渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷淺層天然氣成因及其來源

高長海 張云銀 王興謀

1.中國石油大學(xué)（華東）深層油氣重點實驗室 2.中國石化勝利油田分公司物探研究院

0 引言

隨著我國天然氣地質(zhì)理論的不斷豐富和完善[1]，以及勘探力度的不斷深化，天然氣探明儲量呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。截至目前，我國累計天然氣探明儲量為11.7×1012m3，探明率約為24%，仍處于勘探早中期階段，未來仍具有較大的增儲上產(chǎn)潛力[2-3]。同時天然氣勘探難度也呈現(xiàn)出加大的趨勢，勘探方向由原來的中深層向深層超深層和淺層轉(zhuǎn)移。

渤海灣盆地的天然氣勘探實踐表明，淺層天然氣資源主要分布在濟(jì)陽坳陷，占該盆地已探明淺層天然氣儲量的90%以上[4]。因此該坳陷內(nèi)的淺層天然氣儲量占有十分重要的地位。截至2018年底，濟(jì)陽坳陷淺層天然氣探明儲量為281×108m3，占該坳陷天然氣總探明儲量（460×108m3）的61%，并且前者的規(guī)模仍在不斷擴(kuò)大，已成為重要的研究領(lǐng)域和勘探熱點。目前，對于濟(jì)陽坳陷淺層天然氣成因及其來源問題仍存在著爭議：有的認(rèn)為淺層天然氣主要來自于油溶釋放的油型氣[4-6]；也有的認(rèn)為淺層天然氣主要來自于原油降解的生物氣[7-8]；還有的認(rèn)為淺層天然氣來自于油溶釋放和原油降解的混合氣[9-11]，但兩者混源比例不清。前人的研究成果表明，濟(jì)陽坳陷淺層天然氣成因及其來源具有較強(qiáng)的復(fù)雜性。為此，筆者根據(jù)該區(qū)淺層天然氣的組分、碳同位素值、輕烴指紋等測試資料，系統(tǒng)分析了濟(jì)陽坳陷淺層天然氣的地球化學(xué)特征，闡明淺層天然氣的成因類型并探討其來源，以期能為濟(jì)陽坳陷淺層天然氣的勘探提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

濟(jì)陽坳陷位于渤海灣盆地東南部，西北抵埕寧隆起，南至魯西南隆起，東鄰渤海，內(nèi)部由東營凹陷、沾化凹陷、車鎮(zhèn)凹陷、惠民凹陷及多個凸起組成，勘探面積約2.6×104km2（圖1）。濟(jì)陽坳陷自古近紀(jì)以來經(jīng)歷了斷陷期和坳陷期兩大演化階段[12]，相繼沉積了古近系孔店組（E1k）、沙河街組（E2-3s）和東營組（E3d）以及新近系館陶組（N1g）和明化鎮(zhèn)組（N2m）。古近紀(jì)與新近紀(jì)的斷、坳轉(zhuǎn)換期以及新構(gòu)造運動導(dǎo)致坳陷內(nèi)中淺層斷裂十分發(fā)育[13]，為淺層氣藏的形成提供了良好的地質(zhì)條件?？碧匠晒砻?，濟(jì)陽坳陷淺層氣藏主要分布于東營凹陷和沾化凹陷的凸起帶、斷裂帶及其周緣，圍繞凹陷呈環(huán)帶狀分布，埋藏深度多介于200～1 500 m，富集于館陶組和明化鎮(zhèn)組，其下方或下傾方多發(fā)育有稠油油藏，形成了“下油上氣”的分布格局（圖1）。

圖1 濟(jì)陽坳陷稠油與淺層天然氣田分布圖

2 實驗分析

天然氣組分分析采用配備了TCD檢測器的Agilent 7890N型氣相色譜儀，載氣為氦氣，采用30.00 m×0.32 mm×20.00 μm的HP-PLOTQ色譜柱。色譜儀進(jìn)樣口溫度為150 ℃，TCD檢測器溫度為200 ℃。色譜柱在70 ℃恒溫時間為5 min，之后以15 ℃/min的速率升至180 ℃并保持15 min。

天然氣碳同位素分析采用Agilent 7890N型氣相色譜儀連接Finngan MAT-252型氣體同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測。先通過HP-PLOTQ色譜柱進(jìn)行分離，分離后的烴類氣體經(jīng)氧化爐氧化成CO2后進(jìn)入同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行碳同位素檢測。氧化爐溫度為950 ℃，色譜儀進(jìn)樣口溫度為150 ℃。色譜柱以8 ℃/min從30℃升至170 ℃，最后以6 ℃/min的速率升至270 ℃。

天然氣輕烴分析采用Agilent 5890A型氣相色譜儀，采用50.0 m×0.2 mm×5.0 μm的PONA毛細(xì)管色譜柱。色譜柱起始溫度為30 ℃，恒溫10 min，之后以 1 ℃ /min 升至 70 ℃，再以 3 ℃ /min 升至 200 ℃，最后恒溫時間為20 min。

原油輕烴分析采用GC8000型氣相色譜儀，載氣為氦氣，采用60.00 m×0.25 mm×0.25 μm的AB-1彈性石英毛細(xì)管色譜柱。色譜儀進(jìn)樣口溫度為300 ℃，F(xiàn)ID檢測器溫度為300 ℃。色譜柱在40 ℃恒溫時間為10 min，之后以4 ℃/min升至300 ℃并保持30 min。

3 淺層天然氣地球化學(xué)特征

3.1 天然氣組成特征

濟(jì)陽坳陷淺層天然氣組分包括烴類氣體和非烴類氣體。烴類氣體占有絕對優(yōu)勢，其中甲烷含量最高，介于94.24%～99.57%，其他重?zé)N組分含量普遍較低且隨著碳數(shù)增加而減?。ū?）。干燥系數(shù)普遍大于95%，為典型的干氣，反映為高—過成熟演化階段的產(chǎn)物?；?、八面河、三合村等油氣田的淺層天然氣干燥系數(shù)甚至超過99%，反映了天然氣形成過程中可能會有生物降解作用的影響[14]。非烴類氣體則主要由CO2和N2組成，CO2含量普遍較低（表1），可能是由于微生物利用CO2形成甲烷所致[15]。這可能也是淺層氣藏中甲烷含量高的原因之一。

表1 濟(jì)陽坳陷典型地區(qū)淺層天然氣主要組成特征表

3.2 天然氣輕烴特征

輕烴中的C7系列化合物正庚烷、甲基環(huán)己烷和二甲基環(huán)戊烷可區(qū)分不同成因天然氣的母質(zhì)類型[16-17]。其中，正庚烷主要來自藻類和細(xì)菌，是良好的成熟度指標(biāo)；甲基環(huán)己烷主要來自高等植物，較高含量的甲基環(huán)己烷可指示煤型氣；二甲基環(huán)戊烷主要來自水生生物，較高含量的二甲基環(huán)戊烷可指示油型氣。從圖2可以看出，樣品點均落在腐泥型和混合型干酪根分布區(qū)，二甲基環(huán)戊烷相對含量介于28.2%～85.0%，平均值為54.2%；正庚烷相對含量介于2.5%～59.0%，平均值為16.7%；甲基環(huán)己烷相對含量介于8.9%～50.1%，平均值為29.1%。因此，濟(jì)陽坳陷淺層天然氣屬于油型氣范疇。

正常演化的油型氣的輕烴組成特征是正構(gòu)烷烴含量高、異構(gòu)烷烴含量低[19]，但濟(jì)陽坳陷淺層天然氣則相反，即正構(gòu)烷烴含量低、異構(gòu)烷烴含量高。如2,3-二甲基丁烷/環(huán)戊烷比值介于3～30，2,4-二甲基戊烷/正己烷比值介于1～3（圖3）。對于正常演化的天然氣，2,3-二甲基丁烷/環(huán)戊烷和2,4-二甲基戊烷/正己烷兩個參數(shù)值主要受成熟作用和干酪根類型的控制，但不論受哪種因素控制，2,4-二甲基戊烷/正己烷普遍小于0.20，2,3-二甲基丁烷/環(huán)戊烷普遍小于0.60[18]。造成研究區(qū)這兩個參數(shù)異常高的原因可能是微生物降解作用的結(jié)果，微生物對正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴及環(huán)烷烴降解速度的差異使得正常演化中僅為痕量的2,3-二甲基丁烷和2,4-二甲基戊烷變得異常高[20]，也使得濟(jì)陽坳陷淺層天然氣具有了微生物降解的特征，也有別于中深層天然氣（圖3）。

圖2 濟(jì)陽坳陷淺層天然氣輕烴三角圖（圖版據(jù)本文參考文獻(xiàn)[18]）

圖3 濟(jì)陽坳陷天然氣2,3-二甲基丁烷/環(huán)戊烷與2,4-二甲基戊烷/正己烷關(guān)系圖（據(jù)本文參考文獻(xiàn)[17]）

3.3 天然氣碳同位素特征

圖4 濟(jì)陽坳陷淺層天然氣甲烷碳同位素序列圖

濟(jì)陽坳陷淺層天然氣中主要檢測出了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的碳同位素值。其中，甲烷碳同位素值較輕，介于-55.7‰～-42.3‰；乙烷碳同位素值總體上差別不大，介于-31.4‰～-25.8‰；丙烷和丁烷碳同位素值相對較重，分別介于-31.4‰～-14.4‰和-32.6‰～-17.7‰（圖4）。正常演化的有機(jī)成因烴類氣體的碳同位素通常隨著烷烴分子碳數(shù)的增加而呈線性增大排列，即具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的碳同位素序列[21]。濟(jì)陽坳陷淺層天然氣的碳同位素值連線發(fā)生明顯彎曲，出現(xiàn)了兩種碳同位素倒轉(zhuǎn)特征：①孤東、孤島、林樊家、單家寺等油田出現(xiàn)的丙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)，即δ13C3＞δ13C4，丙烷碳同位素值比丁烷碳同位素值普遍高了2‰～3‰；②三合村油田、花溝氣田等出現(xiàn)的乙烷、丙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)，即δ13C2＞δ13C3＞δ13C4（圖 4）。根據(jù)前人對天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)成因的認(rèn)識[22]，結(jié)合地質(zhì)背景，認(rèn)為濟(jì)陽坳陷淺層天然氣出現(xiàn)的碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象可能是微生物作用的影響。微生物降解作用對天然氣濕氣組分的改造，會導(dǎo)致其碳同位素變重，尤其是微生物對丙烷的優(yōu)先降解導(dǎo)致丙烷碳同位素明顯偏重[23-24]，出現(xiàn)丙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，隨著微生物降解程度的增大，具有較強(qiáng)抗生物降解能力的乙烷也開始遭受降解，出現(xiàn)乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，從而造成甲烷碳同位素相對變輕。

4 淺層天然氣成因及來源

4.1 天然氣成因

淺層天然氣從成因上可劃分為生物成因氣、熱成因氣以及混合氣[25]。通過天然氣的組分、同位素等特征可有效判識天然氣的成因類型[26-28]。微生物對天然氣濕氣組分（C2+）的選擇性降解以及次生生物甲烷的混入會造成天然氣干燥系數(shù)的顯著增大，根據(jù)圖版可對天然氣是否遭受生物降解進(jìn)行有效判識，微生物生成甲烷的途徑有乙酸發(fā)酵型和CO2還原型兩種[15]，前者生成甲烷的CO2碳同位素偏輕，后者則偏重。根據(jù)和圖版可對產(chǎn)甲烷的生成途徑進(jìn)行有效判識，根據(jù)圖版可對原生生物氣、次生生物氣及熱成因氣進(jìn)行判識。

通過天然氣成因類型判識圖版（圖5）可以看出，濟(jì)陽坳陷淺層天然氣存在兩種成因類型：一類為次生生物成因氣，是原油遭生物降解作用而生成的天然氣，整體具干燥系數(shù)大（大于95%）、甲烷碳同位素值偏輕（小于-45‰）、濕氣組分碳同位素值偏重并“倒轉(zhuǎn)”、異構(gòu)烷烴含量高、二氧化碳碳同位素值偏重（大于2‰）等特征（圖3～5），為典型的原油降解氣。濟(jì)陽坳陷淺層油氣藏（小于1 600 m）中檢測出豐富的產(chǎn)甲烷菌（屬于厭氧微生物）[27,29]，表明淺層屬于適宜厭氧微生物生存的缺氧環(huán)境[30]，厭氧微生物導(dǎo)致原油稠化形成稠油的同時還能生成以甲烷為主的天然氣[31-32]。另一類為熱成因氣，是油藏中油溶氣的濕氣組分被微生物改造而成的熱成因氣，以甲烷碳同位素值偏輕、二氧化碳碳同位素值偏重而有別于原油伴生氣、濕氣、凝析氣、裂解氣等常規(guī)熱成因氣[21,25]。因此，濟(jì)陽坳陷淺層天然氣為生物成因和熱成因改造而成的混合次生氣。

值得注意的是，部分淺層天然氣樣品的甲烷碳同位素值大于-45‰（圖5），且與同源未降解的油溶氣相比偏重，如沾化凹陷孤島、孤東等油田以及東營凹陷林樊家油田等。以林樊家油田為例，自深部利津洼陷古近系油溶氣至淺部林樊家凸起新近系降解氣，天然氣組分表現(xiàn)出規(guī)律性變化，甲烷氣含量逐漸升高，重?zé)N氣含量逐漸降低，由濕氣向干氣轉(zhuǎn)變（表2）；古近系油溶氣及新近系降解氣重?zé)N組分的碳同位素變化不大，而降解氣甲烷和二氧化碳的碳同位素與未降解溶解氣相比呈現(xiàn)變重趨勢（表2）。分析認(rèn)為，微生物降解產(chǎn)甲烷主要通過產(chǎn)甲烷菌還原CO2生成[15,28]，且次生生物氣中甲烷和二氧化碳碳同位素受CO2還原程度的控制[33]，生物降解作用早期，原油降解過程中產(chǎn)生的CO2僅部分被還原，且生成的次生生物甲烷富集12C，富含12C的生物甲烷的混入使得甲烷碳同位素值變輕（小于-45‰），與典型次生生物甲烷碳同位素特征相似；而隨著原油降解程度和CO2還原程度的不斷增大，含13C的CO2逐漸增多，二氧化碳碳同位素值不斷變重，新生成的生物甲烷碳同位素值也逐漸變重，如LZ3-12、L6-X022井。

圖5 濟(jì)陽坳陷淺層天然氣成因類型判識圖版（據(jù)本文參考文獻(xiàn)[26]）

表2 濟(jì)陽坳陷利津洼陷—林樊家凸起天然氣組成及碳同位素值數(shù)據(jù)表

4.2 天然氣來源

勘探及研究結(jié)果表明，稠油區(qū)發(fā)育了大量淺層氣藏[34]，且淺層氣藏與稠油油藏具有緊密的親緣關(guān)系[7-11]。從濟(jì)陽坳陷淺層油氣的輕烴指紋特征可看出（圖6），稠油、油溶釋放氣與淺層氣之間具有良好的一致性，表明淺層氣藏與稠油油藏為成因上緊密相關(guān)的“同源共生”關(guān)系，均為常規(guī)稀油油藏微生物降解的產(chǎn)物，稠油油藏形成過程中生成的原油降解氣與其自身的油溶釋放氣共同組成了淺層氣藏的主要來源（圖5）。

根據(jù)前人關(guān)于原油降解過程中天然氣甲烷與二氧化碳碳同位素的變化模擬曲線及相關(guān)圖版[35-36]，建立了利用不同成因天然氣甲烷碳同位素差異估算淺層氣藏中原油降解氣比例的計算公式為：

式中α表示生物成因原油降解氣含量；δ13C1(Residual)表示殘留甲烷碳同位素值；δ13C1(Biogenic)表示生物成因氣碳同位素值；δ13C1(Thermogenic)表示鄰近區(qū)域未降解的熱成因氣甲烷碳同位素值。

利用式（1）計算出渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷淺層氣藏中原油降解氣的比例（表3）。可以看出，淺層氣藏中原油降解氣的平均比例超過60%，不僅表明淺層氣藏主要由原油降解氣組成，也表明微生物降解在稠油和原油降解氣的形成過程中發(fā)揮了主導(dǎo)性作用。

圖6 濟(jì)陽坳陷淺層原油及天然氣輕烴指紋特征對比圖

表3 濟(jì)陽坳陷淺層天然氣中原油降解氣比例估算表

世界上超過50%的原油曾遭受生物降解作用[37]，據(jù)估計形成的稠油資源量為常規(guī)石油的數(shù)倍以上[38]，且與原油降解氣量具有良好的正相關(guān)性[39]；只要存在較好的封蓋條件，生物降解原油過程中同步產(chǎn)生的原油降解氣潛力是巨大的。因此，在加大淺層氣藏和稠油油藏勘探力度的同時，可在稠油油藏的上方或上傾方向?qū)ふ遗c之關(guān)聯(lián)的未知淺層氣藏，或在淺層氣藏的下方或下傾方向?qū)ふ遗c之關(guān)聯(lián)的未知稠油油藏，從而提高油氣勘探效率。

5 結(jié)論

1）濟(jì)陽坳陷淺層天然氣以烴類氣體為主，其中又以甲烷含量最高，干燥系數(shù)大，屬于典型的干氣。

2）淺層天然氣的正構(gòu)烷烴含量低、異構(gòu)烷烴含量高，且碳同位素值出現(xiàn)“倒轉(zhuǎn)”，表明其具有生物降解的特征。

3）淺層天然氣為生物成因和熱成因改造而成的混合次生氣，由原油降解氣和油溶釋放氣所組成且以原油降解氣為主。

4）稠油發(fā)育區(qū)的淺層天然氣應(yīng)作為濟(jì)陽坳陷下一步油氣增儲上產(chǎn)的重要勘探目標(biāo)。