渭河盆地固市凹陷烃源岩特征及生物气资源潜力评价

陈五泉

(中国石化华北分公司勘探开发研究院，河南郑州450006)

固市凹陷位于渭河盆地(断陷盆地)东部，北邻鄂尔多斯盆地的渭北隆起，南靠秦岭造山带，西及西南与西安凹陷、骊山凸起相接，东与汾河盆地为界，面积5 635 km2(图1)。

图1 渭河盆地固市凹陷大地构造位置Fig．1 Tectonic location of Gushi Sag in Weihe Basin

固市凹陷主体地层为新生界第四系、新近系及古近系，主要为内陆冲积、河流及湖泊相碎屑岩沉积，地层总厚度大于6 km。其中，新近系上新统张家坡组)以湖泊相沉积为主，岩性为泥页岩夹砂岩。根据次级旋回由上而下进一步划分出7段即张1段—张7段，厚度最大1．4 km。该组发育的暗色泥质岩成为固市凹陷乃至渭河盆地最主要的烃源岩。

近年在固市凹陷南斜坡渭南一带张家坡组勘探并发现天然气(生物气)，经测试多口井出气，单井最高折算日产气3 840 m3，实现了渭河盆地天然气勘探的重大突破。

1 烃源岩基本特征及分布

张家坡组是固市凹陷乃至渭河盆地新生界惟一具有较深湖相、暗色泥质岩发育的一套地层。张家坡组沉积时，固市凹陷构造运动以沉降为主，且力度较大，使得凹陷形成范围较广、水体较深的内陆湖盆。当时气候温暖湿润，生物繁盛，为湖盆提供了丰富的有机物质，以至在湖区沉积了较厚的暗色泥质岩，成为整个渭河盆地最好的烃源岩。

烃源岩分布严格受沉积相控制［1］，纵向上张家坡组中部的张3、张4段主要为较深湖相，岩性以泥质岩为主，夹少量灰白色粉－细砂岩，泥质岩主要为灰绿色及灰黑色泥岩和页岩，局部还夹薄层泥灰岩，有机物质丰富，为还原环境，形成了张家坡组最好的烃源岩。张2、张5段主要为浅湖相，泥质岩以灰绿、绿灰、黄灰色为主，有机物质含量减少，集中出现的灰黑色泥质岩亦减少，多为弱还原环境，烃源岩发育不如较深湖相，生烃条件亦次之。张1、张6、张7段主要为河湖相，泥质岩色杂，主要为黄色及红色，暗色泥岩减少，属氧化－弱氧化环境，生烃条件最差。

横向上，凹陷南部的深洼槽为较深湖相发育区，是凹陷的沉积中心和生烃中心，该区包括黑色页岩的暗色泥质岩发育，生烃条件最好，烃源岩厚度500～1 000 m，砂地比小于10%。较深湖相区外围呈环状分布的浅湖相区的生烃条件次于较深湖相区，烃源岩厚度100～500 m，砂地比10% ～30%。浅湖相区外缘为河湖相区，已到湖盆边缘，暗色泥岩显著减少，烃源岩厚度小于100 m，砂地比大于30%，显然是生烃条件最差的区域(图2)。

图2 固市凹陷张家坡组沉积相Fig．2 Sedimentary facies of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

2 烃源岩地球化学特征

受钻井分布及取心的限制，固市凹陷张家坡组样品资料不甚完整，但已有样品的有机地球化学分析结果仍表现一定的规律性和客观性。烃源岩有机地化指标的好坏，依旧与沉积相演变息息相关，指标按较深湖相—浅湖相—河湖相顺序由好变差。

2．1 有机质丰度特征

有机碳(TOC)含量是衡量烃源岩有机质丰度的重要指标。对于湖相(淡水－半咸水)烃源岩，有机碳含量(质量分数，下同)大于2．0%为最好烃源岩，1．0% ～2．0% 为好烃源岩，0．6% ～1．0% 为中等烃源岩，0．4% ～0．6%为差烃源岩，小于0．4%为非烃源岩［2］。

对固市凹陷内15口井张家坡组暗色泥质岩采样分析，有机碳含量一般为0．10% ～0．74%。较高值分布于较深湖相区，有机碳含量一般0．41% ～0．74%，平均0．56%。浅湖相区有机碳含量一般0．30% ～0．36%，平均0．32%。河湖相区有机碳平均含量为0．10%。

整个固市凹陷张家坡组有效烃源岩有机碳平均含量为0．49%，若按上述标准对照，只能评价为差烃源岩。但是，前人对柴达木盆地第四系生物气烃源岩研究认为，可溶有机质对烃源岩生烃贡献已不可否认，故有机碳传统的评价标准对生物气烃源岩已不适合［3］。因为一般有机碳分析的含量实际只是不溶有机质的含量，未包含可溶有机质的含量。生物气烃源岩可溶有机质在常规有机碳分析中，通过对样品的酸溶和水洗大部分流失了。所以，用常规测定的生物气烃源岩有机碳含量来评价烃源岩好坏，往往无形中降低了标准，代表不了实际情况。

柴达木盆地第四系生物气烃源岩研究表明，可溶有机质有机碳含量一般是不溶有机质有机碳含量的2．6倍［3］。借鉴这一经验数据，重新计算固市凹陷张家坡组有效烃源岩总有机碳平均含量约为1．76%，再与上述标准对比，总体评价为好烃源岩。较深湖相区总有机碳平均含量约2．02%，为最好烃源岩，浅湖相区总有机碳平均含量约1．15%，为好烃源岩，河湖相区总有机碳平均含量约0．36%，依然属于非烃源岩范畴(表1)。

前人对柴达木盆地第四系生物气烃源岩研究认为，生物气烃源岩评价仍可借鉴常规湖相烃源岩有机质丰度评价标准，只是应将可溶和不溶两部分有机质同时考虑进去［3］。如果折算为不溶有机碳含量，则最好的生物气烃源岩 TOC含量应大于0．56%;好的烃源岩 TOC 含量在0．28% ～0．56%;中等烃源岩TOC含量为0．17% ～0．28%;差的烃源岩TOC 含量0．11% ～0．17%;TOC 含量小于0．11%为非烃源岩。这一标准对评价固市凹陷张家坡组生物气烃源岩也非常适用。对照此标准，固市凹陷张家坡组烃源岩有机碳平均含量0．49%，亦属于好的烃源岩，表明有机质丰度较高。同样，较深湖相TOC含量0．63%，有机质丰度最高，为最好烃源岩;浅湖相TOC含量0．35%，有机质丰度次之，为好烃源岩;河湖相TOC含量0．10%，有机质丰度最低，为非烃源岩。这与上述评价是一致的。

表1 固市凹陷张家坡组烃源岩平均有机碳含量统计Tab．1 Average organic carbon content of hydrocarbon source rock of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

2．2 有机质类型特征

固市凹陷渭南地区张家坡组9块样品干酪根镜检分析，烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1腐殖腐泥型，次为Ⅰ腐泥型。其中，Ⅱ1型腐泥组21% ～62%，平均44%;壳质组26% ～75%，平均50%;镜质组2% ～5%，平均3%;类型指数(Ti)62～76，平均68。Ⅰ型腐泥组78% ～87%，平均83%;壳质组11% ～20%，平均15%;镜质组平均为2%;类型指数(Ti)87～91，平均89。有机质类型表明为弱还原—还原相母质，为湖相烃源岩特征，属于较好—好的类型。

2．3 有机质热演化特征

2．3．1 镜质体反射率(Ro) 固市凹陷渭南地区钻井1 610～1 846 m张家坡组暗色泥质岩样品分析，Ro值变化范围 0．48% ～0．60%，平均 0．54%。其数值变化一般有随深度加深而变大之规律［4］，表明深度加深，有机质热演化程度加强(图3)。Ro低成熟门限值约为0．50%，平均门限深度在1 670 m左右，其地层温度为57．3℃(本区地温梯度3．4℃/100 m)。固市凹陷张家坡组烃源岩深度在2 km以内，最高地层温度在70℃以内，是生物气生成的适宜地温条件。

总体来看，该区有机质热演化程度不高，多属于未成熟—低成熟阶段。

图3 固市凹陷张家坡组烃源岩Ro与深度的关系Fig．3 Rovarying of hydrocarbon source rock of Zhangjiapo formation in Gushi Sag with depth

2．3．2 热解最高峰温(Tmax)及H/C原子比 烃源岩热解最高峰温(Tmax)分析，数值范围422～432℃，平均值428℃，均小于435℃有机质低成熟阶段的下限值［5］。H/C 原子比 1．37 ～3．00，平均 1．64，略高于1．6低成熟阶段的下限值。两项指标表明本区有机质热演化处于未成熟—低成熟阶段。

3 烃源岩综合评价

通过上述烃源岩基本特征及有机地化特征分析，本区张家坡组烃源岩以灰黑、深灰、灰绿色暗色泥岩、页岩为主，夹部分泥灰岩。发育于凹陷中南部弱还原－还原环境的浅湖－较深湖相区，烃源岩厚100～1 000 m。其中，南部渭南以北WR1井、WC4井、WS12井、WS16井及WS17井围绕的较深湖相区烃源岩最为发育，厚600～1 000 m，平均800 m，为凹陷乃至渭河盆地的生烃中心，即气源中心。烃源岩有机碳(不溶)含量平均0．49%，总有机碳含量平均1．76%，属于好烃源岩。有机质类型以Ⅱ1腐殖腐泥型和I腐泥型为主，为较好—好的类型。镜质体反射率(Ro)平均0．54%，岩石热解最高峰温(Tmax)平均428℃，H/C原子比平均1．64，均表明有机质热演化程度较低，主要属于未成熟—低成熟阶段，以生成生物气为主。

张家坡组天然气分析(表2)，甲烷含量大于93%，乙烷、丙烷含量不到0．2%，含有少量CO2、N2等非烃组分。甲烷碳同位素平均值为－64‰，甲烷氢同位素平均值为－238‰，均符合学者认定的生物气标准，即一般生物气甲烷碳同位素小于－55‰，甲烷氢同位素在 －158‰ ～ －368‰［6］。另外，5个气样分析，C1/∑C1－5平均值为 99．79%，明显为干气(C1/∑C1－5﹥ 95%)［7］。以上结果表现了生物甲烷气典型特征，亦表明其气源就来自于张家坡组本身的烃源岩。

表2 固市凹陷张家坡组天然气分析数据Tab．2 Natural gas analysis data of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

4 生物气资源潜力评价

4．1 生物气生气量及资源量计算

利用生气率法［8］先计算出固市凹陷张家坡组生物气的生气量，再用生聚系数法计算出生物气的资源量。

生气率法生气量计算公式为

式中:Q生为生气量，1012m3;S为烃源岩面积，km2;H为烃源岩平均厚度，km;D为烃源岩平均密度，108t/km3;C为有机碳平均含量，%;Rc为有机碳恢复系数;Kc为有机碳生气率，m3/t。

生聚系数法资源量计算公式为

式中:Q资为资源量，108m3;Q生为生气量，1012m3;K为生聚系数。

将研究确定的参数代入公式(1)和式(2)，分别计算出浅湖、较深湖相区的生气量和资源量，两相区结果相加，最终计算出固市凹陷张家坡组烃源岩总生气量约为26．28×1012m3，总资源量约为6 086×108m3(表3)。

表3 固市凹陷张家坡组烃源岩生物气生气量和资源量计算参数及结果Tab．3 Parameters and results of biological gas generating quantity and resource quantity calculation of hydrocarbon source rock of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

4．2 生物气资源潜力评价

4．2．1 生物气资源 固市凹陷张家坡组浅湖－较深湖相区面积约占整个凹陷面积的70%，有机质丰度是凹陷乃至整个渭河盆地的较高地区，剩余有机碳含量、有效烃源岩厚度等计算参数相对较高。计算生物气生气强度平均约69．52×108m3/km2，资源量强度平均约1．61×108m3/km2，表明该区是生物气资源聚集带，具有较大的资源潜力。

4．2．2 较深湖相区生物气资源潜力 固市凹陷张家坡组较深湖相区面积约1 220 km2，只占到有效烃源岩面积的32%，但是该区有效气源岩厚度可达600～1 000 m，平均800 m，处于凹陷中心，生气强度最大［9］，达到 136．07 ×108m3/km2。有机质丰度最高，剩余有机碳含量平均可达0．63%，生聚系数可提高为2．5%。这样，估算生物气资源量达4 150×108m3，占总资源量的68%，资源量强度平均约3．4×108m3/km2，这表明较深湖相区是整个固市凹陷张家坡组生物气资源潜力最大的区域。

近年勘探实践证明，固市凹陷张家坡组生物气显示普遍，且以水溶相生物气为主，测试气水比1．36～6．3。多大于2，已为工业性生物气藏开发创造了有利条件。在较深湖相区的多口井中测试出生物气，日产气量最高达3 800 m3，产气层段主要为1 600 m张3段以上的砂岩层。这表明固市凹陷张家坡组生物气以较浅层自生自储、下生上储，垂向近距离运移聚集成藏为主［10］，为多叠置的生储盖组合模式，储层则以薄互层粉－细砂岩为特点。目前在30 km2面积中计算探明储量约106×108m3，对资源量而言，探明率只有1．74%，表明固市凹陷生物气勘探潜力巨大。

较深湖相区既是气源岩发育区，又是生物气资源量最大的地区。根据本区生物气近源聚集成藏的特点，应将该区作为生物气勘探开发的一个重点。

［1］ 陈五泉．鄂尔多斯盆地渭北地区延长组深水砂体沉积特征及油层分布［J］．石油地质与工程，2009，23(4):16-19．CHEN Wu-quan．Group of deepwater sand sedimentary characteristics and reservoir distribution extended Erdos Basin in Weibei region［J］．Petroleum Geology and Enginee，2009，23(4):16-19．

［2］ 中国石油与天然气总公司．中华人民共和国石油天然气行业标准．SY/T5735-1995陆相烃源岩地球化学评价方法［S］．北京:石油工业出版社，1996．

［3］ 张英，李剑，张奎，等．柴达木盆地三湖地区第四系生物气源岩中可溶有机质丰度及地质意义［J］．地质学报，2007，81(12):1716-1722．ZHANG Ying，LI Jian，ZHANG Kui，et al．Organic matter abundance in quatermary source rocks and its application on assessment of biogenic gas in Sanhu area，Qaidam Basin［J］．Acta Geologica Sinica，2007，81(12):1716-1722．

［4］ 陈五泉．二连盆地呼仁布其凹陷烃源岩特征及资源潜力评价［J］．新疆石油地质，2009，30(4):467-469．CHEN Wu-quan．Source rock charcteristics and resource potential evaluatian of Hurenbuqi Sag in Erlian Basin［J］．Xinjiang Petroleum Geology，2009，30(4):467-469．

［5］ 成海燕，李安龙，龚建明．陆相烃源岩评价参数浅析［J］．海洋地质动态，2008，24(2):6-10．

［6］ 李光奇，张水昌，朱光有，等．中国生物气的类型划分与研究方向［J］．天然气地球科学，2005，16(4):477-484．LI Guang-qi，ZHANG Shui-chang，ZHU Guang-you，et al．Types and research direction of biogenic gas in China［J］．Natural Gas Geoscience，2005，16(4):477-484．

［7］ 黄正吉，龚再升，孙玉梅，等．中国近海新生代陆相烃源岩与油气生成［M］．北京:石油工业出版社，2011:157-208．

［8］ 李明诚，李剑，张凤敏，等．柴达木盆地三湖地区第四系生物气运聚成藏的定量研究［J］．石油学报，2009，30(6):809-815．LI Ming-cheng，LI Jian，ZHANG Feng-min，et al．Quantitative research on biogas migration-accumulation and pool forming in the Quaternary of Sanhu area in Qaidam Basin［J］．Acta Petrolei Sinica，2009，30(6):809-815．

［9］ 魏国齐，刘德来，张英，等．柴达木盆地第四系生物气形成机理、分布规律与勘探前景［J］．石油勘探与开发，2005，32(4):84-89．WEI Guo-qi，LIU De-lai，ZHANG Ying，et al．Formation mechanism，distribution feature and exploration prospect of the quaternary biogenic gas in Qaidam Basin［J］．Petroleum Exploration and Development，2005，32(4):84-89．

［10］刘文汇，黄第藩，熊传武，等．成烃理论的发展及国外未熟-低熟油气的分布与研究现状［J］．天然气地球科学，1999，10(1/2):1-20．LIU Wen-hui，HUANG Di-fan，XIONG Chuan-wu，et al．Distribution and research status of hydrocarbon theory development and foreign immature low mature oil and gas［J］．Natural Gas Geoscience，1999，10(1/2):1-20．