陳五泉

(中國石化華北分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州450006)

固市凹陷位于渭河盆地(斷陷盆地)東部，北鄰鄂爾多斯盆地的渭北隆起，南靠秦嶺造山帶，西及西南與西安凹陷、驪山凸起相接，東與汾河盆地為界，面積5 635 km2(圖1)。

圖1 渭河盆地固市凹陷大地構(gòu)造位置Fig．1 Tectonic location of Gushi Sag in Weihe Basin

固市凹陷主體地層為新生界第四系、新近系及古近系，主要為內(nèi)陸沖積、河流及湖泊相碎屑巖沉積，地層總厚度大于6 km。其中，新近系上新統(tǒng)張家坡組)以湖泊相沉積為主，巖性為泥頁巖夾砂巖。根據(jù)次級(jí)旋回由上而下進(jìn)一步劃分出7段即張1段—張7段，厚度最大1．4 km。該組發(fā)育的暗色泥質(zhì)巖成為固市凹陷乃至渭河盆地最主要的烴源巖。

近年在固市凹陷南斜坡渭南一帶張家坡組勘探并發(fā)現(xiàn)天然氣(生物氣)，經(jīng)測試多口井出氣，單井最高折算日產(chǎn)氣3 840 m3，實(shí)現(xiàn)了渭河盆地天然氣勘探的重大突破。

1 烴源巖基本特征及分布

張家坡組是固市凹陷乃至渭河盆地新生界惟一具有較深湖相、暗色泥質(zhì)巖發(fā)育的一套地層。張家坡組沉積時(shí)，固市凹陷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以沉降為主，且力度較大，使得凹陷形成范圍較廣、水體較深的內(nèi)陸湖盆。當(dāng)時(shí)氣候溫暖濕潤，生物繁盛，為湖盆提供了豐富的有機(jī)物質(zhì)，以至在湖區(qū)沉積了較厚的暗色泥質(zhì)巖，成為整個(gè)渭河盆地最好的烴源巖。

烴源巖分布嚴(yán)格受沉積相控制［1］，縱向上張家坡組中部的張3、張4段主要為較深湖相，巖性以泥質(zhì)巖為主，夾少量灰白色粉－細(xì)砂巖，泥質(zhì)巖主要為灰綠色及灰黑色泥巖和頁巖，局部還夾薄層泥灰?guī)r，有機(jī)物質(zhì)豐富，為還原環(huán)境，形成了張家坡組最好的烴源巖。張2、張5段主要為淺湖相，泥質(zhì)巖以灰綠、綠灰、黃灰色為主，有機(jī)物質(zhì)含量減少，集中出現(xiàn)的灰黑色泥質(zhì)巖亦減少，多為弱還原環(huán)境，烴源巖發(fā)育不如較深湖相，生烴條件亦次之。張1、張6、張7段主要為河湖相，泥質(zhì)巖色雜，主要為黃色及紅色，暗色泥巖減少，屬氧化－弱氧化環(huán)境，生烴條件最差。

橫向上，凹陷南部的深洼槽為較深湖相發(fā)育區(qū)，是凹陷的沉積中心和生烴中心，該區(qū)包括黑色頁巖的暗色泥質(zhì)巖發(fā)育，生烴條件最好，烴源巖厚度500～1 000 m，砂地比小于10%。較深湖相區(qū)外圍呈環(huán)狀分布的淺湖相區(qū)的生烴條件次于較深湖相區(qū)，烴源巖厚度100～500 m，砂地比10% ～30%。淺湖相區(qū)外緣為河湖相區(qū)，已到湖盆邊緣，暗色泥巖顯著減少，烴源巖厚度小于100 m，砂地比大于30%，顯然是生烴條件最差的區(qū)域(圖2)。

圖2 固市凹陷張家坡組沉積相Fig．2 Sedimentary facies of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

2 烴源巖地球化學(xué)特征

受鉆井分布及取心的限制，固市凹陷張家坡組樣品資料不甚完整，但已有樣品的有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果仍表現(xiàn)一定的規(guī)律性和客觀性。烴源巖有機(jī)地化指標(biāo)的好壞，依舊與沉積相演變息息相關(guān)，指標(biāo)按較深湖相—淺湖相—河湖相順序由好變差。

2．1 有機(jī)質(zhì)豐度特征

有機(jī)碳(TOC)含量是衡量烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)。對(duì)于湖相(淡水－半咸水)烴源巖，有機(jī)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)大于2．0%為最好烴源巖，1．0% ～2．0% 為好烴源巖，0．6% ～1．0% 為中等烴源巖，0．4% ～0．6%為差烴源巖，小于0．4%為非烴源巖［2］。

對(duì)固市凹陷內(nèi)15口井張家坡組暗色泥質(zhì)巖采樣分析，有機(jī)碳含量一般為0．10% ～0．74%。較高值分布于較深湖相區(qū)，有機(jī)碳含量一般0．41% ～0．74%，平均0．56%。淺湖相區(qū)有機(jī)碳含量一般0．30% ～0．36%，平均0．32%。河湖相區(qū)有機(jī)碳平均含量為0．10%。

整個(gè)固市凹陷張家坡組有效烴源巖有機(jī)碳平均含量為0．49%，若按上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，只能評(píng)價(jià)為差烴源巖。但是，前人對(duì)柴達(dá)木盆地第四系生物氣烴源巖研究認(rèn)為，可溶有機(jī)質(zhì)對(duì)烴源巖生烴貢獻(xiàn)已不可否認(rèn)，故有機(jī)碳傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物氣烴源巖已不適合［3］。因?yàn)橐话阌袡C(jī)碳分析的含量實(shí)際只是不溶有機(jī)質(zhì)的含量，未包含可溶有機(jī)質(zhì)的含量。生物氣烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)在常規(guī)有機(jī)碳分析中，通過對(duì)樣品的酸溶和水洗大部分流失了。所以，用常規(guī)測定的生物氣烴源巖有機(jī)碳含量來評(píng)價(jià)烴源巖好壞，往往無形中降低了標(biāo)準(zhǔn)，代表不了實(shí)際情況。

柴達(dá)木盆地第四系生物氣烴源巖研究表明，可溶有機(jī)質(zhì)有機(jī)碳含量一般是不溶有機(jī)質(zhì)有機(jī)碳含量的2．6倍［3］。借鑒這一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新計(jì)算固市凹陷張家坡組有效烴源巖總有機(jī)碳平均含量約為1．76%，再與上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，總體評(píng)價(jià)為好烴源巖。較深湖相區(qū)總有機(jī)碳平均含量約2．02%，為最好烴源巖，淺湖相區(qū)總有機(jī)碳平均含量約1．15%，為好烴源巖，河湖相區(qū)總有機(jī)碳平均含量約0．36%，依然屬于非烴源巖范疇(表1)。

前人對(duì)柴達(dá)木盆地第四系生物氣烴源巖研究認(rèn)為，生物氣烴源巖評(píng)價(jià)仍可借鑒常規(guī)湖相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，只是應(yīng)將可溶和不溶兩部分有機(jī)質(zhì)同時(shí)考慮進(jìn)去［3］。如果折算為不溶有機(jī)碳含量，則最好的生物氣烴源巖 TOC含量應(yīng)大于0．56%;好的烴源巖 TOC 含量在0．28% ～0．56%;中等烴源巖TOC含量為0．17% ～0．28%;差的烴源巖TOC 含量0．11% ～0．17%;TOC 含量小于0．11%為非烴源巖。這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)固市凹陷張家坡組生物氣烴源巖也非常適用。對(duì)照此標(biāo)準(zhǔn)，固市凹陷張家坡組烴源巖有機(jī)碳平均含量0．49%，亦屬于好的烴源巖，表明有機(jī)質(zhì)豐度較高。同樣，較深湖相TOC含量0．63%，有機(jī)質(zhì)豐度最高，為最好烴源巖;淺湖相TOC含量0．35%，有機(jī)質(zhì)豐度次之，為好烴源巖;河湖相TOC含量0．10%，有機(jī)質(zhì)豐度最低，為非烴源巖。這與上述評(píng)價(jià)是一致的。

表1 固市凹陷張家坡組烴源巖平均有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)Tab．1 Average organic carbon content of hydrocarbon source rock of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

2．2 有機(jī)質(zhì)類型特征

固市凹陷渭南地區(qū)張家坡組9塊樣品干酪根鏡檢分析，烴源巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1腐殖腐泥型，次為Ⅰ腐泥型。其中，Ⅱ1型腐泥組21% ～62%，平均44%;殼質(zhì)組26% ～75%，平均50%;鏡質(zhì)組2% ～5%，平均3%;類型指數(shù)(Ti)62～76，平均68。Ⅰ型腐泥組78% ～87%，平均83%;殼質(zhì)組11% ～20%，平均15%;鏡質(zhì)組平均為2%;類型指數(shù)(Ti)87～91，平均89。有機(jī)質(zhì)類型表明為弱還原—還原相母質(zhì)，為湖相烴源巖特征，屬于較好—好的類型。

2．3 有機(jī)質(zhì)熱演化特征

2．3．1 鏡質(zhì)體反射率(Ro) 固市凹陷渭南地區(qū)鉆井1 610～1 846 m張家坡組暗色泥質(zhì)巖樣品分析，Ro值變化范圍 0．48% ～0．60%，平均 0．54%。其數(shù)值變化一般有隨深度加深而變大之規(guī)律［4］，表明深度加深，有機(jī)質(zhì)熱演化程度加強(qiáng)(圖3)。Ro低成熟門限值約為0．50%，平均門限深度在1 670 m左右，其地層溫度為57．3℃(本區(qū)地溫梯度3．4℃/100 m)。固市凹陷張家坡組烴源巖深度在2 km以內(nèi)，最高地層溫度在70℃以內(nèi)，是生物氣生成的適宜地溫條件。

總體來看，該區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化程度不高，多屬于未成熟—低成熟階段。

圖3 固市凹陷張家坡組烴源巖Ro與深度的關(guān)系Fig．3 Rovarying of hydrocarbon source rock of Zhangjiapo formation in Gushi Sag with depth

2．3．2 熱解最高峰溫(Tmax)及H/C原子比 烴源巖熱解最高峰溫(Tmax)分析，數(shù)值范圍422～432℃，平均值428℃，均小于435℃有機(jī)質(zhì)低成熟階段的下限值［5］。H/C 原子比 1．37 ～3．00，平均 1．64，略高于1．6低成熟階段的下限值。兩項(xiàng)指標(biāo)表明本區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化處于未成熟—低成熟階段。

3 烴源巖綜合評(píng)價(jià)

通過上述烴源巖基本特征及有機(jī)地化特征分析，本區(qū)張家坡組烴源巖以灰黑、深灰、灰綠色暗色泥巖、頁巖為主，夾部分泥灰?guī)r。發(fā)育于凹陷中南部弱還原－還原環(huán)境的淺湖－較深湖相區(qū)，烴源巖厚100～1 000 m。其中，南部渭南以北WR1井、WC4井、WS12井、WS16井及WS17井圍繞的較深湖相區(qū)烴源巖最為發(fā)育，厚600～1 000 m，平均800 m，為凹陷乃至渭河盆地的生烴中心，即氣源中心。烴源巖有機(jī)碳(不溶)含量平均0．49%，總有機(jī)碳含量平均1．76%，屬于好烴源巖。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1腐殖腐泥型和I腐泥型為主，為較好—好的類型。鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均0．54%，巖石熱解最高峰溫(Tmax)平均428℃，H/C原子比平均1．64，均表明有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低，主要屬于未成熟—低成熟階段，以生成生物氣為主。

張家坡組天然氣分析(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等非烴組分。甲烷碳同位素平均值為－64‰，甲烷氫同位素平均值為－238‰，均符合學(xué)者認(rèn)定的生物氣標(biāo)準(zhǔn)，即一般生物氣甲烷碳同位素小于－55‰，甲烷氫同位素在 －158‰ ～ －368‰［6］。另外，5個(gè)氣樣分析，C1/∑C1－5平均值為 99．79%，明顯為干氣(C1/∑C1－5﹥ 95%)［7］。以上結(jié)果表現(xiàn)了生物甲烷氣典型特征，亦表明其氣源就來自于張家坡組本身的烴源巖。

表2 固市凹陷張家坡組天然氣分析數(shù)據(jù)Tab．2 Natural gas analysis data of Zhangjiapo formation in Gushi Sag

4 生物氣資源潛力評(píng)價(jià)

4．1 生物氣生氣量及資源量計(jì)算

利用生氣率法［8］先計(jì)算出固市凹陷張家坡組生物氣的生氣量，再用生聚系數(shù)法計(jì)算出生物氣的資源量。

生氣率法生氣量計(jì)算公式為

式中:Q生為生氣量，1012m3;S為烴源巖面積，km2;H為烴源巖平均厚度，km;D為烴源巖平均密度，108t/km3;C為有機(jī)碳平均含量，%;Rc為有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù);Kc為有機(jī)碳生氣率，m3/t。

生聚系數(shù)法資源量計(jì)算公式為

式中:Q資為資源量，108m3;Q生為生氣量，1012m3;K為生聚系數(shù)。

將研究確定的參數(shù)代入公式(1)和式(2)，分別計(jì)算出淺湖、較深湖相區(qū)的生氣量和資源量，兩相區(qū)結(jié)果相加，最終計(jì)算出固市凹陷張家坡組烴源巖總生氣量約為26．28×1012m3，總資源量約為6 086×108m3(表3)。

表3 固市凹陷張家坡組烴源巖生物氣生氣量和資源量計(jì)算參數(shù)及結(jié)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 生物氣資源潛力評(píng)價(jià)

4．2．1 生物氣資源 固市凹陷張家坡組淺湖－較深湖相區(qū)面積約占整個(gè)凹陷面積的70%，有機(jī)質(zhì)豐度是凹陷乃至整個(gè)渭河盆地的較高地區(qū)，剩余有機(jī)碳含量、有效烴源巖厚度等計(jì)算參數(shù)相對(duì)較高。計(jì)算生物氣生氣強(qiáng)度平均約69．52×108m3/km2，資源量強(qiáng)度平均約1．61×108m3/km2，表明該區(qū)是生物氣資源聚集帶，具有較大的資源潛力。

4．2．2 較深湖相區(qū)生物氣資源潛力 固市凹陷張家坡組較深湖相區(qū)面積約1 220 km2，只占到有效烴源巖面積的32%，但是該區(qū)有效氣源巖厚度可達(dá)600～1 000 m，平均800 m，處于凹陷中心，生氣強(qiáng)度最大［9］，達(dá)到 136．07 ×108m3/km2。有機(jī)質(zhì)豐度最高，剩余有機(jī)碳含量平均可達(dá)0．63%，生聚系數(shù)可提高為2．5%。這樣，估算生物氣資源量達(dá)4 150×108m3，占總資源量的68%，資源量強(qiáng)度平均約3．4×108m3/km2，這表明較深湖相區(qū)是整個(gè)固市凹陷張家坡組生物氣資源潛力最大的區(qū)域。

近年勘探實(shí)踐證明，固市凹陷張家坡組生物氣顯示普遍，且以水溶相生物氣為主，測試氣水比1．36～6．3。多大于2，已為工業(yè)性生物氣藏開發(fā)創(chuàng)造了有利條件。在較深湖相區(qū)的多口井中測試出生物氣，日產(chǎn)氣量最高達(dá)3 800 m3，產(chǎn)氣層段主要為1 600 m張3段以上的砂巖層。這表明固市凹陷張家坡組生物氣以較淺層自生自儲(chǔ)、下生上儲(chǔ)，垂向近距離運(yùn)移聚集成藏為主［10］，為多疊置的生儲(chǔ)蓋組合模式，儲(chǔ)層則以薄互層粉－細(xì)砂巖為特點(diǎn)。目前在30 km2面積中計(jì)算探明儲(chǔ)量約106×108m3，對(duì)資源量而言，探明率只有1．74%，表明固市凹陷生物氣勘探潛力巨大。

較深湖相區(qū)既是氣源巖發(fā)育區(qū)，又是生物氣資源量最大的地區(qū)。根據(jù)本區(qū)生物氣近源聚集成藏的特點(diǎn)，應(yīng)將該區(qū)作為生物氣勘探開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)。

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