濟(jì)陽(yáng)坳陷花溝地區(qū)氦氣成藏控制因素探討
——以花501井為例

顧延景，張保濤，李孝軍，胡兆國(guó)，王小玉，張秋實(shí)，曹其琛，郭偉，趙曉博

（1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013；2.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中石化勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257100）

氦氣作為一種稀有惰性氣體，因其化學(xué)惰性、分子量小、沸點(diǎn)低、滲透性強(qiáng)及高導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，是高科技應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的重要元素之一（李玉宏等，2017）。全球氦氣資源分布不均，主要集中在北美洲的美國(guó)、加拿大、西亞的卡塔爾、北非的阿爾及利亞、俄羅斯、澳大利亞等國(guó)家（張明升，2014）。中國(guó)氦氣資源相對(duì)比較稀缺，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)嚴(yán)重供不應(yīng)求，對(duì)外依存度長(zhǎng)期保持在95%以上。在郯廬斷裂帶兩側(cè)的含油氣盆地發(fā)現(xiàn)了多處含氦氣的油氣藏和非烴氣藏（陶明信等，1997），氦氣相關(guān)研究工作日益引起重視。近年來(lái)，關(guān)于氦氣的勘探研究工作取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，對(duì)其來(lái)源、運(yùn)移、封閉等要素的認(rèn)識(shí)更加深入。

濟(jì)陽(yáng)坳陷位于山東省北部，屬渤海灣盆地。花溝地區(qū)為濟(jì)陽(yáng)坳陷重要的天然氣分布區(qū)，以往已開(kāi)展了大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域物化探、油氣勘查和基礎(chǔ)研究工作。前人在研究區(qū)針對(duì)以烴類(lèi)天然氣為目標(biāo)的天然氣成藏機(jī)制及勘探技術(shù)方法研究取得了較好的成果；對(duì)區(qū)內(nèi)以甲烷氣為主的烴類(lèi)氣來(lái)源及烴源巖的分布情況有了較清楚的認(rèn)識(shí)；獲取大量數(shù)據(jù)資料的同時(shí)，根據(jù)各類(lèi)指標(biāo)劃分了本區(qū)油氣藏類(lèi)型，明確了本區(qū)油氣成藏序列（鄭樂(lè)平等，1997）。然而，前人對(duì)無(wú)機(jī)氣體成藏與評(píng)價(jià)研究總體較少，且僅在CO2的成因研究方面進(jìn)行了較多的探索，對(duì)區(qū)內(nèi)幾個(gè)典型CO2氣藏的成因有了較為明確的認(rèn)識(shí)（程有義等，1993）。研究表明，巖漿活動(dòng)為氣藏的形成直接或間接提供氣源（戚厚發(fā)等，1981；廖永勝等，2001）?？傮w來(lái)說(shuō)，以往在研究區(qū)內(nèi)對(duì)氦氣成藏主控因素研究薄弱，對(duì)氦氣成藏機(jī)制認(rèn)識(shí)仍有不足。研究區(qū)花501井氦氣含量最高達(dá)3.08%，且保存了較為完整的鉆井資料，可以直接為本次氦氣成藏研究提供指示作用。筆者全面收集了區(qū)內(nèi)地質(zhì)、地震、重力、航磁、鉆井氣體測(cè)試、錄井等資料，采用綜合分析方法，以花501井為例，對(duì)研究區(qū)氦氣來(lái)源、運(yùn)移通道和圈閉條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提取了研究區(qū)氦氣成藏主要控制因素，對(duì)研究區(qū)氦氣成藏模式進(jìn)行了初步探討，以期為研究區(qū)及相似地區(qū)氦氣資源預(yù)測(cè)提供參考。

1 地質(zhì)背景

濟(jì)陽(yáng)坳陷是渤海灣盆地東南部的一個(gè)次級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元，坳陷東界為郯廬斷裂帶，北鄰埕寧隆起，南鄰魯西隆起區(qū)，以近東西向齊廣斷裂為界，西與臨清坳陷相鄰?；系貐^(qū)位于濟(jì)陽(yáng)坳陷南部，其所處的青城凸起及花溝斷鼻帶位于東營(yíng)凹陷西南與惠民凹陷東南的結(jié)合部位（圖1a）。

1.1 地層

研究區(qū)由老至新發(fā)育奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系（圖1c）。古近系由博興洼陷向青城凸起超覆，僅在凸起北部斜坡和東部邊緣形成部分沉積，凸起上缺失古近系，而新近系披覆于整個(gè)凸起上。

區(qū)內(nèi)共有7套含氣層系: 明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙一段、沙三段、沙四段、孔店組；巖性主要為砂巖和碳酸鹽巖；儲(chǔ)集層孔隙度普遍大于20%，最高可達(dá)34%；滲透率普遍大于100×10-3μm2，最高可達(dá)1.353×10-3μm2。

1.2 構(gòu)造

濟(jì)陽(yáng)坳陷是一個(gè)中生代、新生代“裂谷型”湖盆，燕山期、喜馬拉雅期塊斷運(yùn)動(dòng)控制著湖盆的形成與發(fā)展，經(jīng)歷了中生代的反傾塊斷、古近紀(jì)盆傾斷陷和新近紀(jì)整體坳陷3個(gè)發(fā)展時(shí)期，形成了濟(jì)陽(yáng)坳陷多構(gòu)造層的復(fù)式結(jié)構(gòu)和南北不均衡發(fā)展的格局。

1.第四系平原組；2.新近系明化鎮(zhèn)組；3.新近系館陶組；4.古近系東營(yíng)組；5.古近系沙河街組；6.古近系孔店組；7.侏羅系三臺(tái)組；8.奧陶系馬家溝組；9.新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖；10.斷層；11.地層界限；12.鉆井圖1 花溝地區(qū)綜合地質(zhì)圖Fig.1 Comprehensive geological map of Huagou area

研究區(qū)主要發(fā)育花溝-高青斷裂和多條次級(jí)斷裂；次級(jí)斷裂包括一組近東西向斷裂帶和一組北東向斷裂帶；以花溝-高青斷裂為界，其北為青城凸起，南為花溝凹陷。

在區(qū)域上，花溝-高青斷裂為高青平南斷裂的西段，為北西西向或東西向，延伸長(zhǎng)度18 km，南傾，傾角30°～50°，最大落差2 200 m，水平位移3 500 m。剖面上，斷面主要呈南傾，具有分段性特征，在凹陷西部表現(xiàn)為鏟式正斷層，凹陷東部表現(xiàn)為坡坪式正斷層。斷層切穿新生代大部分層系，下部可到盆地基底，上部到明化鎮(zhèn)組，次級(jí)斷裂與主斷裂形成多級(jí)“Y”字形組合（圖1b）。

在研究區(qū)南部分布有齊廣斷裂，該斷裂是一條被第四系覆蓋的隱伏斷裂帶，西起茌平縣博平北，經(jīng)濟(jì)陽(yáng)縣向東接廣南斷裂，西與聊城-蘭考斷裂相交，東與沂沭斷裂帶相匯，寬5～10 km，由2～3條斷裂組成，為階梯狀斷裂組合帶，東西延長(zhǎng)約300 km，走向65°～80°，傾向北北西，傾角60°～80°，是魯中隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷的分界斷裂帶。

1.3 巖漿巖

本區(qū)巖漿活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、期次多、范圍廣。中生代火成巖分布廣，厚度大，均為基性巖漿巖。以漸新世末—中新世早期巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈。

花溝地區(qū)布格重力異常主要由兩大異常區(qū)組成，以花溝-高青一線(xiàn)為界，其南部為走向近東西的重力低值區(qū)，布格重力異常值為-22×10-5～-14×10-5m/s2，由東西向排列的2個(gè)局部重力低值區(qū)組成，異常變化平緩，局部異常不發(fā)育，表明該區(qū)火成巖不發(fā)育；北部為重力高值區(qū)，布格重力異常值為-14×10-5～-6×10-5m/s2，在青城及周邊局部異常發(fā)育，局部異常范圍小，多呈橢圓形，顯示該地區(qū)火成巖比較發(fā)育，沿花溝-高青一線(xiàn)為一重力梯級(jí)帶，表明斷裂構(gòu)造的發(fā)育狀況，與花溝-高青斷裂帶位置基本一致（劉展等，2007）（圖2）。

花溝地區(qū)磁場(chǎng)以負(fù)磁異常為主，分為3個(gè)區(qū)。中部花溝-馬橋鎮(zhèn)一帶為平靜變化的負(fù)磁異常區(qū)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為-525～0 nT，局部異常不發(fā)育，主要為花溝凹陷弱磁性沉積地層的反映；北部青城鎮(zhèn)一帶為一個(gè)似圓狀的正磁異常，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～300 nT，推斷為青城凸起沉積地層下具有一定磁性的基性火成巖的反映；研究區(qū)南部為局部磁力異常發(fā)育的正磁異常帶，異常范圍較大、磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，為隱伏的白堊紀(jì)青山群磁性較高的火成巖的反映（劉展等，2007）（圖3）。

圖2 研究區(qū)布格重力異常等值線(xiàn)平面圖Fig.2 The contour plan of Bouguer gravity anomaly in the study area

圖3 研究區(qū)航磁ΔT等值線(xiàn)平面圖Fig.3 Aeromagnetic ΔT contour map of the study area

2 花501井氦氣特征剖析

花501井位于研究區(qū)中部青城凸起與花溝凹陷的轉(zhuǎn)折地帶，并緊鄰花溝-高青斷裂，其地理位置非常特殊，氦氣顯示活躍，是研究區(qū)目前發(fā)現(xiàn)氦氣含量最高的鉆井，本次選取花501井作為重點(diǎn)研究對(duì)象進(jìn)行剖析。

2.1 錄井、測(cè)井分析

根據(jù)花501井綜合錄井圖（截?。▓D4），花501井共有4段存在天然氣顯示，均位于新近系明化鎮(zhèn)組。其中，769.9～778.4 m井段呈現(xiàn)高電阻、低聲波特征，可能與該段火成巖建造有關(guān)；其余3段（459.1～491.7 m、501～509 m和811～813 m）均呈現(xiàn)高電阻、高聲波特征，即“周波跳躍”。459.1～491.7 m與811～813 m井段具有較高的氦氣異常顯示，氦氣含量達(dá)2.08%～3.08%（一般認(rèn)為天然氣中氦含量達(dá)到0.1%即可進(jìn)行工業(yè)開(kāi)發(fā)）（盧進(jìn)才等，2005）。

2.2 氣體樣品測(cè)試分析

3He、4He成因的差異為不同來(lái)源的氦提供了判別標(biāo)識(shí)，可根據(jù)3He/4He值來(lái)確定氦的來(lái)源（李玉宏等，2018）。通常大氣源的3He/4He值為1.4×10-6；殼源的3He/4He值為2.0×10-8；幔源的3He/4He值為1.1×10-5（Mamyrin et al.，1984；徐永昌，1996）。樣品的3He/4He值（R）比大氣氦3He/4He值（Ra）常用來(lái)表示氣樣的氦同位素特征，即R/Ra=（3He/4He）樣品/（3He/4He）大氣。在用R/Ra表示氣樣氦同位素分布特征時(shí)，當(dāng)R/Ra>1，表示氣樣中幔源氦份額大于12%（徐永昌等，1997）。

花溝地區(qū)花501井位于青城凸起以南中段，花溝-高青斷裂上盤(pán)花溝凹陷一側(cè)（圖1a）。根據(jù)勝利油田對(duì)花501井天然氣樣品進(jìn)行的測(cè)試分析（表1），由表1可見(jiàn)，花501井天然氣的He含量為2.08%～3.08%，40Ar/36Ar值為743～1 630，δ13CCO2為-8.3‰，3He/4He值為4.34×10-6～4.47×10-6。經(jīng)計(jì)算，花501井天然氣的R/Ra值為3.1～3.2，其幔源份額約占39.34%～40.53%（徐永昌等，1997），顯示該地區(qū)氦氣屬于殼幔混合無(wú)機(jī)成因型（戴金星，1992；王佩業(yè)等，2011）（圖5）。

圖4 花501井氣層測(cè)井解釋圖（截取）Fig.4 Well Hua 501 gas layer log interpretation diagram

表1 花501井天然氣分析特征表Tab.1 A list of natural gas analysis characteristics in Well Hua 501

圖5 花溝地區(qū)花501井3He/4He與δ13CCO2關(guān)系圖Fig.5 Relationship diagram between 3He / 4He and δ13CCO2 in Well Hua 501 in Huagou area

2.3 氣藏條件分析

花溝凹陷斷層發(fā)育，斷塊多，斷層與儲(chǔ)蓋層相互配套形成有效圈閉?；?高青斷裂在新生代長(zhǎng)期繼承活動(dòng)，在下降盤(pán)發(fā)育一系列伴生的二、三級(jí)斷層，形成許多斷塊（車(chē)燕等，2001）?；?01井氣藏均位于明化鎮(zhèn)組以上，從圈閉條件看，屬于典型巖性氣藏（圖6）。

圖6 花501井氣藏剖面示意圖（資料來(lái)源于勝利油田）Fig.6 Schematic diagram of gas reservoir profile in Well Hua 501

3 成藏主控因素分析

3.1 氦氣來(lái)源

根據(jù)花溝地區(qū)重力、航磁異常特征顯示，在研究區(qū)青城凸起沉積層以下基底具火成巖建造，其分布于花溝-高青斷裂西側(cè)，與花溝氣田富氦顯示井區(qū)位相吻合。同時(shí)，在研究區(qū)南部分布有較大規(guī)模近東西向火成巖帶，位于齊廣斷裂帶深部，且與花溝-高青斷裂連通，具備氦氣成藏氣源條件。

1.基底斷裂；2. CO2氣藏；3.低速體；4.鉆井圖7 CO2氣藏與低速體分布關(guān)系圖（據(jù)勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院資料，1995修改）Fig.7 The distribution diagram of CO2 gas reservoir and low-velocity body

據(jù)國(guó)家地震局寬角地震資料證實(shí)，研究區(qū)西部惠民凹陷上地殼底部存在一個(gè)低速異常體（圖7）。頂界埋深約13 km，其縱波速度和橫波速度比上覆巖層分別低2%～5%和3%～8.5%。從圖7可以看出，濟(jì)陽(yáng)坳陷CO2氣藏多分布在低速體周?chē)?；以往研究認(rèn)為該低速體是由早期構(gòu)造活動(dòng)（幔隆、斷層剪切）產(chǎn)生的裂隙被流體狀態(tài)的CO2充填所導(dǎo)致，低速體很可能是幔源氣的初始聚集區(qū)（勝利石油管理局地質(zhì)科學(xué)研究院，1995）。

巖漿是幔源無(wú)機(jī)成因氣的氣源庫(kù)體和載體（陶士振等，2000）。研究區(qū)發(fā)生多期火山-巖漿活動(dòng)，尤其是新近紀(jì)火山-巖漿活動(dòng)提供了豐富的來(lái)自上地幔的非烴類(lèi)氣體。埋藏于花溝凹陷深部的古火山通道及冷卻后的基性火成巖緩慢釋氣成為氦氣的又一重要來(lái)源。

3.2 運(yùn)移通道

無(wú)機(jī)成因氣（藏）的發(fā)育嚴(yán)格受構(gòu)造活動(dòng)帶控制?；系貐^(qū)及其周緣地區(qū)毗鄰油源區(qū)，同時(shí)由于長(zhǎng)期繼承性的隆起，始終處在最有利的運(yùn)移指向。對(duì)于氣體的運(yùn)移，區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層和多期地層不整合面、沉積間斷面均提供了氣體運(yùn)移的有利通道。

3.2.1 花溝-高青斷裂

花溝-高青斷裂為高青平南斷裂的西端，其沿青城凸起南緣和東緣呈近東西向轉(zhuǎn)北北東向展布；該斷裂產(chǎn)生于燕山運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕，活動(dòng)至上新世明化鎮(zhèn)組沉積早期；斷層面上陡下緩，斷面傾角50°～55°，落差下大上小，中生界落差達(dá)千米以上，館陶組落差70～150 m。沿?cái)嗔褍蓚?cè)在不同層系中發(fā)育不同類(lèi)型的圈閉，成為油氣運(yùn)移和充注的最佳通道。古近紀(jì)以來(lái)同生的次級(jí)斷層數(shù)量多、 分布廣，是構(gòu)成運(yùn)移網(wǎng)絡(luò)必不可少的次級(jí)通道。

3.2.2 齊廣斷裂帶

花溝凹陷南鄰齊廣斷裂帶，其構(gòu)造演化與齊廣斷裂帶關(guān)系密切。齊廣斷裂是魯中隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷的分界斷裂帶，在中生代以后開(kāi)始活動(dòng)，始新世—中新世為齊廣斷裂強(qiáng)烈活動(dòng)期，并伴有火山活動(dòng)，主要為玄武巖（山東省地質(zhì)調(diào)查院，2016）。齊廣斷裂帶也是一條第四紀(jì)仍在活動(dòng)的斷裂帶，其活動(dòng)期長(zhǎng)，斷面陡，切割深度大，不僅可以誘發(fā)巖漿活動(dòng)，同時(shí)為地幔巖漿房氦氣向上釋放提供了有效通道。而這些深大斷裂往往伴有多條張性次級(jí)斷裂構(gòu)造，為氦氣進(jìn)入儲(chǔ)層提供了運(yùn)移通道和儲(chǔ)存空間。

3.3 圈閉條件

有效儲(chǔ)集空間及物性高值區(qū)是油氣聚集的基本條件（曹曉峰等，2021）。區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層較為發(fā)育，除沙一段為生物礁儲(chǔ)層外，其余皆為砂巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層條件十分有利。區(qū)內(nèi)氣藏蓋層由泥質(zhì)巖類(lèi)組成，包括5套蓋層：①明化鎮(zhèn)組底部-館陶組頂部泥巖。②館陶組底部或下部泥巖。③東營(yíng)組頂部泥巖。④沙一段頂部泥巖。⑤沙三段下部泥巖。

濟(jì)陽(yáng)坳陷自基底到沉積蓋層，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多期沉積后，在不同層系中形成了多種不同類(lèi)型的圈閉，在平面上成排成帶分布，縱向上鱗次櫛比。其圈閉類(lèi)型主要為構(gòu)造、地層、巖性和混合型圈閉。

3.4 氦氣成藏模式

3.4.1 氦氣來(lái)源

氦氣藏中如有高份額的幔源組分存在，說(shuō)明在沉積殼層和地幔之間有幔源揮發(fā)分可以運(yùn)移的通道，而且這種通道至今應(yīng)保持連通（徐永昌，1997）。據(jù)分析認(rèn)為，花溝地區(qū)部分氦氣來(lái)源于古近紀(jì)以來(lái)的火山-巖漿活動(dòng)，火山通道是提供無(wú)機(jī)氣體的主要源泉。該區(qū)上地幔隆升過(guò)程中，周期性的地殼運(yùn)動(dòng)不斷將幔源以CO2為主的無(wú)機(jī)氣體釋放到下地殼中，形成CO2初始富集區(qū)（低速異常體）。氦氣常伴生于無(wú)機(jī)成因的CO2氣藏中（郭占謙等，2000；李玉宏等，2016），富含氦氣的低速體被本區(qū)深大斷裂（齊廣斷裂）貫通，并隨地殼運(yùn)動(dòng)發(fā)生周期性釋氣，進(jìn)而進(jìn)入斷裂通道系統(tǒng)向上運(yùn)移。

3.4.2 氦氣運(yùn)移

花溝-高青斷裂為高青平南斷裂的西段，是研究區(qū)的主要斷裂。根據(jù)研究區(qū)經(jīng)花501井的近南北向地震剖面認(rèn)為，無(wú)機(jī)成因的非烴類(lèi)氣體CO2、N2和He主要是以花溝-高青斷裂為通道進(jìn)行垂向運(yùn)移（圖8）。齊廣斷裂為研究區(qū)南部貫穿下地殼深大斷裂，其可與下地殼氦氣初始富集區(qū)（低速異常體）連通，并進(jìn)一步與花溝-高青斷裂構(gòu)成深部氦氣向上運(yùn)移的通道系統(tǒng)（圖9）。另外，齊廣斷裂帶向東延伸，并與郯廬斷裂帶相匯，可能是氦氣運(yùn)移的又一重要通道（圖1）。

3.4.3 有效圈閉

花溝地區(qū)在多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多期沉積作用下，古近紀(jì)以來(lái)發(fā)育了斷層圈閉、巖性圈閉和背斜圈閉等多種圈閉類(lèi)型。花501井氣藏位于新近系明化鎮(zhèn)組底部，其砂巖、泥巖互層形成多套氣藏儲(chǔ)蓋組合，屬于典型的巖性圈閉類(lèi)型。

3.5 有利目標(biāo)區(qū)

本區(qū)有較充足的氣源、相對(duì)完整的斷裂構(gòu)造運(yùn)移通道系統(tǒng)及良好的儲(chǔ)蓋圈保條件，具有較好的氦氣成藏潛力。研究認(rèn)為，本區(qū)氦氣成藏有利區(qū)是深部新生代巖漿活動(dòng)活躍，并與花溝-高青斷裂相連通的相關(guān)系列圈閉發(fā)育區(qū)（圖10）。

圖8 花501井近南北向地震剖面圖（資料來(lái)源于勝利油田）Fig.8 Nearlynorth-south seismic profile of Well Hua 501

1.地層代號(hào)；2.地質(zhì)界限；3.不整合面；4.斷裂；5.古火山通道；6.斷層方向；7.氣體運(yùn)移方向；8.氦氣；9.上地殼；10.下地殼；11.上地幔；12.低速體；13.鉆井；14.巖漿房；15.氦氣富集區(qū)；16.有利目標(biāo)區(qū)圖9 花溝地區(qū)氦氣成藏模式圖Fig.9 Helium accumulation model diagram in Huagou area

1.古近系東營(yíng)組；2.古近系沙河街組；3.古近系孔店組；4.侏羅系三臺(tái)組；5.新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖；6.斷層；7.有利目標(biāo)區(qū)；8.鉆井圖10 花溝地區(qū)氦氣成藏有利目標(biāo)區(qū)預(yù)測(cè)圖Fig.10 Prediction map of favorable target areas for helium accumulation in Huagou area

4 結(jié)論

（1）基于區(qū)域地質(zhì)資料研究和對(duì)花501井的典型分析，認(rèn)為研究區(qū)氦氣屬于殼?；旌蠠o(wú)機(jī)成因型，具備氦氣源、運(yùn)移通道和圈閉條件，具有較好的氦氣成藏前景。

（2）提取了研究區(qū)氦氣成藏主要控制因素：花溝-高青斷裂與研究區(qū)南部的深大斷裂（齊廣斷裂）在深部連通，構(gòu)成了氦氣運(yùn)移的主要通道；多期構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致發(fā)育多類(lèi)型圈閉；多期巖漿事件提供了充足氣源。

（3）初步建立了區(qū)內(nèi)氦氣成藏模式，并推斷花溝-高青斷裂和新生代巖漿巖分布耦合區(qū)是研究區(qū)氦氣成藏的有利目標(biāo)區(qū)。