渭河盆地天然气成因特征及其意义.pdf
2 0 1 1 年 9月 第 2 6卷第5期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u rna l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n S e p .2 0 1 1 V0 1 . 2 6 No . 5 文章编号 1 6 7 3 -06 4 X 2 0 1 1 0 5 - 0 0 1 1 -06 渭河盆地天然气 成 因特征及其意义 李玉宏, 卢进才, 李金超 , 陈高潮, 魏仙样, 许海红 西安地质矿产研究所 能源地质处, 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 根据渭河盆地地热井气样分析成果 , 结合地质分析 , 发现渭河盆地地热井中广泛发现与上古 生界煤 系地层有关的热解 一裂解煤型甲烷气及有机成 因 C O 气, 区域地质和地震成果也佐证 了渭 河盆地基底存在上古生界地层. 因此 , 前人认为渭河新生代盆地以渭河断裂为界 , 北部为下古生界 , 南部为元古界基底 , 不存在上古生界煤 系地层基底的认识是不全 面的, 渭河盆地至少部分存在上古 生界煤 系地层基底. 渭河盆地上古生界煤 系地层可作为烃源岩 , 这为重新评价渭河盆地的油气地质 前景提供 了依据. 关键词 渭河盆地 ; 天然气; 成因; 上古生界 ; 煤 系地层 中图分类号 T E l 2 2 . 1 1 1 文献标识码 A 渭河盆地位于陕西省 中部 关 中平原 , 是秦岭 造 山带与鄂 尔多斯盆地 2个大地构造单元接合部位 的新生代盆地. 周缘 出露地层从老到新依次有太古 界、 元古界 、 寒武系 、 奥陶系、 泥盆 系、 石炭 系、 二叠 系、 三叠系、 白垩系及新生界 . 2 0世纪 6 0 _7 0年代 , 原 地质部第三石 油普查 勘探大队以新生界为 目的层对渭河盆地开展过石油 普查工作, 证实渭河盆地新近一古近系沉积厚度数 千米 , 最厚达 6 0 0 0 m以上. 主要为河流 冲、 洪积 相 一湖泊相沉积, 岩性组合为砂 砾 岩 一 泥岩组 合 , 表现了上细下粗的正旋回沉积特征 , 即旋 回下部 河流相沉积 的砂 砾 岩为 良好 的储集层 ; 上部为湖 相沉积的巨厚泥页岩 , 为油气成藏 提供 了 良好的盖 层条件 , 并且纵 向上构成 了良好的储盖组合. 但由于 巨厚的新生界 以红层为 主, 有机质 丰度差 、 成 熟度 低 , 缺乏有效烃源岩而停止石油普查. 1 地热井天然气成因 渭河盆地以新生界为 目的层 的地热井 中, 天然 气显示十分普遍 , 天然气 中含高浓度的氦和一定 的 甲烷 、 C O 等气体. 采集 3 O口井的气体样品中, 氦气 质量分数大于 1 % 的 1 5口, 最高 3 . 4 3 % ; 多数井 甲 烷质量分数在 1 0 % 一 2 0 %之间, 最高为 3 2 . 2 % ; C O 质量分数多数 1 0 % , 个别井较高. 1 . 1甲烷成因 甲烷是一种多成因气体 , 可分为有机成 因和无 机成因两大类, 甲烷碳同位素及烃类气体组合是区 别其成 因的标志. 有机成 因甲烷又分为生物成 因和热演化成 因, 甲烷碳同位素能有效将二者进行区分. 一般认为, 生 物成因气甲烷碳同位素小于 一 6 0 % 0 , 而且气体组分 以不含重烃为特点 ; 热演化成因天然气又分为煤型 气和油型气 , 煤型甲烷气 以重烃含量低为特征, 油型 天然气随着演化程度 的增高 , 重烃含量减少 ; 热演化 的不 同 阶段 甲烷 碳 同 位 素 特 征 值 不 同, 一般 为 一 2 8 % o 一一 4 5 %o , 随着演化程度的增高 , 甲烷碳同位 素增大 4 。 表 1 . 甲烷碳 同位素分析结果 表 2 表明, 渭河 盆地 天然气 中的甲烷气为多源成因甲烷 表 3 . 收稿 日期 2 0 1 0 .- 0 8 . 3 0 基金项目全国油气资源战略选区调查与评价项 目 第二批 “ 中国壳幔流体对油气成藏影响研究” 子项 目‘ ‘ 渭河盆地富 氦天然气调查” 编号 2 0 O 9 G Y X Q1 9 . 1 资助 作者简介李玉宏 1 9 6 8 一 , 男 , 教授级高级工程师, 博士, 从事油气勘探开发研究. E . m a i l L 1 7 6 3 T o m. c o rn 一 1 2 一 西安石油大学学 报自然科学版 表 l 有机成 因天然气 不同演化 阶段 甲烷碳 同位素 分布 Ta b. 1 Di s t r i b ut i o n o f t he me t ha n e c a r b o n i s o t o p e i n th e n a t ur a l g a s o f or g a n i c o r i g i n i n d i ffe r e n t e v o l u t i o n s t a g e 表 2 渭河盆地天然气分析成果 Ta b . 2 An a l y s i s r e s u l t s o f the n a t ur a l g a s i n W e i h e Ba s i n 表 3 渭河盆地天然气甲烷碳同位素与鄂尔多斯盆地的对比 Ta b. 3 Co mpa ris o n o f th e m e t h a n e c a r bo n i s o t o pe i n W e iheBasi n wi th th a ti n Or d o sBa s i n 盆地层 位 篙 类 型 盆 地 层 位 两 面 生_ 类 型 鄂 尔多斯 上古 生界~ 3 3 . 8~一 3 8 . 5 3 7 . 1煤型热解 气 2 8 . 3一一 3 4 . 7 3 2 . 3 煤型热解气 ~ 2 4 . 5~一 2 6 . 6 2 5 . 6 壳幔混 源气 渭河 新生界 一1 9 . 8~一 2 1 . 4 2 0 . 6 幔源气 一 4 5 . 0 4 5 . 0热催化气 一 4 8 . 5~一 6 5 . 0 5 7 . 4 生物气 1 高热演化 的 甲烷 气. 甲烷碳 同位素分布在 一 2 8 . 3 % o ~一 3 8 . 5 % c , 重烃含 量低 , 属煤型热解气 , 而且与鄂尔多斯盆地上古生界石炭一二叠系煤型甲 烷气具有近似的同位素分布 . 为与石炭一二叠系 含煤系地层有关 的甲烷气 , 广泛分布在西安洼陷内. 2壳 幔 混 源 甲 烷 气.甲 烷 碳 同 位 素 为 一 2 4 . 5 ‰ ~一 2 6 . 6 % c , 重烃含量低 , 甲烷碳同位素属 煤型裂解气 , 但 甲烷与幔源或有 幔源加入 的二氧化 碳相伴生 , 应为有幔 源 甲烷加入的石炭一二叠系含 煤系地层热解 一 裂解 甲烷气. 分布在咸渭隆起和西 安洼陷的渭河断裂附近. 3幔 源 成 因 甲 烷 气.甲 烷 碳 同 位 素 为 一 1 9 . 8 % 。 ~一 2 1 . 4 % c , 重烃含量低. 一般认为 , 幔源 甲烷碳 同位 素 大 于 一2 5 % 。 也 有 学 者 认 为 大 于 一 2 0 % c , 随着幔源 甲烷气含量的增加 , 甲烷碳同位 素增大 j . 主要分布在秦岭北缘断裂附近. 4 中等热演化的甲烷气. 仅 1个样品 , 甲烷碳 同位素为 一4 5 . 0 % c , 重烃含量低 , 为煤型热解气 , 根 据热演化程度相对较低 的特点 , 分析为与 中生界煤 系地层有关的甲烷气. 该样 品取 自渭河盆地西部靠 近秦岭一侧 , 秦岭北侧分布许多小型白垩纪盆地 , 秦 岭东河群含煤系地 层广泛分布 , 盆地南缘 的中等演 化的甲烷气应与此有关. 5 生物 甲烷气. 甲烷碳 同位 素为 一4 8 . 5 ‰ 一 一 6 5 . 0 % 0 , 为浅层生物化学成因气. 1 . 2 二氧化碳成因 C O 是一种多种成因的微量气体, 它既可是有 机成 因, 也可以是无机成因. 有机成因 C O , 的碳 同位素 8 ” c一般 一1 0 % o , 无 机成 因的 C O 中, 幔源成 因的碳同位素 8 ” C一般在 一 8 ‰ ~一 4 % c 之间 ; 海相碳酸盐岩热分解产 出 C O 的碳同位素 8 B C一般在 一3 . 7 % o ~3 . 7 % c 之间 . 戴金星指出我国 c 0 的 8 ”c 值变化从 7 % e 到 一 3 9 % 。 , 其中有机成因 8 c 值变化从 7 ‰到 一 3 9 . 1 4 % c , 主频 在 一1 2 % c~ 一1 7 % c , 无 机 成 因的 C O 8 C 值变化从 7 ‰到 一 8 % o , 主频在 一3 % c ~ 一 8 %c , 幔源成 因 C O 的 8 C 。 . 值变化 从 一5 ‰ ~ 一 8 . 5 % 。 [ 图 1 . 戴金星等还对 C O 的含量及对应 8 ”C 。 , 进行 了详细的研究 , 指 出当 C O 的质量分数 小于 1 5 % , 8 C 一 1 0%。 ,是无 机成 因或无 机成 因为主 的 C O , 多数井 1 4口 的 8 C c 一1 0 % o , 属有机成 因 C O , 且不是下古生界海相碳酸盐 岩热分解成 因 表 2 . 而 胃 河 盆地新生界 缺乏烃源 岩, 且成熟度 低 , 难以大量生成 C O , C O 来 自上古生界煤系地层 的可能性大. 另外 , 同一 口井 的不同天然气 的成 因 壳/ 幔 不尽相 同 表 2 , 可 能各 自具有 不 同的来 源深度 壳/ 幔 , 需进一步研究探讨. 2 渭河盆地基底分析 前人通常认 为 , 渭 河盆地基底 以渭河断裂 为界 , 断裂以北基底为下古生界碳酸盐层 , 以南是太 古界及元古界 图 2 , 其 中临潼 一长安断裂以西 为 元古界, 以东为太古界深变质岩系. 上古生代鄂尔多 斯地台与秦岭海槽的海陆交互相沉积位于渭北地 区 加] . 图 2渭河盆地 基底结构 权新 昌, 2 0 0 5 Fi g . 2 Ba s e m e n t s t r u c t u r e ma p o f W e i he Ba s i n QUA N X i n - c h a n g 。 2 0 0 5 王景明等认为 , 渭河北 山出露 的三叠系尚无边 缘相堆积, 渭河盆地三叠纪时与鄂尔多斯盆地 为统 一 体 , 今渭河盆地 区域 内曾有过三叠纪 的沉积 . 张国伟等 2 0 0 1 对与渭河盆地密切相关 的北秦岭 北带 的地质演化历史进行 了系统研究 , 认为北秦岭 北带盖层以区域构造不整合于下伏早前寒武纪结晶 基地之上 , 发育中上元古界 , 寒武系 , 少量奥陶系 , 与 华北地块一样缺失中奥 陶统 一下石炭统 , 而上石炭 统 一三叠系主要 出露于该区北缘. 其石 炭 一二叠 一 三叠系岩层组合与古生物群落等和华北地块内部完 全一致 , 源于华北地块内部是连通一致 的 . 此外 , 北秦岭地区的风县一周 至一洛南一线与 渭北地区一 样分布有 石炭 一二叠 系煤 系地层 ’ M 表 4 、 图 3 , 特别是二 叠系中上统对 比关系 良好 , 说明位于二者之间的渭河盆地沉积过石炭 一 二叠系 煤系地层. 固市洼陷三原地 区的渭参 3井钻遇二叠 系石盒子组 , 也证实渭河盆地内有二叠系的保存. 表 4 渭 北与北秦岭地 区石炭 一二叠 系地层对 比 Ta b. 4 Co m p a r i s o n o f Ca r b o n i f e r o u sPe r mi a n s t r a t a i n We i b e i a r e a i n w i t h t l I o s e No r t h e r n Q i nii n g a r e a 系 渭北 北秦岭 塑 堂丝 孙家 泥质粉砂岩、 粉砂岩 、 沟组 细砂岩、 砾岩 组 岩性 孙家下部 为 中粗 粒砂 岩 沟组上部为细砂岩、 泥岩 竺 一受 、 2 本 溪 组 灰 岩 、薄 煤 层 ,底 部 为 草 凉 , 、 铝 土 层 或 铁 矿 层 驿 组 }5 ‘ £ ~ \} } 县 / l 40 80 。 逸 一 一 蕾 1 甘 / . / ~ 。锚 、 宝鸡 a ll吱 Ⅱ 西安 矗 ‘ 。 古 白 0 ‘ 南l 着 、 省 J 肃 凤 , 省 ‘ , f 一 , . 骚 I 1 0 6 。 l 0 8 。 qn&勰1 0 I 重 三 叠 系 嘲石 炭 纪 一 二 叠 系 煤 系 地 层 圈泥 盆系 图 3 渭河盆地及周边泥盆 系 一三叠系地层分布略图 Fi g . 3 S k e t c h m a p o f t h e s t r a t i g r a p h i c dis t r i b ut i o n f r o m De v o nia n t o Tria s s i ci n W e i heBa s i n an d a r e a s 一一~一一 一 1 4 一 西安石油大学学报 自然科学版 根据渭河盆地地热井 中天然气成因特征及对秦 岭地区石炭 一二叠系与鄂尔多斯盆地石炭 一二叠系 对 比研究 , 笔者认为上古生代鄂尔多斯地 台与秦岭 海槽的海陆交互相 沉积边界应抵达北秦岭地 区 , 渭 河盆地基底存在石炭 一二叠系煤系地层. 胃 河盆地高分辨率地震折射剖面 图 4 上 , 要 \ 送 西安洼陷区新生界低速度层之下 的中速度层 层速 度 4 . 0 5 . 0 k m / s 左右 在北部 固市洼陷也有分布, 且连续性 良好 , 延伸至渭北地区古生界露头区, 并与 鄂尔多斯盆地井下 的上古生界层速度基本一致 表 5 . 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 测线 / k m F 2 华 山西侧断裂; V 3 铁炉子 断裂 ; F 4 临潼 一长 安断裂; F 6 渭河断裂 ; F 8 乾县 一富平断裂 F 9 口镇 一关 山断裂 ; F l 0 渭南 一泾阳断裂; F a , F b和 F d为新发现 的断裂 ; 白线为基底顶面 图4 渭河盆地高分辨率地震折射剖面 F i g . 4脚 g h- r e s o l u t i o n s e i s m i c r e f r a c tio n p r o fil e ma p o f W e i he Ba s i n 表 5 鄂尔 多斯盆 地山 1 、 盒 8层速度 Ta b . 5 Ve l o c i t y o f S ha n l a n d He 8 s t r a t a i n Or d o s Ba s i n 盆地 内广泛分布高热演化煤型甲烷气与有机成 因的 C O 气 , 说明盆地 内存在高热演化的煤 系地层 基底. 特别是靠近秦岭, 一般认为晚三叠纪以后秦岭 陆内造山中, 遭受剥蚀强于北部固市洼 陷而不存在 古生界的西安洼陷内 , 高热演化 煤型 甲烷气和有机 成 因 C O , 气 的广泛分 布 , 说明西安洼陷存在高热演 化的上古生界煤系地层基底 , 则 固市洼 陷应该更广 泛地存在上古生界煤系地层基底. 可见 , 渭河盆地在石炭 一二叠 一三叠 系时与鄂 尔多斯盆地具有相似 的岩层组合 , 曾有过石炭 一二 叠 一三叠纪的沉积 , 虽然中生代 中晚期遭受 了剥蚀 , 但渭河新生代盆地的基底可能更为复杂. 根据以上 资料及渭河盆地重磁解译构 造单元划分成果 , 可 初步推测渭河盆地基底 结构如图 5 , 固市洼陷和西 安洼陷应存在上古 生界 , 至少局 部残留有上古生界 煤系地层 , 目前地热井较少的固市洼陷应残 留有更 ①李玉宏, 袁炳强. 渭河盆地富氦天然气调查 2 0 0 9年度工作报告 多的上古生界煤系地层. 3 油气地质意义 根据石油钻井资料与地热钻井资料 , 渭河 盆地 新近 一 古近系沉 积厚度 数千米 , 最厚达 6 0 0 0多米 图6 . 主要为河流 冲 、 洪积 相 一湖泊相沉积 , 自 图 5渭河盆地基底结构示 意图 Fi g. 5 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t he b a s e m e n t s t r u c tur e o f W e i he Ba s i n 上而下一般发育有 3~ 4套 下粗上细 的储 盖组合 , 即 古近系红河组 一白鹿塬组 、 新近系高陵群、 蓝田 一 灞桥组及局部张家坡组. 古近系红河组 一白鹿塬组 下部为河流相灰 白色块状粗 一中砂岩为主的砂泥岩 互层 , 中上部为湖相泥页岩 , 构成了一套下细上粗 的 - - . 一 O 0 4 撂m他H 李玉宏等 渭河盆地天然气成因特征及其意义 一1 5一 储 盖组 合. 新近系高陵群 下部为冲 、 洪积相 一 河流相砂砾 岩 , 向上过渡为河湖交互相沉 积, 岩性变细 , 以粉砂 质泥岩、 泥岩为主, 构成又一套储盖组合. 下部单层 砂岩一般大于 2 m, 最厚达 1 6 m. 储层物性较好 , 平 均孔隙度大于 1 7 % , 渗透率差异较大. 骊山地区分层 钻孔中分层 时代 岩十 牛 代号 名称 厚 度,m i 障度 名称 代号 更新统 Q. S 三门组 三门组 Q.S _ N z 张家坡组 2 0 c - 永乐店群 N z 1 3 1 6 I--I I I 组 或N l 上 新统 N l 蓝 田组 1 0 8 0 ‘ l 1 0 0 - 永乐店群 N 9 8 9 Ⅳ组 或N N b 满河组 1 3 5 0 1 l I N g 龚家沟组 5 1 1 d . 一 ⋯r 4 8 O 一 中新统 . .1 】 4 5 7 高陵群 N N 1 冷 水沟 组 2 3 2 2 1- . i 】 J 中 一上 渐新统 E 甘河组 甘河组 _ I 户 I 9 6 ~ ’ ’’ 5 n⋯ 白鹿原组 E - 下渐新统 E 白鹿原组 ,- 7 8 5 - { 县 o o 0 o 0 一一⋯ I 群 一-⋯I 上始新统 E 红河组 2 0 0 -- j j- 8 0 0 . 。 . i 4 5 9 . 7 红河组 o 0 o 0 O I 一‘⋯_ 目 E习z 圈 日 目s 圈e 目 1 . 泥岩; 2 砂岩; 3 ,砾岩; 4 .整合接触; 5 假整合; 6 . 不整合; 7 .接触关系有疑问 图6 渭河盆地新生界综合柱状剖面 Fi g . 6 Co m p o s i t e c o l u mna r s e c t i o n o f t h e Ce n o z o i c i n W e j h e Ba s i n 新近系蓝 田 一灞桥组 岩性组合及沉积梧特征 与高陵组类似 , 下部砂体发育 , 上部 以泥页岩为主 , 普遍含石膏. 下部单砂层厚度一般在2 m, 最厚达 6 O m . 孔隙度为 7 % 一 3 0 %, 平均 1 5 %左右; 渗透率变 化较大 , 为 0 . 0 5~5 6 8 9 1 0一 m , 一般在 3 0 1 0 I. z m 以上 . 新近系张家坡组 洼陷中心为深湖 一半深湖相 沉积 , 以泥页岩为主 , 储集层不发育 ; 向盆地周边逐 渐过渡为河湖交互相沉积 , 砂岩比例逐渐增大 , 储层 物性较好 , 孔隙度 1 0 % 一 3 2 % , 多数在 2 0 %左右 , 渗 透率一般 1 01 0~ m 左 右 , 最 大 3 7 1 01 0 m . 张家坡组以泥页岩为主, 尤其是上部泥页岩厚 度大 , 分布面积广 , 为本区天然气成藏的区域盖层. 可见渭河盆地 新生界发育 多套 良好 的储 盖组 合 , 天然气勘探 的主要矛盾是气源问题. 如果渭河盆 地基底存在较大范围和一定厚度的上古生界煤系地 层, 虽然其埋藏深度大, 但其深埋历史较短, 断裂体 系发育, 具有 良好的运移通道 _ 9 “ , J , 烃源岩成熟过 程中可为渭河盆地新生界提供油气 , 是新生界油气 藏的新烃源层 , 为渭河盆地油气勘探带来 了新希望. 4 结 论 渭河盆地基底是否有上古生界煤系地层作为主 要的气源岩 , 直接关系到对 区内油气资源潜力 的评 价, 广泛分布的煤型甲烷气信息及相关地质、 物探成 果 , 提供了盆地基底存在上古生界煤系地层的证据 , 为渭河盆地油气勘探带来 了新希望. 由于 目前工作 程度低, 需开展进一步工作来验证, 本文的初步认识 可供进一步勘查 与研究参考. 参 考 文 献 [ 1 ] 陕西省地质矿产局. 陕西省区域地质志[ M] . 北京 地 质出版社 , 1 9 8 9 1 - 5 5 1 . 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