沾化凹陷孤西深洼带岩浆活动及天然气成因分析

Science Journal of Northwest University Online Mar. 2010，Vol.8，No.2

沾化凹陷孤西深洼带岩浆活动及天然气成因分析

万丛礼1，李 敏1，毕义泉2，金 强3，周瑶琪3，陈 勇3，杨志伟

1

（1胜利油田有限公司 油气集输总厂地质所，山东 东营 257000；2 胜利油田有限公司 油气开发处；3 中国石油大学（华

东） 地球资源与信息学院，山东 东营，257062）

摘 要：沾化凹陷孤西深洼带天然气烷烃碳同位素很重，一些人认为它们是来自深部或东部的煤成气。通过地质和测井等方法，发现该区中生代晚期－新生代早期发生过三次较强的岩浆侵入活动；岩心观察及化学分析证实，该区沙四段一些源岩烘烤严重及成熟度非常高（Ro达3.75％）。结合同位素分馏原理和成藏动力学等，认为这些天然气是自生的油型裂解气，而非它源煤成气，很重的烷烃碳同位素是新生代早期岩浆侵入使沙四段源岩过成熟及生烃的结果。 关 键 词：孤西深洼带；岩浆活动；天然气；油型气；烷烃碳同位素

中图分类号：TE122 文献标记码： A 文章编号：000-274X(2010)0427-07

Research on magmatic activity and origin of gas in Guxi deep

sag, Zhanhua depression

WAN Cong-li1,LI Min1, BI Yi-quan2,JIN Qiang3,ZHOU Yao-qi3,CHEN Yong3,YANG

Zhi-wei

(1.Petroleum collecting and transporting factory of Shengli oil field, Dongying 257000, China; 2. Petroleum developing department of Shengli oil field, Dongying 257000, China; 3 Earth resource and information institute of Chinese Petroleum University, Dongying

257000, China)

Abstract: Bacouse of alkane carbon isotopes very heavy, the gas in Guxi sag of Zhanhua depression was thought as coal-type gas from the deep or the eastern coal rocks. By the method of geology and logging, it was found there that were ever three times intensive magma intruding from later Mesozoic to early Cenozoic in the area. The results of geology and geochemical analysis shows that some source rocks of Member 4 of Shahejie formation were baked seriously and its maturity was very high (Ro achieving 3.75％). According to reservoir-forming dynamics and isotope fractionation theory, it was thought that the gas should belong to oil-type gas cracked from itself and not coal-type gas from other place, whose heavy carbon isotopes were attributing to high temperature of the intruding rocks which made the source rocks mature excessively.

Key words：Guxi deep sag, magmatic activity, oil-type gas, alkane carbon isotope

济阳坳陷天然气比较缺乏，目前已探明的均为小型的浅层气藏，无法满足日益增长的需要。只有寻找到储量大、产能高和效益好的中深层气才能扭转胜利油田供气紧张的局面。沾化凹陷孤西深洼带天然气丰富、性质异常、分布复杂，虽然发现十余年，但成因和气源争议很大，制约了进一步勘探。本文通过地球化学特征，结合侵入岩对源岩生烃演化作用等，分析了沾化凹陷孤西深洼带天然气成因和气源。希望本文

_______________________

收稿日期：2009-11-16

审 稿 人：任战利，西北大学地质系教授

对该区天然气勘探以及火成岩区油气成因研究有一定的指导作用。

1 地质概况

渤南洼陷位于沾化凹陷中部，是埋藏最深的次级洼陷，面积约600km2。构造上具有北陡南缓、东陡西缓之特征，其北、南、西和东分别与埕东凸起、陈家庄凸起、义和庄凸起和孤北潜山相接。孤西深洼带位于渤南洼陷东部以及孤西断裂下降盘（图1）。

埕埕 东 凸 起东渤601层断孤渤深6-6义155渤古402渤渤深6孤渤古4义135渤深3北潜西南渤深5义171义170义17义115渤古401义121义134洼渤深8山断义120义132带层义172渤深4陷渤古1义136层01km断层闪长玢岩煌斑岩石英正长岩断北孤孤 凸 岛起 图1 沾化凹陷孤西地区沙四段构造及侵入岩分布图

Fig.1 Distribution of structure and intrusive rocks of Es4 period in Guxi area

早第三纪以来，渤南洼陷一直是沾化凹陷的沉降中心之一，沉积了近4000m厚的下第三系，主要发育沙河街组沙三段(Es3)和沙四段(Es4)两套烃源岩。其中，沙三段属于深湖－半深湖相，为一套深灰色、灰色泥岩、油页岩组合，烃源岩最大厚度1000m，该套源岩成熟度较低，以生油为主；沙四段沉积末期为封闭—半封闭咸水浅湖（深湖相），其岩性组合为灰色泥岩、灰质、膏质泥岩、膏盐、生物灰岩、灰岩等，地层厚度0～1000m。该套源岩成熟度较高，以生气为主。渤南洼陷是沾化凹陷油气最富集的地区之一，研究区及附近已发现了渤南、孤岛、埕东和罗家等多个大油气田。

2 侵入岩特征

火成岩（及深部热流体）发育是裂谷盆地的一大特色。按产状，火成岩分为侵入岩、喷出岩和火山碎屑岩。其中，侵入岩形成于地下封闭环境，其携带的大量深部热能完全作用于围岩，所以侵入岩就像巨大的加热器或气化炉，大大提高了周围地层温度。温度是源岩生烃演化和油气生成的主导因素，它不仅大大提高源岩的生烃速度和生烃量，而且对油气性质也有重要影响[1,2]。

由于处于孤西、孤北和埕南三条深大断裂之间，而且中生代以来经历了印支期挤压、燕山期拉张以及喜山期的挤压转拉张构造作用，所以研究区及其附近岩浆活动比较强烈。通过地质、测井资料和同位素分析等，确定了孤西地区侵入岩的类型、空间分布和形成时间，其类型包括闪长玢岩、煌斑岩和石英正长岩（见图1）。

闪长玢岩：浅灰色，主要成分为角闪石和辉石，基质为斜长石，斑状结构，块状构造。闪长玢岩分布

- 2 -

于孤西断层上盘潜山带的石炭－二叠系和侏罗系，单层厚度较薄（一般在0.5～2m之间），最大累计厚度12m。闪长玢岩k-Ar同位素年龄为83.87±1.67Ma（表1），即形成于中生代晚期。

表1 孤西深洼带及周围侵入岩K-Ar同位素分析结果表

Tab.1 Analytical results of the intrusive rocks K-Ar isotope in Guxi deep sag and its neighbor

样品号 孤北古1 义136

岩石类型 闪长玢岩 煌斑岩

表观年龄(Ma) 83.87±1.67 112.98±1.59

形成时代 K1末期 K2早期

测试单位：中国石油勘探开发研究院地球化学室，2006年

煌斑岩：灰黑色，斑状结构，致密块状构造，主要成分为斜长石和黑云母；煌斑岩主要分布于渤深6－渤深5－义155井一带，东西最长约8km，南北最宽约4.5km，厚度中心位于渤601和渤深6-6井一带（最厚达350m/4层）。侵入层位主要为奥陶系、石炭-二叠系和侏罗系，其k-Ar同位素年龄为112.98±1.59Ma（表1），也形成于中生代晚期。

石英正长岩：浅肉红色－灰白色，中粗粒半自形结构，块状构造；主要成分为碱性长石、石英、斜长石和少量角闪石。石英正长岩分布于南部的渤深4－渤古1－义120井区和北部的渤深3井区，最大厚度。另外，研究区西位于渤古1－义120井附近，最厚达50m/4层；主要发育层位为沙河街组沙四段（Es4）

侧的罗家地区沙三段（Es3）泥岩中发育一辉长岩体，面积9.1km2，最大厚度达250m，k-Ar同位素年龄为12-32Ma－形成于东营组沉积时，估计与石英正长岩形成时间相近。

综上所述，研究区中生代晚期－新生代早期发生3次强烈的岩浆侵入活动，这些侵入岩主要沿孤西断裂分布，且在断裂南北两端（与埕东和孤北断层交汇处）最为发育，表明孤西断层是岩浆活动的主要通道。

研究区侵入岩与围岩多呈整合接触，且围岩主要为暗色泥岩（包括泥灰岩），如义120井石英正长岩累计厚达44m/16层－与泥质围岩呈互层状。密切的空间关系决定了侵入岩对源岩生烃热演化作用不可忽视，侵入岩也是研究区油气成因深入研究不可回避的因素。

3 天然气特征及成因分析

孤西深洼带主要发育沙四段（Es4）和沙三段（Es3）两套湖相泥质烃源岩，其有机质类型均为Ⅰ和Ⅱ1。Es3源岩成熟度较低，以生油为主；Es4源岩成熟度较高，以生气为主。

研究区天然气富集、性质异常、成因和气源争议很大，富集规律认识不清。该区天然气产状差别很大。其中，深洼带中部主要发育气层气藏，如渤深8、渤深5和义115井等；而洼陷南北两端发育气顶气藏，如渤深3和渤深4等井（见图2）。

该区储层主要为砂岩，其次为泥岩或泥灰岩裂缝储层（侵入岩高温高压作用而成），如渤深3和渤深5等井，其中渤深5井裂缝泥岩储层厚达20.4m/4层，且含气性较好，日产天然气3530m3。

3.1 二氧化碳特征

二氧化碳是天然气中最主要的非烃组分，对天然气成因研究具有重要意义。二氧化碳按成因分为有

- 3 -

渤深4义120义115渤深5渤深34000Es2-Es3Es44500深度（m)Es4-EkEs4-Ek气层油层煌斑岩闪长玢岩石英正长岩Mz5000€-OArt5500

图2 孤西深洼带北西－南东向地质剖面图

Fig.2 NW-SE trending profile showing of intrusive rocks and oil-gas in Guxi deep sag

机和无机两大类。无机成因二氧化碳包括幔源和碳酸盐岩分解两种，其含量一般较高（最高可达99％以上），，如松辽盆地的万金塔、渤海湾盆地的平方王和苏北盆地的黄桥二氧化碳且同位素很重（δ13CCO2＞-8‰）

气田等；有机成因二氧化碳是源岩中有机质在演化过程中产生的，其含量一般较低，多在2.0％（甚至1.0％） 以下，且同位素较轻（δ13CCO2＜-10‰）[3]；δ13CCO2在-10‰～-8‰之间，为有机和无机混合成因二氧化碳。

研究区二氧化碳比较复杂。一是含量较高、变化很大（在0.56％～14.19％之间，平均达7.93％），高低相差20多倍；另外，这些二氧化碳之δ13CCO2很重，在-3.22‰～+0.7‰（平均达-2.03‰）（表2），远大于-8‰，属于无机成因。相比之下，研究区西侧的义171井二氧化碳含量为5.15％，且同位素很轻（δ13CCO2只有-14.3‰）－典型的有机成因。

表2 孤西深洼带及附近沙四段天然气分析结果表

Tab.2 Analytical results of gas of Es4 in Guxi deep sag and its neighbor

井号 渤深3 渤深4 渤深5 渤深8 义115 义121 义17 义170 义171

组分 /％

CH4 C2+ N2 CO2 干燥系数

4450.1 70.63 20.9 4.13 0.77 3898.6 79.75 14.25 4.07 0.56 4491.9 80.83 4.41 0.57 14.194680.0 5144.0 84.71 0.41 1.17 13.7 4426.1 91.36 1.55 0.0 7.09 3663 64.82 22.71 2.49 3813 84.44 11.4 3515 81.42 12.9 5.15

0.85 0.95 0.99 0.98 0.74 0.88 0.86

深度 /m

δ13CO2 -3.22

碳同位素 /‰ δ13C1 δ13C2 δ13C3δ13C4-39.13 -26.66 -23.44-23.92

-30.75

-28.2

-28.1 -22.07-20.61-29.8-27.2-24.6

-2.55 -52.66 -35.5 -3.04 -35.93 +0.7 -38.00 -58.1 -52.6 -14.3 -61.2

-20.8

-24.87 -21.83-21.98 -19.32-37.6 -32.2-31.2 -27.3-35.7 -26.4

3.2 烃类特征

虽然孤西深洼带天然气组分以烃为主，但变化很大。其中，CH4在70.63％～91.36％之间，C2+在0.41％～20.9％之间，干燥系数在0.77～0.99之间。另外，这些天然气之烷烃碳同位素很重且变化也很大：δ13C1在-35.5‰～-40.8‰之间，δ13C2在-20.8‰～-30.75‰之间，δ13C3在-19.32‰～-28.2‰之间，属于高成熟气。相比之下，研究区西侧的义17和171等井天然气干燥系数在0.74～0.88之间，碳同位素较轻，δ13C1在-61.2‰～-58.1‰之间，δ13C2在-37.6‰～-35.7‰之间，δ13C3在-32.2‰～-26.4‰之间（表2），属于低成

- 4 -

熟油型气。所以，距孤西断层（或侵入岩）越近，天然气越干、烷烃碳同位素越重、无机二氧化碳含量越高。表明侵入岩对研究区天然气形成和性质具有重要影响。

另据分析，研究区及附近的义170井（沙四段）和渤深6井（奥陶系）天然气之3He/4He很低，分别只有（7.16±0.32）×10-8（R/Ra为0.05）和（5.56±0.26）×10-8（R/Ra为0.04）－远低于幔源上限，为典型的壳源特征

【6】

。即尽管研究区及附近岩浆活动较强，但天然气中没有明显的幔源挥发份加入，间接表明研

究区烃和无机二氧化碳均为壳源的。

3.3 天然气成因分析

如前所述，研究区天然气之烷烃碳同位素很重。按照目前的油型气与煤成气鉴别标准这些天然气是来自于深部

【5】

【4】

，一些人认为

或东侧上古生界的煤成气

【6】

。

表3 天然气成因类型鉴别表 Tab. 2 Distinguishing of origin type of gas δ13C δ13C1 δ13C2 δ13C3

油型气

-30‰＞δ13C1＞-55‰

＜-28.8‰ ＜-25.5‰

煤成气 -10‰≥δ13C1＞-43‰

＞-25.1‰ ＞-23.2‰

作者认为这两种观点都是错误的。首先，来自深部的观点缺乏证据，该区深部是否存在煤层不得而知，即使存在，其生成的气也难以运移至此，因为渤深5和义115等井气藏并不在深部煤成气运移路径上（图2）；另外，沙四段源岩发育，具有很高的生烃压力－外来气很难进入。再者，来自东侧潜山带的观点也与成藏动力学相矛盾。因为潜山带上古生界和侏罗系煤岩埋藏深度较深洼带沙四段浅得多，其生成的煤成气更难以倒灌进入深洼带。

其实，天然气烷烃碳同位素不仅与源岩有机质类型有关，还与源岩热演化密切相关。根据同位素分馏原理，源岩有机质中的12C－12C键能比13C－12C键能小，在热裂解过程中，12C－12C键比13C－12C键断裂机会高8%

【7，8】

，故在低温阶段12C易从母质中分离出来及形成烷烃气。随着温度增高，键能较大的13C

逐渐增多，烷烃气也随之富集13C，即烷烃气之δ13C随源岩成熟度增高而变重。

国内外专家通过大量研究建立了多个煤成气烷烃碳同位素与源岩成熟度回归方程，而油型气方程极少，其中最著名的是Berner等1988建立的。这些方程表明油型气烷烃碳同位素与源岩成熟度之间存在线性正相关关系，即天然气烷烃碳同位素随着源岩成熟度的增高而逐渐变重

【9】

。

δ13C1=15.4lgRo-41.3 （Ro≤2.0％）； δ13C2=22.6lgRo-32.2 （Ro≤2.2％）； δ13C3=20.9lgRo-29.7 （Ro≤2.4％）；

如前所述，研究区侵入岩发育。岩心观察和分析发现研究区沙四段一些暗色泥岩烘烤严重、非常破碎（图3），而且成熟度非常高，如渤深5井在5136m 处暗色泥岩之Ro高达3.75％，义120井在4703m 处源岩Ro达1.95％－侵入岩高温烘烤的结果。

- 5 -

图3 渤深5井烘烤泥灰岩（Es4，5136m） Fig.3 Baked marls in well Boshen 5 (Es4，5136m)

综上所述，研究区沙四段源岩不仅经历了正常的生烃演化，而且经历了侵入岩（主要是石英正长岩）高温烘烤（异常生烃演化）。其中，侵入岩使沙四段源岩过成熟以及碳酸盐岩分解，生成了烷烃碳同位素较重以及无机二氧化碳含量较高的油型裂解气。

4 结 论

岩浆侵入活动为孤西地区提供了大量的附加热能，显著促进了沙四段源岩生烃演化以及油型裂解气生成，并导致天然气性质异常。

参考文献

[1] 万丛礼, 李继红, 裴卫兵, 等. 沉积盆地侵入岩区的“温度场、压力场和地球化学场”与油气的关系[J]. 西安石油大学学报, 2005, 20(1): 26-29.

[2] 冯乔, 汤锡元. 岩浆活动与油气成藏地质条件的关系[J]. 西北地质科学, 1997, 18 (1): 56-61. [3] 王新洲, 宋一涛, 王学军. 石油成因与排油物理模拟[M]. 石油大学出版社, 1996, 136-144. [4] 戴金星. 各类烷烃气的鉴别[J]. 中国科学(B辑), 1992(2): 185-193.

[5] 尹长河, 陈洁, 孙锡文, 等. 渤南洼陷孤西深洼带的煤成气, 油气地质与采收率[J]. 2002, 9 (4): 42-44. [6] 宋明水, 张学才. 济阳坳陷渤南洼陷深层天然气的地球化学特征及成因探讨[J]. 天然气地球化学, 2004, 15(6): 646-649.

[7] STEVENSON F J，BULTER J H. Chemistry of humic acids and related pigments［M］. Berlin: Springer, 1969, 534-557．

[8] BRODSKII A M, KALINENKO R A, LAVROSKII K P. On the kinetic isotope effect in cracking［M］．Journal of Application radiateon isotopes，1959，7：118．

[9] BERNER U, FABER E. Maturity related mixing model for methane, ethane and propane, based on carbon isotopes [J]. Org geochem, 1988, 13(1-3): 67-72.

（编辑 曹大刚）

- 6 -

作 者 简 介

万丛礼，男，吉林抚松人，生于1966年7月。博士后，研究员。1986年毕业于长春工程学院矿产普查与勘探专业；1986－1995年在中国建材地质勘查中心吉林总队工作；1995－1998年在吉林大学攻读硕士学位；1998－2002年在中国石油大学（华东）攻读博士学位；2002－2004年在中科院兰州油气中心及长庆油田从事第一站博士后研究；2005年－今在胜利油田从事第二站博士后研究及工作。先后主持、参与和完成了17个科研课题；发表论文30余篇，完成专著一部；提出并建立了裂谷盆地火成岩区的

“异常高温场、异常高压场和异常地球化学场”，查明了不同火成岩区的油气成因和成藏机制以及富集规律，该研究对火成岩区的油气源追踪、油气资源评价以及勘探开发具有重要意义。

本文引用格式为：

[ ]. 万丛礼，李敏，毕义泉，等. 沾化凹陷孤西深洼带岩浆活动及天然气成因分析[J/OL]. 西北大学学报：自然科学网络版, 2010，8(2)：0427[2010-03-10]. http://jonline.nwu.edu.cn/wenzhang/210009.pdf.

- 7 -