石油勘探与开发 >

2024 , Vol. 51 >Issue 2: 273 - 284

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20230640

油气勘探

天然气运移轻烃地球化学示踪——以鄂尔多斯盆地东胜气田为例

  • 吴小奇 , 1, 2 ,
  • 倪春华 1, 2 ,
  • 马亮帮 1, 2 ,
  • 王付斌 3 ,
  • 贾会冲 4 ,
  • 王萍 1, 2
展开
  • 1 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
  • 2 中国石化油气成藏重点实验室，江苏无锡 214126
  • 3 中国石化华北油气分公司油气勘探管理部，郑州 450006
  • 4 中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，郑州 450006

吴小奇（1982-），男，江苏盐城人，博士，中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所高级工程师，主要从事油气成藏地球化学研究。地址：江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道2060号，无锡石油地质研究所，邮政编码：214126。E-mail:

Copy editor: 谷江锐

收稿日期: 2023-11-16

  修回日期: 2024-02-05

  网络出版日期: 2024-04-03

基金资助

国家自然科学基金项目(42172149)

国家自然科学基金项目(U2244209)

中国石油化工股份有限公司科技攻关项目(P23230)

中国石油化工股份有限公司科技攻关项目(P22132)

收起

Tracing of natural gas migration by light hydrocarbons: A case study of the Dongsheng gas field in the Ordos Basin, NW China

  • WU Xiaoqi , 1, 2 ,
  • NI Chunhua 1, 2 ,
  • MA Liangbang 1, 2 ,
  • WANG Fubin 3 ,
  • JIA Huichong 4 ,
  • WANG Ping 1, 2
Expand
  • 1 Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Wuxi 214126, China
  • 2 SINOPEC Key Laboratory of Hydrocarbon Accumulation, Wuxi 214126, China
  • 3 Department of Oil and Gas Exploration Management, SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China
  • 4 Research Institute of Exploration and Production, SINOPEC North China Company, Zhengzhou 450006, China

Received date: 2023-11-16

  Revised date: 2024-02-05

  Online published: 2024-04-03

Fold

摘要

基于天然气中轻烃化合物组成分析和区域性对比，结合组分和甲烷碳同位素组成特征，揭示轻烃地球化学特征对鄂尔多斯盆地东胜气田上古生界天然气运移和水溶及逸散等示踪作用，探讨运移作用对特定轻烃指标的关联效应。研究表明：①东胜气田二叠系下石盒子组天然气C5−7异构烷烃含量高于正构烷烃，C6−7轻烃组成呈链烷烃优势分布且芳香烃含量明显偏低（小于4.0%），C7轻烃主体呈甲基环己烷优势分布，整体表现出煤成气特征且受到了水溶等作用影响；②东胜气田天然气经历了自南向北的游离相运移，并在充注后发生不同程度的水溶作用，其中泊尔江海子断裂以北什股壕地区天然气在聚集后具有明显的散失；③长距离的游离相运移导致天然气C7轻烃中甲基环己烷相对含量和甲苯/正庚烷值降低、正庚烷/甲基环己烷值和庚烷值增大，水溶作用导致轻烃异庚烷值增大，天然气散失导致什股壕地区天然气中C5−7正构烷烃相对异构烷烃含量增加。

关键词： 鄂尔多斯盆地; 东胜气田; 二叠系下石盒子组; 轻烃化合物; 成熟度; 天然气成因; 运移相态; 散失作用

本文引用格式

吴小奇 , 倪春华 , 马亮帮 , 王付斌 , 贾会冲 , 王萍 . 天然气运移轻烃地球化学示踪——以鄂尔多斯盆地东胜气田为例[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(2) : 273 -284 . DOI: 10.11698/PED.20230640

Abstract

Based on the analysis of light hydrocarbon compositions of natural gas and regional comparison in combination with the chemical components and carbon isotopic compositions of methane, the indication of geochemical characteristics of light hydrocarbon on the migration features, dissolution and escape of natural gas from the Dongsheng gas field in the Ordos Basin is revealed, and the effect of migration on specific light hydrocarbon indexes is further discussed. The study indicates that, natural gas from the Lower Shihezi Formation (P1x) in the Dongsheng gas field displays higher iso-C5−7 contents than n-C5−7 contents, and the C6−7 light hydrocarbons are composed of paraffins with extremely low aromatic contents (<0.4%), whereas the C7 light hydrocarbons are dominated by methylcyclohexane, suggesting the characteristics of coal-derived gas with the influence by secondary alterations such as dissolution. The natural gas from the Dongsheng gas field has experienced free-phase migration from south to north and different degrees of dissolution after charging, and the gas in the Shiguhao area to the north of the Borjianghaizi fault has experienced apparent diffusion loss after accumulation. Long-distance migration in free phase results in the decrease of the relative contents of the methylcyclohexane in C7 light hydrocarbons and the toluene/n-heptane ratio, as well as the increase of the n-heptane/methylcyclohexane ratio and heptane values. The dissolution causes the increase of isoheptane values of the light hydrocarbons, whereas the diffusion loss of natural gas in the Shiguhao area results in the increase of n-C5−7 contents compared to the iso-C5−7 contents.

Key words： Ordos Basin; Dongsheng gas field; Permian Lower Shihezi Formation; light hydrocarbon compounds; maturity; natural gas origin; migration phase state; diffusion loss

0 引言

鄂尔多斯盆地是中国陆上重要的天然气产区之一，其中上古生界石炭系—二叠系是天然气勘探主要层系，发现了包括苏里格和大牛地等在内的多个探明储量超1 000×108 m3的大气田，主力气源为上古生界（石炭系太原组和二叠系山西组）煤系烃源岩[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓-8]。近年来，随着勘探领域向盆地周缘拓展，在北缘杭锦旗地区发现了东胜大气田，截至2021年6月底，探明天然气储量达到1 926.74×108 m3[9]。天然气主要富集于泊尔江海子断裂南、北两侧的独贵加汗地区和什股壕地区[9]。
东胜气田天然气成藏受泊尔江海子断裂的控制[10]。上古生界烃源岩在泊尔江海子断裂以南总体上厚度大、品质好、演化程度高，而断裂以北则与之相反[11-12]；天然气成因鉴别和气源对比揭示了东胜气田上古生界天然气为典型煤成气[13-14]，尽管有学者认为杭锦旗地区天然气未经历明显侧向运移[11]，但多数研究基于天然气组分和碳同位素组成分析认为，断裂以南天然气为近源垂向短距运移聚集，来自原地的石炭系太原组—二叠系山西组烃源岩，而断裂以北天然气则主要为远源成藏，由断裂以南十里加汗等地区经历了长距离垂向和侧向运移而来[10,13⇓⇓ -16]。目前该区天然气运移相态尚不明确，断裂两侧下石盒子组储层中均普遍含水[17]，天然气是以水溶相还是游离相发生运移、其聚集后是否经历了水溶、散失等次生改造作用仍然有待分析。
运移会使得天然气地球化学特征发生规律性变化，以往研究侧重于运移对天然气组分含量和碳同位素值的影响[18⇓-20]。轻烃化合物是天然气中重要的微量组分，其蕴含的丰富地球化学信息使得其在天然气成因鉴别、气源对比、成熟度判定、运移相态识别等方面发挥了重要作用[4,21⇓⇓⇓⇓⇓ -27]，而蒸发分馏、水溶等作用的影响也会使得一些轻烃参数发生规律性变化而在应用时需考虑其适用性[28⇓⇓⇓-32]。天然气轻烃地球化学特征在中国大中型天然气田气源对比、天然气次生改造、运移方向及相态识别等方面得到了广泛应用[4,24]。以往有关运移对轻烃的改造效应研究主要侧重于根据不同类型化合物在溶解度和极性的差异来判定运移相态[26,31]，而运移及次生改造过程对常用轻烃参数的影响、对常用轻烃指标和判识图版的适用性的影响等仍然有待明确。因此，本文拟以东胜气田泊尔江海子断裂两侧不同地区天然气为例，开展轻烃化合物组成分析，揭示轻烃地球化学特征对天然气成因、来源、运移特征及次生改造的启示，进而分析运移及次生改造作用对特定轻烃指标和判识图版的影响，以期揭示东胜气田天然气运移和成藏机理，进一步丰富和完善轻烃地球化学研究的内容和方法。

1 地质背景

东胜气田位于鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区，跨伊盟隆起、天环坳陷和伊陕斜坡3个一级构造单元（见图1a），总面积近10 000 km2。该区是盆地北部长期继承性古隆起，现今为南西低、北东高的单斜构造，是油气运移的有利指向区[33]。杭锦旗地区古生代构造沉积演化受三眼井、乌兰吉林庙和泊尔江海子3条主干断裂控制[12]（见图1b）。根据基底顶面起伏和构造形态，杭锦旗探区可以划分为新召西、新召东、独贵加汗、十里加汗、公卡汉、什股壕和阿镇等区带（见图1b），目前探明天然气储量主体位于独贵加汗地区（1 529.09×108 m3），在什股壕（162.87×108 m3）和新召东区带（234.78×108 m3）也有分布。东胜气田气水关系复杂，气水分异不明显[17]。东胜气田天然气主要富集于下二叠统下石盒子组（P1x）砂岩储层中，局部地区在下二叠统山西组（P1s）等层系砂岩储层中也有少量发现（见图2），储层物性整体以低孔低渗为主[34]。主力烃源岩为太原组（C3t）和山西组煤系（见图2），干酪根类型以Ⅲ型为主。
图1 鄂尔多斯盆地东胜气田位置（a）及研究区井位分布（b）（据文献[17]修改）
图2 东胜气田地层综合柱状图
泊尔江海子断裂两侧烃源岩的品质、热演化程度、分布特征均具有明显差异。断裂以南暗色泥岩有机质丰度主体达到中等烃源岩标准，Ro值普遍高于1.1%，处于成熟晚期—高成熟阶段，厚度主体为30~50 m；而断裂以北山西组暗色泥岩仅少数达到中等烃源岩标准，绝大多数为差烃源岩，Ro值普遍小于1.0%，以成熟早期为主，厚度主体为10~30 m。东胜气田区域盖层为上石盒子组（P1sh）和石千峰组（P2sh）泥岩（见图2），厚度为130~160 m，分布稳定[15]。

2 轻烃化合物和甲烷碳同位素组成

为了更好的揭示轻烃地球化学特征对天然气运移特征和次生改造的响应以及运移及次生改造作用对特定轻烃指标和判识图版的影响，采集东胜气田下石盒子组共30个天然气样品，分布于独贵加汗、什股壕南和什股壕北3个地区。天然气组分和轻烃化合物（C5−7）组成分析采用Agilent 6890N型气相色谱仪，具体分析流程参考胡国艺等[29]；甲烷碳同位素组成分析采用MAT-253稳定同位素质谱仪。相关测试均在中国石油化工股份有限公司（简称中国石化）油气成藏重点实验室进行，典型样品轻烃色谱图详见图3，测试结果详见表1。
图3 东胜气田下石盒子组天然气轻烃色谱图

1—2-甲基戊烷；2—3-甲基戊烷；3—正己烷；4—甲基环戊烷；5—苯；6—环己烷；7—2-甲基己烷；8—3-甲基己烷；9—正庚烷；10—甲基环己烷

表1 东胜气田下石盒子组天然气轻烃相对组成和甲烷碳同位素值
地区 井名 层位 C5−7相对组成/% C6−7相对组成/% C7相对组成/% 甲基环
己烷指数/%		 干燥系数 δ13C1/
‰
正构
烷烃		 异构
烷烃		 环烷烃 链烷烃 环烷烃 芳香烃 各类二甲基环戊烷 正庚烷 甲基
环己烷
独贵加汗地区 DS18 P1x 25.3 47.6 27.1 60.2 37.8 2.0 12.0 26.9 61.1 59.3 0.976 −32.1
DS19 P1x 27.4 44.3 28.3 56.2 41.5 2.3 16.2 25.2 58.6 57.2 0.965 −33.1
DS20 P1x 26.4 43.5 30.1 56.0 41.4 2.6 13.2 26.1 60.7 59.3 0.973 −32.3
DS21 P1x 29.9 40.4 29.7 57.6 42.4 0 11.4 28.8 59.8 59.8 0.973 −33.1
DS22 P1x 27.7 46.0 26.3 59.7 38.5 1.8 14.2 26.9 58.9 57.5 0.965 −32.4
DS23 P1x 29.5 38.8 31.7 56.0 40.9 3.1 13.7 27.0 59.3 58.2 0.961 −32.9
DS24 P1x 27.8 44.3 27.9 59.1 38.9 2.0 15.7 28.8 55.5 53.9 0.965 −32.7
DS25 P1x 31.4 44.3 24.3 62.7 36.3 1.0 15.5 30.4 54.1 52.9 0.953 −33.1
DS26 P1x 14.5 58.2 27.3 57.5 38.7 3.8 16.8 26.9 56.3 55.4 0.961 −33.1
DS27 P1x 30.2 43.3 26.5 59.2 39.6 1.2 16.8 27.4 55.8 54.8 0.955 −33.6
DS28 P1x 29.3 44.3 26.4 59.9 38.9 1.2 14.0 27.9 58.1 56.8 0.972 −32.9
DS29 P1x 29.2 45.2 25.6 62.1 36.4 1.5 12.5 30.5 57.0 55.5 0.975 −32.0
DS30 P1x 26.0 45.5 28.5 59.5 39.1 1.4 11.8 27.8 60.4 58.7 0.970 −32.3
什股壕南地区 DS11 P1x 40.3 51.3 8.4 78.4 21.6 0 12.2 40.6 47.2 45.5 0.930 −32.2
DS12 P1x 37.9 49.7 12.4 76.9 23.1 0 19.5 35.0 45.5 44.7 0.950 −32.2
DS13 P1x 32.4 41.6 26.0 59.2 39.2 1.6 13.2 29.2 57.6 56.5 0.946 −32.2
DS14 P1x 33.5 40.3 26.2 60.7 37.8 1.5 13.9 28.3 57.8 56.9 0.940 −32.3
DS15 P1x 32.5 42.1 25.4 59.6 39.2 1.2 14.6 28.9 56.5 55.6 0.933 −32.9
DS16 P1x 34.4 41.6 24.0 61.0 37.0 2.0 14.8 30.1 55.1 54.2 0.934 −32.6
DS17 P1x 30.4 40.2 29.4 54.1 44.3 1.6 13.9 24.5 61.6 60.7 0.946 −33.1
什股壕北地区 DS1 P1x 31.7 43.2 25.1 59.4 39.2 1.4 13.5 28.2 58.3 57.1 0.945 −32.1
DS2 P1x 32.7 42.6 24.7 60.5 39.0 0.5 15.2 27.1 57.7 56.8 0.935 −32.3
DS3 P1x 31.5 40.8 27.7 56.7 42.4 0.9 14.0 26.1 59.9 58.7 0.945 −32.0
DS4 P1x 33.6 44.5 21.9 64.0 35.5 0.5 15.6 30.4 54.0 53.1 0.946 −32.0
DS5 P1x 28.9 41.4 29.7 53.8 44.7 1.5 14.4 25.5 60.1 59.0 0.942 −31.9
DS6 P1x 32.1 41.2 26.7 60.0 39.3 0.7 14.9 28.3 56.8 55.7 0.934 −32.3
DS7 P1x 32.6 43.9 23.5 61.9 37.4 0.7 14.7 29.1 56.2 55.1 0.937 −32.2
DS8 P1x 33.3 42.4 24.3 60.4 38.6 1.0 17.8 28.4 53.8 52.8 0.946 −31.9
DS9 P1x 35.0 42.1 22.9 63.2 36.0 0.8 17.0 32.2 50.8 49.9 0.944 −32.6
DS10 P1x 35.1 43.4 21.5 64.9 34.7 0.4 15.7 38.4 45.9 44.7 0.924 −32.1

2.1 C5−7轻烃组成

东胜气田天然气C5−7轻烃化合物相对组成中，正构、异构和环烷烃含量在独贵加汗地区分别为14.5%~31.4%，38.8%~58.2%，24.3%~31.7%，在什股壕南部分别为30.4%~40.3%，40.2%~51.3%，8.4%~29.4%，在什股壕北部则分别为28.9%~35.1%，40.8%~44.5%，21.5%~29.7%（见表1）。不同地区下石盒子组天然气样品C5−7轻烃组成较为一致，异构烷烃相对正构烷烃均呈相对优势分布，且独贵加汗地区异构烷烃相对含量整体略高于什股壕南部和北部样品（见图4a）。
图4 东胜气田天然气C5−7轻烃相对组成三角图（a）和C7轻烃相对组成三角图（b）（底图据文献[35]修改）

2.2 C6−7轻烃组成

独贵加汗地区天然气C6−7轻烃化合物相对组成中，链烷烃、环烷烃和芳香烃含量分别为56.0%~62.7%，36.3%~42.4%，0~3.8%；什股壕南部天然气C6−7链烷烃、环烷烃和芳香烃含量分别为54.1%~78.4%，21.6%~44.3%，0~2.0%；什股壕北部天然气C6−7链烷烃、环烷烃和芳香烃含量分别为53.8%~64.9%，34.7%~44.7%，0.4%~1.5%（见表1）。不同地区天然气C6−7轻烃组成均表现出链烷烃优势分布，芳香烃含量明显偏低（小于4.0%），个别样品甚至未检出芳香烃（见图3b、表1）。

2.3 C7轻烃组成

天然气C7轻烃化合物组成中，各类二甲基环戊烷、正庚烷和甲基环己烷相对含量在独贵加汗地区分别为11.4%~16.8%，25.2%~30.5%，54.1%~61.1%，在什股壕南部分别为12.2%~19.5%，24.5%~40.6%，45.5%~61.6%，在什股壕北部则分别为13.5%~17.8%，25.5%~38.4%，45.9%~60.1%（见表1）。不同地区下石盒子组天然气主体均表现出甲基环己烷优势分布特征（见图4b），甲基环己烷指数[36]分别为52.9%~59.3%，44.7%~60.7%，44.7%~59.0%，普遍大于50%。

2.4 干燥系数和甲烷碳同位素组成

独贵加汗地区天然气干燥系数为0.953~0.976，平均值为0.967，为典型干气，而什股壕南部和北部天然气干燥系数明显略低且分布范围相当，二者分别为0.930~0.950和0.924~0.946，平均值均为0.940，主体为湿气（见表1、图5a）。独贵加汗、什股壕南部和北部地区δ13C1值分别为−33.6‰~−32.0‰，−33.1‰~−32.2‰，−32.6‰~−31.9‰（见表1、图5a、图5b），平均值分别为−32.7‰，−32.5‰，−32.1‰，分布范围较为一致。
图5 东胜气田天然气δ13C1值与C1/C1−5关系图（a）和δ13C1值与C1/C2−3关系图（b）（b图底图据文献[37-38]）

3 轻烃地球化学特征对烃源岩热演化程度和天然气来源的判识

3.1 烃源岩热演化程度

由于原油烷基化程度随热演化程度增大而升高，Thompson[22,39]提出利用庚烷值、异庚烷值参数来判断有机质成熟度。东胜气田独贵加汗、什股壕南部和什股壕北部下石盒子组天然气庚烷值分别为15.8%~18.2%，15.1%~25.3%，14.2%~22.7%，异庚烷值分别为2.15~3.82，2.17~2.99，1.97~2.73（见表2）。东胜气田天然气样品在庚烷值和异庚烷值相关图上主体表现出高成熟特征，少部分样品表现出成熟特征（见图6）。不同地区天然气庚烷值和异庚烷值特征整体较为一致，其中独贵加汗地区部分样品异庚烷值略高（大于3），而什股壕南部和北部有部分样品庚烷值偏高（大于20%）（见图6）。这些样品可能受到了运移、水溶等因素的影响，直接用于判识成熟度需谨慎。
表2 东胜气田天然气轻烃地球化学特征参数
地区 井名 层位 庚烷值/% 异庚烷值 2,4-DMP/2,3-DMP 烃源岩最大埋深温度/℃ Ben/nC6 Ben/CH nC7/MCH Tol/nC7 K1 K2
独贵加汗地区 DS18 P1x 16.2 3.82 0.648 133.5 0.096 0.126 0.440 0.107 1.12 0.49
DS19 P1x 16.0 2.15 0.754 135.8 0.101 0.159 0.430 0.124 1.12 0.34
DS20 P1x 16.1 2.82 0.665 133.9 0.134 0.165 0.429 0.115 1.12 0.39
DS21 P1x 17.9 2.52 0.678 134.2 0 0 0.481 0 1.12 0.30
DS22 P1x 16.3 2.82 0.680 134.2 0.070 0.103 0.457 0.103 1.13 0.42
DS23 P1x 16.2 2.66 0.671 134.0 0.098 0.132 0.456 0.194 1.13 0.37
DS24 P1x 17.4 2.70 0.827 137.2 0.082 0.133 0.518 0.104 1.11 0.36
DS25 P1x 18.2 2.65 0.785 136.4 0.033 0.063 0.564 0.051 1.12 0.33
DS26 P1x 15.8 2.25 0.789 136.4 0.134 0.211 0.476 0.232 1.11 0.32
DS27 P1x 16.9 2.16 0.786 136.4 0.033 0.059 0.491 0.078 1.12 0.30
DS28 P1x 17.1 2.71 0.701 134.7 0.041 0.066 0.480 0.072 1.13 0.37
DS29 P1x 18.2 3.51 0.738 135.4 0.065 0.105 0.535 0.055 1.12 0.39
DS30 P1x 17.1 3.56 0.658 133.7 0.067 0.089 0.461 0.067 1.12 0.44
什股壕南地区 DS11 P1x 25.3 2.76 1.020 140.3 0 0 0.862 0 1.06 0.39
DS12 P1x 20.2 2.99 0.926 138.8 0 0 0.771 0 1.14 0.38
DS13 P1x 17.8 2.70 0.674 134.1 0.038 0.062 0.507 0.103 1.12 0.33
DS14 P1x 18.2 2.66 0.684 134.3 0.025 0.063 0.489 0.120 1.13 0.32
DS15 P1x 17.4 2.41 0.717 135.0 0.033 0.054 0.511 0.070 1.12 0.31
DS16 P1x 17.7 2.47 0.758 135.9 0.058 0.100 0.545 0.111 1.12 0.33
DS17 P1x 15.1 2.17 0.673 134.1 0.043 0.055 0.397 0.113 1.12 0.30
什股壕北地区 DS1 P1x 17.7 2.57 0.706 134.8 0.051 0.089 0.485 0.071 1.12 0.31
DS2 P1x 16.2 2.36 0.716 135.0 0.013 0.022 0.469 0.032 1.11 0.33
DS3 P1x 16.3 2.28 0.701 134.7 0.025 0.036 0.436 0.066 1.11 0.31
DS4 P1x 17.8 2.61 0.744 135.6 0.018 0.034 0.563 0.024 1.14 0.32
DS5 P1x 14.2 2.06 0.770 136.1 0.065 0.060 0.423 0.075 1.10 0.31
DS6 P1x 17.3 2.45 0.718 135.0 0.024 0.042 0.498 0.038 1.12 0.31
DS7 P1x 17.6 2.53 0.735 135.4 0.025 0.046 0.518 0.035 1.12 0.32
DS8 P1x 17.4 1.97 0.796 136.6 0.041 0.076 0.528 0.042 1.11 0.30
DS9 P1x 19.5 2.18 0.779 136.3 0.030 0.064 0.632 0.031 1.11 0.32
DS10 P1x 22.7 2.73 0.645 133.4 0.012 0.024 0.837 0.015 1.13 0.34

注：CH—环乙烷；MCH—甲基环乙烷

图6 东胜气田天然气庚烷值和异庚烷值关系图（底图据文献[22]修改）
2,4-二甲基戊烷/2,3-二甲基戊烷（2,4-DMP/2,3- DMP）值不受盆地类型、干酪根类型、烃源岩时代等影响，因而被认为是较好的温度参数[40]，其与烃源岩最大埋深温度（T）的关系为T=140+15ln（2,4-DMP/ 2,3-DMP）[21]。东胜气田独贵加汗、什股壕南部和什股壕北部下石盒子组天然气样品的2,4-DMP/2,3-DMP值分别为0.648~0.827，0.673~1.020，0.645~0.796，计算所得烃源岩最大埋深温度分别为133.5~137.2，134.1~140.3，133.4~136.6 ℃（见表2），平均值分别为135.1，136.1，135.3 ℃。这表明东胜气田不同地区天然气形成温度基本一致。
在热模拟实验中随裂解温度升高，原油样品的Ben/nC6和Tol/nC7值逐渐增大[41]，表明其与热演化程度呈一定的正相关。东胜气田独贵加汗、什股壕南部、什股壕北部天然气样品Ben/nC6值分别为0~0.134，0~0.058，0.012~0.065，Tol/nC7值分别为0~0.232，0~0.120，0.015~0.075（见表2）。这两个比值整体偏低，分别小于0.2和0.3，且与δ13C1值之间均未表现出正相关性（见表1、表2），表明其受成熟度影响不明显，而是受水溶、运移等作用的影响。

3.2 天然气成因及来源

东胜气田不同地区下石盒子组天然气δ13C1值分布较为集中，为−33.6‰~−31.9‰，表现出典型热成因气的特征（见图5b）。这些样品在Bernard图上均沿Ⅲ型干酪根生成的天然气趋势分布（见图5b），表明其为典型煤成气。前人研究表明，东胜气田天然气乙烷碳同位素值（δ13C2）为−27.8‰~−23.3‰，甲烷氢同位素值（δD1）为−199‰~−172‰，表明其为典型煤成气[13]。
腐殖型和腐泥型有机质生成的油气在庚烷值和异庚烷值相关图上分别遵循芳香族和脂肪族曲线趋势[22,42]。东胜气田天然气在该图上均沿芳香族曲线分布（见图6），表现出煤成气轻烃特征。正构烷烃在腐泥型母质生成的轻烃组分中较为富集，而异构烷烃和芳香烃则在腐殖型母质生成的轻烃组分中相对富集[43]，因此可根据C5−7轻烃中正构、异构和环烷烃相对含量鉴别天然气的成因[44-45]。东胜气田不同地区天然气C5−7轻烃中异构烷烃含量均明显高于正构烷烃含量（见表1），与煤成气轻烃特征一致，但什股壕南部和北部天然气样品中异构烷烃相对含量（平均值分别为43.8%和42.6%）整体略低于独贵加汗地区（平均值为45.1%）（见表1），在C5−7轻烃组成三角图上甚至落在油型气轻烃区（见图4a）。东胜气田不发育腐泥型烃源岩，天然气组分和碳氢同位素组成特征均揭示天然气为典型煤成气[13]，因此这些样品可能受到了次生改造作用的影响。
不同成因天然气在C7轻烃组成特征上有明显差异，煤成气轻烃相对富集甲基环己烷，而油型气轻烃中往往富集各类二甲基环戊烷和正庚烷，根据C7轻烃相对组成可区分煤成气和油型气[4,44 -45]，二者甲基环己烷指数一般分别大于和小于50%。东胜气田天然气C7轻烃组成中甲基环己烷呈优势分布（见图3），甲基环己烷指数普遍大于50%（见表1），主体表现出煤成气轻烃特征，其中什股壕地区个别样品正庚烷相对含量略高而与典型煤成气轻烃有一定差异（见图4b）。
轻烃的K1值与母质有关且不受成熟度影响，同源母质油气其K1值较为一致，而不同来源油气的K1值则往往存在一定差异[46]，如四川盆地新场气田须家河组三、五段烃源岩生成的天然气其K1值明显不同[31]。东胜气田天然气α和β呈明显的线性正相关，R2为0.972（见图7）；K1值为1.06~1.14，不同地区平均值均为1.12（见表2）。此外，不同类型油气具有不同的K2值[47]。东胜气田独贵加汗天然气K2值为0.30~0.49，什股壕南部和北部天然气K2值分别为0.30~0.39和0.30~0.34，整体上分布范围较为一致（见表2）。因此，东胜气田不同地区天然气轻烃K1和K2值整体均表现出同源特征。
图7 东胜气田天然气α与β关系图
根据东胜气田天然气样品的2,4-DMP/2,3-DMP值计算所得烃源岩最大埋深温度为133.4~140.3 ℃，平均值为135.4 ℃，且不同地区较为一致的温度值（见表2）反映出天然气具有同源性。东胜气田石炭系—二叠系埋深自北向南逐渐变大，什股壕北部地区JP1井太原组—山西组烃源岩最大埋深期古地温约110 ℃[15]，明显低于计算所得该区温度值（133.4~136.6 ℃，见表2），表明该区天然气主体并非由原地烃源岩所生成；而独贵加汗地区J10井烃源岩最大埋深期古地温约140 ℃[15]，与计算所得温度值（133.4~140.3 ℃，见表2）较为接近。因此，东胜气田不同地区天然气主体与泊尔江海子断裂以南地区太原组—山西组烃源岩具有较好的亲缘性。
天然气δ13C1值与成熟度具有很好的相关性，因此可以根据δ13C1值计算成熟度[48]，其中Stahl[49]和戴金星等[44]提出的煤成气经验公式分别反映高演化阶段瞬时聚气和累积聚气特征[50]。东胜气田下石盒子组天然气δ13C1值分布较为集中，不同地区基本一致（见表1），为−33.6‰~−31.9‰，平均值为−32.5‰。杭锦旗地区石炭纪至早白垩世为持续稳定沉降，烃源岩处于连续深埋热演化状态；晚白垩世起发生区域性抬升，烃源岩生烃停滞[15]。因此，戴金星等[44]提出的煤成气累积聚气公式（δ13C1=14.12lgRo−34.390）适用于东胜气田天然气。根据该公式计算可得Ro值为1.14%~1.50%，平均值为1.36%，与泊尔江海子以南烃源岩热演化程度[12]高度一致，而明显高于泊尔江海子断裂以北烃源岩的有机质成熟度。这表明，东胜气田包括什股壕地区在内，不同地区天然气主要来自泊尔江海子断裂以南的太原组—山西组烃源岩。由此可见，基于2,4-DMP/ 2,3-DMP值和δ13C1值的热演化程度对比综合表明，独贵加汗地区天然气主要来自原地烃源岩，为近源垂向运移聚集成藏，而什股壕地区天然气则主要为经历了自南向北侧向运移之后的远源聚集成藏。

4 轻烃地球化学特征示踪天然气运移

4.1 天然气运移相态及过程

天然气往往以水溶相或游离相发生运移。水溶相运移过程中难溶组分先脱溶而易溶组分后脱溶，由于同碳数链烷烃、环烷烃、芳香烃溶解度依次增大，因此运移距离越远，脱溶气芳香烃/链烷烃（如Ben/nC6、Tol/nC7）和芳香烃/环烷烃（如Ben/CH）值越大[24,26]。在游离相运移过程中，极性强的芳香烃更容易被岩石吸附而含量降低，因此运移距离越远，天然气的Ben/nC6、Ben/CH、Tol/nC7值逐渐降低[24,26,51]。
东胜气田不同地区天然气中芳香烃含量整体偏低，除个别样品中未检出苯或甲苯外，独贵加汗、什股壕南部、什股壕北部地区天然气Ben/nC6值主体分别为0.033~0.134，0.025~0.058，0.012~0.065，平均值分别为0.080，0.040，0.031；Ben/CH值分别为0.059~0.211，0.054~0.100，0.022~0.089，平均值分别为0.118，0.067，0.049；Tol/nC7值分别为0.055~0.232，0.070~0.120，0.024~0.075，平均值分别为0.108，0.103，0.043（见图3b、表2）。这3个比值整体上表现出自南向北逐渐降低的趋势，表明天然气自南向北发生的运移以游离相为主（见图8）。
图8 东胜气田天然气Ben/CH与Ben/nC6关系图（a）和Tol/nC7与Ben/nC6关系图（b）
东胜气田下石盒子组储层中普遍发育地层水，水型主体为CaCl2型，地层封闭性较好，且泊尔江海子断裂以南和以北地区地层水矿化度平均值分别为41.9 g/L和52.1 g/L，表现出明显差异[17]。这从侧面反映了断裂以南独贵加汗和断裂以北什股壕地区下石盒子组地层水不连通，天然气主体并未以水溶相发生大规模运移。
由于芳香烃易溶于水[3,24,26]，因此天然气进入储层后遇水会发生水溶作用从而使得芳香烃含量降低。天然气C6−7轻烃中芳香烃（苯和甲苯）含量一般认为与母质类型紧密相关[24,29]，统计表明煤成气C6−7轻烃中芳香烃含量普遍大于20%，而油型气则与之相反[4]。然而，四川盆地须家河组典型煤成气C6−7轻烃中芳香烃含量甚至低于中坝气田典型油型气，这主要与芳香烃易溶于水有关[29]。东胜气田不同地区天然气C6−7轻烃中芳香烃含量（小于4.0%）明显低于典型煤成气（见图3、表1），除了受游离相运移中岩石吸附影响外，该区地层水普遍发育[17]使得天然气充注后普遍发生不同程度的水溶作用也是重要因素之一，部分样品中未检出轻芳香烃可能与天然气经历的水溶作用程度偏高有关（见图9）。
图9 东胜气田天然气Tol/nC7与nC7/MCH关系图（底图据文献[52]修改）
天然气在运移过程中，富12C的甲烷优先运移，使得运移后的天然气干燥系数变大且δ13C1值小幅降低，而运移后残留的天然气则干燥系数降低且δ13C1值略微增大[18]。独贵加汗地区天然气干燥系数与δ13C1值呈明显的正相关，反映出典型的成熟度趋势；而什股壕地区天然气与独贵加汗地区相比，干燥系数明显偏低，δ13C1值整体一致且平均值略高（见表1、图5a）。什股壕地区天然气组分和碳同位素组成与典型的运移后天然气的特征并不一致，整体表现出运移残留天然气的特征。什股壕地区天然气C1/C2−3值也明显低于独贵加汗地区，同样表现出扩散运移后残留天然气的特征（见图5b）。因此，什股壕地区自断裂以南运移而来的天然气在聚集后经历了明显的散失作用，而在散失过程中发生的扩散运移也会导致残留天然气的轻烃化合物组成发生规律性变化。

4.2 运移作用对天然气轻烃特征的影响

轻烃示踪天然气运移的理论基础是不同轻烃化合物在运移过程中对吸附作用、水溶作用等响应存在差异[24]，而不同化合物挥发性的差异也会导致蒸发或运移过程中一些参数发生规律性变化[28,30,53 -54]，进而可能影响判识指标的适用范围。杭锦旗地区石炭系—二叠系仅发育太原组—山西组腐殖型煤系烃源岩，其以生气为主使得东胜气田不发育油藏，因此天然气未经历蒸发分馏作用，轻烃组成差异主要受运移、水溶和散失等作用的影响（见图9）。
对C7轻烃化合物中的正庚烷、甲基环己烷、甲苯而言，其沸点依次增加、挥发性依次降低[28,30]，使得三者中正庚烷优先发生运移，其次为甲基环己烷，而甲苯相对来说最难运移。因此，经历了气液相分离或游离相运移后的天然气往往具有相对更高的nC7/MCH值[52]和更低的Tol/nC7值（见图9）。独贵加汗、什股壕南部和北部地区天然气nC7/MCH值分别为0.429~0.564，0.397~0.862，0.423~0.837（见表2），平均值分别为0.478，0.583，0.539。除少数样品受较强水溶作用影响而Tol/nC7值为0外，这3个地区其余样品Tol/nC7值为0.051~0.232，0.070~0.120，0.015~0.075，平均值分别为0.108，0.103，0.043，主体表现出逐渐降低的趋势（见表2、图9）。尽管什股壕地区天然气在聚集后经历了散失作用，但与独贵加汗地区天然气相比其nC7/MCH值整体仍略高而Tol/nC7值略低，表现出运移后天然气的典型特征（见图9）。
与正庚烷类似，各类二甲基环戊烷沸点也明显低于甲基环己烷[28]而挥发性更强，因此游离相运移会使得天然气样品C7轻烃组成中二甲基环戊烷相对含量之和增大而甲基环己烷相对含量降低，而散失作用的效应则与之相反。什股壕地区部分样品由于甲基环己烷相对正庚烷和二甲基环戊烷类含量降低而在C7轻烃组成三角图上落入油型气区，这主要是受游离相运移作用的影响（见图4b），并不能反映其为油型气。这一方面反映出游离相运移对什股壕地区C7轻烃组成的效应整体超过了聚集后散失作用的影响（见图4b），与Tol/nC7值等反映的运移特征一致（见图9）；另一方面什股壕北部天然气nC7/MCH平均值略低于南部，则反映该区天然气散失程度可能略高于南部。因此，对于经历了大规模游离相运移作用的天然气，直接利用其C7轻烃组成来判识天然气成因时需考虑运移作用的影响。
庚烷值主要反映正庚烷在各类甲基己烷、正庚烷、甲基环己烷、各类二甲基环戊烷等化合物含量之和中所占的比例[35]。东胜气田天然气C7轻烃化合物中以甲基环己烷含量最高，其次为正庚烷，而其他化合物含量明显偏低（见图3），因而庚烷值主要反映了正庚烷与甲基环己烷的比例。什股壕地区部分气样nC7/MCH值偏高（大于0.60），其庚烷值也明显较高（大于19%）（见表2），反映了游离相运移作用的明显影响（见图6）。
异庚烷值则为各类甲基己烷与各类二甲基环戊烷含量比值[39]，这两类化合物沸点接近而挥发性没有显著差异[28]，因此二者相对比例在蒸发分馏[29]和运移过程中不会发生显著变化，即对异庚烷值基本没有影响。独贵加汗地区天然气主体与什股壕地区天然气具有较为一致的异庚烷值（见图6）也反映出运移作用对异庚烷值影响不明显。然而同碳数链烷烃比环烷烃具有更小的溶解度[24,26]，即各类甲基己烷溶解度小于各类二甲基环戊烷，因此水溶作用会使得天然气中各类甲基己烷相对含量增大而各类二甲基环戊烷含量降低，导致异庚烷值增大。独贵加汗地区少部分气样具有较高的异庚烷值而偏离主体分布范围，这与其经历的水溶作用相对较强有关（见图6），如DS29和DS30井天然气异庚烷值均超过3.5，其Tol/nC7值均低于0.07（见表2），反映出水溶作用的明显影响。天然气主体为近源短距垂向聚集成藏和水溶作用强度差异是导致独贵加汗地区天然气庚烷值较为一致而异庚烷值差异较为明显的重要原因。
C5−7轻烃组成中正构烷烃和异构烷烃对扩散运移的响应明显不同。C5系列化合物中异戊烷扩散系数明显大于正戊烷而优先发生运移[55]；C6中异构烷烃（如2-甲基戊烷、3-甲基戊烷）挥发性强于正己烷而更容易发生运移[30]；C7中异构烷烃（如各类甲基己烷、二甲基戊烷）挥发性也强于正庚烷而优先运移[28]。因此，经历了运移后的天然气C5−7轻烃中正构烷烃相对含量降低而异构烷烃相对含量升高，而扩散运移后残留即经历了散失作用的天然气则正构烷烃相对含量增大而异构烷烃相对含量降低（见图4a）。比如四川盆地新场气田上侏罗统蓬莱镇组天然气为下伏须家河组生成的天然气经历了游离相运移而来，其C5−7异构烷烃与正构烷烃相对含量比值明显高于下伏须家河组天然气[31]。鄂尔多斯盆地东胜气田什股壕地区天然气与独贵加汗地区相比，C5−7异构烷烃相对含量整体偏低而正构烷烃相对含量偏高（见图4a），并未表现出运移后天然气的典型特征，而是与经历了散失运移后残留的天然气特征一致，这也与天然气组分特征反映的特征（见图5）一致，表明散失作用对什股壕地区天然气C5−7轻烃组成的影响超过了运移作用（见图4a）。因此，什股壕地区天然气样品C5−7正构烷烃相对含量偏高甚至在三角图上落入油型气区（见图4a），主要是受到散失作用的影响，并不能反映其为油型气。对于经历了明显散失作用的天然气，直接利用其C5−7轻烃组成来判识天然气成因需谨慎。
由此可见，游离相运移和散失作用均会影响轻烃的C5−7和C7轻烃组成（见图4）。显著的游离相运移作用一方面会使得煤成气C7轻烃组成中甲基环己烷相对含量降低而在C7轻烃三角图中落入油型气区，另一方面也会导致油型气C5−7轻烃组成中异构烷烃相对含量增大而在C5−7轻烃三角图中落入煤成气区（见图4）。散失作用的效应则与游离相运移作用的效应相反（见图4）。 同时，显著的游离相运移和水溶作用会分别影响天然气轻烃庚烷值和异庚烷值，从而分别影响利用其判识天然气成因类型和成熟度。因此，直接利用轻烃组成判识天然气成因时应排除运移、水溶和散失等作用的影响，而利用庚烷值和异庚烷值判识天然气成因类型和成熟度时也应分别考虑游离相运移和水溶作用的效应。本次工作中根据运移和散失作用的不同效应修订和完善了业内常用于判识天然气成因类型的C5−7和C7轻烃组成三角图（见图4），并根据游离相运移和水溶作用的不同改造效应修订和完善了业内常用的庚烷值与异庚烷值相关图（见图6）。

5 结论

鄂尔多斯盆地东胜气田下石盒子组天然气轻烃组成中，C5−7异构烷烃含量高于正构烷烃，表现出煤成气轻烃的特征；C6−7芳香烃含量明显偏低（小于4.0%），表明天然气充注后普遍发生不同程度的水溶作用；C7轻烃主体表现出甲基环己烷优势分布特征，反映出煤成气轻烃组成特征。天然气庚烷值和异庚烷值分别为14.2%~25.3%和1.97~3.82，与煤成气轻烃庚烷值和异庚烷值分布特征一致。
轻烃地球化学特征综合分析揭示东胜气田天然气经历了自南向北的游离相运移，并在充注后发生了不同程度的水溶，其中泊尔江海子断裂以北什股壕地区天然气在聚集后具有明显的散失。运移、水溶和散失会影响天然气的轻烃组成，其中长距离的游离相运移导致天然气C7轻烃中甲基环己烷相对含量和甲苯/正庚烷值（Tol/nC7）降低、正庚烷/甲基环己烷值（nC7/MCH）和庚烷值增大；不同程度的水溶作用导致轻烃异庚烷值增大；散失导致什股壕地区天然气中C5−7正构烷烃相对异构烷烃含量增加。
根据运移和散失对轻烃地球化学特征的不同改造效应修订和完善了业内常用于判识天然气成因类型的C5−7和C7轻烃组成三角图；根据游离相运移和水溶对轻烃地球化学特征的不同改造效应修订和完善了业内常用的庚烷值与异庚烷值相关图。
符号注释：
K1——2-甲基己烷和2,3-二甲基戊烷的物质的量之和与3-甲基己烷和2,4-二甲基戊烷的物质的量之和的比值，无因次；K2——各类二甲基戊烷和3-乙基戊烷物质的量之和与2-甲基己烷、3-甲基己烷、1,1-二甲基环戊烷、1,顺,3-二甲基环戊烷和1,反,3-二甲基环戊烷物质的量之和的比值，无因次；Ro——镜质体反射率，%；α——3-甲基己烷与2,4-二甲基戊烷在C7中的物质的量分数，%；β——2-甲基己烷与2,3-二甲基戊烷在C7中的物质的量分数，%。

致谢

感谢戴金星院士的悉心指导，感谢孙永革教授和胡国艺教授给予的指点和启发，感谢中国石化华北油气分公司和中国石化油气成藏重点实验室对样品采集和测试给予的大力协助！

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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