鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中南部高热演化地区古生界天然气地球化学研究

张文正, 杨 华, 昝川莉, 孔庆芬

(1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018; 2. 长庆油田分公司勘探开发研究院, 陕西 西安 710018;3. 长庆油田分公司, 陕西 西安 710018)

0 引 言

鄂尔多斯盆地是我国特大型低渗透含油气盆地,

古生界含气范围广, 天然气资源十分丰富。通过长期的勘探, 已探明靖边奥陶系风化壳大气田和苏里格、榆林、子洲、米脂、神木和大牛地等特大型、大型气田[1], 并发展成为我国最重要的天然气生产基地之一。近年来, 在盆地伊陕斜坡中南部地区也取得了重要的勘探成果。该区热演化程度已达过成熟演化阶段, 开展该区古生界天然气地球化学研究有助于加深过成熟天然气地球化学特征的认识, 更好地进行高演化天然气的成因判识。

1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中南部(图 1),其西部属苏里格气田南部地区, 东部为高桥气田主体, 是近期鄂尔多斯盆地古生界天然气勘探的重点地区之一。该区上古生界砂岩储层普遍致密, 具有普遍含气的特征, 下石盒子组盒 8和山西组为主力气层。其中东部地区储层相对发育, 且储层物性相对较好; 西部地区上古生界储层发育较差。研究区中东部奥陶系风化壳储层较为发育, 含气性较好, 并且发育富集区, 使得靖边气田向南、向西进一步扩大。

研究区上古生界煤系烃源岩发育程度一般, 煤层较薄, 累计厚度一般分布在 4～8 m 之间, 暗色泥岩一般分布在30～50 m之间, 另外还发育一定厚度的海相灰岩、泥灰岩, 最大厚度约为 30 m, 在平面上自东向西逐步变薄。上古生界煤岩属腐殖煤, 暗色泥岩干酪根的δ13C值主要分布在–23‰～ –24‰之间, 有机母质类型以腐殖型为主。灰岩的母质类型以混合型为主[2]。该区上古生界煤系气源岩Ro值分布在 2.0%～2.6%之间, 自北往南呈增高趋势, 属高热演化地区。奥陶系发育海相碳酸盐岩生烃岩, 其有机质丰度低, 生烃能力较差[3]。

2 高演化天然气地球化学特征

本次研究共采集区内天然气样品 35个, 其中,上古生界气样26个, 奥陶系顶部风化壳气样9个。另外采集天环坳陷北段奥陶系内部天然气样品 2个。样品采集采用排水取气法, 均采自探井试气放喷测试过程。天然气组分分析采用美国瓦里安(Varian)公司生产的 CP3800Ⅱ型三通道气相色谱仪,碳同位素分析仪器为美国热电公司生产的DeltaPlusXP气体同位素质谱仪。所有分析均由低渗透油气田勘探开发国家工程实验室地质实验研究室完成。

2.1 天然气烃类组分特征

影响天然气烃类组成的地质地球化学因素较多,烃源岩有机母质类型和热成熟度被认为是最主要的因素, 此外, 还有运移、成藏过程及储层中产生的一些物理化学作用。研究区高演化天然气具有甲烷含量高、重烃组分含量低的特征, 除 1个样品的天然气湿气系数((C2+/∑Cn)×100)较高(为 5.24%)外, 其他样品的湿气系数小于4.5%, 大多数样品小于2%, 属典型的干气(表 1)。平面上, 研究区由北向南, 天然气湿气系数呈现降低的趋势, 反映出热成熟度是影响研究区天然气烃类组成的主要因素。

2.2 天然气烃类组分碳同位素组成特征

从天然气在线碳同位素测试结果(表 1)可以看出, 受研究区高热演化程度的影响, 天然气中甲烷呈偏重的碳同位素组成特征。从产层来看, 上古生界气样的δ13C1(‰, VPDB)值分布于–33.7‰～ –25.9‰之间, 平均δ13C1值为–28.6‰ (26个样); 下古生界气样的δ13C1值分布于–33.5‰～ –27.8‰之间, 平均δ13C1值为–31.1‰ (9个样)。总的来看, 奥陶系风化壳天然气的甲烷碳同位素组成相对偏轻。从图2可以看出,上古生界天然气随着湿气系数的降低, 甲烷碳同位素组成呈现出明显变重的趋势, 说明热演化程度是影响天然气碳同位素组成的主要因素。下古生界天然气的湿气系数很低, 甲烷碳同位素组成与湿气系数之间的相关性不太明显。

图1 研究区位置及采样井点分布图Fig.1 The diagram showing the location of the study area and the distribution of sampling wells

研究区天然气样的C2＋重烃组分的碳同位素组成变化大。其中, 上古生界气样的δ13C2(‰, VPDB)值分布于–35.7‰～ –22.5‰之间, 其中 12个气样的δ13C2值小于–28.5‰, 占总样品数的近一半; 下古生界气样的δ13C2值分布于–37.3‰～ –26.5‰之间, 除 1个气样外, 其他气样的δ13C2值分布于–37.3‰～–32.7‰之间。总的来说, 奥陶系风化壳天然气的乙烷等重烃组分具有显著偏轻的碳同位素组成特征(见表1)。需要特别指出的异常现象是, 与伊陕斜坡中北部地区相比, 虽然研究区的热演化程度更高,但是, 上古生界却出现了较多乙烷等重烃组分碳同位素组成显著偏轻的气样。与甲烷碳同位素组成随着湿气系数的降低而逐步变重不同的是, 乙烷碳同位素组成随着湿气系数的降低反而变轻(见图3)。尤其是热演化程度更高(上古生界Ro值为2.5%左右)的研究区东南部, 上、下古生界天然气的湿气系数更低(＜1%), 甲烷碳同位素组成却更重, 而乙烷碳同位素却显著偏轻。这一现象反映了甲烷与乙烷成因上的差异性, 因而乙烷的碳同位素特征主要反映自生的成因, 并不能完全反映天然气的成因。

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图2 古生界天然气δ13C1与湿气系数的相关关系Fig.2 The relationships between δ13C1 and wetness of the Paleozoic natural gases in the study area

图3 古生界天然气δ13C2与湿气系数的相关关系Fig.3 The relationships between δ13C2 and wetness of the Paleozoic natural gases in the study area

相应地, 研究区出现了较多碳同位素倒转(δ13C1＞δ13C2)的天然气样。其中, 上古生界约有 50%气样呈碳同位素倒转, 下古生界更是绝大部分样品呈碳同位素倒转。从图 4～图 6可以看出, 气样的δ13C2–1(δ13C2–δ13C1, 以下同)与δ13C1的相关性不太明显, 而与δ13C2、湿气系数有着明显的相关性。乙烷碳同位素越轻、湿气系数越小, 碳同位素倒转越显著。因而, 碳同位素倒转的气样集中分布于成熟度更高的高桥地区南部和苏南地区东南部。

3 讨 论

3.1 高演化天然气乙烷等重烃组分碳同位素显著偏轻的成因

从气态烃的生成与热演化过程来看, 甲烷是有机母质和烃类热降解、热裂解的最终产物, 而乙烷等重烃组分是一类中间产物, 在更高的温度下会发生热裂解。温压釜封闭系统低阶煤热模拟实验表明[4],在实验温度为400～450 ℃、相应的Ro值约为1.75%时, 乙烷等重烃组分的产率达到峰值, 随着实验温度的继续升高, 乙烷等重烃组分的产率显著降低,气体组成也不断变“干”。可见, 在整个热演化过程中, 天然气中乙烷等重烃组分的生成与演化可划分为有机母质热降解(整个热演化阶段)和液态烃热裂解(高—过成熟阶段)生成与自生热裂解-消亡两个阶段。在生成阶段, 由于生成乙烷等重烃组分的碳链要比甲烷长, 因而, 其碳同位素动力学分馏效应小于甲烷(见表2, 450 ℃前), 碳同位素组成相对稳定[5–7], 正是基于这一点, 许多研究者通常把乙烷碳同位素组成作为天然气成因判识的重要指标。但是, 在更高的演化阶段, 即干气阶段, 由于乙烷等重烃组分发生热裂解, 而12C—12C键与13C—12C键的化学稳定性上差异性, 导致反应速度的不一致性, 从而产生碳同位素动力学分馏[5], 残留的乙烷等重烃组分的碳同位素组成也随之变重, 例如余探 1井奥陶系油型气(见表1)。

图5 研究区古生界天然气δ13C2–1与δ13C2的相关关系Fig.5 The correlation between δ13C2–1 and δ13C2 of the Paleozoic natural gases in the study area

图6 研究区古生界天然气δ13C2–1与湿气系数的相关关系Fig.6 The correlation between δ13C2–1 and wetness of the Paleozoic natural gases in the study area

表2 奥陶系平凉组泥灰岩热解气的碳同位素组成数据表Table 2 Carbon isotopic compositions of pyrolytic gases from the marlite of the Ordovician Pingliang Formation

前文已经指出, 乙烷碳同位素显著偏轻的气样集中分布于高桥和苏南的东南部热演化程度更高的地区, 并且, 上古生界与奥陶系风化壳天然气均呈乙烷碳同位素显著偏轻的特征。该区天然气的湿气系数一般小于1%, 乙烷含量很低, 说明在深埋演化阶段乙烷已发生大量热裂解, 从碳同位素动力学分馏来说, 乙烷的碳同位素组成应变重。因此, 该区古生界天然气乙烷等重烃组分碳同位素组成显著偏轻是一种异常的现象。这一异常现象可能是后期少量乙烷等重烃组分含量高、碳同位素组成显著偏轻天然气的混入引起的。

另外, 上古生界的气源岩为海陆交互相煤系烃源岩, 主要生烃母质为腐殖型, 加之热演化程度高,甲烷碳同位素组成显著偏重。因而, 南部地区上古生界天然气显著偏轻的乙烷等重烃组分的碳同位素组成特征并不能指示天然气属油型气, 可能仅仅反映了后期一定数量的油裂解气的混入。

从埋藏热演化史来看, 伊陕斜坡在早白垩世末达到最大埋深[8–9]。由于该地区热演化程度很高, 深埋阶段的高温裂解作用已使得天然气中的乙烷等重烃组分含量极低。在随后的抬升阶段初期, 虽然古地温逐步降低, 但仍处于液态烃热裂解阶段, 气源岩和储层中残余的少量液态烃会继续裂解生成碳同位素组成显著偏轻、乙烷等重烃组分含量高的天然气。虽然这一过程生成的天然气量有限, 但由于原有的天然气中C2+组分极少, 因此, 一定数量富12C、富 C2+组分天然气混入就可使得天然气中乙烷等重烃组分的碳同位素组成显著变轻, 而并未引起甲烷碳同位素组成的明显变化。

3.2 引起碳同位素倒转的原因

一般而言, 同一气源的天然气不会发生烷烃气碳同位素倒转现象, 因此, 通常把碳同位素倒转的原因归结为各种混源作用和细菌氧化等次生作用[10–11]。但是, 混源气并非必然会呈碳同位素倒转的特征。只有气体组分与碳同位素组成显著不同的天然气的混合才更易形成碳同位素倒转, 例如重烃含量很低的煤成气中混入少量重烃含量高的油型气就会形成碳同位素倒转。

就研究区而言, 虽然上古生界煤系地层中发育一定厚度的海相灰岩、泥灰岩, 其母质类型为混合型, 可以提供一定数量的油型气, 但是, 甲烷碳同位素显著偏重的特征反映主要气源岩为煤岩层和腐殖型暗色泥岩。同一层系中海相灰岩、泥灰岩生成的少量油型气的混入不足以引起上古生界天然气甲烷与乙烷的碳同位素组成的倒转。另外, 储层中可能存在的细菌降解、氧化、硫酸盐热化学还原反应(TSR反应)、水洗等次生作用往往会使得烷烃气、特别是含量低的乙烷等重烃组分的碳同位素变重。而次生作用对不同组分碳同位素组成影响程度上的差异往往会引起重烃组分之间的碳同位素倒转, 但不会引起甲烷与乙烷之间的碳同位素倒转。因此,研究区古生界高演化天然气碳同位素倒转应是一种特殊的混源作用引起的。

相关性分析(图4和图5)清楚地表明, 研究区高演化天然气碳同位素组成的倒转是由于乙烷碳同位素组成异常偏轻引起的。因此, 碳同位素倒转与乙烷等重烃组分碳同位素组成显著偏轻是同一因素引起的。即碳同位素组成显著偏重、乙烷等重烃组分含量很低的高演化天然气中混入了少量乙烷含量高、碳同位素组成偏轻的油裂解气。

3.3 高演化天然气的成因判识

由于高演化天然气中乙烷等重烃组分含量低,较易受次生作用的影响, 而引起碳同位素组成的异常变化[12]。因此, 虽然甲烷的碳同位素的动力学分馏作用较为显著, 进入高热演化阶段后会使得油型气与煤成气之间碳同位素组成的差异缩小, 但是,仍应作为天然气成因判识的主要指标[12]。基于前文的理由, 乙烷等重烃组分碳同位素组成是低成熟－高成熟天然气成因判识的重要指标, 但是, 对于高演化天然气而言, 应将乙烷等重烃组分碳同位素组成作为天然气成因判识的参考指标较为适宜。

对于研究区来说, 西北部上古生界天然气的甲烷及乙烷等重烃组分均具有偏重的碳同位素组成特征, 加之上古生界煤系以腐殖型为主, 因此, 可以确定为典型的煤成气。

对于乙烷等重烃组分碳同位素组成异常偏轻的东南部(高桥地区)的古生界天然气成因判识以甲烷碳同位素组成作为主要依据。该区上古生界天然气的δ13C1(‰, VPDB, )值分布于–29.1‰～ –25.9‰之间,与天环坳陷余探 1井奥陶系内幕气藏天然气相比,虽然该区的成熟度要略高于余探1井奥陶系(邻近的天2井Ro值为2.5%), 但是, 两者之间甲烷碳同位素组成的显著差异, 足以判定该区上古生界高演化天然气属煤成气。相反, 如果以乙烷等重烃组分碳同位素组成作为主要指标进行成因判识, 就会得出该区上古生界高演化天然气属油型气的结果, 显然,这样的判识结果与上古生界煤系气源岩以腐殖型为主的实际情况是不相符合的。该区奥陶系风化壳天然气的δ13C1(‰, VPDB)值分布于–33.2‰～–27.8‰之间, 要比同区上古生界天然气偏轻一些, 但是, 与余探1井和龙探1井[10]奥陶系内幕气藏天然气相比则明显偏重, 说明主要气源仍为上古生界煤成气。造成该区奥陶系风化壳天然气甲烷碳同位素组成相对偏轻的原因主要是运移成藏方面的因素, 以及一定数量油型气的混入。油型气的来源为太原组、本溪组海相碳酸盐岩和下古生界低丰度海相碳酸盐岩。

4 认 识

苏里格南部和高桥高热演化地区古生界天然气中乙烷等重烃组分含量低, 大多数样品的湿气系数小于2%。天然气甲烷碳同位素显著偏重, 乙烷等重烃组分碳同位素变化大。乙烷等重烃组分碳同位素异常偏轻、碳同位素倒转的气样分布于热演化程度更高、甲烷碳同位素更重、湿气系数更低的研究区东南部。常见的混源和次生作用不能合理解释研究区古生界高演化天然气乙烷等重烃组分碳同位素组成显著偏轻、甲烷与乙烷碳同位素倒转的现象。其原因可能是后期抬升阶段, 气源岩和储层中残余的

少量液态烃热裂解生成的碳同位素组成显著偏轻的乙烷等重烃组分的混入作用。因此, 对于乙烷含量很低的高演化天然气的成因判识, 应首选甲烷碳同位素组成作为主要指标, 而应将乙烷等重烃组分碳同位素组成作为参考指标较为适宜, 并进行地质地球化学综合判识。综合分析认为研究区古生界以煤成气为主, 并存在少量油型气的混入。

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