渭河盆地固市凹陷生物氣成藏要素評(píng)價(jià)

張?jiān)拼?/p>

(中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006)

0 引言

渭河盆地油氣勘探工作主要集中于20世紀(jì)六七十年代區(qū)域油氣普查階段，大量的地震與鉆探成果查明了渭河盆地的構(gòu)造屬性、基底性質(zhì)和沉積特征等。但由于未在盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)直接可靠的油氣顯示，且未找到有效烴源巖，僅在盆地沉積中心上新統(tǒng)張家坡組發(fā)現(xiàn)厚約100～300 m的低成熟暗色泥質(zhì)巖層，有機(jī)碳含量低且埋藏較淺，認(rèn)為渭河盆地不具備有機(jī)物質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的充分條件，因此暫停了渭河盆地的油氣勘探工作。2005年以來，在渭河盆地地?zé)衢_發(fā)過程中，多口地?zé)峋懤m(xù)發(fā)現(xiàn)有油氣顯示，WR井在張家坡組氣測(cè)異常段試采7.0 m四層砂體，獲日產(chǎn)超2 000 m3低產(chǎn)天然氣，氣體組分甲烷含量>90%，重?zé)N含量極少，甲烷碳同位素δ13C1<-55‰，具有典型的生物成因氣特征[1]。渭河盆地生物氣的發(fā)現(xiàn)開啟了渭河盆地非常規(guī)油氣勘探的大門，極大地增強(qiáng)了地質(zhì)工作者的勘探信心。由于生物氣生成機(jī)理、源巖特征以及聚集機(jī)制等與常規(guī)油氣差異較大，所以很難用傳統(tǒng)油氣成藏條件評(píng)價(jià)渭河盆地生物氣資源潛力，且渭河盆地整體勘探程度較低，前期并未開展過生物氣勘探專項(xiàng)研究，對(duì)生物氣分布規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。該文在借鑒國內(nèi)大型生物氣田勘探經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，從生物氣成藏動(dòng)力學(xué)出發(fā)，系統(tǒng)分析了渭河盆地生物氣成藏要素，明確了成藏主控因素及資源規(guī)模。

圖1 渭河盆地構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic division of Weihe Basin

1 區(qū)域地質(zhì)特征

渭河盆地位于鄂爾多斯盆地南緣與秦嶺造山帶北緣之間，是在喜山期右旋剪切構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的新生代斷陷—坳陷疊合盆地。如圖1所示，固市凹陷位于渭河盆地中東部三原—固市—大荔一帶，構(gòu)造隸屬南部坳陷帶，北鄰北部斜坡帶，南鄰咸陽凸起和渭南凸起，面積約3 500 km2。凹陷內(nèi)以新生界沉積為主，新生界最厚可達(dá)7 000 m，自下而上發(fā)育古近系始新統(tǒng)紅河組(E2h)、漸新統(tǒng)白鹿塬組(E3b)、新近系中新統(tǒng)高陵群(N1g)、藍(lán)田—灞河組(N1lb)、上新統(tǒng)張家坡組(N2z)及第四系；前新生界基底為古生界碳酸鹽巖及太古界、元古界變質(zhì)巖，局部有巖漿巖侵入。受秦嶺造山帶構(gòu)造活動(dòng)影響，固市凹陷新生代經(jīng)歷了古近系的斷陷雛形階段、新近系的強(qiáng)斷陷階段及第四系的斷坳定型階段，新生代斷裂發(fā)育且相互切割，斷裂走向以東西向、北東向?yàn)橹?，北西向次之，?fù)雜的斷裂、牽引作用造成盆地內(nèi)部斷塊構(gòu)造發(fā)育[2-3]。

2 生物氣成藏要素評(píng)價(jià)

生物氣是在表層生物化學(xué)作用帶內(nèi)，還原條件下沉積有機(jī)質(zhì)與厭氧微生物進(jìn)行生物化學(xué)降解作用產(chǎn)生的氣體物質(zhì)。生物氣形成的前提條件包括2個(gè)方面，即地質(zhì)環(huán)境有利于微生物的生存和繁衍，存在微生物可以利用的有機(jī)物質(zhì)。前期的研究成果顯示，渭河盆地張家坡組有適宜甲烷菌存活的地層溫度、水介質(zhì)礦化度和pH值以及新生代快速沉積形成的缺氧還原環(huán)境，為生物氣的形成提供了有利地質(zhì)條件；有機(jī)質(zhì)條件是影響生物氣生成的關(guān)鍵。

2.1 烴源巖條件

生物氣氣源巖質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵在于能否提供利于微生物生長繁殖的有機(jī)質(zhì)。地質(zhì)樣品的生物模擬實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)碳含量低、類型差的泥巖可生成大量生物氣，形成大型生物氣田，生物氣源巖對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度要求的下限為0.20%[4]。渭河盆地新生界整體以氧化沉積環(huán)境為主，有機(jī)物質(zhì)匱乏，僅固市凹陷沉積中心新近系上新統(tǒng)張家坡組半深湖相沉積區(qū)發(fā)育的暗色泥巖有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，可作為生物氣有利的物質(zhì)來源。

固市凹陷張家坡組沉積較穩(wěn)定，以湖相沉積為主，凹陷中心偏南，相帶單調(diào)，呈北寬南窄的不對(duì)稱環(huán)帶狀展布。整體巖性較細(xì)，泥質(zhì)巖比例高、厚度大，分布集中，生物化石豐富，有機(jī)物質(zhì)含量較高，屬弱還原-還原環(huán)境。半深湖相沉積區(qū)呈東西向分布，以暗色泥巖為主，夾少量灰白色細(xì)-粉砂巖及薄層灰白色泥灰?guī)r。暗色泥巖主要為灰綠色及灰黑色,占總地層厚度的77%～91%,其中灰綠色泥巖占比為60%～86%,灰黑色泥巖占比為6%～25%,僅在頂、底部發(fā)育少量灰黃、褐及棕紅色泥巖,暗色泥巖垂向累計(jì)厚度為500～700 m,最厚達(dá)858 m[5-6]。此外，該區(qū)域張家坡組含大量分散狀黃鐵礦或結(jié)核及少量石膏，指示還原-強(qiáng)還原相沉積環(huán)境，生物化石以半淡水-半咸水介形類、軟體類、魚類碎骨、植物化石及碎片為主，反映當(dāng)時(shí)氣候溫暖濕潤，生物繁茂，有機(jī)物質(zhì)比較豐富。

巖石薄片及掃描電鏡分析結(jié)果顯示，張家坡組泥巖黏土礦物平均含量為20.8%，陸源碎屑主要為石英，平均含量為44.0%，可見石英單晶碎屑(直徑為0.1～0.2 mm)，溶蝕(微)孔發(fā)育，孔內(nèi)充填方解石膠結(jié)物，偶見彎曲變形的條帶狀黑云母。黏土礦物以伊利石、伊蒙混層為主，綠泥石、高嶺石次之，泥巖黏土礦物具定向-半定向順層排列特征，可見層間孔隙，自生石英、長石等礦物顆粒零散分布于黏土礦物中。HX井張家坡組全巖礦物X射線衍射分析結(jié)果見表1，渭河盆地固市凹陷張家坡組烴源巖地化特征如圖2所示。

表1 HX井張家坡組全巖礦物X射線衍射分析Table 1 X-ray diffraction analysis of whole rock minerals of Zhangjiapo Formation in well HX

續(xù)表1

圖2 渭河盆地固市凹陷張家坡組烴源巖地化特征圖Fig.2 Geochemical characteristics of source rocks of Zhangjiapo Formation in Gushi Sag,Weihe Basin

張家坡組地化錄井暗色泥巖產(chǎn)烴潛量Pg為0.02%～1.63%，平均值為0.41%；有機(jī)質(zhì)降解率D為0.61%～49.80%，平均值為7.50%；有機(jī)質(zhì)氫指數(shù)HI為6.7%～415.2%，平均值為71.8%；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。有機(jī)質(zhì)豐度TOC平均值為0.49%，最大值為3.50%；有效碳含量Cp平均值為0.02%，最大值為0.13%；有機(jī)質(zhì)最大熱解峰溫Tmax為329～536 ℃，處于低成熟-成熟演化階段。巖石熱解檢測(cè)有機(jī)質(zhì)豐度值為0.09%～1.01%，平均值為0.49%；Tmax為428～437 ℃，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2-Ⅲ型(見圖2),巖心干酪根δ13C1平均值為-28.3‰,有機(jī)質(zhì)來源以陸相為主；烴源巖氯仿抽提物族組分飽芳比低,大多小于1.5,氯仿瀝青A在(1.7～4.7)×10-4，總烴在(1.0～1.8)×10-4，非烴+瀝青質(zhì)含量高，平均值為47%，非/瀝比一般都大于1，反映出烴源巖成熟度低和脂類雜原子化合物聚合程度低的特點(diǎn)。

綜合分析認(rèn)為，固市凹陷沉積中心張家坡組半深湖相暗色泥巖是在水體較深且穩(wěn)定的還原環(huán)境下沉積的一套以灰綠、灰黑色為主的泥質(zhì)巖建造，沉積厚度大，有機(jī)質(zhì)平均含量相對(duì)較高，演化程度低，處于有機(jī)質(zhì)演化的生物生氣作用階段，有機(jī)質(zhì)類型、氯仿瀝青含量、組成及性質(zhì)均比渭河盆地其他地區(qū)有利，是盆地內(nèi)生物氣烴源巖條件最好的區(qū)域。根據(jù)國內(nèi)大型生物氣田的勘探成果，烴源巖厚度對(duì)生物氣藏分布有控制作用，認(rèn)為固市凹陷半深湖相沉積區(qū)是生物氣生成最有利區(qū)域[7-8]。

2.2 儲(chǔ)層條件

生物氣儲(chǔ)層主要分布于濱淺湖及河流—三角洲相沉積區(qū)，巖性以砂礫巖、砂巖和粉砂巖為主，處于同成巖-早成巖作用階段，成巖程度低，膠結(jié)作用差。儲(chǔ)層厚度為0.62～32.20 m，平均值為5.29 m，以灰-灰白色極細(xì)-細(xì)-中粒巖屑石英砂巖為主；碎屑總量平均為73%，石英含量平均為60%，膠結(jié)物含量為10%～20%，灰質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，顆粒支撐，點(diǎn)接觸，膠結(jié)類型主要為孔隙式和基底式。砂巖全巖礦物成分石英含量平均為57.43%，其次為長石，平均含量為27.70%，斜長石含量大于鉀長石，黏土礦物平均含量為7.78%，伊利石、伊蒙混層呈片狀、絲狀集合體，以薄膜狀、充填狀賦存于顆粒表面或顆粒間；可見粒內(nèi)縫及大量自生草莓狀黃鐵礦礦物顆粒(見表1)。張家坡組儲(chǔ)層特征如圖3所示。

圖3 張家坡組儲(chǔ)層特征圖Fig.3 Reservoir characteristics of Zhangjiapo Formation

張家坡組砂巖物性較好,孔隙度為2.0%～32.0%,平均值為17.9%,以原生粒間孔隙和微裂縫為主,面孔率為5%～10%；滲透率為0.05～1 104.6 mD,平均值為125.1 mD。對(duì)生物氣儲(chǔ)層而言，滲透率對(duì)其含氣性控制作用大于孔隙度，過高的滲透率易造成生物氣逸散。已鉆遇的生物氣藏主要分布于近物源的濱淺湖灘壩相低-中滲粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層中，分選較好，成分成熟度中等，電性反應(yīng)特征以寬幅指狀、復(fù)合漏斗狀為主[9-11]。在其他條件具備的情況下，儲(chǔ)層規(guī)模是影響氣藏規(guī)模和含氣豐度的決定性因素，砂質(zhì)巖比例越高的區(qū)域，含氣性通常越好。渭河盆地固市凹陷張家坡組儲(chǔ)層特征與含氣性關(guān)系如圖4所示。

圖4 渭河盆地固市凹陷張家坡組儲(chǔ)層特征與含氣性關(guān)系圖Fig.4 Relationship between reservoir characteristics and gas bearing property of Zhangjiapo Formation in Gushi Sag,Weihe Basin

2.3 封蓋與保存條件

對(duì)于成巖程度較低的生物氣藏，聚集與保存條件尤為重要。區(qū)域蓋層影響了生物氣的聚集以及氣藏的形成和富集程度，區(qū)域蓋層越厚，形成的氣田規(guī)模越大[12-13]。張家坡組生物氣區(qū)域性蓋層為第四系地層，成巖性較差，但厚度普遍超過500 m，且地層水飽和度極高，能大大降低滲透性，使原有地層的封閉性大大加強(qiáng)；泥巖中伊利石、綠泥石等遇水膨脹，增強(qiáng)封蓋能力，進(jìn)一步補(bǔ)償蓋層滲透性的影響，有效防止了生物氣的向上逸散。蓋層厚度及儲(chǔ)蓋配置關(guān)系直接影響了氣藏的存在與產(chǎn)能，厚度越大，封閉氣柱越高，氣藏豐度越高，氣井產(chǎn)量也越高。張家坡組內(nèi)部泥巖發(fā)育，厚度從幾米到幾十米，砂巖儲(chǔ)層以透鏡狀或夾層的形式存在于泥質(zhì)巖中，儲(chǔ)蓋層之間孔隙度相差小，而滲透率卻相差了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這種滲透性差異使蓋層有效地阻止了生物氣滲漏。

定義：(儲(chǔ)層滲透率/蓋層滲透率)×100為滲透率差異系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，生物氣儲(chǔ)/蓋層的滲透率差異系數(shù)越大，生物氣氣層厚度也越大。渭河盆地固市凹陷張家坡組儲(chǔ)/蓋層滲透率差異與封蓋性能關(guān)系如圖5所示。生物氣藏多自生自儲(chǔ)，泥質(zhì)巖既是烴源巖也是蓋層，烴源巖中烴濃度較高，可以抑制生物氣擴(kuò)散，這種源-儲(chǔ)-蓋間相互配置關(guān)系為生物氣藏的形成和保存提供了有利條件。

圖5 渭河盆地固市凹陷張家坡組儲(chǔ)/蓋層滲透率差異與封蓋性能關(guān)系圖Fig.5 Relationship between reservoir / caprock permeability difference and sealing performance of Zhangjiapo Formationin Gushi Sag,Weihe Basin

斷裂及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也是影響生物氣保存條件的重要因素。渭河盆地張家坡組沉積晚，成藏更晚，后期第四系沉積連續(xù)、穩(wěn)定，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小。但由于沉積時(shí)古地貌的差異，各區(qū)生-儲(chǔ)-蓋組合存在厚薄差異，后期緩慢抬升的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，對(duì)盆地邊緣和凹陷中心部分影響差異較大，第四紀(jì)沉積邊部淺層斷裂和上升剝蝕現(xiàn)象較強(qiáng)，局部破壞了儲(chǔ)層的封蓋性。越靠近沉積邊緣，蓋層越薄，所受構(gòu)造破壞作用越大，對(duì)氣藏保存越不利；越靠近沉積中心，蓋層厚度越大，構(gòu)造亦較平緩，保存條件越有利。

2.4 生物氣成藏條件及有利勘探方向

生物氣主要沿疏導(dǎo)層近距離水平運(yùn)移至氣藏中，基本無明顯的垂向運(yùn)移和混合作用。國內(nèi)已發(fā)現(xiàn)大型生物氣田或含生物氣構(gòu)造絕大部分都位于生氣凹陷附近或生物氣運(yùn)移指向區(qū)的同沉積圈閉或古構(gòu)造圈閉。

渭河盆地新生界具有邊斷、邊陷、邊充填的沉積特征，新近紀(jì)上新世張家坡期完成了固市凹陷、西安凹陷、咸渭凸起及驪山凸起等構(gòu)造分異過程。固市凹陷斷陷作用強(qiáng)烈，主斷裂與派生斷裂平行或斜交、切割，形成大量斷階、斷背斜構(gòu)造。在斷層牽引、掩覆作用影響下，形成了繼承性發(fā)育的構(gòu)造圈閉及構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉，后期第四系連續(xù)斷-坳復(fù)合沉積其上，為生物氣成藏提供了良好的生-儲(chǔ)-蓋-聚時(shí)空匹配條件。

張家坡組生物氣具有自生自儲(chǔ)、源內(nèi)成藏的特征，生烴中心位于固市凹陷張家坡組沉積中心，有利烴源巖分布面積為772 km2，垂向烴源巖厚度平均值為350 m；張家坡組濱淺湖相灘壩粉/細(xì)砂巖-泥巖組成儲(chǔ)蓋組合。生物氣生成后以層內(nèi)砂體和斷層為運(yùn)移通道，從凹陷內(nèi)運(yùn)移至古構(gòu)造圈閉或古構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉中聚集成藏。因此，固市凹陷陡坡帶古構(gòu)造發(fā)育區(qū)是下一步生物氣勘探首選目標(biāo)區(qū),如圖6所示。

圖6 渭河盆地固市凹陷張家坡組生物氣成藏模式圖Fig.6 Biogas accumulation model of Zhangjiapo Formation in Gushi Sag,Weihe Basin

固市凹陷張家坡組生物氣源巖面積為780 km2，源巖厚度平均值為350 m,有機(jī)碳含量平均值為0.45%,氣源巖比重為25×108t/km3,參考國內(nèi)成熟生物氣田生物氣運(yùn)聚成藏定量研究及資源量預(yù)測(cè)成果,有機(jī)碳的恢復(fù)系數(shù)取3.6，有機(jī)碳生氣率取300 m3/t，排聚系數(shù)取0.92%，利用“生氣率法”，初步明確了渭河盆地固市凹陷張家坡組生物氣資源量約為310×108m3[14-16]。

3 結(jié)論

1)渭河盆地固市凹陷沉積中心張家坡組半深湖相暗色泥巖是生物氣的主力烴源巖，有機(jī)質(zhì)含量高，熱演化程度低，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主，處于有機(jī)質(zhì)熱演化的生物化學(xué)生氣作用階段，暗色泥巖發(fā)育區(qū)是生物氣生成的有利目標(biāo)區(qū)。

2)張家坡組近物源分布的濱淺湖灘壩相低-中滲粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖是生物氣的有利儲(chǔ)層，滲透率對(duì)儲(chǔ)層含氣性控制作用大于孔隙度，儲(chǔ)/蓋層滲透率差異越大，越有利于生物氣的聚集保存。

3)利用“生氣率法”計(jì)算出固市凹陷生物氣資源量約為310×108m3，初步明確了陡坡帶巖性-構(gòu)造圈閉發(fā)育區(qū)是下一步生物氣勘探主要目標(biāo)，為渭河盆地生物氣資源的合理利用提供了理論指導(dǎo)。