渤海海域古近系油气藏高含量CO₂的成因及成藏期研究：以秦南凹陷Q油气田为例

田立新¹，杨海风¹，王德英¹，王波²，王粤川¹

(1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津，300452；

2. 中海油能源发展股份有限公司 钻采工程研究院，天津，300452)

摘要：基于天然气组分、稳定碳同位素及氦同位素等地球化学资料，认为渤海海域秦南凹陷Q东营组凝析气藏内高含量CO₂的成因类型为火山幔源型无机成因气。进一步综合应用流体包裹体分析和激光拉曼成分测试技术，对CO₂的成藏期进行探讨，指出CO₂与烃类应为同期充注的，且至少存在两期充注的历史，但其充注时间均晚于5.1 Ma，具有典型的“多期充注，晚期成藏”特征，因此，应加强新近纪上新世以来的以断层活动性和火山岩浆活动为主要内容的构造精细研究，这将有助于深化对渤海海域CO₂的分布和富集规律的认识。

关键词：CO₂；成因类型；成藏期次；渤海海域

中图分类号：TE121          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)02-0673-06

Study on Genesis of high contents of CO₂ and hydrocarbon accumulation period in Paleogene, Bohai Sea:An example in Q oil-gas field of Qinnan Sag

TIAN Lixin¹, YANG Haifeng¹, WANG Deying¹, WANG Bo², WANG Yuechuan¹

(1. Tianjin Branch, China National Offshore Oilfeild Corporation Limitied, Tianjin 300452, China;

2. Drilling Engineering Research Institute, CNOOC Energy Technology & Service Limited, Tianjin 300452, China)

Abstract: The high contents CO₂ within the condensate gas reservoir of the Q oil&gas field dongying formation were identified as volcanic mantle-source inorganic gas, based on gas components, stable carbon isotope and helium isotope etc geochemical techniques. A further study on the stage of CO₂ accumulation by integrated application of the fluid inclusion technique and Raman spectral techniques shows that CO₂ and hydrocodone were charging synchronization, more than two phase of charge activities were recognized, both of which were earlier than 5.1 Ma and with late period charging characteristics. Therefore, fault and volcanic related tectonic activities should be paid more attention to, which helps to understand the distribution and the accumulation regularity of CO₂ in Offshore Bohai.

Key words: carbon dioxide; genetic type; pooling episode; Bohai Sea

CO₂是天然气中最常见的非烃气体组分之一，几乎所有的天然气中都含有CO₂，一旦CO₂富集到一定的程度(体积分数大于60%)，则可成为珍贵的非烃气资源，可被广泛地应用于石油开采、工业、农业、气象、医疗食品等领域；但同时由于受到现有开发生产条件的限制，在以烃类气体为主要勘探和开发对象的阶段，大量CO₂的发现也会给勘探、开发工作带来较大的困难和挑战。因此，开展CO₂成因、成藏机制及分布规律等方面的综合研究具有重要的现实意义和科学意义，并已逐渐成为大家研究和关注的热点^[1-5]。渤海海域各含油气构造中同样也普遍存在CO₂气体，但其体积分数较低，一般小于5%，一直未引起大家的关注和重视。随着近年来一些大型高CO₂含量的凝析气藏的相继发现，有关渤海海域CO₂的成因、成藏及分布规律的研究显得日益重要。本文作者对渤海海域秦南凹陷Q油气田内高含量的CO₂成因及其成藏期进行研究，以期为下一步寻找烃类气时能有效避开高含CO₂区域、或有目的性寻找CO₂等工作有所启示和帮助。

1  区域地质概况

Q油气田位于渤海海域西北部秦南凹陷的东南侧、石臼坨凸起东倾末端北侧边界断层下降盘的断坡带上，背山面凹，构造位置有利(见图1)。在秦南1号断层和该构造之间存在有小型的次级洼陷。该构造地层发育完整，钻揭古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组。油气在东营组、馆陶组和明化镇组均有分布，其中以东营组为主，为一带油环的凝析气藏。钻井资料证实，构造区烃源岩发育，有沙河街组三段(沙三段)、沙河街组一、二段(沙一、二段)和东营组等三套烃源岩^[5]。

图1  Q油气田区域位置图

Fig.1  Regional location map of Q oil and gas field

2  CO₂成因分析

Q凝析气藏内CO₂的含量明显占有优势，其体积分数分布在43.93%~90.61%之间，平均体积分数为57.82%；其次为CH₄，其体积分数分布在7.40%~46.75%之间，平均体积分数为34.77%；N₂的体积分数较低，为0.26%~0.58%，平均体积分数为0.46%(见表1)。鉴于CO₂成因类型多样，可分为有机成因气和无机成因气，并且一般认为当CO₂ 含量大于60%时为无机成因的，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^[3-4]。显然，仅从CO₂含量的分布特征来看，尚无法准确判定该凝析气藏中CO₂的成因。

由于碳同位素具有良好的继承性，因此，不同成因来源的CO₂的碳同位素值也不相同。如戴金星认为有机成因CO₂ 的小于-10‰，主要为-30‰~-10‰；而大于等于-8‰则属于无机成因CO₂，且主要在-8‰~-3‰^[5]。如表1所示，所测得的该凝析气藏内2个样品的为分别为-6.40‰和-5.20‰，据此可判定该凝析气藏内的CO₂应当划分为无机成因气。并且从甲烷及其同系物的碳同位素特征来看，均表现为δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃＞δ¹³C₄的分布特征，即在C₃和C₄处略微发生倒转，意味着有机成因的烃类气可能存在着无机成因的气源混入现象，为CO₂成因类型的判定提供了较好的佐证。

另外，He具有³He和⁴He 2种稳定同位素，不同的地质构造环境中He同位素丰度比值(即³He与⁴He同位素丰度的比值)具有很大差别：大气中为1.4×10^-6(记为R_a)；地壳中为2×10^-8；上地幔或MORB端元值为1.1×10^-5((8~8.5)R_a)；下地幔或地幔柱中大于8~8.5 Ra^[6-9]。因此，³He与⁴He同位素丰度之比可用于天然气成因的鉴别，并可采用样品氦(R)和大气氦(R_a)的同位素比值(R/R_a)来表示气样的氦同位素特征，当R/R_a＞1时即可认为有幔源氦的混入。从实测的2个天然气样品来看，该凝析气藏内天然气具有较高的³He和⁴He，R/R_a分别为5.49和6.21(表1)，表明天然气中有大量幔源氦混入的特征，即该凝析气藏内有大量幔源物质的进入。

表1  Q凝析气藏天然气地球化学特征

Table 1  Geochemical characteristics of natural gas in Q condensate gas reservoir

综上所述，可根据CO₂的碳同位素组成及伴生稀有气体氦同位素组成的特征, 综合判定Q凝析气藏内CO₂属于火山幔源无机成因气(见图2)。

3  基于流体包裹体分析的成藏期次

3.1  流体包裹体特征

在3 205~3 421 m深度段选取11个壁心样品进行了流体包裹体观察，并利用LINKAM THMS 600型冷热台,在温度20 ℃和湿度30%的条件下对与烃类包裹体相伴生的盐水包裹体进行了显微测均一温度(T_h)的系统分析，共获测温点90个。

在显微镜下观察，Q凝析气藏主要发育两期烃类包裹体。

第1期主要为主要单一相液烃包裹体，发育于石英次生加大早-中期，包裹体沿石英次生加大边中-内侧成带状分布。包裹体在单偏光下通常呈黑色、褐黑色、灰黑色等色调，形状以不规则为主，少数形状规则，为球状、椭球状，包裹体直径多数较大(4~10 μm)，荧光下呈深褐色、褐黄色，部分显示弱黄色及浅黄色荧光(图3(a))。

第2期发育于石英次生加大期后，包裹体沿切穿石英碎屑的微裂隙成带状分布，包括液烃包裹体、气液烃包裹体和气态烃包裹体。包裹体中的气液烃包裹体较多，与单一相液烃包裹体相比，形状较为规则，部分呈不规则形状，包裹体大小由几微米到十几微米。它们主要赋存于石英颗粒的微裂隙和方解石胶结物之中，有时与液烃包裹体共存，单偏光下无色透明或呈浅黄色，气态烃部分为黑色，不发荧光，荧光下呈黄色、淡黄色、黄白色，甚至呈蓝白色(图3(b))。另外，可见单一相气态烃包裹体，单偏光下呈黑色、褐黑色，形状极不规则，粒径较大，多数在5 μm以上，甚至10~20 μm，赋存于石英微裂隙和碳酸盐胶解物以及方解石细脉中，荧光下呈黄色、黄白色(图3(c))。

图2  划分CO₂成因类型的R/R_a与关系图^[1]

Fig.2  Plot of R/R_a vs for division by genetic type of CO₂

此外，在石英颗粒内微裂隙和穿石英颗粒裂纹中，可见到大量CO₂包裹体，形状以不规则为主，少数为球状、椭球状，粒径较大，多数在5 μm以上。单偏光和荧光下均呈黑色，且部分CO₂包裹体与两期主要的烃类包裹体均有明显的伴生关系(图3(b)和3(d))。

从均一温度分布特征来看，分布在80~180 ℃之间，主要分布在90~140 ℃的区间内，个别样品的均一温度小于90 ℃或大于160 ℃，而一般认为大于160 ℃的均一温度为异常值，无实际地质意义^[10-11]。另外，均一温度的分布明显存在着100~110 ℃和120~130 ℃ 2个峰值区，同样表现出研究区具有2次主要充注期的特征(见图4)。

3.2  激光拉曼光谱分析

激光拉曼光谱技术是一种先进的非破坏性流体包裹体测试技术，利用拉曼光谱对流体包裹体的拉曼活性成分进行定性分析，只需清楚特征拉曼峰位置即可对其成分进行判断，能够区分出CH₄，C₂H₂，C₂H₄，C₂H₆，C₃H₆，C₃H₈，C₄H₆和C₆H₆ 8种有机组分，以及H₂S和CO₂ 2种非烃组分。因此，利用借用激光拉曼光谱资料可以用来进一步准确厘定CO₂与烃类气的伴生关系^[12-13]。借助JY公司生产的显微激光拉曼仪(RM-1000，用514.32 μm 激光，测试时间控制在1 s)，对发育于贯穿石英颗粒裂纹内和石英颗粒微裂隙内的CO₂包裹体及发黄色、黄白色荧光的液相、气相烃类包裹体进行了测试分析。测试结果表明：这些包裹体多为含CO₂和CH₄的包裹体，且部分包裹体CO₂相对含量偏高，CO₂与CH₄的峰面积之比在5:2~3:2之间(图5(a))；另有部分包裹体内CO₂相对含量偏低，其相对含量明显低于CH₄(图5(b))，并且在光谱图上同时能够看出高饱和烃的慢峰(±2 000 cm^-1)^[14]。

显然，通过CO₂包裹体与油气包裹体伴生的关系以及激光拉曼分析结果，可以看出Q凝析气藏内高含量的CO₂的充注时期应当与油气是相同的。因此，通过对烃类成藏时期的准确判断，即可间接认识到CO₂的充注时期。

图3  Q凝析气藏储层流体包裹体特征(左图为单偏光照片；右图为UV激发荧光照片)

Fig.3  Characteristics of fluid inclusions in Q condensate gas reservoir

图4  Q凝析气藏流体包裹体均一温度分布特征

Fig.4  Distribution of homogenization temperature of fluid inclusions in Q condensate gas reservoir

3.3  基于流体包裹体均一温度的成藏期分析

流体包裹体均一温度代表了古流体被捕获时的最低温度，将给定现今埋深样品的、与油气包裹体相伴生的盐水包裹体的均一温度“投影”到标有等温线的埋藏史图上，根据所对应时间轴上的值即可判断流体充注储层的时间^[15-17]。如图6所示，Q凝析气藏内油气最早充注时间应晚于7 Ma，结合渤海海域的实际地质演化背景^[18]，可推测该凝析气藏的开始成藏时间应该在5.1 Ma之后，即在新构造运动时期形成的。另外，从所测得的均一温度值及其分布特征来看，多数已超过或接近储层在地史时期所经历的最大的温度，并且其镜下气液比多大于15%，这也是大量深部热流体在晚期快速充注时非均匀捕获的地质响应^[10-11]。

图5  含烃CO₂包裹体激光拉曼光谱特征

Fig.5  Raman spectra of hydrocarbon-bearing CO₂ inclusions

图6  Q凝析气藏成藏时间特征

Fig.6  Forming time of Q condensate gas reservoir

4  结论

(1) Q凝析气藏内CO₂的体积分数较高，分布在43.93%~-90.61%之间，CO₂稳定碳同位素较重，为-6.40‰~ -5.20‰，并且天然气样品具有较高的³He和⁴He，R/R_a为5.49~6.21，反映高含量的CO₂应为火山幔源型无机成因气。

(2) 部分CO₂包裹体与油气包裹体相伴生，并且基于激光拉曼分析技术确定流体包裹体内有CO₂与烃类共存的现象，据此可以推测储层内火山幔源成因的CO₂与烃类气应为同期充注的产物。

(3) Q凝析气藏在成藏过程中至少经历了两期充注，且由于所测得的流体包裹体均一温度多数已超过或接近储层在地史时期所经历的最大温度，表明这两期的充注时间均很晚、时间间隔较短，是短期内快速充注而成的，其整体成藏时间要晚于5.1 Ma，具有典型的“多期充注，晚期成藏”特征。因此，在今后勘探工作中，应加强新近纪上新世以来的以断层活动性和火山岩浆活动为主要内容的构造精细研究，将会有助于深化对渤海海域CO₂的分布和富集规律的认识。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-02-09；修回日期：2012-04-20

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05023-006-002)

通信作者：田立新(1970-)，男，天津人，博士，高级工程师，从事地球物理和勘探目标评价研究；电话：022-25809295；E-mail：tianlx@cnooc.com.cn