鄂爾多斯盆地永利探區上古生界天然氣地球化學特征及氣源探討

徐深謀 鄧已尋 王鑫峰 王立波 郭勛 李建國

1.中國石化中原油田分公司勘探開發科學研究院 2.中國石化中原油田測井公司

鄂爾多斯盆地永利探區上古生界天然氣地球化學特征及氣源探討

徐深謀1鄧已尋1王鑫峰1王立波2郭勛1李建國1

1.中國石化中原油田分公司勘探開發科學研究院 2.中國石化中原油田測井公司

永利探區位于鄂爾多斯盆地西緣逆沖斷帶的中部，是一個天然氣富集區，但目前對該區烴類氣體的地球化學特征和主要來源尚不清楚。為此，通過綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來確定其天然氣地球化學特征、成因及氣源。研究結果表明：①該區上古生界天然氣具有高甲烷含量、低非烴氣體含量的特點；②氣藏的重烴含量不高，干燥系數較高，氣藏總體上偏干，中二疊統下石盒子組天然氣曾經經歷較明顯的分餾作用；③該區天然氣接近于腐殖型有機質形成的天然氣（煤成氣），成熟度較低，為原生型有機成因氣；④氣源一方面來自于該區下部太原組和羊虎溝組低成熟—成熟階段的、以腐殖型干酪根為主的母質烴源巖生成的天然氣，另一方面也有可能接受東側天環向斜早期的側向供烴。

鄂爾多斯盆地 永利探區 晚古生代 天然氣 地球化學特征 氣源巖 甲烷 碳同位素 氣源對比

1 地質概況

鄂爾多斯盆地在中國含油氣盆地中構造最穩定，也是目前中國發現儲量超過1 000×108m3大氣田最多的盆地［1－2］。永利探區位于鄂爾多斯盆地西緣逆沖斷帶的中部，南北長約83 km，東西寬約35 km，是一個天然氣富集區（圖1）。區內上古生界層系齊全，發育有上石炭統羊虎溝組、下二疊統太原組和山西組、中二疊統下石盒子組和上石盒子組、上二疊統石千峰組［2］。主要烴源巖為上古生界二疊系太原組—羊虎溝組大套暗色泥巖和少量煤層，最大累計厚度為600 m。儲集層主要為太原組、山西組和下石盒子組灰色、灰白色中砂巖、細砂巖及石英粗砂巖等。

目前，研究區內多口井在山西組和下石盒子組獲得氣流，顯示了該區良好的油氣勘探前景，但研究區內深大斷裂發育，天然氣成分復雜，發育多套烴源巖，烴類氣體的地球化學特征和主要來源尚不清楚。本文試圖通過綜合剖析天然氣樣品的組分和碳同位素特征來確定研究區天然氣地球化學特征、成因和氣源，為研究區及鄂爾多斯盆地西緣類似區塊的天然氣勘探提供參考。

圖1 鄂爾多斯盆地永利探區構造位置圖

2 天然氣組分特征

天然氣的化學組成可分為烴類氣體和非烴類氣體兩類，不同層位中天然氣組成略有不同，一方面主要是由于天然氣本身的成因不同所致，另外也與天然氣形成后的運移成藏及后期改造作用有關［1］。

2.1 天然氣的烴類組分

研究區上古生界不同層系氣藏中的天然氣組分均以烴類氣體為主，其樣品的烴類氣體含量介于91.3%～97.33%（摩爾分數，下同），烴類氣體主要組分為甲烷，其次為乙烷、丙烷及微量高碳數烷烴。烴類氣體中甲烷含量變化范圍相對較小，分布區間為87.24%～94.31%。甲烷平均含量太原組氣藏為88.93%，山西組氣藏為90.21%，下石盒子組氣藏約為93.68%，表現出隨著地層年代變新，甲烷含量明顯升高的趨勢。重烴含量以山西組為最高，達6.55%，以下石盒子組為最低，均值為2.94%（表1）。

天然氣干燥系數（C1／∑C1＋）介于88%～99%，平均值為93%～97%，反映了以“干氣”為主、“濕氣”為輔的特征。天然氣的干燥系數與烴源巖的母質類型和成熟度有關。研究區不同層系天然氣干燥系數變化不大。太原組氣藏干燥系數為0.96，相對較高；山西組氣藏干燥系數略低，分布在0.91～0.95之間，均值為0.93；下石盒子組氣藏干燥系數最高，約為0.97（表1）。總體上，本區上古生界氣藏干燥系數除部分樣品較低外，總體較高，氣藏偏干。這可能與現今烴源巖的埋藏深度大、熱演化程度高有關。

表1 永利探區上古生界天然氣藏組分含量表

2.2 非烴組分特征

大量的測試資料統計結果顯示，研究區上古生界天然氣中非烴組分含量分布范圍介于3.24%～7.49%，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0.1%，未檢測到硫化氫。

本區上古生界天然氣中含量最高的非烴氣體為氮氣，含量一般在3%以上。太原組天然氣組分中氮氣含量為7.36%；山西組氣藏中氮氣含量有所降低，分布范圍為2.15%～3.41%，均值為2.88%；下石盒子組氮氣含量與下部的山西組氣藏相近，均值為3.01%（表1、圖2）。這一分布特征與區塊北部的天環北段和橫山堡氣田的天然氣中氮氣含量近似，要高于榆林、神木、米脂等氣田。由此可見，構造活動較為強烈的西緣逆沖帶為整個鄂爾多斯盆地氮氣含量相對較高的區域。這一現象說明天然氣中氮氣含量的增加主要與氣藏的保存條件有關，但也可能有深大斷裂造就的深源氮氣的貢獻。

圖2 永利探區上古生界氣藏非烴氣體組分含量直方圖

另外一種比較常見的非烴氣體為二氧化碳，其含量均較低，絕大部分樣品的二氧化碳含量小于1%（表1、圖2）。統計結果顯示，縱向上天然氣中CO2含量自下而上呈現出升高的趨勢，其變化具有一定的規律性，可能反映了天然氣自下向上的垂向運移。

2.3 比值特征

天然氣中異丁烷與正丁烷比值（iC4／nC4）或異戊烷與正戊烷比值（iC5／nC5）由于受有機質熱演化程度以及天然氣運移作用的影響，可以作為運移參數來考慮。一般情況下，相同母質類型條件下，低成熟、長距離運移的天然氣該比值較高。

永利探區上古生界含氣組合中天然氣的iC4／nC4介于0.64～55.6，大多數樣品的iC4／nC4比值較低，變化平穩，僅下石盒子組氣藏iC4／nC4值變化幅度較大，均值高達50.3（表1）；異戊烷與正戊烷比值（iC5／nC5）介于1.28～45.05。其中，下石盒子組iC5／nC5均值為35.82，遠高于太原組和山西組（表1）。這表明，下石盒子組氣藏發生過明顯的分餾效應，大部分天然氣可能經歷了一定距離的運移。需要說明的是，天然氣組分特征除受運移條件的影響外，還受到許多其他外在因素的影響，如：溫壓條件、產狀以及生物降解作用等［3］，因此上述判斷只能作為參考。

3 天然氣烷烴碳同位素值分布特征

穩定碳同位素值仍是國內外對氣源識別應用最廣、使用最成熟的地化指標，通過對穩定碳同位素組成特征的分析，能夠識別天然氣成因類型［4－5］。甲烷碳同位素值（δ13C1）受母質類型和成熟度兩方面的影響，而乙烷碳同位素值（δ13C2）受成熟度的影響則較小，能夠更準確地反映成氣母質的屬性。

研究區上古生界天然氣中的甲烷及其同系物具有相對富穩定同位素13C的煤成氣特征：δ13C1主要分布在－36.9‰～－38.86‰，δ13C2介于－26.62‰～－27.93‰，δ13C3多分布在－25.8‰～－27.06‰。天然氣中甲烷碳同位素值和乙烷碳同位素值與鄰區上古生界和部分奧陶系產層中的天然氣相比要偏輕一些（表2）。按照戴金星的天然氣成因劃分標準［6］，腐泥型有機質形成的乙烷其δ13C2＜－29‰，而腐殖型有機質生成的乙烷則相對較重，δ13C2＞－28‰。永利探區天然氣接近于腐殖型（煤成氣）有機質形成的天然氣，考慮到甲烷碳同位素值較輕，則反映出低成熟的特征。

表2 鄂爾多斯盆地西緣上古生界天然氣地球化學特征表

天然氣碳同位素值連線類型對于分析天然氣的成因、研究天然氣運移途徑和氣源對比具有十分重要的意義［7］。研究表明，有機成因原生烷烴氣的碳同位素系列屬正碳同位素系列，即烷烴氣δ13C值依碳數增加而遞增（δ13C1＜δ13C2＜δ13C3）；無機成因原生烷烴氣的碳同位素系列為負碳同位素系列，即烷烴氣δ13C值依碳數增加而遞減（δ13C1＞δ13C2＞δ13C3）。研究區上古生界氣藏中烷烴δ13C值隨碳數增加呈遞減趨勢，連線束呈“L”形，具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素系列特征（圖3），說明這些烷烴氣是原生型有機成因氣。

4 氣源探討

常規的氣源對比通常有氣／氣之間的天然氣組分和碳同位素對比，另外有氣／源巖對比，主要通過烴源巖熱脫附輕烴及輕烴碳同位素值方法進行對比［8－9］。

圖3 永利探區上古生界氣藏碳同位素特征圖

按照陳安定1993年通過模擬實驗提出的鄂爾多斯盆地濱海沼澤相煤成氣成熟度關系方程δ13C1＝15.84 lg Ro－36.06［10］，天然氣的δ13C1判為煤系成因時指示Ro＜1.5%。研究區δ13C1分布區間為－36.9‰～－38.86‰，計算出Ro介于0.81%～0.86%，處于煤系來源范圍，與本區太原組煤系氣源巖的Ro值（0.83%～0.88%）基本相當。這也與通過該公式計算出的盆地西緣沖斷帶勝利井一帶煤系地層產出氣的Ro分布區間相近［10］，說明其與盆地西緣其他氣田天然氣來源具有一定的相似性。此外，山西組氣層油砂抽提物的族組分碳同位素組成與本區太原組—羊虎溝組煤系烴源巖接近，表明山西組氣層中的天然氣與太原組—羊虎溝組烴源巖具有親緣關系。

研究區氣藏除了來自本區山西組—羊虎溝組太原組煤系烴源巖的自生自儲型氣源外，也有可能接受東側天環向斜早期的側向供烴。天環向斜北部二疊系下部（山西組、太原組）和石炭系羊虎溝組有效烴源巖的目前的成熟度為1.35%～2.0%，區域資料證實其在西緣構造定型之前與西緣的源巖演化較為一致，西緣構造隆升除了可以接受本區下部烴源巖的垂向供烴外，也可以接受天環向斜的側向供烴。另外，研究區天然氣組分特征及輕烴同位素特征與天環北段有一定的相似性（表2），表明其有可能是同源的天然氣，因而不能排除天環向斜為其來源之一。

5 結論

1）永利探區上古生界氣藏天然氣組分以烴類氣體為主，甲烷為烴類氣體的主要組分，其含量多超過90%，非烴氣體以氮氣為主，極少量為二氧化碳；氣藏的重烴含量不高，干燥系數較高，氣藏總體上偏干，下石盒子組天然氣曾經經歷過較明顯的分餾作用。

2）天然氣接近于腐殖型（煤成氣）有機質形成的天然氣，成熟度較低，為原生型有機成因氣。氣源一方面是來自本區下部太原組和羊虎溝組低成熟—成熟階段的、以腐殖型干酪根為主的母質烴源巖生成的天然氣，另一方面也有可能接受東側天環向斜早期的側向供烴。

［1］楊俊杰，裴錫古.中國天然氣地質學：卷四 鄂爾多斯盆地［M］.北京：石油工業出版社，1996.

［2］長慶油田石油地質志編寫組.中國石油地質志：卷十二 長慶油田［M］.北京：石油工業出版社，1992：1－80.

［3］宋巖.影響天然氣組分變化的主要因素［J］.石油勘探與開發，1991，18（2）：42－49.

［4］戴金星.各類天然氣的成因鑒別［J］.中國海上油氣：地質，1992，6（1）：11－19.

［5］戴金星.各類烷烴氣的鑒別［J］.中國科學：B輯 化學，1992，22（2）：185－193.

［6］戴金星，李劍，羅霞，等.鄂爾多斯盆地大氣田的烷烴氣碳同位素組成特征及其氣源對比［J］.石油學報，2005，26（1）：18－26.

［7］戴金星.概論有機烷烴氣碳同位素系列倒轉的成因問題［J］.天然氣工業，1990，10（6）：15－20.

［8］戴金星.天然氣中烷烴氣碳同位素研究的意義［J］.天然氣工業，2011，31（12）：1－6.

［9］胡安平，李劍，張文正，等.鄂爾多斯盆地上、下古生界和中生界天然氣地球化學特征及成因類型對比［J］.中國科學：D輯地球科學，2007，37（增刊2）：157－166.

［10］陳安定，張文正，徐永昌，等.沉積巖成烴熱模擬實驗產物的同位素特征及應用［J］.中國科學：B輯化學，1993，23（2）：209－217.

Geochemical features and origins of natural gas in the Upper Paleozoic in the Yongli area，Ordos Basin

Xu Shenmou1，Deng Yixun1，Wang Xinfeng1，Wang Libo2，Guo Xun1，Li Jianguo1
（1.Exploration and Development Research Institute，Sinopec Zhongyuan Oilfield Company，Puyang，Henan 457001，China；2.Well－Logging Division of Sinopec Zhongyuan Oilfield Company，Puyang，Henan 457001，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 11，pp.18－21，11／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The Yongli block is located in the center of the thrust zone along the western margin of the Ordos Basin.Although natural gas is abundant in this block，the geochemical features and the origins of hydrocarbon gas are still unclear at present.In view of this，the components and carbon isotopes of gas samples are analyzed to determine geochemical features，origins and source rocks of natural gas in this block.The following conclusions are drawn.（1）Gas in the Upper Paleozoic is characterized by a high content of methane but a low content of non－hydrocarbon gases.（2）The content of heavy hydrocarbons is low and dry coefficient is relatively high，indicating that the gas reservoirs are relatively dry as a whole.Obvious fractionation must have been encountered by the gas in the Lower Shihezi Formation of the Middle Permian.（3）The gas in this block is similar to gas generated by humic organic matters（coal－derived gas）with relatively low maturity，belonging to primary gas of organic origin.（4）The gas was mainly sourced from the low－mature and mature source rocks dominated by humic kerogens in the Taiyuan and Yanghugou formations in the deep study area，with some gas possibly sourced from the Early Tianhuan syncline in the east.

Ordos Basin，Yongli block，Late Paleozoic，natural gas，geochemical feature，gas source rock，methane，carbon isotope，gas－source rock correlation

徐深謀等.鄂爾多斯盆地永利探區上古生界天然氣地球化學特征及氣源探討.天然氣工業，2012，32（11）：18－21.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.11.004

徐深謀，1978年生，工程師，碩士；畢業于南京大學；現主要從事石油地質勘探研究工作。地址：（457001）河南省濮陽市中原油田勘探開發科學院查干凹陷勘探項目室。電話：15137876656。E－mail：xushenmou＠163.com

（修改回稿日期 2012－09－08 編輯 居維清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.11.004

Xu Shenmou，engineer，born in 1978，is mainly engaged in research of petroleum geological exploration.

Add：Puyang，Henan 457001，P.R.China

E－mail：xushenmou＠163.com