渤海湾盆地CO2气田(藏)地球化学特征及分布

２１、旺古１、友爱村、翟庄子和齐家务ＣＯ：气田（藏），济阳坳陷阳２５、八里泊、平方王、平南、花１７和高青Ｃ０：气田（藏）。除了这些ＣＯｚ含量高于６０％的ＣＯｚ气田（藏）外，渤海湾盆地还有很多高含ＣＯ。的气井，如冀中坳陷留５８井、宁古１井以及黄骅坳陷港西潜山地区的港２３井、港ｌｏ一７井等。本文着重讨论盆地内ＣＯｚ含量高于６０％的气田（藏）的成因及分布规律。

２二氧化碳气田（藏）地球化学特征及成因２．１渤海湾盆地ＣＯ。气田（藏）地球化学特征

表１为渤海湾盆地Ｃ０：气田（藏）天然气组分及碳同位素组成Ｈ－７］。可见，渤海湾盆地ＣＯｚ气田（藏）天然气组分以ＣＯ。为主，含量６７．３５％～９９．５０％；其次为甲烷，含量０．１４％～２６．４３％；氮气含量０．０６％～５．４３％。ＣＯ：的碳同位素组成较重，为一５．９０‰～－－３．３５％０；氦同位素比值Ｒ／Ｒ。（其中Ｒ为样品的３Ｈｅ／４Ｈ馐，Ｒ。为大气的３Ｈｅ／４Ｈｅ值）均不小于２，为２．００～４．４７；４０Ａｒ／３６Ａｒ值为３１７一．－７０３７，黄骅坳陷港１５１井４０Ａｒ／３６Ａｒ值最大，达到７０３７；甲烷碳同位素组成有所差异，其中黄骅坳陷港１５１井甲烷碳同位素组成很重，达到～２８。６０％ｏ，而济阳坳陷ＣＱ气藏的甲烷碳同位素组成较轻，为－－５４．３９‰～一３５．００‰，甲烷及其同系物碳同位素组成均按正序分布（∥３Ｃ。＜伊３Ｇ＜∥３Ｃ３＜伊３Ｃ４）。

图２显示了ＣＨ。含量、ＣＯ。含量、艿１３Ｃ。ｍ值及Ｒ／尺。值间相互关系。由图２ａ可看出，随着Ｃ０：含量增加，ＣＨ。含量减少，几乎呈线性的负相关关系；由图２ｂ和图２ｃ可知，Ｃ０。含量随着艿１３Ｃ。吼值和Ｒ／Ｒ。值变大而增加，呈正相关关系；图２ｄ则显示艿１３Ｃ吼值和Ｒ／Ｒ。值存在正相关的关系，随着Ｒ／Ｒ。值变大，伊３Ｃｃ瓯值也变重。由此可知，ＣＯ：气藏的主要组分及同位素组成密切相关，ＣＯｚ含量、ｄ１３Ｃｃ吼值和Ｒ／Ｒ。值之间互呈正相关关系，而ＣＯ。含量与ＣＨ。含量呈负相关关系。

２．２渤海湾盆地Ｃ０：成因类型

关于ＣＯｚ的成因判别，国内外许多学者都做了研究［８ｑ引。戴金星等早在１９８６年就提出，Ｃ０。含量大于６０％时是无机成因的；含量为１５％～６０％时主要是无机成因，部分是有机和无机混合成因；含量小于１５％时

则无机成因、有机成因和混合成因的皆有［８］。此后，戴２００９年４月胡安平等：渤海湾盆地Ｃ０２气田（藏）地球化学特征及分布１８３

表１渤海湾盆地ＣＯ。气田（藏）天然气组分及碳同位素组成

罄鬻井号层位涮ｍ＃等篙等丽＿导甏≮而４‰０Ａｒ／刚忌蹴资料来源

图２

ＣＨ·含量、ＣＯｚ含量、伊３Ｃｃ０２值及Ｒ／Ｒ。值间相互关系

金星于１９９２年又根据国内外艿１３Ｃｃｏ。数据，归总了艿１３Ｃｃｏ。的判别指标嘲：有机成因ＣＯｚ的ｄ１３Ｃｃｏ。值小于一１０％ｏ，主要为－－３０％ｏ～一１０％ｏ；而艿１３Ｃｃｏ，值大于等于

－８％。则属于无机成因ＣＯ。，主要在一８％０＂－一３％０。无石油勘探与开发·油气勘探Ｖ０１．３６Ｎｏ．２

机成因ＣＯ：中，碳酸盐岩变质成因的ＣＯ。其艿”Ｃｃｏ。值接近于碳酸盐岩的艿１３Ｃ值，在０±３‰左右；火山一岩浆成因和幔源的Ｃ０。其艿”Ｃｃ瓯值大多在一６％０＿４－２‰。据此判断渤海湾盆地Ｃ０：气藏的成因类型，毋庸置疑，气藏中的Ｃ０：均为无机成因，再根据８１３Ｃ。ｏ．值分布特征，即大部分艿１３Ｃｃｏ。值分布在一６‰±２％ｏ范围内，说明绝大部分Ｃ０。为火山一岩浆成因和幔源的Ｃ０：，也可能混有少量热变质成因的ＣＯｚ。

何家雄等根据ＣＯ：的碳同位素组成及伴生稀有气体氦同位素组成的特征，将ＣＯ。又进一步划分为３大成因类型，即：壳源型、壳幔混合型和火山幔源型［１２０１３］，其中壳源型又可分为壳源有机ＣＯ：和壳源型岩石化学成因（无机）ＣＯ：（见图３）。根据图３可以看出渤海湾盆地的Ｃｏ：气藏属于火山幔源无机成因。

圈３根据∥Ｃｃ０２与Ｒ／Ｒａ值判别Ｃ０２成因图版

由表１可知，渤海湾盆地Ｃ０２气田（藏）天然气氦同位素比值Ｒ／Ｒ。较高，为２．ｏｏ～４．４７；４０Ａｒ／３６Ａｒ值也相对较高，除平方王气田平９—３井天然气４０Ａｒ／３６Ａｒ值较低（３１７），接近大气的４０Ａｒ／３６Ａｒ值（２９５．５）外，其余各井天然气４０Ａｒ／３６Ａｒ值均较高，济阳坳陷ＣＯ：气田（藏）天然气４０Ａｒ／３６Ａｒ值最高达到３０００，大部分都大于１０００，黄骅坳陷港１５１井天然气４０Ａｒ／３６Ａｒ值更是达到了７０３７。Ｍａｍｙｒｉｎ等指出，如果有地壳深部流体的加入，天然气３Ｈｅ／４Ｈｅ值和４０Ａｒ／３６Ａｒ值会明显增大心３｜。徐永昌等提出Ｒ／Ｒ。值大于ｌ则说明有明显幔源氦加入，并且研究发现中国东部活动区具有明显高的３Ｈｅ／４Ｈｅ值和相对高的４０Ａｒ／３６Ａｒ值，反映深部物质沿活动带的运移聚集¨引。前人也对该区４０Ａｒ／３６Ａｒ值相对较高的现象进行过研究，认为该区大部分井中天然气的４０Ａｒ／３６Ａｒ高值不可能是由储集层的年代效应引起的，而很可能归因于地幔来源氩的加入或因岩浆侵入而导致地壳岩石释放出的放射性成因４０Ａｒ的加入［４．６］。因此，该区ｃ０２气藏中高的Ｒ／Ｒａ值和４０Ａｒ／３６Ａｒ值说明有幔源物质的加入，为ＣＯ：幔源无机成因提供了进一步的证据。

综上认为，渤海湾盆地黄骅坳陷和济阳坳陷ＣＯｚ气田（藏）均以幔源无机成因为主，可能有少量热变质成因的Ｃ０。混入。

２．３烷烃气成因探讨

从烷烃碳同位素组成特征来看，渤海湾盆地Ｃ０ｚ气田（藏）中的烷烃气成因各有不同。黄骅坳陷港１５１井的占１３Ｃ。值为一２８．６０％０，符合戴金星院士提出的无机成因甲烷碳同位素组成重（∥３Ｃ。＞一３０％０）的特征［９］，且港１５１井附近缺少（高）过成熟煤成烷烃气源［３］，故认为港１５１井的甲烷是无机成因的；戴金星还指出，黄骅坳陷其他Ｃ０：气藏中的烷烃气均具有典型的有机成因特征（艿１３Ｃ。＜一３０％０）［３］。因此，黄骅坳陷存在有机成因和无机成因２种不同类型的烷烃气。

济阳坳陷Ｃ０：气藏烷烃气艿１３Ｃ。值小于一３０‰，且甲烷及其同系物均呈正序分布（艿”Ｃ。＜艿１３Ｃ。＜艿１３Ｃ。＜艿１３Ｃ。），说明烷烃气是有机成因的。除了阳２５井ＣＯ：气藏和高气３井Ｃ０：气藏外，济阳坳陷其他Ｃ０。气藏天然气艿１３Ｃ。值均小于一３２％ｏ，符合戴金星院士提出的油型气艿１３Ｃ。值小于一２８．８‰的标准∞］，属于油型气。阳２５井艿１３Ｃｚ组成较重，为－－２５．６６％ｏ，介于煤成气和油型气判别值中间；高气３井占１３Ｃ。组成较重，笔者认为可能是煤成气和油型气混合所致。由此认为济阳坳陷ＣＯｚ气藏中的烷烃气是有机成因的，并以油型气为主，阳２５井气藏和高气３井气藏可能有煤成气混合。

３二氧化碳气藏分布规律

渤海湾盆地是一个大型裂谷型含油气盆地，黄骅坳陷和济阳坳陷为该盆地新生代断陷，新生代以来经历了古近纪的断陷阶段和新近纪以后的拗陷阶段，并伴随着强烈的岩浆和断裂活动瞳４｜。由上述可知，渤海湾盆地ＣＯ。气田（藏）均为火山幔源型，火山活动及气源断裂体系是控制这类ＣＯ。气田（藏）富集及运聚分布最重要、最直接的两大主控因素。该区存在多期岩浆活动，发育许多深大断裂，这为ＣＯ：富集成藏提供了物质条件和通道。研究发现火山幔源型ＣＯ。气田（藏）的分布与高地温场、断裂分布、岩浆作用以及Ｒ／Ｒ。异常值分布具有规律性关系，理清这些规律可为预测ＣＯ：富集有利区提供依据。

３．１高地温场与幔源型Ｃ０。气田（藏）分布的关系区域地温场是深部构造、断裂活动及岩浆作用等

因素的综合反映，地热梯度和大地热流值均是地温场２００９年４月胡安平等：渤海湾盆地ＣＯ：气田（藏）地球化学特征及分布１８５

的表征值。黄骅坳陷和济阳坳陷地热梯度都明显高于周边隆起带［３］，由图４可见，黄骅坳陷幔源Ｃ０：气田（藏）分布与高地热梯度异常带相对应，均分布在地热梯度大于３．５℃／１００ｍ的区域，其中翟庄子和齐家务ＣＯ。气田更是分布在坳陷内地热梯度最高值（３．９℃／１００ｍ）区域。济阳坳陷具有较高的大地热流背景，现今平均热流值为（６５．８土５．４）ｍＷ／ｍ２［２引。由图５可见，济阳坳陷ＣＯｚ气田（藏）基本分布在大地热流值高于区域平均大地热流值的地区，平方王、平南、阳２５和

圈４黄骅坳陷Ｃ０２气田（藏）分布与地热

梯度及火成岩分布叠合图‘３】

图５济阳坳陷ＣＯｚ气田（藏）与大地

热流等值线‘２５３分布图高青ＣＯ。气田（藏）大致分布在大地热流值为６７～７２ｍＷ／ｍ２的区域，花１７气藏则分布在大地热流值大于７２ｍＷ／ｍ２的区域。可见，幔源无机成因Ｃ０ｚ气田（藏）分布通常与区域内相对高的地温场相对应。

３．２断裂与幔源ＣＯ。气田（藏）分布的关系

无机成因气特别是幔源一岩浆气的分布主要与断裂有关，断裂相交的位置更是高纯度幔源型Ｃ０ｚ气藏发育的有利区。

在黄骅坳陷最深的海河断裂、徐庄子断裂、柏各庄断裂，幔源气的显示并不明显，原因在于它们新生代活动以走滑为主，伸展分量小，开启性差，但当其与北东一北北东向伸展断裂交汇后即成为幔源气上升的有利场所［３］，如：徐庄子断裂和港西断裂交汇部位发现翟庄子Ｃ０：气田；徐庄子断裂和沈青庄断裂交汇部位发现大中旺Ｃ０。气田（包括旺古１Ｃ０ｚ气藏和旺２１Ｃ０ｚ气藏）（见图６）。北东向的港西断裂是新生代伸展性断层，控制了第三纪的沉积，该断层伸展强烈，开启性好，是幔源气上升的有利场所，位于港西潜山中部的友爱村Ｃ０：气田和位于港西断裂西南端的齐家务Ｃ０：气田均主要受港西断裂控制（见图６）。

图６黄骅坳陷ＣＯｚ气田（藏）与断裂分布关系

济阳坳陷的Ｃ０：气田（藏）分布同样与断裂有密切关系，主要分布在北东向、近东西向和北西向断裂的交汇处。郯庐断裂是区内唯一的切割上地幔岩石圈的断裂，这里地幔岩浆活动异常活跃，是幔源岩浆的物质来源。郯庐断裂是济阳坳陷ＣＯ。气田（藏）的间接成气断裂［２６１；阳信断裂和石村断裂以及地幔隆起区上地幔一下地壳张性断裂可能是连接郯庐断裂与本区Ｃ０２气田（藏）的桥梁［２川，是直接的成气断裂；高青一平南、商店一平方王、林樊家、齐河一广饶和郑店一青城等断裂是有利的输气断裂［２６｜。由图７可见，平方王、平南气田

与高青～平南断裂相邻，且距林樊家、商店一平方王断石油勘探与开发·油气勘探Ｖ０１．３６Ｎｏ．２

裂与高青一平南断裂交汇处很近；八里泊气田位于阳信断裂与八里泊断裂的交汇部位；高青气田分布在高青一平南断裂与郑店一青城断裂的交汇处；阳２５气藏位于商店南断裂与商店一平南断裂交汇处；花１７气藏可能与齐河一广饶断裂有关‘２

图７济阳坳陷Ｃ（）２气藏与断裂、火成岩及Ｒ／Ｒ。值分布关系‘３１

３．３火成岩与幔源Ｃ０：气藏分布的关系

对大量不同成分岩浆包裹体的分析表明，无论是基性还是酸性岩浆中的挥发组分均以水和ＣＯｚ为主。因此，岩浆活动总是伴随Ｃｏ：气体的释放，同时岩浆活动也为地壳中碳酸盐矿物的分解提供了热源口９｜，这使得火山活动及火成岩的分布在空间上与ＣＯ：气藏的分布有一定的相关性。渤海湾盆地有多期岩浆活动，气源充足。由图４和图７可见，火成岩的分布与ＣＯｚ气田（藏）的分布具有相关性，但黄骅坳陷和济阳坳陷与Ｃ０：气田（藏）分布密切相关的岩浆活动期次、火成岩类型不同。

在黄骅坳陷，从新生代及中生代火成岩分布与幔源成因ＣＯ：气田（藏）分布叠合图（见图４）可以看出，幔源成因ＣＯ：的分布与新生代岩浆活动关系并不大，而明显受到中生代火成岩分布的控制。中生代火成岩主要沿断裂带分布，于第三纪气藏形成之前活动，因此对该区第三纪无机成因气藏的贡献表现为：与中生代岩浆活动有关的无机成因气早期聚集，在第三纪遭受破坏，其气体再次运移在第三系圈闭中二次成藏；断裂带在新生代继续活动切过火成岩，构造破碎导致岩浆气的二次释放［３］。沿港西断裂带中生代玄武岩发育，大中旺地区中生代花岗岩广泛分布，港西断裂、徐庄子断裂、沈青庄断裂新生代活动强烈［３１，故翟庄子、友爱村、大中旺等ＣＯｚ气田（藏）的形成主要是受到中生代岩浆气二次成藏和二次释放的作用。

由图７可见，济阳坳陷已发现的ＣＯ：气田（藏）也分布在火成岩区及其附近，主要受新生代火成岩控制。除八里泊气田分布于中生代侵入岩发育区外，花１７、阳２５气藏和高青气田都分布于新生代火成岩发育区及附近；而平方王、平南气藏与火成岩呈间接相关关系。平方王、平南气藏分布于高青一平南断层附近，高青一平南断层活动始于新生代早期，始新世早期进入活动的高峰期，在沙河街组沉积期曾引发过浅成侵入岩或玄武岩喷发作用，是幔源气的释气通道，可以让气体运移到距离火成岩岩体稍远的位置聚集成藏口０｜，因此，平方王、平南气藏的形成与新生代岩浆活动仍有密切联系。

黄骅坳陷幔源成因Ｃ０。与新生代火成岩分布关系不大，而主要与中生代岩浆活动相关的无机成因气的二次成藏与岩浆气二次释放有关，可能是因为黄骅坳陷强烈的伸展断裂活动不利于新生代岩浆期内幔源气体的富集。济阳坳陷新生代火成岩分布广泛，尤其是碱性玄武岩分布很广。前人研究指出，碱性玄武岩中ＣＯ。含量最高，碱性岩浆活动区域是ＣＯ。聚集的有利位置［３…，济阳坳陷幔源无机ＣＯ：气藏恰好与新生代碱性岩浆活动密切相关。而从图７可看出，中生代火成岩在该区分布非常有限，且主要发育侵入岩，与ＣＯ：气藏关系不大。

３．４Ｒ／Ｒ。正异常与幔源Ｃ０：分布的关系

壳源和幔源系统中３Ｈｅ／４Ｈｅ（Ｒ／Ｒ。）值的差异为确定幔源物质对地壳系统的入侵程度提供了可能，许多学者利用氦同位素比值证明中国东部存在强烈的幔源氦入侵ｎ“引。戴春森等［３１’３引、张同伟等口３３通过对黄骅坳陷天然气氦同位素的分析指出该区存在强烈的幔源氦入侵，并且幔源氦自断裂交汇带向四周扩散。丁巍伟等Ｄ４’３朝通过对黄骅坳陷港西断裂流体包裹体的地球化学特征研究，发现包裹体中均有幔源氦的侵入，侵入份额受北东向港西断层和北西西向徐庄子断层的控制，氦同位素比值从港西断层和徐庄子断层交汇处向四周减小。孙明良等［３６３通过对济阳坳陷天然气氦同位素组成的研究，认为天然气中氦同位素组成与坳陷内第三纪火成岩分布有十分密切的关系，天然气藏下伏地层或气藏附近有第三纪火成岩分布时，天然气具有较高的氦同位素比值，说明具有明显的幔源氦加入；而在无第三纪火成岩发育的地区，天然气中Ｒ／Ｒ。值较

低，说明仅有很少量的幔源氦的混入。

２００９年４月胡安平等：渤海湾盆地ｃ０２气田（藏）地球化学特征及分布

由表１可知，渤海湾盆地黄骅坳陷和济阳坳陷ＣＯ：气藏中氦同位素比值高，Ｒ／Ｒ。值分布区间为２．ｏｏ～４．４７（标准化的空气尺。值为１．４×１０－６），根据壳一幔二元复合公式可计算幔源氦加入的份额［９］：

ｆＭ＝（Ｒ。一Ｒｃ）／（ＲＭ—Ｒｃ）×１００％

．弋中Ａ——幔源氦份额，％；ＲＭ、Ｒ。——幔源、壳源氦同位素端元值，分别取１．１×１０－５和２×１０一；Ｒ，——样品３Ｈｅ／４Ｈｅ比值。

根据表１氦同位素比值计算黄骅坳陷和济阳坳陷ＣＯｚ气田（藏）幔源氦份额为２５．３２％～５６．８１％，由此说明存在强烈的幔源氦入侵，是幔源一岩浆气入侵的有力证据。并且，由前文已知Ｒ／Ｒ。值与气藏中ＣＯ：含量及其碳同位素组成呈正相关关系，表明ＣＯ。释放和幔源物质供给关系密切。

在空间分布上，幔源成因ＣＯ：气田（藏）与氦同位素比值（Ｒ／Ｒ。）正异常具有密切的对应关系。由图７可以明显看到，济阳坳陷的ＣＯ：气田（藏）均分布在氦同位素比值正异常区内，基本都分布在Ｒ／Ｒ。值大于２．０的幔源氦异常带。而从图８可以看出，黄骅坳陷氦同位素比值与研究区内２条断裂（北东向的港西断裂和北西西向的徐庄子断裂）密切相关，Ｒ／Ｒ。值异常中心位于港西断裂和徐庄子断裂的交汇处，港１５１井Ｒ／Ｒ。值最高，达３．６２。由图９ａ可见，Ｒ／Ｒ。值由港１５１井沿港西断裂向两侧（北东和南西方向）降低，从图９ｂ则能看出Ｒ／Ｒ。值自断裂交汇中心向南东和北西方向降低；同样随着Ｒ／Ｒ。值降低，Ｃｑ含量及其碳同位素值也减小。丁巍伟研究黄骅坳陷港西断裂流体包裹体氦同位

图８黄骅坳陷氯同位素比值分布图眦１

素组成后指出，太１５井位于港西断裂和徐庄子断裂交汇处，显示Ｒ／Ｒ。值正异常，Ｒ／Ｒ。值沿港西断裂自交汇中心向北东向降低，且沿其他方向同样有降低的趋势［３５｜。由此可知，黄骅坳陷翟庄子Ｃ０２气田（港１５１井、太１５井）位于Ｒ／Ｒ。值异常中心，并且Ｒ／Ｒ。值及Ｃ０ｚ含量自断裂交汇中心向四周有降低的趋势，说明ＣＯｚ含量分布与Ｒ／Ｒ。值分布具有相关关系。

由上可知，幔源一岩浆成因的ＣＯ：气藏通常分布在幔源氦高异常带（Ｒ／Ｒ。值大于２．ｏｏ），因此，氦同位素比值（Ｒ／Ｒ。）异常带可作为预测无机成因Ｃ０２气藏的一个指示。

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图９黄骅坳陷地球化学横剖面‘３２１ｌ连井剖面位置见图８）４结论

渤海湾盆地ＣＯ。气田（藏）发育，主要分布在黄骅坳陷和济阳坳陷。气田（藏）中ＣＯ：含量超过６０％，艿１３Ｃｃｏ：组成重，氦同位素Ｒ／Ｒ。值均大于２．００，氩同位

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渤海湾盆地CO2气田(藏)地球化学特征及分布

作者：胡安平， 戴金星， 杨春， 周庆华， 倪云燕， Hu Anping， Dai Jinxing， Yang Chun ， Zhou Qinghua， Ni Yunyan

作者单位：胡安平,杨春,Hu Anping,Yang Chun(浙江大学地球科学系)， 戴金星,Dai Jinxing(浙江大学地球科学系;中国石油勘探开发研究院;中国石油大学(北京)资源与信息学院)， 周庆华

,倪云燕,Zhou Qinghua,Ni Yunyan(中国石油勘探开发研究院)

刊名：

石油勘探与开发

英文刊名：PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT

年，卷(期)：2009,36(2)

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