東濮凹陷濮衛(wèi)地區(qū)天然氣成因與來源

張國強(qiáng)，歐光習(xí)，陳踐發(fā)，徐田武，吳 迪，馬 劍，張 磊

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001）

東濮凹陷濮衛(wèi)地區(qū)天然氣資源豐富，相關(guān)學(xué)者對個(gè)別區(qū)塊的類型、成因等做過系列研究，濮衛(wèi)地區(qū)沙三下-沙四段砂體中埋藏著大量的煤型氣，有少量油型氣存在，其來源為下伏煤系的煤型氣和同時(shí)代生油巖生成的油型氣，在個(gè)別構(gòu)造二者混合形成混合氣［1-4］。對于濮衛(wèi)地區(qū)整體的天然氣成因、類型與天然氣藏的成藏機(jī)理并未做深入探討，針對上述存在的問題，筆者在前人研究基礎(chǔ)上，對研究區(qū)天然氣組分、碳?xì)渫凰亍⑾∮袣怏w同位素特征及氣源對比開展了系統(tǒng)研究，探討了東濮凹陷濮衛(wèi)地區(qū)天然氣成因、來源及成藏機(jī)制，以期能為研究區(qū)下步油氣勘探和工作部署提供有力的地質(zhì)-地球化學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

東濮凹陷位于渤海灣盆地臨清坳陷東南部，發(fā)育在東濮凹陷北部的濮衛(wèi)地區(qū)則是其最重要的產(chǎn)油區(qū)塊，近些年的油氣產(chǎn)量所占比重逐步增加。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的勘查工作，目前已在東濮凹陷發(fā)現(xiàn)近十個(gè)油氣田，顯示油氣資源潛力較大。濮衛(wèi)地區(qū)的構(gòu)造格架自東向西發(fā)育有3個(gè)次級構(gòu)造，東側(cè)為濮城次洼，西側(cè)為衛(wèi)城次洼，濮衛(wèi)洼陷位于衛(wèi)城次洼與濮城次洼之間（圖1）。

東濮凹陷主要發(fā)育在新生代時(shí)期。據(jù)鉆井和地震資料證實(shí)，東濮凹陷自下而上依次發(fā)育中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2f）海相碳酸鹽巖與碎屑巖；上石炭統(tǒng)太原組（C3t）淺海、潟湖相碎屑巖；下二疊統(tǒng)下石盒子組（P1s）、山西組（P1x）三角洲相、障壁島相碎屑巖，上二疊統(tǒng)石千峰組（P2sh）、上石盒子組（P2s）河流相、三角洲相碎屑巖；下三疊統(tǒng)河流相碎屑巖；始新統(tǒng)沙河街組三段（Es3）、四段（Es4）河流相、深湖相及三角洲相含鹽碎屑巖，漸新統(tǒng)沙河街組一段（Es1）、二段（Es2）、東營組（Ed）河流-泛濫平原相、淺湖-半深湖相、三角洲相等碎屑巖；中新統(tǒng)館陶組（Ng）、上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組（Nm）河流相紅色碎屑巖（圖2）。研究區(qū)烴源巖資源較為豐富，縱向上發(fā)育有多套烴源巖，其中深部的石炭-二疊系的煤系源巖（Ⅲ型干酪根）是極為重要的烴源巖資源；另一部分則是較淺部的古近系沙河街組的泥巖、頁巖、泥頁巖（Ⅰ、Ⅱ1型干酪根）。平面上，濮衛(wèi)地區(qū)存在兩個(gè)生烴洼陷，分別位于衛(wèi)城次洼北部與濮城次洼。東營組烴源巖達(dá)到低熟階段，并隨著深度增加，成熟度逐漸增大。儲(chǔ)集層總體較好，主要的儲(chǔ)集層位于沙三段、沙四段與上古生界二疊系。沙河街組儲(chǔ)層主要以粉砂巖為主，存在較為發(fā)育的泥巖與粉砂巖的互層。濮衛(wèi)地區(qū)的蓋層主要為沙二段、沙三段的膏巖層以及局部厚達(dá)300～400 m泥巖層，具有較好的封閉條件，對油氣藏起到了有效的保存作用。

圖2 東濮凹陷地層柱狀圖［5］Fig.2 Stratigrphic column of Puwei area［5］

2 天然氣特征

2.1 分布特征

濮衛(wèi)地區(qū)天然氣在平面上主要分布于三個(gè)氣田，即戶部寨、衛(wèi)城和濮城氣田（圖1）。天然氣產(chǎn)層集中分布在古近系沙河街組沙一至沙四段儲(chǔ)層中，不同地段天然氣產(chǎn)層有所不同。戶部寨氣田天然氣主要存在于沙四段，沙二、沙三段有極少天然氣富集；衛(wèi)城氣田天然氣主要富集于沙三下亞段；濮城氣田天然氣在沙二段、沙三下亞段、沙四段均富集。

圖1 濮衛(wèi)地區(qū)構(gòu)造圖（據(jù)中原油田，2014）Fig.1 Structure map of Puwei area（After Zhongyuan oilfield，2014）

2.2 組分特征

天然氣的組分是劃分天然氣成因類型、研究天然氣氣藏分布規(guī)律的重要依據(jù)之一。通常分為烴類組分和非烴組分，烴類組分主要為甲烷、乙烷及乙烷以上的重?zé)N組分；常見的非烴氣主要有N2、CO2、H2S、H2、及He、Ar等稀有氣體。濮衛(wèi)地區(qū)天然氣以烴類氣為主，烴類氣中甲烷含量為63.74%～94.63%（表1），重?zé)N氣含量為2.43%～32.37%（圖3），天然氣干燥系數(shù)介于0.66～0.97（圖4），非烴氣體含量分布于0.7%～2.35%，主要為CO2、N2?？偟膩碚f，濮衛(wèi)地區(qū)天然氣組分特征表明天然氣為有機(jī)成因特征，處于低熟-成熟階段，未見無機(jī)成因氣混入特征。

圖3 濮衛(wèi)地區(qū)不同重?zé)N含量天然氣頻數(shù)直方圖Fig.3 Histogram of natural gas frequency with different heavy hydrocarbon contents in Puwei area

圖4 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣井干燥系數(shù)柱狀圖Fig.4 Histogram of dryness coefficient of natural gas wells in Puwei area

表1 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣組分Table 1 Natural gas components in Puwei area

2.3 碳同位素特征

天然氣的碳同位素特征可以有效的反映天然氣成因、來源、成熟度等特征，研究區(qū)天然氣的碳同位素組成見表2。

表2 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣碳同位素組成Table 2 Carbon isotope composition of natural gas in Puwei area

通過討論天然氣碳同位素特征來判識(shí)其成因，是氣源對比的有效手段之一［12-13］。研究區(qū)天然氣δ13C1值分布于-41.9‰～-28.4‰，δ13C2值分布于-29.3‰～-23.1‰，δ13C3值分布于-28.3‰～-21.3‰，δ13C4值分布于-27.6‰～-23.4‰。濮衛(wèi)地區(qū)天然氣碳同位素組成為正序分布（圖5），屬典型的有機(jī)成因特征，個(gè)別樣品可見局部的天然氣碳同位素倒轉(zhuǎn)可能是由于非同源或同源不同期的混源導(dǎo)致。CO2碳同位素組成同樣是判斷有機(jī)/無機(jī)成因氣的重要指標(biāo)，研究區(qū)戶部寨氣田天然氣δ13CO2分布于-14.4‰～-9.4‰，為典型的有機(jī)成因特征。

圖5 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣碳同位素折線圖Fig.5 Broken line chart of carbon isotope of natural gas in Puwei area

根據(jù)天然氣烴類同位素判識(shí)成因識(shí)別圖版（圖6、7），可以看出研究區(qū)內(nèi)濮城氣田沙三段天然氣在原油伴生氣及成熟的煤成氣區(qū)域均有分布，其中戶部寨、衛(wèi)城氣田天然氣主要來源于腐殖型有機(jī)質(zhì)形成的煤成氣，存在有混合氣特征的天然氣。

圖6 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣δ13C1-δ13C2交會(huì)圖Fig.6 Theδ13C1-δ13C2 cross plot of natural gas in Puwei area

2.4 氫同位素特征

甲烷中的氫元素，大部分均來自于有機(jī)質(zhì)和水。氫同位素對沉積環(huán)境的指示意義，相關(guān)學(xué)者早有研究，并提出劃分標(biāo)準(zhǔn)［14-19］。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果，在源自海相烴源巖的油型氣中，甲烷的δD值相對較低，貧氘是其主要特征；而源自陸相烴源巖的油型氣中，其甲烷表現(xiàn)為富氘的特征，δD值在-190‰～-180‰附近；δD值最重的甲烷源自于海陸交互相的煤型氣，比較常見的分布為-133‰～-155‰［20］。

圖7 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣δ13C1-δ13C2-δ13C3/‰交會(huì)圖Fig.7 Theδ13C1-δ13C2-δ13C3/‰ cross plot of natural gas in Puwei area

根據(jù)中原石油局天然氣甲烷氫同位素?cái)?shù)據(jù)可知，研究區(qū)戶部寨氣田中部6井、部17-2井、部1-7井、部1-2井等井中沙三下亞段的天然氣甲烷δ13D分布較為集中，其值為-165‰～-162‰，反映該區(qū)氣源母質(zhì)主要形成于陸相淡水沉積環(huán)境。而以濮2-3井為代表的濮城氣田沙二上亞段的天然氣甲烷δ13D為-215‰（表3），具有油型氣的特征［21］。

表3 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣甲烷氫同位素組成Table 3 Hydrogen isotopic composition of methane of natural gas in Puwei area

2.5 稀有氣體同位素特征

天然氣中Ar元素的同位素組成有多種來源：一部分是來自于巖石中含鉀礦物，該部分Ar元素為40Ar，其來源過程為以伊利石為代表的一系列含鉀礦物中40K衰變所產(chǎn)生，在某特殊的地質(zhì)背景條件下，40Ar即可進(jìn)入天然氣中；另一部分來自是空氣中的氬氣，對于這部分氬氣，相關(guān)學(xué)者測量的同位素組成40Ar/36Ar約為295.5，因此，通常業(yè)內(nèi)也將這個(gè)氬同位素組成特征作為來源于空氣中氬氣的識(shí)別指標(biāo)；第三部分的氬氣來源為來自地幔，在特定的地質(zhì)背景下這部分氬氣方可混入天然氣中，特定的地質(zhì)背景包括有深大斷裂的存在或發(fā)生了火山噴發(fā)等地質(zhì)事件等［22-26］。

前人大量的研究成果表明，天然氣中的40Ar/36Ar值與氣源巖的地層年齡成正比，東濮凹陷煤成氣40Ar/36Ar為1 175.5～1 286，油型氣40Ar/36Ar為343～626，混合氣40Ar/36Ar為780～868［22-26］。

濮衛(wèi)地區(qū)發(fā)育有多條斷裂帶，包括有衛(wèi)東斷層和衛(wèi)西斷層等，但這些斷裂主要為溝通石炭-二疊系的斷裂，未斷穿深部基底，深部幔源氬氣向上擴(kuò)散的可能性較小。因此，筆者認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)的40Ar主要由大氣與巖石中的放射性元素衰變形成。

濮衛(wèi)地區(qū)40Ar/36Ar值分布范圍較廣，最小值的數(shù)據(jù)源自濮城氣田濮35井沙三下亞段的天然氣，40Ar/36Ar值為394.4，最大值的數(shù)據(jù)源自戶部寨氣田的衛(wèi)79-9井沙四段天然氣，40Ar/36Ar值為1084，平均值為707，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)為537～922，以油型氣、混合氣占主要部分（表4，來自于中原油田）。具體而言，戶部寨氣田天然氣為煤型氣，衛(wèi)城氣田天然氣大部分為混合氣，濮城氣田不同層位天然氣性質(zhì)不同，其中較淺層的沙二段天然氣為油型氣，下部的沙三下亞段天然氣為油型氣、混合氣。

表4 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣Ar同位素組成Table 4 Ar isotopic composition of natural gas in Puwei area

3 氣源對比

天然氣甲烷碳同位素可以用于計(jì)算單一成因來源天然氣的成熟度，根據(jù)前人學(xué)者提出的成熟度計(jì)算公式［27］，濮衛(wèi)地區(qū)不同區(qū)塊天然氣成熟度情況如表5所示。戶部寨氣田的煤型氣成熟度介于1.01%～1.38%，已達(dá)到成熟階段，濮城地區(qū)天然氣既有煤型氣也有油型氣，其中油型氣計(jì)算成熟度Ro為1.16%，煤型氣計(jì)算成熟度Ro為1.08%，均為成熟階段。

表5 濮衛(wèi)地區(qū)天然氣成熟度Table 5 Maturity of natural gas in Puwei area

結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)情況分析，根據(jù)濮城次洼烴源巖鏡質(zhì)體反射率Ro數(shù)據(jù)，擬合出深度與Ro的關(guān)系公式（圖8），在深度3 500 m（沙三段、沙四段深度）附近，其烴源巖鏡質(zhì)體反射率Ro為1%左右，與濮城氣田油型氣成熟度1.16%相接近，符合自生自儲(chǔ)油型氣的特征。因此，濮衛(wèi)地區(qū)分布的單一成因來源的天然氣（煤型氣、油型氣）中，煤型氣的氣源巖為來自于石炭-二疊系已達(dá)到成熟階段的煤系源巖，而濮城氣田中的油型氣，則來自于始新統(tǒng)沙河街組三段、四段的湖相泥巖、頁巖。

圖8 濮城次洼烴源巖Ro與深度交會(huì)圖Fig.8 Cross plot of Ro and depth of source rock in Pucheng subsag

衛(wèi)城氣田及濮城氣田存在有大量的混合型天然氣，結(jié)合濮衛(wèi)地區(qū)地質(zhì)特征分析，一是沙三、沙四段廣泛存在湖相泥巖、泥頁巖作為優(yōu)質(zhì)的烴源巖，二是沙二段發(fā)育有區(qū)域性的鹽巖層，有效地阻止了烴類物質(zhì)大量的垂向運(yùn)移，保證了沙三、沙四段可以儲(chǔ)存本層位烴源巖所生的油氣，同時(shí)下部來自石炭-二疊系的高熟煤型氣，沿著斷裂向上運(yùn)移，與本層位的油型氣混合成藏，形成了濮衛(wèi)地區(qū)廣泛分布的混合氣藏。

4 結(jié)論

1）濮城氣田的天然氣成因復(fù)雜，在較淺的沙二段存在著典型的油型氣，沙三沙四段的地層中既存在典型的煤型氣，也存在油型氣和混合氣；戶部寨氣田的天然氣成因較為單一，該氣田天然氣集中于沙三下亞段與沙四段，為典型的煤型氣；衛(wèi)城氣田的天然氣以混合氣為主。

2）氣源對比表明，濮城氣田混合氣受到了Es3、Es4的烴源巖與C-P的煤系源巖的共同供給，其油型氣來自于Es3、Es4湖相沉積烴源巖；衛(wèi)城氣田混合氣受到了Es3、Es4的烴源巖與CP的煤系源巖的共同供給；戶部寨氣田煤型氣的氣源巖為C-P的煤系源巖。

3）研究區(qū)石炭-二疊系地層的煤系源巖在喜山期進(jìn)入二次生烴階段后，生成的煤型氣沿著本地區(qū)發(fā)育的斷裂向上運(yùn)移至沙河街組的沙三段及沙四段，在上覆的沙二段的鹽巖層及數(shù)百米厚的泥頁巖層封蓋下，形成了煤型氣藏。沙河街組的湖相泥頁巖在古近系末期進(jìn)入生排烴階段后，生成的油型氣在沙二段、沙三段、沙四段以自生自儲(chǔ)或下生上儲(chǔ)的成藏模式形成了氣藏，形成的氣藏既有典型的油型氣藏，也有與深部石炭-二疊系的煤型氣而形成的混合氣藏。