鄂尔多斯盆地为我国第二大含油气盆地，面积37×10⁴km²，构造上隶属华北地台西部，是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显、多旋回沉积型的大型克拉通盆地(杨俊杰，2002；何自新，2003)。晚古生代，在下古生界古侵蚀面之上“广覆式”沉积了海陆过渡相的上古生界石炭-二叠系煤系烃源岩，为一套以腐殖型有机质为主的优质气源岩(长庆油田石油地质志编写组，1992；杨俊杰和裴锡古，1996；张文正和关德师，1997；戴金星等，2003)，发育于气源岩之间及其以上的大面积叠置分布的河道砂体、三角洲平原分流河道砂体、三角洲前缘水下分流河道砂体等是其主要的储集岩。早白垩世，该盆地存在一期构造热事件，主要发生在140~100Ma，持续时间约10~40Ma(任战利等，2007)。晚白垩世及其以后，盆地开始整体抬升，形成了西翼窄陡、东翼宽缓的向斜盆地，盆地主体为坡降一般为3~6m/km的宽缓大单斜(付金华，2004；杨华等，2005)。在北高南低的稳定、平缓的构造背景下，鄂尔多斯盆地中北部形成了大面积普遍含气的天然气分布格局，在上古生界地层发现苏里格气田、榆林气田、乌审旗气田、米脂气田、神木气田、大牛地气田，从而使得鄂尔多斯盆地成为我国目前发现千亿立方米级以上大气田最多的盆地(戴金星，2009)，显示出很大的天然气勘探潜力。

苏里格大气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北部，勘探面积约4×10⁴km²，属于典型的上古生界低渗砂岩气田，其主力气层为二叠系下石盒子组盒8段和山西组山1段(何自新等，2003，付金华，2004；Yang et al.，2008)。通过整体勘探，探明了我国第一个超万亿立方米储量的整装大气田，探明天然气地质储量规模达2.85×10¹²m³(杨华等，2011)。近些年来，国内学者对该区天然气成藏做过许多研究工作(何自新等，2003；付锁堂等，2003；付金华，2004；杨华等，2004；戴金星等，2003，2007；赵文智等，2005；刘全有等，2007；付金华等，2008；Dai et al.，2005；Cai et al.，2005；Li et al.，2008；Yang et al.，2008)，认为该气田形成于河流-三角洲沉积体系，煤系烃源岩广泛发育、砂体大面积分布是其主要特征，源储交互或垂向叠置发育有利于天然气聚集成藏。但是，苏里格大气田成藏研究中仍然存在有待深入的问题，如对天然气成藏期次争议较大，对天然气充注成藏特征及成藏过程的研究不够等。

笔者拟在上述研究的基础上，进一步探讨苏里格大气田天然气地球化学特征及成因、储层流体包裹体特征、天然气成藏期次及成藏过程，有助于深化研究区天然气成藏的认识，也为我国大型低渗砂岩气田的成藏研究与勘探评价提供参考。

对上古生界主要产层65个气样的组分结果(表 1)的分析表明，烃类组分是苏里格大气田天然气中最主要的成分，烃类气含量为94%~99.9%，平均98.5%。甲烷含量占天然气组分的82.729%~98.407%，平均92.648%。在烃类气组成中，C₂⁺含量一般不超过5%，干燥系数范围为84.7%~98.8%，平均94.7%，反映了以“干气”为主、“湿气”为辅的特征。在平面上，气田各井区天然气组分比较相似，变化较小，暗示其来源和成藏过程的一致性。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 苏里格大气田上古生界主要产层天然气组分数据 Table 1 Components of natural gases from Upper Paleozoic main gas layers in Sulige gas field 天然气组分(%) 山西组 石盒子组 分布范围 平均值/样品数 分布范围 平均值/样品数 CH4 82.729~97.910 92.990/21 87.300~98.407 92.485/44 C2H6 0.890~10.952 3.505/21 1.231~7.859 4.191/44 C3H8 0.190~2.591 0.827/21 0.229~1.369 0.797/44 iC4 0.050~0.476 0.238/21 0.000~0.274 0.145/44 nC4 0.050~0.381 0.179/21 0.000~0.290 0.146/44 iC5 0.000~0.320 0.084/21 0.013~0.100 0.056/44 nC5 0.000~0.290 0.049/21 0.007~0.042 0.025/44 N2 0.000~3.600 1.086/21 0.000~3.560 1.116/44 CO2 0.000~3.310 0.927/21 0.000~2.870 0.868/44 C2+ 1.181~14.991 4.781/21 1.542~9.850 5.330/44 C1/Cn 84.700~98.800 95.100/21 90.000~98.500 94.500/44

表 1 苏里格大气田上古生界主要产层天然气组分数据 Table 1 Components of natural gases from Upper Paleozoic main gas layers in Sulige gas field

上古生界天然气中非烃组分主要为二氧化碳和氮气，绝大多数样品二氧化碳含量小于3%，氮气含量也较低，一般小于3%；氢气、氦气等组分的含量极低，一般小于0.1%，未检测到硫化氢。

统计结果表明，天然气的干燥系数在垂向上呈现出较为明显的变化趋势，下部气层组本溪组、太原组天然气的平均干燥系数要更高一些，分别为97.69%、97.15%；上部气层组(山西组、石盒子组、石千峰组)天然气的平均干燥系数相对低一些，分别为96.36%、95.87%和95.48%。下部气层组的干气比例明显高于上部气层组。这说明下部气层组已达到干气演化阶段。上古生界天然气干燥系数在平面上的变化与热演化程度之间也存在着较为密切的关系，热演化程度较低的地区，天然气的干燥系数相对较低，随着热演化程度的增高，天然气干燥系数增大。

苏里格大气田上古生界天然气碳同位素分析结果显示，绝大部分样品的甲烷及同系物具有相对富稳定同位素的煤成气特征，δ¹³C₁值主要分布于-36‰~-30‰，δ¹³C₂值主要分布于-26‰~-21‰，δ¹³C₃值主要分布于-26‰~-20‰，δ¹³C₄值为-24‰~-20‰(图 1)。

图 1

Fig. 1

图 1 苏里格气田上古生界天然气C1-C4碳同位素分布直方图 Fig. 1 Distribution of C1-C4 carbon isotope of Upper Paleozoic natural gas in Sulige gas field

对苏里格大气田石炭-二叠系产层中的40个气样碳同位素值进行统计，结果列于表 2中。山西组气层中δ¹³C₁值范围为-36.45‰~-31.32‰，平均值为-33.66‰，δ¹³C₂值范围为-23.73‰~-22.00‰，平均值为-23.00‰。石盒子组气层中δ¹³C₁值范围为-35.00‰~-29.00‰，平均值为-32.72‰，δ¹³C₂值范围为-27.17‰~-21.88‰，平均值为-23.94‰。值得一提的是，苏里格大气田天然气组分碳同位素值总体上表现出δ¹³C₁<δ¹³C₃<δ¹³C₂<δ¹³C₄，天然气存在乙烷和丙烷碳同位素倒转现象，可能主要与由煤系不同源天然气或同源不同期煤成气混合的结果(Dai et al.，2005；刘全有等，2007)。在平面上，苏里格气田天然气δ¹³C₁值总体上变化较小。以苏里格主体的桃6井最重，δ¹³C₁值为-29‰，由南往北东和西北方向，δ¹³C₁值变轻，可达-35‰左右，可能是由于煤系烃源岩热演化程度降低的缘故。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 苏里格气田主要产层天然气组分碳同位素对比 Table 2 Carbon isotope contrast of natural gas from main layers in Sulige gas field 天然气碳同位素(‰) 山西组 石盒子组 分布范围 平均值/样品数 分布范围 平均值/样品数 δ13C1 -36.45~-31.32 -33.66/6 -35.00~-29.00 -32.72/34 δ13C2 -23.73~-22.00 -23.00/6 -27.17~-21.88 -23.94/34 δ13C3 -24.90~-20.70 -23.07/6 -27.00~-22.05 -24.42/34 δ13C4 -23.60~-21.63 -22.58/6 -25.70~-21.64 -23.45/34

表 2 苏里格气田主要产层天然气组分碳同位素对比 Table 2 Carbon isotope contrast of natural gas from main layers in Sulige gas field

同样，苏里格气田天然气δ¹³C₂值变化较小，分布范围为-26‰~-21‰，大部分分布在-25‰~-22‰。在平面分布上，苏里格气田南部陕56井及北部苏25井区δ¹³C₂值>-23‰，苏里格气田中部苏20井和陕231井区的δ¹³C₂值<-24‰。

苏里格气田上古生界天然气中甲烷、乙烷氢同位素值分别为-190‰~-182‰、-169‰~-156‰，说明生成天然气的源岩形成于淡水-半咸水环境。

根据上述甲烷、乙烷碳同位素数据，换算了苏里格气田上古生界天然气成熟度，其Ro值主要分布在1.2%~2.3%之间，为高成熟度气。总体上，苏里格主体的南部天然气成熟度较高，北部的天然气成熟度较低，这与烃源岩成熟度Ro的变化趋势较为一致，暗示苏里格气田天然气近源聚集特征。从南到北、从西到东的2条剖面也表明，苏里格气田范围内，天然气组分和碳同位素组成变化较小。特别是苏里格气田天然气δ¹³C₁值与烃源岩镜质体反射率Ro之间具有较好的正相关性，反映了天然气碳同位素组成与气源岩热演化程度之间存在较密切的关系。

根据δ¹³C₁与CH₄含量关系图版、δ¹³C₁-δ¹³C₂ -δ¹³C₃关系图版、δ¹³C₁与δ¹³C₂差值法图版，可以用于分析苏里格气田上古生界天然气成因类型。图 2是δ¹³C₁-δ¹³C₂-δ¹³C₃不同有机成因烷烃气鉴别图，可以看出，苏里格气田天然气主要属于煤成气。

图 2

Fig. 2

图 2 苏里格气田天然气δ13C1-δ13C2-δ13C3鉴别图 Fig. 2 Discrimination diagram of δ13C1-δ13C2-δ13C3 of natural gas in Sulige gas field

本次研究选取苏16、苏18、苏2、鄂8、鄂9、鄂11、苏112等50余口井上古生界山1段、盒8段储层砂岩130多个样品进行流体包裹体镜下观察和分析。苏里格气田上古生界砂岩储层中发育丰富的不同类型流体包裹体，包括盐水包裹体、气态烃包裹体、液态烃包裹体、含烃盐水包裹体、CO₂包裹体和气液烃包裹体，主要分布在石英次生加大边、微裂隙及胶结物中，为椭圆形、次棱角形、长条形、负晶形及不规则多边形，呈带状、线状、孤立、零星或成群分布。包裹体大小不一，一般介于3~15μm之间，绝大多数小于8μm，最大可达25μm。大多数包裹体不发荧光，在苏里格西区的鄂8、鄂11井发现有个别包裹体发黄色荧光；苏里格东区的召56、召39井有少量包裹体发蓝白色和亮黄色荧光；在苏里格南区的莲1井有少量包裹体发亮白色荧光。表明这些包裹体中的石油成熟度较高，多为轻质油和凝析油。

对130多块样品包裹体均一温度测定表明(图 3)，苏里格气田上古生界砂岩储层样品中包裹体盐水均一温度分布范围宽，显示连续的单峰形态，主要分布在80~180℃，主峰温度值为100~145℃，反映天然气可能是连续充注过程，大量天然气主要是一期成藏的。

图 3

Fig. 3

图 3 苏里格气田上古生界储层盐水包裹体均一温度分布 Fig. 3 Distribution of homogenization temperature of aqueous inclusions from Upper Paleozoic reservoirs in Sulige gas field

从平面分布看，苏里格气田范围内，包裹体均一温度具有东区高于西区、南区高于主体区的特点，如主体区和西区一般小于110℃，南区一般大于115℃，总体上有从东南向西北均一温度逐渐减小的趋势。

根据苏里格气田上古生界砂岩储层中包裹体均一温度分布图(图 3)，结合沉积埋藏史和古地温史(图 4)，本次研究推算了苏里格气田天然气的主要充注成藏时间，为距今150~90Ma，即晚侏罗世-早白垩世。

图 4

Fig. 4

图 4 苏里格气田天然气成藏期分析 Fig. 4 Analysis of accumulation time of natural gas in Sulige gas field

近年来，应用含油包裹体丰度(GOI)或含烃包裹体丰度数据，对于了解储层含油气性和分析油气充注特征发挥了重要作用(Liu and Eadington，2005；李贤庆等，2011)。

苏里格气田上古生界储层流体包裹体中含烃包裹体丰度值普遍不太高，大多数样品含烃包裹体丰度值的分布范围为1%~5%，也有个别样品的含烃包裹体丰度值较高，达到10%~12%，可能反映成藏时烃类充注强度和储层物性差异。由图 5可以看出，无论从南北向样品，还是从东西向样品，苏里格气田含烃包裹体丰度值表现出差异性，苏里格西区及南区样品含烃包裹体丰度较低，苏里格主体区含烃包裹体丰度较高；在东西向上，含烃包裹体丰度差别相对较小。

图 5

Fig. 5

图 5 苏里格及周缘地区上古生界储层样品中含烃包裹体丰度分布图 Fig. 5 The abundance distribution of hydrocarbon-bearing inclusions from Upper Paleozoic reservoirs in Sulige and near region

颗粒荧光定量分析(QGF)，是澳大利亚CSIRO石油资源部研发的新技术，是用三维激发—发射荧光、荧光强度反映储层颗粒吸附烃指纹特征的技术，可以为油气充注成藏研究提供新的信息(Liu and Eadington，2005；李贤庆等，2011)。

本次研究对苏里格气田上古生界33个储层岩样进行了QGF分析，其QGF比值与QGF指数的关系见图 6。从分析结果来看，苏里格地区不同井区中烃类流体充注情况存在一定的差异：苏6、苏9井样品的QGF强度较高，多为4~10pc；苏27井和鄂9井样品的QGF强度次之，为3~8pc；鄂8、鄂11、苏26、苏28、胜1、召8井样品的QGF强度较低，多小于4pc。从图 6中比较来看，苏里格主体区和东区样品的QGF比值、QGF指数要明显高于苏里格西区样品，可能反映出苏里格主体区和东区发生的油气充注要强于苏里格西区，这与含烃包裹体丰度结果一致。

图 6

Fig. 6

图 6 苏里格地区储层样品QGF比值与QGF指数的关系图 Fig. 6 Relationship between QGF ratio and QGF index of reservoir samples in Sulige region

苏里格气田上古生界储层中单个包裹体的激光拉曼分析结果见图 7。可以看出，该区包裹体成分复杂，类型多样，包括低饱和烃类包裹体、沥青质烃类包裹体、饱和烃包裹体、CH₄包裹体、CO₂包裹体、纯盐水包裹体。

图 7

Fig. 7

图 7 苏里格气田上古生界储层单个包裹体成分的激光拉曼分析 Fig. 7 The laser Raman analysis of single inclusion from Upper Paleozoic reservoir in Sulige gas field

低饱和烃类包裹体(图 7a)：主要为轻质油和凝析油包裹体，透光下包裹体的颜色呈淡黄色、透明无色；在紫外光激发下，显示蓝白色、蓝色荧光。包裹体大小在2~5μm，气液比在10%~20%，拉曼光谱谱线有明显的鼓包，主要赋存于早期次生加大边和石英微裂隙中。

CH₄包裹体(图 7b)：主要为气液两相包裹体，气相主要为CH₄或含有少量CO₂，液相主要为盐水，气液比为20%~40%。在透光下呈灰色或者深灰色，在紫外光激发下不显荧光或显弱荧光。该类包裹体主要发育于石英次生加大边后期，沿石英颗粒中的微裂隙呈线状或带状分布。

CO₂包裹体(图 7c)：主要有纯CO₂包裹体和以CO₂为主，并含有少量CH₄、N₂、水蒸气，其拉曼特征为在谱图拉曼位移1281cm^-1、1385cm^-1处有明显峰。纯CO₂包裹体较大，平均直径为10~15μm。透光下，CO₂包裹体多呈灰黑色不透明，部分透明。主要赋存于早期石英次生加大边及石英微裂隙中，含甲烷或含烃的CO₂包裹体多为次生包裹体。

沥青质烃类包裹体(图 7d)：主要由固体沥青和含烃的水组成，包裹体呈灰黑色，因包裹体壁上沥青覆盖层厚、薄程度不同，而出现颜色深浅不均和荧光强弱差别现象，在缺乏沥青覆盖的地方呈淡黄色或者透明无色，主要赋存于石英裂隙和胶结物中。

饱和烃包裹体(图 7e)：液相主要为盐水组成，水中含有少量亚甲基饱和烷烃，包裹体呈灰色或者透明，在紫外光激发下多无荧光，分布于石英颗粒微裂隙中。

盐水包裹体：上古生界储层中包裹体多为盐水包裹体，透光下多透明无色，紫外光激发下没有荧光。包裹体大小多在5~10μm，有纯液相的盐水包裹体，多为气液两相的盐水包裹体，气相多为水蒸气，激光拉曼光谱谱图有明显的水峰鼓包。

分析表明，含甲烷的气体包裹体和烃类包裹体在苏里格气田上古生界储层中都有发现，含甲烷烃类包裹体占31.6%，含烃包裹体占56%。可见，该区储层流体包裹体中烃类包裹体较多，烃类包裹体中多为含甲烷包裹体。比较而言，苏里格主体和东区包裹体含烃包裹体较多，而苏里格西区和南区的烃类包裹体较少。

研究表明(戴金星等，2003；刘全有等，2007；Dai et al.，2005；Cai et al.，2005；Li et al.，2008；Yang et al.，2008)，上古生界石炭-二叠系煤系烃源岩是苏里格大气田的主力气源岩，其中煤岩是气源主要贡献者。因此，采用限定体系黄金管高温高压生烃动力学技术，对鄂尔多斯盆地上古生界山西组煤样(Ro=0.60%)进行了生气热模拟实验研究(图 8)。结果表明，上古生界煤样具有高的产气量，表现出良好的产气性，以2℃/h速率为例，热解温度升至600℃时，甲烷累积产率为167mL/g。该煤样也可生成一定数量的C₂-C₅气态烃，热解温度440~490℃时，C₂-C₅气态烃产率达11mL/g。该煤样产气率与热解温度、升温速率相关，随着模拟温度的升高，甲烷累积产率增加，并且在2℃/h升温速率条件下，甲烷累积产率的增加大于20℃/h升温速率。C₂-C₅气态烃和甲烷的生烃过程具有明显不同的特征，C₂-C₅气态烃产率在440~490℃时达到最大值，随后产率逐渐下降。随着热模拟温度的升高，乙烷、丙烷和C₄-C₅气态烃产率也是先增大后减小。

图 8

Fig. 8

图 8 上古生界煤样生气热模拟实验结果(气体产率和碳同位素) Fig. 8 The pyrolysis results of gas generation from an Upper Paleozoic coal sample(gas yields and carbon isotope)

上古生界煤样热解气中甲烷碳同位素分布在-38‰~-30‰，乙烷碳同位素分别为-29‰~-17‰(图 8)。甲烷、乙烷的碳同位素值均与热解温度、升温速率密切相关。在热解温度小于410℃时，快速(20℃/h)条件下甲烷碳同位素要比慢速(20℃/h)重约1‰~2‰左右；热解温度大于410℃之后，快速(20℃/h)甲烷碳同位素反而比慢速(2℃/h)轻，约轻1‰~3‰左右。同一样品同一升温速率且在同一温度点，热解气总体上显示出δ¹³C₁<δ¹³C₂的特征。

随着热解温度的升高(或热演化程度的增高)，甲烷碳同位素值先逐渐降低，后随热解温度的进一步升高又逐渐增大，样品的转折点(也就是最低值)出现在热模拟温度400~430℃左右。在热解温度410℃之后，热解气δ¹³C₁与热解温度之间基本上呈现较好的相关性。不论是20℃/h的升温速率，还是2℃/h的升温速率，随着热解温度的升高，δ¹³C₂值均逐渐增大。

应用美国Lawrence Livermore国家实验室的Kinetics软件，进行动力学模拟计算，获得了该煤样生成甲烷的拟合结果及动力学参数(图 9)。可见，该煤样生成甲烷产率的动力学模拟结果与热模拟实验结果十分吻合，表明热模拟实验数据及获取的生气动力学参数可以外推应用到地质条件中。

图 9

Fig. 9

图 9 上古生界煤样生成甲烷的动力学参数 Fig. 9 The methane kinetic parameter of the Upper Paleozoic coal sample

结合沉积埋藏史、古热史，应用上述的动力学参数，模拟计算了不同井区烃源岩的生气史。苏里格地区煤系烃源岩生烃作用时间早，主力烃源岩生气门限出现在距今145Ma，主生气峰出现在距今140~90Ma；不同井烃源岩生成气体转化率和甲烷产率有一定的差异。

从上古生界天然气成藏地质分析，苏里格气田可能存在不同的气源区：如天环坳陷北部生气中心、南部生气中心和苏里格地区自身烃源岩分布区。本次研究运用碳同位素动力学方法，模拟计算了这3个气源区烃源岩生成天然气的甲烷碳同位素演化，见图 10。模拟结果显示：①天环坳陷生气中心烃源岩已进入生气高峰期，生成的累积甲烷碳同位素δ¹³C₁为-36.5‰~-33.5‰，明显比苏里格气田主体天然气甲烷碳同位素值(多数δ¹³C₁=-34‰~-30‰)轻，显然不是苏里格气田的主力气源岩。②南部生气中心烃源岩已为过成熟，生成的累积甲烷碳同位素δ¹³C₁为-28.5‰~-20‰，明显偏高，与苏里格气田主体天然气δ¹³C₁特征不同，说明南部生气中心烃源岩对苏里格气田贡献较小。③苏里格气田自身烃源岩已进入高成熟阶段，生成的累积甲烷碳同位素为-34‰~-27.5‰，这与苏里格气田天然气主体碳同位素比较吻合，说明苏里格气田气源区主要应为其自身上古生界烃源岩分布区，为累积聚气。因此，苏里格气田天然气主要来源苏里格地区及周缘的石炭-二叠系煤系源岩，主要为近源充注、累积聚气成藏。

图 10

Fig. 10

图 10 不同气源区烃源岩生成甲烷的碳同位素动力学模拟结果 Fig. 10 The modelling results of methane carbon isotope kinetics generated by source rocks from different sources

(1) 苏里格大气田上古生界天然气以干气为主、湿气为辅，甲烷含量高(82.729%~98.407%，平均92.648%)，干燥系数大(84.7%~98.8%，平均94.7%)，δ¹³C₁值为-36‰~-30‰，δ¹³C₂值为-26‰~-21‰，属于高成熟度的煤成气；气田范围内各井区天然气组分和碳同位素特征变化较小，反映其来源和成藏过程的一致性。

(2) 苏里格大气田上古生界储层流体包裹体类型丰富，包括盐水包裹体、气体包裹体、液态烃包裹体和CO₂包裹体等，主要产于石英次生加大边、微裂隙及胶结物中；上古生界砂岩储层样品含烃包裹体丰度不高(多为1%~5%)，QGF强度较低(1~10pc)，苏里格主体样品含烃包裹体丰度要高于苏里格北部和西部样品。

(3) 苏里格大气田上古生界储层流体包裹体均一温度分布呈连续的单峰态，分布范围为80~180℃，主峰温度为100~145℃，反映苏里格大气田天然气充注可能是一个连续的过程，主要经历了一期成藏。结合沉积埋藏史和古热史，天然气大量充注成藏期为晚侏罗世-早白垩世。

(4) 通过生气动力学与碳同位素动力学的研究表明，苏里格大气田天然气主要来源于苏里格地区及周缘的石炭-二叠系煤系烃源岩，属于近源充注、累积聚气成藏。