鄂尔多斯盆地天环坳陷北部奥陶系天然气成藏期次

刘素彤 肖晖 杜元凯 柳志勇 田雯 李昊玺

摘要：以鄂尔多斯盆地天环坳陷北部奥陶系含气储层为研究对象，进行天然气成藏期次研究。采用流体包裹体岩相学观察及均一温度测试、气烃包裹体激光拉曼和包裹体碳同位素分析技术，结合埋藏热演化史分析，确定了天然气成藏期次，并根据已有天然气地球化学特征及成藏地质条件，建立了成藏流体演化特征及成藏过程。结果表明，奥陶系含气储层发育早、晚两期烃类包裹体，早期以沥青包裹体和液烃包裹体为主，反映早期原油成藏过程，包裹体均一温度峰值122 - 142℃对应中侏罗世成藏过程;晚期发育气液烃和气烃包裹体为主，包裹体均一温度峰值154 -168℃对应侏罗纪末一早白垩世成藏过程。包裹体气烃成分主要为CH4，其甲烷碳同位素平均值在- 38. 84‰，表明包裹体中CH。来源于早期原油裂解成因气。结合研究区天然气成藏地质特征分析，侏罗纪末一早白垩世为天然气关键成藏期，在天环坳陷斜坡深部及深凹陷区可以形成源自奥陶系气源岩的内幕气藏。

关键词：流体包裹体;激光拉曼;充注期次;奥陶系;鄂尔多斯盆地

中图分类号：TE 122

文献标志码：A

文章编号：1672 -9315 （2019）06 -1007 -09

DOI：10. 13800/j. cnki. xakjdxxb. 2019. 0613

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

收稿日期：2019 -01 - 05

责任编辑：李克永

基金项目：国家自然科学基金项目（41102082）;陕西省科技厅研究发展计划项目（2012JQ5011）

第一作者：刘素彤（1992 -），女，陕西西安人，硕士，E-mail：362662828@ qq.com

通信作者：肖晖（1980 -），男，陕西西安人，博士，副教授，E-mail：xiaohui@ xsyu.edu.cn

0 引言

中奥陶世鄂尔多斯沉积环境受庆阳古隆起分隔，东、西两侧分别为华北海体系域和祁连海体系域，该研究区面积大约为6×104 km2，在鄂尔多斯盆地天环坳陷北部区域。近年来随着盆地西部海相碳酸盐岩勘探的不断深入，不同学者该地区岩相古地理、成藏地质条件、烃源岩评价等方面进行了深入研究[1-4]，但在天然气成藏期次及演化特征上研究相对薄弱。作为成藏过程中最为关键的问题，成藏年代的研究不可或缺[5-8]。目前鄂尔多斯盆地西部奥陶系天然气成藏研究主要存在2种认识。一种观点认为奥陶系天然气为煤成气，为源自上古生界煤系烃源岩上生下储型气藏[4];另一种观点认为天环坳陷中、西部地区为源自奥陶系内部有效烃源岩自生自储型气藏[3，9-10]。在前人研究的基础上，通过开展流体包裹體均一温度测试、包裹体激光拉曼和碳同位素分析技术，对研究区奥陶系天然气成藏期次和演化特征进行系统研究，为鄂尔多斯盆地天环坳陷北部奥陶系天然气勘探提供依据。

1 区域地质及地球化学特征

研究区大地构造位置处于拉张裂谷边缘[11-12]，早奥陶世缺失冶里组（O1y）和亮甲山组（01l）沉积，三道坎组（Ois）发育混积陆棚、滨岸及潮缘沉积，岩性为砂岩和灰岩不等厚互层，厚度在0-50 m，与寒武系呈角度不整合接触。中奥陶世桌子山组（02zh）以开阔海台地相厚层灰岩和鲕粒灰岩为主[1，3]，该沉积期对应最大海泛期，厚度达50 -800 m.克里摩里组（02k）沉积期，由于基底变陡扩张，水体也加深。岩性主要为灰岩夹薄层白云岩、泥灰岩、黑色页岩，其中粒屑灰岩和碎屑流成因的钙质角砾岩，为奥陶系天然气主要产层[3]。晚奥陶世，乌拉力克组（03W）和拉什仲组（03l）主要发育斜坡一深水沉积，在海退的作用下，呈现西厚东薄的特征。

奥陶系天然气除天1井气藏为构造圈闭外，已发现气藏类型均为岩性圈闭，气藏储层分为岩溶缝洞和滩相透镜体2类[13]。除YT -1井外，气藏顶面距奥陶系顶部距离在18 -120 m，集中在18 -53.4 m，具有典型的煤成气特征的烷烃气，813 Ci在- 35.4- - 33.29‰之间，813 C2在27. 28 -- 21. 43‰之间，为上古生界生成的煤成气沿风化壳表面溶蚀缝洞或断层向下运移[8]。不同学者对YT -1井奥陶系天然气成因具有不同认识，持煤成气观点的学者认为，YT -1井奥陶系天然气甲烷碳同位素813 C1值为- 38. 92‰，乙烷813 C2值为- 27.17‰[4，10，14]，按照813 Ci - 813 C2 - 813 C3判别图版[15]，该气藏应为煤成气，甲烷同位素偏负可能为天然气顺层运移分馏所致[4]。持油型气观点的学者认为，该气藏甲烷碳同位素值偏负显示出源自奥陶系内部有效烃源岩自生自储型气藏成因[4]。

2 样品特征及实验条件

实验样品来自包括YT -1井在内的6口钻井岩心样品，钻井分布如图l所示。样品岩性特征主要为含气储层段粉晶灰岩、钙质角砾灰岩和溶蚀孑L洞灰岩。采样层位主要为克里摩里组，其次为桌子山组，深度范围在3 987 -4 226 m.本次研究共涉及3种实验分析。包裹体岩相学观察和均一温度测定在leicaDM2500P搭配linkam THMS600型冷热台进行，测温精度为±l℃;烃类包裹体激光拉曼测定使用Renshaw- Via型激光拉曼探针，激光功率20 mW，扫描速度10 s/6次叠加，光谱仪狭缝20 μm.包裹体碳同位素测试采用机械破碎法获取，将岩心凿下的方解石脉粉碎至80目左右，在特定的温度条件下（80℃）将方解石裂缝中的吸附气通过烘干去掉;将样品（15 -20g）放入压碎容器中并再次抽真空，将装有样品压碎器包装好后整体放入碎样机中，从而达到包裹体全部破碎的目的。包裹体中气体性质分析在Agilent公司与Wasson合作生产练厂气微量气相色谱仪上进行，该系统误差在l%范围内;气体单体烃稳定同位素分析采用IsochrffomⅡ型GC-IRMS同位素质谱仪进行测试，每种气体同位素均测试分析2次，2次分析误差在0.5‰以内。该实验详细测试条件可参见文献[16]。

3 烃类包裹体特征

根据流体包裹体类型鉴定和划分方法[17 -19]，结合烃类包裹体产状、发育程度和宿主矿物特征，可将奥陶系储层烃类包裹体划分为2期（图2）。第1期烃类包裹体主要发育在钙质角砾间充填的方解石和溶蚀孔缝中充填的早期方解石，主要以液烃包裹体和沥青包裹体为主，包裹体常因后期发生破裂而形成碳质沥青（图2（c）、（d））。该类包裹体直径一般在10 -20 μm，在早期方解石中呈面状分布，为烃类流体经过运移和聚集，且在后期发生热裂解作用。第2期常见于溶蚀孔缝中充填的晚期方解石（图2（e）、（f））和灰岩脉体中（图2（g）、（h）），以气液烃和气烃包裹体为主，少见含石盐子晶的气一液一固三相烃类包裹体。气液烃包裹体发育丰度高，气液比常在20% - 40%之间，个体较大，显微镜单偏光下呈灰褐色，纯气态烃包裹体主要为较高气液比（>50%），个体较大，长轴直径一般大于20 μm，半自形特征，气相部分在单偏光下不发光或浅红褐色。

对2种包裹体进行均一温度测试（表1）。确保测试数据的准确性，防止测试过程中的成分丢失，要求进行测试的盐水包裹体、伴生含烃盐水包裹体的形态相对规则，气液比要求均要高于20% [20]。溶蚀孔缝充填方解石包裹体均一温度在123 - 167℃之间，2个峰值分在130 - 142℃和152 - 162℃之间;方解石脉中晚期亮晶方解石包裹体均一温度在144 - 173℃之间，显示为较高的均一温度，在152 -168℃之间分布较为集中;钙质角砾间方解石胶结物中包裹体均一温度在118 -142℃之间。通过对以上3种包裹体测试结果的分析，均一温度分布区间主要分布在122 - 142℃和154 - 168℃2个峰值温度之间，这就与第一种产状的流体包裹体均一温度分布规律很相似（图3）。

4 气烃包裹体激光拉曼特征

激光拉曼光谱可以提供拉曼活性物质分子基团结构单元的很多信息，在石油地质中常用于测定单个包裹体的组成特征，用于提供划分成藏期次的重要依据。由于液烃（石油）包裹体在激光照射下产生强荧光干扰而难以实际测定，通常激光拉曼主要用于测定储层样品中各种不发荧光的C02，N2，H2S等无机气体包裹体以及含气态烷烃的烃类气体包裹体和含沥青包裹体中的固体物质[21]。本次研究对多口井岩心薄片中发育的沥青包裹体和烃类包裹体中的气烃部分进行测试，通过不同类型烃类包裹体成分信息反映成藏流体演化特征。

前人的研究得出，沥青在盆地西部、古隆起周边的奥陶系地层中存在较为广泛[22]。观察可得，大部分沥青呈现出半充填的特点，且沥青在微裂隙、压溶缝、溶孔、晶间孔（图2（a）、（b）、（c）、（d》中存在证明了液态烃发生过运移和聚集。从YT1和HT1两口井沥青包裹体激光拉曼光谱特征上看（圖4），反映沥青成分的拉曼特征峰十分明显。理论研究表明，原油族组成中的沥青质，是结构十分复杂的大分子组成，往往以1 360，1 620cm拉曼特征峰比较明显[23]，因此，结果验证了奥陶系储层中沥青包裹体的存在，也说明与沥青相伴生的液烃包裹体代表了奥陶系储层早期发生的油气运移和聚集过程。

沥青生物标志化合物分析表明沥青来源于海相烃源岩。研究还对Su359井奥陶系灰岩储层沥青进行了饱和烃色谱、色谱一质谱分析。C27 - C29甾烷呈倒“L”型，C27/C29比值介于0.3-0.5，甾烷C29aaa20S/（ 20S +20R）主要介于0.4-0.5之间，而甾烷C29αββ/（aaa+αββ）主要在0.3-0.5之间，这些参数表现高成熟度出腐泥型有机质的特征，也显示这些沥青主要来自古生界海相烃源岩[22]。

同时对晚期发育的高成熟度气液烃包裹体进行激光拉曼分析，来自3口钻井的10块样品测试结果表明，气相成分几乎以CH4为主，摩尔含量在63.3% - 100%，其次为C02和少量H2S，H2.包裹体中大量赋存的CH4表明晚期成藏流体主要为高成熟度烷烃气。

5 包裹体气烃碳同位素特征

为了探讨晚期成藏流体中CH4的来源，应用包裹体机械破碎法获取释放气体并测试其碳同位素值。样品来自3口井4块灰岩样品，方解石晶粒取自溶蚀孔洞中，样品层位向上110 - 200 m处为奥陶系的顶界面，奥陶系顶界面的上层即为泥岩盖层，厚度约为100多m，由于盖层厚度较大，故采集样品所在的层位几乎不会受到上古生界的影响。通过实验证明（表2），甲烷是主要的气烃成分，而包裹体中乙烷以上气烃成分少，含量在1% - 2%左右，本次测试中将样品重复测量从而降低误差，本次测试包裹体气烃甲烷碳同位素在- 40. 29%0 -- 36. 52‰.平均值在- 38. 84‰，乙烷碳同位素只测得一个数值为- 31. 67‰.包裹体破碎法获得的气烃碳同位素尽管可能混合有多期成藏流体信息，但是从甲烷碳同位素平均值来看，813C.的实验结果反应了油型气的特征，这一研究结果的甲烷碳同位素值与YT1井非常接近[1O，14]，证实了古油藏热裂解成因天然气的说法，也就是说，气烃成分主要为油型气，这一结论也与前人的研究结果相吻合[24]。

6 天然气成藏期次及演化特征

6.1 天然气成藏期次

古流体被捕获时候的最低温度可以通过流体包裹体的均一温度来确定[25]，故成藏的时间可以通过将均一温度与埋藏热演化史相结合的方法来研究。YT1井是天环坳陷北部具有代表性的探井，可以结合BasinmodlD软件模拟出热演化史，应用声波时差法求得YT1井早白垩世末抬升剥蚀量大约在960 m，古地温梯度取值3.6-4.1℃/100m[26]，采用Easy% Ro反演法获得埋藏热演化史图（图5）。将早期包裹体均一温度峰值区段和晚期包裹体均一温度峰值区段分别投影到埋藏一热演化史图上，通过投影过的埋藏一热演化史图得出122 - 142℃与154 - 168℃均一温度段对应油气充注时间分别为中侏罗世和侏罗纪末一早白垩世两期油气成藏过程。早期成藏过程为源自海相烃源岩古油藏形成，以液烃包裹体和沥青质的形成为主，晚期成藏代表天然气成藏过程，以气液烃、气烃包裹体为主，是天然气关键成藏时期。

6.2 奥陶系天然气成藏演化特征

鄂尔多斯盆地天环坳陷奥陶系含气储层流体包裹体记录了2期成藏过程：中侏罗世为源自腐泥型有机质生液烃成藏过程;侏罗纪晚期一早白垩世包裹体特征记录了古油藏裂解气成藏过程，是奥陶系天然气藏的关键成藏期。根据研究区天然气地球化学特征，碳同位素值整体反映了天然气来源于上古生界煤成气，这与包裹体系统研究的结论相矛盾。因此实际天然气的成藏演化过程还要考虑到地质发育背景，即天环坳陷奥陶系烃源岩的评价和成藏地质条件。

通过大量的烃源巖样品分析已经证明[4]，天环坳陷烃源岩主要发育中、西部埋藏较大地区，发育层位以乌拉力克组、克里摩里组上部以及拉什仲组为主，岩性主要为深灰色泥岩、灰泥岩及灰色灰岩，TOC平均值在0.52%，具备良好的生烃能力。天环坳陷东部地区，随着上奥陶统地层的抬升，地层沉积环境由还原条件逐渐向氧化环境过度，地层有机质含量减少，烃源岩生烃条件变差。同时处于天环坳陷东部斜坡浅部地区的钻井，由于奥陶系遭受不同程度的剥蚀，天然气气藏顶部泥岩盖层封存质量变差，因此这些地区形成源自奥陶系烃源岩气藏的可能性较低，而主要以上古生界煤成气气藏为主。但通过本次研究证实，天环坳陷奥陶系含气储层内部普遍发生过古油藏二次裂解生气过程，说明在天环坳陷斜坡深部及深凹陷区，奥陶系烃源岩有机质丰都高，后期保存条件较好，这些地区可以形成奥陶系内幕气藏，YT1井气藏就是例证[14]。

7 结论

1）鄂尔多斯盆地天环坳陷奥陶系含气储层发育早期烃类包裹体主要是沥青包裹体和液烃包裹体，反映早期原油成藏过程;晚期烃类包裹体主要以气液烃和气烃包裹体为主，反映晚期高成熟度天然气成藏过程，是研究区关键成藏期。早、晚两期包裹体均一温度峰值区段投影到埋藏一热演化史图上，122 -142℃与154 -168℃均一温度段对应油气充注时间分别为中侏罗世和侏罗纪末一早白垩世两期油气成藏过程。

2）烃类包裹体激光拉曼分析表明，沥青包裹体主要成分为固体碳质，气烃包裹体气相成分主要为甲烷，含有少量C02，H2S和H2.包裹体烷烃气碳同位素分析结果显示，包裹体中的气烃为早期原油裂解成因气，反映了早期成藏原油的二次裂解过程。

3）结合研究区奥陶系天然气成藏地质特征分析认为，天环坳陷斜坡深部或深凹陷区存在另一种成藏过程，即源于奥陶系有效烃源岩形成的天然气，在侏罗纪末到早白垩世形成奥陶系内幕气藏，以YT1井气藏为代表。

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