伊陕斜坡高熟天然气特征及碳同位素倒转成因

王 卓，赵靖舟，陈军军，蔡志成.

(西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065)

天然气碳同位素序列存在多种样式，随着碳数增加碳同位素变重的为正碳同位素序列，反之为负碳同位素序列[1-2]。同时也存在碳同位素反序和局部反序等多种倒转现象[3]。不同形式倒转产生的原因及其所反映的地质问题是地质学者关注的重点和难点，对其成因一直存在很多争议。因此，搞清某一地区天然气碳同位素的倒转成因，并探讨其在天然气勘探开发中的应用具有重要意义[1-4]。

近年来，国内外众多学者在碳同位素倒转方面做了不同深度的研究[4-9]，其中对北美海相页岩气的研究最多[7]，近两年国内对四川盆地的研究也有出现[8-9]。冯子齐等通过对四川盆地页岩气的研究，指出同位素特征对于气体的成因有很好的判识作用[9]；戴金星等通过对我国天然气特征的研究概述，总结了造成碳同位素的多种可能成因[10-13]。但一直以来，针对鄂尔多斯盆地的研究并不多见。为此，本文在前人总结认识的基础上，通过天然气地化特征的分析，结合先进的天然气判识图版、正推反演的研究思路，对研究区高熟天然气碳同位素倒转成因做详尽的分析。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是我国西北部地区典型的克拉通边缘叠合盆地，为国内第二大沉积盆地，可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷、西缘冲断带6个构造单元[14-16]。其构造稳定，发育层系多。本次研究对象主要为盆地内伊陕斜坡西北部奥陶系马家沟组高成熟天然气(图1)。马家沟组储层分为上、中、下3个含气组合，其中，马五段可分为10个亚段，马五1—马五4为上组合，马五5—马五10为中组合，马四段—马一段为下组合[14-16]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 天然气碳同位素分布特征

对研究区奥陶系和上古生界天然气的碳同位素分析对比得知，研究区中北部地区天然气δ13C1主要分布在-39.1‰～-31.7‰，平均值为-35.61‰，同一地区上古生界天然气δ13C1分布范围为-35.6‰～-29.0‰，平均值为-33.30‰(图2a)，与奥陶系样品相比略有偏轻，平均差值为2.0‰。此外，研究区中北部奥陶系天然气δ13C2主要分布在-30.45‰～-23.2‰，平均值为-28.32‰，而同一地区上古生界天然气δ13C2分布范围则为-22.13‰～-25.8‰，平均值为-24.42‰，与奥陶系样品相比偏重(图2b)。

图2 研究区中北部天然气碳同位素分布直方图Fig.2 Carbon isotope distribution histogram of natural gas in the north-central region

研究区南部碳同位素特征与中北部有所不同，其奥陶系δ13C1主要分布在-35.0‰～-29.76‰，平均值为-33.66‰，与中北部地区相比略有偏轻；此处上古生界天然气δ13C1分布范围为-29.31‰～-24.08‰，平均值为-28.24‰(图3a)，相比于中北部地区偏重约5‰。此外，南部奥陶系天然气δ13C2主要分布在-37.9‰～-26.46‰，平均值为-33.41‰，相比于北部明显偏轻；上古生界天然气δ13C2则主要分布在-33.70‰～-20.68‰，平均值为-24.94‰(图3b)。

图3 研究区南部天然气碳同位素分布直方图Fig.3 Carbon isotope distribution histogram of natural gas in southern region

3 天然气成因类型

本文通过气体烷烃碳数及碳同位素值建立关系，利用刘丹天然气判别图版(图4)，同时将甲、乙、丙烷碳同位素值交汇，利用戴金星天然气类型判别图版(图5)比较两者，判断研究区主要存在4种天然气类型。

3.1 典型煤成气

该类气在研究区中北部和南部都普遍分布(图4)，其甲烷碳同位素>-35.0‰、乙烷碳同位素>-28.0‰，在δ13Cn-1/n判别图版上呈尖峰状[17]。在传统天然气成因判别图上主要集中在Ⅰ区(图5)，该类气体在研究区的存在是因上古生界煤系烃源岩厚度大、质量较好，且下古生界储集层上部隔挡层分布不连续[18]，因此上古生界煤系生成的大量气体可直接运移至奥陶系储集层中。

3.2 典型油型气

研究区南部部分天然气样品属于该类型天然气。其甲烷碳同位素和乙烷碳同位素均较轻[17]，表现为典型油型气特征，δ13Cn-1/n判别图版上呈近似线状(图4)，在传统天然气成因判别图上主要集中在Ⅱ区(图5)。这类气体未经历后期次生改造作用，为下古生界自生自储的油型气。

3.3 正碳同位素系列混合气

研究区南部少量中组合样品及中北部少量中组合样品属于该类型天然气。该类气体甲烷碳同位素>-35.0‰、乙烷碳同位素<-28.0‰，δ13C1<δ13C2，在δ13Cn-1/n判别图版上呈现凹谷状[17](图4)。在传统天然气成因判别图上主要集中在Ⅲ区(图5)。如上所述，该类气体煤成气成分均源于上古生界煤系烃源岩[18]，而研究区下古生界烃源岩分布较少，厚度小，且品质差[18-20]，无法大量生排烃。断定研究区该类气体的存在以上古生界煤成气为主，混有少量海相烃源岩生成的油型气。

图4 研究区δ13Cn-1/n关系图(图版据刘丹，2012)Fig.4 Relationship diagram of δ13Cn-1/n (According to Liu Dan, 2012)

图5 研究区天然气成因判别图(图版据戴金星，2004)Fig.5 Genetic identification diagram of natural gas (According to Dai Jinxing, 2004)

3.4 负碳同位素系列混合气

研究区南部中组合天然气都属于该类特征的气体。该类气体均表现为δ13C1>δ13C2的局部倒转特征[17]，该类型天然气是近年来在盆地南部发现的。对于该类气体的认识：首先鄂尔多斯盆地构造比较稳定，可以排除无机成因气混入的可能。虽然此类气体发生碳同位素倒转，但相比于同区的上古生界天然气，其值都略偏轻(图2、图3)，断定此类气体混入的是自生油型气或上古生界油型气。

4 天然气碳同位素倒转成因

戴金星等通过大量研究指出：有机成因气和无机成因气混合会造成同位素倒转；煤成气和油型气混合可造成同位素倒转；同种类型天然气，其“源”不同，混合会造成同位素倒转；同一“源”气体，生排烃时间不同，混合会造成同位素倒转；同时细菌的氧化作用[7,10]、硫酸盐热还原作用与天然气的分馏作用也可不同程度地造成碳同位素倒转。

鄂尔多斯盆地构造稳定，盆地内无大断裂存在，天然气类型多为有机成因，并非有机成因气与无机成因气混合造成的倒转。同时，细菌氧化作用可造成某组分含量的降低及碳同位素变重，而研究区内天然气各组分含量表现出CH4

综上所述，研究区碳同位素倒转的原因可能是 “不同”气体的混合，至于是煤成气与油型气的混合、同型不同源气混合，或是同源不同期气混合，下文将进一步论述。

在前述判别天然气成因时，指出研究区天然气既有煤成气、油型气，也有正负碳同位素系列混合气，故可以排除碳同位素倒转的成因是因为同型不同源天然气的混合。同时，研究区天然气的气源既有上古生界煤系烃源岩的贡献，也有下古生界海相烃源岩的贡献，据此可以确定研究区天然气碳同位素倒转不是因为同源不同期天然气的混合。进一步，研究区负碳同位素系列混合气出现在上组合和中组合，且该区奥陶系天然气碳同位素发生倒转的同时，同一地区上古生界天然气也发生倒转。但不同的是，大多数上古生界天然气碳同位素倒转类型与该地区奥陶系天然气碳同位素的倒转类型相反，只有个别样品相同(图6)。

图6 研究区天然气碳同位素分布折线图Fig.6 Broken line diagram of carbon isotope distribution of natural gas

同时从δ13C1和δ13C2交汇图(图7)可以看出，该区发生倒转的奥陶系天然气中甲烷和乙烷碳同位素相比于上古生界都偏轻很多，再者研究区中组合与上古生界烃源岩直接接触，可以方便地接受上古生界所产生的气体，包括煤成气和油型气。可以断定不同类型气体的混入是导致该地区天然气碳同位素倒转的重要原因。

图7 研究区δ13 C1-δ13 C2 交汇图Fig.7 δ13 C1-δ13 C2 intersection diagram

综上所述，研究区天然气同位素倒转成因主要是油型气与上古生界煤系过熟气的混合。

5 结论

(1)研究区天然气由于油型气的混入，上组合天然气的乙烷碳同位素较上古生界天然气乙烷碳同位素偏轻。同时南部地区油型气混入量大于中北部地区，所以南部地区天然气乙烷碳同位素较中北部地区乙烷碳同位素偏轻。

(2)研究区奥陶系天然气类型主要包括煤成气、油型气和混合气。煤成气的气源主要为上古生界煤系烃源岩。油型气在研究区奥陶系中分布比较少，为下古生界自生自储的油型气。混合气分为正碳同位素系列和负碳同位素系列，其中，煤成气来源于上古生界煤系烃源岩，油型气则部分来源于上覆海相烃源岩，其余为自生气。

(3)通过对研究区天然气组分和碳同位素的分析，以及对研究区天然气成因的判别和气源的认识，确定研究区奥陶系天然气碳同位素倒转成因主要是油型气与上古生界煤系过熟气的混合。