鄂尔多斯盆地大牛地下古生界天然气地球化学特征及其来源综合判识

孙 晓，王 杰，陶 成，张 毅，贾会冲，姜海健，马亮帮，王付斌

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059；2.中国石化 华北油气分公司 勘探开发研究院，郑州 450006；3.中国石油化工集团有限公司 油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；4.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)

1 大牛地古生界天然气概况

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地北部，构造位置处于伊陕斜坡北部东段(图1)，构造形态总体为北东高、西南低的平缓单斜，面积为2 003.07 km2。自1999年以来，在“上古为主，兼探下古”勘探思想指导下，大牛地气田上古生界致密碎屑岩储集层不断取得突破。同时，下古生界奥陶系风化壳连续高产工业气流的发现，证实其具有良好的天然气勘探潜力，截至2019年7月，古生界资源量8 237×108m3，上古生界提交探明储量4 545.63×108m3；下古生界马家沟组提交风化壳控制储量221.29×108m3，预测储量129.41×108m3。

大牛地气田上古生界主要产气层自上而下为下石盒子组的盒3、盒2、盒1段，山西组的山2、山1段和太原组的太2、太1段；下古生界主要产气层位为马家沟组的马五1—马五2段、马五5段等风化壳储层，少数井在马五7段以及马四段等盐下组合也见低产工业气流。围绕着上古生界天然气成因及来源，前人做了大量卓有成效的研究工作，认识比较统一，都为煤型气，主要来源于上古生界煤系地层[1-3]，大牛地上古生界天然气即来源于这套烃源岩。而对于下古生界天然气来源，争议较大，究竟是以上古生界煤型气为主，还是以下古生界油型气为主[4-9]，归纳起来，主要有以下3种主流认识：(1)油型气，烃源岩来自盆地下古生界低丰度的海相碳酸盐岩烃源岩[10]；(2)以煤型气为主，油型气为辅，主要来自上古生界煤系烃源岩，混有少量的下古生界烃源岩及石炭系的石灰岩生成的少量油型气[4，11]；(3)完全来自煤型气，来自于上古生界煤系烃源岩[7，12]。关于下古生界天然气成因及来源，前人主要针对盆地中部靖边气田周缘天然气开展了系统研究，李伟等[13]发现靖边气田南部、北部与西部地区奥陶系马家沟组天然气以油型气为主，靖边气田中东部既有煤型气又有油型气混源并大规模聚集。李军等[14]认为中央古隆起东侧马家沟组中组合天然气为上古生界煤系烃源岩生成的煤型气与下古生界碳酸盐岩烃源岩生成的油型气的混合气，并以上古生界煤型气为主。刘丹等[15]认为鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组盐下(奥陶系马五6巨厚膏盐岩以下)天然气地球化学特征与盐上(奥陶系风化壳)天然气组分、碳同位素对比，指出下古生界原生的天然气具有油型气特点。孔庆芬等[16]研究发现靖西地区下古生界奥陶系天然气以煤成气为主，局部存在自生自储的油型气。由此可见在鄂尔多斯盆地不同地区的马家沟组及马家沟组不同含气组合的天然气成因和来源不同。大牛地气田位于靖边气田的东北部，尽管二者在地理位置上相距不远，但对于大牛地气田下古生界天然气成因及气源研究相对较少，仅有个别学者涉及，惠宽洋等[17]认为大牛地北部以鄂5—鄂8井为代表的奥陶系风化壳工业性天然气具有双重母质的混合型天然气特征，南部以伊 24井为代表的风化壳天然气则来源于奥陶系典型腐泥型有机质，盐下天然气为具有单一海相碳酸盐岩来源的油型天然气。近年来，随着勘探的不断深入，在大牛地中组合盐下马四段和马五7段获得重大突破，为了有效指导下古生界天然气下一步勘探部署，必须开展下古生界天然气成因及来源研究。为此，系统开展了大牛地古生界天然气组分、碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等有机地球化学分析，探讨其成因类型，并在此基础上综合运用烃源岩岩石脱附气碳同位素—天然气碳同位素—干酪根碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年等地球化学手段，综合判识大牛地下古生界天然气来源。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划和气田位置Fig.1 Structural division and gas field location in Ordos Basin

2 天然气地球化学特征及成因分析

大牛地现今产出的下古生界天然气主要赋存于马五段风化壳储层中。D122和D126井在马四段测试获得良好的天然气显示，2020年6月DS1井在马四段酸压测试日产气量为5 366 m3，说明盐下具有良好的勘探潜力；上古生界天然气主要赋存于太原组的太1段和太2段、山西组的山1段和山2段、下石盒子组盒1—盒3段。根据大牛地古生界天然气的生产情况，共采集了上古生界天然气35件、下古生界天然气63件。天然气组分、碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等分析测试均由中国石化油气成藏重点实验室完成。

2.1 天然气组分特征

通过对天然气组分特征分析表明，大牛地上古生界天然气主要为烃类气体，甲烷占绝对优势，含量分布在79.56%～97.52%(均值为90.85%)，重烃气(C2-C5)含量介于2.38%～15.28%(均值为6.97%)，干燥系数(C1/C1-5)为0.84～0.98，表明既有典型的成熟阶段生成的湿气，也有高过成熟阶段生成的干气(图2)。下古生界天然气甲烷含量分布在79.3%～93.34%之间，均值为86.8%；重烃气含量为1.99%～21.01%，均值为5.73%，天然气干燥系数介于0.81～0.98，既有典型的湿气，也有干气(图2)；其中D126井马四段和D122井马四上段等盐下天然气甲烷含量最低，分别为75.69%和77.62%，重烃含量较高，分别为6.11%和21.01%，其干燥系数较低，为典型的湿气，表明其为成熟阶段生成的天然气，体现出与马五段风化壳天然气组分的差异性，显示了马五段风化壳天然气和盐下天然气在来源和成熟阶段的差异性。

图2 鄂尔多斯盆地大牛地古生界天然气组分特征Fig.2 Component characteristics of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

总体而言，大牛地古生界天然气既有干气，也有湿气，显示出生气阶段的连续性特征。下古生界天然气甲烷含量和干燥系数分布范围与其上古生界天然气分布范围基本一致，但相同干燥系数下古生界天然气中甲烷含量相对较小，分布区域有明显差异；上古生界绝大部分天然气的甲烷与其干燥系数具有较好的正相关关系，只有少数天然气落入了下古生界天然气的分布范围内，总体上可能显示了上、下古生界天然气来源的差异性。

大牛地古生界天然气具有一定含量的非烃气，主要为CO2和N2，还含有微量的氦气和氢气等。下古生界天然气中N2含量分布在0.07%～7.70%，均值为0.51%，CO2含量分布在0.18%～14.39%，均值为6.92%，总体上CO2含量远高于N2含量。上古生界天然气中N2含量主要分布在0.1%～0.9%，均值为0.36%，CO2含量分布在0.09%～16.41%，均值为2.06%。因此相对于下古生界，大牛地上古生界天然气中非烃气含量相对较低，显示出二者来源的差异性。

2.2 碳同位素组成特征及成因分析

大牛地上古生界天然气δ13C1值介于-41.4‰～-33.3‰，均值为-36.2‰；δ13C2值介于-28.6‰～-23.9‰，均值为-25.6‰；δ13C3值介于-28.5‰～-23.0‰，均值为-24.7‰。而下古生界天然气δ13C1值、δ13C2值和δ13C3值分布范围分别为-42.6‰～-34.8‰，-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰，其均值分别为-38.0‰，-28.2‰和-26.5‰，烷烃气碳同位素组成普遍轻于上古生界天然气。大牛地古生界天然气δ13C2-δ13C1值分布在2.6‰～15.9‰，δ13C3-δ13C2值为-1.7‰～5.4‰，绝大多数都为正值，仅有5个天然气乙烷和丙烷存在一定程度的倒转现象，总体上天然气呈现出明显的正碳同位素序列，为原生型有机成因气。

δ13C2和δ13C3值是区别油型气和煤型气的重要标志之一。国内研究者多以δ13C2=-29‰和δ13C3=-25.5‰作为划分油型气和煤型气的标志[18-20]。大牛地上古生界天然气δ13C2值介于-28.6‰～-23.9‰，δ13C3值大多介于-25.4‰～-23.0‰，为典型煤型气，这与前人关于上古生界天然气来源于上古生界煤系烃源岩的认识是一致的[21-23]；而下古生界天然气δ13C2和δ13C3值范围分别为-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰，既有油型气，也有煤型气(图3)，煤型气主要分布在马五1—马五2段、马五5和马五7段，这部分天然气来源没有争议，主要来源于上古生界煤系烃源岩；而表现为油型气的天然气主要分布在奥陶系风化壳马五1—马五2段，这可能是下古生界烃源岩生成的天然气沿断裂运移到风化壳储层中形成的，与前人研究认为鄂尔多盆地中部气田北部、西部及南部区块的下古生界天然气主要为油型气的认识是一致的[13，24]，当然也可能存在一定的上覆石炭系—二叠系煤型气来源，只不过在不同地区煤型气混入的比例不同。大牛地气田D122井和D126井盐下马四段天然气δ13C1值分别为-42.0‰和-42.6‰，显示其成熟度较低，结合乙烷和丙烷的碳同位素组成特征，综合判识为成熟阶段的油型气。前人研究认为在盆地中东部环米脂盐洼区下古生界发育一定规模的有效烃源岩，可作为下古生界天然气的气源[9，13，25]。大牛地正好处于环米脂盐洼区的西北，具有发育马家沟组烃源岩的膏盐湖沉积环境，综合评价具有一定的生烃能力，大牛地盐下天然气显然主要来源于下古生界烃源岩。

图3 鄂尔多斯盆地大牛地古生界 天然气乙烷与丙烷碳同位素组成特征Fig.3 Carbon isotope composition of ethane and propane of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

天然气中有机成因的CO2通常相对富集轻碳同位素，无机成因CO2一般相对富集重碳同位素。戴金星等认为无机成因δ13CCO2值大于-8‰，主要在-8‰～3‰区间内；δ13CCO2值小于-10‰为有机成因CO2；当CO2碳同位素在-10‰～-8‰，为有机成因和无机成因CO2的混合气的共存区[26]。大牛地古生界天然气中CO2的δ13CCO2值分布在-19.9‰～-5.0‰之间(图4)，其中下古生界δ13CCO2值介于-15.9‰～-5.0‰之间，上古生界δ13CCO2值分布在-19.9‰～-8.1‰之间，总体上表现出随CO2含量增加其碳同位素组成逐渐变重，说明随着CO2含量的增加，无机CO2的贡献逐渐增加。根据大牛地气田古生界天然气中CO2碳同位素组成分析，CO2主要为有机成因，少数为无机成因，这部分天然气赋存于下古生界储层，结合天然气稀有气体同位素其R/Ra处于0.007～0.043，推断出无机成因CO2主要可能由下古生界烃源岩中碳酸盐岩热解产生。

2.3 天然气稀有气体同位素特征及成因分析

氦和氩作为微量组分存在于天然气中，是2种研究较多的稀有气体。天然气中氦的来源有3种：大气氦、壳源氦和幔源氦。大气氦的3He/4He值(Ra)为1.40×10-6，典型壳源氦的3He/4He值为n×10-8，一般取(2～3)×10-8，幔源氦的3He/4He值通常取1.1×10-5作为表征值。氩在自然界有3种稳定同位素36Ar、38Ar和40Ar，上地幔40Ar/36Ar值分布范围很广，从接近大气氩值的295.5到高达1×104；下地幔的40Ar/36Ar值则远低于上地幔，约为400。

大牛地古生界天然气中含有微痕量的氦气和氩气，氦气含量分布在0.018%～0.048%，氩气含量更低，介于(1.9～12.6)×10-5。由图5可见，氦气3He/4He值比较低，分布在(2.83～6.07)×10-8，R/Ra介于0.020～0.043，其中下古生界天然气3He/4He值分布在(2.97～6.07)×10-8范围内(均值为3.78×10-8)；上古生界分布在(2.83～3.57)×10-8范围内(均值为3.21×10-8)，上、下古生界天然气3He/4He值差异不大，远小于大气氦同位素比值，表明其为典型的壳源成因。大牛地下古生界天然气40Ar/36Ar值分布在505～1 244，均值为947；而上古生界的值则明显偏大，分布在1 005～1 553，均值为1 314，上、下古生界天然气40Ar/36Ar值具有较大的差异，显示出二者来源的差异性。

图4 鄂尔多斯盆地大牛地古生界 天然气二氧化碳含量与其碳同位素组成的关系Fig.4 Relationship between carbon dioxide content and carbon isotope of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地大牛地 古生界天然气3He/4He值与40Ar/36Ar值的关系Fig.5 Relationship between 3He/4He and 40Ar/36Ar ratios of Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3 下古生界天然气来源综合判识

在明确大牛地下古生界天然气成因的基础上，利用天然气甲烷氢同位素、烃源岩脱附气碳同位素—天然气碳同位素—干酪根碳同位素、稀有气体Ar同位素定年及混源比例判识等技术手段开展气源精细对比研究，剖析大牛地气田下古生界天然气的主要来源。

3.1 甲烷氢同位素组成及气源判识

天然气中甲烷氢同位素组成受母质特征和热演化程度的影响，但主要受源岩沉积环境和水介质条件的影响，因此可以利用天然气的甲烷氢同位素组成研究其母质沉积时的水介质环境，进而开展天然气—气源岩对比研究[27]。咸水环境沉积源岩形成的天然气甲烷的氢同位素偏重，而淡水环境偏轻。SCHOELL[28]认为由海相源岩生成的天然气比陆相源岩生成的天然气明显地富集重同位素，即海相有机质形成的天然气δDCH4>-180‰，而陆相淡水沉积的则是δDCH4<-180‰。由图6可见，大牛地下古生界天然气甲烷氢同位素组成分布在-210‰～-162‰内，由此可见其天然气既有来源于海相咸水沉积环境形成的烃源岩，也有来自于陆相淡水沉积环境形成的烃源岩。而大牛地上古生界天然气甲烷氢同位素组成介于-215‰～-180‰范围内，都轻于-180‰，属于典型的淡水沉积环境，说明大牛地上古生界天然气来自于陆相沉积环境的烃源岩，即来自于上古生界煤系地层烃源岩。

3.2 天然气—马家沟组烃源岩脱附气对比及气源判识

为了精细开展大牛地气田下古生界天然气来源研究，选择马家沟组泥灰岩、泥质白云岩等碳酸盐岩烃源岩开展脱附气碳同位素与下古生界天然气碳同位素对比分析。马家沟组烃源岩脱附气甲烷、乙烷碳同位素组成分布在-41.4‰～-35.2‰和-37.9‰～-28.3‰范围内，丙烷碳同位素组成分布在-30.6‰～-26.1‰，显示出典型油型气的特征。而大牛地下古生界天然气δ13C1，δ13C2和δ13C3值分布范围分别为-42.6‰～-34.8‰，-35.6‰～-24.2‰和-30.7‰～-22.8‰；上古生界天然气δ13C1，δ13C2和δ13C3值分别为-41.4‰～-33.3‰，-28.6‰～-23.9‰以及-28.5‰～-23.0‰。将烃源岩脱附气碳同位素组成与古生界天然气碳同位素组成特征对比研究，发现大牛地下古生界的油型气烷烃气碳同位素组成与马家沟组烃源岩脱附气的烷烃气碳同位素组成范围一致(图7)，反映其具有相同的来源，这说明大牛地下古生界油型气主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。而大牛地下古生界煤型气与上古生界煤型气分布区域一致，二者具有相似的来源，与马家沟烃源岩没有亲缘关系。

图6 鄂尔多斯盆地大牛地气田 古生界天然气烷烃气碳、氢同位素组成特征Fig.6 Isotopic characteristics of carbon and hydrogen of hydrocarbon gas in Paleozoic natural gas in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地大牛地古生界天然气同位素组成与烃源岩脱附气碳同位素组成特征对比Fig.7 Carbon isotope composition contrast between Paleozoic natural gas and desorbed gas of source rocks in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3.3 干酪根碳同位素与天然气乙烷碳同位素对比及气源判识

由于在烃源岩生烃演化过程中，生成的油气碳同位素组成往往具有一定的母质继承效应和热力学分馏效应，因此可以用来进行油气来源示踪。一般来说，乙烷碳同位素组成主要受母质类型而较少受成熟度的影响，常常作为与潜在烃源岩的干酪根碳同位素进行对比研究的重要指标；在同源的情况下，由成熟作用引起的原油碳同位素比相应源岩干酪根轻1‰～3‰，原油裂解气乙烷碳同位素组成比相应原油碳同位素组成轻2‰～4‰，故天然气乙烷碳同位素组成比相应源岩干酪根轻3‰～7‰[29]。由图8可见，大牛地上古生界天然气乙烷碳同位素组成介于-28.6‰～-23.9‰，均值为-25.6‰，下古生界天然气乙烷碳同位素组成介于-35.6‰～-24.2‰，均值为-28.2‰。而下古生界烃源岩干酪根碳同位素组成处于-33.4‰～-26.2‰，上古生界烃源岩干酪根碳同位素组成处于-25.6‰～-22.2‰，由此可见大牛地下古生界油型气主要来源于下古生界烃源岩，大牛地下古生界煤型气与上古生界天然气具有相同的来源，即来源于上古生界煤系烃源岩。

图8 鄂尔多斯盆地大牛地古生界天然气乙烷碳同位素 与潜在烃源岩干酪根碳同位素组成对比Fig.8 Carbon isotope characteristics comparison between ethane of Paleozoic natural gas and kerogen of possible source rocks in Daniudi Gas Field, Ordos Basin

3.4 天然气混源比例评价及气源判识

根据大牛地下古生界天然气的地球化学特征，显示出其既有油型气，也有煤型气。煤型气来源于上古生界煤系烃源岩，油型气主要来源于下古生界烃源岩，因此有必要开展下古生界油型气中混入石炭系—二叠系烃源岩贡献的天然气比例的判识研究。为此选取马家沟组烃源岩脱附气乙烷和丙烷碳同位素平均值作为油型气端元的乙烷和丙烷碳同位素值(δ13C2和δ13C3值分别为-31.9‰和-28.6‰)，选择大牛地上古生界天然气乙烷和丙烷碳同位素均值作为煤型气端元的乙烷和丙烷碳同位素值(δ13C2和δ13C3值分别为-25.6‰和-24.7‰)。基于天然气乙烷和丙烷碳同位素分析数据，利用端元混源模拟实验和多元数理分析方法[30-31]，计算出了大牛地下古生界油型气中混有0～45%的煤型气，平均混有25%的煤型气，个别天然气混有较多的煤型气，但主要还是体现了油型气的特征。基于天然气中稀有气体3He/4He 值表明其为典型壳源成因天然气，进而利用稀有气体Ar同位素定年模型，估算大牛地下古生界油型气源岩年代约为(460±17) Ma，对应于下古生界马家沟组烃源岩。

4 结论

(1)大牛地气田古生界天然气中甲烷占绝对优势，含有一定量的重烃，CO2、N2等非烃含量相对较高，既有典型的成熟阶段生成的湿气，也有高过成熟阶段生成的干气；下古生界天然气甲烷含量和干燥系数分布范围与上古生界天然气分布范围基本一致，相同干燥系数下古生界天然气甲烷含量相对较小，可能显示了上、下古生界天然气来源的差异性。

(2)大牛地上古生界天然气为典型煤型气，而下古生界天然气既有煤型气，也有油型气。煤型气主要分布在马五1—马五2段、马五5和马五7段；油型气主要分布在奥陶系风化壳马五1—马五2段，显然这部分天然气主要来源于下古生界烃源岩。

(3)大牛地气田古生界天然气中CO2总体上表现出随CO2含量增加其碳同位素组成逐渐变重的特点。CO2碳同位素组成总体偏负，主要为有机成因，可能由下古生界烃源岩中碳酸盐岩热解产生，少数为无机成因。

(4)综合运用烃源岩岩石脱附气碳同位素—天然气碳同位素—干酪根碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年模型、混源比例模拟等综合地球化学手段，明确了大牛地上古生界天然气和下古生界煤型气来源于上古生界煤系烃源岩，而下古生界油型气(混有0～45%的煤型气)，主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。

致谢：衷心感谢审稿专家提出的宝贵意见！