渤海海域中部的渤中坳陷是整个渤海湾盆地新近系时期的沉积中心，也是渤海海域面积最大的一个富烃凹陷，自上世纪中叶开始勘探，在凸起浅层新近系发现了多个亿吨级油田，并于本世纪初逐渐转向凹陷深层勘探，在古近系获得了较好油气发现，但发现仍主要以油为主，天然气规模较小且多为溶解气，游离天然气勘探一直没有取得较大突破^{[1, 2]}。近年来在渤中坳陷的秦南凹陷钻探了A构造，并在古近系获得一系列较好天然气发现，天然气储量近百亿方，其中非烃气CO₂超过50%。A气藏的发现不仅具有重要勘探意义，并且高含量的CO₂也给勘探带来了新的课题。因此，针对A气藏高含CO₂天然气的成因和成藏方面的研究显得颇为重要。前人在天然气成因和成藏方面做了大量研究^[1-10]，本文利用天然气组分、稳定碳同位素、氦同位素、流体包裹体组分和均一温度等资料，对A气藏烃类气和CO₂的成因以及成藏主控因素进行了分析，以期对下一步勘探有所裨益。

A构造位于石臼坨凸起东倾末端北界断裂(石北1号断层)的下降盘，南依石臼坨凸起，北临秦南凹陷，背山面洼，构造位置较有利(图 1)。秦南凹陷与渤中坳陷其他凹陷演化类似，经历了古近系断陷期和新近系坳陷期两个阶段，相应沉积了古近系孔店组、沙河街组、东营组、新近系馆陶组组、明化镇组和第四纪平原组。A构造圈闭类型为依附于石北1号断层的断鼻圈闭，圈闭最早于东营组沉积末期就已形成，并且上倾方向与石臼坨凸起中生界凝灰岩和玄武岩对接，圈闭侧封条件较好。该气藏含气层位为东营组三段，其沉积相为来自石臼坨凸起的辫状河三角洲沉积，储层岩性为含砾中砂岩，储层发育且储层物性较好，最大单砂层厚度59.6 m，平均孔隙度为19.2%，平均渗透率为273.5×10^-3 μm²；并与上覆区域分布的东营组厚层泥岩(>200 m)形成了良好的储盖组合。

图 1(Fig. 1)

图 1 A气藏区域位置图

A气藏3口井5个样品的天然气组分分析结果表明，非烃气CO₂较高，分布在43.93%~90.61%之间，平均57.82%，一般亲水性和重力分异作用使得CO₂的含量随埋深减小而降低^{[3, 4]}，但是秦皇岛29气藏CO₂含量纵向分布具有一定非均质性，3井埋深不是最大的样品，其CO₂最高为90.61%；烃类气以甲烷为主，甲烷介于7.40%~44.74%，而重烃气仅为1.73%~9.86%，C₁/C_1~5在0.82~0.85之间，反映为湿气且成熟度不高(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 A气藏天然气地球化学特征

表 1 A气藏天然气地球化学特征

关于CO₂的成因判别，戴金星等早在1986年就提出，CO₂大于60%为无机成因；在15%~60%时以无机成因为主，部分为有机和无机混合成因；小于15%则是无机、有机和混合成因皆有。此后，戴金星于1992年又根据国内外δ¹³C_CO2数据，总结了δ¹³C_CO2对CO₂成因的判别指标：有机成因CO₂的δ¹³C_CO2值小于-10‰，主要为-30%~-10%。；而δ¹³C_CO2值大于等于-8%。则属于无机成因，主要在-8‰~-3‰之间。因此，A气藏内的CO₂应为无机成因气(图 2)。另外，与无机CO₂所伴生的惰性气体携带了地球深部的信息，利用稀有气体氦同位素及其相对比值可以将无机CO₂进一步划分为三大成因类型：壳源型、壳幔混合型和火山幔源型，其中，当氦同位素的R/Ra比值超过2.00，即可认为其为火山幔源型。A气藏所测定两个样品的R/Ra值远大于这个界限，表明其CO₂属于火山幔源无机成因气(表 1)。

图 2(Fig. 2)

图 2 划分CO2成因类型的CO2含量与δ13CCO2关系图版[6]

A气藏两个样品的甲烷碳同位素值为分别为-36.70‰和-37.10%。，乙烷、丙烷和丁烷碳同位素值相对较高，介于-27.80‰~-28.80‰之间(表 1)。相对于甲烷碳同位素，乙烷碳同位素具有较强的稳定性和母质类型继承性，受成熟度的影响较小，是区分天然气成因类型的重要指标。根据δ¹³C₁和δ¹³C₂，相关图版表明，秦皇岛29气藏烃类气以油型气为主(图 3)，综合烃类气伴生原油和烃源岩地球化学特征分析^[7]，烃类气来自邻近洼陷的沙一、二段和沙三段烃源岩。并且，由于来自不同烃源岩天然气的混合，碳同位素发生单项性倒转δ¹³C₃>δ¹³C₄，但同位素倒转值不大，仅为0.2%~0.4%。

图 3(Fig. 3)

图 3 划分烃类气成因类型的δ13C1与δ13C2关系图版[1]

众多研究表明，断陷盆地晚期断裂活动性差或者不活动是天然气富集的主控因素之一^{[1, 2, 10]}，而受新构造运动影响，渤中坳陷新近系一第四纪断层活动强烈，A构造遮挡断层石北1号断层长期继承性活动，不利于天然气的保存(图 4)。但是，A气藏1井生烃史模拟结果表明，A构造沙河街组顶(沙一段顶)在约5.1 Ma时R_o>0.6%，现今成熟度最高，R_o>0.7%，烃源岩具有晚期生排烃的特点(图 5)。进一步对A气藏3 205~3 421 m井段砂岩流体包裹体进行了观察，并对与烃类包裹体相伴生的盐水包裹体的均一温度进行统计，可以识别出特征比较明显的两期包裹体，且均一温度有两个连续分布的温度区间：100~110℃和120~130℃，而大于160℃的均一温度为异常值，均一温度区间与包裹体期次相一致(图 6)。进一步根据单井热史模拟结果(图 5)，可以确定A气藏最早充注时间应晚于6.0 Ma，结合渤海海域的实际地质演化背景^[1]，可推测该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，并且由于大量深部热流体在晚期快速充注，均一温度值多数已超过或接近储层在地史时期所经历的最大的温度。因此，秦南凹陷烃源岩晚期生成的油气通过断层或直接与砂体接触向A构造晚期快速充注成藏，有利于天然气的保存(图 4)。

图 4(Fig. 4)

图 4 A气藏成藏模式图

图 5(Fig. 5)

图 5 A气藏1井生烃史模拟图

图 6(Fig. 6)

图 6 流体包裹体均一温度分布特征

此外，利用激光拉曼光谱对流体包裹体的成分进行分析后表明，CO₂包裹体与两期主要的烃类包裹体均有明显的伴生关系，且部分包裹体CO₂相对含量偏高，CO₂与CH₄相对含量的比值大约在5：2~3：2之间，说明CO₂的充注时期应当与油气是相同的(图 7)。

图 7(Fig. 7)

(3井，3 309m，a：激光拉曼光谱图；b：UV激发荧光照片) 图 7 含烃CO2包裹体激光拉曼光谱特征

大量研究结果表明深大断裂和古火山通道是幔源无机CO₂在盆地中成藏的主要输导通道，尤其是前者^[4-8]。深大断裂作为幔源无机CO₂成藏的有效输导体系必须具备两个条件，一是断裂切割地层深度很大，通常切穿基底或更深，甚至到达地壳深部，能够沟通深部的幔源无机CO₂气源；二是活动强度较大，具有垂向输导作用，能够将深部的幔源无机CO₂气输导至浅层。

A气藏紧邻石臼坨凸起石北1号边界大断裂，该断裂长期继承性活动、切割地层深度大，能够沟通深部的幔源无机CO₂气源，故断层的活动性决定了CO₂的运移和聚集。然而，对断层活动性的研究只有在圈闭形成后的天然气充注时期才有意义，前已述及A构造圈闭于东营组沉积末期形成，因此，仅对馆陶组沉积以来的断裂活动性进行了研究。结果表明，馆陶组沉积时期石北1号断层活动速率较低，断层活动速率＜10 m/Ma，而明化镇组沉积时期断层活动性较强，断层活动速率最大可以达到25 m/Ma(图 8)。进一步结合A气藏CO₂平均含量分布特征以及充注时期可以推测(表 1、图 7)：由于石北1号断裂沿走向活动强度的变化，垂向上的输导与封闭性也发生相应的变化，CO₂主要沿断层活动速率相对较大的位置输导上来，而断层活动速率＜10 m/Ma处断层主要起封堵作用，油气及CO₂均在此处成藏。因此，A气藏在馆陶组沉积时期，石北1号断层活动速率很低，处于封堵状态，CO₂无法充注；明化镇组沉积时期，断裂活动速率较馆陶组沉积期高，CO₂进行充注，并由此导致在埋深相近的情况下，越靠近断层速率较大(>10 m/Ma)，井区的CO₂含量越高。该时期也是油气晚期快速充注的时间，油气主要通过低部位断层以及与成熟烃源岩接触的砂体运移至圈闭中成藏。后期在A气藏东侧钻探发现了B气藏，该气藏同样依附于石臼坨凸起另一条边界断层——石北2号断层，但是从钻井结果看，天然气中CO₂含量不到10%，主要是因为该构造处断层活动速率仅为5 In/Ma左右，并且与A气藏相比远离断层活动速率较大处(图 8)，故天然气中CO₂含量较低，进一步印证了断层活动速率对CO₂运移和聚集的控制。

图 8(Fig. 8)

图 8 石臼坨凸起边界断层馆陶组、明化镇组沉积期活动速率图

通过以上研究认为：A气藏中的CO₂为火山幔源型无机成因气，烃类气为来自邻近洼陷沙河街组的油型气；A气藏的形成主要受以下因素控制：秦南凹陷烃源岩晚期生排烃，油气晚期快速充注成藏有利于天然气的保存，并且凸起边界断裂活动的差异性控制了CO₂的运移和聚集，CO₂主要沿断层活动速率较大处输导上来，而断层活动速率＜10 m/Ma处断层起封堵作用，油气及CO₂均在此处成藏；今后勘探中应重视深大断裂的活动性对天然气中CO₂含量及其分布的影响。