0 前言
鄂尔多斯盆地为西部大型克拉通盆地之一，早古生代发育陆表海台地，奥陶系马家沟组沉积时期发育碳酸盐岩-膏盐岩共生沉积体系，特别是马五6—马五10亚段发育较厚的膏盐岩地层，其上覆、下伏分别为盐上勘探层系和盐下勘探层系[9-11]。在盆地中东部马家沟组盐上勘探层系已发现靖边、大牛地等气田，上古生界煤系地层为主要的天然气来源。近年来在马家沟组盐间、盐下层段也发现了高产天然气流。关于其气源有不同的观点：上古生界煤系烃源岩通过中央古隆起高孔渗白云岩体向马家沟组上倾高部位侧向供烃是成藏的主要控制因素[12-14]；盐间层段为混源气藏，盐下层段为自生自储气藏[15-20]。近年来，通过马家沟组天然气的地球化学特征和生烃热模拟实验分析，明确了马家沟组盐下天然气主要来自内幕烃源岩形成的油型气，天然气的甲烷碳同位素能较好地反映天然气的成因，乙烷碳同位素值受TSR作用影响而显著偏高[21-24]。总的来说，关于马家沟组内幕油裂解气的直接证据还显得不足，关于油裂解气的形成条件与演化过程的认识还需要深化。本文以大牛地气田为例，系统开展地质-地球化学分析，为推进马家沟组内幕天然气勘探的进一步拓展提供理论和基础依据。
1 地质背景
大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部，构造上属于伊陕斜坡（图1a），主要产气层位为马家沟组马五1、马五2、马五5亚段等风化壳储层，近年来在马五6—马五10亚段见工业气流，单井日产气可达3×104 m3，在马四段等盐下组合也见低产工业气流[20,25]。马家沟组沉积期盆地为隆坳相间的格局，受东部华北海和西南部秦祁海的影响发育一套海相地层[26]。马家沟组为一套碳酸盐岩和蒸发岩交互沉积的地层，自下向上发育六个段，其中马一段、马三段和马五段为海退期沉积，岩性以膏盐岩等蒸发岩与白云岩为主（图1b），马二段、马四段和马六段为海侵期沉积，岩性主要为石灰岩、白云岩等碳酸盐岩，在纵向上构成了多个海退-海侵沉积旋回[27-28]。其中，马五6—马五10亚段发育较厚的膏盐岩，其上覆、下伏地层分别为盐上勘探层系和盐下勘探层系，马五6—马五10亚段称为盐间勘探层系[9-11]。
2 样品与测试分析
本文选取大牛地气田D73、D75、D124、X1、S1等井马家沟组中含沥青的岩心样品，开展岩心观察、薄片偏光和荧光显微测试分析；采集S1井、D124井和D123井马家沟组岩心段中裂缝、缝洞含方解石的样品，进行烃类包裹体检测。包裹体测试在中国石化油气成藏重点实验室完成，具体步骤为：先在偏光/荧光显微镜下对油包裹体及其伴生的盐水包裹体进行观察，再通过激光拉曼光谱仪对甲烷、沥青类包裹体进行激光拉曼位移测试，寻找与油裂解气相关的烃类包裹体，最后经过包裹体冷热台测量烃类包裹体伴生盐水包裹体的均一温度与冰点温度。
选取大牛地气田马四段和马五5、马五6亚段共10个天然气样品，进行天然气组分、甲烷碳同位素、乙烷碳同位素和硫化氢含量测试，通过不同层段天然气的成分组成和碳同位素组成的判识标志来获得油裂解气存在的证据。天然气组分与轻烃同位素分析由中国石化油气成藏重点实验室完成；轻烃同位素组成通过同位素质谱仪测试完成，遵照GB/T 18340.2—2010，按照地质样品有机地球化学分析方法中天然气的稳定碳同位素测定方法进行。
3 天然气地球化学特征及油裂解气证据
3.1 沥青的赋存证据
大牛地气田马家沟组内幕（盐间及盐下段）常见沥青充填于裂缝、溶蚀缝洞和晶间孔中，演化程度较高，为干沥青。在岩心上见2类沥青充填：一类是在裂缝、溶蚀缝洞中充填了方解石，沥青呈分散状分布在方解石之中（图2a，2b）；另一类是在裂缝中只充填了沥青（图2c）。在岩石薄片中可见3类沥青赋存：一类是在溶蚀缝洞中充填暗色沥青（图2d），沥青中见少量的白云石矿物呈分散状发育，代表了在沥青形成之后，于沥青间生长了白云石颗粒，白云石为晚成岩期形成；另一类充填于裂缝之中，在裂缝一侧见犬牙状方解石（图2e），代表在油充注裂缝之前有一期方解石的胶结作用，为早成岩期胶结形成；还有一类沥青发育在细中晶白云岩中（图2f），充填晶间孔。缝洞中的沥青在反射光、荧光下均为黑色（图2g—2h）。
3.2 包裹体证据
在S1井马四段缝洞体的方解石脉内发育油包裹体和含沥青含甲烷盐水包裹体。油包裹体呈现气液两相柱状或长条形，呈条带状分布（图3a），为次生包裹体，显示绿色荧光（图3b）；伴生的盐水包裹体捕获温度区间为110~140 ℃，结合埋藏史分析对应晚三叠世—早中侏罗世。在中部晶粒状方解石脉中发育含沥青含甲烷的盐水包裹体，对包裹体中的气体组分进行激光拉曼位移测试（图4a），显示为含沥青的双峰（D峰1 363.1 cm-1，G峰1 601.9 cm-1），同时有甲烷的拉曼位移峰（2 917.7 cm-1）和水的拉曼位移峰（3 430 cm-1），其流体包裹体的捕获温度为150~170 ℃，结合埋藏史分析对应早白垩世。这表明早白垩世储层中发生了原油裂解气过程，甲烷被晶粒状方解石中的包裹体捕获。因此，在S1井马四段缝洞的方解石脉中同时出现了油包裹体和含沥青含甲烷盐水包裹体，这可能代表了在第一期原油充注并被捕获后，裂缝二次开启，油裂解气被捕获而形成含沥青含甲烷盐水包裹体。在D124井还见有单相的甲烷包裹体（图4b），它可能是油裂解气生成的气包裹体，也可能是烃源岩生气形成的气包裹体。
3.3 天然气地球化学特征
大牛地气田马家沟组天然气的组分包括烃类和非烃气体两大类（表1），以烃类气体为主：烃类气体主要为甲烷、乙烷等饱和烃气体，甲烷占优势；非烃气体包含CO2、N2、H2S、H2及稀有气体等，以CO2、N2为主，部分层段H2S含量较高。天然气中烃类组分含量平均达89.55％，马四段天然气的干燥系数(C1/(C1—C5))平均值为0.898，总体上小于马五5亚段与马五6亚段天然气的干燥系数（平均值为0.978）。
表1 大牛地气田奥陶系天然气地球化学数据表Table 1 Geochemical data of the Ordovician natural gas in Daniudi gas field |
 |
注：MT1井的天然气数据引自文献[22]，作为与大牛地气田天然气地球化学指标的对比。 |
大牛地气田马四段天然气的甲烷碳同位素组成（δ13C1）为-45.4‰~-37‰，平均值为-41.45‰，δ13C2为-30.3‰~-24.9‰，平均值为-27.6‰；马五5亚段、马五6亚段天然气的δ13C1为-37.3‰~-36.2‰，平均值为-36.8‰，δ13C2为-25.6‰~-24.3‰，平均值为-24.85‰（表1）。研究区马四段天然气的甲烷、乙烷的碳同位素组成偏轻，与马家沟组烃源岩的脱附气碳同位素组成类似（图5），而天然气的干燥系数相对较小（表1），偏“湿气”特征；马五5、马五6亚段天然气的甲烷、乙烷的碳同位素组成分异较大（图5，引自文献[21]的数据分布范围较大），其中本文样品的分析结果相对集中，碳同位素组成偏重（表1），干燥系数较大，偏“干气”特征。
大牛地气田不同层段天然气的H2S含量具有显著差异（表1）。马四段天然气中H2S含量较低，如D126井、X1井马四段的H2S含量在100 μg/g以下，一般在40 μg/g左右，而研究区东南侧的MT1井马四段的H2S含量达到了5 013 μg/g。马五段天然气中的H2S含量明显较高，马五6亚段达到2 000~3 000 μg/g，马五5亚段达到了10 000~12 000 μg/g。
4 油裂解气形成条件及演化过程
4.1 马家沟组碳酸盐岩烃源岩条件
海相烃源岩是生成油及油裂解气的重要物质基础。研究区发育马家沟组内幕烃源岩层，优质烃源岩主要为薄—中厚层具纹层的白云质泥岩和泥质白云岩，颜色为黑色、灰黑色、深灰色，常含不等量的石膏。在潟湖或潮坪洼地沉积环境下形成[40-41]。对马家沟组烃源岩TOC的测试表明，泥质纹层和藻纹层、藻团块的TOC较高，普遍大于0.3%，经有机酸盐恢复后可达到0.58%[16]。姜海健等[34]对鄂尔多斯盆地东北部的马家沟组内幕烃源岩恢复后的TOC可达到0.81%~1.39%。马家沟组烃源岩的干酪根类型为Ⅰ—Ⅱ1型，主要以海相腐泥组和镜质组为主。通过等效镜质组反射率计算，得到其成熟度（Ro）为1.62%~2.16%[16,40]。
结合近年来对盆地中东部古隆起分布和岩相古地理的认识[29-30,32]，基于10多口井的烃源岩厚度数据，刻画了大牛地及周边地区马三段烃源岩厚度的平面分布。受沉积期的古地貌控制，大牛地及周边地区存在乌审旗低隆起、靖西凹陷和米脂凹陷，烃源岩主要发育在米脂凹陷北缘、靖西凹陷东缘，厚度为5~20 m（图7）。涂建琪等[40]的研究表明马家沟组有效泥质烃源岩围绕米脂凹陷的膏盐洼分布，在凹陷中心、周边次级隆起，烃源岩的厚度均较薄，而围绕米脂盐洼的烃源岩累计厚度大，有机质丰度高。胡安平等[33]认为优质烃源岩发育具有相控性和层控性特征，分布于膏盐洼周缘的白云岩-膏盐岩薄互层段中。由区域平面图（图1a）可知，大牛地气田、MT1井区处于米脂凹陷的北缘，这个范围内马三段烃源岩的厚度相对较大，向乌审旗低隆起方向厚度逐渐减薄（图7）。
4.2 膏盐岩发育条件及TSR反应
鄂尔多斯盆地不同地区、马家沟组内幕不同层段的天然气地球化学指标具有较大的差异：米脂地区马四段天然气的乙烷碳同位素组成比大牛地气田要偏重（图5）；米脂地区马四段天然气的H2S含量高于大牛地地区马四段天然气；大牛地地区马五5、马五6亚段天然气的H2S含量明显较高（表1）。结合沉积演化背景可知马四段沉积期米脂地区处于膏盐洼发育区，天然气和膏盐岩发生了较为强烈的TSR反应，而大牛地气田处于凹陷边缘，膏盐岩层厚度显著减小，缺少发生大规模TSR反应的条件。到马五5、马五6亚段沉积期，靖西凹陷的膏盐洼向北扩展，大牛地地区成为沉积中心而发育膏盐岩与泥质白云岩互层[43-45]；此时，研究区具有形成TSR反应的条件，天然气中H2S含量显著增加，马五5亚段局部钻井天然气中的H2S含量超过1×104 μg/g（表1）。
4.3 温度、成熟度演化及油裂解气产物
李贤庆等[46]通过流体包裹体测试分析认为，鄂尔多斯盆地中部气区天然气主要成藏期为晚三叠世末和早白垩世末。吴东旭等[47]认为，晚侏罗世到早白垩世，受热事件的影响上古生界有机质进入成熟—高成熟阶段，进入主要生烃、排烃期。任战利等[48]研究表明，受早白垩世岩石圈减薄的深部热动力学过程及构造热事件控制，不同层位烃源岩在早白垩世均有大规模生油、生气。结合S1井包裹体测温和热史、生烃史研究认为：研究区烃类生成主要包括了油生成期和天然气生成期，分别对应了110~140 ℃和150~170 ℃（图8）；早白垩世马家沟组古地温分布在140~200 ℃之间，Ro值从1.3%增加至2.0%，因此早白垩世是主要的油裂解气成气阶段。
黄军平等[49]研究发现鄂尔多斯盆地南部奥陶系沥青含量较高，向北逐渐降低，且沥青处于过成熟演化阶段。杨泽光等[50]通过岩心与显微镜观察发现，马家沟组盐下储层中存在固体沥青，赋存于白云岩和石灰岩的孔、缝、缝合线和沥青包裹体内，固体沥青的质量百分数介于0.07%~0.55%（平均值为0.17%），等效镜质组反射率介于1.75%~1.97%，碳同位素组成介于-28.4‰~-27.7‰。王怡帅等[51]认为奥陶系碳酸盐岩储层固体沥青热演化程度普遍较高，以原油发生裂解形成的热化学蚀变成因为主，并发育硫酸盐热化学还原作用以及气侵脱沥青等不同成因类型的沥青，说明研究区经历了原油充注、裂解生成油型气和蚀变改造等油气成藏演化过程。镜下薄片观察发现，大牛地气田马家沟组储层的孔洞缝和包裹体中常见沥青，表明该区经历了类似的油裂解气生气阶段，并且沥青不发荧光（图2），处于高—过成熟阶段。
刘德汉等[38]研究表明，油裂解气藏的储层中富含热演化程度很高的中间相结构焦沥青，矿物包裹体的组构复杂，并且在高温高压条件下捕获的甲烷包裹体中含少量H2S、CO2、重烃、沥青质，部分储层中存在含自然硫的不混溶包裹体等成分，这些可作为油裂解气藏鉴别的重要依据。与油裂解气藏相比，煤成气藏和高成熟干酪根热解成因气藏主要由气态烃运聚成藏，储层中不含中间相结构焦沥青，矿物包裹体的丰度较低，类型和组构比较简单，以不含沥青和重烃的甲烷包裹体为主。从图3、图4可见，大牛地气田奥陶系储层中除了含有甲烷的包裹体外，还有油包裹体、沥青包裹体、含沥青含甲烷盐水包裹体等多类型不混溶包裹体，它们是油裂解气藏形成和演化过程的重要判别标志。
4.4 区域生烃演化及油裂解气运聚方向
从区域埋藏史和热史叠合图（图9）可见：在三叠纪和早中侏罗世，盆地东北部具有南低北高的构造格局，如在199 Ma时期，南部MT1井区、Tao95井区马家沟组的埋深在2 700~3 000 m范围，而北部大牛地地区马家沟组的埋深为2 300~2 500 m，油气具有自南向北运聚的趋势（图9a）；晚侏罗世时期构造反转，到早白垩世形成了西南低东北高的构造格局（图9b），此时处于油裂解气阶段，天然气向东北方向调整运聚，并在构造高部位重新成藏。大牛地地区在印支期和燕山期发育多条近南北走向的走滑断裂，如秃尾河断裂、石板太断裂和小壕兔断裂，其持续活动期可作为油气运聚的主要通道[52]。于洲等[44]、周进高等[19]研究认为马家沟组内幕天然气成藏具有自生自储的特征，晚期走滑断层沟通了烃源岩与储集体。冯艳伟等[53]应用含烃流体包裹体证据证实了油气主要通过区域断裂带运移的过程。
5 结论
鄂尔多斯盆地大牛地气田马家沟组内幕（盐间与盐下段）常见沥青充填于裂缝、溶蚀缝洞和晶间孔中，反映在地质历史时期存在过古油藏或发生过油气成藏过程。马家沟组内幕的裂缝和缝洞方解石脉中见油包裹体、含沥青含甲烷盐水包裹体和沥青包裹体，这种三相烃类流体包裹体组合是指示油裂解气过程的重要证据之一。马家沟组天然气地球化学特征表明：盐间与盐下段天然气以原油裂解气为主，部分层段具有高H2S含量；盐上层段天然气以干酪根裂解气为主。
大牛地气田及周缘发育马家沟组内幕烃源岩，其中的马三段烃源岩累计厚度达10~20 m；研究区具有油裂解气形成的深度、温度和膏盐岩等介质条件，在早白垩世较高的古地温作用下发生了TSR反应并形成大量油裂解气。
大牛地气田及周缘地区马家沟组烃源岩的演化程度存在一定的时间差异，烃源岩生排烃时间具有南部早、北部晚的特征：晚三叠世至早中侏罗世，油气具有自南向北沿区域走滑断层运聚的特征；到早白垩世，形成了西南低、东北高的构造格局，天然气由西南向东北方向调整运聚，在构造高部位重新成藏。
