渭河盆地生物气生成条件

张云翠

（中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南 郑州 450006）

0 引言

2010年以来，在渭河盆地地热开发过程中，WR1，WR2-1等多口浅层地热井显示生物气，试油获低产气流，证实了渭河盆地具备生物气成藏的地质条件［1-2］。渭河盆地前期油气勘探及研究成果明确了张家坡组半深湖相暗色泥岩是新生界天然气的主要烃源岩［3］，但对于渭河盆地生物气的生成条件及其烃源岩的岩性、电性、地球化学特征等缺乏针对性研究。本次研究综合野外地质调研、钻井取心及岩石、气体样品地球化学分析等资料，系统地分析了渭河盆地生物气地球化学特征、生成条件及生气模式，为落实生物气资源规模及勘探潜力提供了理论依据。

1 区域构造特征

渭河盆地位于秦岭造山带与鄂尔多斯盆地交会地带，南抵秦岭，北接渭北隆起，西起宝鸡，东到潼关，呈北东—南西走向展布，东西长360 km，南北宽30～85 km，面积20 000 km2。该盆地是在喜山期右旋剪切构造应力作用下裂陷、伸展形成的南深北浅、南陡北缓的新生代断陷盆地，具有凹陷深、地层新、形成晚的特点［4］。

渭河盆地主要沉积地层为新生界，太古界—元古界及寒武系—奥陶系构成盆地基底，局部发育石炭系—二叠系。新生代地层发育相对齐全，古近系包括始新统红河组（E2h）、渐新统白鹿塬组（E3b）；新近系包括中新统高陵群（N1g）、上新统蓝田组—灞河组（N2lb）、张家坡组（N2z）及第四系［5］。地层厚度总体由南向北减薄，西安凹陷和固市凹陷是沉降、沉积中心，最厚地层7 000 m左右，是新生界天然气主要勘探目标区。

依据基底和新生界沉积特征，渭河盆地可划分为南部坳陷带、北部斜坡带、西南隆起、骊山隆起等4个一级构造单元。盆地内部断裂发育，断裂走向以东西向和近东西向为主，北东向和北西向次之，皆为高角度正断层，断距较大，继承性明显，控制了盆地的形成发展，以及内部构造单元的分界。总体活动性具有南强北弱、东强西弱的特点［6］（见图 1）。

图1 渭河盆地构造及地质剖面

2 生物气地球化学特征

生物气最有效的地球化学鉴别标志是气体成分与甲烷碳、氢同位素的组成。结合前人对渭河盆地天然气地球化学特征的研究成果，对张家坡组天然气样品组分、甲烷碳、氢同位素测试结果进行系统分析，借鉴不同成因天然气气体组成-甲烷碳同位素成因图版，明确了渭河盆地生物气的地球化学特征及成因［7-9］（见图2）。

图2 张家坡组天然气δ13C-CH4质量分数及C1/（C2+C3）成因

渭河盆地生物气主要集中于西安凹陷户县一带及固市凹陷渭南地区张家坡组。固市凹陷气体样品中甲烷质量分数通常大于90%，乙烷以上重烃气体在烃类组分中的比例很少，绝大多数低于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、丙烷等重烃质量分数低于0.2%，含有少量CO2，N2等非烃组分，δD-CH4平均值为-238.0‰，C1/∑C1—5平均值为 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气。西安凹陷生物气样品取自较深的地热井，受低温热解气等混入的影响，甲烷质量分数较低，乙烷以上重烃质量分数较传统生物气高，δ13C-CH4分布于-55.5‰～-71.0‰，平均值为-61.1‰（见表 1）。

表1 渭河盆地张家坡组水溶烃类天然气组分及碳氢同位素分析结果

3 生物气生成机理

生物气是在表层生物化学作用带内，沉积有机质经厌氧细菌进行生物化学降解而形成的气态产物，其形成途径主要有乙酸发酵和CO2还原。

乙酸发酵：CH3COOH→CH4+CO2

CO2还原：CO2+4H2→CH4+2H2O

沉积环境、埋深、气候等综合影响了生物气的形成过程。其中，乙酸发酵产生物气作用主要发生在陆相淡水环境中，CO2还原产生物气作用主要发生于海相、盐湖相。

研究表明，生物气的形成机制及水介质性质影响了其碳、氢同位素组成。乙酸发酵形成的生物甲烷由相对轻的氢同位素和相对较重的碳同位素组成，CO2还原作用产生的生物气由较重的氢同位素和较轻的碳同位素组成。根据Whiticar生物气碳氢同位素成因分类图版，渭河盆地张家坡组生物气形成机制以CO2还原作用为主（见图 3a），δD-CH4在-200‰～-250‰，与张家坡组水介质的高盐度有关，在该沉积时期，渭河盆地固市凹陷盐湖相发育［10-12］（见图 3b）。

图3 渭河盆地生物气成因机理及水文地质条件

4 生物气生成条件分析

满足微生物生存、活动的外界条件是生成生物气的基本前提，烃源岩的规模、有机质类型、丰度等控制了甲烷菌的生气能力和生气强度。本次研究从地层温度、沉积环境、水介质矿化度及pH值、沉积速率、气源岩特征等因素入手，系统分析渭河盆地张家坡组生物气生成的地质条件。

4.1 适宜的地层温度和埋深

根据有关资料可知，甲烷菌的生物化学作用在35℃附近达到产气率相对高峰。生物气生成演化模拟实验表明，生物气产气温度上限为80～85℃，主产气带温度为25～65℃，主峰温度在35℃，与甲烷菌的生存温度及最适温度基本一致。

渭河盆地具有较高的地温场，地温梯度具有中部高、边部低、近环带状分布的特点。据地热井测井温度资料计算，固市凹陷平均地温梯度为3.5℃/100 m。按照地表温度10℃推算，渭河盆地生物气生成的下限埋深为2 000 m，最佳埋深范围在428～1 600 m，与盆地内已发现张家坡组生物气显示的埋深基本一致。

4.2 有利的环境和水介质

固市凹陷张家坡组沉积时期发育半深湖相还原环境，为生物气生成提供了良好的沉积环境。渭河盆地水文地质分析表明，南缘秦岭隆升区和北缘北山地区是盆地长期供水区，在凹陷区形成了大面积稳定的地下潜水和承压水补给区，滞留区的缺氧还原环境有利于甲烷菌的存活（见图4）。

图4 渭河盆地张家坡组沉积相及底面构造等值线

中性水介质条件益于甲烷菌的活动，利于生物气形成的pH值为5.9～7.8。渭河盆地不同构造单元、不同深度的水介质性质呈现很强的差异性，新生代地层水化学类型由浅到深依次为 HCO3·SO4-Na型、SO4·Cl-Na型、Cl-Na型；固市凹陷以 Cl-Na型和 Cl-Ca·Na型水为主，三门组硫酸盐含量较高，抑制了甲烷菌活动，防止天然气在浅层由于过早生成而逸散。埋藏到一定深度后，张家坡组水介质矿化度降低，地层水化学类型转为以 SO4·HCO3-Na 型为主，pH 值为 7.0～7.5，生物气开始大量生成。地层水赋存环境从浅到深封闭性增强，为凹陷深部油气提供了较好的保存条件［13-16］。

4.3 较快的沉积、沉降速度

快速沉积避免了有机质被氧化破坏，也减弱了上覆水体对硫酸盐的补给，为微生物的生存、繁殖创造了有利的环境和物质基础。与快速沉积伴生的地壳快速沉降，沉积了较厚的盖层，阻止了生物气的逸散［17-18］。

渭河盆地新生代（50 Ma）平均沉降速率为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、第四纪（3.2 Ma）0.74 mm/a。固市凹陷形成于古近纪，中新世以来沉积加快，张家坡组保存了丰富的有机质；第四系快速沉降，沉积了厚度超过500 m且地层水饱和度极高的区域性盖层，为张家坡组生物气富集提供了良好的封盖条件。

4.4 烃源岩特征

张家坡组沉积时期，渭河盆地裂陷加强，西部隆起区和骊山隆起进一步抬升，西安凹陷与固市凹陷分异加剧。盆地断陷边部向中部沉积相由冲积扇过渡为湖相，在凹陷中心形成了范围广、水体深的内陆断陷湖盆。东部较西部凹陷更强烈、水体更深，沉降中心、沉积中心均向东偏移，使固市凹陷沉积了厚度超过700 m的半深湖相暗色泥岩，有机物质丰富，成为渭河盆地张家坡组生物气的主力烃源岩。

固市凹陷张家坡组生物气源岩厚度在600～800 m，面积约为772 km2。野外露头以灰绿色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹浅灰色粉—细砂岩，岩石结构疏松，胶结差，处于成岩阶段早期。钻井显示暗色泥岩主要分布于张家坡组中下段，以灰色、灰黑色泥页岩为主，夹少量的灰白色粉—细砂岩，局部夹薄层泥灰岩（见图5）；泥岩矿物的石英质量分数在30%～50%，其次为斜长石、钾长石，方解石平均质量分数约为15%，黏土矿物质量分数在24.7%～30.3%，主要成分为绿泥石、伊利石、高岭石。

图5 渭河盆地张家坡组剖面及岩心照片

测井曲线对有机质及孔隙流体的差异响应是识别烃源岩的基础。与上覆地层相比，张家坡组暗色泥岩具有异常高自然伽马，介于90～190 API，曲线形态呈锯齿状、钟状、箱状；自然电位曲线较平直，泥岩段值一般80 mV；电阻率较低，呈微齿状，一般在 1～3 Ω·m；声波时差曲线呈齿状，自下而上整体连续降低，中部泥岩段均值约420 μs/m；井径较规则。

生物气源岩对有机质丰度要求较低，下限为0.18%（或0.20%），有机碳含量低、类型差的泥岩可生成大量生物气。固市凹陷张家坡组暗色泥质岩有机碳质量分数一般为0.10%～0.74%，半深湖区平均为0.56%，浅湖区平均为0.32%。烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1腐殖腐泥型，其次为Ⅰ腐泥型，属于较好—好的生物气母质类型。泥岩样品H/C原子比值相对稳定在1.40 左右，氢指数（HI）平均值为 174，氯仿沥青“A”平均值为0.041%，最高热解峰温（Tmax）平均值为427℃，镜质组反射率（Ro）平均值为0.56%，处于干酪根演化的未熟—低熟阶段，以生物-热催化化学作用为主，是生物气形成的主要阶段［19-22］（见表 2）。

表2 渭河盆地张家坡组烃源岩地化参数

综合以上岩石电性特征及地球化学特征分析认为，固市凹陷沉积中心张家坡组烃源岩厚度大，有机质丰度高于生物气源岩下限标准，为生物气生成提供了良好的物质基础；干酪根类型较好，演化程度低，处于有机质热演化的生物生气作用阶段，具有较好的生物气勘探潜力。

5 张家坡组生气模式

受有机质热演化及微生物环境的影响，生物气生成过程呈现明显的阶段性。渭河盆地沉积物顶部低温富氧环境不适合甲烷菌生存，三门组硫酸盐含量较高，抑制甲烷菌活动，使有机质得以保存。张家坡组沉积早期由于低温、高矿化度及硫酸盐抑制作用，只有少量生物气生成，属于生气早期阶段；当埋藏至张家坡组中下段（1 200～1 800 m），抑制因素解除，微生物开始产生大量的甲烷气，进入生气高峰阶段。随着埋深加大，地层温度逐渐升高，有机质成熟度升高，甲烷菌活性逐渐降低，进入生气晚期阶段至消失［23-24］（见图6）。由于张家坡组空间展布范围及沉积相带的变化，不同生气阶段的深度范围略有差异。依据生气过程的阶段性特征，预测张家坡组中下部暗色泥岩分布区是渭河盆地生物气生成最有利区。

图6 张家坡组生气模式

6 结论

1）渭河盆地张家坡组适宜甲烷菌存活的地层温度、潜水滞留区快速沉积形成的缺氧还原环境、合适的地层水介质矿化度和pH值、丰富的半深湖相腐殖腐泥型有机质为生物气的生成提供了有利的地质条件。

2）渭河盆地具备生物气资源勘探潜力，依据优质烃源岩的分布特征，预测固市凹陷南部渭河汇水区近源分布的断块圈闭和岩性圈闭是未来生物气勘探的重点地区。