鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)天然氣地球化學(xué)特征及氣源探討

張 邁,宋到福,王鐵冠,何發(fā)岐,張 威,安 川,劉 悅,陸振港

1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與工程全國重點實驗室,北京 102249;2.中國石化 華北油氣分公司,鄭州 450000

鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣盆地之一,其上古生界發(fā)育有大型巖性油氣藏。近年來隨著勘探開發(fā)工作的不斷深入,在盆地北部先后發(fā)現(xiàn)了蘇里格、榆林、烏審旗、大牛地以及東勝等大中型氣田[1-5]。杭錦旗地區(qū)隸屬于東勝氣田,截至目前該地區(qū)天然氣探明儲量已達(dá)千億立方米,勘探潛力巨大[6-7]。前人對杭錦旗地區(qū)天然氣的成藏地質(zhì)條件、成因類型以及成藏期次等方面開展了一系列研究,尤歡曾、楊華等[8-9]基于對研究區(qū)成藏條件的分析,指出區(qū)內(nèi)呈廣覆性展布的石炭系—二疊系的太原組—山西組煤系烴源巖為油氣成藏提供了優(yōu)質(zhì)的烴源條件,而二疊系廣泛發(fā)育的河流相、三角洲相等沉積體系則形成了良好的儲蓋組合;彭威龍等[10]通過將區(qū)內(nèi)天然氣與其他氣田天然氣進(jìn)行對比分析,認(rèn)為研究區(qū)天然氣主要來源于下伏煤系烴源巖,而非相鄰的氣田;紀(jì)文明、徐波等[11-12]針對這批煤系烴源巖開展了一系列研究,認(rèn)為研究區(qū)氣源巖生烴強度高,為較好—非常好烴源巖,其展布與演化主要受區(qū)內(nèi)古構(gòu)造及其演化控制,泊爾江海子斷裂以南的烴源巖要優(yōu)于斷裂以北的烴源巖;倪春華、薛會等[13-14]基于對天然氣地球化學(xué)特征的分析認(rèn)為其主體為煤型氣,且處于成熟—高成熟演化階段;此外薛會等[15]還通過生烴時間法、流體包裹體法等方法指出研究區(qū)天然氣存在2期成藏。以往的研究雖對區(qū)內(nèi)天然氣特征有了一定的認(rèn)識,卻均將其成藏視為一個整體的過程,籠統(tǒng)地認(rèn)為石炭系—二疊系的煤系烴源巖為其主力氣源巖,而不同層位烴源巖的貢獻(xiàn)則缺乏進(jìn)一步的探討。近期我們的研究發(fā)現(xiàn),杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶天然氣的地球化學(xué)特征存在著較明顯的差異,且太原組和山西組2套氣源巖之間也存在著明顯差別[16-17]。因此,詳細(xì)對比剖析不同區(qū)帶天然氣的有機地球化學(xué)組成特征,厘清各區(qū)帶天然氣的具體來源及成藏過程的差異性,對該區(qū)下一步天然氣勘探開發(fā)有著重要的意義。

本文通過氣相色譜分析、碳同位素分析等技術(shù)手段,對杭錦旗地區(qū)3個主力勘探區(qū)帶上古生界天然氣的地球化學(xué)特征進(jìn)行了詳盡的分析,進(jìn)一步明確它們在成因以及來源上的區(qū)別,以期對該地區(qū)后續(xù)的天然氣運移成藏研究工作提供幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部(下面簡稱鄂北),其礦區(qū)跨越伊盟隆起、天環(huán)坳陷和伊陜斜坡3個一級構(gòu)造單元,勘探面積約8 940 km2[6-7]。受到鄂北地形的影響,在構(gòu)造上研究區(qū)呈現(xiàn)為一“北高南低、東高西低”的大型單斜,區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有泊爾江海子、烏蘭吉林廟和三眼井3條近東西向斷裂。以泊爾江海子斷裂為界,研究區(qū)可以劃分為南、北2個區(qū)域,其中北部地區(qū)構(gòu)造整體上比較復(fù)雜,斷層發(fā)育,而南部地區(qū)構(gòu)造則相對平緩[16-21]。目前研究區(qū)天然氣主要開發(fā)區(qū)為北部的什股壕區(qū)帶以及南部的獨貴加汗和新召區(qū)帶(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)位置及采樣點分布據(jù)文獻(xiàn)[16]修改。

在加里東運動晚期,由于盆地北緣整體抬升遭受剝蝕,研究區(qū)上石炭統(tǒng)以前的地層均缺失,因此由老至新研究區(qū)先后沉積有石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系以及第四紀(jì)[22-25](圖2)。上石炭統(tǒng)太原組與下二疊統(tǒng)山西組的煤系烴源巖是研究區(qū)油氣的主要來源,其在全區(qū)均有分布,且在平面上呈現(xiàn)出“北厚南薄、東厚西薄”的展布特征,烴源巖有機質(zhì)含量高,均以Ⅲ型干酪根為主,成熟度也自西南向東北逐漸減小;二疊系下石盒子組發(fā)育有大套致密砂巖,分布較廣,為天然氣的運移和聚集提供了良好的條件,是研究區(qū)的主要產(chǎn)氣層;二疊系上石盒子組與石千峰組發(fā)育的泥巖緊覆于致密砂巖之上,形成了較好的蓋層[26-29]。

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)地層分布據(jù)文獻(xiàn)[23]修改。

2 樣品采集與實驗分析

本次研究在研究區(qū)不同區(qū)帶采集上古生界天然氣樣品共62件,其中什股壕區(qū)帶15件,獨貴加汗區(qū)帶33件,新召區(qū)帶14件(表1),采樣點位分布如圖1所示。所開展的天然氣氣相色譜、同位素測試等分析實驗均在中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程全國重點實驗室完成。

表1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣組分及穩(wěn)定碳同位素數(shù)據(jù)

2.1 天然氣氣相色譜分析

通過不銹鋼管將氣瓶與進(jìn)樣口連接,打開氣瓶出口閥,用氣樣對進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)行吹掃15～30 s后,啟動采集程序并關(guān)閉出口閥,使氣樣隨載氣流進(jìn)入色譜柱中。本次所用儀器為Agilent 8890氣相色譜儀,色譜柱HP-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm),載氣為氦氣,柱流量1.0 mL/min。

2.2 天然氣同位素測定

在過飽和鹽水中通過排水集氣法富集天然氣后,用注射器抽取50 μL天然氣樣品注入儀器,隨后啟動采集程序,天然氣各烴類組分在氧化裝置中轉(zhuǎn)化為二氧化碳并隨載氣流進(jìn)入同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行碳同位素組成測定。所選用儀器為MAT 253穩(wěn)定同位素測定儀,色譜柱HP-PLOT Q (30 m×0.53 mm×40 μm),載氣為氦氣,柱流量1.3 mL/min。為確保實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,在樣品測定過程中,每測12個樣品后插入一個標(biāo)準(zhǔn)樣品對儀器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

3 天然氣地球化學(xué)特征

3.1 天然氣組分特征

本次分析所檢測到的天然氣烴類氣體組分包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷等(表1)。甲烷為烴類氣體的主要成分,其相對含量占總組分的55.12%～94.55%,平均值為81.45%,其中什股壕、獨貴加汗、新召區(qū)帶天然氣甲烷含量分別為59.08%～90.64%、57.57%～94.55%、55.12%～87.12%,平均值分別為78.74%、84.18%、77.90%(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶天然氣組分含量

研究區(qū)天然氣干燥系數(shù)(C1/ΣC1-5)變化范圍為0.77～0.97,平均值為0.90,整體上呈現(xiàn)出濕氣的特征[30-31]。就不同區(qū)帶而言,什股壕區(qū)帶干燥系數(shù)為0.82～0.94,平均值為0.92,均為濕氣;獨貴加汗區(qū)帶干燥系數(shù)為0.77～0.97,平均值為0.91,其中干燥系數(shù)小于0.95的樣品占87.88%,以濕氣為主;新召區(qū)帶干燥系數(shù)為0.83～0.95,平均值為0.87,均為濕氣(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶天然氣干燥系數(shù)頻數(shù)分布直方圖

二氧化碳、氮氣等非烴類氣體在所有樣品中均有檢測到,其中二氧化碳相對含量普遍較低,最高僅達(dá)2.26%;氮氣含量大部分低于6%,但部分井位(如S4井、S7井、S13井等)氮氣含量明顯較高(>30%)。由于采樣時部分地區(qū)正在開展連續(xù)油管氮氣氣舉排液工藝,故推測該工藝導(dǎo)致了天然氣中氮氣含量遠(yuǎn)高于正常范圍。

3.2 天然氣碳同位素特征

杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣甲烷、乙烷、丙烷等烷烴氣的碳同位素分布范圍分別為-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰、-27.3‰～-23.0‰(表1)。其中,什股壕區(qū)帶烷烴氣碳同位素為-33.7‰～-31.3‰(δ13C1)、-27.3‰～-25.4‰(δ13C2)和-25.6‰～-23.9‰(δ13C3);獨貴加汗區(qū)帶烷烴氣碳同位素為-36.5‰～-32.6‰(δ13C1)、-28.2‰～-25.6‰(δ13C2)和-27.3‰～-24.0‰(δ13C3);新召區(qū)帶烷烴氣碳同位素為-35.1‰～-33.6‰(δ13C1)、-24.9‰～-23.9‰(δ13C2)和-24.9‰～-23.0‰(δ13C3)。主體上,3個區(qū)帶烷烴氣碳同位素均呈現(xiàn)出δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布特征(圖5),但不同區(qū)帶天然氣碳同位素組成之間仍存在差異。在甲烷碳同位素方面,什股壕區(qū)帶的δ13C1值普遍偏重,獨貴加汗區(qū)帶次之,新召區(qū)帶δ13C1值最輕,這可能與油氣運移過程中甲烷碳同位素分餾效應(yīng)有關(guān),但不排除母源與成熟度的影響;在乙烷、丙烷等重?zé)N氣碳同位素方面,新召區(qū)帶天然氣δ13C2值和δ13C3值明顯重于獨貴加汗區(qū)帶和什股壕區(qū)帶天然氣,表明它們的天然氣來源可能不同。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶烷烴氣碳同位素組成特征

4 天然氣成因類型鑒別及氣源探討

4.1 天然氣成因類型鑒別

天然氣的碳同位素值一般與烴源巖母質(zhì)類型及成熟度有關(guān),故而通常將天然氣碳同位素組成作為鑒別成因類型的指標(biāo)[32-34]。通常無機成因氣具有負(fù)碳同位素系列,即δ13C1>δ13C2>δ13C3,而有機成因烷烴氣則具有正碳同位素系列,即δ13C1<δ13C2<δ13C3。根據(jù)前文對研究區(qū)天然氣碳同位素組成分析結(jié)果可知,什股壕、獨貴加汗以及新召區(qū)帶的天然氣碳同位素均呈正序列分布,說明天然氣為有機成因氣。此外,與有機成因氣相比,無機成因氣的碳同位素往往要重得多。戴金星提出,以δ13C1值為-30‰作為劃分天然氣無機成因和有機成因的界限,當(dāng)δ13C1>-30‰時為無機成因氣,而當(dāng)δ13C1<-30‰時則為有機成因氣[35-36]。研究區(qū)3個區(qū)帶δ13C1最大值分別為-31.3‰、-32.6‰和-33.6‰,進(jìn)一步證明其均為有機成因天然氣。

根據(jù)油型氣和煤型氣在天然氣碳同位素組成方面的差異,國內(nèi)外學(xué)者編制了一系列成因類型鑒別圖版。例如,在天然氣δ13C1—δ13C2成因鑒別圖(圖6)中,什股壕、獨貴加汗以及新召3個區(qū)帶的天然氣與腐殖氣(煤型氣)δ13C1—δ13C2分布特征一致,表明其主要為腐殖氣(煤型氣)[37-38]。同樣,從戴金星提出的有機不同成因烷烴氣δ13C1—δ13C2—δ13C3鑒別圖(圖7)中我們可以看出,研究區(qū)3個區(qū)帶天然氣的數(shù)據(jù)點主要分布于Ⅰ類煤型氣區(qū),反映研究區(qū)天然氣整體上具有煤型氣的特點[35,39]。從天然氣δ13C2與(δ13C2-δ13C1)相關(guān)關(guān)系鑒別圖(圖8)中可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)天然氣均以中—晚期腐殖型氣為主,說明其氣源巖處于高成熟—過成熟熱演化階段[40]。

圖6 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)有機成因氣δ13C1—δ13C2鑒別據(jù)文獻(xiàn)[37-38]修改。

圖7 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)有機成因烷烴氣δ13C1—δ13C2—δ13C3劃分根據(jù)文獻(xiàn)[35,39]修改。

圖8 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)天然氣δ13C2與δ13C2-δ13C1相關(guān)關(guān)系鑒別根據(jù)文獻(xiàn)[40]修改。

除碳同位素外,天然氣組分含量特征以及其比值特征也可以作為鑒別天然氣成因類型的指標(biāo)。謝增業(yè)等[41]根據(jù)ln(C2/C3)隨ln(C1/C2)變化的速率建立了干酪根裂解氣和原油裂解氣判識圖版,由圖9可見,3個區(qū)帶的天然氣數(shù)據(jù)點基本上都落在干酪根裂解氣區(qū)域,說明天然氣主要為干酪根裂解氣。此外,ln(C2/C3)和ln(C1/C2)變化速率的相關(guān)關(guān)系還可以用于區(qū)分干酪根初次裂解氣和二次裂解氣。PRINZHOFER等[42]指出,ln(C1/C2)變化速率較快,而ln(C2/C3)變化速率較緩,為干酪根初次裂解氣,反之則為干酪根二次裂解氣。研究區(qū)3個區(qū)帶天然氣ln(C1/C2)變化速率明顯較ln(C2/C3)快,說明研究區(qū)天然氣可能以干酪根初次裂解氣為主。

圖9 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)天然氣ln(C1/C2)— ln(C2/C3)交會圖根據(jù)文獻(xiàn)[41-42]修改。

4.2 天然氣氣源探討

天然氣乙烷、丙烷碳同位素主要取決于其氣源巖的碳同位素組成,雖然在運移過程中會產(chǎn)生一定的分餾,但較甲烷而言,由于乙烷和丙烷的相對分子質(zhì)量較大,同位素分餾程度相對要小得多,故而δ13C2與δ13C3可以作為較好的氣源判識參數(shù)[43]。從圖5和圖10中不難發(fā)現(xiàn),新召區(qū)帶天然氣δ13C2和δ13C3值較其余2個區(qū)帶明顯偏重,而在什股壕和獨貴加汗2個區(qū)帶天然氣數(shù)據(jù)點中后者δ13C2和δ13C3值相對更輕。根據(jù)對研究區(qū)2套烴源巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),山西組烴源巖有機質(zhì)來源中高等陸生植物輸入較多,而太原組烴源巖有機質(zhì)來源中低等水生生物的貢獻(xiàn)更高,因而太原組烴源巖干酪根碳同位素整體上要輕于山西組[14]。由此分析推測,新召區(qū)帶天然氣可能多為山西組煤系烴源巖供烴,而什股壕和獨貴加汗區(qū)帶天然氣則來源于2個層位烴源巖的共同貢獻(xiàn),其中太原組煤系地層對后者的貢獻(xiàn)可能相對更高。

圖10 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)天然氣烷烴碳同位素氣源判識

結(jié)合烴源巖展布等地質(zhì)背景來看,杭錦旗地區(qū)烴源巖主要分布于獨貴加汗區(qū)帶以東的伊金霍洛旗一帶,且呈現(xiàn)由東南向西北厚度逐漸減薄的趨勢[14,44]。新召地區(qū)由于距離東部烴源灶太遠(yuǎn),且砂體儲層較致密,東部生成的天然氣無法長距離運移至該區(qū)成藏,故而該區(qū)帶以源內(nèi)致密巖性成藏為主[45],天然氣主要來源于下伏烴源巖。然而,由于溝通儲層與烴源巖的通道為加里東運動時期形成的小斷裂,這些斷裂斷距小,開啟性差,太原組烴源巖生成的天然氣很難向上穿過山西組煤和泥巖等致密巖層到達(dá)下石盒子組,因此新召區(qū)帶天然氣可能以鄰近的山西組烴源巖生成的天然氣為主[20,46]。獨貴加汗地區(qū)靠近東南部烴源灶,且有烏蘭吉林廟斷裂作為通道[47],早期太原組烴源巖生成的天然氣能夠運移至該區(qū)成藏。隨后在燕山運動作用下,東部地層強烈抬升,研究區(qū)整體呈現(xiàn)為“北東高、南西低”的構(gòu)造格局,山西組烴源巖進(jìn)入生烴高峰期后生成的天然氣主要向北東方向運移[8,48],因此西部獨貴加汗區(qū)帶天然氣中山西組烴源巖生成天然氣的貢獻(xiàn)較低,以太原組烴源巖生成的天然氣為主。什股壕地區(qū)位處泊爾江海子斷裂以北,區(qū)內(nèi)太原組烴源巖不發(fā)育,山西組烴源巖厚度普遍較薄且生氣強度低[13],無法源內(nèi)成藏;但由于該地區(qū)位于烴源灶北部,早期太原組烴源巖和后期山西組烴源巖生成的天然氣均能運移至此處成藏,故該區(qū)帶天然氣主要來自斷裂南部的太原組和山西組烴源巖[13,20]。

綜上所述,研究區(qū)3個區(qū)帶天然氣的來源存在明顯差異,天然氣成藏過程也不盡相同。造成這種現(xiàn)象的原因除與烴源巖的分布有關(guān)外,還與輸導(dǎo)體系性能及區(qū)域構(gòu)造演化過程有關(guān)。因此,精細(xì)分析不同區(qū)帶天然氣成藏及控制因素的區(qū)別,建立各區(qū)帶天然氣差異成藏模式,能為研究區(qū)下一步天然氣勘探研究提供有利的方向。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)天然氣中甲烷含量高達(dá)55.12%～94.55%,為烴類氣體的主要成分。干燥系數(shù)為0.77～0.97,整體上呈現(xiàn)出濕氣的特征。其中什股壕和新召區(qū)帶干燥系數(shù)均低于0.95,皆為濕氣;而獨貴加汗區(qū)帶天然氣干燥系數(shù)僅少部分高于0.95,以濕氣為主。二氧化碳、氮氣等非烴組分的相對含量在研究區(qū)普遍較低。

(2)研究區(qū)天然氣的δ13C1、δ13C2和δ13C3值分別為-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰和-27.3‰～-23.0‰,不同區(qū)帶碳同位素組成特征之間存在差異。在甲烷碳同位素方面,什股壕區(qū)帶天然氣δ13C1值最重(-33.7‰～-31.3‰),新召區(qū)帶天然氣δ13C1值最輕(-35.1‰～-33.6‰);而在乙烷、丙烷碳同位素方面,新召區(qū)帶天然氣δ13C2、δ13C3值(-24.9‰～-23.9‰、-24.9‰～-23.0‰)要明顯重于其他2個區(qū)帶天然氣。不同區(qū)帶天然氣碳同位素之間的差異表明這3個區(qū)帶天然氣的來源可能不同。

(3)3個區(qū)帶天然氣烷烴氣碳同位素均表現(xiàn)為δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布,且δ13C1值均低于-30‰,呈現(xiàn)有機成因氣的特征。根據(jù)δ13C1、δ13C2、δ13C3組成特征,研究區(qū)天然氣以煤型氣(腐殖型氣)為主,且氣源巖處于高成熟—過成熟熱演化階段;根據(jù)組分含量比值特征,研究區(qū)天然氣均以干酪根初次裂解氣為主。

(4)結(jié)合氣源對比結(jié)果與烴源巖展布、構(gòu)造演化等地質(zhì)背景,新召區(qū)帶天然氣可能主要來源于下部烴源巖,且以山西組烴源巖供烴為主;獨貴加汗與什股壕區(qū)帶天然氣均來源于泊爾江海子斷裂南部太原組和山西組烴源巖的共同貢獻(xiàn),但由于后期構(gòu)造抬升的影響,獨貴加汗區(qū)帶天然氣中太原組烴源巖的貢獻(xiàn)比例可能更高。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

張邁、王鐵冠、何發(fā)岐、張威、安川參與論文設(shè)計與審核;張邁、劉悅、陸振港完成實驗操作;張邁、宋到福參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed and examined by ZHANG Mai, WANG Tieguan, HE Faqi, ZHANG Wei and AN Chuan. The experimental operation was completed by ZHANG Mai, LIU Yue and LU Zhengang. The manuscript was drafted and revised by ZHANG Mai and SONG Daofu. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.