鄂尔多斯盆地南部页岩气地化特征及成因

高栋臣，姜呈馥，孙兵华，许小强，仝敏波

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安710075）

鄂尔多斯盆地南部页岩气地化特征及成因

高栋臣，姜呈馥，孙兵华，许小强，仝敏波

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安710075）

对鄂尔多斯盆地南部页岩气井进行井口生产气取样、岩心解析气取样，进行天然气组分分析和碳氢同位素测试。明确了延长组长7段、长9段天然气组分特征，碳氢同位素特征，结合天然气分析相关图版探讨了天然气的成因类型及来源。结果表明，研究区天然气为有机成因气，干燥系数小，含有一定量的重烃成分，属于典型的湿气，排除了生物气及高温裂解气的可能。乙烷碳同位素特征及天然气类型图版分析表明该区页岩气为典型的油型气。长7段页岩气碳同位素组成序列整体为δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，为正常序列，少量样品显示同位素反转，长9段长7段页岩气碳同位素组成序列为δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4。认为长7段页岩气来自本层段张家滩页岩，但局部地区存在运移通道，发生了天然气混合，长9段页岩气来自于长9段李家畔页岩。

鄂尔多斯盆地；页岩气；地化特征；同位素

鄂尔多斯盆地面积25×104km2，是我国第二大沉积盆地。该盆地内油、气、煤、岩盐、铀矿等多种地质矿产共生，具有很好的矿产资源潜力［1－3］。鄂尔多斯盆地天然气资源非常丰富，国内千亿方以上的大气田目前发现6个，其中5个在鄂尔多斯盆地。大气田主要层位为古生界，分布在盆地中北部［4，5］。中生界页岩气探区位于鄂尔多斯盆地南部。中生界页岩气井柳评177井长7段页岩已经压裂出气，显示了该区页岩中天然气的存在。然而，研究区页岩气来源和成因类型尚不明确，运用地球化学方法对天然气来源与成因进行了研究。本文阐明了页岩气组分、碳氢同位素特征，对研究区页岩气成因类型及来源进行了探讨。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是一个构造稳定的多旋回沉积型克拉通盆地，大地构造可分为伊盟隆起、伊陕斜坡、天环坳陷、渭北隆起、西缘逆向带、晋西挠褶带6个一级构造单元［6］（图1）。页岩气中生界探区位于伊陕斜坡。伊陕斜坡为东高西低西倾平缓单斜构造，区内构造相对简单，断层不发育。

图1 研究区位置

区内发育两套烃源岩，三叠系延长组长7段底部张家滩页岩，长9段顶部李家畔页岩。三叠系延长组长7段沉积相主要为深湖－半深湖沉积，长7地层底部发育张家滩页岩，上部局部发育浊积砂体。张家滩页岩是本区的主力烃源岩，区域上分布广，沉积厚度大，厚度约10～95m，平均46 m。页岩有机质丰度高，TOC值在1.76％～5.88％之间，平均3.24％，产油潜量S1＋S2值分布范围在3.51～12.19 mg/g之间，均值为7.87 mg/g，为优质烃源岩。镜质体反射率R o在0.52％～1.13％之间，平均为0.72％，进入生烃门限。长9为湖盆扩张期，发育浅湖－半深湖相沉积，岩性以深灰色泥岩为主，夹粉细砂岩。长9段顶部发育李家畔页岩，厚度在4～30m，平均17 m。有机质丰度高，有机碳含量基本在0.88％～7.44％，平均含量4.05％，产油潜量变化在0.113～12.427 mg/g之间，均值为6.7 mg/g，为优质烃源岩。长9段层烃源岩镜质体R o值在0.52％～1.0％，平均为0.74％，进入生烃门限。

2 天然气地球化学特征

2.1 天然气组分特征

研究区页岩气以烃类气体为主，平均占天然气总体积为97.68％。非烃气体含量比较低，平均占总体积的2.32％，成分主要为N2和CO2，平均分别为1.12％和1.20％，未见H2S和SO2（表1）。

烃类气体以甲烷为主，甲烷含量57.82％～88.93％，乙烷气体含量5.32％～19.63％，丙烷含量1.94％～16.63％。气体重烃含量较高，干燥系数C1/C1－5在0.58～0.92，其中生产气C1/C1－5在0.75～0.92，解析气在0.58～0.77之间。

表1 天然气组分构成

2.2 烷烃碳同位素特征

长7、长9段井口气样及岩心解析气同位素分析结果表明，长7甲烷碳同位素δ13C1在－52‰～－46.4‰之间，乙烷碳同位素δ13C2在－39.7‰～－35.8‰之间，丙烷碳同位素δ13C3在－34.3‰～－30.8‰之间；长9甲烷碳同位素δ13C1在－51.1‰～－44.3‰之间，乙烷碳同位素δ13C2在－38.6‰～－35.8‰之间，丙烷碳同位素δ13C3在－38.6‰～－32.4‰之间（表2）。

2.3 天然气氢同位素特征

自然界中，天然气的氢同位素组成影响因素远比碳同位素组成复杂的多。其中有机质类型、沉积环境、热演化程度和水介质条件均可能影响天然气氢同位素组成。烷烃气的氢同位素首先受制于沉积环境，随着沉积时水介质盐度的增大，烷烃气烃同位素组成变重；其次是成熟度的影响，随着有机质演化程度的增高，烷烃气烃同位素组成也有变重的趋势［7－9］。

研究区页岩气甲烷氢同位素组成主要变化在－240‰～－270‰之间，相对较轻；乙烷氢同位素主要为－210‰～－250‰，略重于甲烷，体现了成熟度较低的特征，烷烃氢同位素属正常氢同位素组成序列（表2）。

表2 天然气碳氢同位素特征

3 天然气成因类型及气源分析

3.1 天然气成因类型

天然气成因类型一般可以分为无机成因气、有机成因气和混合成因气。无机成因气一般与地球深部活动有关，通常经过深大断裂或转换断层运移至沉积圈层，聚集成藏。在气体组成上，N2，CO2，H2等无机组分含量高，若形成甲烷气藏，则甲烷含量高，不含或少含重烃，干燥系数大。碳同位素呈现反序列，且甲烷碳同位素值高。

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有机成因气泛指沉积岩中由分散状或集中状的有机质或可燃有机矿产形成的天然气。根据原始有机质或干酪根的显微组分及元素组成，可将干酪根分为腐泥型（Ⅰ型）、腐殖腐泥型（Ⅱ1型）、腐泥腐殖型（Ⅱ2型）、腐殖型（Ⅲ型）等。根据气源岩干酪根类型的不同，天然气分为腐泥型天然气（油型气）和腐殖型天然气（煤成气）。腐泥型天然气主要由Ⅰ型、Ⅱ1型干酪根降解形成，该干酪根富氢，以直链及环状饱和烃为主，多环芳烃及富氧基团含量低。腐殖型天然气主要由Ⅱ2型、Ⅲ型干酪根降解形成，该干酪根贫氢，以多环芳烃和稠环芳烃为主，富含携氧基团，饱和烃含量低［10，11］。根据有机质成熟度的不同有机成因气可以分为生物成因气、热解气和裂解气。

生物成因气一般在气源岩成熟度较低时（Ro＜0.5％）由厌氧菌分解有机质形成。以高甲烷含量和低甲烷碳同位素值为特征。天然气干燥系数大，重烃气含量极少。热解气是气源岩成熟度低到中等（一般0.5％～1.4％）时，干酪根热解生成的天然气。该阶段腐泥型有机质生成石油和伴生气，伴生气湿度大，重烃含量高，腐殖型有机质以生气为主，一般为湿气。裂解气是气源岩成熟度较高时生成的天然气，甲烷含量高，重烃含量低，干燥系数大。

天然气组分测试结果表明，气体样品N2，CO2含量低，不含H2S和H2，含有一定量的重烃气，C1/C2＋3平均4.5，天然气湿度大。碳同位素测试结果显示，总体为δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，为正碳同位素序列。综合上述特征，研究区天然气为有机成因气，且中生界鄂尔多斯盆地为热沉降克拉通盆地，未见深大断裂，地温热流值低，不存在无机成因气形成的地质条件，排除无机成因气可能。

干酪根成熟度分析表明，长7烃源岩镜质体反射率平均0.72％，长9烃源岩镜质体反射率平均0.74％。两套烃源岩均处于低熟热催化生油气阶段，目前仍在生烃，这与天然气湿度大相印证。井口及岩心解析样品显示天然气组成特征上天然气湿度大，甲烷碳同位素δ13C1在－52‰～－44.3‰之间（表1、表2、图2），而生物成因气甲烷碳同位素一般小于－55‰，甲烷含量高，干燥系数大，因此排除该天然气为生物成因的可能，由于干酪根热演化成熟度低，天然气组分湿度大，因此研究区天然气为有机热成因天然气，但非高温裂解气。

有机热成因天然气主要分为油型气和煤型气两个大类，油型气的甲烷碳同位素组成一般在－55‰～－30‰之间，煤型气的甲烷碳同位素组成分布在－43‰～－10‰之间［12］。长7、长9段甲烷碳同位素δ13C1在－52‰～－44.3‰之间（表2、图3），反映了油型气特征。

乙烷碳同位素组成主要受母质效应控制［13，14］，同位素分馏的范围很窄，同位素值与母质较接近，因此，天然气乙烷碳同位素组成是判识天然气成因及其来源的重要依据。一般认为，腐泥型母质形成的天然气，乙烷碳同位素组成相对较轻，在－45‰～－30‰之间，而腐殖型母质形成的天然气乙烷的碳同位素组成相对较重，在－28‰～－15‰之间。因此天然气乙烷碳同位素组成是判识天然气母质类型的良好指标。长7、长9段乙烷碳同位素δ13C2在－39.7‰～－35.8‰之间（表2、图3），反映了腐泥型母质特征。天然气成因类型图版中投点显示，两者均位于油型气区（图3）。

研究区干酪根类型主要为Ⅱ1型。碳同位素判断天然气成因类型与显微镜下判别干酪根类型相一致。结果表明，页岩气类型为低成熟度腐泥型干酪根热催化阶段形成的油型气。

图2 页岩气δ13C1与C1/C2＋3交会图

图3 长7、长9页岩气成因类型判别图

3.2 天然气气源分析

天然气烷烃气体的碳同位素组成序列是判识天然气是否存在混源作用和后生改造作用的良好指标。同位素的动力学分馏效应是指有机质大分子在演化过程中，12C－12C键断裂比13C－12C和13C－13C键容易，结果产生同位素较轻的气态烃。这种键选择性断裂的实质是13C和12C原子物理化学性质的差异，称为同位素动力学效应［15］。由于烃类气体碳同位素组成由C－C键断裂过程的动力学分馏效应控制，而不受同位素平衡效应的影响，有机成因的同源同期形成的甲烷及其同系物的δ13C值随烷烃分子中碳数增加而增加，该特征称之为正常碳同位素序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4。如果存在有机烷烃气与无机烷烃气的混合、或煤成气与油型气的混合、或同型不同源气的混合或同源不同期气的混合以及烷烃气的某些组分被细菌氧化，烷烃气体碳同位素序列存在倒转。该分布特征可以提供气体是否单一营力作用成气、多源复合、多阶连续或生物降解等信息。

研究区长7段页岩气甲烷及其同系物的δ13C值总体随烷烃分子中碳数增加而增加，表现为正碳同位素序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，但局部少量样品δ13C3、δ13C4同位素发生倒转（图4）。该特征表明研究区内长7段天然气来自长7段烃源岩，总体没有外来气体的混入及后期的改造作用，但在局部地区存在运移通道，并产生游离态页岩气跨层系混合。长9段页岩气甲烷及其同系物的δ13C值总体表现为正碳同位素序列，该层段页岩气来自长9段烃源岩。

图4 页岩气碳同位素组成序列特征

4 结论

中生代鄂尔多斯盆地为大型凹陷湖盆，沉积了长7段、长9段两套优质烃源岩。目前成熟度分析表明烃源岩处于干酪根演化热催化生油气阶段。天然气重烃含量较高，湿度大，δ13C1、δ13C2、δ13C3同位素属于油型气特征。天然气组分特征与干酪根演化成熟度低相一致，天然气碳同位素反映的腐泥型及偏腐泥型的生烃母质与干酪根类型测试结果相一致。碳同位素整体表现为正碳序列，局部表现同位素反转，反映了天然气整体未经混合和后期改造，局部发生混合。该特征与页岩气原地成藏的地质特点相一致，同时也反映了构造裂缝作为通道，天然气发生运移混合。

［1］邓军，王庆飞，高帮飞，等.鄂尔多斯盆地演化与多种能源矿产分布［J］.现代地质，2005，19（4）：538－545.

［2］刘池洋，赵红格，谭成仟，等.多种能源矿产赋存与盆地成藏（矿）系统［J］.石油与天然气地质，2006，27（2）：131－142.

［3］魏永佩，王毅.鄂尔多斯盆地多种能源矿产富集规律的比较［J］.石油与天然气地质，2004，25（4）：385－392.

［4］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

［5］倪春华，周小进，王国寿，等.鄂尔多斯盆地富县地区天然气地球化学特征及其成因［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2010，25（5）：21－24.

［6］翟光明，杨俊杰.中国石油地质志卷十二［M］.北京：石油工业出版社，1992.

［7］刘文汇，张殿伟，王晓锋，等.天然气气一源对比的地球化学研究［J］.沉积学报，2004，22（增刊）：27－32.

［8］Martin Schoell.The hydrogen and carbon isotopic composition of methane from natural gases of various origins［J］.Geochimica Cosmochimica Acta，1980，44（5）：649－661.

［9］戴金星.我国有机烷烃气的氢同位素的若干特征［J］.石油勘探与开发，1990，17：27－32.

［10］陈昭年.石油与天然气地质学［M］.北京：地质出版社，2005.

［11］戴金星.中国天然气地质学［M］.北京：石油工业出版社，1992.

［12］宋岩，徐永昌.天然气成因类型及其鉴别［J］.石油勘探与开发，2005，32（4）：24－29.

［13］黄籍中.油气区天然气成因分类及其在四川盆地的应用［J］.天然气地球科学，1991（1）：6－15.

［14］刘文汇，徐永昌.天然气的混合类型及其判识［J］.天然气地球科学，1992（1）：18－24.

［15］卢双舫，李吉君，薛海涛，等.油成甲烷碳同位素分馏的化学动力学及其初步应用［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36（5）：825－829.

［责任编辑 李晓霞］

Geochem ical Characteristics and Genesis of Shale Gas in the South of Ordos Basin

GAO Dong-chen，JIANG Cheng-fu，SUN Bing-hua XU Xiao-qiang，TONG Min-bo
（Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum Group Co.，Ltd，Xian 710075，China）

Shale gas samples from production and core desorption were collected in the south of Ordos basin.Composition and isotopes of carbon and hydrogen were tested and analyzed.Combining with diagram of natural gas type，we discussed the shale gas type and its origin in the chang7 and chang9 member.The result showed as follows：the natural gas of the two members was organic origin.With small dry coefficient and a certain amount of heavy hydrocarbon，the gaseswere typicalwet gas，notbiogenic and thermal－cracking.13C of ethane showed that the natural gaseswere typical organic genetic oil type gas.In general，the isotope of chang7 shale gas carbon was characterized byδ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4，while small amount of samples showed reversal sequence.The isotope of chang9 shale gas carbon was characterized byδ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4.We could draw the conclusion that the origin of chang7 shale gaswas Zhangjiatan shale，in some part of which migration pathway developed.Free gasmay come through the pathway and mixed.The chang9 shale gas came from Lijiapan shale.

Ordos basin；shale gas；geochemistry characteristics；isotope

TE122

A

1004－602X（2014）03－0078－05

10.13876/J.cnki.ydnse.2014.03.078

2014-06-13

高栋臣（1983—），男，河北廊坊人，陕西延长石油（集团）有限责任公司工程师。