鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，其古生界蕴藏丰富的天然气资源。目前在该盆地古生界探明储量1000×10⁸m³以上大气田有苏里格、靖边、大牛地、榆林、子洲和乌审旗6个气田，探明储量在300~1000×10⁸m³气田有神木和米脂2个气田(图 1)。鄂尔多斯盆地有上古生界和下古生界有两套含气系统，上述8个气田除靖边气田主要发育在下古生界奥陶系风化壳外，其它气田都主要发育在上古生界石炭-二叠煤系砂岩中。

目前，关于鄂尔多斯盆地上古生界天然气的成因国内外学者一致认为是煤成气，气源为已达高-过成熟的上古生界海-陆交互相煤系气源岩(陈安定，1994，2002；Dai et al.，1989，1993，2005；Zhu et al.，2007)。对靖边气田(下古生界)的气源虽然经过近三十多年的研究，但仍存在以上古生界煤成气为主和以下古生界海相油型气为主的争论(陈安定，1994，2002； Dai et al.，1989，1993，2005; Guan et al.，1993; 黄第藩等，1996)。

总结前人关于靖边气田天然气成因的研究成果，持煤成气观点的学者一般采用的气体地球化学参数是甲烷碳同位素值，而持油型气观点的学者采用的气体地球化学参数主要是乙烷碳同位素。持煤成气观点的学者认为靖边气田主要是上古生界源岩生成的天然气倒灌或侧向运移，在奥陶系风化壳聚集成藏。其主要证据有：(1)下古生界有机碳含量都比较低(一般TOC＜0.5%)，不可能大规模成藏；(2)奥陶系风化壳天然气δ¹³C₁=-33.83‰，具有煤成气的特征(徐永昌，1994；夏新宇等，1998; 夏新宇，2000；张文正等，1992)。持下古生界气源观点学者则认为：(1)下古生界源岩成熟度非常高，可以生成δ¹³C₁=-33.83‰的天然气；(2)虽然下古生界天然气乙烷碳同位素变化比较大，但大部分天然气中乙烷的碳同位素显著偏轻，乙烷碳同位素的平均值δ¹³C₂=-30.04‰，表现出油型气特征(黄第藩等，1996)。

根据戴金星(1993)的研究成果煤成气的甲烷碳同位素的分布范围为-10‰~-43‰，而海相碳酸盐岩生成的油型气甲烷碳同位素的分布范围为-30‰~-55‰，而且天然气的碳同位素随着源岩成熟度的升高而变重(Dai et al.，1989，1993)。由于上古生界煤系与下古生界海相源岩都已达到高、过成熟阶段，来源于上、下古生界源岩的天然气的碳同位素可能存在重叠。

天然气成藏以后，由于受气洗、水洗、散失、混合等各种后生作用的影响，其地球化学性质与原始气体相比可能会发生很大的变化(Zhang et al.，2007；Zhu et al.，2005a，b)。这时，仅凭目前气藏中天然气的地球化学信息来判断天然气的成因是很不可靠的。对于靖边气田来说，关于其天然气的成因不管是持哪一种观点，几乎所有的学者都承认上、下古生界天然气存在混合现象，只不过两类观点争论的焦点是以煤成气为主，还是以油型气为主？正是由于这些后生作用，使靖边气田天然气地球化学性质更加复杂，采用气藏中气体不同的地球化学参数来探讨天然气的成因，可能会得到截然相反的结论。

包裹体是成岩矿物在形成过程中捕获的、至今仍保留在成岩矿物中的流体介质包裹物。天然气在运移及成藏过程会随着流体介质被成岩矿物所捕获，形成包裹体。包裹体是一个封闭体系，只要不发生破裂，其中所包含的气体地球化学信息能准确反映地天然气的原始性质。因此，包裹体中流体地球化学性质地研究被广泛地应用于油气源对比研究(George et al.，1997，1998; Mi et al.，2005，2007; 陈孟晋和胡国艺，2002；胡国艺等，2005)；源岩模拟生成气体地球化学性质从另一个方面也可以揭示源岩在地质条件下生成气体的原始地球化学特征，源岩生气模拟也被广泛应用于气源对比和气体成藏研究(帅燕华等，2003；Fu et al.，2003)。把上述两种方法结合起来，对于天然气源研究就更有意义。

本文欲通过对上、下古生界包裹体中天然气地球化学特征的分析，结合模拟实验结果及与实际气体地球化学性质的对比，判定甲烷与乙烷碳同位素哪一个更适宜作为判别鄂尔多斯盆地下古生界天然气来源的地球化学指标，在此基础上来确定中部气田的主要来源。

1 包裹体样品选择

对于上古生界天然气来说，由于气源认识不存在争议，对于任意一个上古生界气藏储层中的包裹体均可以进行分析。而对于下古生界气藏而言，所选样品必须能满足包裹体内所包含的气体来源于下古生界源岩。本次研究的包裹体样品均选自盆地中、东部(图 1)，其中上古生界样品为砂岩，进行包裹体分析的矿物颗粒为石英；下古生界样品为榆9井和龙探1井马家沟组盐下马五段的白云质石膏盐中的方解石脉。由于其上100多米厚盐岩具有很强的封闭能力，从地质角度上能确定两个样品包裹体中的天然气来源于奥陶系。表 1是本次进行包裹体研究样品的基本特征。

2 实验分析 2.1 包裹体研究 2.1.1 包裹体的镜下特征

上古生界天然气藏包裹体主要发育在石英微裂缝和石英次生加大边中，主要为气液两相流体包裹体和气体包裹体，盆地东北部个别井中可以见到荧光包裹体，但本次研究的样品中未见到荧光包裹体。

下古生界碳酸盐岩方解石中的包裹体主要为气液两相流体包裹体和气体包裹体，未见荧光包裹体，包裹体一般呈串珠状分布在方解石的微裂缝中(图 2)。在榆9样品中常可见到包裹体与黑色沥青共生。

表 2是相关样品中包裹体的均一温度。相比较下古生界的两个样品，龙探1井包裹体的均一温度较低，说明其形成时间比较早；而上古生界样品包裹体的均一温度比较接近，说明天然气的成藏时间也比较一致。

2.1.2 包裹体气体地球化学特征分析方法

包裹体中气体地球化学性质的分析方法和步骤如下：

(1) 样品前处理：对于上古生界的砂岩样品，首先根据矿物颗粒大小把样品粉碎至相应大小。先用比重液法初步分选出石英颗粒，然后手选出纯净的石英颗粒，使其纯度达95%以上；对于下古生界样品，先从岩心上凿下方解石脉，再把方解石脉粉碎止80目左右；最后把处理好的样品放在可抽真空的烘箱中，80℃抽真空条件下烘干24h，以去处颗粒表面和方解石裂缝中的吸附气。

(2) 包裹体破碎：取出15~20g处理好的样品(根据矿物中包裹体发育程度)，放入压碎容器中(图 3)，再对压碎容器抽真空，以减小空气对包裹体成分的影响；把装有样品压碎器包装好后整体放入碎样机中，将压碎器在碎样机中固定好后，震荡10min使颗粒中的包裹体完全破碎。

(3) 包裹体中气体性质分析：包裹体中气体成分分析在Agilent公司与Wasson合作生产炼厂气微量气相色谱仪上进行，Poraplot Q型色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)，氦气作载气。升温程序如下：初始温度30℃，恒温5min，再以15℃/min的速率升至180℃，恒温15min。该系统分析误差在1%范围内。气体单体烃稳定碳同位素分析采用IsochromⅡ型GC-IRMS同位素质谱仪，PoraplotQ型色谱柱，氦气作载气。升温程序：初始温度50℃，恒温3min，再以15℃/min的速率升至150℃，恒温8min。每种气体碳同位素均分析两次，两次分析误差在0.5‰以内。

2.2 包裹体气体地球化学性质

表 3是包裹体中气体组成以及甲烷与乙烷的碳同位素。从气体组成方面来看，不同井上古生界样品包裹体中天然气组成比较接近，与上古生界气藏中气体成分也基本一致；而不同井上古生界样品包裹体天然气碳同位素差异比较大。这主要是由于鄂尔多斯盆地上古生界储层属河流沉积，砂体变化大，储层为低渗透致密砂岩，不同砂体之间连通性比较差。相距比较近的两个井可能属于不同的气藏。不同样品中包裹体地球化学性质的差异，与不同气藏的成藏过程有关。

表 4是榆47井山西组储层中气体与包裹体中有机气体成分比较，对比结果表明：(1)气层天然气成分与包裹体中的烷烃气体成分非常接近，井中烷烃气体含量基本上就是两个包裹体中相应组分的平均值。(2)二者最大的区别就是包裹体成分中含有一定量的烯烃，而井中气体成分中不含烯烃。目前气层中不含烯烃的原因可能和烯烃气体在水中的溶解度相对较大有关.室温条件下，甲烷在水中的溶解度为2~5×10^-8g/cm³，乙烯在水中的溶解度为131×10^-6g/cm³。由于烯烃相对更易溶解于水中，且烯烃本身含量比较小，气体中少量的原始烯烃很容易被水全部带走(Mi et al.，2007)。

包裹体中的有机气体组成与气井中气体组成的相似性表明，后生作用对于鄂尔多斯盆地上古生界气藏的影响非常小的。这可能和鄂尔多斯盆地上古生界天然气藏储层致密有非常大的关系。

在本次研究的过程中，由于一些井中只采到岩芯样品，而未采集到相应层位的气体样品。对于部分井储层样品包裹体气体地球化学特征只能和附近井相同层位的天然气地球化学特征进行对比。表 5是两个不同区域内样品中包裹体气体碳同位素与相邻井中气体碳同位素比较。

通过以上比较可以发现：包裹体中气体成分和碳同位素与井中气体成分及碳同位素的基本一致性。包裹体与气藏中气体地球化学性质产生微小的差异其主要原因有两方面：(1)气井中的气体来自一个深度段，而包裹体样品来自一个深度点，鄂尔多斯盆地上古生界天然气藏的储层多为透镜状和条带状砂体，砂体之间的连通性比较差，在一个试气层段内可能包含着多个砂体，不同砂体成藏的先后不同，井中的气体为来源于不同砂体气体的混合物。(2)包裹体必须在水介质存在的存在下才能形成，当储层被气体饱和后，包裹体便不能形成。所以，包裹体中捕获的是源岩相对早期生成的气体，而气层中的气体是源岩各阶段生成气体的混合物。

上述结果说明上古生界天然气成藏后的气体次生变化不明显，目前气藏中气体能代表气藏中的原始气体。

对于下古生界来说，表 3中下古生界2个样品包裹体中气体地球化学性质相差比较大，龙探1井包裹体中的气体中重烃含量为25.49%，甲烷和乙烷的碳同位素都非常轻(δC₁=-39.5‰、δC₂=-35.5‰)，显示出原油伴生气特征；而榆9井包裹体中气体的碳同位素同样也比较轻(δC₁=-38.7‰、δC₂=-28.0‰)，但干燥系数达到99.14%，为典型的原油裂解气。这说明这2个样品包裹体中捕获的气体均为来源于奥陶系海相源岩不同阶段生成的气体。来源于2个样品包裹体中的气体具有共同的特征是δ¹³C₁<-38.7‰、δ¹³C₂<-28‰，这与Daiet al.(2005)认为δ¹³C₂<-28‰时为油型气的观点一致。

对于上述2样品包裹体中气体地球化学特征的差异与包裹体的形成过程有关。在天然气运移成藏的任意一个阶段，只要条件合适，包裹体均可以形成。我们所采到的龙探1井方解石脉样品深度为2990.3m，在气藏(2832~2837m)之下。该裂缝(未被方解石充填时)可能只是早期油气运移的通道，因此包裹体中只捕获了源岩早期形成的湿气。到了源岩高过成熟阶段，该裂缝已经被方解石充填堵死，该“裂缝”已经不能运移高过成熟阶段的天然气，裂缝包裹体中捕获的是源岩早期形成湿气。气藏中的天然气则是源岩不同阶段生成的天然气通过各种运移通道到达气藏中的累积气，因此包裹体与气藏中天然气的地球化学特征也有比较大的差别(表 4)。相比在榆9井奥陶系中所采到的方解石脉，它则可能是在源岩高过成熟阶段天然气的运移通道，因此包裹体中的气体重烃含量更低，气体碳同位素偏重。榆9井方解石脉中与包裹体共生着许多沥青(图 2d)，沥青为原油裂解的产物。包裹体共生的沥青从另一方面也证明包裹体中捕获的应该是原油裂解气。

龙探1奥陶系盐下马五₇白云岩储层获低产天然气，含气层段深度为2832~2837m。图 4是龙探1井含气层段上的岩性柱状图，该含气层段距风化壳顶部约有250m，且在含气层段之上直接封盖着厚达120m的岩盐(膏盐)层(马五₆)，岩盐具有很强的封闭能力，上古生界的天然气不可能穿过250m以上的地层(特别是120厚的盐层)倒灌于下古生界马五₇白云岩中。因此，在地质角度上，龙探1井马五₇储层中的天然气应属奥陶系原生天然气。

表 6是龙探1井奥陶系天然气的地球化学性质，天然气组分中总烃组分为99.267％，非烃组分含量极低，CO₂仅为0.067％，N₂仅为0.665％。低CO₂含量反映出气体受储层酸化改造的影响已很小。烃类组分中甲烷含量很高，达96.871％，C₂^＋重烃组分含量低，仅为2.396％，干燥系数大，应属典型的过成熟干气。但龙探1井天然气的地球化学性质本身存在着一定的矛盾。龙探1井马五₇天然气甲烷碳同位素值(δ¹³C₁=-39.26‰)很轻，上古生界源岩模拟生成甲烷碳同位素与目前上古生界发现的天然气甲烷碳同位素分析结果证明：上古生界高过成熟源岩不可能产生碳同位素如此之轻的甲烷(帅燕华等，2003；Fu et al.，2003)。所以，龙探1井马五₇段的天然气应该是来源于下古生界的油型气；而按照Daiet al.(2005)根据乙烷碳同位素对天然气成因的分类标准，当δ¹³C₂>-28‰时，天然气为煤成气，龙探1井盐下天然气应该是煤成气。

造成上述这样一个相互矛盾结论的原因什么？杨华等(2009)推测TSR作用导致了龙探1井天然气乙烷碳同位素偏重现象。下古生界天然气的另一个特点是气体干燥系数非常大(一般大于0.99)，Caiet al.(2008)曾利用利用硫酸盐岩热还原作用(TSR)来解释下古生界气藏中天然气干燥系数非常高的现象，在我国四川盆地飞仙关组天然气中也发现了TSR作用使天然气地球化学性质发生明显变化的现象(Zhu et al.，2005a，b; 朱光有等，2006; Zhang et al.，2007; Zhang et al.，2009)。

从整个龙探1井奥陶系天然气碳同位素的分布序列来看，甲烷至戊烷的碳同位素发生部分倒转(表 6)，说明龙探1井的天然气发生了一定程度的后生变化。笔者认为TSR反应可能不是气藏中乙烷碳同位素变重的原因，因为天然气组分中几乎不含TSR作用产物H₂S气体(Zhu et al.，2005a，b; 朱光有等，2006)。至于何种后生作用使龙探1井天然气发生了后生变化还需进一步研究。但有一点可以肯定，龙探1井的天然气发生了次生变化，天然气地球化学性质不能反映天然气的原始性质，乙烷碳同位素可能更不适宜作为判定上、下古生界来源天然气的标准。

2.3 源岩模拟实验

源岩生气模拟生成气体的分析具有即时性，源岩模拟生成气体更能反应源岩生成气体的原始本质，因此，源岩模拟生成气体地球化学特征分析也是气源对比一个非常重要的手段。

模拟实验一般要用低成熟的样品，鄂尔多斯盆地古生界(特别是下古生界)源岩成熟度普遍偏高，本次研究上古生界模拟样品为采自山西保德县成家庄煤矿山西组8^#煤(R_O=0.65%)，下古生界低成熟源岩未采集，下古生界模拟实验结果采用杨华等(2009)实验数据。源岩生气模拟实验采用黄金管体系，关于黄金管实验体系的模拟原理在许多文章中都有详细介绍，这里不再赘述。

表 7是上古生界与下古生界源岩模拟生成气体碳同位素的对比。从表 7可以看出：上古生界与下古生界源岩模拟生成气体碳同位素值有比较大的差别，相同温度点甲烷碳同位素相差10‰~2‰，乙烷碳同位素相差10‰~6‰；下古生界源岩模拟生成乙烷碳同位素均小于-28‰，而上古生界源岩模拟生成乙烷碳同位素基本大于-28‰。模拟实验的结果与包裹体中气体碳同位素分析结果一样，同样证明下古生界的天然气应该具有δ¹³C₁<-38.7‰、δ¹³C₂<-28‰的特征。

3 靖边气田气体来源探索

图 5、 图 6是靖边气田上下古生界气藏甲烷与乙烷碳同位素的分布图。从图中可以发现靖边气田上、下古生界天然气甲烷碳同位素分布重叠严重，而乙烷却分得比较开；这也是一些学者利用乙烷碳同位素区别上、下古生界来源，进而得到靖边气田天然气来源于下古生界源岩结论的原因。从分布形态上，甲烷碳同位素呈单峰的正态分布，说明其来源应该比较单一；而乙烷碳同位素为双峰分布，说明其可能有多种来源。

关于靖边气田的成因，不论是以煤成气为主论者还是以油型气为主论者都承认上、下古生界来源的天然气发生了混合作用。表 8是靖边气田奥陶系天然气的碳同位素，不少天然气碳同位素发生了倒转，说明混合作用或其它后生作用确实存在。因此，利用发生了不同混合作用的天然气碳同位素来确定其本身的成因是不可靠的。对表 8中天然气碳同位素值进行数据分析发现，天然气碳同位素变化比较大(特别是乙烷)，甲烷与乙烷碳同位素值的方差分别为3.88、57.51，乙烷碳同位素值方差更大。所以，乙烷碳同位素更不适合作为判断上、下古生界来源天然气的标准。

①涂建琪，黄第藩，陈建平. 2007. 鄂尔多斯盆地下古生界优质烃源岩形成条件与有利分布区评价研究报告

下古生界源岩模拟生成气体与下古生界样品包裹体中气体碳同位素的一致性(δ¹³C₁<-38‰、δ¹³C₂<-28‰)说明：包裹体中气体的地球化学特征能够代表来源于奥陶系来源天然气地球化学性质。奥陶系发现不少δ¹³C₁<-38‰天然气(表 9)，相比较，表 9中乙烷的碳同位素变化更大(10.35‰)其方差为11.19，不适宜作为判定上、下古生界来源天然气的标准；而甲烷的碳同位素变化则较小(1.63‰)其方差为0.34，更适宜作为判定下古生界来源天然气的标准。

表 9中甲烷碳同位素的平均值为-39.04‰，而靖边气田天然气中甲烷碳同位素的平均值为33.83‰，上古生界天然气中甲烷碳同位素的平均值为-32.90‰。从我们前期研究结果表明：上古生界天然气储层包裹体的气体与气藏中天然气的地球化学特征一致(Mi et al.，2007)说明天然气基本没有遭受后生作用的影响。因此，本次研究我们以目前上古生界天然气甲烷碳同位素的平均值(-32.90‰)作为该盆地煤成气甲烷碳同位素的端元值，以表 9中天然气甲烷碳同位素的平均值(-39.04‰)为下古生界来源天然气的标准，对靖边气田天然气的来源进行如下简单计算：

其中X为上古生界煤成气所占的比例

通过计算，X=84.9%。所以，靖边气田天然气中有84.9%的天然气来源于上古生界的煤成气。

4 结论

根据以上研究可以得到如下认识：

(1) 通过包裹体中气体、奥陶系源岩模拟生成气体以及实际气体地球化学特征的对比，认为来源与奥陶系源岩天然气的碳同位素特征为δ¹³C₁<-38‰、δ¹³C₂<-28‰。

(2) 下古生界包裹体中气体及下古生界源岩模拟生成气体与目前下古生界气藏中天然气地球化学性质对比结果表明：来源于下古生界源岩的天然气地球化学性质已经发生了很大的变化。这可能与上、下古生界不同来源天然气的混合作用及其它后生作用(TSR)有关。

(3) 下古生界天然气碳同位素值数据分析结果说明甲烷碳同位素更适合作为区别鄂尔多斯盆地上、下古生界来源天然气的标准。

(4) 以甲烷碳同位素为标准，通过计算表明：靖边气田天然气中大约有85%的天然气来源于上古生界的煤成气。

致谢 在岩心采样过程中得到了长庆油田公司勘探开发研究院包洪平高工的帮助，在此致以衷心地感谢！