鄂尔多斯盆地杭锦旗地区天然气地球化学特征及气源探讨

张 迈,宋到福,王铁冠,何发岐,张 威,安 川,刘 悦,陆振港

1.中国石油大学(北京) 油气资源与工程全国重点实验室,北京 102249;2.中国石化 华北油气分公司,郑州 450000

鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气盆地之一,其上古生界发育有大型岩性油气藏。近年来随着勘探开发工作的不断深入,在盆地北部先后发现了苏里格、榆林、乌审旗、大牛地以及东胜等大中型气田[1-5]。杭锦旗地区隶属于东胜气田,截至目前该地区天然气探明储量已达千亿立方米,勘探潜力巨大[6-7]。前人对杭锦旗地区天然气的成藏地质条件、成因类型以及成藏期次等方面开展了一系列研究,尤欢曾、杨华等[8-9]基于对研究区成藏条件的分析,指出区内呈广覆性展布的石炭系—二叠系的太原组—山西组煤系烃源岩为油气成藏提供了优质的烃源条件,而二叠系广泛发育的河流相、三角洲相等沉积体系则形成了良好的储盖组合;彭威龙等[10]通过将区内天然气与其他气田天然气进行对比分析,认为研究区天然气主要来源于下伏煤系烃源岩,而非相邻的气田;纪文明、徐波等[11-12]针对这批煤系烃源岩开展了一系列研究,认为研究区气源岩生烃强度高,为较好—非常好烃源岩,其展布与演化主要受区内古构造及其演化控制,泊尔江海子断裂以南的烃源岩要优于断裂以北的烃源岩;倪春华、薛会等[13-14]基于对天然气地球化学特征的分析认为其主体为煤型气,且处于成熟—高成熟演化阶段;此外薛会等[15]还通过生烃时间法、流体包裹体法等方法指出研究区天然气存在2期成藏。以往的研究虽对区内天然气特征有了一定的认识,却均将其成藏视为一个整体的过程,笼统地认为石炭系—二叠系的煤系烃源岩为其主力气源岩,而不同层位烃源岩的贡献则缺乏进一步的探讨。近期我们的研究发现,杭锦旗地区不同区带天然气的地球化学特征存在着较明显的差异,且太原组和山西组2套气源岩之间也存在着明显差别[16-17]。因此,详细对比剖析不同区带天然气的有机地球化学组成特征,厘清各区带天然气的具体来源及成藏过程的差异性,对该区下一步天然气勘探开发有着重要的意义。

本文通过气相色谱分析、碳同位素分析等技术手段,对杭锦旗地区3个主力勘探区带上古生界天然气的地球化学特征进行了详尽的分析,进一步明确它们在成因以及来源上的区别,以期对该地区后续的天然气运移成藏研究工作提供帮助。

1 区域地质概况

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部(下面简称鄂北),其矿区跨越伊盟隆起、天环坳陷和伊陕斜坡3个一级构造单元,勘探面积约8 940 km2[6-7]。受到鄂北地形的影响,在构造上研究区呈现为一“北高南低、东高西低”的大型单斜,区内主要发育有泊尔江海子、乌兰吉林庙和三眼井3条近东西向断裂。以泊尔江海子断裂为界,研究区可以划分为南、北2个区域,其中北部地区构造整体上比较复杂,断层发育,而南部地区构造则相对平缓[16-21]。目前研究区天然气主要开发区为北部的什股壕区带以及南部的独贵加汗和新召区带(图1)。

图1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区位置及采样点分布据文献[16]修改。

在加里东运动晚期,由于盆地北缘整体抬升遭受剥蚀,研究区上石炭统以前的地层均缺失,因此由老至新研究区先后沉积有石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系以及第四纪[22-25](图2)。上石炭统太原组与下二叠统山西组的煤系烃源岩是研究区油气的主要来源,其在全区均有分布,且在平面上呈现出“北厚南薄、东厚西薄”的展布特征,烃源岩有机质含量高,均以Ⅲ型干酪根为主,成熟度也自西南向东北逐渐减小;二叠系下石盒子组发育有大套致密砂岩,分布较广,为天然气的运移和聚集提供了良好的条件,是研究区的主要产气层;二叠系上石盒子组与石千峰组发育的泥岩紧覆于致密砂岩之上,形成了较好的盖层[26-29]。

图2 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区地层分布据文献[23]修改。

2 样品采集与实验分析

本次研究在研究区不同区带采集上古生界天然气样品共62件,其中什股壕区带15件,独贵加汗区带33件,新召区带14件(表1),采样点位分布如图1所示。所开展的天然气气相色谱、同位素测试等分析实验均在中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室完成。

表1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气组分及稳定碳同位素数据

2.1 天然气气相色谱分析

通过不锈钢管将气瓶与进样口连接,打开气瓶出口阀,用气样对进样系统进行吹扫15～30 s后,启动采集程序并关闭出口阀,使气样随载气流进入色谱柱中。本次所用仪器为Agilent 8890气相色谱仪,色谱柱HP-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm),载气为氦气,柱流量1.0 mL/min。

2.2 天然气同位素测定

在过饱和盐水中通过排水集气法富集天然气后,用注射器抽取50 μL天然气样品注入仪器,随后启动采集程序,天然气各烃类组分在氧化装置中转化为二氧化碳并随载气流进入同位素质谱仪进行碳同位素组成测定。所选用仪器为MAT 253稳定同位素测定仪,色谱柱HP-PLOT Q (30 m×0.53 mm×40 μm),载气为氦气,柱流量1.3 mL/min。为确保实验数据准确性,在样品测定过程中,每测12个样品后插入一个标准样品对仪器工作状态进行监测。

3 天然气地球化学特征

3.1 天然气组分特征

本次分析所检测到的天然气烃类气体组分包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等(表1)。甲烷为烃类气体的主要成分,其相对含量占总组分的55.12%～94.55%,平均值为81.45%,其中什股壕、独贵加汗、新召区带天然气甲烷含量分别为59.08%～90.64%、57.57%～94.55%、55.12%～87.12%,平均值分别为78.74%、84.18%、77.90%(图3)。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区不同区带天然气组分含量

研究区天然气干燥系数(C1/ΣC1-5)变化范围为0.77～0.97,平均值为0.90,整体上呈现出湿气的特征[30-31]。就不同区带而言,什股壕区带干燥系数为0.82～0.94,平均值为0.92,均为湿气;独贵加汗区带干燥系数为0.77～0.97,平均值为0.91,其中干燥系数小于0.95的样品占87.88%,以湿气为主;新召区带干燥系数为0.83～0.95,平均值为0.87,均为湿气(图4)。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区不同区带天然气干燥系数频数分布直方图

二氧化碳、氮气等非烃类气体在所有样品中均有检测到,其中二氧化碳相对含量普遍较低,最高仅达2.26%;氮气含量大部分低于6%,但部分井位(如S4井、S7井、S13井等)氮气含量明显较高(>30%)。由于采样时部分地区正在开展连续油管氮气气举排液工艺,故推测该工艺导致了天然气中氮气含量远高于正常范围。

3.2 天然气碳同位素特征

杭锦旗地区上古生界天然气甲烷、乙烷、丙烷等烷烃气的碳同位素分布范围分别为-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰、-27.3‰～-23.0‰(表1)。其中,什股壕区带烷烃气碳同位素为-33.7‰～-31.3‰(δ13C1)、-27.3‰～-25.4‰(δ13C2)和-25.6‰～-23.9‰(δ13C3);独贵加汗区带烷烃气碳同位素为-36.5‰～-32.6‰(δ13C1)、-28.2‰～-25.6‰(δ13C2)和-27.3‰～-24.0‰(δ13C3);新召区带烷烃气碳同位素为-35.1‰～-33.6‰(δ13C1)、-24.9‰～-23.9‰(δ13C2)和-24.9‰～-23.0‰(δ13C3)。主体上,3个区带烷烃气碳同位素均呈现出δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布特征(图5),但不同区带天然气碳同位素组成之间仍存在差异。在甲烷碳同位素方面,什股壕区带的δ13C1值普遍偏重,独贵加汗区带次之,新召区带δ13C1值最轻,这可能与油气运移过程中甲烷碳同位素分馏效应有关,但不排除母源与成熟度的影响;在乙烷、丙烷等重烃气碳同位素方面,新召区带天然气δ13C2值和δ13C3值明显重于独贵加汗区带和什股壕区带天然气,表明它们的天然气来源可能不同。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区不同区带烷烃气碳同位素组成特征

4 天然气成因类型鉴别及气源探讨

4.1 天然气成因类型鉴别

天然气的碳同位素值一般与烃源岩母质类型及成熟度有关,故而通常将天然气碳同位素组成作为鉴别成因类型的指标[32-34]。通常无机成因气具有负碳同位素系列,即δ13C1>δ13C2>δ13C3,而有机成因烷烃气则具有正碳同位素系列,即δ13C1<δ13C2<δ13C3。根据前文对研究区天然气碳同位素组成分析结果可知,什股壕、独贵加汗以及新召区带的天然气碳同位素均呈正序列分布,说明天然气为有机成因气。此外,与有机成因气相比,无机成因气的碳同位素往往要重得多。戴金星提出,以δ13C1值为-30‰作为划分天然气无机成因和有机成因的界限,当δ13C1>-30‰时为无机成因气,而当δ13C1<-30‰时则为有机成因气[35-36]。研究区3个区带δ13C1最大值分别为-31.3‰、-32.6‰和-33.6‰,进一步证明其均为有机成因天然气。

根据油型气和煤型气在天然气碳同位素组成方面的差异,国内外学者编制了一系列成因类型鉴别图版。例如,在天然气δ13C1—δ13C2成因鉴别图(图6)中,什股壕、独贵加汗以及新召3个区带的天然气与腐殖气(煤型气)δ13C1—δ13C2分布特征一致,表明其主要为腐殖气(煤型气)[37-38]。同样,从戴金星提出的有机不同成因烷烃气δ13C1—δ13C2—δ13C3鉴别图(图7)中我们可以看出,研究区3个区带天然气的数据点主要分布于Ⅰ类煤型气区,反映研究区天然气整体上具有煤型气的特点[35,39]。从天然气δ13C2与(δ13C2-δ13C1)相关关系鉴别图(图8)中可以发现,研究区天然气均以中—晚期腐殖型气为主,说明其气源岩处于高成熟—过成熟热演化阶段[40]。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区有机成因气δ13C1—δ13C2鉴别据文献[37-38]修改。

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区有机成因烷烃气δ13C1—δ13C2—δ13C3划分根据文献[35,39]修改。

图8 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区天然气δ13C2与δ13C2-δ13C1相关关系鉴别根据文献[40]修改。

除碳同位素外,天然气组分含量特征以及其比值特征也可以作为鉴别天然气成因类型的指标。谢增业等[41]根据ln(C2/C3)随ln(C1/C2)变化的速率建立了干酪根裂解气和原油裂解气判识图版,由图9可见,3个区带的天然气数据点基本上都落在干酪根裂解气区域,说明天然气主要为干酪根裂解气。此外,ln(C2/C3)和ln(C1/C2)变化速率的相关关系还可以用于区分干酪根初次裂解气和二次裂解气。PRINZHOFER等[42]指出,ln(C1/C2)变化速率较快,而ln(C2/C3)变化速率较缓,为干酪根初次裂解气,反之则为干酪根二次裂解气。研究区3个区带天然气ln(C1/C2)变化速率明显较ln(C2/C3)快,说明研究区天然气可能以干酪根初次裂解气为主。

图9 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区天然气ln(C1/C2)— ln(C2/C3)交会图根据文献[41-42]修改。

4.2 天然气气源探讨

天然气乙烷、丙烷碳同位素主要取决于其气源岩的碳同位素组成,虽然在运移过程中会产生一定的分馏,但较甲烷而言,由于乙烷和丙烷的相对分子质量较大,同位素分馏程度相对要小得多,故而δ13C2与δ13C3可以作为较好的气源判识参数[43]。从图5和图10中不难发现,新召区带天然气δ13C2和δ13C3值较其余2个区带明显偏重,而在什股壕和独贵加汗2个区带天然气数据点中后者δ13C2和δ13C3值相对更轻。根据对研究区2套烃源岩的地球化学特征进行对比分析发现,山西组烃源岩有机质来源中高等陆生植物输入较多,而太原组烃源岩有机质来源中低等水生生物的贡献更高,因而太原组烃源岩干酪根碳同位素整体上要轻于山西组[14]。由此分析推测,新召区带天然气可能多为山西组煤系烃源岩供烃,而什股壕和独贵加汗区带天然气则来源于2个层位烃源岩的共同贡献,其中太原组煤系地层对后者的贡献可能相对更高。

图10 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区天然气烷烃碳同位素气源判识

结合烃源岩展布等地质背景来看,杭锦旗地区烃源岩主要分布于独贵加汗区带以东的伊金霍洛旗一带,且呈现由东南向西北厚度逐渐减薄的趋势[14,44]。新召地区由于距离东部烃源灶太远,且砂体储层较致密,东部生成的天然气无法长距离运移至该区成藏,故而该区带以源内致密岩性成藏为主[45],天然气主要来源于下伏烃源岩。然而,由于沟通储层与烃源岩的通道为加里东运动时期形成的小断裂,这些断裂断距小,开启性差,太原组烃源岩生成的天然气很难向上穿过山西组煤和泥岩等致密岩层到达下石盒子组,因此新召区带天然气可能以邻近的山西组烃源岩生成的天然气为主[20,46]。独贵加汗地区靠近东南部烃源灶,且有乌兰吉林庙断裂作为通道[47],早期太原组烃源岩生成的天然气能够运移至该区成藏。随后在燕山运动作用下,东部地层强烈抬升,研究区整体呈现为“北东高、南西低”的构造格局,山西组烃源岩进入生烃高峰期后生成的天然气主要向北东方向运移[8,48],因此西部独贵加汗区带天然气中山西组烃源岩生成天然气的贡献较低,以太原组烃源岩生成的天然气为主。什股壕地区位处泊尔江海子断裂以北,区内太原组烃源岩不发育,山西组烃源岩厚度普遍较薄且生气强度低[13],无法源内成藏;但由于该地区位于烃源灶北部,早期太原组烃源岩和后期山西组烃源岩生成的天然气均能运移至此处成藏,故该区带天然气主要来自断裂南部的太原组和山西组烃源岩[13,20]。

综上所述,研究区3个区带天然气的来源存在明显差异,天然气成藏过程也不尽相同。造成这种现象的原因除与烃源岩的分布有关外,还与输导体系性能及区域构造演化过程有关。因此,精细分析不同区带天然气成藏及控制因素的区别,建立各区带天然气差异成藏模式,能为研究区下一步天然气勘探研究提供有利的方向。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地杭锦旗地区天然气中甲烷含量高达55.12%～94.55%,为烃类气体的主要成分。干燥系数为0.77～0.97,整体上呈现出湿气的特征。其中什股壕和新召区带干燥系数均低于0.95,皆为湿气;而独贵加汗区带天然气干燥系数仅少部分高于0.95,以湿气为主。二氧化碳、氮气等非烃组分的相对含量在研究区普遍较低。

(2)研究区天然气的δ13C1、δ13C2和δ13C3值分别为-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰和-27.3‰～-23.0‰,不同区带碳同位素组成特征之间存在差异。在甲烷碳同位素方面,什股壕区带天然气δ13C1值最重(-33.7‰～-31.3‰),新召区带天然气δ13C1值最轻(-35.1‰～-33.6‰);而在乙烷、丙烷碳同位素方面,新召区带天然气δ13C2、δ13C3值(-24.9‰～-23.9‰、-24.9‰～-23.0‰)要明显重于其他2个区带天然气。不同区带天然气碳同位素之间的差异表明这3个区带天然气的来源可能不同。

(3)3个区带天然气烷烃气碳同位素均表现为δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布,且δ13C1值均低于-30‰,呈现有机成因气的特征。根据δ13C1、δ13C2、δ13C3组成特征,研究区天然气以煤型气(腐殖型气)为主,且气源岩处于高成熟—过成熟热演化阶段;根据组分含量比值特征,研究区天然气均以干酪根初次裂解气为主。

(4)结合气源对比结果与烃源岩展布、构造演化等地质背景,新召区带天然气可能主要来源于下部烃源岩,且以山西组烃源岩供烃为主;独贵加汗与什股壕区带天然气均来源于泊尔江海子断裂南部太原组和山西组烃源岩的共同贡献,但由于后期构造抬升的影响,独贵加汗区带天然气中太原组烃源岩的贡献比例可能更高。

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

张迈、王铁冠、何发岐、张威、安川参与论文设计与审核;张迈、刘悦、陆振港完成实验操作;张迈、宋到福参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed and examined by ZHANG Mai, WANG Tieguan, HE Faqi, ZHANG Wei and AN Chuan. The experimental operation was completed by ZHANG Mai, LIU Yue and LU Zhengang. The manuscript was drafted and revised by ZHANG Mai and SONG Daofu. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.