天然气地球科学 >

2022 , Vol. 33 >Issue 9: 1476 - 1484

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.04.011

天然气地球化学

鄂尔多斯盆地富县古生界天然气成因及气源综合识别

  • 王杰 , 1, 2 ,
  • 贾会冲 3 ,
  • 孙晓 3 ,
  • 陶成 1, 2 ,
  • 张毅 1, 2 ,
  • 马亮帮 1, 2 ,
  • 王付斌 3 ,
  • 姜海健 1, 2
展开
  • 1. 中国石油化工集团公司油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126
  • 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
  • 3. 中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南 郑州 450006

王杰（1975-），男，河南周口人，高级工程师，博士，主要从事油气地质及有机地球化学研究. E-mail：.

收稿日期: 2021-04-12

  修回日期: 2022-03-23

  网络出版日期: 2022-09-09

收起

Comprehensive evaluation on origin and source of natural gas in the Paleozoic in Fuxian area， Ordos Basin

  • Jie WANG , 1, 2 ,
  • Huichong JIA 3 ,
  • Xiao SUN 3 ,
  • Cheng TAO 1, 2 ,
  • Yi ZHANG 1, 2 ,
  • Liangbang MA 1, 2 ,
  • Fubin WANG 3 ,
  • Haijian JIANG 1, 2
Expand
  • 1. SINOPEC Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanisms，Wuxi 214126，China
  • 2. Wuxi Research Institute of Petroleum Geology，SINOPEC，Wuxi 214126，China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China

Received date: 2021-04-12

  Revised date: 2022-03-23

  Online published: 2022-09-09

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42072154)

the Major Science and Technology Projects of SINOPEC(P17009-2)

Fold

本文亮点

近年来，鄂尔多斯盆地南部（简称鄂南）古生界天然气勘探取得重要进展，展示了良好的勘探前景，但鄂南古生界天然气成因及气源研究相对薄弱，直接制约了下一步的勘探部署。为此通过系统开展富县古生界天然气组分、烷烃气碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等地球化学分析，查明了鄂南富县古生界天然气中甲烷占绝对优势，含有一定量的重烃，非烃气CO2、N2含量相对较高，显示其为过成熟阶段生成的干气。鄂南富县古生界天然气以典型油型气为主，煤型气为辅，甲烷和乙烷的碳同位素组成存在倒转现象可能为油型气与煤型气的混合造成，上古生界天然气烷烃气碳同位素组成普遍比下古生界天然气偏重，可能混有相对较多的煤型气。综合运用烃源岩干酪根碳同位素—岩石脱附气碳同位素—天然气乙烷碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年等综合地球化学手段，推断出鄂南富县古生界天然气可能主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。

本文引用格式

王杰 , 贾会冲 , 孙晓 , 陶成 , 张毅 , 马亮帮 , 王付斌 , 姜海健 . 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 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.04.011

Highlights

In recent years， important progress has been acquired in the exploration of natural gas in the Paleozoic in the southern part of the Ordos Basin， which has shown a good exploration prospect. However， the study on the origin and source of natural gas in the Paleozoic in the area is relatively weak， which directly restricts the next exploration project in the Paleozoic in the southern part of the Ordos Basin. By means of systematic analysis of gas components， carbon and hydrogen isotopes， noble gas components and isotopes in the Paleozoic natural gas in Fuxian area， it is found that methane is the absolute dominant component in the natural gas with a certain amount of heavy hydrocarbons， and the carbon dioxide and nitrogen content is relatively high. The above characteristics show that the Paleozoic natural gases in Fuxian area are dry gases generated in over mature evolution. According to isotopic characteristics， it is concluded that the Paleozoic natural gases in Fuxian area are dominated by typical oil-type gas， supplemented by coal-type gas. The inversion of carbon isotopic composition of methane and ethane may be caused by the mixing of oil-type gas and coal-type gas， and the oil-type gas is predominant in the natural gas. The carbon isotopes of the Upper Paleozoic hydrocarbon gas are relatively heavier than that of the Lower Paleozoic， which shows that the Upper Paleozoic gas may be mixed with more coal type gas. By means of comprehensive geochemistry such as the carbon isotope of source rocks desorption gas and natural gas and kerogen， methane hydrogen isotope and argon isotopic dating method， it demonstrates that the Paleozoic natural gas in Fuxian area in the southern part of Ordos Basin mainly originated from the source rocks of the Majiagou Formation in the Lower Paleozoic.

0 引言

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，面积约为37×104 km2，蕴藏着丰富的石油天然气资源。根据第三次全国油气资源评价结果，鄂尔多斯盆地石油总资源量约为85.88×108 t，天然气资源量约为10.7×1012 m3，尤其以古生界天然气资源量最为丰富［1-3］，通过长期的勘探，目前已探明靖边、苏里格、榆林、神木、子洲、大牛地、东胜、延安等特大型—大型气田［1-2］（图1）。关于鄂尔多斯盆地上古生界天然气的成因及气源认识比较统一，都为煤型气，主要来源于上古生界煤系地层。关于下古生界天然气的来源，前人做了大量的研究工作，得出的认识差异较大：一种观点认为是煤型气，来源于上古生界石炭系—二叠系煤和暗色泥岩［4-5］；另一种观点认为主要是来源于上古生界石炭系—二叠系煤和暗色泥岩生成的煤型气，还混有少量下古生界烃源岩生成的油型气［6-7］；还有部分学者认为是油型气，主要来源于下古生界低丰度碳酸盐岩烃源岩［8-9］， 这些学者认为下古生界马家沟组低丰度碳酸盐岩可以作为有效烃源岩，具有形成工业气藏的潜力。归根到底，争议的焦点集中在是以上古生界煤型气为主还是以下古生界油型气为主以及下古生界有效烃源岩的存在与否［10-13］。近年来，随着勘探和研究的不断深入，发现不同地区和含气体系下古生界天然气来源不同。如鄂尔多斯盆地西缘海相礁滩相、盆地东部奥陶系盐下、大牛地马五5亚段水平井天然气与上古生界天然气碳氢同位素组成一致，不同于靖边海相气藏油型气，为典型煤型气［14-15］；大牛地马家沟组上—中组合为上、下古生界混合气源，下组合为自生自储［16］。李贤庆等［10］认为在盆地中东部（相当于米脂凹陷部位）风化壳天然气中混入上古生界的煤型气比例较高，而盆地中西部（包括中部气田）风化壳天然气来源于下古生界的油型气占有绝对优势。关于鄂尔多斯盆地古生界天然气成因及气源研究主要集中在盆地伊陕斜坡中北部地区，而对于鄂尔多斯盆地南部古生界天然气成因及气源研究不多，仅有个别学者［17］涉及，并且仅分析了富县天然气地球化学特征及其成因，没有明确天然气的来源。为此，本研究选取富县探区，系统开展天然气组分、烷烃气碳氢同位素、稀有气体组分和同位素等地球化学分析研究，探讨古生界天然气成因类型及其来源。
图1 鄂尔多斯盆地大型气田分布

Fig.1 The distribution of large gas-fields in Ordos Basin

1 区域地质概况

富县区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部，勘探面积约为3 834.51 km2，区块内构造、断裂不发育。鄂尔多斯盆地主要经历了中晚元古代发育坳拉谷盆地、古生代发育大型稳定克拉通盆地、中生代发育前陆盆地、新生代发育周缘断陷盆地4个发展阶段［18］，古生界自下而上发育地层分别为： 寒武系朱砂洞组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组，下奥陶统马家沟组，石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组。上古生界煤、暗色泥岩和下古生界马家沟组碳酸盐岩烃源岩是研究区内古生界发育的2套主要烃源岩。根据富探1井、新富5井和新富2井等钻井揭示，区内太原组—山西组的煤层和暗色泥岩有机质丰度较高，煤层TOC含量为42%~78.2%；暗色泥岩、炭质泥岩TOC含量为0.16%~35.5%，平均为9.9%，处于高—过成熟阶段，是一套好的气源岩。下古生界马家沟组主要发育灰质云岩、泥灰岩、灰岩等，夹少量含灰泥岩、云质泥岩，研究表明马家沟组泥灰岩残余TOC含量相对较高，一般为0.18%~0.36%，所夹含灰泥岩、云质泥岩TOC含量一般为0.2%~0.5%，高者可达0.75%，有机质类型以II1型为主，具有一定的生烃潜力。富县古生界储层主要为低孔低渗的致密砂岩储层和碳酸盐岩储层，气田盖层主要为上石盒子组及石千峰组的粉砂质泥岩、泥岩，具有厚度大、封堵性好等特点。总体而言，该地区具有较好的生储盖组合条件。
近年来，我国中石油、延长石油和中石化在鄂尔多斯盆地南部（简称鄂南）古生界天然气勘探取得了显著的成效，在下奥陶统马家沟组、二叠系山西组和石盒子组等见到工业气流。中石油在陇东和宜川—黄龙地区的多口井获高产工业气流，截至2016年，古生界提交预测储量约为2 374×108 m3；延长石油在延安地区上古生界累计探明储量约为1 809×108 m3，并在下古生界多口井获得高产工业气流；目前中石化已在该地区部署古生界探井20余口，在马五段、马四段、太原组、山西组、石盒子组等发现8套气层，其中富县3口井在上古生界、4口井在下古生界获工业气流，富县区块古生界提交预测储量940.93×108 m3。上述勘探成果充分展示了鄂南古生界良好的天然气勘探前景。

2 天然气地球化学特征及成因类型

富县古生界天然气产层主要为马五6亚段及以上风化壳等碳酸盐岩储层、下石盒子组盒1段和上石盒子组等砂岩储层。根据富县古生界天然气的生产情况，共采集了古生界天然气样品8件，同时为了加强与鄂北古生界天然气的对比研究，还系统采集了定北地区和杭锦旗地区上古生界天然气样品。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，具体地球化学分析数据如表1所示。
表1 鄂南富县古生界天然气地球化学分析数据

Table 1 The geochemical data of Paleozoic natural gas in Fuxian area， southern Ordos Basin

井号 层位 组分含量/% δ13C/‰ δD1 /‰
H2 N2 CO2 CH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 CO2 C1 C2 C3
XF3-1 马五6 0.26 1.27 11.35 83.54 2.95 0.55 0.07 -11.7 -30.7 -36.4 -32.9 -157
XF3-2 马五6 0.30 5.52 7.92 85.62 0.52 0.12 -6.7 -30.2 -36.1 -31.7 -155
FG4 马五5 0.76 9.30 88.94 0.23 0.01 -4.3 -32.6 -37.0 -30.4 -159
XF11 马五1 2.02 0.83 16.98 77.72 1.66 0.50 0.07 0.17 -4.5 -31.6 -39.6 -31.9 -161
FT1 马五5 2.38 5.59 91.59 0.39 0.06 -33.7 -37.5 -30.5
FP1H-1 盒1 0.36 4.35 7.02 86.7 1.00 0.40 0.10 -8.2 -30.2 -33.9 -29.8 -147
FP1H-2 盒1 0.14 4.20 6.96 87.97 0.61 0.13 -6.4 -30.3 -36.1 -31.7 -150
XF9 上石盒子组 0.06 2.49 6.53 89.23 1.46 0.25 -13.7 -26.7 -32.1 -31.6 -146

2.1　天然气组分特征

通过对天然气组分特征分析表明（表1），富县下古生界天然气以烃类气体为主，甲烷占绝对优势，其含量在77.72%~91.59%之间，平均值为85.48%，重烃气（C2-5）含量介于0.24%~3.58%之间，平均值为1.47%，天然气干燥系数（C1/C1-5）均大于0.95，介于0.960~0.999之间，表现为典型干气特征，表明其为过成熟阶段生成的天然气。对于富县上古生界天然气而言，其甲烷和重烃含量分别介于86.70%~89.23%（均值为87.97%）和0.74%~1.71%之间（均值为1.28%），干燥系数介于0.98~0.99之间，也都大于0.95，表现出明显的干气特征。总体上，鄂南富县上古生界天然气甲烷含量高于下古生界，乙烷等重烃含量则相对要低，显示出上古生界天然气更干的特征，但都表现出过成熟干气的特征。
相对于上古生界天然气，鄂南富县下古生界天然气的甲烷含量和干燥系数分布范围相对较大。富县古生界天然气甲烷和乙烷含量相对低于定北和杭锦旗上古生界天然气，富县古生界天然气干燥系数和定北上古生界天然气干燥系数基本一致，但大于杭锦旗上古生界天然气干燥系数，表明天然气的干湿程度与具体层位没有直接关系。
富县下古生界天然气具有一定含量的非烃气，含量介于8.0%~19.8%之间，其中CO2含量分布范围介于5.59%~16.98%之间，平均值为10.23%，N2含量分布于0.76%~5.52%之间，平均值为2.15%，总体上CO2含量相对于N2含量高很多，同时还含有少量的H2（0.26%~2.02%）；FG4井马五5亚段天然气中H2S含量为0.7%，属于低含硫天然气，除此之外，其他马家沟组天然气中不含硫化氢组分。上古生界盒1段和上石盒子组天然气中非烃气含量介于9.08%~11.73%之间，CO2含量分布范围介于6.53%~7.02%之间，平均值为6.84%，N2含量分布于2.49%~4.35%范围内，平均值为3.68%，上古生界天然气中不含硫化氢组分。综合而言，下古生界天然气CO2含量要高于上古生界，而N2含量却低于上古生界（表1），显示出成熟度和来源具有一定的差异性。富县古生界天然气的CO2含量和N2含量高于鄂尔多斯盆地北部（简称鄂北）杭锦旗、定北上古生界天然气，显示出鄂南富县古生界与鄂北上古生界天然气来源的差异性。

2.2　天然气碳同位素组成特征

鄂南富县上古生界天然气δ13C1值介于-30.3‰~-26.7‰之间，平均值为-29.1‰；δ13C2值介于-36.1‰~-32.1‰之间，平均值为-34.0‰；δ13C3值介于-31.7‰~-29.8‰之间，平均值为-31.0‰，呈现出明显的甲烷和乙烷碳同位素倒转现象。下古生界天然气δ13C1值在-33.7‰~-30.2‰范围内，其平均值为-31.8‰；δ13C2值分布范围为-39.6‰~-36.1‰，其平均值为-37.3‰；δ13C3值处于-32.9‰~-30.4‰之间，其平均值为-31.5‰。下古生界天然气碳同位素组成普遍轻于上古生界天然气相应烷烃气的碳同位素组成，也呈现出明显的甲烷和乙烷碳同位素倒转现象（图2）。总体上富县古生界天然气δ13C1值介于-33.7‰~-26.7‰之间，δ13C2值介于-39.6‰~-32.1‰之间，δ13C3值介于-32.9‰~-29.8‰之间，具有δ13C1>δ13C2<δ13C3、部分天然气具有δ13C1>δ13C3的特征，δ13C2－δ13C1值很偏负，为-8.0‰~-3.7‰，天然气δ13C3－δ13C1值为-4.9‰~2.2‰。关于碳同位素序列倒转的原因，常见有以下3种解释：①无机成因气和有机成因气相混合；②不同母质来源或同一母质来源不同成熟阶段生成的气相混合；③天然气运移和解吸分馏等［19-20］。根据对盆地区域地质情况、稀有气体同位素组成、气源对比的综合分析，研究认为造成古生界天然气甲烷和乙烷碳同位素序列倒转的原因可能为油型气与煤型气的混合，以油型气为主，煤型气为辅，但上古生界与下古生界天然气混入煤型气的比例不同。
图2 鄂南富县古生界天然气碳同位素组成特征

Fig.2 The carbon isotope composition characteristics of hydrocarbon gases of Paleozoic natural gas in Fuxian area， southern Ordos Basin

2.3　天然气成因类型

由于乙烷和丙烷碳同位素组成主要受气源岩的母质类型影响，常常用其碳同位素值δ13C2=-29‰和δ13C3 =-25.5‰判识油型气和煤型气，小于上述值为油型气，反之为煤型气［21-23］。但富县古生界天然气存在明显的甲烷和乙烷碳同位素组成倒转现象，故不能简单地应用乙烷碳同位素组成来判识油型气和煤型气［24］。丙烷碳同位素组成主要受源岩母质类型影响，源岩热演化程度对其影响很小，且用于判断天然气的成因类型时，该指标不受烷烃气碳同位素组成倒转的影响，因此本文主要采用丙烷碳同位素组成指标辅之乙烷碳同位素组成来综合判识天然气成因。鄂南富县下古生界天然气δ13C3值分布在-32.9‰~-30.4‰范围内，δ13C2值也处于-39.6‰~-36.1‰范围内，综合判识为典型的油型气，与前人的认识是一致的；而上古生界δ13C3值、δ13C2值分别处于-31.7‰~-29.8‰和-36.1‰~-32.1‰范围内，所以无论是根据丙烷碳同位素组成特征，还是乙烷碳同位素组成，初步综合判断出富县上古生界天然气也具有油型气的特征（图3），这与前人关于鄂尔多斯盆地上古生界天然气来源于上古生界煤系烃源岩的认识不一致［2，25-26］。李伟等［27］研究认为靖边气田的南部上古生界天然气也主要显示出油型气的特征，表明奥陶系马家沟组烃源岩生成的油型气向上运移至上古生界储层中聚集成藏，而上古生界的煤型气并没有大量“倒灌”到奥陶系马家沟组储集体中，初步推测出在靖边南部—富县地区这一带上古生界天然气可能为典型油型气，可能主要来源于下伏的马家沟组烃源岩。综合而言，富县古生界天然气中乙烷和丙烷碳同位素组成与来源于上古生界煤系烃源岩的定北上古生界和杭锦旗上古生界天然气具有明显的不同（图3），体现了二者来源的截然不同。天然气中甲烷碳同位素组成特征常常主要受气源岩成熟度的影响，与其母质类型关系不大，富县古生界天然气δ13C1值介于-33.7‰~-26.7‰之间，其中上古生界天然气δ13C1值介于-30.3‰~-26.7‰之间，下古生界天然气δ13C1值介于-33.7‰~-30.2‰之间，杭锦旗地区与定北地区上古生界天然气δ13C1值均介于-35.4‰~-28.6‰之间，与富县古生界天然气甲烷的碳同位素值具有相似的分布范围，这说明了二者的气源岩成熟度也具有相同的分布范围。
图3 鄂南富县古生界天然气烷烃气碳同位素组成特征及其成因类型

Fig.3 The carbon isotope composition characteristics and genetic types of hydrocarbon gases of Paleozoic natural gas in Fuxian area， southern Ordos Basin

富县古生界天然气中二氧化碳的 δ 13 C C O 2值分布在-13.7‰~-4.3‰之间（图4），其中上古生界天然气 δ 13 C C O 2值介于-13.7‰~-6.4‰之间，下古生界天然气 δ 13 C C O 2值处于-11.7‰~-4.3‰范围内，天然气中CO2含量与其碳同位素值具有正相关关系，即随着CO2含量增加，其碳同位素组成逐渐变重。依据前人提出的二氧化碳碳同位素组成判识成因的指标［28］，富县古生界天然气中的二氧化碳主要为无机成因，个别为有机成因。根据伴生稀有气体3He/4He值为（5.28~8.73）×10-8，排除了幔源无机气的贡献，综合判断出无机成因CO2主要为碳酸盐岩热裂解产生。定北、杭锦旗地区上古生界天然气CO2碳同位素值分别处于-11.1‰~-5.6‰和-19.7‰~-15.8‰范围内，由图4可见，杭锦旗上古生界天然气中的二氧化碳为典型有机成因，而定北地区天然气中二氧化碳成因相对复杂，既有无机成因二氧化碳也有有机成因二氧化碳。
图4 鄂南富县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 The relationship between the content and carbon isotope characteristics of carbon dioxide in Fuxian area， southern Ordos Basin

3 天然气来源综合判识

3.1　干酪根—天然气—脱附气碳同位素对比及气源判识

油气的碳同位素组成通常主要受母质继承效应和热力学分馏效应影响，相同来源情况下天然气乙烷碳同位素值比相应源岩的干酪根碳同位素值低3‰~7‰［29］，因此常用天然气乙烷碳同位素组成与潜在烃源岩干酪根碳同位素组成进行对比开展天然气气源判识。由图5可见，富县古生界天然气乙烷碳同位素值介于-39.6‰~-32.1‰之间，而下古生界烃源岩干酪根碳同位素值介于-33.4‰~-26.2‰之间，上古生界烃源岩干酪根碳同位素值为-25.6‰~-22.2‰，根据天然气乙烷碳同位素组成与干酪根碳同位素组成对比研究，推断出富县古生界天然气可能主要来源于马家沟组烃源岩。
图5 鄂南富县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.5 Carbon isotope characteristics comparison between ethane of natural gas in Fuxian area and kerogen of possible source rocks in Fuxian area， southern Ordos Basin

根据马家沟组烃源岩评价结果，选取XF5井、D113井和LT1井等校正后TOC>0.5%的马家沟组泥灰岩、泥质白云岩等碳酸盐岩烃源岩（表2），利用行星型球磨仪对烃源岩进行粉碎，在真空条件下收集烃源岩中的脱附气，然后对烃源岩脱附气进行系统的地球化学分析。由图6可见，马家沟组烃源岩脱附气δ13C2值介于-37.9‰~-28.3‰之间，δ13C3值介于-30.6‰~-26.1‰之间，表现为油型气特征。富县古生界天然气乙烷碳同位素值介于-39.6‰~-32.1‰之间，丙烷碳同位素值介于-32.9‰~-29.8‰之间。对比研究发现，富县古生界天然气乙烷、丙烷碳同位素组成范围与马家沟组泥灰岩、泥质白云岩等烃源岩脱附气较为一致（图6），显示出富县古生界天然气与马家沟组烃源岩脱附气具有相同的来源，即富县古生界天然气主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。而杭锦旗和定北上古生界天然气乙烷和丙烷碳同位素组成分布范围则不在这个区域内，说明其与下古生界烃源岩没有亲缘关系。
表2 鄂尔多斯盆地马家沟组烃源岩脱附气的碳同位素分析数据

Table 2 The carbon isotopic data of desorption gas of the Majiagou Formation source rocks in Ordos Basin

井号 层位 深度/m TOC 校正/% δ13C1/‰ δ13C2/‰ δ13C3/‰
LT1-1 马五段 2 591.00~2 591.54 1.20 -41.4 -28.8 /
LT1-2 马五段 2 594.60~2 594.80 0.76 -40.9 -30.3 /
LT1-3 马五段 2 720.35 0.95 -40.1 -31.3 /
LT1-4 马四段 2 985.82 0.52 -38.2 -31.8 /
LT1-5 马三段 3 206.50~3 207.00 0.67 -39.8 / /
LT1-6 马一段 3 384.50~3 387.00 0.48 -37.8 -31.0 /
XF5-1 马五6亚段 2 889.00 0.57 -39.2 -37.9 -30.6
XF5-2 马五6亚段 2 894.00 0.66 -40.6 -34.4 -27.6
XF5-3 马五6 2 900.30 1.35 -39.5 -37.8 -28.2
D113-6 马五5亚段 2 921.75~2 923.67 1.43 -39.4 -28.9 -26.1
D113-22 马五1-4亚段 2 897.23~2 898.12 0.83 -35.0 -29.9 -29.3
D113-30 马五1-4亚段 2 885.31~2 887.08 1.37 -39.6 -28.3 -29.6
图6 鄂南富县古生界天然气与马家沟组烃源岩脱附气碳同位素组成对比

Fig6 Carbon isotope composition comparison between natural gas in Fuxian area and desorbed gas of Majiagou Formation source rocks in Fuxian area，southern Ordos Basin

3.2　天然气甲烷氢同位素组成及气源判识

烃源岩沉积时的水介质条件和热演化程度控制着天然气的甲烷氢同位素组成，海相咸水沉积烃源岩生成的天然气 δ D C H 4>-180‰，陆相沉积生成的天然气 δ D C H 4<-180‰，而且淡水—微咸水湖相形成的天然气 δ D C H 4值小于-200‰，微咸水—半咸水环境的 δ D C H 4值为-210‰~-180‰［30，31］。由图7可见，鄂南富县古生界天然气 δ D C H 4值为-161‰~-147‰，由此可见富县古生界天然气的氢同位素组成显示出其为海相咸水沉积环境形成，说明其烃源主要为海相沉积环境形成，由于富县地区缺失平凉组烃源岩发育，即富县古生界天然气可能主要来自于马家沟组烃源岩。而杭锦旗上古生界天然气甲烷氢同位素值在-198‰~-178‰之间，基本上都低于-180‰，为典型的陆相淡水沉积环境，说明杭锦旗上古生界天然气来自于上古生界煤系烃源岩。
图7 鄂南富县古生界天然气甲烷氢同位素组成特征与乙烷碳同位素组成特征

Fig.7 Hydrogen isotope characteristics of methane and car-bon isotope characteristics of ethane from Paleozoic natu-ral gas of Fuxian area， southern Ordos Basin

3.3　稀有气体同位素定年及气源判识

油气中稀有气体氦、氩同位素具有明显的年代累积效应，随着气源岩时代越老，源岩中放射性成因40Ar累积越多，相应地进入油气藏中40Ar也越多，天然气中40Ar/36Ar值越大，基于此建立了油气藏中氩年代积累效应的地质模型和数学公式［32］，进而估算气源岩的年龄。通过对鄂南富县古生界天然气稀有气体组成及同位素组成的系统分析，发现富县古生界天然气稀有气体3He/4He值为（5.28~8.73）×10-8，都为10-8量级，R/Ra值为0.04~0.06，表明其为典型的壳源成因，排除了该区幔源和深部无机气贡献的可能。富县上古生界、下古生界天然气40Ar/36Ar平均值分别为1 103和1 168，应用气源岩年代Ar同位素估算公式估算出富县古生界气源岩年代为472~456 Ma，对应于中—下奥陶统源岩。
综合而言，富县上古生界与下古生界天然气在甲烷含量、重烃含量、非烃气含量及干燥系数等组分特征上没有明显的差异，二者存在的一些差异主要是由于气源岩成熟度、天然气运移聚集成藏过程等综合因素造成的；上古生界与下古生界天然气甲烷碳同位素组成分布范围相对较大，主要是由于成熟度差异和煤型气混入比例不同等综合因素造成的。下古生界天然气乙烷和丙烷碳同位素组成相对于上古生界天然气要轻一些，但二者碳同位素组成的分布都是连续的，二者之间没有明显的差异，即使有些差异，也是由于气源岩成熟度、煤型气混入比例的不同造成的，总体上还是以油型气为主，混有部分煤型气，主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。

4 结论与认识

（1）鄂南富县古生界天然气中甲烷含量在77.7%~91.6%之间，含有0.24%~3.6%的重烃，干燥系数都大于0.95，显示出其为过成熟阶段生成的干气；相对于下古生界，上古生界天然气的甲烷含量相对要高，乙烷含量相对低，表现出更干的特征。
（2）鄂南富县上古生界与下古生界天然气均以典型的高温裂解油型气为主，煤型气为辅，甲烷和乙烷的碳同位素组成存在倒转现象可能为油型气与煤型气的混合造成，只不过上古生界与下古生界天然气混入煤型气的比例不同。上古生界天然气烷烃气碳同位素组成普遍比下古生界天然气偏重，可能混有更多的煤型气。
（3）综合运用烃源岩干酪根碳同位素—岩石脱附气碳同位素—天然气碳同位素、天然气甲烷氢同位素、稀有气体Ar同位素定年等综合手段，推断出鄂南富县上、下古生界天然气可能主要来源于下古生界马家沟组烃源岩。

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