鄂爾多斯盆地天環坳陷北部奧陶系天然氣成藏期次

劉素彤，肖 暉，杜元凱，柳志勇，田 雯，李昊璽

（1.中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安710201；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安710065；

3.西安石油大學 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安710065；

4.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司，長慶井下技術作業公司，陜西 西安710018；

5.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林718500）

0 引 言

中奧陶世鄂爾多斯沉積環境受慶陽古隆起分隔，東、西兩側分別為華北海體系域和祁連海體系域，該研究區面積大約為6×104km2，在鄂爾多斯盆地天環坳陷北部區域。近年來隨著盆地西部海相碳酸鹽巖勘探的不斷深入，不同學者該地區巖相古地理、成藏地質條件、烴源巖評價等方面進行了深入研究［1-4］，但在天然氣成藏期次及演化特征上研究相對薄弱。作為成藏過程中最為關鍵的問題，成藏年代的研究不可或缺［5-8］。目前鄂爾多斯盆地西部奧陶系天然氣成藏研究主要存在2種認識。一種觀點認為奧陶系天然氣為煤成氣，為源自上古生界煤系烴源巖上生下儲型氣藏［4］；另一種觀點認為天環坳陷中、西部地區為源自奧陶系內部有效烴源巖自生自儲型氣藏［3，9-10］。在前人研究的基礎上，通過開展流體包裹體均一溫度測試、包裹體激光拉曼和碳同位素分析技術，對研究區奧陶系天然氣成藏期次和演化特征進行系統研究，為鄂爾多斯盆地天環坳陷北部奧陶系天然氣勘探提供依據。

1 區域地質及地球化學特征

研究區大地構造位置處于拉張裂谷邊緣［11-12］，早奧陶世缺失冶里組（O1y）和亮甲山組（O1l）沉積，三道坎組（O1s）發育混積陸棚、濱岸及潮緣沉積，巖性為砂巖和灰巖不等厚互層，厚度在0～50 m，與寒武系呈角度不整合接觸。中奧陶世桌子山組（O2zh）以開闊海臺地相厚層灰巖和鮞粒灰巖為主［1，3］，該沉積期對應最大海泛期，厚度達50～800 m.克里摩里組（O2k）沉積期，由于基底變陡擴張，水體也加深。巖性主要為灰巖夾薄層白云巖、泥灰巖、黑色頁巖，其中粒屑灰巖和碎屑流成因的鈣質角礫巖，為奧陶系天然氣主要產層［3］。晚奧陶世，烏拉力克組（O3w）和拉什仲組（O3l）主要發育斜坡-深水沉積，在海退的作用下，呈現西厚東薄的特征。

奧陶系天然氣除天1井氣藏為構造圈閉外，已發現氣藏類型均為巖性圈閉，氣藏儲層分為巖溶縫洞和灘相透鏡體2類［13］。除YT-1井外，氣藏頂面距奧陶系頂部距離在18～120 m，集中在18～53.4 m，具有典型的煤成氣特征的烷烴氣，δ13C1在-35.4～-33.29‰之間，δ13C2在27.28～-21.43‰之間，為上古生界生成的煤成氣沿風化殼表面溶蝕縫洞或斷層向下運移［8］。不同學者對YT-1井奧陶系天然氣成因具有不同認識，持煤成氣觀點的學者認為，YT-1井奧陶系天然氣甲烷碳同位素δ13C1值為-38.92‰，乙烷δ13C2值為-27.17‰［4，10，14］，按照δ13C1-δ13C2-δ13C3判別圖版［15］，該氣藏應為煤成氣，甲烷同位素偏負可能為天然氣順層運移分餾所致［4］。持油型氣觀點的學者認為，該氣藏甲烷碳同位素值偏負顯示出源自奧陶系內部有效烴源巖自生自儲型氣藏成因［4］。

圖1 研究區區域構造位置Fig.1 Regional tectonic location of study area

2 樣品特征及實驗條件

實驗樣品來自包括YT-1井在內的6口鉆井巖心樣品，鉆井分布如圖1所示。樣品巖性特征主要為含氣儲層段粉晶灰巖、鈣質角礫灰巖和溶蝕孔洞灰巖。采樣層位主要為克里摩里組，其次為桌子山組，深度范圍在3 987～4 226 m.本次研究共涉及3種實驗分析。包裹體巖相學觀察和均一溫度測定在leicaDM2500P搭配linkam THMS600型冷熱臺進行，測溫精度為±1℃；烴類包裹體激光拉曼測定使用Renshaw Via型激光拉曼探針，激光功率20 mW，掃描速度10 s/6次疊加，光譜儀狹縫20μm.包裹體碳同位素測試采用機械破碎法獲取，將巖心鑿下的方解石脈粉碎至80目左右，在特定的溫度條件下（80℃）將方解石裂縫中的吸附氣通過烘干去掉；將樣品（15～20 g）放入壓碎容器中并再次抽真空，將裝有樣品壓碎器包裝好后整體放入碎樣機中，從而達到包裹體全部破碎的目的。包裹體中氣體性質分析在Agilent公司與Wasson合作生產練廠氣微量氣相色譜儀上進行，該系統誤差在1%范圍內；氣體單體烴穩定同位素分析采用IsochromⅡ型GC-IRMS同位素質譜儀進行測試，每種氣體同位素均測試分析2次，2次分析誤差在0.5‰以內。該實驗詳細測試條件可參見文獻［16］。

3 烴類包裹體特征

根據流體包裹體類型鑒定和劃分方法［17-19］，結合烴類包裹體產狀、發育程度和宿主礦物特征，可將奧陶系儲層烴類包裹體劃分為2期（圖2）。第1期烴類包裹體主要發育在鈣質角礫間充填的方解石和溶蝕孔縫中充填的早期方解石，主要以液烴包裹體和瀝青包裹體為主，包裹體常因后期發生破裂而形成碳質瀝青（圖2（c）、（d））。該類包裹體直徑一般在10～20μm，在早期方解石中呈面狀分布，為烴類流體經過運移和聚集，且在后期發生熱裂解作用。第2期常見于溶蝕孔縫中充填的晚期方解石（圖2（e）、（f））和灰巖脈體中（圖2（g）、（h）），以氣液烴和氣烴包裹體為主，少見含石鹽子晶的氣-液-固三相烴類包裹體。氣液烴包裹體發育豐度高，氣液比常在20%～40%之間，個體較大，顯微鏡單偏光下呈灰褐色，純氣態烴包裹體主要為較高氣液比（＞50%），個體較大，長軸直徑一般大于20μm，半自形特征，氣相部分在單偏光下不發光或淺紅褐色。

對2種包裹體進行均一溫度測試（表1）。確保測試數據的準確性，防止測試過程中的成分丟失，要求進行測試的鹽水包裹體、伴生含烴鹽水包裹體的形態相對規則，氣液比要求均要高于20%［20］。溶蝕孔縫充填方解石包裹體均一溫度在123～167℃之間，2個峰值分在130～142℃和152～162℃之間；方解石脈中晚期亮晶方解石包裹體均一溫度在144～173℃之間，顯示為較高的均一溫度，在152～168℃之間分布較為集中；鈣質角礫間方解石膠結物中包裹體均一溫度在118～142℃之間。通過對以上3種包裹體測試結果的分析，均一溫度分布區間主要分布在122～142℃和154～168℃2個峰值溫度之間，這就與第一種產狀的流體包裹體均一溫度分布規律很相似（圖3）。

4 氣烴包裹體激光拉曼特征

激光拉曼光譜可以提供拉曼活性物質分子基團結構單元的很多信息，在石油地質中常用于測定單個包裹體的組成特征，用于提供劃分成藏期次的重要依據。由于液烴（石油）包裹體在激光照射下產生強熒光干擾而難以實際測定，通常激光拉曼主要用于測定儲層樣品中各種不發熒光的CO2，N2，H2S等無機氣體包裹體以及含氣態烷烴的烴類氣體包裹體和含瀝青包裹體中的固體物質［21］。本次研究對多口井巖心薄片中發育的瀝青包裹體和烴類包裹體中的氣烴部分進行測試，通過不同類型烴類包裹體成分信息反映成藏流體演化特征。

表1 鄂爾多斯盆地天環凹陷北部奧陶系流體包裹體均一溫度特征Table1 Homogenization temperature of fluids inclusions from Ordovician in north Tianhuan depression，Ordos Basin

圖2 典型烴類包裹體顯微鏡下特征Fig.2 Microscope Polarized light of typical hydrocarbon inclusions

圖3 流體包裹體均一溫度直方圖Fig.3 Homogenization temperature distribution of fluid inclusions

前人的研究得出，瀝青在盆地西部、古隆起周邊的奧陶系地層中存在較為廣泛［22］。觀察可得，大部分瀝青呈現出半充填的特點，且瀝青在微裂隙、壓溶縫、溶孔、晶間孔（圖2（a）、（b）、（c）、（d））中存在證明了液態烴發生過運移和聚集。從YT1和HT1兩口井瀝青包裹體激光拉曼光譜特征上看（圖4），反映瀝青成分的拉曼特征峰十分明顯。理論研究表明，原油族組成中的瀝青質，是結構十分復雜的大分子組成，往往以1 360，1 620 cm-1拉曼特征峰比較明顯［23］，因此，結果驗證了奧陶系儲層中瀝青包裹體的存在，也說明與瀝青相伴生的液烴包裹體代表了奧陶系儲層早期發生的油氣運移和聚集過程。

瀝青生物標志化合物分析表明瀝青來源于海相烴源巖。研究還對Su359井奧陶系灰巖儲層瀝青進行了飽和烴色譜、色譜-質譜分析。C27-C29甾烷呈倒“L”型，C27/C29比值介于0.3～0.5，甾烷C29ααα20S/（20S+20R）主要介于0.4～0.5之間，而甾烷C29αββ/（ααα+αββ）主要在0.3～0.5之間，這些參數表現高成熟度出腐泥型有機質的特征，也顯示這些瀝青主要來自古生界海相烴源巖［22］。

同時對晚期發育的高成熟度氣液烴包裹體進行激光拉曼分析，來自3口鉆井的10塊樣品測試結果表明，氣相成分幾乎以CH4為主，摩爾含量在63.3%～100%，其次為CO2和少量H2S，H2.包裹體中大量賦存的CH4表明晚期成藏流體主要為高成熟度烷烴氣。

5 包裹體氣烴碳同位素特征

為了探討晚期成藏流體中CH4的來源，應用包裹體機械破碎法獲取釋放氣體并測試其碳同位素值。樣品來自3口井4塊灰巖樣品，方解石晶粒取自溶蝕孔洞中，樣品層位向上110～200 m處為奧陶系的頂界面，奧陶系頂界面的上層即為泥巖蓋層，厚度約為100多m，由于蓋層厚度較大，故采集樣品所在的層位幾乎不會受到上古生界的影響。通過實驗證明（表2），甲烷是主要的氣烴成分，而包裹體中乙烷以上氣烴成分少，含量在1%～2%左右，本次測試中將樣品重復測量從而降低誤差，本次測試包裹體氣烴甲烷碳同位素在-40.29‰～-36.52‰，平均值在-38.84‰，乙烷碳同位素只測得一個數值為-31.67‰.包裹體破碎法獲得的氣烴碳同位素盡管可能混合有多期成藏流體信息，但是從甲烷碳同位素平均值來看，δ13C1的實驗結果反應了油型氣的特征，這一研究結果的甲烷碳同位素值與YT1井非常接近［10，14］，證實了古油藏熱裂解成因天然氣的說法，也就是說，氣烴成分主要為油型氣，這一結論也與前人的研究結果相吻合［24］。

表2 氣烴包裹體中的有機成分及碳同位素地球化學特征Table 2 Geochemical compounds and gaseous hydrocarbon carbon isotope in inclusion

6 天然氣成藏期次及演化特征

6.1 天然氣成藏期次

古流體被捕獲時候的最低溫度可以通過流體包裹體的均一溫度來確定［25］，故成藏的時間可以通過將均一溫度與埋藏熱演化史相結合的方法來研究。YT1井是天環坳陷北部具有代表性的探井，可以結合Basinmod1D軟件模擬出熱演化史，應用聲波時差法求得YT1井早白堊世末抬升剝蝕量大約在960 m，古地溫梯度取值3.6～4.1℃/100 m［26］，采用Easy%Ro反演法獲得埋藏熱演化史圖（圖5）。將早期包裹體均一溫度峰值區段和晚期包裹體均一溫度峰值區段分別投影到埋藏-熱演化史圖上，通過投影過的埋藏-熱演化史圖得出122～142℃與154～168℃均一溫度段對應油氣充注時間分別為中侏羅世和侏羅紀末-早白堊世兩期油氣成藏過程。早期成藏過程為源自海相烴源巖古油藏形成，以液烴包裹體和瀝青質的形成為主，晚期成藏代表天然氣成藏過程，以氣液烴、氣烴包裹體為主，是天然氣關鍵成藏時期。

圖4 含氣儲層烴類包裹體類型及激光拉曼譜特征Fig.4 Laser raman spectroscopy of hydrocarbon inclusions from various stages

圖5 鄂爾多斯盆地天環坳陷北部中上奧陶統埋藏熱演化Fig.5 Burial-thermal history and gas accumulation stages of north Tianhuan depression，Ordos Basin

6.2 奧陶系天然氣成藏演化特征

鄂爾多斯盆地天環坳陷奧陶系含氣儲層流體包裹體記錄了2期成藏過程：中侏羅世為源自腐泥型有機質生液烴成藏過程；侏羅紀晚期-早白堊世包裹體特征記錄了古油藏裂解氣成藏過程，是奧陶系天然氣藏的關鍵成藏期。根據研究區天然氣地球化學特征，碳同位素值整體反映了天然氣來源于上古生界煤成氣，這與包裹體系統研究的結論相矛盾。因此實際天然氣的成藏演化過程還要考慮到地質發育背景，即天環坳陷奧陶系烴源巖的評價和成藏地質條件。

通過大量的烴源巖樣品分析已經證明［4］，天環坳陷烴源巖主要發育中、西部埋藏較大地區，發育層位以烏拉力克組、克里摩里組上部以及拉什仲組為主，巖性主要為深灰色泥巖、灰泥巖及灰色灰巖，TOC平均值在0.52%，具備良好的生烴能力。天環坳陷東部地區，隨著上奧陶統地層的抬升，地層沉積環境由還原條件逐漸向氧化環境過度，地層有機質含量減少，烴源巖生烴條件變差。同時處于天環坳陷東部斜坡淺部地區的鉆井，由于奧陶系遭受不同程度的剝蝕，天然氣氣藏頂部泥巖蓋層封存質量變差，因此這些地區形成源自奧陶系烴源巖氣藏的可能性較低，而主要以上古生界煤成氣氣藏為主。但通過本次研究證實，天環坳陷奧陶系含氣儲層內部普遍發生過古油藏二次裂解生氣過程，說明在天環坳陷斜坡深部及深凹陷區，奧陶系烴源巖有機質豐都高，后期保存條件較好，這些地區可以形成奧陶系內幕氣藏，YT1井氣藏就是例證［14］。

7 結 論

1）鄂爾多斯盆地天環坳陷奧陶系含氣儲層發育早期烴類包裹體主要是瀝青包裹體和液烴包裹體，反映早期原油成藏過程；晚期烴類包裹體主要以氣液烴和氣烴包裹體為主，反映晚期高成熟度天然氣成藏過程，是研究區關鍵成藏期。早、晚兩期包裹體均一溫度峰值區段投影到埋藏-熱演化史圖上，122～142℃與154～168℃均一溫度段對應油氣充注時間分別為中侏羅世和侏羅紀末-早白堊世兩期油氣成藏過程。

2）烴類包裹體激光拉曼分析表明，瀝青包裹體主要成分為固體碳質，氣烴包裹體氣相成分主要為甲烷，含有少量CO2，H2S和H2.包裹體烷烴氣碳同位素分析結果顯示，包裹體中的氣烴為早期原油裂解成因氣，反映了早期成藏原油的二次裂解過程。

3）結合研究區奧陶系天然氣成藏地質特征分析認為，天環坳陷斜坡深部或深凹陷區存在另一種成藏過程，即源于奧陶系有效烴源巖形成的天然氣，在侏羅紀末到早白堊世形成奧陶系內幕氣藏，以YT1井氣藏為代表。