鄂尔多斯盆地永利探区上古生界天然气地球化学特征及气源探讨

徐深谋 邓已寻 王鑫峰 王立波 郭勋 李建国

1.中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院 2.中国石化中原油田测井公司

鄂尔多斯盆地永利探区上古生界天然气地球化学特征及气源探讨

徐深谋1邓已寻1王鑫峰1王立波2郭勋1李建国1

1.中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院 2.中国石化中原油田测井公司

永利探区位于鄂尔多斯盆地西缘逆冲断带的中部，是一个天然气富集区，但目前对该区烃类气体的地球化学特征和主要来源尚不清楚。为此，通过综合剖析天然气样品的组分和碳同位素特征来确定其天然气地球化学特征、成因及气源。研究结果表明：①该区上古生界天然气具有高甲烷含量、低非烃气体含量的特点；②气藏的重烃含量不高，干燥系数较高，气藏总体上偏干，中二叠统下石盒子组天然气曾经经历较明显的分馏作用；③该区天然气接近于腐殖型有机质形成的天然气（煤成气），成熟度较低，为原生型有机成因气；④气源一方面来自于该区下部太原组和羊虎沟组低成熟—成熟阶段的、以腐殖型干酪根为主的母质烃源岩生成的天然气，另一方面也有可能接受东侧天环向斜早期的侧向供烃。

鄂尔多斯盆地 永利探区 晚古生代 天然气 地球化学特征 气源岩 甲烷 碳同位素 气源对比

1 地质概况

鄂尔多斯盆地在中国含油气盆地中构造最稳定，也是目前中国发现储量超过1 000×108m3大气田最多的盆地［1－2］。永利探区位于鄂尔多斯盆地西缘逆冲断带的中部，南北长约83 km，东西宽约35 km，是一个天然气富集区（图1）。区内上古生界层系齐全，发育有上石炭统羊虎沟组、下二叠统太原组和山西组、中二叠统下石盒子组和上石盒子组、上二叠统石千峰组［2］。主要烃源岩为上古生界二叠系太原组—羊虎沟组大套暗色泥岩和少量煤层，最大累计厚度为600 m。储集层主要为太原组、山西组和下石盒子组灰色、灰白色中砂岩、细砂岩及石英粗砂岩等。

目前，研究区内多口井在山西组和下石盒子组获得气流，显示了该区良好的油气勘探前景，但研究区内深大断裂发育，天然气成分复杂，发育多套烃源岩，烃类气体的地球化学特征和主要来源尚不清楚。本文试图通过综合剖析天然气样品的组分和碳同位素特征来确定研究区天然气地球化学特征、成因和气源，为研究区及鄂尔多斯盆地西缘类似区块的天然气勘探提供参考。

图1 鄂尔多斯盆地永利探区构造位置图

2 天然气组分特征

天然气的化学组成可分为烃类气体和非烃类气体两类，不同层位中天然气组成略有不同，一方面主要是由于天然气本身的成因不同所致，另外也与天然气形成后的运移成藏及后期改造作用有关［1］。

2.1 天然气的烃类组分

研究区上古生界不同层系气藏中的天然气组分均以烃类气体为主，其样品的烃类气体含量介于91.3%～97.33%（摩尔分数，下同），烃类气体主要组分为甲烷，其次为乙烷、丙烷及微量高碳数烷烃。烃类气体中甲烷含量变化范围相对较小，分布区间为87.24%～94.31%。甲烷平均含量太原组气藏为88.93%，山西组气藏为90.21%，下石盒子组气藏约为93.68%，表现出随着地层年代变新，甲烷含量明显升高的趋势。重烃含量以山西组为最高，达6.55%，以下石盒子组为最低，均值为2.94%（表1）。

天然气干燥系数（C1／∑C1＋）介于88%～99%，平均值为93%～97%，反映了以“干气”为主、“湿气”为辅的特征。天然气的干燥系数与烃源岩的母质类型和成熟度有关。研究区不同层系天然气干燥系数变化不大。太原组气藏干燥系数为0.96，相对较高；山西组气藏干燥系数略低，分布在0.91～0.95之间，均值为0.93；下石盒子组气藏干燥系数最高，约为0.97（表1）。总体上，本区上古生界气藏干燥系数除部分样品较低外，总体较高，气藏偏干。这可能与现今烃源岩的埋藏深度大、热演化程度高有关。

表1 永利探区上古生界天然气藏组分含量表

2.2 非烃组分特征

大量的测试资料统计结果显示，研究区上古生界天然气中非烃组分含量分布范围介于3.24%～7.49%，主要为二氧化碳和氮气，氢气、氦气等组分的含量极低，一般小于0.1%，未检测到硫化氢。

本区上古生界天然气中含量最高的非烃气体为氮气，含量一般在3%以上。太原组天然气组分中氮气含量为7.36%；山西组气藏中氮气含量有所降低，分布范围为2.15%～3.41%，均值为2.88%；下石盒子组氮气含量与下部的山西组气藏相近，均值为3.01%（表1、图2）。这一分布特征与区块北部的天环北段和横山堡气田的天然气中氮气含量近似，要高于榆林、神木、米脂等气田。由此可见，构造活动较为强烈的西缘逆冲带为整个鄂尔多斯盆地氮气含量相对较高的区域。这一现象说明天然气中氮气含量的增加主要与气藏的保存条件有关，但也可能有深大断裂造就的深源氮气的贡献。

图2 永利探区上古生界气藏非烃气体组分含量直方图

另外一种比较常见的非烃气体为二氧化碳，其含量均较低，绝大部分样品的二氧化碳含量小于1%（表1、图2）。统计结果显示，纵向上天然气中CO2含量自下而上呈现出升高的趋势，其变化具有一定的规律性，可能反映了天然气自下向上的垂向运移。

2.3 比值特征

天然气中异丁烷与正丁烷比值（iC4／nC4）或异戊烷与正戊烷比值（iC5／nC5）由于受有机质热演化程度以及天然气运移作用的影响，可以作为运移参数来考虑。一般情况下，相同母质类型条件下，低成熟、长距离运移的天然气该比值较高。

永利探区上古生界含气组合中天然气的iC4／nC4介于0.64～55.6，大多数样品的iC4／nC4比值较低，变化平稳，仅下石盒子组气藏iC4／nC4值变化幅度较大，均值高达50.3（表1）；异戊烷与正戊烷比值（iC5／nC5）介于1.28～45.05。其中，下石盒子组iC5／nC5均值为35.82，远高于太原组和山西组（表1）。这表明，下石盒子组气藏发生过明显的分馏效应，大部分天然气可能经历了一定距离的运移。需要说明的是，天然气组分特征除受运移条件的影响外，还受到许多其他外在因素的影响，如：温压条件、产状以及生物降解作用等［3］，因此上述判断只能作为参考。

3 天然气烷烃碳同位素值分布特征

稳定碳同位素值仍是国内外对气源识别应用最广、使用最成熟的地化指标，通过对稳定碳同位素组成特征的分析，能够识别天然气成因类型［4－5］。甲烷碳同位素值（δ13C1）受母质类型和成熟度两方面的影响，而乙烷碳同位素值（δ13C2）受成熟度的影响则较小，能够更准确地反映成气母质的属性。

研究区上古生界天然气中的甲烷及其同系物具有相对富稳定同位素13C的煤成气特征：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‰。天然气中甲烷碳同位素值和乙烷碳同位素值与邻区上古生界和部分奥陶系产层中的天然气相比要偏轻一些（表2）。按照戴金星的天然气成因划分标准［6］，腐泥型有机质形成的乙烷其δ13C2＜－29‰，而腐殖型有机质生成的乙烷则相对较重，δ13C2＞－28‰。永利探区天然气接近于腐殖型（煤成气）有机质形成的天然气，考虑到甲烷碳同位素值较轻，则反映出低成熟的特征。

表2 鄂尔多斯盆地西缘上古生界天然气地球化学特征表

天然气碳同位素值连线类型对于分析天然气的成因、研究天然气运移途径和气源对比具有十分重要的意义［7］。研究表明，有机成因原生烷烃气的碳同位素系列属正碳同位素系列，即烷烃气δ13C值依碳数增加而递增（δ13C1＜δ13C2＜δ13C3）；无机成因原生烷烃气的碳同位素系列为负碳同位素系列，即烷烃气δ13C值依碳数增加而递减（δ13C1＞δ13C2＞δ13C3）。研究区上古生界气藏中烷烃δ13C值随碳数增加呈递减趋势，连线束呈“L”形，具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素系列特征（图3），说明这些烷烃气是原生型有机成因气。

4 气源探讨

常规的气源对比通常有气／气之间的天然气组分和碳同位素对比，另外有气／源岩对比，主要通过烃源岩热脱附轻烃及轻烃碳同位素值方法进行对比［8－9］。

图3 永利探区上古生界气藏碳同位素特征图

按照陈安定1993年通过模拟实验提出的鄂尔多斯盆地滨海沼泽相煤成气成熟度关系方程δ13C1＝15.84 lg Ro－36.06［10］，天然气的δ13C1判为煤系成因时指示Ro＜1.5%。研究区δ13C1分布区间为－36.9‰～－38.86‰，计算出Ro介于0.81%～0.86%，处于煤系来源范围，与本区太原组煤系气源岩的Ro值（0.83%～0.88%）基本相当。这也与通过该公式计算出的盆地西缘冲断带胜利井一带煤系地层产出气的Ro分布区间相近［10］，说明其与盆地西缘其他气田天然气来源具有一定的相似性。此外，山西组气层油砂抽提物的族组分碳同位素组成与本区太原组—羊虎沟组煤系烃源岩接近，表明山西组气层中的天然气与太原组—羊虎沟组烃源岩具有亲缘关系。

研究区气藏除了来自本区山西组—羊虎沟组太原组煤系烃源岩的自生自储型气源外，也有可能接受东侧天环向斜早期的侧向供烃。天环向斜北部二叠系下部（山西组、太原组）和石炭系羊虎沟组有效烃源岩的目前的成熟度为1.35%～2.0%，区域资料证实其在西缘构造定型之前与西缘的源岩演化较为一致，西缘构造隆升除了可以接受本区下部烃源岩的垂向供烃外，也可以接受天环向斜的侧向供烃。另外，研究区天然气组分特征及轻烃同位素特征与天环北段有一定的相似性（表2），表明其有可能是同源的天然气，因而不能排除天环向斜为其来源之一。

5 结论

1）永利探区上古生界气藏天然气组分以烃类气体为主，甲烷为烃类气体的主要组分，其含量多超过90%，非烃气体以氮气为主，极少量为二氧化碳；气藏的重烃含量不高，干燥系数较高，气藏总体上偏干，下石盒子组天然气曾经经历过较明显的分馏作用。

2）天然气接近于腐殖型（煤成气）有机质形成的天然气，成熟度较低，为原生型有机成因气。气源一方面是来自本区下部太原组和羊虎沟组低成熟—成熟阶段的、以腐殖型干酪根为主的母质烃源岩生成的天然气，另一方面也有可能接受东侧天环向斜早期的侧向供烃。

［1］杨俊杰，裴锡古.中国天然气地质学：卷四 鄂尔多斯盆地［M］.北京：石油工业出版社，1996.

［2］长庆油田石油地质志编写组.中国石油地质志：卷十二 长庆油田［M］.北京：石油工业出版社，1992：1－80.

［3］宋岩.影响天然气组分变化的主要因素［J］.石油勘探与开发，1991，18（2）：42－49.

［4］戴金星.各类天然气的成因鉴别［J］.中国海上油气：地质，1992，6（1）：11－19.

［5］戴金星.各类烷烃气的鉴别［J］.中国科学：B辑 化学，1992，22（2）：185－193.

［6］戴金星，李剑，罗霞，等.鄂尔多斯盆地大气田的烷烃气碳同位素组成特征及其气源对比［J］.石油学报，2005，26（1）：18－26.

［7］戴金星.概论有机烷烃气碳同位素系列倒转的成因问题［J］.天然气工业，1990，10（6）：15－20.

［8］戴金星.天然气中烷烃气碳同位素研究的意义［J］.天然气工业，2011，31（12）：1－6.

［9］胡安平，李剑，张文正，等.鄂尔多斯盆地上、下古生界和中生界天然气地球化学特征及成因类型对比［J］.中国科学：D辑地球科学，2007，37（增刊2）：157－166.

［10］陈安定，张文正，徐永昌，等.沉积岩成烃热模拟实验产物的同位素特征及应用［J］.中国科学：B辑化学，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

徐深谋等.鄂尔多斯盆地永利探区上古生界天然气地球化学特征及气源探讨.天然气工业，2012，32（11）：18－21.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.11.004

徐深谋，1978年生，工程师，硕士；毕业于南京大学；现主要从事石油地质勘探研究工作。地址：（457001）河南省濮阳市中原油田勘探开发科学院查干凹陷勘探项目室。电话：15137876656。E－mail：xushenmou＠163.com

（修改回稿日期 2012－09－08 编辑 居维清）

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