Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 9: 1626 - 1637

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.12.013

Geochemical characteristics and genesis of shale gas in the Ordovician Wulalik Formation in the western Ordos Basin

  • Fuqi LI , 1, 2 ,
  • Xiaofeng WANG , 1, 2 ,
  • Wenhui LIU 1, 2 ,
  • Zhengliang HUANG 3 ,
  • Dongdong ZHANG 1, 2 ,
  • Xiaofu LI 1, 2 ,
  • Fengjiao LI 1, 2 ,
  • Xiaoyan CHEN 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi′an 710069，China
  • 2. Department of Geology，Northwestern University，Xi′an 710069，China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

Received date: 2023-10-17

  Revised date: 2023-12-24

  Online published: 2024-01-12

Supported by

The Major Special Projects of Changqing Oilfield Company, PetroChina(ZDZX2021-03)

the National Natural Science Foundation of China(41972134)

Fold

Abstract

In recent years， significant breakthroughs have been made in the exploration of marine shale gas in the Ordovician Wulalik Formation in the western Ordos Basin. The TOC content of shale in the Wulalik Formation is low， and the relevant geochemical indicators of the source rocks have not reached the “sweet spot” standards for marine shale gas exploration. Therefore， it is of great significance to clarify the origin and source of natural gas in the Wulalik Formation. Through gas geochemical research methods， the genetic types and sources of natural gas in the Wulalik Formation have been revealed. The research results show that there are significant differences in the geochemical characteristics of natural gas in the Wulalik Formation， and the genetic types are mainly distributed in the transitional areas between coal type gas and marine oil type gas， exhibiting characteristics of mixed sources. Among them， Well ZP 1 belongs to a typical marine oil type gas， which is “self-generated and self-stored” shale gas. Other natural gas samples from the Wulalik Formation reflect varying degrees of mixing characteristics of coal type gas. The natural gas reservoir formation mode of the Wulalik Formation is characterized by the joint supply of hydrocarbons from the coal source rocks of the Carboniferous Permian and the marine source rocks of the Lower Paleozoic Ordovician Wulalik Formation， forming two types of oil and gas reservoirs： Young-generation and old-storage， and self-generation and self-storage.

Key words： Ordos Basin; Wulalik Formation; Shale gas

Cite this article

Fuqi LI , Xiaofeng WANG , Wenhui LIU , Zhengliang HUANG , Dongdong ZHANG , Xiaofu LI , Fengjiao LI , Xiaoyan CHEN . Geochemical characteristics and genesis of shale gas in the Ordovician Wulalik Formation in the western Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(9) : 1626 -1637 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.12.013

0 引言

页岩气作为重要的非常规油气资源，是我国能源战略发展的重要领域［1-3］。我国页岩具有种类多、分布广、厚度大的特点，页岩气具有很好的开发前景，但当前仍面临诸多挑战，例如：海陆过渡相页岩气总体处在起步阶段，只有南方地区的二叠系龙潭组及鄂尔多斯盆地、南华北盆地的山西组、太原组个别探井见工业气流［4-5］；陆相页岩气目前已在松辽盆地白垩系沙河子组、四川盆地普光地区下侏罗统、鄂尔多斯盆地三叠系延长组取得进展，但陆相富有机质页岩沉积相变化快，分布范围小，开采难度大，资源前景存在不确定性［6-7］；近年来，海相页岩气勘探不断取得突破，自四川盆地及其周缘的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组发现了规模性工业气流后，又在下寒武统筇竹寺组取得了重大勘探突破，获得了海相页岩气勘探开发的成功经验［8］。
2019年，鄂尔多斯盆地西缘钻探的ZP1井在奥陶系乌拉力克组页岩获日产6.42×104 m3工业气流，标志着中国北方海相页岩气勘探取得突破［9-10］。鄂尔多斯盆地西缘奥陶系乌拉力克组海相页岩整体表现为低TOC、低孔隙度、低含气量、低压力系数、高脆性指数（以石英、碳酸盐矿物为主）的特征，其孔隙类型［6］、有机地球化学特征和岩性组成［10］等均不同于中国南方上扬子地台五峰组—龙马溪组页岩和北美Barnett页岩［11-14］。按照中国海相页岩气分类指标［14］，乌拉力克组并未达到页岩气勘探“甜点区”的标准。因此，乌拉力克组天然气是否为典型的自生自储型页岩气是下一步勘探广泛关注的重要基础问题。本文以鄂尔多斯盆地西缘奥陶系乌拉力克组天然气为主要研究对象，结合鄂尔多斯盆地构造演化，探讨鄂尔多斯盆地下古生界乌拉力克组天然气来源与成藏方式。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是在太古宙—古元古代结晶基底之上发育起来的一个多旋回叠合盆地，是华北克拉通形成过程中的早期陆块之一［15-16］。盆地现今由伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘冲断带6个构造单元组成。研究区位于盆地西部，总体呈南北向展布，跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古4个省区，主要涉及西缘冲断带和天环坳陷2个构造单元（图1）。
图1 鄂尔多斯盆地构造单元划分（a）及乌拉力克组厚度等值线图（b）（据文献［9］修改）

Fig.1 Structural unit division of Ordos Basin （a） and contour distribution map of formation thickness in the Wulalik Formation in the Ordos Basin （b） （modified from Ref.［9］）

鄂尔多斯盆地西缘缺失下奥陶统，中奥陶统达瑞威尔阶直接覆于寒武系之上，自下向上依次为三道坎组（O2 s）、桌子山组（O2 zh）、克里摩里组（O2 k），上奥陶统桑比阶自下向上依次发育乌拉力克组（O3 w）、拉什仲组（O3 l）、公乌素组（O3 g）和蛇山组（O3 sh）。上古生界自下而上发育石炭系羊虎沟组（C2 y），下二叠统太原组（P1 t）和山西组（P1 s），中二叠统石盒子组（P2 sh）以及上二叠统石千峰组（P3 s）。
乌拉力克组以深灰色—灰黑色含灰页岩和泥页岩沉积为主，发育纹层状黑色页岩、含灰泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩［4，17-18］，脆性矿物含量高（以石英、碳酸盐矿物为主）。
乌拉力克组沉积期，鄂尔多斯盆地西部为台地边缘，自东向西水体逐渐变深，依次发育深水斜坡相—广海陆棚相—盆地相沉积，研究区主体以深水斜坡相、广海陆棚相沉积为主［10，19-20］。乌拉力克组平面分布稳定，呈大面积近南北向广覆式分布，整体具有“西厚东薄、南北厚中间薄”的特征［9-10，21］。乌拉力克组页岩等效镜质体反射率（R O）主要介于0.8%~2.5%之间，整体偏高，不同区域具有一定的差异性［11］。
北部上海庙、棋盘井地区乌拉力克组为深水斜坡相，厚度在50~110 m之间，R O值大于2.0%，达到过成熟阶段；中部马家滩区块为深水陆棚相，以泥岩沉积为主，成熟度约为1.7%，处于成熟—高成熟阶段［9］；南段银洞子地区乌拉力克组厚度稳定，约为100 m，R O<0.9%，热演化程度低，处于生油窗内，该区域YT3井发现工业油流，是页岩油气勘探远景区［9］。乌拉力克组页岩自东向西灰岩比例逐渐下降，泥页岩占比增大，代表沉积水体加深，由斜坡相过渡至深水陆棚相，至盆地最西缘，含灰泥岩和泥岩厚度占整个组的90%［22-24］。

2 样品采集及分析方法

此次研究共采集鄂尔多斯盆地西缘中北部下古生界奥陶系克里摩里组—乌拉力克组天然气样品16个、上古生界石炭系—二叠系天然气样品8个，所有样品均采用双阀门高压钢瓶采集（图2）。对所采集样品进行天然气组分、碳氢同位素组成等分析，样品分析测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。
图2 鄂尔多斯盆地西缘乌拉力克组镜质体反射率等值线及样品井位分布（据文献［9］修改）

Fig.2 Contour of vitrinite reflectance and distribution of sample well locations in the Wulalik Formation on the western margin of the Ordos Basin （modified from Ref.［9］）

天然气组分主要由气相色谱仪（GC）测定，GC-7890B气相色谱仪配备有氢火焰离子化检测器（FID）和2个热导检测器（TCD），能够同时对天然气中C1-C5烃类、H2、O2、N2、CO、CO2、He、H2S的组分进行测试。分析条件如下：毛细管色谱柱HP-AL/S（25 m×0.32 mm×8 μm）与FID检测器相连，以He为载气用于分离和检测烃类气体，5Å分子筛填充柱（2.44 m×3.175 mm×2 mm）以H2、N2为载气分别与2个TCD检测器相连，用于分离和检测非烃气体；仪器通过对十通阀和六通阀的连通状态的控制，进而把控整个进样过程，使TCD和FID检测器在同一时间分别检测各组分，色谱进样口温度为280 ℃，升温程序由60 ℃起，以4 ℃/min速率升至290 ℃，恒温15 min。
碳氢同位素组成分析都采用配备有Trace GC 1310气相色谱仪的Thermo Scientific MAT 253 Plus质谱仪（GC-IRMS）进行分析。分析条件如下：色谱柱：HP-PLOT/Q（30 m×0.32 mm×20 μm）；载气：高纯氦气（流速1.2 mL/min，恒流模式）；分流比为10∶1；柱箱升温程序：起始温度为40 ℃，保持3 min，以16 ℃/min速率升温至200 ℃，保持2 min；进样口温度：200 ℃；氧化炉温度：1 000 ℃；裂解炉温度：1 420 ℃。稳定碳同位素比值采用V-PDB标准，分析精度为±0.3‰。稳定氢同位素比值采用V-SMOW标准，分析精度为±3‰，都以δ表示，单位为‰。

3 结果

3.1　天然气组分

鄂尔多斯盆地西缘上古生界天然气组分中烃类气体占绝对优势，绝大部分样品烃类含量高于90%，其中甲烷含量为37.40%~90.47%，主体介于80%~90%之间，重烃气体（C2—C5）含量为0.74%~4.91%，平均值为2.86%。干燥系数（C1/C1-5）在0.952~0.992之间，全为干气。非烃气体以CO2和N2为主，平均值分别为12.31%和2.47%（表1）。
表1 鄂尔多斯盆地西缘天然气组分特征

Table 1 Compositional characteristics of natural gas in the western margin of Ordos Basin

井号 层位 深度/m 组分/% 干燥系数
CH4 C2H6 C3H8 iC4 nC4 iC5 nC5 CO2 N2 H2 He
L42 下石盒子组 4 236.0~4 239.0 90.01 2.29 0.40 0.10 0.09 0.06 0.03 3.33 3.51 0.07 0.10 0.968
L52 下石盒子组 3 909.0~3 910.0 90.47 0.68 0.03 0.01 0.01 0.01 / 6.03 2.36 0.32 0.08 0.992
L57 下石盒子组 3 787.0~3 790.0 86.53 3.69 0.75 0.17 0.15 0.10 0.05 0.31 8.07 0.10 0.08 0.946
L59 下石盒子组 3 821.0~3 836.0 89.59 3.44 0.67 0.15 0.13 0.07 0.03 2.56 3.27 0.03 0.07 0.952
L58 山西组 4 127.0~4 130.0 90.53 1.81 0.28 0.05 0.04 0.02 0.01 3.82 3.26 0.05 0.12 0.976
L60 太原组 3 936.0~3 940.0 84.31 2.62 0.29 0.05 0.03 / 0.02 1.71 10.54 0.38 0.05 0.966
R14 太原组 1 869.0~1 872.0 88.07 1.93 0.55 0.09 0.12 0.04 0.03 0.25 8.86 / 0.05 0.970
L60 羊虎沟组 3 963.5~3 967.0 37.40 1.46 0.27 0.05 0.05 0.02 0.01 1.73 58.60 0.40 / 0.952
E103 乌拉力克组 3 928.0~3 942.0 80.13 6.71 1.88 0.37 0.41 0.16 0.08 / 9.97 0.25 0.05 0.893
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 40.14 1.15 0.13 0.03 0.01 / / 0.96 57.32 0.25 / 0.968
NP1 乌拉力克组 4 678.6~5 067.7 44.15 2.13 0.31 0.06 0.03 0.01 / 0.46 52.78 0.07 / 0.946
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 71.55 1.42 0.13 0.03 0.01 0.01 / 2.17 24.07 0.58 0.03 0.978
NP1 乌拉力克组 4 678.6~5 067.7 48.32 2.22 0.32 0.07 0.04 0.02 0.01 0.96 47.93 0.03 0.06 0.947
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 83.58 1.69 0.16 0.03 0.02 0.01 / 7.46 6.83 0.18 0.04 0.978
ZP1 乌拉力克组 4 598.5~5 565.8 86.47 0.89 0.06 0.01 0.01 / / 1.66 10.75 0.08 0.06 0.989
ZP1 乌拉力克组 4 584.2~5 565.8 92.07 1.04 0.13 0.03 0.02 0.01 0.01 1.59 4.99 0.05 0.05 0.987
ZP1 乌拉力克组 4 584.2~5 565.8 92.02 0.70 0.04 / / / / / 7.17 0.04 0.04 0.992
ZT2 乌拉力克组 4 019.0~4 024.0 89.37 2.26 0.24 0.06 0.03 0.02 0.01 / 6.73 1.16 0.12 0.971
L52X 乌拉力克组 4 639.0~5 941.0 95.04 0.84 0.07 0.01 0.01 0.01 / 1.53 2.33 0.06 0.10 0.990
L52 乌拉力克组 4 177.6~4 281.4 90.50 0.75 0.04 0.01 0.01 0.01 / 5.91 2.39 0.30 0.07 0.991
L74 乌拉力克组 4 418.0~4 422.0 80.45 0.52 0.02 0.01 / / / 13.46 5.54 / / 0.993
E96 克里摩里组 3 903.6~4 000.3 59.71 2.22 0.36 0.08 0.07 0.02 0.01 1.31 36.04 0.13 0.05 0.956
L30 克里摩里组 4 050.0~4 053.0 89.85 1.01 0.07 0.01 0.01 / / 4.82 3.50 0.66 0.07 0.988
YT1 克里摩里组 4 012.2~4 195.0 56.59 1.04 0.18 0.04 0.04 0.01 0.01 5.40 36.55 0.08 0.05 0.977

注：“/”表示无数据

盆地西缘下古生界克里摩里组—乌拉力克组天然气组分以烃类气体为主，甲烷含量为44.15%~95.04%，平均值为91.61%；重烃气体（C2—C5）含量为0.55%~9.60%，平均值为2.05%。天然气干燥系数为0.893~0.993，平均值为0.970，绝大部分样品显示干气的特征。乌拉力克组天然气中非烃气体主要为CO2和N2，平均值分别为19.68%和3.67% （表1）。

3.2　天然气碳氢同位素组成特征

盆地西缘上古生界天然气甲烷碳同位素（δ13C1）值分布在-34.7‰~-31.0‰之间，平均为-33.2‰；乙烷碳同位素（δ13C2）值介于-23.3‰~-29.2‰之间，平均为-25.4‰；丙烷碳同位素（δ13C3）值介于-27.7‰~-25.2‰之间，平均为-26.0‰；甲烷氢同位素（δD1）值介于-201‰~-184‰之间，平均为-195‰。下古生界O2 k—O3 w天然气δ13C1值分布在-39.9‰~-35.5‰之间，平均为-37.7‰；δ13C2值分布在-33.9‰~-25.0‰之间，平均为-28.5‰。δ13C3值介于-31.9‰~-21.5‰之间，平均为-26.1‰；δD1值介于-207‰~-167‰之间，平均为-189‰（表2）。
表2 鄂尔多斯盆地西缘天然气碳氢同位素组成特征

Table 2 Carbon/hydrogen isotopic compositions of natural gas in the western margin of Ordos Basin

井号 层位 深度/m δ13C/‰ δD/‰
CH4 C2H6 C3H8 CH4 C2H6 C3H8
L42 下石盒子组 4 236.0~4 239.0 -32.1 -24.8 -25.2 -196 -173 -182
L52 下石盒子组 3 909.0~3 910.0 -33.0 -25.2 -26.6 -197 -188 -211
L57 下石盒子组 3 787.0~3 790.0 -33.4 -24.6 -25.6 -198 -189 -205
L59 下石盒子组 3 821.0~3 836.0 -33.5 -24.8 -25.7 -197 -173 -226
L58 山西组 4 127.0~4 130.0 -31.0 -25.5 -25.6 -196 -179 -196
L60 太原组 3 936.0~3 940.0 -33.7 -23.3 -25.6 -197 -169 -218
R14 太原组 1 869.0~1 872.0 -34.1 -29.2 -27.7 -184 -149 -197
L60 羊虎沟组 3 963.5~3 967.0 -34.7 -25.5 -26.4 -201 -173 -188
E103 乌拉力克组 3 928.0~3 942.0 -39.9 -30.8 -27.9 -207 -135 -189
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 -38.4 -25.4 -21.5 -198 -127 /
NP1 乌拉力克组 4 678.6~5 067.7 -37.7 -25.4 -22.0 -204 -172 -177
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 -37.5 -26.6 -22.9 -198 -162 -150
NP1 乌拉力克组 4 678.6~5 067.7 -36.7 -25.4 -22.4 -193 -169 -157
NP1 乌拉力克组 4 137.0~5 137.0 -38.5 -25.0 -24.9 -197 -150 -244
ZP1 乌拉力克组 4 598.5~5 565.8 -37.8 -28.6 -29.5 -172 -87 /
ZP1 乌拉力克组 4 584.2~5 565.8 -37.9 -33.9 -30.0 -173 -129 -250
ZP1 乌拉力克组 4 584.2~5 565.8 -37.6 -33.1 -28.9 -167 -134 -255
ZT2 乌拉力克组 4 019.0~4 024.0 -37.4 -25.6 -23.1 -182 -154 -251
L52X 乌拉力克组 4 639.0~5 941.0 -38.2 -33.6 -26.8 -186 / /
L52 乌拉力克组 4 177.6~4 281.4 -37.1 -31.9 -25.8 -192 -157 -127
L74 乌拉力克组 4 418.0~4 422.0 -36.8 -29.3 / -186 / /
E96 克里摩里组 3 903.6~4 000.3 -35.5 -27.5 -26.7 -197 -161 -190
L30 克里摩里组 4 050.0~4 053.0 -36.0 -30.8 -28.7 -185 -155 -132
YT1 克里摩里组 4 012.2~4 195.0 -39.4 -27.8 -24.5 -190 -150 -247

注：“/”表示无数据

4 讨论

4.1　母质类型

相较于典型的油型气（δ13C2<-29‰）［25-26］，下古生界大部分天然气样品的δ13C2值明显偏高，表现为煤型气的特征。该特征与盆地中东部下古生界马家沟组部分天然气样品特征相近。前人对马家沟组天然气成因研究认为，虽然其乙烷、丙烷碳同位素组成表现为煤型气的特征，但其并非煤型气［27］，而是由于马家沟组发育碳酸盐岩—蒸发岩地层，含有足够的硫酸盐（石膏），具备发生硫酸盐热化学还原反应（TSR）的条件，TSR反应是硫酸根离子与烃类（有机质）发生的氧化还原反应，该反应会对天然气中C2及 C 2 +组分进行改造，致使残余的烃类中相对富集13C，使乙烷碳同位素组成变重、含量变低［28-33］，马家沟组天然气因发生TSR作用表现出了煤型气的特征［27］，其本质仍为油型气。
但在乌拉力克组地层中缺乏膏岩层，不具备TSR作用发生的物质基础，且天然气样品中没有发现TSR作用的产物——硫化氢；从地球化学角度分析，乌拉力克组天然气乙烷含量和乙烷碳同位素的关系与TSR改造的特征相矛盾，具体表现为乙烷含量随着乙烷碳同位素组成变重而增加（图3），盆地西缘乌拉力克组没有发生过TSR等次生改造作用，该地区异常δ13C2是否与上古生界和下古生界不同成因类型天然气混合作用有关，还需要结合其地球化学特征进一步探讨。
图3 鄂尔多斯盆地西缘天然气乙烷含量与乙烷碳同位素组成关系

Fig.3 Relationship between ethane content and ethane carbon isotope composition of natural gas in the western margin of the Ordos Basin

盆地西缘上古生界煤系烃源岩干酪根类型主要为Ⅲ型（即腐殖型），少部分为Ⅱ2型（即腐泥腐殖型）［34］。乌拉力克组烃源岩的有机质类型属于Ⅰ—Ⅱ1型［9］。根据δ13C1-C1/C2+3天然气成因图版（图4）［35］，上古生界气源母质主体偏腐殖型；而下古生界部分乙烷碳同位素组成较轻的样品（ZP1井，3个样品δ13C2平均值为-31.9‰；L52X井，δ13C2值为-33.6‰；L52井，δ13C2值为-31.9‰；L74井，δ13C2值为-29.3‰）气源母质为偏腐泥型，其余样品表现为混合成因。
图4 鄂尔多斯盆地西缘天然气甲烷碳同位素与C1/C2+3关系（据文献［35］修改）

Fig.4 Carbon isotopes of methane and C1/C2+3 in natural gas of western margin of the Ordos Basin （modified from Ref.［35］）

天然气甲、乙烷碳同位素组成是判识天然气成因的重要指标［27，36-37］。鄂尔多斯盆地西缘上古生界天然气甲、乙烷碳同位素组成特征主体体现了典型煤型气特征，下古生界大多数天然气样品同样体现了煤型气特征，部分样品显示油型气与煤型气的混合，ZP1井样品则显示典型的腐泥型有机质形成的油型气特征（图5）。
图5 鄂尔多斯盆地西缘天然气甲、乙烷碳同位素分布特征

Fig.5 Distribution characteristics of carbon isotope of natural gas methane and ethane in the western margin of the Ordos Basin

甲烷是天然气的主体，甲烷碳、氢同位素组成是判识天然气成因的良好指标［36-38］。一方面，煤型气具有相对较低的δD1值和相对较高的δ13C1值，而典型海相油型气恰恰相反。典型煤型气δD1值介于-190‰~-160‰之间；油型气δD1值主要分布在-170‰~-140‰之间［39］。另一方面，天然气甲烷碳、氢同位素组成随着热演化程度的增加而变重［40］。WANG等［40］考虑到成熟度和水介质类型的影响，根据我国各个地区不同盆地的甲、乙烷碳、氢同位素组成关系，建立了天然气母质类型鉴别图版，用于区分油型气和煤型气（图6）：图中可以看到盆地西缘上古生界天然气和下古生界天然气主体存在差异，盆地西缘上古生界天然气整体δD1值相对较低，分布在煤型气范围内；而下古生界天然气主体分布于煤型气和海相油型气过渡区域，表现出混源的特征，同时煤型气区域（NP1井、E96井）和油型气区域（ZP1井）都不同程度地有所分布。
图6 鄂尔多斯盆地西缘上、下古生界天然气δ13C1-δD1(a)和δ13C2-δD1(b)关系（据文献[40]修改）

Fig.6 Upper and Lower Paleozoic natural gas in the western margin of the Ordos Basin δ13C1 -δD1 (a) and δ13C2 -δD1 (b)relationship diagram (modified from Ref.[40])

盆地西缘不同区域天然气各组分碳同位素组成各异，表明盆地西缘乌拉力克组天然气不同区域混合程度不同，受到各区域保存条件的影响。盆地西缘天环坳陷内构造相对稳定，而西缘冲断带经历多次构造改造，地质条件复杂，发育有加里东、印支、喜马拉雅3期断裂，沟通了乌拉力克组与上覆地层［10］。在复杂构造背景下的保存条件差异是造成天然气混合程度不同的主要因素，例如位于天环坳陷构造稳定区的ZP1井天然气的碳、氢同位素组成显示其为海相油型气；位于ZP1井南部的L52井、L52X井，虽然其乙烷碳同位素特征（δ13C2<-29‰）与ZP1相似，但综合其碳、氢同位素组成特征仍为混合成因，存在上古生界的贡献；位于ZP1北部的样品，碳、氢同位素组成特征表现为煤型气成因的井（NP1井、E96井）多于混合成因。而位于西缘冲断带的ZT2井等天然气表现为煤型气特征。
综上，乌拉力克组天然气存在油型气和煤型气的不同程度的混合。同时结合其地球化学证据认为，乌拉力克组可以作为烃源岩，乌拉力克组存在类似于ZP1井的自生自储的油型气气藏，也说明了乌拉力克组气藏中有上古生界煤系地层生成的煤型气的贡献，且不同构造条件下其混合程度存在差异。

4.2　成熟度

有机质热解生气过程中，随着热演化程度增高，天然气中甲烷相对含量增高，C2以上重烃气体相对含量逐渐降低［41］。天然气烷烃气体碳同位素组成与其生烃母质的热演化程度存在良好的相关性，即随着热演化程度的增高，天然气的碳同位素组成逐渐变重。其中热成熟度对甲烷的碳同位素的影响最为明显，对乙烷和丙烷等重烃气体碳同位素的影响相对较小，因此δ13C1与热演化程度之间存在较好的相关性［41-48］。
国内外许多学者提出了烃源岩有机质镜质体反射率与甲烷碳同位素组成之间的经验计算公式，不同学者因区域、样品选择不同，提出的经验计算公式存在一定差异［41，44-49］。针对不同专家建立公式过程中选取样品的时期、类型及采样区域，认为最贴合本文研究的公式为赵文智等［44］提出的油型气δ13C1-R O计算模型、刘文汇等［45］提出的煤型气δ13C1-R O二阶段计算模型。
研究区下古生界乌拉力克组有机质的等效镜质体反射率R O值介于1.5%~2.3%之间。根据赵文智等［44］提出的油型气δ13C1-R O计算公式（δ13C1=27.55LgR O-47.22），其形成天然气的甲烷碳同位素理论计算值应当介于-44.0‰~-37.3‰之间。目前该地区下古生界天然气实测δ13C1值分布区间为-39.9‰~-35.5‰，与理论计算值相比明显偏高。上古生界煤系烃源岩成熟度在1.1%~1.3%之间，根据刘文汇等［45］提出的煤型气δ13C1-R O的二阶模式（δ13C1=22.42LgR O-34.8）计算，其生成天然气的甲烷碳同位素理论值介于-33.9‰~-32.2‰之间，与盆地西缘上古生界的甲烷碳同位素实际值较为吻合（图7）。根据有机质成熟度理论值和计算值的关系推论，下古生界天然气δ13C1实际值偏高可能与上古生界碳同位素组成较重的天然气混入有关。
图7 鄂尔多斯盆地西缘有机质成熟度和天然气甲烷碳同位素关系

Fig.7 Relationship between maturity of organic matter and natural gas methane carbon isotope in the western margin of the Ordos Basin

由天然气烷烃气体碳同位素组成与热演化程度关系认为，西缘奥陶系乌拉力克组天然气为上古生界煤系烃源与其本身的海相烃源共同供烃的结果。

4.3　成藏条件

鄂尔多斯盆地西缘发育有2套烃源岩：上古生界石炭系—二叠系煤系烃源岩和下古生界乌拉力克组海相烃源岩，其中上古生界有机碳含量高，生烃潜力强，属于好的烃源类型［16，34］。乌拉力克组烃源岩TOC含量偏低，但是具有一定的生烃能力，也属于有效烃源岩［4］。
乌拉力克组泥页岩脆性矿物含量高［9］，有效储集空间以无机孔为主［49］且厚度大，在天环坳陷内连续分布［50］，可以作为良好的储集层［51］。
鄂尔多斯盆地西部经历了多次构造运动，相对于中东部地区构造更加复杂［52-54］。西缘挠褶带断裂发育，有利于油气充注运移。在断裂发育区，顺层岩溶缝洞输导体系为主要运移通道。部分地区因地层抬升产生的古剥蚀区直接与上古生界煤系地层接触，上古生界煤系地层也可直接作为供烃窗口为下古生界储层供烃（图8）［55-56］。早白垩世是油气藏形成的主要时期，也是奥陶系天然气成藏的关键时刻，运移的动力为生烃时的异常高压［57］。
图8 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系天然气运移成藏示意（据文献［55］修改）

Fig.8 Sketch map of natural gas migration and accumulation of the Ordovician in the western margin of the Ordos Basin （modified from Ref.［55］）

总体来说，在构造作用强烈，保存条件不同的地区存在不同程度上古生界煤型气的混入，与下古生界海相天然气混合成藏，运移通道为奥陶系顶部的不整合面或断裂。而在天环坳陷中北部存在的构造环境稳定区域中［10］，乌拉力克组页岩自生的天然气可以得到有效原地保存，形成自生自储的海相页岩气藏，如ZP1井。

5 结论

（1） 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系乌拉力克组天然气以烷烃气体为主，显示为干气特征，非烃以N2和CO2为主，烷烃碳同位素组成存在局部倒转现象，甲烷氢同位素主体低于-180‰。
（2） 乌拉力克组天然气乙烷含量随着乙烷碳同位素组成变重而增大，且该地区没有发生TSR等次生改造作用的条件。结合其碳同位素组成特征认为，乌拉力克组天然气存在油型气与煤型气的混合，不同区域油型气和煤型气混合比例不同。
（3） 乌拉力克组天然气具有上古生界煤系烃源岩和乌拉力克组海相烃源岩的双重贡献。上古生界生烃能力强，生成的天然气在异常高压驱动下，通过断裂和直接接触面运移至乌拉力克组成藏；乌拉力克组具有一定生烃能力和良好的储集能力，形成新生古储、自生自储2种成藏组合。

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