鄂尔多斯盆地古生界天然气地球化学特征与成因

李芙蓉,刘文汇,2,王晓锋,张东东,罗厚勇,陈晓艳,李福奇 ,张 雯

1.西北大学 地质学系,大陆动力学国家重点实验室,西安 710069;2.中国石化 石油勘探开发研究院,北京 100083

鄂尔多斯盆地作为中国最大的天然气产区,在上古生界和下古生界都有千亿立方米以上的大气田,根据天然气的来源可将其分为上古生界和下古生界天然气。上古生界天然气主要为煤型气已取得基本共识,产气层位是上古生界石炭系—二叠系碎屑岩;而下古生界奥陶系海相碳酸盐岩由于有机质含量低,不能达到传统烃源评价体系中优质烃源岩的标准,生烃能力未受到广泛认可,因此下古生界天然气气源存在争议[1-3]。

针对下古生界天然气的气源、成因等问题,已有学者做了大量研究。多数研究者认为,下古生界上组合赋存的天然气为上古生界煤成气和下古生界油型气的两源混合气[4-8]。但混合气的地球化学特征复杂,具有气源指示作用的各项指标相互之间存在矛盾。例如,乙烷碳同位素值以及生物标志化合物分析结果显示,气体主要来自于下古生界[7,9];而天然气甲烷碳同位素值及其空间变化规律,轻烃、液态正构烷烃系列的碳同位素值却显示,气源为上古生界煤层气[4,8]。近年来对盆地下古生界碳酸盐岩成藏新领域的勘探不断有所突破,尤其是在远离奥陶系顶部风化壳的马家沟组五段盐下及更深层取得了进展,为研究下古生界天然气特征和气源提供了新的样本和途径,预示了下古生界碳酸盐岩—膏盐岩沉积体系具备油气勘探潜力[10-11]。而目前的研究局限于特征产层和区域范围内的天然气地球化学特征,难以把握盆地范围内天然气地化特征的演化规律;分析复合气的气体特征,不利于未知来源天然气的气源判别。因此本文在最新一批天然气地球化学测试数据基础上,尽可能收集了全盆范围内的古生界天然气资料,并结合前人的研究结果,总结天然气的整体特征,系统认识古生界天然气的形成演化,特别是上、下古生界天然气的异同和复合型天然气的气源及其成藏演化。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地主体表现为稳定升降、连续沉积的叠合型克拉通型盆地,盆地古生界具有明显的双层沉积结构。其中上古生界以陆相碎屑岩和煤系沉积为主,仅在中东部局部地区存在部分海陆交互相沉积,煤系地层是其主要烃源层;下古生界为海相碳酸盐岩和膏岩沉积,烃源岩以奥陶系碳酸盐岩为主[13-14]。上古生界煤系烃源岩在盆地北部镜质体反射率在1.2%～2.0%之间,盆内可达2.5%以上,南部部分地区高达3.0%,整体呈现由北向南成熟度增高的趋势[15-16];纵向上具有多油气层复合叠加的分布格局,在上古生界已发现苏里格、乌审旗、子洲、大牛地等气田(图1)。以靖边气田为代表的下古生界产气层近年来备受关注,其含气层位集中在盆地中东部奥陶系马家沟组。马家沟组是一套碳酸盐岩与膏盐岩旋回发育的沉积层,由下往上分为六段,即马一段—马六段。根据次一级的海侵、海退事件,马五段从上到下又分为10个小层,其中以马五6亚段以及马四段发育的厚层膏盐岩为界,将马家沟组分为上、中、下3个含气组合;而以马五6亚段膏盐岩为界,马家沟组中下组合地层统称为“盐下”地层,发育的碳酸盐岩与膏盐岩共生的沉积体系厚度可达900 m[17-18]。马家沟组顶部经过加里东运动构造抬升后,在长期的岩溶作用下发育了良好的气体储集空间,上古生界煤系气源岩与风化壳侵蚀面直接接触,形成了有利于上古生界煤成气在其中运聚成藏的地质背景[19]。而中下组合烃源岩累计厚度、单层厚度薄,纵向上分布分散且多被盐岩夹层所分隔。随着勘探范围的拓展,近年来在盐下地层陆续实现勘探发现,马五7、马五9亚段均获得工业气流,尤其是米探1井在马四段取得的天然气勘探新发现,使下古生界烃源岩逐渐为人们所重视[20-22]。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划和气田位置

2 研究数据

在全盆采集了50余个天然气样品进行气体组分分析和系列烷烃碳、氢同位素分析,所有实验均在西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室完成。天然气组分通过气相色谱仪 (Agilent Technologies 7890B)进行分析测试,仪器使用美国19091J-413(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 弹性石英毛细管柱,色谱进样口温度为280 ℃,载气为高纯氦,载气流量为1.2 mL/min;升温程序由80 ℃起,以4 ℃/min升至290 ℃,恒温30 min。天然气碳、氢同位素组成通过TRACE1300气相色谱仪与同位素比质谱分析仪 MAT 253 Plus (Thermo Scientific) 进行联用测定,气相色谱仪配备毛细管色谱柱HP-PLOT Q (30 m×0.32 mm×20.0 μm),色谱进样口温度为200 ℃,程序设定为以初始温度50 ℃保持3 min后,以15 ℃/min的升温速率升至190 ℃,保持5 min;以高纯氦作载气,柱流速为1.5 mL/min。测定碳同位素组成时燃烧炉温度为960℃,测定氢同位素组成时裂解炉温度为1 350℃。天然气碳同位素值与GBW-04407参考给出相对V-PDB的值,标准偏差为±0.3‰;氢同位素分析采用经国际标准V-SMOW标定的钢瓶气体进行对比,其标准偏差为±5‰。

本文对鄂尔多斯盆地不同地区和层位的700余个天然气样品的地球化学数据进行了系统收集、分析、甄别和整理,主要包括气体组分及烷烃碳、氢同位素组成,数据主要源于多年来发表的论文[2,12,23-39]与本课题组项目采样与实验,天然气组分和同位素组成测试均在西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室完成。在数据整理过程中,甄别了部分显著异常的样品(例如上古生界某样品δ13C1为-19.5‰,对应的煤型气成熟度过高,与目前盆地的热演化研究结果相去甚远),对同一样品的不同数据则根据数据精度与发表年份进行了甄别(天然气组分优先选用百分位的有效数据,烷烃碳同位素优先选用十分位的有效数据,烷烃氢同位素优先选用精确到个位的有效数据;同一精度下则选用更早公开发表的),在此基础上根据采样井位置与采样层位进行了排序(多数样品是单层取样,部分试气井存在多层取样)。

3 古生界天然气地球化学

为了对比研究,本文按储集层位划分上、下古生界和下古生界的上、中、下组合[40],而天然气的成因及来源由天然气地球化学示踪结果而定。

3.1 上、下古生界天然气的地球化学特征对比

鄂尔多斯盆地上古生界天然气烃类气体主要成分为甲烷,干燥系数在0.83～0.99之间,均值为0.94;随着成熟度增加,甲烷含量增加,乙烷含量降低,两者呈良好的负相关,证明上古生界气源比较单一。下古生界甲—乙烷含量相关性较差,CO2、N2、H2S等非烃气体的含量都呈递增趋势,总体看来下古生界天然气气态重烃含量比上古生界低,在两者演化程度相近的情况下,油型气反而更加干燥,证明这不是单纯的热解作用造成的影响,碳酸盐岩烃源的成烃作用,特别是热化学硫酸盐还原作用可能起重要作用[12,41](表1,图2)。

表1 鄂尔多斯盆地古生界天然气组分与同位素组成

图2 鄂尔多斯盆地古生界天然气甲烷—乙烷组分含量

烷烃碳同位素是最常用的判断天然气成因的指标,高—过成熟天然气来源判识应以主要成分甲烷碳同位素为主要判识指标,以乙烷碳同位素为参考指标[30,42]。上、下古生界天然气在δ13C1—δ13C2关系图(图3)上的分布规律存在明显差异,上古生界天然气存在2个分布集群,甲、乙烷碳同位素值都随着成熟度的增加变重。Ⅰ区样本的δ13C1分布在-40.8‰～-27.8‰,δ13C2分布在-27.8‰～-20.6‰;Ⅱ区样本的δ13C1分布在-33.5‰～-26.0‰,δ13C2较Ⅰ区样品更轻,分布范围更广,分布在-37.2‰～-25.3‰。盆地中下古生界天然气的δ13C1分布在-28.1‰～-45.9‰,δ13C2分布在-39.4‰～-20.3‰,整体呈离散型分布。

图3 鄂尔多斯盆地古生界天然气δ13C1-δ13C2关系

天然气中的甲烷氢同位素(δD1)组成主要为成气母质类型和沉积环境所控制。WANG等[43]在对中国主要沉积盆地的天然气烷烃同位素组成研究的基础上,建立了天然气母质类型判别图版。鄂尔多斯盆地上古生界天然气基本全部处于腐殖型有机质成气范围(图4),而下古生界天然气除少部分外,基本都不在典型油型气范围,且甲烷氢同位素组成差异较小,乙烷碳同位素组成变化异常大,说明下古生界碳酸盐岩烃源的成烃—成藏过程具有复杂性。

图4 鄂尔多斯盆地上、下古生界天然气δ13C1—δD1和δ13C2—δD1关系 底图源自WANG等[43]。

3.2 上古生界不同产区天然气地球化学特征

上古生界天然气甲、乙烷碳同位素组成随演化程度增加而相应变重。Ⅰ区样本乙烷碳同位素组成都重于-28‰,属于单一煤型气;随着热演化程度增加,甲烷碳同位素组成对乙烷更加敏感,变化范围更大,符合典型煤成气同位素组成随成熟度增加的演化特征[44-45]。Ⅱ区样本的乙烷碳同位素组成变重速度比甲烷快得多,与Ⅰ区形成明显对照,说明影响这部分天然气同位素组成的因素主要作用于乙烷,应考虑热演化程度以外的影响因素(图3)。

对上古生界天然气进一步的分区域研究可见,甲、乙烷碳同位素由东北向西南渐重(图5),符合任战利等[46]的盆地热演化研究结果。异常样本(图3中Ⅱ区样本)主要分布在伊陕斜坡南部的延安、富县、莲花庙等地区以及中部气田南部、西南部地区,这些地区石炭系底部热演化程度高,Ro在2.2%～3.0%之间,对应的甲烷碳同位素值整体上重于Ⅰ区天然气样本,但乙烷碳同位素值显著偏低而呈现出典型的油型气特征[47]。另外,盆地南部存在甲、乙烷碳同位素倒转现象,南部上古生界产层的天然气甲、乙、丙烷呈非正序列分布(“V”字、倒“V”字倒转和完全倒转),说明发生过天然气的差异损失或运移混合(图6)。此外,表2统计了盆地上古生界各气田天然气CO2含量,可见南部样本CO2含量(0.25%～7.2%)显著高于其他地区。

表2 鄂尔多斯盆地各气田上古生界天然气二氧化碳含量

图5 鄂尔多斯盆地上古生界各产区天然气δ13C1—δ13C2关系

图6 鄂尔多斯盆地南部上古生界 天然气δ13C1—δ13C2—δ13C3序列分布

3.3 下古生界各含气组合天然气地球化学特征

盆地下古生界各含气组合沉积背景不同[48-49],各层位赋存的天然气地球化学特征差异也非常明显。上组合64个天然气样品的CO2含量均值为3.29%,中—下组合28个天然气样品的CO2含量均值为4.49%,均明显高于上古生界206个样品均值1.12%,并随着产层深度增加含量升高(表1),说明下古生界天然气CO2具有自生性。乙烷碳同位素值分布在-23.4‰～-37.8‰,多数轻于-28.0‰;氢同位素分布在-156‰～-193‰,主体重于-180‰(图7a-b),显示上组合是以海相腐泥型有机质为主生成的混合气,但在靖边和乌审旗气田中—上组合存在少量腐殖型母质生成气。此外,随着埋深增加,与中—上组合相比,下组合天然气样品δD1整体重于-180‰(图7c),随埋深增加气体氢同位素组成愈重,表现为更加典型的海相母质成气的特征,说明埋深越大,气体来源越单一。

图7 鄂尔多斯盆地下古生界上—中—下组合天然气δ13C2—δD1关系

4 古生界天然气的形成与演化

4.1 上、下古生界天然气的形成

如图8所示,上古生界天然气随着埋深增加,甲、乙烷碳同位素均逐渐变重,说明其主体是符合成熟度演化规律的煤型气,只有盆地南部的上古生界天然气样本的乙烷碳同位素值与下古生界天然气分布范围更为一致,烷烃系列碳同位素也普遍存在倒转现象。结合上文分析,说明南部上古生界产层存在组分和同位素特征与原生气差异较大的外源气体的混入,“扭转”了原生天然气的同位素序列特征。盆地南部天然气成熟度高,原生气的乙烷含量非常低,而下古生界天然气乙烷含量相对更高,于是混合气的乙烷碳同位素值与下古生界天然气较为一致,甲烷碳同位素值与上古生界天然气较为一致,造成烷烃系列的同位素倒转。张文正等[50]于2016年在苏南地区和高桥地区发现了此类烷烃同位素异常。本文数据显示,异常样品在伊陕斜坡南部甚至渭北隆起构造带普遍存在,盆地南部马家沟组中—下组合地层中膏盐的减少和断裂构造的发育,可能为下古生界天然气向上运移提供了必要条件。

图8 鄂尔多斯盆地古生界天然气埋深—烷烃碳同位素组成关系

下古生界天然气一定程度上也受成熟度控制,甲烷碳同位素值在整体上符合由东往西随成熟度的增加变重的规律,但乙烷碳同位素值却分布范围广且没有明显规律,说明还存在其他影响因素。下古生界天然气主体乙烷碳同位素基本都小于-25‰,一半以上的天然气氢同位素重于-180‰,显示为腐泥型母质成气特征[51]。有研究认为,这一现象应归因于上古生界底部的海相地层烃源岩生气后向下运移成藏[52]。但油气由上向下运移需要克服地层压力、毛细管力等一系列强阻力并穿越膏岩层[53-54],若生烃强度如此之高以至于能够克服以上阻力,那生成的天然气也应该能向上运移与煤层气混合。然而主要分布于伊陕斜坡东部的安塞—佳县—神木一带上古生界底部灰岩产出的上古生界天然气却是典型的成熟度较低的煤型气,并无异常显示(图5),不支持这种假设。另外有研究认为,在印支期—燕山期盆地西倾掀斜后中央古隆起下拗转变为供烃窗,上古生界煤系烃源岩通过中央古隆起向上倾高部位侧向供烃,本研究显示运移路径(中央古隆起—中部气田—东部盐坳)上的天然气却随着运移距离增加甲烷碳同位素变轻,乙烷碳同位素变重(图9),“途经”靖边气田的下古生界天然气乙烷碳同位素组成随埋深增加变轻的趋势尤为明显(图8)。目前还未发现能够造成上述同位素变化的天然气运移过程或次生作用,这否定了上古生界产气向下运移并造成乙烷碳同位素异常的可能性,表明下古生界天然气确属海相成因气,并非源自上古生界,而是下古生界奥陶系海相碳酸盐岩烃源自生自储气。

4.2 碳酸盐岩层系TSR对天然气的影响

随着下古生界产气层位加深,盐下天然气地球化学特征出现了常规地球化学示踪方法无法解释的异常。例如天然气乙烷碳同位素重于-28‰,接近煤型气特征值;而甲烷碳同位素却愈轻,最轻可达-45‰。油气形成后常见的次生作用,例如生化反应优先消耗键能较低的C-H,使残留油气氢同位素组成变重,但油气运移也只能造成甲、乙烷同位素同时增重,鲜有使其变化趋势不一致的。结合下古生界地质背景条件,分析天然气生、储、盖等成藏和保存要素后,只能将之归因于热化学硫酸盐还原反应(TSR)。

TSR是指硫酸盐矿物在热动力驱动下被烃类还原成硫化物,烃类被氧化的过程,是一种在碳酸盐岩气藏中广泛存在的地质地球化学过程。充足的物源基础和能量供给是TSR反应发生的基础[55-56]。鄂尔多斯盆地中—东部奥陶系马家沟组沉积背景为蒸发台地内坳陷,坳陷中央由于水体盐度升高,逐渐相变为石膏和石盐沉积。频繁的海进、海退造成纵向上黑色泥岩和准同生白云岩储层叠置发育,在中—下组合地层形成良好的源—储组合,进入过成熟演化阶段的下古生界油型气也为硫酸盐还原作用提供了充分的物质和能量条件。

TSR过程将消耗烃类生成H2S和CO2,改变碳酸盐岩储层中天然气的地球化学特征[57-58]。鄂尔多斯盆地中—下组合产出的天然气CO2与H2S含量迅速增加(表1),下组合产气常含硫化氢、下组合地层常见生烃痕迹或TSR相关产物(CO2或H2S与不同金属阳离子生成的碳酸盐、碳酸氢盐或相对稳定的硫化物),如固体沥青,黄铁矿、硫磺和同位素负漂的方解石(图10)。

图10 鄂尔多斯盆地中—下组合地层生烃证据与TSR作用相关产物

地质条件下的硫酸盐热化学还原反应是非常复杂的地球化学过程,反应优先消耗长链烃和轻碳原子[59],因此在不同的反应阶段,天然气组分与烷烃同位素变化具有一定的规律。鄂尔多斯盆地下古生界天然气组分和烷烃同位素都指示这种强烈的次生改造作用,如图11所示,在乙烷含量低于2%时,上、中、下组合天然气都表现为随乙烷含量减少其碳同位素组成变轻,但当乙烷含量低至0.2%后,以下组合为主的天然气开始表现为随乙烷含量减少其碳同位素组成变重。

图11 鄂尔多斯盆地古生界天然气乙烷含量与乙烷碳同位素的关系

根据反应物的不同可将鄂尔多斯下古生界天然气发生的TSR作用大致分为以下3个阶段(图12):(1)大分子有机质反应阶段:这个阶段气态烃作为产物,甲、乙烷碳同位素组成相对干酪根热解气逐步变轻;(2)气态重烃反应阶段:甲烷碳同位素组成变轻,乙烷以上烃类气体碳同位素组成依次反向变重,中东部中、下组合天然气普遍经历过这个阶段,代表性的MT1井δ13C1为-46.2‰,δ13C2为-26.2‰,δ13C3为-23.4‰;(3)甲烷反应阶段:甲、乙烷碳同位素组成都开始变重,代表井是T122井,δ13C1为-37.8‰,δ13C2(微量)为-20.0‰。

图12 TSR反应对鄂尔多斯盆地下古生界 天然气碳同位素变化的影响模式

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地上古生界天然气主体以煤型气为主,由东北往西南方向受成熟度演化控制,烷烃碳同位素渐重;储层内改造程度低,在盆地南部(包括伊陕斜坡南部)产出的天然气呈现海相成因气特征,暗示由于下古生界盐岩减薄和断裂发育,盆地南部存在下古生界及更深层系烃源的存在。

(2)盆地下古生界中—上组合地层产出天然气普遍具有混源特征,氢同位素主体重于-180‰,显示其主体为油型气;下组合天然气样品气体成分较为单一,为单一海相母质成因气的表现。盐下天然气烷烃同位素特征异常,是碳酸盐岩烃源和储层内演化改造的结果。结合中东部盐下地层勘探方面的重大突破,充分显示了碳酸盐岩层系天然气资源的巨大潜力。

(3)天然气地球化学特征显示,TSR作用对天然气的改造程度不一,导致盆地下古生界碳酸盐岩层系天然气组分和系列碳同位素组成的复杂变化。鉴于含油气盆地海相碳酸盐岩的广泛发育和碳酸盐岩储集体的强烈非均质性,系列同位素的无规律分布是鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩层系天然气地球化学的重要特征。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’ Contributions

李芙蓉、刘文汇、罗厚勇参与论文研究思路设计和写作;王晓锋、李芙蓉、李福奇参与了实验测试;李芙蓉、张东东、陈晓艳、张雯参与了论文修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed and the manuscript was drafted by LI Furong, LIU Wenhui and LUO Houyong. The experimental operation was completed by WANG Xiaofeng, LI Furong and LI Fuqi. The manuscript was revised by LI Furong, ZHANG Dongdong, CHEN Xiaoyan and ZHANG Wen. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.