鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气成因及来源

倪春华，刘光祥，朱建辉，吴小奇，包建平

(1.长江大学 地球环境与水资源学院，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)

鄂尔多斯盆地中北部地区是我国天然气勘探开发的主战场之一，相继发现了苏里格、榆林、靖边、乌审旗、大牛地、子洲等多个探明储量超千亿方的大型气田[1-4]。学者研究普遍认为上古生界天然气属于煤成气，气源岩为上古生界海陆过渡相煤系烃源岩[4-6]。

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部，近年来该地区上古生界天然气勘探取得一系列突破，泊尔江海子断裂以北什股壕区带发现东胜(杭锦旗)气田，断裂以南十里加汗区带储量规模不断扩大，下二叠统下石盒子组和山西组致密砂岩为其主要含气层位[7]。前人对杭锦旗地区的构造演化、烃源特征、成藏条件等进行了研究[7-11]，但对于泊尔江海子断裂两侧，尤其是断裂北侧什股壕区带上古生界天然气来源仍存在分歧[12-14]。本文通过上古生界天然气组分、稳定碳氢同位素组成和稀有气体同位素等地球化学特征分析，结合区域地质条件认识，进一步明确杭锦旗地区(不同区带)上古生界天然气的成因及来源。

1 地质背景

杭锦旗地区处于鄂尔多斯盆地北部盆缘过渡带，横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个构造单元(图1a)，面积为9 825 km2。区内主要发育3条近东西向展布的主干断裂，自西向东依次为三眼井断裂、乌兰吉林庙断裂和泊尔江海子断裂。根据构造形态、断裂分布特征等，该区划分为什股壕、十里加汗等区带(图1b)[15]，目前天然气勘探开发重点集中于泊尔江海子断裂两侧的什股壕区带和十里加汗区带。

杭锦旗地区上古生界自下而上依次为太原组(P1t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石盒子组(P2sh)和石千峰组(P3s)，太原组、山西组煤系地层为该区上古生界主要烃源岩，且呈南厚北薄的平面分布特征[9]，并以Ⅲ型干酪根为主；成熟度自北向南增大，主体介于0.80%～1.40%之间，断裂以南Ro一般高于1.30%，而断裂以北普遍低于1.10%[9]。下石盒子组致密砂岩为该区的主要储集层，其下部的山西组、太原组为次要储集层。上石盒子组和石千峰组发育大套泥岩，能够为天然气提供有效封盖，纵向上亦形成多套生储盖组合。

2 分析方法

本次采用双阀门高压不锈钢瓶，采集了杭锦旗地区上古生界21件天然气样品。天然气组分、碳、氢稳定同位素和稀有气体同位素的测试工作由中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心地球化学测试部完成。其中，天然气组分分析采用GC9160 型气相色谱仪；碳同位素分析采用MAT271型质谱仪，分析精度为±0. 5‰，标准为VPDB；氢同位素分析采用Thermo Scientific DeltaV Advantage 同位素质谱仪进行，分析精度为±3‰，标准为VSMOW；稀有气体同位素分析采用Noblesse型稀有气体同位素质谱仪。测试结果见表1。

3 天然气地球化学特征

3.1 天然气组分特征

天然气组分测试结果(表1)显示，杭锦旗地区上古生界天然气以烃类气体为主，甲烷含量为77.92%～93.72%，其中十里加汗和新召区带平均值分别为90.04%和90.43%，而泊尔江海子断裂以北什股壕区带平均值为85.99%。该地区上古生界天然气干燥系数(C1/C1-5)为0.802～0.943，普遍低于0.95，总体表现为湿气特征。

非烃气体含量方面，所有天然气样品中均未检测到H2S，且CO2含量明显较低，其含量介于0～0.45%之间，而N2含量相对较高，主体介于0.16%～1.92%之间，只有J66P2S和J55两个样品中N2含量明显偏高，分别为7.18%和6.76%，可能与氮气气举工艺有关，但这不影响天然气中烷烃气的碳、氢同位素组成，因而不影响天然气的成因鉴别和气—源对比[16]。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元区划(a)和杭锦旗地区天然气采样井位分布(b)

区带井号层位组分含量/%CH4C2H6N2C1/C1-5δ13CVPDB/‰CH4C2H6C3H8δDVSMOW/‰CH4C2H6C3H8稀有气体同位素3He/4He40Ar/36Ar什股壕十里加汗新召J66P2SP1s84．565．777．180．917-33．6-26．1-24．0-172J66P5HP1x93．224．330．840．942-32．9-24．5-22．9-191-170-156J66P9HP1x86．577．840．310．875-32．8-27．4-19．5-190-164-126J66P8HP1x84．358．320．250．853-32．7-26．0-22．7-187-161-124J66P12HP1x89．546．610．250．898-32．6-26．6-21．3-180-157-131JPH-1P1x77．9210．851．570．802-32．4-26．0-22．6-187-154JPH-2P1x86．577．840．310．875-32．0-25．1-22．3-185-151JPH-13P1x87．287．360．270．882-32．7-26．6-23．0-191-148J11P4HP1x86．497．810．260．873-31．9-26．4-20．9-186-165J11-2P1x81．8110．680．250．824-31．8-24．6-23．2-186-1552．03×10-8902．1ES4P1x86．047．930．260．867-31．8-24．8-22．5-184-1382．22×10-81123．5J11-1P1x87．607．220．210．883-31．7-26．9-22．0-184-157-116J77P1x89．476．180．770．906-34．7-24．7-25．0-199-171-176J77P1HP1x90．046．490．240．903-34．3-25．6-23．4-198-160-1224．24×10-81303．9J111P1x90．885．470．420．916-32．4-26．5-23．3-185-159-109J58P13HP1x93．723．770．460．943-32．8-27．6-21．3-182-1322．30×10-8563J98P1x92．674．630．160．932-32．8-27．8-19．5-185-150-126J104P1x90．025．311．100．917-35．1-27．6-24．72．01×10-81231．5J55P1x83．487．146．760．896-36．2-24．8-26．4J80P1s90．324．871．920．934-31．7-23．3-23．1-187-164J79P1x90．545．541．140．916-33．0-23．4-23．4-195-180

3.2 烷烃气碳同位素特征

杭锦旗地区上古生界天然气中烷烃气δ13C1和δ13C2值分布较为集中(图2a)，分别介于-36.2‰～-31.7‰和-27.8‰～-23.3‰，而丙烷碳同位素值相对分散，其δ13C3值为-26.4‰～-19.5‰。就不同区带而言，什股壕和新召区带烷烃气碳同位素值分布较窄，而十里加汗区带烷烃气碳同位素值则表现出较宽的分布范围。

杭锦旗地区上古生界烷烃气碳同位素分布主体表现为正碳序列(δ13C1<δ13C2<δ13C3)，具有典型有机成因气的特征，与鄂尔多斯盆地其他地区上古生界天然气的地球化学特征一致[2]。

3.3 烷烃气氢同位素特征

杭锦旗地区上古生界天然气甲烷氢同位素值分布范围相对较窄(图2b)，δDCH4值为-199‰～-172‰，而乙烷和丙烷氢同位素值的分布则相对分散，δDC2H6和δDC3H8值分别为-180‰～-132‰和-176‰～-109‰，且烷烃气氢同位素系列总体表现为正序特征(δDCH4<δDC2H6<δDC3H8)。

图2 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气δ13Cn-1/n(a)和δD-1/n(b)关系

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气40Ar/36Ar-3He/4He关系底图据参考文献[17]。

3.4 稀有气体同位素特征

稀有气体包括轻稀有气体和重稀有气体，以前者的应用研究居多[17-18]。杭锦旗地区上古生界天然气40Ar /36Ar比值为562.99～1303.94，3He/4He比值为(2.01～4.24)×10-8，反映其为典型的壳源天然气[18](图3)。

4 天然气成因及来源

有机成因气的烷烃气碳同位素组成具有正碳序列(δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4)，甲烷碳同位素值一般小于-30‰，而无机成因气则与之相反[19]。杭锦旗地区上古生界天然气中烷烃气碳、氢同位素总体均表现为正序特征(表1，图2)，甲烷碳同位素值全部小于-30‰，故属于典型的有机成因气；甲烷碳同位素相对较重，主体处于-35‰～-30‰范围，表现为热成因气特征(图4)。天然气与典型Ⅲ型干酪根生成的天然气特征一致，呈现出煤成气的特征(图5)。甲烷氢同位素主体分布于-190‰～-180‰范围，根据δDCH4值对于沉积环境的判别标准[22]，判断其成烃母质发育于海陆过渡相半咸水环境，与鄂尔多斯盆地晚古生代的区域沉积背景相吻合[12]。

与甲烷碳同位素相比，乙烷等重烃气碳同位素具有较好的原始母质继承性，且受成熟度影响较小，可用作鉴别煤成气和油型气的有效指标。一般根据乙烷碳同位素值δ13C2和丙烷碳同位素值δ13C3分别大于-28‰和-25‰时，判识天然气为煤成气，反之则为油型气[23]。杭锦旗地区上古生界天然气δ13C2为-27.8‰～-23.3‰，δ13C3为-25.0‰～-19.5‰，故该区上古生界天然气为煤成气(图6)，来源于太原组—山西组煤系烃源岩(图7)。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气C1/C2+3-δ13C1关系底图据参考文献[20]。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气δDCH4-δ13C1关系底图据参考文献[21]。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气δ13C1-δ13C2-δ13C3关系底图据参考文献[2]。

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气乙烷碳同位素与上古生界烃源岩干酪根同位素关系

鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界煤成气来自太原组—山西组腐殖型烃源岩[12-13]，但对于泊尔江海子断裂北侧什股壕区带上古生界天然气的来源存在分歧，是原地烃源岩所生，还是异地烃源岩所生经运移而来[7，9]？

成熟度匹配关系分析是气源对比的有效手段，天然气甲烷碳同位素值与Ro值具有较好的线性关系，已建立了针对不同成因类型、不同演化模式的经验换算公式[24-25]。本文结合杭锦旗地区埋藏史—生烃史研究成果[15]，选用戴金星等[24]建立的煤成气δ13C1-Ro经验公式。计算结果表明，断裂以南十里加汗和新召区带上古生界天然气Ro值分别介于0.74%～1.38%和1.25%～1.55%，平均值分别为1.10%和1.40%，与断裂以南太原组—山西组烃源岩成熟度Ro值普遍高于1.30%[15]相吻合，表明十里加汗、新召区带煤成气主要来自原地的太原组—山西组烃源岩；而什股壕区带上古生界天然气Ro介于1.14%～1.55%，平均值高达1.39%，明显与原地山西组烃源岩Ro值普遍低于1.10%[15]不匹配，这也揭示原地的山西组烃源岩并非是该区上古生界天然气的主要贡献者，推测其主要来自断裂以南太原组—山西组高成熟煤系烃源岩。

图8 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气(δ13C1-δ13C2)-ln(C1/C2)关系底图据参考文献[26]。

综合上述分析，什股壕区带上古生界天然气主要由泊尔江海子断裂以南运移而来。在运移过程中地球化学特征会发生变化，如低碳数的甲烷气体优先扩散，而残留的天然气中甲烷含量降低的同时，碳同位素值增大，但实际情况却与此相悖，如何解释这一“矛盾”现象？PRINZHOFER等[26]研究认为，甲、乙烷碳同位素差值与甲、乙烷含量比值同步增大，反映成熟度趋势；而在天然气逸散过程中，散失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(图8)。因此，什股壕区带上古生界煤成气受到了明显的逸散作用，而十里加汗区带天然气表现出成熟度趋势(图8)。什股壕区带所处的伊盟隆起位于鄂尔多斯盆地边缘，受后期构造抬升影响，由泊尔江海子断裂以南运移聚集而成的天然气藏受到一定程度的改造与破坏，天然气发生了逸散，杭锦旗北部的乌兰格尔地区天然气逸散至地表，凝析形成白垩系油苗即为有力佐证[27]。

泊尔江海子断裂北侧什股壕区带生气强度仅为(0～10)×108m3/km2[15]，生气能力较弱，故仅依靠原地山西组烃源岩的主要贡献，难以匹配目前的资源规模，如该区地质储量已超7 000×108m3，进一步佐证了什股壕区带上古生界天然气可能主要来自泊尔江海子断裂以南十里加汗等地区的上古生界煤系烃源岩。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界天然气以烃类气体为主，干燥系数介于0.802～0.948，主体属于湿气；天然气δ13C1、δ13C2和δ13C3值分别介于-36.2‰～-31.7‰，-27.8‰～-23.3‰，-26.4‰～-19.5‰，δDCH4值为-199‰～-172‰，烷烃气碳、氢同位素整体表现为正序特征。天然气折算Ro值介于0.74%～1.55%，处于成熟—高成熟演化阶段。

(2)杭锦旗地区上古生界天然气为煤成气，来自上古生界海陆过渡相煤系烃源岩，但泊尔江海子断裂两侧上古生界天然气来源存在差异性，南侧十里加汗区带天然气来自原地的太原组—山西组高成熟烃源岩，而北侧什股壕区带天然气主要由断裂以南十里加汗等地区运移而来，且后期遭受一定程度的破坏而发生逸散。

(3)泊尔江海子断裂北侧上古生界天然气主体来自断裂以南，且因其处于盆地边缘伊盟隆起区，后期保存条件受到影响而发生逸散。考虑到鄂尔多斯盆地上古生界天然气总体具有近源成藏的显著特点，结合泊尔江海子断裂两侧烃源条件及保存条件，建议杭锦旗地区上古生界天然气下步勘探重点为断裂南侧的十里加汗区带。

致谢：样品采集与分析测试得到了中国石化华北油气分公司和中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心的大力协助与支持，在此深表谢意！

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