鄂爾多斯盆地下古生界烴源巖與天然氣成因

賈方方 王彥超 楊旺 寧佳宇

陜西延長石油（集團）有限責任公司延長氣田采氣五廠 陜西 延安 716000

引言

鄂爾多斯盆地平均每年的天然氣產量大約為452×108m3，大約為全國天然氣總生產量的35.42%，是中國天然氣年產量最多的地區(qū)?，F(xiàn)階段國內針對鄂爾多斯盆地下古生界的產氣源于何處問題產生了較大的爭議，主要表現(xiàn)在下古生界馬溝組地層樣品的有機度分析，僅有3%的樣品的總有機碳（TOC）值達到0.5%。對于那些認為下古生界具備產氣能力的觀點來說，有效的烴源巖的最低TOC值應為0.2%。TOC值高的烴源巖有更大的潛力生成可燃氣體，如煤成氣或油型氣。然而，在該地區(qū)的下古生界馬溝組地層中，僅有少數(shù)樣品的TOC值達到0.5%的閾值。根據(jù)這些樣品的有機度分析結果，可以推斷出下古生界的烴源巖在產氣能力上存在一定的限制。有效的烴源巖通常具備較高的TOC值，而該地區(qū)的樣品中只有少數(shù)樣品達到0.5%的標準。對于持有“下古生界具備產氣能力”的觀點的人來說，這個發(fā)現(xiàn)可能需要進行重新評估。他們認為有效的烴源巖的最低TOC值應為0.2%。但是從古至今均沒有在下古生界發(fā)現(xiàn)過含有機質較為豐富的烴源巖[1]。由于早期的地質勘探技術較低，對能夠分析地下含烴能力的樣品較少，導致分析結果不準確。本文通過對最近幾年在鄂爾多斯盆地新設置的勘探井的天然氣地球化學特征進行分析，對下古生界天然氣的成因進行討論，對下古生界烴源巖的產烴能力進行評價。

1 天然氣成因分類

根據(jù)對鄂爾多斯盆地下古生界和上古生界150口天然氣井的碳同位素測試分析，結合天然氣的物性特征，本研究采用了排水收集法在井口測試過程中對天然氣進行采集，并使用德國ISOPRIME 100氣體同位素質譜儀進行測試，執(zhí)行標準為PDB。通過對天然氣的烷烴氣碳同位素組成的分析。通過采取下古生界馬家溝組地層巖芯740個，進行TOC檢測。測試儀器為法國熱解有機碳分析儀ROCK-EVAL6。測試環(huán)境溫度為300℃，保持恒溫3min，接著以10℃/min的速度升溫至900℃。

采用美國LECO公司的CS-230碳/硫分析儀進行試驗，利用紅外吸收法開展進行實驗。并與SOPRIME 100所測TOC的結果進行對比，結果表明：該兩者實驗所測試的TOC值符合度達到99.8%以上，表明兩種測試方法的科學性。除此以外，還對奧陶系馬家溝組地層的巖樣進行干酪根顯微組分測試[2]。根據(jù)對干酪根、熱分解模式、母質結構、形成機理和δ13Cn-1/n關系系圖等關鍵詞的分析，可以得出以下結論：二定天然氣在δ13Cn-1/n關系圖上呈現(xiàn)出相似的線性關系，這是因為它們具有相似的干酪根特征和母質結構，并且形成機理也存在共同性。本文將鄂爾多斯盆地地下古生界天然氣分為典型煤成氣、典型油型氣與混合氣三種。其中，第三類混合氣又可以分為正碳同位素混合氣與負碳同位素混合氣。具體見圖1所示。

圖1 鄂爾多斯盆地下古生界δ13Cn-1/n分類圖

1.1 典型煤成氣

根據(jù)圖1（a）所示，典型煤成氣在δ13Cn-1/n關系圖中呈現(xiàn)出上凸狀。在這些地區(qū)，下古生界儲層頂部的鋁質泥巖蓋層并不連續(xù)，這導致了上古生界煤層系中形成的大量烴類直接運移至下古生界的風化殼儲層中。這種運移現(xiàn)象對于烴類的保存和儲集機制產生了重要的影響。事實上，烴類物質在煤層系形成后，通過滲流或其他運移機制進入了下古生界的風化殼儲層，從而可能形成了可采集的天然氣資源，因此在圖1（a）中呈現(xiàn)出上凸的趨勢。

1.2 典型油型氣

此類氣體的δ13C1與δ13C2都相對較少，因此其表現(xiàn)出來的形式為油型氣；此外，此類氣體在同位素系列中呈現(xiàn)出線性的關聯(lián)特征，其下古生界氣體的同位素就可以通過奧陶系鹽下的包裹體的烴類所表現(xiàn)出來[3]。結合鄂爾多斯盆地古生界包裹體的烴類同位素組成進行分析，其中包裹體的含氣量δ13C1約在40%，δ13C2約在30%，其氣碳同位素的實際組成部分與油型氣碳的同位素組成部分較為相似，由此可見，油型氣是下古生界自生且能夠自儲的氣體。

油型氣主要分布在盆地的中東部地區(qū)的蘇里格氣田，分布原因主要由以下兩點：

（1）根據(jù)其地質資料顯示，距離靖邊西部的馬五段地層膏鹽剝蝕區(qū)域較遠，因此導致上古生界烴源巖所形成的烴類利用側向位移，到達該地區(qū)的難度提升。

（2）在中東部地區(qū)，鄂爾多斯盆地發(fā)育最為廣泛的馬家溝組地層其存在優(yōu)質的膏鹽環(huán)境，容易形成烴類氣體。

有相關學者明確了在鄂爾多斯盆地，中東部地區(qū)有利于有機質的堆積于保護，因此能夠形成防范發(fā)育的含有機質豐富的烴源巖。

1.3 混合氣

常見的混合氣通常可分為兩類：①正碳同位素混合氣、②負碳同位素混合氣。

（1）正碳同位素混合氣

正碳同位素混合氣的δ13C1約為-30‰，δ13C2約為-20‰。在早期的鄂爾多斯盆地所發(fā)現(xiàn)的靖邊氣田奧陶系地層風化儲層中的天然氣變形形式為此特征，如圖1（c）所示，在δ13Cn-1/n圖中所表現(xiàn)出來的特征是向下凹的形狀，通過對上、下古生界的天然氣同位素對比可知，該氣體在上古生界δ13C1存在大量重疊的現(xiàn)象，而δ13C2的值與上古生界的差別較大。

基于沉積的角度進行分析，考慮到由于志留系末期加里東運動使得地層抬升，導致盆地中部下古生界馬六段以上的地層均受到了不同程度的腐蝕，馬五段地層遭受到了風化作用，對于有機質的保存難度較大，因此現(xiàn)在保存下來的含碳量較低的有機質均是在該地區(qū)成巖時期所形成，并非后期產生的烴[4]。

鄂爾多斯盆地的中部地區(qū)，存在著一系列重要的地層，包括上古生界的石碳-二疊系和下古生界的奧陶系。這兩個時期的地層在烴源巖的形成和天然氣產生方面起著重要的作用。上古生界的石碳-二疊系是一套海相地層，被廣泛認可為是該盆地的重要烴源巖之一。這些烴源巖富含有機質，在適當?shù)牡刭|條件下可以產生天然氣。與之相鄰的是下古生界的奧陶系地層，也是另一套海相地層，具有潛在的烴源巖特征。這兩個地層與下古生界的風化殼地層直接接觸，但它們對風化殼中天然氣的貢獻程度有所不同。煤系烴源巖是最具有潛力的烴源巖類型。這些煤系烴源巖的質量較高，含有豐富的有機質，因此在天然氣儲層的形成過程中起著主要的貢獻作用。它們在地質演化過程中經歷了高溫高壓的作用，從而轉化為天然氣，并在砂巖等儲層中聚集形成可采的天然氣儲層。針對上古生界與下古生界在中部地區(qū)其所含的烴源巖均存在一定的厚度。經過對比分析發(fā)現(xiàn)，上古生界太原組地層絕大多數(shù)的巖石樣品的額TOC值均不到0.5%，只有一小部分的樣品TOC值大于0.5%，但巖石樣品總體測TOC值較高；對于下古生界馬家溝地層頂層的風化殼TOC值均較低。二套地層均與風化殼直接接觸，因此對比可知，產氣能力上古生界的貢獻較大。下古生界的產氣主要源于煤系，同時夾雜著源自上古生界的貢獻。

（2）負碳同位素混合氣

此類氣體的δ13C1約為-40‰，δ13C2約為-30‰，如圖1（d）所示，其表現(xiàn)出δ13C1>δ13C2的特征。此類氣體是在最近隨著勘探開發(fā)向盆地南部擴展過程中菜發(fā)現(xiàn)的，據(jù)目前資料分析，此類氣體主要分布在吳起至華池地區(qū)，其成熟度是全盆地成熟度最高的區(qū)域，Ro值在2.0%～3.0%，目前已經定義為成熟階段。結合北美地區(qū)頁巖氣高度成熟階段，其甲烷與乙烷經常出現(xiàn)同位素倒轉的現(xiàn)象，我國鄂爾多斯盆地地質構造相對穩(wěn)定，由于缺少深部大斷裂帶，無法構成無機氣的來源，因此，此類現(xiàn)象也可能是由于烴源巖的成熟度過高所導致。對于此類天然氣的氣源。從乙烷碳同位素的角度進行研究，可定義為油型氣，而實際上，此類氣的來源較為復雜。結合國外對成熟度過高的氣體研究可知，在成熟階段，其甲烷與乙烷組成規(guī)律與正常形成階段存在明顯的差異，雖然對于甲乙烷碳同位素的組成與演化規(guī)律均存在著一定的爭議，但是現(xiàn)階段均認為乙烷碳同位素在成熟階段呈現(xiàn)出變輕的趨勢。進一步出現(xiàn)了δ13C1>δ13C2的特征，結合這一現(xiàn)象，如果煤成氣在氣成熟過程中，乙烷同位素的組成成分也會變輕，進一步出現(xiàn)了同位素倒轉的現(xiàn)象，以至于出現(xiàn)顯示油型氣的特征。利用碳同位素在氣成熟階段無法對煤層氣與油型氣進行準確的判別。在我國鄂爾多斯盆地也曾發(fā)現(xiàn)的下古生界與上古生界倒轉氣的現(xiàn)象，此類氣體也有可能源自于上古生界煤成氣。

通過對鄂爾多斯盆地地質背景分析，由于盆地南下部地區(qū)儲氣層與上午古生界煤層直接接觸，且其他區(qū)域也存在著煤成氣甲乙烷同位素倒轉現(xiàn)象，因此，此類氣體可能為上古生界在成熟過程中多下灌至下古生界。對于同一口井所產生的上古生界與下古生界出現(xiàn)甲烷、乙烷同位素倒轉現(xiàn)象，但是在下古生界含碳同位素均要高于上古生界且碳同位素較低。經分析，下古生界的倒轉氣中很可能滲入了一定的油型氣，結合地區(qū)對靖邊南部烴源巖的分析，在吳起至華池一代，下古生界的烴源巖厚度高，且有機質含量豐富，因此可知，該地區(qū)下古生界具有較高的天然氣產能。但是，現(xiàn)階段對煤成氣的成熟演化相應的地球化學規(guī)律認識較淺，仍需進行深入的分析。

2 下古生界烴源巖評價

2.1 有機質豐度

結合世界碳酸鹽巖所含的烴源巖進行分析，工業(yè)性碳酸鹽巖的TOC值均大于0.5%，基于開采的方面，鄂爾多斯下古生界的碳酸鹽巖無法作為工業(yè)性烴源巖，處于其成熟度過高的特點，利用TOC值進行評價較為合理。

從該地區(qū)烴源巖進行分析，在鄂爾多斯盆地的中部與東部下古生界存在有效的烴源巖。雖然現(xiàn)階段的勘探開發(fā)進度對其取芯分析的研究較少，但問研究結合了大量的現(xiàn)場實際資料進行對比分析。從整體而言，盆地中東部地區(qū)烴源巖中TOC值均在0.5%～1.1%，結合地區(qū)下古生界地層巖石主要以碳酸鹽巖為主，砂巖與泥巖的比例較低，結合對下古生界馬家溝組地層的研究，TOC值拒戶不存在大于0.4的樣品。該研究明確了鄂爾多斯盆地下古生界具有產氣生烴的能力。

2.2 有機質類型

巖石所含有機質的類型主要是由于原始生物與其自身的沉積環(huán)境所導致，盆地產生烴源巖生物主要為藻類為主的水生生物，其具備優(yōu)質的母質來源；在后期沉積的過程中，沉積環(huán)境的氧化程度尚未確定，結合以往的相關研究，如今含有機質較低的烴源巖大多是由于氧化作用，導致有機質的類型質量變差。相關研究表明，有機質含量豐富的巖石，大多是由于還原了沉積，其自身的有機質得以保存下來，且有機質的類型較好。對于在成熟階段的烴源巖，通過熱分解測試得到的含氫與含氧指數(shù)，如果由于其成熟度較高，就會對其失去研究價值，利用有機顯微技術進行分析，對有機質而言仍然是一種有效的判斷方法。

3 結束語

綜上所示，鄂爾多斯盆地下古生界的天然氣實際源自于上古生界的煤成氣，在地區(qū)的中東部，發(fā)現(xiàn)了下古生界能夠自生自儲的油型氣，且在下古生界地層發(fā)育一定厚度的烴源巖，能夠作為下古生界產氣的源頭。本文結合了烴源巖的有效評價，對鄂爾多斯地區(qū)下古生界烴源巖與天然氣的成因進行了討論，為地區(qū)下一步的勘探開發(fā)區(qū)域選擇，提供理論。