鄂爾多斯盆地杭錦旗地區天然氣地球化學特征及氣源探討

張 邁,宋到福,王鐵冠,何發岐,張 威,安 川,劉 悅,陸振港

1.中國石油大學(北京) 油氣資源與工程全國重點實驗室,北京 102249;2.中國石化 華北油氣分公司,鄭州 450000

鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣盆地之一,其上古生界發育有大型巖性油氣藏。近年來隨著勘探開發工作的不斷深入,在盆地北部先后發現了蘇里格、榆林、烏審旗、大牛地以及東勝等大中型氣田[1-5]。杭錦旗地區隸屬于東勝氣田,截至目前該地區天然氣探明儲量已達千億立方米,勘探潛力巨大[6-7]。前人對杭錦旗地區天然氣的成藏地質條件、成因類型以及成藏期次等方面開展了一系列研究,尤歡曾、楊華等[8-9]基于對研究區成藏條件的分析,指出區內呈廣覆性展布的石炭系—二疊系的太原組—山西組煤系烴源巖為油氣成藏提供了優質的烴源條件,而二疊系廣泛發育的河流相、三角洲相等沉積體系則形成了良好的儲蓋組合;彭威龍等[10]通過將區內天然氣與其他氣田天然氣進行對比分析,認為研究區天然氣主要來源于下伏煤系烴源巖,而非相鄰的氣田;紀文明、徐波等[11-12]針對這批煤系烴源巖開展了一系列研究,認為研究區氣源巖生烴強度高,為較好—非常好烴源巖,其展布與演化主要受區內古構造及其演化控制,泊爾江海子斷裂以南的烴源巖要優于斷裂以北的烴源巖;倪春華、薛會等[13-14]基于對天然氣地球化學特征的分析認為其主體為煤型氣,且處于成熟—高成熟演化階段;此外薛會等[15]還通過生烴時間法、流體包裹體法等方法指出研究區天然氣存在2期成藏。以往的研究雖對區內天然氣特征有了一定的認識,卻均將其成藏視為一個整體的過程,籠統地認為石炭系—二疊系的煤系烴源巖為其主力氣源巖,而不同層位烴源巖的貢獻則缺乏進一步的探討。近期我們的研究發現,杭錦旗地區不同區帶天然氣的地球化學特征存在著較明顯的差異,且太原組和山西組2套氣源巖之間也存在著明顯差別[16-17]。因此,詳細對比剖析不同區帶天然氣的有機地球化學組成特征,厘清各區帶天然氣的具體來源及成藏過程的差異性,對該區下一步天然氣勘探開發有著重要的意義。

本文通過氣相色譜分析、碳同位素分析等技術手段,對杭錦旗地區3個主力勘探區帶上古生界天然氣的地球化學特征進行了詳盡的分析,進一步明確它們在成因以及來源上的區別,以期對該地區后續的天然氣運移成藏研究工作提供幫助。

1 區域地質概況

杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地北部(下面簡稱鄂北),其礦區跨越伊盟隆起、天環坳陷和伊陜斜坡3個一級構造單元,勘探面積約8 940 km2[6-7]。受到鄂北地形的影響,在構造上研究區呈現為一“北高南低、東高西低”的大型單斜,區內主要發育有泊爾江海子、烏蘭吉林廟和三眼井3條近東西向斷裂。以泊爾江海子斷裂為界,研究區可以劃分為南、北2個區域,其中北部地區構造整體上比較復雜,斷層發育,而南部地區構造則相對平緩[16-21]。目前研究區天然氣主要開發區為北部的什股壕區帶以及南部的獨貴加汗和新召區帶(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區位置及采樣點分布據文獻[16]修改。

在加里東運動晚期,由于盆地北緣整體抬升遭受剝蝕,研究區上石炭統以前的地層均缺失,因此由老至新研究區先后沉積有石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系以及第四紀[22-25](圖2)。上石炭統太原組與下二疊統山西組的煤系烴源巖是研究區油氣的主要來源,其在全區均有分布,且在平面上呈現出“北厚南薄、東厚西薄”的展布特征,烴源巖有機質含量高,均以Ⅲ型干酪根為主,成熟度也自西南向東北逐漸減小;二疊系下石盒子組發育有大套致密砂巖,分布較廣,為天然氣的運移和聚集提供了良好的條件,是研究區的主要產氣層;二疊系上石盒子組與石千峰組發育的泥巖緊覆于致密砂巖之上,形成了較好的蓋層[26-29]。

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區地層分布據文獻[23]修改。

2 樣品采集與實驗分析

本次研究在研究區不同區帶采集上古生界天然氣樣品共62件,其中什股壕區帶15件,獨貴加汗區帶33件,新召區帶14件(表1),采樣點位分布如圖1所示。所開展的天然氣氣相色譜、同位素測試等分析實驗均在中國石油大學(北京)油氣資源與工程全國重點實驗室完成。

表1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區上古生界天然氣組分及穩定碳同位素數據

2.1 天然氣氣相色譜分析

通過不銹鋼管將氣瓶與進樣口連接,打開氣瓶出口閥,用氣樣對進樣系統進行吹掃15～30 s后,啟動采集程序并關閉出口閥,使氣樣隨載氣流進入色譜柱中。本次所用儀器為Agilent 8890氣相色譜儀,色譜柱HP-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm),載氣為氦氣,柱流量1.0 mL/min。

2.2 天然氣同位素測定

在過飽和鹽水中通過排水集氣法富集天然氣后,用注射器抽取50 μL天然氣樣品注入儀器,隨后啟動采集程序,天然氣各烴類組分在氧化裝置中轉化為二氧化碳并隨載氣流進入同位素質譜儀進行碳同位素組成測定。所選用儀器為MAT 253穩定同位素測定儀,色譜柱HP-PLOT Q (30 m×0.53 mm×40 μm),載氣為氦氣,柱流量1.3 mL/min。為確保實驗數據準確性,在樣品測定過程中,每測12個樣品后插入一個標準樣品對儀器工作狀態進行監測。

3 天然氣地球化學特征

3.1 天然氣組分特征

本次分析所檢測到的天然氣烴類氣體組分包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷和異戊烷等(表1)。甲烷為烴類氣體的主要成分,其相對含量占總組分的55.12%～94.55%,平均值為81.45%,其中什股壕、獨貴加汗、新召區帶天然氣甲烷含量分別為59.08%～90.64%、57.57%～94.55%、55.12%～87.12%,平均值分別為78.74%、84.18%、77.90%(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區不同區帶天然氣組分含量

研究區天然氣干燥系數(C1/ΣC1-5)變化范圍為0.77～0.97,平均值為0.90,整體上呈現出濕氣的特征[30-31]。就不同區帶而言,什股壕區帶干燥系數為0.82～0.94,平均值為0.92,均為濕氣;獨貴加汗區帶干燥系數為0.77～0.97,平均值為0.91,其中干燥系數小于0.95的樣品占87.88%,以濕氣為主;新召區帶干燥系數為0.83～0.95,平均值為0.87,均為濕氣(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區不同區帶天然氣干燥系數頻數分布直方圖

二氧化碳、氮氣等非烴類氣體在所有樣品中均有檢測到,其中二氧化碳相對含量普遍較低,最高僅達2.26%;氮氣含量大部分低于6%,但部分井位(如S4井、S7井、S13井等)氮氣含量明顯較高(>30%)。由于采樣時部分地區正在開展連續油管氮氣氣舉排液工藝,故推測該工藝導致了天然氣中氮氣含量遠高于正常范圍。

3.2 天然氣碳同位素特征

杭錦旗地區上古生界天然氣甲烷、乙烷、丙烷等烷烴氣的碳同位素分布范圍分別為-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰、-27.3‰～-23.0‰(表1)。其中,什股壕區帶烷烴氣碳同位素為-33.7‰～-31.3‰(δ13C1)、-27.3‰～-25.4‰(δ13C2)和-25.6‰～-23.9‰(δ13C3);獨貴加汗區帶烷烴氣碳同位素為-36.5‰～-32.6‰(δ13C1)、-28.2‰～-25.6‰(δ13C2)和-27.3‰～-24.0‰(δ13C3);新召區帶烷烴氣碳同位素為-35.1‰～-33.6‰(δ13C1)、-24.9‰～-23.9‰(δ13C2)和-24.9‰～-23.0‰(δ13C3)。主體上,3個區帶烷烴氣碳同位素均呈現出δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布特征(圖5),但不同區帶天然氣碳同位素組成之間仍存在差異。在甲烷碳同位素方面,什股壕區帶的δ13C1值普遍偏重,獨貴加汗區帶次之,新召區帶δ13C1值最輕,這可能與油氣運移過程中甲烷碳同位素分餾效應有關,但不排除母源與成熟度的影響;在乙烷、丙烷等重烴氣碳同位素方面,新召區帶天然氣δ13C2值和δ13C3值明顯重于獨貴加汗區帶和什股壕區帶天然氣,表明它們的天然氣來源可能不同。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區不同區帶烷烴氣碳同位素組成特征

4 天然氣成因類型鑒別及氣源探討

4.1 天然氣成因類型鑒別

天然氣的碳同位素值一般與烴源巖母質類型及成熟度有關,故而通常將天然氣碳同位素組成作為鑒別成因類型的指標[32-34]。通常無機成因氣具有負碳同位素系列,即δ13C1>δ13C2>δ13C3,而有機成因烷烴氣則具有正碳同位素系列,即δ13C1<δ13C2<δ13C3。根據前文對研究區天然氣碳同位素組成分析結果可知,什股壕、獨貴加汗以及新召區帶的天然氣碳同位素均呈正序列分布,說明天然氣為有機成因氣。此外,與有機成因氣相比,無機成因氣的碳同位素往往要重得多。戴金星提出,以δ13C1值為-30‰作為劃分天然氣無機成因和有機成因的界限,當δ13C1>-30‰時為無機成因氣,而當δ13C1<-30‰時則為有機成因氣[35-36]。研究區3個區帶δ13C1最大值分別為-31.3‰、-32.6‰和-33.6‰,進一步證明其均為有機成因天然氣。

根據油型氣和煤型氣在天然氣碳同位素組成方面的差異,國內外學者編制了一系列成因類型鑒別圖版。例如,在天然氣δ13C1—δ13C2成因鑒別圖(圖6)中,什股壕、獨貴加汗以及新召3個區帶的天然氣與腐殖氣(煤型氣)δ13C1—δ13C2分布特征一致,表明其主要為腐殖氣(煤型氣)[37-38]。同樣,從戴金星提出的有機不同成因烷烴氣δ13C1—δ13C2—δ13C3鑒別圖(圖7)中我們可以看出,研究區3個區帶天然氣的數據點主要分布于Ⅰ類煤型氣區,反映研究區天然氣整體上具有煤型氣的特點[35,39]。從天然氣δ13C2與(δ13C2-δ13C1)相關關系鑒別圖(圖8)中可以發現,研究區天然氣均以中—晚期腐殖型氣為主,說明其氣源巖處于高成熟—過成熟熱演化階段[40]。

圖6 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區有機成因氣δ13C1—δ13C2鑒別據文獻[37-38]修改。

圖7 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區有機成因烷烴氣δ13C1—δ13C2—δ13C3劃分根據文獻[35,39]修改。

圖8 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區天然氣δ13C2與δ13C2-δ13C1相關關系鑒別根據文獻[40]修改。

除碳同位素外,天然氣組分含量特征以及其比值特征也可以作為鑒別天然氣成因類型的指標。謝增業等[41]根據ln(C2/C3)隨ln(C1/C2)變化的速率建立了干酪根裂解氣和原油裂解氣判識圖版,由圖9可見,3個區帶的天然氣數據點基本上都落在干酪根裂解氣區域,說明天然氣主要為干酪根裂解氣。此外,ln(C2/C3)和ln(C1/C2)變化速率的相關關系還可以用于區分干酪根初次裂解氣和二次裂解氣。PRINZHOFER等[42]指出,ln(C1/C2)變化速率較快,而ln(C2/C3)變化速率較緩,為干酪根初次裂解氣,反之則為干酪根二次裂解氣。研究區3個區帶天然氣ln(C1/C2)變化速率明顯較ln(C2/C3)快,說明研究區天然氣可能以干酪根初次裂解氣為主。

圖9 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區天然氣ln(C1/C2)— ln(C2/C3)交會圖根據文獻[41-42]修改。

4.2 天然氣氣源探討

天然氣乙烷、丙烷碳同位素主要取決于其氣源巖的碳同位素組成,雖然在運移過程中會產生一定的分餾,但較甲烷而言,由于乙烷和丙烷的相對分子質量較大,同位素分餾程度相對要小得多,故而δ13C2與δ13C3可以作為較好的氣源判識參數[43]。從圖5和圖10中不難發現,新召區帶天然氣δ13C2和δ13C3值較其余2個區帶明顯偏重,而在什股壕和獨貴加汗2個區帶天然氣數據點中后者δ13C2和δ13C3值相對更輕。根據對研究區2套烴源巖的地球化學特征進行對比分析發現,山西組烴源巖有機質來源中高等陸生植物輸入較多,而太原組烴源巖有機質來源中低等水生生物的貢獻更高,因而太原組烴源巖干酪根碳同位素整體上要輕于山西組[14]。由此分析推測,新召區帶天然氣可能多為山西組煤系烴源巖供烴,而什股壕和獨貴加汗區帶天然氣則來源于2個層位烴源巖的共同貢獻,其中太原組煤系地層對后者的貢獻可能相對更高。

圖10 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區天然氣烷烴碳同位素氣源判識

結合烴源巖展布等地質背景來看,杭錦旗地區烴源巖主要分布于獨貴加汗區帶以東的伊金霍洛旗一帶,且呈現由東南向西北厚度逐漸減薄的趨勢[14,44]。新召地區由于距離東部烴源灶太遠,且砂體儲層較致密,東部生成的天然氣無法長距離運移至該區成藏,故而該區帶以源內致密巖性成藏為主[45],天然氣主要來源于下伏烴源巖。然而,由于溝通儲層與烴源巖的通道為加里東運動時期形成的小斷裂,這些斷裂斷距小,開啟性差,太原組烴源巖生成的天然氣很難向上穿過山西組煤和泥巖等致密巖層到達下石盒子組,因此新召區帶天然氣可能以鄰近的山西組烴源巖生成的天然氣為主[20,46]。獨貴加汗地區靠近東南部烴源灶,且有烏蘭吉林廟斷裂作為通道[47],早期太原組烴源巖生成的天然氣能夠運移至該區成藏。隨后在燕山運動作用下,東部地層強烈抬升,研究區整體呈現為“北東高、南西低”的構造格局,山西組烴源巖進入生烴高峰期后生成的天然氣主要向北東方向運移[8,48],因此西部獨貴加汗區帶天然氣中山西組烴源巖生成天然氣的貢獻較低,以太原組烴源巖生成的天然氣為主。什股壕地區位處泊爾江海子斷裂以北,區內太原組烴源巖不發育,山西組烴源巖厚度普遍較薄且生氣強度低[13],無法源內成藏;但由于該地區位于烴源灶北部,早期太原組烴源巖和后期山西組烴源巖生成的天然氣均能運移至此處成藏,故該區帶天然氣主要來自斷裂南部的太原組和山西組烴源巖[13,20]。

綜上所述,研究區3個區帶天然氣的來源存在明顯差異,天然氣成藏過程也不盡相同。造成這種現象的原因除與烴源巖的分布有關外,還與輸導體系性能及區域構造演化過程有關。因此,精細分析不同區帶天然氣成藏及控制因素的區別,建立各區帶天然氣差異成藏模式,能為研究區下一步天然氣勘探研究提供有利的方向。

5 結論

(1)鄂爾多斯盆地杭錦旗地區天然氣中甲烷含量高達55.12%～94.55%,為烴類氣體的主要成分。干燥系數為0.77～0.97,整體上呈現出濕氣的特征。其中什股壕和新召區帶干燥系數均低于0.95,皆為濕氣;而獨貴加汗區帶天然氣干燥系數僅少部分高于0.95,以濕氣為主。二氧化碳、氮氣等非烴組分的相對含量在研究區普遍較低。

(2)研究區天然氣的δ13C1、δ13C2和δ13C3值分別為-36.5‰～-31.3‰、-28.2‰～-23.9‰和-27.3‰～-23.0‰,不同區帶碳同位素組成特征之間存在差異。在甲烷碳同位素方面,什股壕區帶天然氣δ13C1值最重(-33.7‰～-31.3‰),新召區帶天然氣δ13C1值最輕(-35.1‰～-33.6‰);而在乙烷、丙烷碳同位素方面,新召區帶天然氣δ13C2、δ13C3值(-24.9‰～-23.9‰、-24.9‰～-23.0‰)要明顯重于其他2個區帶天然氣。不同區帶天然氣碳同位素之間的差異表明這3個區帶天然氣的來源可能不同。

(3)3個區帶天然氣烷烴氣碳同位素均表現為δ13C1<δ13C2<δ13C3的正碳序列分布,且δ13C1值均低于-30‰,呈現有機成因氣的特征。根據δ13C1、δ13C2、δ13C3組成特征,研究區天然氣以煤型氣(腐殖型氣)為主,且氣源巖處于高成熟—過成熟熱演化階段;根據組分含量比值特征,研究區天然氣均以干酪根初次裂解氣為主。

(4)結合氣源對比結果與烴源巖展布、構造演化等地質背景,新召區帶天然氣可能主要來源于下部烴源巖,且以山西組烴源巖供烴為主;獨貴加汗與什股壕區帶天然氣均來源于泊爾江海子斷裂南部太原組和山西組烴源巖的共同貢獻,但由于后期構造抬升的影響,獨貴加汗區帶天然氣中太原組烴源巖的貢獻比例可能更高。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

張邁、王鐵冠、何發岐、張威、安川參與論文設計與審核;張邁、劉悅、陸振港完成實驗操作;張邁、宋到福參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

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.