鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣成因及來(lái)源

倪春華，劉光祥，朱建輝，吳小奇，包建平

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球環(huán)境與水資源學(xué)院，武漢 430100；2.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

鄂爾多斯盆地中北部地區(qū)是我國(guó)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，相繼發(fā)現(xiàn)了蘇里格、榆林、靖邊、烏審旗、大牛地、子洲等多個(gè)探明儲(chǔ)量超千億方的大型氣田[1-4]。學(xué)者研究普遍認(rèn)為上古生界天然氣屬于煤成氣，氣源巖為上古生界海陸過(guò)渡相煤系烴源巖[4-6]。

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，近年來(lái)該地區(qū)上古生界天然氣勘探取得一系列突破，泊爾江海子斷裂以北什股壕區(qū)帶發(fā)現(xiàn)東勝(杭錦旗)氣田，斷裂以南十里加汗區(qū)帶儲(chǔ)量規(guī)模不斷擴(kuò)大，下二疊統(tǒng)下石盒子組和山西組致密砂巖為其主要含氣層位[7]。前人對(duì)杭錦旗地區(qū)的構(gòu)造演化、烴源特征、成藏條件等進(jìn)行了研究[7-11]，但對(duì)于泊爾江海子斷裂兩側(cè)，尤其是斷裂北側(cè)什股壕區(qū)帶上古生界天然氣來(lái)源仍存在分歧[12-14]。本文通過(guò)上古生界天然氣組分、穩(wěn)定碳?xì)渫凰亟M成和稀有氣體同位素等地球化學(xué)特征分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步明確杭錦旗地區(qū)(不同區(qū)帶)上古生界天然氣的成因及來(lái)源。

1 地質(zhì)背景

杭錦旗地區(qū)處于鄂爾多斯盆地北部盆緣過(guò)渡帶，橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡2個(gè)構(gòu)造單元(圖1a)，面積為9 825 km2。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3條近東西向展布的主干斷裂，自西向東依次為三眼井?dāng)嗔选跆m吉林廟斷裂和泊爾江海子斷裂。根據(jù)構(gòu)造形態(tài)、斷裂分布特征等，該區(qū)劃分為什股壕、十里加汗等區(qū)帶(圖1b)[15]，目前天然氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)集中于泊爾江海子斷裂兩側(cè)的什股壕區(qū)帶和十里加汗區(qū)帶。

杭錦旗地區(qū)上古生界自下而上依次為太原組(P1t)、山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上石盒子組(P2sh)和石千峰組(P3s)，太原組、山西組煤系地層為該區(qū)上古生界主要烴源巖，且呈南厚北薄的平面分布特征[9]，并以Ⅲ型干酪根為主；成熟度自北向南增大，主體介于0.80%～1.40%之間，斷裂以南Ro一般高于1.30%，而斷裂以北普遍低于1.10%[9]。下石盒子組致密砂巖為該區(qū)的主要儲(chǔ)集層，其下部的山西組、太原組為次要儲(chǔ)集層。上石盒子組和石千峰組發(fā)育大套泥巖，能夠?yàn)樘烊粴馓峁┯行Х馍w，縱向上亦形成多套生儲(chǔ)蓋組合。

2 分析方法

本次采用雙閥門(mén)高壓不銹鋼瓶，采集了杭錦旗地區(qū)上古生界21件天然氣樣品。天然氣組分、碳、氫穩(wěn)定同位素和稀有氣體同位素的測(cè)試工作由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心地球化學(xué)測(cè)試部完成。其中，天然氣組分分析采用GC9160 型氣相色譜儀；碳同位素分析采用MAT271型質(zhì)譜儀，分析精度為±0. 5‰，標(biāo)準(zhǔn)為VPDB；氫同位素分析采用Thermo Scientific DeltaV Advantage 同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行，分析精度為±3‰，標(biāo)準(zhǔn)為VSMOW；稀有氣體同位素分析采用Noblesse型稀有氣體同位素質(zhì)譜儀。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

3 天然氣地球化學(xué)特征

3.1 天然氣組分特征

天然氣組分測(cè)試結(jié)果(表1)顯示，杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣以烴類(lèi)氣體為主，甲烷含量為77.92%～93.72%，其中十里加汗和新召區(qū)帶平均值分別為90.04%和90.43%，而泊爾江海子斷裂以北什股壕區(qū)帶平均值為85.99%。該地區(qū)上古生界天然氣干燥系數(shù)(C1/C1-5)為0.802～0.943，普遍低于0.95，總體表現(xiàn)為濕氣特征。

非烴氣體含量方面，所有天然氣樣品中均未檢測(cè)到H2S，且CO2含量明顯較低，其含量介于0～0.45%之間，而N2含量相對(duì)較高，主體介于0.16%～1.92%之間，只有J66P2S和J55兩個(gè)樣品中N2含量明顯偏高，分別為7.18%和6.76%，可能與氮?dú)鈿馀e工藝有關(guān)，但這不影響天然氣中烷烴氣的碳、氫同位素組成，因而不影響天然氣的成因鑒別和氣—源對(duì)比[16]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元區(qū)劃(a)和杭錦旗地區(qū)天然氣采樣井位分布(b)

區(qū)帶井號(hào)層位組分含量/%CH4C2H6N2C1/C1-5δ13CVPDB/‰CH4C2H6C3H8δDVSMOW/‰CH4C2H6C3H8稀有氣體同位素3He/4He40Ar/36Ar什股壕十里加汗新召J66P2SP1s84．565．777．180．917-33．6-26．1-24．0-172J66P5HP1x93．224．330．840．942-32．9-24．5-22．9-191-170-156J66P9HP1x86．577．840．310．875-32．8-27．4-19．5-190-164-126J66P8HP1x84．358．320．250．853-32．7-26．0-22．7-187-161-124J66P12HP1x89．546．610．250．898-32．6-26．6-21．3-180-157-131JPH-1P1x77．9210．851．570．802-32．4-26．0-22．6-187-154JPH-2P1x86．577．840．310．875-32．0-25．1-22．3-185-151JPH-13P1x87．287．360．270．882-32．7-26．6-23．0-191-148J11P4HP1x86．497．810．260．873-31．9-26．4-20．9-186-165J11-2P1x81．8110．680．250．824-31．8-24．6-23．2-186-1552．03×10-8902．1ES4P1x86．047．930．260．867-31．8-24．8-22．5-184-1382．22×10-81123．5J11-1P1x87．607．220．210．883-31．7-26．9-22．0-184-157-116J77P1x89．476．180．770．906-34．7-24．7-25．0-199-171-176J77P1HP1x90．046．490．240．903-34．3-25．6-23．4-198-160-1224．24×10-81303．9J111P1x90．885．470．420．916-32．4-26．5-23．3-185-159-109J58P13HP1x93．723．770．460．943-32．8-27．6-21．3-182-1322．30×10-8563J98P1x92．674．630．160．932-32．8-27．8-19．5-185-150-126J104P1x90．025．311．100．917-35．1-27．6-24．72．01×10-81231．5J55P1x83．487．146．760．896-36．2-24．8-26．4J80P1s90．324．871．920．934-31．7-23．3-23．1-187-164J79P1x90．545．541．140．916-33．0-23．4-23．4-195-180

3.2 烷烴氣碳同位素特征

杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣中烷烴氣δ13C1和δ13C2值分布較為集中(圖2a)，分別介于-36.2‰～-31.7‰和-27.8‰～-23.3‰，而丙烷碳同位素值相對(duì)分散，其δ13C3值為-26.4‰～-19.5‰。就不同區(qū)帶而言，什股壕和新召區(qū)帶烷烴氣碳同位素值分布較窄，而十里加汗區(qū)帶烷烴氣碳同位素值則表現(xiàn)出較寬的分布范圍。

杭錦旗地區(qū)上古生界烷烴氣碳同位素分布主體表現(xiàn)為正碳序列(δ13C1<δ13C2<δ13C3)，具有典型有機(jī)成因氣的特征，與鄂爾多斯盆地其他地區(qū)上古生界天然氣的地球化學(xué)特征一致[2]。

3.3 烷烴氣氫同位素特征

杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣甲烷氫同位素值分布范圍相對(duì)較窄(圖2b)，δDCH4值為-199‰～-172‰，而乙烷和丙烷氫同位素值的分布則相對(duì)分散，δDC2H6和δDC3H8值分別為-180‰～-132‰和-176‰～-109‰，且烷烴氣氫同位素系列總體表現(xiàn)為正序特征(δDCH4<δDC2H6<δDC3H8)。

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣δ13Cn-1/n(a)和δD-1/n(b)關(guān)系

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣40Ar/36Ar-3He/4He關(guān)系底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[17]。

3.4 稀有氣體同位素特征

稀有氣體包括輕稀有氣體和重稀有氣體，以前者的應(yīng)用研究居多[17-18]。杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣40Ar /36Ar比值為562.99～1303.94，3He/4He比值為(2.01～4.24)×10-8，反映其為典型的殼源天然氣[18](圖3)。

4 天然氣成因及來(lái)源

有機(jī)成因氣的烷烴氣碳同位素組成具有正碳序列(δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4)，甲烷碳同位素值一般小于-30‰，而無(wú)機(jī)成因氣則與之相反[19]。杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣中烷烴氣碳、氫同位素總體均表現(xiàn)為正序特征(表1，圖2)，甲烷碳同位素值全部小于-30‰，故屬于典型的有機(jī)成因氣；甲烷碳同位素相對(duì)較重，主體處于-35‰～-30‰范圍，表現(xiàn)為熱成因氣特征(圖4)。天然氣與典型Ⅲ型干酪根生成的天然氣特征一致，呈現(xiàn)出煤成氣的特征(圖5)。甲烷氫同位素主體分布于-190‰～-180‰范圍，根據(jù)δDCH4值對(duì)于沉積環(huán)境的判別標(biāo)準(zhǔn)[22]，判斷其成烴母質(zhì)發(fā)育于海陸過(guò)渡相半咸水環(huán)境，與鄂爾多斯盆地晚古生代的區(qū)域沉積背景相吻合[12]。

與甲烷碳同位素相比，乙烷等重?zé)N氣碳同位素具有較好的原始母質(zhì)繼承性，且受成熟度影響較小，可用作鑒別煤成氣和油型氣的有效指標(biāo)。一般根據(jù)乙烷碳同位素值δ13C2和丙烷碳同位素值δ13C3分別大于-28‰和-25‰時(shí)，判識(shí)天然氣為煤成氣，反之則為油型氣[23]。杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣δ13C2為-27.8‰～-23.3‰，δ13C3為-25.0‰～-19.5‰，故該區(qū)上古生界天然氣為煤成氣(圖6)，來(lái)源于太原組—山西組煤系烴源巖(圖7)。

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣C1/C2+3-δ13C1關(guān)系底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[20]。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣δDCH4-δ13C1關(guān)系底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[21]。

圖6 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣δ13C1-δ13C2-δ13C3關(guān)系底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[2]。

圖7 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣乙烷碳同位素與上古生界烴源巖干酪根同位素關(guān)系

鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界煤成氣來(lái)自太原組—山西組腐殖型烴源巖[12-13]，但對(duì)于泊爾江海子斷裂北側(cè)什股壕區(qū)帶上古生界天然氣的來(lái)源存在分歧，是原地?zé)N源巖所生，還是異地?zé)N源巖所生經(jīng)運(yùn)移而來(lái)[7，9]？

成熟度匹配關(guān)系分析是氣源對(duì)比的有效手段，天然氣甲烷碳同位素值與Ro值具有較好的線性關(guān)系，已建立了針對(duì)不同成因類(lèi)型、不同演化模式的經(jīng)驗(yàn)換算公式[24-25]。本文結(jié)合杭錦旗地區(qū)埋藏史—生烴史研究成果[15]，選用戴金星等[24]建立的煤成氣δ13C1-Ro經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算結(jié)果表明，斷裂以南十里加汗和新召區(qū)帶上古生界天然氣Ro值分別介于0.74%～1.38%和1.25%～1.55%，平均值分別為1.10%和1.40%，與斷裂以南太原組—山西組烴源巖成熟度Ro值普遍高于1.30%[15]相吻合，表明十里加汗、新召區(qū)帶煤成氣主要來(lái)自原地的太原組—山西組烴源巖；而什股壕區(qū)帶上古生界天然氣Ro介于1.14%～1.55%，平均值高達(dá)1.39%，明顯與原地山西組烴源巖Ro值普遍低于1.10%[15]不匹配，這也揭示原地的山西組烴源巖并非是該區(qū)上古生界天然氣的主要貢獻(xiàn)者，推測(cè)其主要來(lái)自斷裂以南太原組—山西組高成熟煤系烴源巖。

圖8 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣(δ13C1-δ13C2)-ln(C1/C2)關(guān)系底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[26]。

綜合上述分析，什股壕區(qū)帶上古生界天然氣主要由泊爾江海子斷裂以南運(yùn)移而來(lái)。在運(yùn)移過(guò)程中地球化學(xué)特征會(huì)發(fā)生變化，如低碳數(shù)的甲烷氣體優(yōu)先擴(kuò)散，而殘留的天然氣中甲烷含量降低的同時(shí)，碳同位素值增大，但實(shí)際情況卻與此相悖，如何解釋這一“矛盾”現(xiàn)象？PRINZHOFER等[26]研究認(rèn)為，甲、乙烷碳同位素差值與甲、乙烷含量比值同步增大，反映成熟度趨勢(shì)；而在天然氣逸散過(guò)程中，散失作用導(dǎo)致殘留氣藏天然氣中甲烷含量降低的同時(shí)，碳同位素值增大，因而甲、乙烷含量比值減小，甲、乙烷碳同位素差值增大(圖8)。因此，什股壕區(qū)帶上古生界煤成氣受到了明顯的逸散作用，而十里加汗區(qū)帶天然氣表現(xiàn)出成熟度趨勢(shì)(圖8)。什股壕區(qū)帶所處的伊盟隆起位于鄂爾多斯盆地邊緣，受后期構(gòu)造抬升影響，由泊爾江海子斷裂以南運(yùn)移聚集而成的天然氣藏受到一定程度的改造與破壞，天然氣發(fā)生了逸散，杭錦旗北部的烏蘭格爾地區(qū)天然氣逸散至地表，凝析形成白堊系油苗即為有力佐證[27]。

泊爾江海子斷裂北側(cè)什股壕區(qū)帶生氣強(qiáng)度僅為(0～10)×108m3/km2[15]，生氣能力較弱，故僅依靠原地山西組烴源巖的主要貢獻(xiàn)，難以匹配目前的資源規(guī)模，如該區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量已超7 000×108m3，進(jìn)一步佐證了什股壕區(qū)帶上古生界天然氣可能主要來(lái)自泊爾江海子斷裂以南十里加汗等地區(qū)的上古生界煤系烴源巖。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣以烴類(lèi)氣體為主，干燥系數(shù)介于0.802～0.948，主體屬于濕氣；天然氣δ13C1、δ13C2和δ13C3值分別介于-36.2‰～-31.7‰，-27.8‰～-23.3‰，-26.4‰～-19.5‰，δDCH4值為-199‰～-172‰，烷烴氣碳、氫同位素整體表現(xiàn)為正序特征。天然氣折算Ro值介于0.74%～1.55%，處于成熟—高成熟演化階段。

(2)杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣為煤成氣，來(lái)自上古生界海陸過(guò)渡相煤系烴源巖，但泊爾江海子斷裂兩側(cè)上古生界天然氣來(lái)源存在差異性，南側(cè)十里加汗區(qū)帶天然氣來(lái)自原地的太原組—山西組高成熟烴源巖，而北側(cè)什股壕區(qū)帶天然氣主要由斷裂以南十里加汗等地區(qū)運(yùn)移而來(lái)，且后期遭受一定程度的破壞而發(fā)生逸散。

(3)泊爾江海子斷裂北側(cè)上古生界天然氣主體來(lái)自斷裂以南，且因其處于盆地邊緣伊盟隆起區(qū)，后期保存條件受到影響而發(fā)生逸散?？紤]到鄂爾多斯盆地上古生界天然氣總體具有近源成藏的顯著特點(diǎn)，結(jié)合泊爾江海子斷裂兩側(cè)烴源條件及保存條件，建議杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣下步勘探重點(diǎn)為斷裂南側(cè)的十里加汗區(qū)帶。

致謝：樣品采集與分析測(cè)試得到了中國(guó)石化華北油氣分公司和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心的大力協(xié)助與支持，在此深表謝意！

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