賈方方 王彥超 楊旺 寧佳宇

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延長(zhǎng)氣田采氣五廠 陜西 延安 716000

引言

鄂爾多斯盆地平均每年的天然氣產(chǎn)量大約為452×108m3，大約為全國(guó)天然氣總生產(chǎn)量的35.42%，是中國(guó)天然氣年產(chǎn)量最多的地區(qū)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)針對(duì)鄂爾多斯盆地下古生界的產(chǎn)氣源于何處問題產(chǎn)生了較大的爭(zhēng)議，主要表現(xiàn)在下古生界馬溝組地層樣品的有機(jī)度分析，僅有3%的樣品的總有機(jī)碳（TOC）值達(dá)到0.5%。對(duì)于那些認(rèn)為下古生界具備產(chǎn)氣能力的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，有效的烴源巖的最低TOC值應(yīng)為0.2%。TOC值高的烴源巖有更大的潛力生成可燃?xì)怏w，如煤成氣或油型氣。然而，在該地區(qū)的下古生界馬溝組地層中，僅有少數(shù)樣品的TOC值達(dá)到0.5%的閾值。根據(jù)這些樣品的有機(jī)度分析結(jié)果，可以推斷出下古生界的烴源巖在產(chǎn)氣能力上存在一定的限制。有效的烴源巖通常具備較高的TOC值，而該地區(qū)的樣品中只有少數(shù)樣品達(dá)到0.5%的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于持有“下古生界具備產(chǎn)氣能力”的觀點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能需要進(jìn)行重新評(píng)估。他們認(rèn)為有效的烴源巖的最低TOC值應(yīng)為0.2%。但是從古至今均沒有在下古生界發(fā)現(xiàn)過含有機(jī)質(zhì)較為豐富的烴源巖[1]。由于早期的地質(zhì)勘探技術(shù)較低，對(duì)能夠分析地下含烴能力的樣品較少，導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。本文通過對(duì)最近幾年在鄂爾多斯盆地新設(shè)置的勘探井的天然氣地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，對(duì)下古生界天然氣的成因進(jìn)行討論，對(duì)下古生界烴源巖的產(chǎn)烴能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 天然氣成因分類

根據(jù)對(duì)鄂爾多斯盆地下古生界和上古生界150口天然氣井的碳同位素測(cè)試分析，結(jié)合天然氣的物性特征，本研究采用了排水收集法在井口測(cè)試過程中對(duì)天然氣進(jìn)行采集，并使用德國(guó)ISOPRIME 100氣體同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為PDB。通過對(duì)天然氣的烷烴氣碳同位素組成的分析。通過采取下古生界馬家溝組地層巖芯740個(gè)，進(jìn)行TOC檢測(cè)。測(cè)試儀器為法國(guó)熱解有機(jī)碳分析儀ROCK-EVAL6。測(cè)試環(huán)境溫度為300℃，保持恒溫3min，接著以10℃/min的速度升溫至900℃。

采用美國(guó)LECO公司的CS-230碳/硫分析儀進(jìn)行試驗(yàn)，利用紅外吸收法開展進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并與SOPRIME 100所測(cè)TOC的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：該兩者實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的TOC值符合度達(dá)到99.8%以上，表明兩種測(cè)試方法的科學(xué)性。除此以外，還對(duì)奧陶系馬家溝組地層的巖樣進(jìn)行干酪根顯微組分測(cè)試[2]。根據(jù)對(duì)干酪根、熱分解模式、母質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理和δ13Cn-1/n關(guān)系系圖等關(guān)鍵詞的分析，可以得出以下結(jié)論：二定天然氣在δ13Cn-1/n關(guān)系圖上呈現(xiàn)出相似的線性關(guān)系，這是因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨频母衫腋卣骱湍纲|(zhì)結(jié)構(gòu)，并且形成機(jī)理也存在共同性。本文將鄂爾多斯盆地地下古生界天然氣分為典型煤成氣、典型油型氣與混合氣三種。其中，第三類混合氣又可以分為正碳同位素混合氣與負(fù)碳同位素混合氣。具體見圖1所示。

圖1 鄂爾多斯盆地下古生界δ13Cn-1/n分類圖

1.1 典型煤成氣

根據(jù)圖1（a）所示，典型煤成氣在δ13Cn-1/n關(guān)系圖中呈現(xiàn)出上凸?fàn)?。在這些地區(qū)，下古生界儲(chǔ)層頂部的鋁質(zhì)泥巖蓋層并不連續(xù)，這導(dǎo)致了上古生界煤層系中形成的大量烴類直接運(yùn)移至下古生界的風(fēng)化殼儲(chǔ)層中。這種運(yùn)移現(xiàn)象對(duì)于烴類的保存和儲(chǔ)集機(jī)制產(chǎn)生了重要的影響。事實(shí)上，烴類物質(zhì)在煤層系形成后，通過滲流或其他運(yùn)移機(jī)制進(jìn)入了下古生界的風(fēng)化殼儲(chǔ)層，從而可能形成了可采集的天然氣資源，因此在圖1（a）中呈現(xiàn)出上凸的趨勢(shì)。

1.2 典型油型氣

此類氣體的δ13C1與δ13C2都相對(duì)較少，因此其表現(xiàn)出來(lái)的形式為油型氣；此外，此類氣體在同位素系列中呈現(xiàn)出線性的關(guān)聯(lián)特征，其下古生界氣體的同位素就可以通過奧陶系鹽下的包裹體的烴類所表現(xiàn)出來(lái)[3]。結(jié)合鄂爾多斯盆地古生界包裹體的烴類同位素組成進(jìn)行分析，其中包裹體的含氣量δ13C1約在40%，δ13C2約在30%，其氣碳同位素的實(shí)際組成部分與油型氣碳的同位素組成部分較為相似，由此可見，油型氣是下古生界自生且能夠自儲(chǔ)的氣體。

油型氣主要分布在盆地的中東部地區(qū)的蘇里格氣田，分布原因主要由以下兩點(diǎn)：

（1）根據(jù)其地質(zhì)資料顯示，距離靖邊西部的馬五段地層膏鹽剝蝕區(qū)域較遠(yuǎn)，因此導(dǎo)致上古生界烴源巖所形成的烴類利用側(cè)向位移，到達(dá)該地區(qū)的難度提升。

（2）在中東部地區(qū)，鄂爾多斯盆地發(fā)育最為廣泛的馬家溝組地層其存在優(yōu)質(zhì)的膏鹽環(huán)境，容易形成烴類氣體。

有相關(guān)學(xué)者明確了在鄂爾多斯盆地，中東部地區(qū)有利于有機(jī)質(zhì)的堆積于保護(hù)，因此能夠形成防范發(fā)育的含有機(jī)質(zhì)豐富的烴源巖。

1.3 混合氣

常見的混合氣通?？煞譃閮深悾孩僬纪凰鼗旌蠚?、②負(fù)碳同位素混合氣。

（1）正碳同位素混合氣

正碳同位素混合氣的δ13C1約為-30‰，δ13C2約為-20‰。在早期的鄂爾多斯盆地所發(fā)現(xiàn)的靖邊氣田奧陶系地層風(fēng)化儲(chǔ)層中的天然氣變形形式為此特征，如圖1（c）所示，在δ13Cn-1/n圖中所表現(xiàn)出來(lái)的特征是向下凹的形狀，通過對(duì)上、下古生界的天然氣同位素對(duì)比可知，該氣體在上古生界δ13C1存在大量重疊的現(xiàn)象，而δ13C2的值與上古生界的差別較大。

基于沉積的角度進(jìn)行分析，考慮到由于志留系末期加里東運(yùn)動(dòng)使得地層抬升，導(dǎo)致盆地中部下古生界馬六段以上的地層均受到了不同程度的腐蝕，馬五段地層遭受到了風(fēng)化作用，對(duì)于有機(jī)質(zhì)的保存難度較大，因此現(xiàn)在保存下來(lái)的含碳量較低的有機(jī)質(zhì)均是在該地區(qū)成巖時(shí)期所形成，并非后期產(chǎn)生的烴[4]。

鄂爾多斯盆地的中部地區(qū)，存在著一系列重要的地層，包括上古生界的石碳-二疊系和下古生界的奧陶系。這兩個(gè)時(shí)期的地層在烴源巖的形成和天然氣產(chǎn)生方面起著重要的作用。上古生界的石碳-二疊系是一套海相地層，被廣泛認(rèn)可為是該盆地的重要烴源巖之一。這些烴源巖富含有機(jī)質(zhì)，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)條件下可以產(chǎn)生天然氣。與之相鄰的是下古生界的奧陶系地層，也是另一套海相地層，具有潛在的烴源巖特征。這兩個(gè)地層與下古生界的風(fēng)化殼地層直接接觸，但它們對(duì)風(fēng)化殼中天然氣的貢獻(xiàn)程度有所不同。煤系烴源巖是最具有潛力的烴源巖類型。這些煤系烴源巖的質(zhì)量較高，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，因此在天然氣儲(chǔ)層的形成過程中起著主要的貢獻(xiàn)作用。它們?cè)诘刭|(zhì)演化過程中經(jīng)歷了高溫高壓的作用，從而轉(zhuǎn)化為天然氣，并在砂巖等儲(chǔ)層中聚集形成可采的天然氣儲(chǔ)層。針對(duì)上古生界與下古生界在中部地區(qū)其所含的烴源巖均存在一定的厚度。經(jīng)過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，上古生界太原組地層絕大多數(shù)的巖石樣品的額TOC值均不到0.5%，只有一小部分的樣品TOC值大于0.5%，但巖石樣品總體測(cè)TOC值較高；對(duì)于下古生界馬家溝地層頂層的風(fēng)化殼TOC值均較低。二套地層均與風(fēng)化殼直接接觸，因此對(duì)比可知，產(chǎn)氣能力上古生界的貢獻(xiàn)較大。下古生界的產(chǎn)氣主要源于煤系，同時(shí)夾雜著源自上古生界的貢獻(xiàn)。

（2）負(fù)碳同位素混合氣

此類氣體的δ13C1約為-40‰，δ13C2約為-30‰，如圖1（d）所示，其表現(xiàn)出δ13C1>δ13C2的特征。此類氣體是在最近隨著勘探開發(fā)向盆地南部擴(kuò)展過程中菜發(fā)現(xiàn)的，據(jù)目前資料分析，此類氣體主要分布在吳起至華池地區(qū)，其成熟度是全盆地成熟度最高的區(qū)域，Ro值在2.0%～3.0%，目前已經(jīng)定義為成熟階段。結(jié)合北美地區(qū)頁(yè)巖氣高度成熟階段，其甲烷與乙烷經(jīng)常出現(xiàn)同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，我國(guó)鄂爾多斯盆地地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，由于缺少深部大斷裂帶，無(wú)法構(gòu)成無(wú)機(jī)氣的來(lái)源，因此，此類現(xiàn)象也可能是由于烴源巖的成熟度過高所導(dǎo)致。對(duì)于此類天然氣的氣源。從乙烷碳同位素的角度進(jìn)行研究，可定義為油型氣，而實(shí)際上，此類氣的來(lái)源較為復(fù)雜。結(jié)合國(guó)外對(duì)成熟度過高的氣體研究可知，在成熟階段，其甲烷與乙烷組成規(guī)律與正常形成階段存在明顯的差異，雖然對(duì)于甲乙烷碳同位素的組成與演化規(guī)律均存在著一定的爭(zhēng)議，但是現(xiàn)階段均認(rèn)為乙烷碳同位素在成熟階段呈現(xiàn)出變輕的趨勢(shì)。進(jìn)一步出現(xiàn)了δ13C1>δ13C2的特征，結(jié)合這一現(xiàn)象，如果煤成氣在氣成熟過程中，乙烷同位素的組成成分也會(huì)變輕，進(jìn)一步出現(xiàn)了同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，以至于出現(xiàn)顯示油型氣的特征。利用碳同位素在氣成熟階段無(wú)法對(duì)煤層氣與油型氣進(jìn)行準(zhǔn)確的判別。在我國(guó)鄂爾多斯盆地也曾發(fā)現(xiàn)的下古生界與上古生界倒轉(zhuǎn)氣的現(xiàn)象，此類氣體也有可能源自于上古生界煤成氣。

通過對(duì)鄂爾多斯盆地地質(zhì)背景分析，由于盆地南下部地區(qū)儲(chǔ)氣層與上午古生界煤層直接接觸，且其他區(qū)域也存在著煤成氣甲乙烷同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此，此類氣體可能為上古生界在成熟過程中多下灌至下古生界。對(duì)于同一口井所產(chǎn)生的上古生界與下古生界出現(xiàn)甲烷、乙烷同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但是在下古生界含碳同位素均要高于上古生界且碳同位素較低。經(jīng)分析，下古生界的倒轉(zhuǎn)氣中很可能滲入了一定的油型氣，結(jié)合地區(qū)對(duì)靖邊南部烴源巖的分析，在吳起至華池一代，下古生界的烴源巖厚度高，且有機(jī)質(zhì)含量豐富，因此可知，該地區(qū)下古生界具有較高的天然氣產(chǎn)能。但是，現(xiàn)階段對(duì)煤成氣的成熟演化相應(yīng)的地球化學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)較淺，仍需進(jìn)行深入的分析。

2 下古生界烴源巖評(píng)價(jià)

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

結(jié)合世界碳酸鹽巖所含的烴源巖進(jìn)行分析，工業(yè)性碳酸鹽巖的TOC值均大于0.5%，基于開采的方面，鄂爾多斯下古生界的碳酸鹽巖無(wú)法作為工業(yè)性烴源巖，處于其成熟度過高的特點(diǎn)，利用TOC值進(jìn)行評(píng)價(jià)較為合理。

從該地區(qū)烴源巖進(jìn)行分析，在鄂爾多斯盆地的中部與東部下古生界存在有效的烴源巖。雖然現(xiàn)階段的勘探開發(fā)進(jìn)度對(duì)其取芯分析的研究較少，但問研究結(jié)合了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料進(jìn)行對(duì)比分析。從整體而言，盆地中東部地區(qū)烴源巖中TOC值均在0.5%～1.1%，結(jié)合地區(qū)下古生界地層巖石主要以碳酸鹽巖為主，砂巖與泥巖的比例較低，結(jié)合對(duì)下古生界馬家溝組地層的研究，TOC值拒戶不存在大于0.4的樣品。該研究明確了鄂爾多斯盆地下古生界具有產(chǎn)氣生烴的能力。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

巖石所含有機(jī)質(zhì)的類型主要是由于原始生物與其自身的沉積環(huán)境所導(dǎo)致，盆地產(chǎn)生烴源巖生物主要為藻類為主的水生生物，其具備優(yōu)質(zhì)的母質(zhì)來(lái)源；在后期沉積的過程中，沉積環(huán)境的氧化程度尚未確定，結(jié)合以往的相關(guān)研究，如今含有機(jī)質(zhì)較低的烴源巖大多是由于氧化作用，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的類型質(zhì)量變差。相關(guān)研究表明，有機(jī)質(zhì)含量豐富的巖石，大多是由于還原了沉積，其自身的有機(jī)質(zhì)得以保存下來(lái)，且有機(jī)質(zhì)的類型較好。對(duì)于在成熟階段的烴源巖，通過熱分解測(cè)試得到的含氫與含氧指數(shù)，如果由于其成熟度較高，就會(huì)對(duì)其失去研究?jī)r(jià)值，利用有機(jī)顯微技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)有機(jī)質(zhì)而言仍然是一種有效的判斷方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所示，鄂爾多斯盆地下古生界的天然氣實(shí)際源自于上古生界的煤成氣，在地區(qū)的中東部，發(fā)現(xiàn)了下古生界能夠自生自儲(chǔ)的油型氣，且在下古生界地層發(fā)育一定厚度的烴源巖，能夠作為下古生界產(chǎn)氣的源頭。本文結(jié)合了烴源巖的有效評(píng)價(jià)，對(duì)鄂爾多斯地區(qū)下古生界烴源巖與天然氣的成因進(jìn)行了討論，為地區(qū)下一步的勘探開發(fā)區(qū)域選擇，提供理論。