鄂尔多斯盆地陇东地区寒武系天然气地球化学特征及来源

《Journal of Natural Gas Geoscience》：Geochemical characteristics and source of Cambrian natural gas in the Longdong area, Ordos Basin, China

　　

近年来，鄂尔多斯盆地陇东地区寒武系天然气勘探取得显著进展，但其成因类型与来源尚未明确，严重制约了该盆地深层天然气的勘探开发。研究人员对陇东地区寒武系天然气的组分与碳同位素特征进行了详细分析，并与苏里格地区上古生界煤型气、陇东地区太原组铝土岩气进行了对比，探讨了寒武系天然气的成因类型与成熟度特征，结合潜在烃源岩特征分析了其来源。结果表明，陇东地区寒武系天然气以油型气为主，仅L20井乙烷与丙烷碳同位素值较高，呈现典型煤型气特征；其余样品乙烷与丙烷同位素值较低，为典型油型气。除L20井外，甲烷、乙烷、丙烷碳同位素与组分特征进一步表明，该区寒武系天然气主要为原油与湿气二次裂解气。所有寒武系天然气均已达过成熟干气阶段，且表现出显著的碳同位素倒转特征。基于天然气成因类型、成熟度等地球化学特征，结合潜在烃源岩分布，研究人员认为陇东地区寒武系油型气主要源自盆地南部富平—洛川湾寒武系东坡组海相高丰度烃源岩，而L20井煤型气则来自上覆二叠系煤系烃源岩。

该研究针对鄂尔多斯盆地陇东地区寒武系天然气成因与来源的争议问题展开。鄂尔多斯盆地是中国最大的天然气生产基地，长期以奥陶系顶部岩溶风化壳与上古生界致密砂岩为主要产层，近年深层寒武系不断获得工业气流，但气源认识分歧显著：部分学者认为来自上古生界煤系烃源岩，另一部分则认为来自盆地南缘寒武系东坡组海相烃源岩。同时，陇东地区太原组铝土岩气与寒武系储层固体沥青的发现，进一步凸显了厘清寒武系天然气地球化学特征与来源的迫切性，这对盆地深层天然气勘探具有重要理论支撑意义。

研究人员采用的关键技术方法包括：采集陇东地区9口井11个寒武系天然气样品，以及太原组铝土岩气与苏里格上古生界煤型气对比样品；在国家低渗透油气田勘探开发工程实验室完成气体组分与碳同位素测试；运用δ¹³C₁–R_O（镜质体反射率）经验公式、Ln(C₁/C₂)–Ln(C₂/C₃)判识图版、δ¹³C₂–δ¹³C₃差值与C₂/C₃关系图等多参数地球化学图解，结合区域地质背景与烃源岩分布特征开展综合分析。

研究结果如下：

1. 1.
   天然气地球化学特征
   组分特征显示，寒武系天然气甲烷相对含量22.70%–96.97%，平均77.89%；干燥系数（C₁/ΣC_1-5）为0.944–0.996，平均0.978，除CT3井属湿气外均为典型干气，且干燥系数向古隆起核部增大。非烃气体中CO₂含量0–7.53%、N₂含量0–69.67%，显著高于上古生界煤型气。碳同位素特征方面，除L20井δ¹³C₂=-22.9‰、δ¹³C₃=-23.4‰外，其余样品δ¹³C₁为-35.3‰至-31.1‰，δ¹³C₂为-41.3‰至-36.9‰，δ¹³C₃为-38.1‰至-31.3‰，普遍低于苏里格煤型气；整体呈现部分碳同位素倒转，L20井为δ¹³C₁< δ¹³C₂> δ¹³C₃，其余样品为δ¹³C₁> δ¹³C₂< δ¹³C₃。
2. 2.
   天然气成因类型分析
   基于δ¹³C₂与δ¹³C₃判别标准，L20井为典型煤型气，其余为油型气。δ¹³C₁–δ¹³C₂图版与组分参数进一步证实，除L20井外均为腐泥型有机质来源的高温裂解气。Ln(C₁/C₂)–Ln(C₂/C₃)图版显示，寒武系天然气以原油裂解气与干酪根降解气为主，其中张夏组为原油裂解气，三山子组因甲烷散失呈现干酪根降解气特征。δ¹³C₂–δ¹³C₃差值与C₂/C₃关系图表明，三山子组气为原油二次裂解气，张夏组气为原油与湿气二次裂解气，与干燥系数垂向变化一致。
3. 3.
   天然气热成熟度
   基于油型气δ¹³C₁–R_O公式，寒武系油型气成熟度（R_O）为1.94%–2.86%，平均2.55%，达过成熟阶段。三山子组气成熟度略高于张夏组，与甲烷散失导致的碳同位素变重特征吻合，二者呈负相关，证实浅层三山子组存在甲烷渗漏。碳同位素倒转是原油裂解与过成熟的共同指示。煤型气R_O计算值为2.01%–2.24%，与区内二叠系煤系烃源岩成熟度匹配。
4. 4.
   天然气来源分析
   寒武系油型气无法来自上古生界煤系或中生界延长组（成熟度不足）。马家沟组缺乏大规模高丰度烃源岩，且无TSR（硫酸盐热化学还原作用）改造痕迹，排除其贡献。平凉组与长城系崔庄组烃源岩丰度低、厚度薄，生烃能力有限。盆地南缘富平—洛川湾寒武系东坡组发育平均TOC（总有机碳）3.14%的海相高丰度腐泥型烃源岩，与储层固体沥青成熟度及来源一致，因此为寒武系油型气主要源岩。L20井煤型气则源自上覆二叠系煤系烃源岩。

讨论与结论部分指出，此前基于甲烷碳同位素与源储配置提出的“上古生界煤系来源”观点，未考虑乙烷与丙烷同位素特征，且计算的煤型气成熟度远低于实际煤系烃源岩演化程度，因此不成立。研究最终明确：陇东地区寒武系天然气以油型气为主，为东坡组海相烃源岩生成的原油与湿气二次裂解气，仅L20井为二叠系煤系来源的煤型气；所有天然气均达过成熟干气阶段，具显著碳同位素倒转。该认识为鄂尔多斯盆地深层寒武系天然气勘探提供了关键理论依据，论文发表于《Journal of Natural Gas Geoscience》。