煤成气干燥系数影响因素探讨——以鄂尔多斯盆地北部上古生界为例

倪春华，包建平，刘光祥，朱建辉，吴小奇,翟常博

[1.长江大学 地球环境与水资源学院，湖北 武汉 430100；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126]

天然气勘探开发实践表明，煤成气储量占据了天然气总储量的3/4，在我国天然气工业中占有极其重要的地位[1-5]，如储量最大的苏里格气田、储量丰度最高的克拉2气田均为煤成气田。前人对于煤成气的研究主要集中在利用组分、碳氢同位素等地球化学特征开展成因和成藏方面[6-13]。然而，煤成气(天然气)成藏是一个复杂的化学-物理过程，经历生烃、排烃、运移和聚集等地质过程，其地球化学特征通常会发生变化[6,9,13-19]。研究认为碳氢同位素的影响因素主要包括分馏效应和成熟度等[20-22]，与之相比，对干燥系数(D=C1/C1-5)等化学组分的影响因素研究较为薄弱[23]。而干燥系数可定性反映成熟度，广泛应用于煤成气(天然气)地球化学特征及成因、成藏研究[9-12]。

鄂尔多斯盆地是我国重要的煤成气产区之一，前人对煤成气的碳氢同位素组成特征及其成因、来源开展了广泛深入的研究工作[19-21]，但对其干燥系数的分布特征未进行深入探讨。因此，笔者以鄂尔多斯盆地北部东胜(杭锦旗)、大牛地、苏里格等上古生界气田为研究对象，重点分析对比该区上古生界煤成气干燥系数的纵、横向分布特征，并探讨影响其分布的主要地质因素，以期为该地区煤成气地球化学研究与勘探开发生产提供有益借鉴。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地蕴藏丰富的石油和天然气，总体呈现“南油北气、上油下气”的油气资源分布格局。盆地中北部地区已发现靖边、苏里格、大牛地、东胜等大中型气田，其中苏里格气田地质储量达到3.5×1012m3[24]，充分展现了巨大的天然气勘探潜力(图1)。

研究表明，鄂尔多斯盆地是一个稳定沉降、扭动明显、拗陷迁移的多重叠合盆地[24]，晚古生代为大型内陆坳陷盆地，广泛发育太原组-山西组海陆过渡相煤系烃源岩，具有生烃潜力好、累计厚度大的特点，具备雄厚的成烃物质基础[25]。下石盒子组、山西组总体为河流相-三角洲相沉积体系，是鄂尔多斯盆地上古生界的主要储层。但受古埋藏深度大、热演化程度高、晚成岩阶段破坏性成岩作用强等因素影响[26]，砂岩储层呈现致密化特点。形成鄂北地区上古生界大中型气田的基本成藏条件主要包括大面积分布的源-储近源配置、大范围同期生烃充注过程和良好的区域封盖条件等[27]。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元区划及北部主要上古生界气田分布Fig.1 Tectonic units of the Ordos Basin and distribution of majorUpper Paleozoic gas fields in the northern Ordos Basin

2 样品及分析方法

本次研究利用双阀门高压不锈钢瓶系统采集了杭锦旗地区泊尔江海子断裂北侧什股壕区带(东胜气田)23个天然气样品，采样层位包括二叠系下石盒子组1段(盒1段)、下石盒子组2段(盒2段)和下石盒子组3段(盒3段)。

天然气化学组分测试工作由中国石化油气成藏重点实验室完成，实验仪器为Angilent7890A气相色谱仪，同时配备氢火焰离子化检测器和热导检测器。气相色谱仪烘箱初始温度设定为40 ℃，加热5 min，然后以10 ℃/min的速率加热到180 ℃，并保持20 min。

另外，本次研究收集了大牛地气田试气取得的天然气组分数据108个、杭锦旗地区泊尔江海子断裂南侧十里加汗区带天然气组分数据42个以及苏里格气田天然气组分数据34个，涉及层位涵盖二叠系太原组、山西组和下石盒子组[28]。

3 煤成气干燥系数分布特征

前人研究证实，鄂尔多斯盆地北部上古生界天然气均属于煤成气[3,5,7,9,13,20,29]。基于本次采样实测及收集的天然气化学组分数据，本文重点分析了研究区内苏里格、大牛地、东胜气田上古生界煤成气的干燥系数分布特征。如图2所示，三者上古生界煤成气化学组分中均以甲烷气体为主，其含量分别为91.12%～94.25%[28],88.70%～97.52%,87.71%～93.66%，对应的干燥系数平均值分别为0.932,0.914,0.890，总体处于湿气演化阶段(<0.95)，且干燥系数平面分布具有自盆地中心向盆地边缘减小的趋势。

纵向上，煤成气的干燥系数分布也表现出一定的规律性。以层系较齐、数据较多的大牛地气田为例，对比上古生界各层系的煤成气干燥系数(由下而上)。太原组2段(太2段)分布范围为0.902～0.958，平均值为0.927；山西组1段(山1段)分布区间为0.824～0.943，平均值为0.893；山西组2段(山2段)分布于0.846～0.921，平均值为0.886；盒1段分布于0.862～0.916，平均值为0.888；盒2段分布于0.947～0.968，平均值为0.947；盒3段分布范围为0.960～0.978，平均值为0.969。不难看出，大牛地气田上古生界煤成气干燥系数纵向上呈现“二段式”分布特点(图3a)，且由下而上表现为先减小再增大。无独有偶，杭锦旗地区十里加汗区带上古生界煤成气干燥系数具有相近的纵向分布特征(图3b)，这也暗示了影响上、下两段干燥系数分布的主控因素可能不同。

4 煤成气干燥系数影响因素

煤成气经历生烃、排烃、运移和聚集等成藏过程，其地球化学特征必然会发生一些变化，作为表征其化学组成参数的干燥系数也不例外。笔者将基于前文对于上古生界煤成气纵、横向分布特征的分析，结合研究区具体地质背景，初步探讨该地区煤成气干燥系数的影响因素。

4.1 成熟度

由图4不难看出，平面上，苏里格、大牛地和东胜气田上古生界煤成气的干燥系数平均值分别为0.932，0.914，0.890，表现为自盆地中心向盆地边缘减小趋势，与鄂尔多斯盆地北部上古生界烃源岩的镜质体反射率Ro总体变化趋势一致，表明该地区上古生界煤成气干燥系数的区域分布特征主要受控于上古生界烃源岩的成熟度。

图2 鄂尔多斯盆地北部主要气田天然气组分含量分布Fig.2 Distribution of natural gas contents in major gasfields in the northern Ordos Basina.苏里格气田；b.大牛地气田；c.东胜气田

纵向上，上古生界不同层系烃源岩的成熟度也控制了煤成气干燥系数的分布特征，太原组烃源岩的成熟度高于其上部的山西组烃源岩，故纵向上随烃源岩成熟度的升高，煤成气的干燥系数也相应增大，如大牛地气田山2段、山1段和太2段煤成气干燥系数平均值分别为0.886，0.893，0.927(图3a)。杭锦旗地区十里加汗区带山2段和山1段煤成气干燥系数也表现为类似特征(图3b)。由此分析，“二段式”下段(源内)干燥系数主要受控于烃源岩的成熟度。

4.2 地质色层作用

运移模拟实验及天然气成藏实例均已证实，天然气横向或垂向运移过程中会发生组分分异作用(地质色层作用)，其地球化学特征会发生变化[29-31]。

图3 鄂尔多斯盆地北部上古生界不同层系天然气干燥系数纵向分布Fig.3 Vertical distribution of dryness coefficient of natural gas in different layers of the Upper Paleozoic in the northern Ordos Basina.大牛地气田；b.十里加汗区带(菱形为散点值，圆圈为平均值，虚线为各层系干燥系数平均值连线。)

图4 鄂尔多斯盆地北部上古生界煤成气干燥系数与上古生界烃源岩Ro分布(底图据文献[28]修改)Fig.4 Distribution of dryness coefficient of coal-derived gas andthe vitrinite reflectance of the Upper Paleozoic source rocks innorthern Ordos Basin(Base map modified from reference[28])

对比发现，杭锦旗地区泊尔江海子断裂南、北两侧盒1段、盒2段和盒3段天然气干燥系数均具有“南小北大”的特点，而断裂两侧上古生界烃源岩成熟度则呈现“南高北低”的分布格局[27]，天然气与烃源岩的成熟度明显不匹配，如果仅根据成熟度的影响很难解释这一现象。故泊尔江海子断裂以南十里加汗区带的天然气可能向北进行了大规模的横向运移，在此过程中由于地质色层作用的影响，天然气的化学组成发生分异，运移至断裂以北什股壕区带成藏的天然气由于甲烷相对含量增加，故干燥系数有所增大。进一步对比可以看出，泊尔江海子断裂两侧以盒1段干燥系数的变化最大，反映其可能是天然气横向运移的主要输导层。

另外，从图5不难看出，杭锦旗地区十里加汗区带下石盒子组煤成气干燥系数由下而上呈增大趋势，反映其存在垂向运移。丁烷异构体iC4/nC4值这一地球化学指标能够有效表征天然气运移[14,32-33]，且表现为随运移距离增加，该比值增大。据此，十里加汗区带内8口钻井不同产层天然气iC4/nC4值由下往上均呈增大趋势(图6)，表明泊尔江海子断裂南侧天然气也曾发生过一定的垂向运移。

图5 杭锦旗地区泊尔江海子断裂两侧下石盒子组不同层段天然气干燥系数对比Fig.5 Comparison of dryness coefficients of natural gas from different layers of the Lower Shihezi Formation on bothwalls of Boerjianghaizi Fault in Hangjinqi area

图6 杭锦旗地区十里加汗区带上古生界天然气iC4/nC4值剖面Fig.6 Profile of iC4/nC4 ratios of the natural gas in the Upper Paleozoic reservoir in Shilijiahan Play in Hangjinqi area

4.3 逸散作用

气藏形成是天然气聚集与逸散的动态平衡过程，前人对天然气的逸散也开展了一些研究[34-38]。杭锦旗地区什股壕区带所处的伊盟隆起位于鄂尔多斯盆地边缘，受后期构造运动的影响，地层发生抬升剥蚀[24]，早期形成的上古生界油气藏遭受一定程度的改造破坏，从而导致天然气发生逸散，乌兰格尔凸起区白垩系油苗便是由天然气逸散至地表凝析而成[39]。

Prinzhofer研究发现[40]，甲、乙烷碳同位素差值(δ13C1-δ13C2)与甲、乙烷含量比值对数ln(C1/C2)同步增大，反映成熟度趋势；而逸散作用导致残留气藏天然气中甲烷含量降低的同时，碳同位素值增大，因而甲、乙烷含量比值减小，甲、乙烷碳同位素差值增大。杭锦旗地区泊尔江海子断裂北侧什股壕区带上古生界煤成气甲、乙烷含量比值与甲、乙烷碳同位素差值表现出负相关性，明显受到逸散作用的影响，导致其甲烷相对含量降低、干燥系数减小(图7)。

图7 杭锦旗地区上古生界天然气(δ13C1-δ13C2)—ln(C1/C2)关系[40]Fig.7 Correlation between δ13C1-δ13C2 and ln(C1/C2)values of the natural gas in the Upper Paleozoic inHangjinqi Area[40]

5 结论

1) 鄂尔多斯盆地北部东胜(杭锦旗)、大牛地、苏里格气田上古生界煤成气干燥系数总体呈现由盆地中心向盆地边缘减小的平面分布特征；纵向上表现为“二段式”分布特征，由下而上具有先减小再增大的趋势。

2) 鄂尔多斯盆地北部地区上古生界煤成气干燥系数受到成熟度、地质色层作用和逸散作用等影响。干燥系数的宏观区域分布主要受控于气源岩成熟度。纵向上，影响干燥系数“二段式”分布的主控因素不同，下部烃源层内为成熟度作用，而上部储集层内则是地质色层作用。局部保存条件欠佳地区，如泊尔江海子断裂以北什股壕区带上古生界煤成气干燥系数受到逸散作用而减小。

致谢：样品采集与资料收集工作得到了中国石化华北油气分公司的大力支持和帮助，在此表示感谢！衷心感谢审稿专家提出的宝贵修改意见！

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