渭河盆地生物氣生成條件

張云翠

（中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

2010年以來，在渭河盆地地熱開發過程中，WR1，WR2-1等多口淺層地熱井顯示生物氣，試油獲低產氣流，證實了渭河盆地具備生物氣成藏的地質條件［1-2］。渭河盆地前期油氣勘探及研究成果明確了張家坡組半深湖相暗色泥巖是新生界天然氣的主要烴源巖［3］，但對于渭河盆地生物氣的生成條件及其烴源巖的巖性、電性、地球化學特征等缺乏針對性研究。本次研究綜合野外地質調研、鉆井取心及巖石、氣體樣品地球化學分析等資料，系統地分析了渭河盆地生物氣地球化學特征、生成條件及生氣模式，為落實生物氣資源規模及勘探潛力提供了理論依據。

1 區域構造特征

渭河盆地位于秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地交會地帶，南抵秦嶺，北接渭北隆起，西起寶雞，東到潼關，呈北東—南西走向展布，東西長360 km，南北寬30～85 km，面積20 000 km2。該盆地是在喜山期右旋剪切構造應力作用下裂陷、伸展形成的南深北淺、南陡北緩的新生代斷陷盆地，具有凹陷深、地層新、形成晚的特點［4］。

渭河盆地主要沉積地層為新生界，太古界—元古界及寒武系—奧陶系構成盆地基底，局部發育石炭系—二疊系。新生代地層發育相對齊全，古近系包括始新統紅河組（E2h）、漸新統白鹿塬組（E3b）；新近系包括中新統高陵群（N1g）、上新統藍田組—灞河組（N2lb）、張家坡組（N2z）及第四系［5］。地層厚度總體由南向北減薄，西安凹陷和固市凹陷是沉降、沉積中心，最厚地層7 000 m左右，是新生界天然氣主要勘探目標區。

依據基底和新生界沉積特征，渭河盆地可劃分為南部坳陷帶、北部斜坡帶、西南隆起、驪山隆起等4個一級構造單元。盆地內部斷裂發育，斷裂走向以東西向和近東西向為主，北東向和北西向次之，皆為高角度正斷層，斷距較大，繼承性明顯，控制了盆地的形成發展，以及內部構造單元的分界。總體活動性具有南強北弱、東強西弱的特點［6］（見圖 1）。

圖1 渭河盆地構造及地質剖面

2 生物氣地球化學特征

生物氣最有效的地球化學鑒別標志是氣體成分與甲烷碳、氫同位素的組成。結合前人對渭河盆地天然氣地球化學特征的研究成果，對張家坡組天然氣樣品組分、甲烷碳、氫同位素測試結果進行系統分析，借鑒不同成因天然氣氣體組成-甲烷碳同位素成因圖版，明確了渭河盆地生物氣的地球化學特征及成因［7-9］（見圖2）。

圖2 張家坡組天然氣δ13C-CH4質量分數及C1/（C2+C3）成因

渭河盆地生物氣主要集中于西安凹陷戶縣一帶及固市凹陷渭南地區張家坡組。固市凹陷氣體樣品中甲烷質量分數通常大于90%，乙烷以上重烴氣體在烴類組分中的比例很少，絕大多數低于0.5%，C1/（C2+C3）通常大于 500，甲烷碳同位素（δ13C-CH4）分布于-55.0‰～-65.6‰，平均-63.0‰，乙烷、丙烷等重烴質量分數低于0.2%，含有少量CO2，N2等非烴組分，δD-CH4平均值為-238.0‰，C1/∑C1—5平均值為 0.998， 二氧化碳碳同位素（δ13C-CO2）平均值-9.1‰，是典型的原生生物成因氣。西安凹陷生物氣樣品取自較深的地熱井，受低溫熱解氣等混入的影響，甲烷質量分數較低，乙烷以上重烴質量分數較傳統生物氣高，δ13C-CH4分布于-55.5‰～-71.0‰，平均值為-61.1‰（見表 1）。

表1 渭河盆地張家坡組水溶烴類天然氣組分及碳氫同位素分析結果

3 生物氣生成機理

生物氣是在表層生物化學作用帶內，沉積有機質經厭氧細菌進行生物化學降解而形成的氣態產物，其形成途徑主要有乙酸發酵和CO2還原。

乙酸發酵：CH3COOH→CH4+CO2

CO2還原：CO2+4H2→CH4+2H2O

沉積環境、埋深、氣候等綜合影響了生物氣的形成過程。其中，乙酸發酵產生物氣作用主要發生在陸相淡水環境中，CO2還原產生物氣作用主要發生于海相、鹽湖相。

研究表明，生物氣的形成機制及水介質性質影響了其碳、氫同位素組成。乙酸發酵形成的生物甲烷由相對輕的氫同位素和相對較重的碳同位素組成，CO2還原作用產生的生物氣由較重的氫同位素和較輕的碳同位素組成。根據Whiticar生物氣碳氫同位素成因分類圖版，渭河盆地張家坡組生物氣形成機制以CO2還原作用為主（見圖 3a），δD-CH4在-200‰～-250‰，與張家坡組水介質的高鹽度有關，在該沉積時期，渭河盆地固市凹陷鹽湖相發育［10-12］（見圖 3b）。

圖3 渭河盆地生物氣成因機理及水文地質條件

4 生物氣生成條件分析

滿足微生物生存、活動的外界條件是生成生物氣的基本前提，烴源巖的規模、有機質類型、豐度等控制了甲烷菌的生氣能力和生氣強度。本次研究從地層溫度、沉積環境、水介質礦化度及pH值、沉積速率、氣源巖特征等因素入手，系統分析渭河盆地張家坡組生物氣生成的地質條件。

4.1 適宜的地層溫度和埋深

根據有關資料可知，甲烷菌的生物化學作用在35℃附近達到產氣率相對高峰。生物氣生成演化模擬實驗表明，生物氣產氣溫度上限為80～85℃，主產氣帶溫度為25～65℃，主峰溫度在35℃，與甲烷菌的生存溫度及最適溫度基本一致。

渭河盆地具有較高的地溫場，地溫梯度具有中部高、邊部低、近環帶狀分布的特點。據地熱井測井溫度資料計算，固市凹陷平均地溫梯度為3.5℃/100 m。按照地表溫度10℃推算，渭河盆地生物氣生成的下限埋深為2 000 m，最佳埋深范圍在428～1 600 m，與盆地內已發現張家坡組生物氣顯示的埋深基本一致。

4.2 有利的環境和水介質

固市凹陷張家坡組沉積時期發育半深湖相還原環境，為生物氣生成提供了良好的沉積環境。渭河盆地水文地質分析表明，南緣秦嶺隆升區和北緣北山地區是盆地長期供水區，在凹陷區形成了大面積穩定的地下潛水和承壓水補給區，滯留區的缺氧還原環境有利于甲烷菌的存活（見圖4）。

圖4 渭河盆地張家坡組沉積相及底面構造等值線

中性水介質條件益于甲烷菌的活動，利于生物氣形成的pH值為5.9～7.8。渭河盆地不同構造單元、不同深度的水介質性質呈現很強的差異性，新生代地層水化學類型由淺到深依次為 HCO3·SO4-Na型、SO4·Cl-Na型、Cl-Na型；固市凹陷以 Cl-Na型和 Cl-Ca·Na型水為主，三門組硫酸鹽含量較高，抑制了甲烷菌活動，防止天然氣在淺層由于過早生成而逸散。埋藏到一定深度后，張家坡組水介質礦化度降低，地層水化學類型轉為以 SO4·HCO3-Na 型為主，pH 值為 7.0～7.5，生物氣開始大量生成。地層水賦存環境從淺到深封閉性增強，為凹陷深部油氣提供了較好的保存條件［13-16］。

4.3 較快的沉積、沉降速度

快速沉積避免了有機質被氧化破壞，也減弱了上覆水體對硫酸鹽的補給，為微生物的生存、繁殖創造了有利的環境和物質基礎。與快速沉積伴生的地殼快速沉降，沉積了較厚的蓋層，阻止了生物氣的逸散［17-18］。

渭河盆地新生代（50 Ma）平均沉降速率為0.14 mm/a，其中始新世—中新世（38 Ma）沉降速率 0.1 mm/a、上新世（8.8 Ma）0.11 mm/a、第四紀（3.2 Ma）0.74 mm/a。固市凹陷形成于古近紀，中新世以來沉積加快，張家坡組保存了豐富的有機質；第四系快速沉降，沉積了厚度超過500 m且地層水飽和度極高的區域性蓋層，為張家坡組生物氣富集提供了良好的封蓋條件。

4.4 烴源巖特征

張家坡組沉積時期，渭河盆地裂陷加強，西部隆起區和驪山隆起進一步抬升，西安凹陷與固市凹陷分異加劇。盆地斷陷邊部向中部沉積相由沖積扇過渡為湖相，在凹陷中心形成了范圍廣、水體深的內陸斷陷湖盆。東部較西部凹陷更強烈、水體更深，沉降中心、沉積中心均向東偏移，使固市凹陷沉積了厚度超過700 m的半深湖相暗色泥巖，有機物質豐富，成為渭河盆地張家坡組生物氣的主力烴源巖。

固市凹陷張家坡組生物氣源巖厚度在600～800 m，面積約為772 km2。野外露頭以灰綠色泥巖、粉砂質泥巖為主，夾淺灰色粉—細砂巖，巖石結構疏松，膠結差，處于成巖階段早期。鉆井顯示暗色泥巖主要分布于張家坡組中下段，以灰色、灰黑色泥頁巖為主，夾少量的灰白色粉—細砂巖，局部夾薄層泥灰巖（見圖5）；泥巖礦物的石英質量分數在30%～50%，其次為斜長石、鉀長石，方解石平均質量分數約為15%，黏土礦物質量分數在24.7%～30.3%，主要成分為綠泥石、伊利石、高嶺石。

圖5 渭河盆地張家坡組剖面及巖心照片

測井曲線對有機質及孔隙流體的差異響應是識別烴源巖的基礎。與上覆地層相比，張家坡組暗色泥巖具有異常高自然伽馬，介于90～190 API，曲線形態呈鋸齒狀、鐘狀、箱狀；自然電位曲線較平直，泥巖段值一般80 mV；電阻率較低，呈微齒狀，一般在 1～3 Ω·m；聲波時差曲線呈齒狀，自下而上整體連續降低，中部泥巖段均值約420 μs/m；井徑較規則。

生物氣源巖對有機質豐度要求較低，下限為0.18%（或0.20%），有機碳含量低、類型差的泥巖可生成大量生物氣。固市凹陷張家坡組暗色泥質巖有機碳質量分數一般為0.10%～0.74%，半深湖區平均為0.56%，淺湖區平均為0.32%。烴源巖有機質類型主要為Ⅱ1腐殖腐泥型，其次為Ⅰ腐泥型，屬于較好—好的生物氣母質類型。泥巖樣品H/C原子比值相對穩定在1.40 左右，氫指數（HI）平均值為 174，氯仿瀝青“A”平均值為0.041%，最高熱解峰溫（Tmax）平均值為427℃，鏡質組反射率（Ro）平均值為0.56%，處于干酪根演化的未熟—低熟階段，以生物-熱催化化學作用為主，是生物氣形成的主要階段［19-22］（見表 2）。

表2 渭河盆地張家坡組烴源巖地化參數

綜合以上巖石電性特征及地球化學特征分析認為，固市凹陷沉積中心張家坡組烴源巖厚度大，有機質豐度高于生物氣源巖下限標準，為生物氣生成提供了良好的物質基礎；干酪根類型較好，演化程度低，處于有機質熱演化的生物生氣作用階段，具有較好的生物氣勘探潛力。

5 張家坡組生氣模式

受有機質熱演化及微生物環境的影響，生物氣生成過程呈現明顯的階段性。渭河盆地沉積物頂部低溫富氧環境不適合甲烷菌生存，三門組硫酸鹽含量較高，抑制甲烷菌活動，使有機質得以保存。張家坡組沉積早期由于低溫、高礦化度及硫酸鹽抑制作用，只有少量生物氣生成，屬于生氣早期階段；當埋藏至張家坡組中下段（1 200～1 800 m），抑制因素解除，微生物開始產生大量的甲烷氣，進入生氣高峰階段。隨著埋深加大，地層溫度逐漸升高，有機質成熟度升高，甲烷菌活性逐漸降低，進入生氣晚期階段至消失［23-24］（見圖6）。由于張家坡組空間展布范圍及沉積相帶的變化，不同生氣階段的深度范圍略有差異。依據生氣過程的階段性特征，預測張家坡組中下部暗色泥巖分布區是渭河盆地生物氣生成最有利區。

圖6 張家坡組生氣模式

6 結論

1）渭河盆地張家坡組適宜甲烷菌存活的地層溫度、潛水滯留區快速沉積形成的缺氧還原環境、合適的地層水介質礦化度和pH值、豐富的半深湖相腐殖腐泥型有機質為生物氣的生成提供了有利的地質條件。

2）渭河盆地具備生物氣資源勘探潛力，依據優質烴源巖的分布特征，預測固市凹陷南部渭河匯水區近源分布的斷塊圈閉和巖性圈閉是未來生物氣勘探的重點地區。