柴達(dá)木盆地三湖坳陷鹽殼遮擋型生物氣成藏模式

單俊峰 鞠俊成 張文偉 韓宏偉 周鐵鎖 王宇斯 楊時(shí)杰 曹宇森

中國石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

柴達(dá)木盆地三湖坳陷天然氣資源豐富，廣泛發(fā)育第四系生物氣藏。該地區(qū)從1958年開始，歷經(jīng)60年的勘探開發(fā)，已建成目前國內(nèi)最大的生物氣生產(chǎn)基地。經(jīng)過多年的勘探實(shí)踐，探索形成了一系列針對第四系生物氣的勘探技術(shù)，并取得了豐碩的成果，發(fā)現(xiàn)了臺南、澀北一號、澀北二號等3個(gè)大型生物氣田[1-2]。中國石油天然氣股份有限公司第四次油氣資源評價(jià)結(jié)果顯示，三湖坳陷第四系生物氣資源量近1×1012m3，已探明生物氣地質(zhì)儲量近3 000×108m3，剩余生物氣資源量大，具有較大的勘探潛力[3]。

三湖坳陷生物氣勘探目標(biāo)早期以地震反射含氣異常背景下的低幅度背斜為主，成效顯著。但是，自1988年臺南氣田發(fā)現(xiàn)以來，區(qū)域勘探上僅在伊克雅烏汝構(gòu)造的新近系有所發(fā)現(xiàn)，三湖坳陷天然氣勘探遇到了“地震真假異常識別難、微幅度構(gòu)造落實(shí)難、巖性圈閉刻畫難”等諸多難題，缺乏可供鉆探的有效圈閉，成為制約第四系生物氣勘探新突破的瓶頸[4-6]。常規(guī)技術(shù)手段已不能滿足本地區(qū)的勘探需求，必須打破以往的認(rèn)識，尋找新的勘探思路以突破上述瓶頸。柴達(dá)木盆地第四系淺層普遍發(fā)育鹽類物質(zhì)沉積，且成鹽期與第四紀(jì)冰期有著良好的對應(yīng)關(guān)系。綜合研究認(rèn)為，陵間斷層?xùn)|段的鹽殼形成于倒數(shù)第二次冰期及末次冰期[7-8]，具有較好封蓋能力，蓋層條件是影響生物氣聚集的重要因素之一?；谠撜J(rèn)識，筆者從鹽殼分布入手，通過精細(xì)構(gòu)造解釋、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析等手段落實(shí)鹽殼的分布范圍、形成時(shí)間及封蓋能力，結(jié)合烴源巖及儲層等成藏條件，提出了鹽殼遮擋型生物氣成藏模式。研究認(rèn)為：①三湖坳陷鹽殼分布面積廣、封蓋能力強(qiáng)，可作為有效遮擋層；②三湖坳陷發(fā)育充足的烴源巖和優(yōu)質(zhì)儲層，成藏條件優(yōu)越，鹽殼的形成與生物氣的生成、運(yùn)移具有良好的時(shí)空配置關(guān)系，可形成鹽殼遮擋型生物氣藏；③初步落實(shí)三湖坳陷鹽殼封蓋型氣藏有利勘探面積812 km2，預(yù)測天然氣資源量近1 000×108m3，生物氣的勘探潛力巨大。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

三湖坳陷位于柴達(dá)木盆地東南部，在晚喜馬拉雅運(yùn)動作用下，盆地沉積中心由西向東遷移，在三湖坳陷形成第四系的沉降、沉積中心。三湖坳陷西與柴西隆起相鄰，北接一里坪坳陷和柴北緣隆起，南至昆侖山前邊界斷裂，勘探面積約37 000 km2（圖1）。

圖1 三湖坳陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D

1.1 構(gòu)造特征

三湖坳陷以基底穩(wěn)定、地層變形弱為主要構(gòu)造特征，褶皺和斷層均不發(fā)育，坳陷進(jìn)一步劃分為北斜坡帶、中央凹陷帶和南斜坡帶（圖1）。北斜坡帶發(fā)育背斜構(gòu)造，形態(tài)寬緩，主要發(fā)育于喜馬拉雅晚期。從陵間斷層往南分布3排地表構(gòu)造，依次為伊克雅烏汝—南陵丘—啞叭爾構(gòu)造、鴨湖—臺吉乃爾—駝峰山—鹽湖構(gòu)造和臺南—澀北構(gòu)造。越靠近陵間斷層，構(gòu)造變形強(qiáng)度越大，地層剝蝕越強(qiáng)烈，地表出露地層也逐漸變老。中央凹陷帶和南斜坡帶構(gòu)造簡單，不發(fā)育背斜構(gòu)造。

1.2 地層及沉積特征

目前，三湖坳陷所鉆遇的地層自上而下為第四系鹽橋組、達(dá)布遜組、七個(gè)泉組和新近系獅子溝組、上油砂山組和下油砂山組。第四系與下伏新近系多為整合接觸，僅在局部地區(qū)呈不整合接觸。鉆井資料揭示，三湖坳陷第四系—新近系主要為一套細(xì)粒濱淺湖相沉積的砂泥巖地層，僅在局部邊緣地帶發(fā)育沖積扇、三角洲相沉積，巖性相對較粗。第四系七個(gè)泉組為本區(qū)生物氣勘探的主要目的層，地層以砂泥巖不等厚頻繁互層為主要特點(diǎn)，巖性總體為下粗上細(xì)，上部為區(qū)域蓋層，中、下部為自生自儲式生物氣藏的分布段。

2 生物氣成藏條件

2.1 蓋層條件

2.1.1 鹽殼蓋層的封蓋能力

蓋層條件是控制生物氣富集的主要因素之一，以往偏重于泥巖蓋層的評價(jià)，未對鹽殼的封蓋能力進(jìn)行深入分析。為了研究鹽殼的封蓋能力，筆者對野外鹽殼露頭進(jìn)行了取樣（取樣深度約為1 m）分析，鹽殼樣品的物性分析（表1）表明，地表鹽殼孔隙度、滲透率隨含鹽量增大明顯降低，當(dāng)石鹽含量達(dá)到58%時(shí)，孔隙度為13%，滲透率降低至1 mD （圖2）。與三湖坳陷蓋層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2）對比可知，當(dāng)孔隙度介于25%～32%、滲透率介于1～10 mD時(shí)，鹽殼可以作為蓋層；當(dāng)孔隙度小于24%、滲透率小于1 mD時(shí)，鹽殼為極好蓋層，封蓋能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)樣品取自距地表約1 m，屬于露頭樣品，考慮到風(fēng)化淋濾的影響，距離地表較深鹽殼的含鹽量必然更高，鹽層的孔滲更低，封蓋能力更強(qiáng)，可以作為優(yōu)質(zhì)區(qū)域蓋層。

表1 鹽北鹽殼露頭樣品物性分析數(shù)據(jù)表

圖2 鹽殼的石鹽含量、石膏含量與滲透率、孔隙度的關(guān)系圖

表2 三湖坳陷第四系蓋層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

2.1.2 鹽殼特征

通過分析三湖坳陷約8 000 km的二維地震資料，發(fā)現(xiàn)陵間斷裂帶東段附近的鹽殼在地震剖面上表現(xiàn)為一個(gè)穿時(shí)、穿軸、產(chǎn)狀近水平的強(qiáng)振幅界面，界面之上波組特征清楚，地震同相軸較連續(xù)，界面之下波組特征雜亂，具有含氣異常響應(yīng)特征。經(jīng)地震解釋追蹤，鹽殼分布范圍達(dá)812 km2（圖3）。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鹽殼的地表露頭比較少見，通常需要挖掘探槽進(jìn)行取樣，鹽殼層多呈水平狀，顏色為灰白色，單層厚度介于10～50 cm，累計(jì)厚度介于1～10 m（圖4）。對露頭樣品進(jìn)行全巖定量分析，鹽殼層的主要成分為石鹽、石英、長石，且以石鹽為主[9]（表 3）。

2.1.3 鹽殼形成時(shí)間

圖3 陵間斷層?xùn)|段穿時(shí)界面分布范圍圖

圖4 三湖坳陷鹽殼野外露頭照片

表3 鹽北鹽殼露頭樣品X射線衍射全巖定量分析數(shù)據(jù)表

野外地質(zhì)調(diào)查與區(qū)域地質(zhì)圖對比分析發(fā)現(xiàn)，鹽殼出露地表地層為第四系達(dá)布遜組鹽類化學(xué)沉積，距今10～120 ka。鄭綿平等[10-11]提出青藏高原成鹽期與第四紀(jì)冰期具有一致性，柴達(dá)木盆地鹽類物質(zhì)沉積與青藏高原的強(qiáng)烈隆升有關(guān)，與青藏高原構(gòu)造運(yùn)動階段也可對比。青藏運(yùn)動期 （距今2.52～1.10 Ma），印度板塊向歐亞大陸俯沖，青藏高原發(fā)生強(qiáng)烈的隆升，氣候開始變冷，但冰期事件極少出現(xiàn)；昆黃運(yùn)動期（距今0.71～0.50 Ma），青藏高原隆升至3.0 km以上，柴達(dá)木盆地進(jìn)入冰凍圈，冰期事件開始出現(xiàn)；進(jìn)入共和運(yùn)動（距今0.24～0.09 Ma）后，青藏高原隆升至4.2 km以上，冰期事件頻繁出現(xiàn)。根據(jù)馬海和察爾汗地區(qū)鉆孔記錄的含鹽地層的年代學(xué)數(shù)據(jù)分析（表4），馬海地區(qū)鹽類樣品年代對應(yīng)于倒數(shù)第二次冰期，察爾汗地區(qū)鹽類樣品年代對應(yīng)于末次冰期晚冰階。陵間斷層?xùn)|段發(fā)現(xiàn)的鹽殼位于馬海和察爾汗之間，結(jié)合構(gòu)造運(yùn)動期次和馬海、察爾汗地區(qū)鹽類測年數(shù)據(jù)對比可知，新發(fā)現(xiàn)的陵間斷層?xùn)|段鹽殼形成于倒數(shù)第二次冰期和末次冰期之間，對應(yīng)于七個(gè)泉組沉積晚期至達(dá)布遜組沉積晚期。

表4 柴達(dá)木盆地部分鉆孔含鹽地層測年數(shù)據(jù)表[12]

2.1.4 鹽殼成因

受晚喜馬拉雅運(yùn)動的影響，三湖坳陷氣候變化頻繁，來自南部昆侖山的雪山融水導(dǎo)致古湖水鹽度分帶，在三湖坳陷南部的河流注入端形成淡水區(qū)，向北形成咸水區(qū)，在最北段即三湖坳陷北部形成鹵水區(qū)，受此影響，北部潛水亦為高含鹽鹵水，受蒸發(fā)作用影響，在潛水面附近形成鹽殼層，由于北部上覆地層較厚，鹽殼層在后期地層抬升過程中未被剝蝕得以保存，形成現(xiàn)今的鹽殼層[13-19]（圖5）。

2.2 烴源條件

三湖坳陷第四系廣泛接受了湖相沉積，發(fā)育了兩種類型的烴源巖，即湖相暗色泥巖和湖沼相碳質(zhì)泥巖，暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖累計(jì)厚度超過地層總厚度的70%。盡管其至今仍處于早成巖階段，尚未完全固結(jié)成巖，但有利于產(chǎn)甲烷菌生存活動，是優(yōu)質(zhì)的生物氣源巖；烴源巖厚度一般介于200～1 600 m，其中暗色泥巖總有機(jī)碳含量介于0.3%～0.4%；碳質(zhì)泥巖是有機(jī)質(zhì)富集的場所，總有機(jī)碳含量一般超過5%，平均值約為10%；有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖混合型—腐殖型，鏡質(zhì)體反射率大多小于0.5%，整體處于未成熟階段。但在深度2 400 m以淺發(fā)育大量的生物甲烷菌，第四系烴源巖經(jīng)甲烷菌催化作用，生氣量達(dá)60×108m3/km2，生氣量巨大；由于三湖坳陷生物氣獨(dú)特的形成機(jī)理和成藏模式，不適合運(yùn)用盆地模擬法，采用資源豐度類比法進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算三湖坳陷第四系生物氣地質(zhì)資源量近1×1012m3，其中95%的資源量都處于北部斜坡帶（表5）。

圖5 鹽殼形成模式圖

表5 三湖坳陷第四系生物氣資源量評價(jià)表

2.3 儲層條件

三湖坳陷第四系七個(gè)泉組儲層以濱淺湖灘壩砂體為主，具有分布較廣、巖性偏細(xì)的特點(diǎn)；由于沉積水體的頻繁進(jìn)退，七個(gè)泉組儲層具有單層厚度小、發(fā)育層數(shù)多的特點(diǎn)；由于處于成巖早期階段，生物氣儲層普遍具有很高的孔隙度，泥質(zhì)細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖孔隙度主要介于25%～40%（圖6）。泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)粉砂巖和含泥粉砂巖的平均孔隙度約為30%，不同巖性儲層的孔隙度非常接近，但滲透率差異較大。巖石滲透率的大小取決于泥質(zhì)含量，泥質(zhì)含量越低則滲透率越高；泥質(zhì)細(xì)砂巖滲透率主要介于10～300 mD，泥質(zhì)粉砂巖滲透率主要介于5～100 mD。根據(jù)孔隙度、滲透率劃分標(biāo)準(zhǔn)，三湖坳陷第四系生物氣儲集層屬于高孔隙度中低滲透率儲層。

圖6 三湖坳陷第四系不同巖性巖心的孔隙度—滲透率關(guān)系圖

3 鹽殼遮擋型生物氣成藏模式及勘探前景

3.1 鹽殼遮擋型生物氣成藏模式

受晚喜馬拉雅運(yùn)動的影響，第四紀(jì)冰期與間冰期頻繁交替出現(xiàn)，造成三湖坳陷的湖水進(jìn)退頻繁，濱淺湖相與半深湖相的交替沉積，導(dǎo)致地層在縱向上薄層砂泥巖頻繁互層，儲集砂體以席狀灘壩砂體為主，但主要沉積仍以泥巖為主，暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖累計(jì)厚度超過地層總厚度的70%，在低溫、缺氧、咸化環(huán)境下，第四系烴源巖經(jīng)甲烷菌催化作用，早期乙酸發(fā)酵，晚期CO2還原生成生物氣；由于生氣晚、圈閉新、成巖弱，成藏環(huán)境相對開放，形成不斷聚集、不斷突破、不斷散失、不斷再聚集的動態(tài)成藏模式；這種動態(tài)成藏模式中封蓋條件極為重要，蓋層條件是控制生物氣富集的重要因素，物性實(shí)驗(yàn)分析表明陵間斷層?xùn)|段的鹽殼隨著石鹽含量的增高孔隙度、滲透率迅速降低，通過與三湖坳陷蓋層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對比，鹽殼的封蓋能力極好，可以作為區(qū)域蓋層；結(jié)合構(gòu)造運(yùn)動期次和鹽類測年數(shù)據(jù)綜合分析，認(rèn)為鹽殼形成于七個(gè)泉組晚期至達(dá)布遜組晚期；根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)七個(gè)泉組晚期至現(xiàn)今是三湖坳陷生物氣主排烴期[20]，鹽殼形成期處于生物氣主排烴期內(nèi)，二者匹配關(guān)系良好，因此凹陷中心及鹽殼下部的湖相泥巖生成生物氣通過橫向及縱向運(yùn)移方式不斷向陵間斷裂帶及上部地層運(yùn)移，遇鹽殼有效遮擋聚集成藏，形成鹽殼遮擋型生物氣藏（圖7）。

勘探實(shí)踐證實(shí)，三湖坳陷地震剖面含氣層段具有“兩低”（頻率低、速度低）特征，地震剖面表現(xiàn)為“頻率降低，反射特征雜亂、無規(guī)律”。陵間斷層?xùn)|段發(fā)育的鹽殼界面之上波組特征清楚，地震軸比較連續(xù)，鹽殼界面之下波組特征雜亂，頻率明顯降低，具有含氣異常特征。綜合以上地震、地質(zhì)特征分析結(jié)果后認(rèn)為，在鹽殼之下可以形成鹽殼遮擋型生物氣藏。

3.2 鹽殼遮擋型氣藏勘探前景

經(jīng)過地震解釋追蹤，在陵間斷層?xùn)|段落實(shí)鹽殼封蓋型氣藏有利勘探面積812 km2，利用資源豐度類比法預(yù)測鹽殼發(fā)育區(qū)生物氣資源量近1 000×108m3，有巨大的勘探潛力。目前，根據(jù)該研究成果，已完成部署預(yù)探井2口（鉆前工程已完），預(yù)計(jì)可控制含氣面積近100 km2、天然氣資源量近500×108m3。

圖7 鹽殼遮擋型生物氣藏成藏模式圖

4 結(jié)論

1）三湖坳陷陵間斷裂帶東段存在一個(gè)形成于七個(gè)泉組晚期到達(dá)布遜組晚期的鹽殼，厚度穩(wěn)定，平面分布廣泛，成分以石鹽為主，封蓋條件極好。

2）三湖坳陷第四系砂泥巖互層，烴源巖及儲集條件優(yōu)越，鹽殼的形成與生物氣的生成、運(yùn)移具有良好的時(shí)空配置關(guān)系。

3）凹陷中心湖相泥巖生成生物氣通過橫向及縱向運(yùn)移至陵間斷裂帶，遇鹽殼有效封蓋聚集成藏，形成鹽殼遮擋型生物氣藏。

4）三湖坳陷生物氣資源豐富，預(yù)測鹽殼發(fā)育區(qū)生物氣資源量近1 000×108m3，鹽殼遮擋型生物氣藏資源規(guī)模大，具有十分廣闊的勘探前景。