济阳坳陷花沟地区氦气成藏控制因素探讨——以花501井为例

顾延景，张保涛，李孝军，胡兆国，王小玉，张秋实，曹其琛，郭伟，赵晓博

（1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250013；2.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101；3.中石化胜利油田勘探开发研究院，山东 东营 257100）

氦气作为一种稀有惰性气体，因其化学惰性、分子量小、沸点低、渗透性强及高导热性等特点，是高科技应用领域不可或缺的重要元素之一（李玉宏等，2017）。全球氦气资源分布不均，主要集中在北美洲的美国、加拿大、西亚的卡塔尔、北非的阿尔及利亚、俄罗斯、澳大利亚等国家（张明升，2014）。中国氦气资源相对比较稀缺，国内市场严重供不应求，对外依存度长期保持在95%以上。在郯庐断裂带两侧的含油气盆地发现了多处含氦气的油气藏和非烃气藏（陶明信等，1997），氦气相关研究工作日益引起重视。近年来，关于氦气的勘探研究工作取得了长足的进展，对其来源、运移、封闭等要素的认识更加深入。

济阳坳陷位于山东省北部，属渤海湾盆地。花沟地区为济阳坳陷重要的天然气分布区，以往已开展了大量区域地质调查、区域物化探、油气勘查和基础研究工作。前人在研究区针对以烃类天然气为目标的天然气成藏机制及勘探技术方法研究取得了较好的成果；对区内以甲烷气为主的烃类气来源及烃源岩的分布情况有了较清楚的认识；获取大量数据资料的同时，根据各类指标划分了本区油气藏类型，明确了本区油气成藏序列（郑乐平等，1997）。然而，前人对无机气体成藏与评价研究总体较少，且仅在CO2的成因研究方面进行了较多的探索，对区内几个典型CO2气藏的成因有了较为明确的认识（程有义等，1993）。研究表明，岩浆活动为气藏的形成直接或间接提供气源（戚厚发等，1981；廖永胜等，2001）。总体来说，以往在研究区内对氦气成藏主控因素研究薄弱，对氦气成藏机制认识仍有不足。研究区花501井氦气含量最高达3.08%，且保存了较为完整的钻井资料，可以直接为本次氦气成藏研究提供指示作用。笔者全面收集了区内地质、地震、重力、航磁、钻井气体测试、录井等资料，采用综合分析方法，以花501井为例，对研究区氦气来源、运移通道和圈闭条件进行了系统分析，提取了研究区氦气成藏主要控制因素，对研究区氦气成藏模式进行了初步探讨，以期为研究区及相似地区氦气资源预测提供参考。

1 地质背景

济阳坳陷是渤海湾盆地东南部的一个次级负向构造单元，坳陷东界为郯庐断裂带，北邻埕宁隆起，南邻鲁西隆起区，以近东西向齐广断裂为界，西与临清坳陷相邻。花沟地区位于济阳坳陷南部，其所处的青城凸起及花沟断鼻带位于东营凹陷西南与惠民凹陷东南的结合部位（图1a）。

1.1 地层

研究区由老至新发育奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系（图1c）。古近系由博兴洼陷向青城凸起超覆，仅在凸起北部斜坡和东部边缘形成部分沉积，凸起上缺失古近系，而新近系披覆于整个凸起上。

区内共有7套含气层系: 明化镇组、馆陶组、东营组、沙一段、沙三段、沙四段、孔店组；岩性主要为砂岩和碳酸盐岩；储集层孔隙度普遍大于20%，最高可达34%；渗透率普遍大于100×10-3μm2，最高可达1.353×10-3μm2。

1.2 构造

济阳坳陷是一个中生代、新生代“裂谷型”湖盆，燕山期、喜马拉雅期块断运动控制着湖盆的形成与发展，经历了中生代的反倾块断、古近纪盆倾断陷和新近纪整体坳陷3个发展时期，形成了济阳坳陷多构造层的复式结构和南北不均衡发展的格局。

1.第四系平原组；2.新近系明化镇组；3.新近系馆陶组；4.古近系东营组；5.古近系沙河街组；6.古近系孔店组；7.侏罗系三台组；8.奥陶系马家沟组；9.新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩；10.断层；11.地层界限；12.钻井图1 花沟地区综合地质图Fig.1 Comprehensive geological map of Huagou area

研究区主要发育花沟-高青断裂和多条次级断裂；次级断裂包括一组近东西向断裂带和一组北东向断裂带；以花沟-高青断裂为界，其北为青城凸起，南为花沟凹陷。

在区域上，花沟-高青断裂为高青平南断裂的西段，为北西西向或东西向，延伸长度18 km，南倾，倾角30°～50°，最大落差2 200 m，水平位移3 500 m。剖面上，断面主要呈南倾，具有分段性特征，在凹陷西部表现为铲式正断层，凹陷东部表现为坡坪式正断层。断层切穿新生代大部分层系，下部可到盆地基底，上部到明化镇组，次级断裂与主断裂形成多级“Y”字形组合（图1b）。

在研究区南部分布有齐广断裂，该断裂是一条被第四系覆盖的隐伏断裂带，西起茌平县博平北，经济阳县向东接广南断裂，西与聊城-兰考断裂相交，东与沂沭断裂带相汇，宽5～10 km，由2～3条断裂组成，为阶梯状断裂组合带，东西延长约300 km，走向65°～80°，倾向北北西，倾角60°～80°，是鲁中隆起与济阳坳陷的分界断裂带。

1.3 岩浆岩

本区岩浆活动持续时间长、期次多、范围广。中生代火成岩分布广，厚度大，均为基性岩浆岩。以渐新世末—中新世早期岩浆活动最为强烈。

花沟地区布格重力异常主要由两大异常区组成，以花沟-高青一线为界，其南部为走向近东西的重力低值区，布格重力异常值为-22×10-5～-14×10-5m/s2，由东西向排列的2个局部重力低值区组成，异常变化平缓，局部异常不发育，表明该区火成岩不发育；北部为重力高值区，布格重力异常值为-14×10-5～-6×10-5m/s2，在青城及周边局部异常发育，局部异常范围小，多呈椭圆形，显示该地区火成岩比较发育，沿花沟-高青一线为一重力梯级带，表明断裂构造的发育状况，与花沟-高青断裂带位置基本一致（刘展等，2007）（图2）。

花沟地区磁场以负磁异常为主，分为3个区。中部花沟-马桥镇一带为平静变化的负磁异常区，磁场强度为-525～0 nT，局部异常不发育，主要为花沟凹陷弱磁性沉积地层的反映；北部青城镇一带为一个似圆状的正磁异常，磁场强度为0～300 nT，推断为青城凸起沉积地层下具有一定磁性的基性火成岩的反映；研究区南部为局部磁力异常发育的正磁异常带，异常范围较大、磁场强度较高，为隐伏的白垩纪青山群磁性较高的火成岩的反映（刘展等，2007）（图3）。

图2 研究区布格重力异常等值线平面图Fig.2 The contour plan of Bouguer gravity anomaly in the study area

图3 研究区航磁ΔT等值线平面图Fig.3 Aeromagnetic ΔT contour map of the study area

2 花501井氦气特征剖析

花501井位于研究区中部青城凸起与花沟凹陷的转折地带，并紧邻花沟-高青断裂，其地理位置非常特殊，氦气显示活跃，是研究区目前发现氦气含量最高的钻井，本次选取花501井作为重点研究对象进行剖析。

2.1 录井、测井分析

根据花501井综合录井图（截取）（图4），花501井共有4段存在天然气显示，均位于新近系明化镇组。其中，769.9～778.4 m井段呈现高电阻、低声波特征，可能与该段火成岩建造有关；其余3段（459.1～491.7 m、501～509 m和811～813 m）均呈现高电阻、高声波特征，即“周波跳跃”。459.1～491.7 m与811～813 m井段具有较高的氦气异常显示，氦气含量达2.08%～3.08%（一般认为天然气中氦含量达到0.1%即可进行工业开发）（卢进才等，2005）。

2.2 气体样品测试分析

3He、4He成因的差异为不同来源的氦提供了判别标识，可根据3He/4He值来确定氦的来源（李玉宏等，2018）。通常大气源的3He/4He值为1.4×10-6；壳源的3He/4He值为2.0×10-8；幔源的3He/4He值为1.1×10-5（Mamyrin et al.，1984；徐永昌，1996）。样品的3He/4He值（R）比大气氦3He/4He值（Ra）常用来表示气样的氦同位素特征，即R/Ra=（3He/4He）样品/（3He/4He）大气。在用R/Ra表示气样氦同位素分布特征时，当R/Ra>1，表示气样中幔源氦份额大于12%（徐永昌等，1997）。

花沟地区花501井位于青城凸起以南中段，花沟-高青断裂上盘花沟凹陷一侧（图1a）。根据胜利油田对花501井天然气样品进行的测试分析（表1），由表1可见，花501井天然气的He含量为2.08%～3.08%，40Ar/36Ar值为743～1 630，δ13CCO2为-8.3‰，3He/4He值为4.34×10-6～4.47×10-6。经计算，花501井天然气的R/Ra值为3.1～3.2，其幔源份额约占39.34%～40.53%（徐永昌等，1997），显示该地区氦气属于壳幔混合无机成因型（戴金星，1992；王佩业等，2011）（图5）。

图4 花501井气层测井解释图（截取）Fig.4 Well Hua 501 gas layer log interpretation diagram

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

图5 花沟地区花501井3He/4He与δ13CCO2关系图Fig.5 Relationship diagram between 3He / 4He and δ13CCO2 in Well Hua 501 in Huagou area

2.3 气藏条件分析

花沟凹陷断层发育，断块多，断层与储盖层相互配套形成有效圈闭。花沟-高青断裂在新生代长期继承活动，在下降盘发育一系列伴生的二、三级断层，形成许多断块（车燕等，2001）。花501井气藏均位于明化镇组以上，从圈闭条件看，属于典型岩性气藏（图6）。

图6 花501井气藏剖面示意图（资料来源于胜利油田）Fig.6 Schematic diagram of gas reservoir profile in Well Hua 501

3 成藏主控因素分析

3.1 氦气来源

根据花沟地区重力、航磁异常特征显示，在研究区青城凸起沉积层以下基底具火成岩建造，其分布于花沟-高青断裂西侧，与花沟气田富氦显示井区位相吻合。同时，在研究区南部分布有较大规模近东西向火成岩带，位于齐广断裂带深部，且与花沟-高青断裂连通，具备氦气成藏气源条件。

1.基底断裂；2. CO2气藏；3.低速体；4.钻井图7 CO2气藏与低速体分布关系图（据胜利油田地质科学研究院资料，1995修改）Fig.7 The distribution diagram of CO2 gas reservoir and low-velocity body

据国家地震局宽角地震资料证实，研究区西部惠民凹陷上地壳底部存在一个低速异常体（图7）。顶界埋深约13 km，其纵波速度和横波速度比上覆岩层分别低2%～5%和3%～8.5%。从图7可以看出，济阳坳陷CO2气藏多分布在低速体周围；以往研究认为该低速体是由早期构造活动（幔隆、断层剪切）产生的裂隙被流体状态的CO2充填所导致，低速体很可能是幔源气的初始聚集区（胜利石油管理局地质科学研究院，1995）。

岩浆是幔源无机成因气的气源库体和载体（陶士振等，2000）。研究区发生多期火山-岩浆活动，尤其是新近纪火山-岩浆活动提供了丰富的来自上地幔的非烃类气体。埋藏于花沟凹陷深部的古火山通道及冷却后的基性火成岩缓慢释气成为氦气的又一重要来源。

3.2 运移通道

无机成因气（藏）的发育严格受构造活动带控制。花沟地区及其周缘地区毗邻油源区，同时由于长期继承性的隆起，始终处在最有利的运移指向。对于气体的运移，区内发育的断层和多期地层不整合面、沉积间断面均提供了气体运移的有利通道。

3.2.1 花沟-高青断裂

花沟-高青断裂为高青平南断裂的西端，其沿青城凸起南缘和东缘呈近东西向转北北东向展布；该断裂产生于燕山运动Ⅱ幕，活动至上新世明化镇组沉积早期；断层面上陡下缓，断面倾角50°～55°，落差下大上小，中生界落差达千米以上，馆陶组落差70～150 m。沿断裂两侧在不同层系中发育不同类型的圈闭，成为油气运移和充注的最佳通道。古近纪以来同生的次级断层数量多、 分布广，是构成运移网络必不可少的次级通道。

3.2.2 齐广断裂带

花沟凹陷南邻齐广断裂带，其构造演化与齐广断裂带关系密切。齐广断裂是鲁中隆起与济阳坳陷的分界断裂带，在中生代以后开始活动，始新世—中新世为齐广断裂强烈活动期，并伴有火山活动，主要为玄武岩（山东省地质调查院，2016）。齐广断裂带也是一条第四纪仍在活动的断裂带，其活动期长，断面陡，切割深度大，不仅可以诱发岩浆活动，同时为地幔岩浆房氦气向上释放提供了有效通道。而这些深大断裂往往伴有多条张性次级断裂构造，为氦气进入储层提供了运移通道和储存空间。

3.3 圈闭条件

有效储集空间及物性高值区是油气聚集的基本条件（曹晓峰等，2021）。区内储层较为发育，除沙一段为生物礁储层外，其余皆为砂岩储层，储层条件十分有利。区内气藏盖层由泥质岩类组成，包括5套盖层：①明化镇组底部-馆陶组顶部泥岩。②馆陶组底部或下部泥岩。③东营组顶部泥岩。④沙一段顶部泥岩。⑤沙三段下部泥岩。

济阳坳陷自基底到沉积盖层，经历了多次构造运动和多期沉积后，在不同层系中形成了多种不同类型的圈闭，在平面上成排成带分布，纵向上鳞次栉比。其圈闭类型主要为构造、地层、岩性和混合型圈闭。

3.4 氦气成藏模式

3.4.1 氦气来源

氦气藏中如有高份额的幔源组分存在，说明在沉积壳层和地幔之间有幔源挥发分可以运移的通道，而且这种通道至今应保持连通（徐永昌，1997）。据分析认为，花沟地区部分氦气来源于古近纪以来的火山-岩浆活动，火山通道是提供无机气体的主要源泉。该区上地幔隆升过程中，周期性的地壳运动不断将幔源以CO2为主的无机气体释放到下地壳中，形成CO2初始富集区（低速异常体）。氦气常伴生于无机成因的CO2气藏中（郭占谦等，2000；李玉宏等，2016），富含氦气的低速体被本区深大断裂（齐广断裂）贯通，并随地壳运动发生周期性释气，进而进入断裂通道系统向上运移。

3.4.2 氦气运移

花沟-高青断裂为高青平南断裂的西段，是研究区的主要断裂。根据研究区经花501井的近南北向地震剖面认为，无机成因的非烃类气体CO2、N2和He主要是以花沟-高青断裂为通道进行垂向运移（图8）。齐广断裂为研究区南部贯穿下地壳深大断裂，其可与下地壳氦气初始富集区（低速异常体）连通，并进一步与花沟-高青断裂构成深部氦气向上运移的通道系统（图9）。另外，齐广断裂带向东延伸，并与郯庐断裂带相汇，可能是氦气运移的又一重要通道（图1）。

3.4.3 有效圈闭

花沟地区在多次构造运动和多期沉积作用下，古近纪以来发育了断层圈闭、岩性圈闭和背斜圈闭等多种圈闭类型。花501井气藏位于新近系明化镇组底部，其砂岩、泥岩互层形成多套气藏储盖组合，属于典型的岩性圈闭类型。

3.5 有利目标区

本区有较充足的气源、相对完整的断裂构造运移通道系统及良好的储盖圈保条件，具有较好的氦气成藏潜力。研究认为，本区氦气成藏有利区是深部新生代岩浆活动活跃，并与花沟-高青断裂相连通的相关系列圈闭发育区（图10）。

图8 花501井近南北向地震剖面图（资料来源于胜利油田）Fig.8 Nearlynorth-south seismic profile of Well Hua 501

1.地层代号；2.地质界限；3.不整合面；4.断裂；5.古火山通道；6.断层方向；7.气体运移方向；8.氦气；9.上地壳；10.下地壳；11.上地幔；12.低速体；13.钻井；14.岩浆房；15.氦气富集区；16.有利目标区图9 花沟地区氦气成藏模式图Fig.9 Helium accumulation model diagram in Huagou area

1.古近系东营组；2.古近系沙河街组；3.古近系孔店组；4.侏罗系三台组；5.新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩；6.断层；7.有利目标区；8.钻井图10 花沟地区氦气成藏有利目标区预测图Fig.10 Prediction map of favorable target areas for helium accumulation in Huagou area

4 结论

（1）基于区域地质资料研究和对花501井的典型分析，认为研究区氦气属于壳幔混合无机成因型，具备氦气源、运移通道和圈闭条件，具有较好的氦气成藏前景。

（2）提取了研究区氦气成藏主要控制因素：花沟-高青断裂与研究区南部的深大断裂（齐广断裂）在深部连通，构成了氦气运移的主要通道；多期构造活动导致发育多类型圈闭；多期岩浆事件提供了充足气源。

（3）初步建立了区内氦气成藏模式，并推断花沟-高青断裂和新生代岩浆岩分布耦合区是研究区氦气成藏的有利目标区。