé)N含量≥5%的為濕氣，重?zé)N含量<5%的為干氣，延安地區(qū)下古生界天然氣以“干氣”為主。

圖3 延安地區(qū)下古生界天然氣組分直方圖Fig.3 Histogram of Lower Paleozoic natural gas composition in Yan’an Area

研究區(qū)天然氣干燥系數(shù)(C1/C1～5)為96.94%～99.80%，平均值為99.12%，具有過成熟干氣的特征。通過對比分析可知，研究區(qū)天然氣干燥系數(shù)與氣層深度之間沒有直接相關(guān)性。

非烴氣體的組分豐度在一定程度上反映了天然氣的演化程度、運(yùn)移以及來源。延安地區(qū)下古生界非烴氣體主要有CO2，N2，H2S及He等，其中CO2和N2含量相對較大，平均值分別為4.206 0%和2.863 0%，H2S，He和H2含量較少。延安地區(qū)下古生界天然氣組分特征見表1。

2.2 天然氣碳同位素特征

天然氣組分碳同位素分析表明，延安地區(qū)下古生界天然氣碳同位素δ13C1為-35.6‰～-29.4‰，平均值為-32.9‰；δ13C2為-37.8‰～-29.2‰，平均值為-34.5‰；δ13C3為-33.3‰～-26.2‰，平均值為-29.2‰，碳同位素組成具有油型氣特征[8]。原生烷烴氣的碳同位素隨烷烴氣分子的碳數(shù)順序遞變,當(dāng)烷烴氣的δ13C值不按分子碳數(shù)順序遞增或遞減時(shí),即稱作碳同位素倒轉(zhuǎn)[9-10]。延安地區(qū)部分天然氣甲烷和乙烷碳同位素系列倒轉(zhuǎn),表現(xiàn)出δ13C1>δ13C2<δ13C3的特征，推斷天然氣可能為不同層段海相烴源巖生成氣或同一層段海相烴源巖在不同成熟階段生成氣的混合[9-10]。

表1 延安地區(qū)下古生界天然氣組分特征Table 1 Composition characteristics of Lower Paleozoic natural gas in Yan’an Area

2.3 天然氣成因判別

戴金星根據(jù)國內(nèi)外天然氣烷烴氣碳同位素的實(shí)測結(jié)果，編制了天然氣成因類型鑒別表，并制定了有機(jī)烷烴氣中煤型氣和油型氣的鑒別圖版[11-12]。天然氣中的甲烷碳同位素值受成熟度和運(yùn)移影響較大，乙烷碳同位素值受有機(jī)質(zhì)類型影響較大，因此可以結(jié)合兩者進(jìn)行氣源判別。該文根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]天然氣成因劃分標(biāo)準(zhǔn)，判斷延安地區(qū)下古生界天然氣為油型氣。延安地區(qū)天然氣成因劃分標(biāo)準(zhǔn)及碳同位素特征見表2。

表2 天然氣成因劃分標(biāo)準(zhǔn)及延安地區(qū)碳同位素特征Table 2 Genetic classification criteria of natural gas and carbon isotope characteristics in Yan’an Area

研究區(qū)甲烷碳同位素δ13C1為-35.6‰～-29.4‰，乙烷碳同位素δ13C2為-37.8‰～-29.2‰，丙烷碳同位素δ13C3為-33.3‰～-26.2‰。依據(jù)戴金星[11-12]煤成氣和油型氣鑒別圖版，延安地區(qū)下古生界天然氣甲烷-乙烷-丙烷碳同位素?cái)?shù)值主要位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，即油型氣和碳同位素系列倒轉(zhuǎn)混合氣區(qū)域，如圖4所示。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和甲烷-乙烷-丙烷碳同位素?cái)?shù)值，推斷延安地區(qū)下古生界天然氣混合氣可能為不同層段海相烴源巖生成氣或同一層段海相烴源巖在不同成熟階段生成氣的混合。

圖4 延安地區(qū)下古生界天然氣碳同位素特征及成因類型Fig.4 Carbon isotopic characteristics and genetic types of Lower Paleozoic natural gas in Yan’an Area

3 結(jié)論

1)延安地區(qū)下古生界烴源巖主要發(fā)育于海相碳酸鹽巖-膏鹽巖沉積組合中，含藻類或含泥質(zhì)碳酸鹽巖、泥巖可形成有效烴源巖，平均TOC>2.50%，烴源巖累計(jì)厚度大于70 m。

2)延安地區(qū)下古生界天然氣甲烷平均含量為91.61%，含少量重?zé)N、二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫、氫氣及氦氣，天然氣干燥系?shù)大于95%，為干氣氣藏。

3)甲烷碳同位素δ13C1為-35.6‰～-29.4‰，乙烷碳同位素δ13C2為-37.8‰～-29.2‰，丙烷碳同位素δ13C3為-33.3‰～-26.2‰，具有油型氣特征，表明氣源主要來自海相烴源巖。部分天然氣甲烷和乙烷碳同位素系列倒轉(zhuǎn)，推斷天然氣可能為不同層段海相烴源巖生成氣或同一層段海相烴源巖在不同成熟階段生成氣的混合。