鄂尔多斯盆地下古生界烃源岩与天然气成因.pdf

勘探开发 174 2023年第11期引言鄂尔多斯盆地平均每年的天然气产量大约为452108m3，大约为全国天然气总生产量的35.42%，是中国天然气年产量最多的地区。现阶段国内针对鄂尔多斯盆地下古生界的产气源于何处问题产生了较大的争议，主要表现在下古生界马沟组地层样品的有机度分析，仅有3%的样品的总有机碳（TOC）值达到0.5%。对于那些认为下古生界具备产气能力的观点来说，有效的烃源岩的最低TOC值应为0.2%。TOC值高的烃源岩有更大的潜力生成可燃气体，如煤成气或油型气。然而，在该地区的下古生界马沟组地层中，仅有少数样品的TOC值达到0.5%的阈值。根据这些样品的有机度分析结果，可以推断出下古生界的烃源岩在产气能力上存在一定的限制。有效的烃源岩通常具备较高的TOC值，而该地区的样品中只有少数样品达到0.5%的标准。对于持有“下古生界具备产气能力”的观点的人来说，这个发现可能需要进行重新评估。他们认为有效的烃源岩的最低TOC值应为0.2%。但是从古至今均没有在下古生界发现过含有机质较为丰富的烃源岩1。由于早期的地质勘探技术较低，对能够分析地下含烃能力的样品较少，导致分析结果不准确。本文通过对最近几年在鄂尔多斯盆地新设置的勘探井的天然气地球化学特征进行分析，对下古生界天然气的成因进行讨论，对下古生界烃源岩的产烃能力进行评价。1 天然气成因分类根据对鄂尔多斯盆地下古生界和上古生界150口天然气井的碳同位素测试分析，结合天然气的物性特征，本研究采用了排水收集法在井口测试过程中对天然气进行采集，并使用德国ISO-PRIME 100气体同位素质谱仪进行测试，执行标准为PDB。通过对天然气的烷烃气碳同位素组成的分析。通过采取下古生界马家沟组地层岩芯740个，进行TOC检测。测试仪器为法国热解有机碳分析仪ROCK-EVAL6。测试环境温度为300，保持恒温3min，接着以10/min的速度升温至900。采用美国LECO公司的CS-230碳/硫分析仪进行试验，利用红外吸收法开展进行实验。并与SO-PRIME 100所测TOC的结果进行对比，结果表明：该两者实验所测试的TOC值符合度达到99.8%以上，表明两种测试方法的科学性。除此以外，还对奥陶系马家沟组地层的岩样进行干酪根显微组分测试2。根据对干酪根、热分解模式、母质结构、形成机理和13Cn-1/n关系系图等关键词的分析，可以得出以下结论：二定天然气在13Cn-1/n关系图上呈现出相似的线性关系，这是因为它们具有相似的干酪根特征和母质结构，并且形成机理也存在共同性。本文将鄂尔多斯盆地地下古生界天然气分为典型煤成气、典型油型气与混合气三种。其中，第三类混合气又可以分为正碳同位素混合气与负碳同位素混合气。具体见图1所示。1.1 典型煤成气根据图1（a）所示，典型煤成气在13Cn-1/n关系图中呈现出上凸状。在这些地区，下古生界储层顶部的铝质泥岩盖层并不连续，这导致了上古生界煤层系中形成的大量烃类直接运移至下古生界的风化壳储层中。这种运移现象对于烃类的保存和储集机制产生了重要的影响。事实上，烃类物质在煤层系形成后，通过渗流或其他运移机制进入了下古生界的风化壳储层，从而可能形成了可采集的天然气资源，因此在图1（a）中呈现出上凸的趋势。1.2 典型油型气此类气体的13C1与13C2都相对较少，因此其表现出来的形式为油型气；此外，此类气体在鄂尔多斯盆地下古生界烃源岩与天然气成因贾方方 王彦超 杨旺 宁佳宇陕西延长石油（集团）有限责任公司延长气田采气五厂 陕西 延安 716000 摘要：利用对我国鄂尔多斯盆地古生界地层150多口天然气样品以及地球化学的研究，结合盆地下古生界的700块岩芯样品进行有机度的测试，分析了盆地下古生界天然气的成因。利用天然气样品的烷烃碳同位素的分析，结合盆地的实际地质情况，将该地区古生界天然气的成因总结为3大类与4亚类：形成于上古生界的煤成气；形成于下古生界的自生自储的油气；形成于上古生界煤层与古生界灰岩的混合气。其中，混合气又可以分为2个亚类：正碳同位素系列混合气；负碳同位素系列混合气。通过对岩样样品进行有机显微镜观察，分析表明，盐下样品平均TOC值约为0.3%，属于腐泥型，具有较强的生烃能力。关键词：鄂尔多斯盆地 下古生界 烃源岩 天然气成因 175 勘探开发2023年第11期同位素系列中呈现出线性的关联特征，其下古生界气体的同位素就可以通过奥陶系盐下的包裹体的烃类所表现出来3。结合鄂尔多斯盆地古生界包裹体的烃类同位素组成进行分析，其中包裹体的含气量13C1约在40%，13C2约在30%，其气碳同位素的实际组成部分与油型气碳的同位素组成部分较为相似，由此可见，油型气是下古生界自生且能够自储的气体。油型气主要分布在盆地的中东部地区的苏里格气田，分布原因主要由以下两点：（1）根据其地质资料显示，距离靖边西部的马五段地层膏盐剥蚀区域较远，因此导致上古生界烃源岩所形成的烃类利用侧向位移，到达该地区的难度提升。（2）在中东部地区，鄂尔多斯盆地发育最为广泛的马家沟组地层其存在优质的膏盐环境，容易形成烃类气体。有相关学者明确了在鄂尔多斯盆地，中东部地区有利于有机质的堆积于保护，因此能够形成防范发育的含有机质丰富的烃源岩。1.3 混合气常见的混合气通常可分为两类：正碳同位素混合气、负碳同位素混合气。（1）正碳同位素混合气正碳同位素混合气的13C1约为-30，13C2约为-20。在早期的鄂尔多斯盆地所发现的靖边气田奥陶系地层风化储层中的天然气变形形式为此特征，如图1（c）所示，在13Cn-1/n图中所表现出来的特征是向下凹的形状，通过对上、下古生界的天然气同位素对比可知，该气体在上古生界13C1存在大量重叠的现象，而13C2的值与上古生界的差别较大。基于沉积的角度进行分析，考虑到由于志留系末期加里东运动使得地层抬升，导致盆地中部下古生界马六段以上的地层均受到了不同程度的腐蚀，马五段地层遭受到了风化作用，对于有机质的保存难度较大，因此现在保存下来的含碳量较低的有机质均是在该地区成岩时期所形成，并非后期产生的烃4。鄂尔多斯盆地的中部地区，存在着一系列重要的地层，包括上古生界的石碳-二叠系和下古生界的奥陶系。这两个时期的地层在烃源岩的形成和天然气产生方面起着重要的作用。上古生界的石碳-二叠系是一套海相地层，被广泛认可为是该盆地的重要烃源岩之一。这些烃源岩富含有机质，在适当的地质条件下可以产生天然气。与之相邻的是下古生界的奥陶系地层，也是另一套海相地层，具有潜在的烃源岩特征。这两个地层与下古生界的风化壳地层直接接触，但它们对风化壳中天然气的贡献程度有所不同。煤系烃源岩是最具有潜力的烃源岩类型。这些煤系烃源岩的质量较高，含有丰富的有机质，因此在天然气储层的形成过程中起着主要的贡献作用。它们在地质演化过程中经历了高温高压的作用，从而转化为天然气，并在砂岩等储层中聚集形成可采的天然气储层。针对上古生界与下古生界在中部地区其所含的烃源岩均存在一定的厚度。经过对比分析发现，上古生界太原组地层绝大多数的岩石样品的额TOC值均不到0.5%，只有一小部分的样品TOC值大于0.5%，但岩石样品总体测TOC值较高；对于下古生界马家沟地层顶层的风化壳TOC值均较低。二套地层均与风化壳直接接触，因此对比可知，产气能力上古生界的贡献较大。下古生界的产气主要源于煤系，同时夹杂着源自上古生界的贡献。（2）负碳同位素混合气此类气体的13C1约为-40，13C2约为-30，如图1（d）所示，其表现出13C113C2的特征。此类气体是在最近随着勘探开发向盆地南部扩展过程中菜发现的，据目前资料分析，此类气体主要分布在吴起至华池地区，其成熟度是全盆地成熟度最高的区域，Ro值在2.0%3.0%，目前已经定义为成熟阶段。结合北美地区页岩气高度成熟阶段，其甲烷与乙烷经常出现同位素倒转的现象，我国鄂尔多斯盆地地质构造相对稳定，由于缺少深部大断裂带，无法构成无机气的来源，因此，此类现象也可能是由于烃源岩的成熟度过高所导致。对于此类天然气的气源。从乙图1 鄂尔多斯盆地下古生界13Cn-1/n分类图勘探开发 176 2023年第11期烷碳同位素的角度进行研究，可定义为油型气，而实际上，此类气的来源较为复杂。结合国外对成熟度过高的气体研究可知，在成熟阶段，其甲烷与乙烷组成规律与正常形成阶段存在明显的差异，虽然对于甲乙烷碳同位素的组成与演化规律均存在着一定的争议，但是现阶段均认为乙烷碳同位素在成熟阶段呈现出变轻的趋势。进一步出现了13C113C2的特征，结合这一现象，如果煤成气在气成熟过程中，乙烷同位素的组成成分也会变轻，进一步出现了同位素倒转的现象，以至于出现显示油型气的特征。利用碳同位素在气成熟阶段无法对煤层气与油型气进行准确的判别。在我国鄂尔多斯盆地也曾发现的下古生界与上古生界倒转气的现象，此类气体也有可能源自于上古生界煤成气。通过对鄂尔多斯盆地地质背景分析，由于盆地南下部地区储气层与上午古生界煤层直接接触，且其他区域也存在着煤成气甲乙烷同位素倒转现象，因此，此类气体可能为上古生界在成熟过程中多下灌至下古生界。对于同一口井所产生的上古生界与下古生界出现甲烷、乙烷同位素倒转现象，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较低。经分析，下古生界的倒转气中很可能渗入了一定的油型气，结合地区对靖边南部烃源岩的分析，在吴起至华池一代，下古生界的烃源岩厚度高，且有机质含量丰富，因此可知，该地区下古生界具有较高的天然气产能。但是，现阶段对煤成气的成熟演化相应的地球化学规律认识较浅，仍需进行深入的分析。2 下古生界烃源岩评价2.1 有机质丰度结合世界碳酸盐岩所含的烃源岩进行分析，工业性碳酸盐岩的TOC值均大于0.5%，基于开采的方面，鄂尔多斯下古生界的碳酸盐岩无法作为工业性烃源岩，处于其成熟度过高的特点，利用TOC值进行评价较为合理。从该地区烃源岩进行分析，在鄂尔多斯盆地的中部与东部下古生界存在有效的烃源岩。虽然现阶段的勘探开发进度对其取芯分析的研究较少，但问研究结合了大量的现场实际资料进行对比分析。从整体而言，盆地中东部地区烃源岩中TOC值均在0.5%1.1%，结合地区下古生界地层岩石主要以碳酸盐岩为主，砂岩与泥岩的比例较低，结合对下古生界马家沟组地层的研究，TOC值拒户不存在大于0.4的样品。该研究明确了鄂尔多斯盆地下古生界具有产气生烃的能力。2.2 有机质类型岩石所含有机质的类型主要是由于原始生物与其自身的沉积环境所导致，盆地产生烃源岩生物主要为藻类为主的水生生物，其具备优质的母质来源；在后期沉积的过程中，沉积环境的氧化程度尚未确定，结合以往的相关研究，如今含有机质较低的烃源岩大多是由于氧化作用，导致有机质的类型质量变差。相关研究表明，有机质含量丰富的岩石，大多是由于还原了沉积，其自身的有机质得以保存下来，且有机质的类型较好。对于在成熟阶段的烃源岩，通过热分解测试得到的含氢与含氧指数，如果由于其成熟度较高，就会对其失去研究价值，利用有机显微技术进行分析，对有机质而言仍然是一种有效的判断方法。3 结束语综上所示，鄂尔多斯盆地下古生界的天然气实际源自于上古生界的煤成气，在地区的中东部，发现了下古生界能够自生自储的油型气，且在下古生界地层发育一定厚度的烃源岩，能够作为下古生界产气的源头。本文结合了烃源岩的有效评价，对鄂尔多斯地区下古生界烃源岩与天然气的成因进行了讨论，为地区下一步的勘探开发区域选择，提供理论。参考文献1 王杰，贾会冲，孙晓，等.鄂尔多斯盆地富县古生界天然气成因及气源综合识别 J.天然气地球科学，2022，33（9）：1476-1484.2 刘二虎，陈志鹏，王起琮，等.鄂尔多斯盆地靖边地区马家沟组中上组合天然气成因类型 J.西安科技大学学报，2022，42（2）：324-334.3 党文龙，高岗，刘建平，等.鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组盐下天然气成因类型及来源 J.天然气地球科学，2022，33（2）：207-217.4 黄军平，林俊峰，张艳，等.鄂尔多斯盆地南缘下寒武统海相烃源岩有机地球化学特征与成藏贡献 J.天然气地球科学，2022，33（3）：461-471.作者简介贾方方（1989），男，汉族，籍贯：陕西省西安市，本科学历，工程师职称，研究方向：天然气勘探开发）。