柴達木盆地三湖坳陷區(qū)域性鹽殼發(fā)現(xiàn)及生物氣勘探地質(zhì)意義

周鐵鎖， 張文偉， 鞠俊成， 韓宏偉， 王宇斯， 楊時杰， 曹宇森

( 中國石油遼河油田分公司 勘探開發(fā)研究院,遼寧 盤錦 124010 )

0 引言

20世紀50年代，柴達木盆地三湖地區(qū)發(fā)現(xiàn)澀北一號、澀北二號、臺南、鹽湖及駝峰山5個生物氣田，建成中國最大的生物氣生產(chǎn)基地[1]。第四次資源評價三湖地區(qū)的第四系生物氣資源量為92×1010m3，探明天然氣地質(zhì)儲量為28.97×1010m3，生物氣具有較大勘探潛力。目前，已發(fā)現(xiàn)的大型生物氣藏受背斜構(gòu)造控制，巖性生物氣藏具有發(fā)展趨勢[2]。近十年鉆探一批擴邊探井，未獲突破，生物氣勘探遇到瓶頸。

天然氣分子小，具有較強突破能力，對蓋層要求極高，蓋層在天然氣藏形成與分布中起到重要的控制作用[3-5]。三湖坳陷第四系泥巖蓋層處于成巖初期，巖石結(jié)構(gòu)疏松，對生物氣的封蓋能力較差，能夠形成大型生物氣藏，與生物氣不斷生成、不斷運聚密切相關(guān)[6-7]。因此，蓋層中發(fā)育鹽巖，可以增強封蓋能力，對生物氣聚集成藏或大型生物氣藏的形成起到積極作用。以鹽殼作為區(qū)域性蓋層油氣藏的勘探與開發(fā)已取得一定成果，鹽殼多與沉積同生或與沉積巖形成時間吻合[8-9]，作為蓋層的鹽殼與油氣運聚具有較好的時空配置關(guān)系。

柴達木盆地三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段發(fā)現(xiàn)的鹽殼產(chǎn)狀近水平，具有明顯的穿時特征，形成時間晚于第四系沉積時間，對生物氣聚集成藏是否起到積極作用尚不明確。單俊峰等[10]研究三湖坳陷鹽殼作為遮擋層的生物氣成藏模式。筆者利用地震資料解釋、X線衍射全巖定量分析，借鑒察爾汗鹽湖發(fā)展歷程，結(jié)合構(gòu)造及生物氣運移特征，分析三湖坳陷鹽殼橫向分布、縱向厚度，確定鹽殼形成時間早于生物氣大規(guī)模運移時間，為有效封蓋層，提出鹽下背斜型生物氣成藏和鹽殼側(cè)向封堵型生物氣成藏模式，并預(yù)測生物氣勘探前景，為三湖坳陷下一步勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

柴達木盆地位于青藏高原北部，南依昆侖山，北鄰祁連山，西靠阿爾金山，是中國七大內(nèi)陸含油氣盆地之一，沉積巖面積為12.1×104km2，最大沉積巖厚度超過1.7×104m[11]。進入第四紀后，柴達木盆地沉積中心向東遷移至三湖地區(qū)，形成第四系坳陷性沉積，以及厚度為3.1 km以上的、第四系穩(wěn)定的連續(xù)湖相沉積。受區(qū)域擠壓應(yīng)力影響，第四系形成系列北西向展布的大面積、低幅度的背斜構(gòu)造，為生物氣的聚集成藏提供有利場所[12]。三湖地區(qū)第四系頻繁的砂泥巖互層形成多套生儲蓋組合。

柴達木盆地三湖坳陷西起那北—落雁山—紅三旱四號一帶，東到南北霍布遜湖，北以陵間、錫南、埃南斷裂為界,南至昆侖山前的邊界斷裂，面積約為5×104km2。三湖坳陷劃分為中央凹陷帶、南斜坡帶和北斜坡帶。中央凹陷帶位于三湖坳陷的中部，是第四紀主要沉積中心。北斜坡帶位于三湖凹陷北側(cè)，北高南低，是一個后期抬升的斜坡。目前發(fā)現(xiàn)的所有生物氣藏位于北斜坡帶，構(gòu)造具有沉積地層頂薄翼厚的特征，屬于第四系同沉積背斜。研究區(qū)位于北斜坡帶陵間斷裂東段(見圖1)。南斜坡帶位于昆侖山山前，地層向南有減薄的趨勢(或遭受剝蝕)，甚至缺失，整體為南高北低的斜坡，斷裂、褶皺等構(gòu)造不發(fā)育。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional structure of study area

2 鹽殼特征

2.1 鹽殼分布

基于三湖地區(qū)二維地震資料，北斜坡帶地震剖面發(fā)育一套近水平、穿時的強反射波組，呈現(xiàn)與上下地層具有較大波阻抗差異的地質(zhì)現(xiàn)象。該地質(zhì)體(研究認為為鹽殼)通常由三條(局部地區(qū)為兩條)反射波同向軸組成，具有強振幅、強連續(xù)性特點，靠近斷層連續(xù)性變差，是受斷層影響而成像差造成的。鹽殼在地震剖面上不僅橫穿地層，并且橫穿背斜構(gòu)造和陵間斷層，并未被斷層錯斷，說明形成時間較晚，是在構(gòu)造定型之后形成的。鹽殼上、下波組特征具有一定差異，鹽殼之上波組特征較清晰，反射波同向軸具有較強連續(xù)性，頻率較高；鹽殼之下地震反射較雜亂，反射波同向軸連續(xù)性較差，頻率較低，為含氣異常響應(yīng)(見圖2)。該地質(zhì)現(xiàn)象并非僅在個別剖面顯示，而是成片分布，通過地震解釋刻畫追蹤，得到鹽殼分布面積為812 km2(見圖1)。鹽巖地震波速度基本穩(wěn)定，隨埋藏深度的深淺變化不大，東濮凹陷鹽巖速度為4.00～4.50 km/s[13]，鄂爾多斯盆地馬家溝組鹽巖層速度為4.25～4.65 km/s[14]，研究區(qū)鹽殼層速度為4.25 km/s，為消除鹽殼之上地層地震波旅行時的影響，選取地震剖面鹽殼靠近地表位置獲取上下界面地震波旅行時，時差為28 ms，計算巖殼厚度為59.5 m。

2.2 鹽殼巖性

為確定鹽殼巖性，在地震剖面上選取鹽殼近地表位置進行定位，挖掘探槽取樣。鹽殼多呈水平狀，顏色整體為灰白色，局部為黃褐色(含砂造成)，質(zhì)地堅硬，受風(fēng)化淋濾作用發(fā)育溶蝕孔、洞(見圖3)。根據(jù)X線衍射全巖定量分析，主要造巖礦物為石鹽，質(zhì)量分數(shù)為42.30%～55.30%，平均為50.26%，其次為石英與斜長石，兩種礦物質(zhì)量分數(shù)為32.70%～50.70%，平均為40.14%(見表1)，因此，鹽殼巖性為砂質(zhì)鹽巖。采集樣品深度淺，約為1.5 m，受風(fēng)化作用影響，鹽巖在重新溶解、結(jié)晶過程中卷入周邊沙土，造成砂質(zhì)成分質(zhì)量分數(shù)較高，不排除深埋地下的鹽殼具有更高的石鹽質(zhì)量分數(shù)。

圖3 三湖坳陷陵間斷裂帶東段鹽殼露頭照片F(xiàn)ig.3 Photograph of salt crust in the east of Lingjian Faults in Sanhu Depression

表1 陵間斷裂東段鹽殼X線衍射全巖定量分析數(shù)據(jù)

2.3 鹽殼成因

鹽巖是氣候干旱或湖盆進入萎縮期，由于淡水補給量小于蒸發(fā)量，水體中礦物質(zhì)不斷濃縮結(jié)晶而形成[15-16]。

研究區(qū)鹽殼位于察爾汗鹽湖北側(cè)，其形成演化與察爾汗鹽湖的發(fā)展具有一定的相關(guān)關(guān)系。察爾汗鹽湖演化歷程中，受新構(gòu)造運動和氣候干旱、濕潤的周期性變化影響，湖水有幾次大規(guī)模的退縮和停滯階段。其間的幾次成鹽作用產(chǎn)生多套鹽殼。在(34.0～37.0)×103a之間，察爾汗鹽湖為一個淡水或半咸水環(huán)境，沉積一套灰黑、暗灰、綠灰及黃灰色黏土。經(jīng)歷6.0×103a后，受新構(gòu)造運動和氣候變得極為干旱的影響, 補給水量大幅減少，湖水不斷濃縮咸化并達到析鹽階段，沉積第一層鹽層(S1)。在25.8×103a左右，有一次水侵作用，但未能全部淹沒第一層鹽層，鹽層形成鹽殼得以保存。在(24.7、19.0、15.0)×103a為鹽湖成鹽期，沉積較厚的S2、S3和S4鹽層，其間有兩次淡化期，但未淹沒早期形成的鹽殼[17](1)青海省第一地質(zhì)水文地質(zhì)大隊.鹽湖幅、達布遜湖幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告[R].1986:22-27.。根據(jù)研究區(qū)鹽殼發(fā)育規(guī)模及其與周邊地層、構(gòu)造的接觸關(guān)系，推測研究區(qū)鹽殼對應(yīng)S2或S3鹽層。研究區(qū)海拔高于察爾汗鹽湖，即其抬升時間更早，鹽殼較察爾汗地區(qū)更早成型。

受青藏運動的影響，三湖地區(qū)氣候變化頻繁。豐水期，湖水呈低鹽度狀態(tài)，為了和湖水達到一個動態(tài)平衡，高含鹽地層孔隙水?dāng)U散流動，孔隙中的化學(xué)沉淀物(如NaCl、CaCO3、CaSO4)發(fā)生溶解，使鈣離子和鈉離子進入湖水，細菌產(chǎn)生的CO2促進化學(xué)沉積；枯水期，湖水含鹽度變得高于地層孔隙含鹽度，湖水的化學(xué)沉淀物溶解并擴散到孔隙水中。受蒸發(fā)泵作用影響而在地表形成鹽層，鹽層的形成又降低蒸發(fā)泵作用的速度，鹽層和氧的遷移促使下部的SO2-4和石膏還原成S2-，促進沉積物的成巖作用，經(jīng)過若干次湖平面的變化而形成現(xiàn)今的鹽殼[18-21]。

3 成藏模式及勘探前景

油氣聚集與鹽殼的發(fā)育密切相關(guān)，全球58%的油氣田與鹽類地層有關(guān)。含鹽油氣已探明石油儲量占世界的89%，探明天然氣儲量占世界的80%，表明鹽類地層在油氣聚集過程中起到重要的作用[22]。三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段鹽殼的發(fā)育對該地區(qū)生物氣成藏起到積極作用。

3.1 成藏條件

3.1.1 烴源巖

三湖坳陷的生物氣源巖以第四系七個泉組和新近系獅子溝組暗色泥巖為主，炭質(zhì)泥巖次之，累計厚度超過地層總厚度的70%。湖相泥質(zhì)巖有機碳質(zhì)量分數(shù)(w(TOC))為0.15%～0.46%，平均為0.30%，由于分布廣，厚度大，彌補有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低的不足。炭質(zhì)泥巖w(TOC)平均為9.06%，最高可達18.99%，厚度較薄(平均為10.8 m)，對生物氣資源的貢獻有限。以Ⅲ型和Ⅱ2型為主。鏡質(zhì)體反射率Ro在0.20%～0.47%之間，處于未成熟階段。

研究區(qū)尚無探井，地層層序可參照與之處于同一構(gòu)造帶的南陵丘構(gòu)造。該構(gòu)造鉆探陵深1和陵深2井，巖性主要為淺灰、淺灰黃色砂質(zhì)泥巖，夾土黃色泥巖及灰色泥質(zhì)粉砂巖，暗色泥巖不發(fā)育，主要為濱淺湖相沉積。整體上，研究區(qū)第四系縱向烴源巖不發(fā)育。三湖坳陷生物氣曾發(fā)生大規(guī)模橫向運移，其運移與地下水密切相關(guān)，南側(cè)昆侖山的冰雪融水為地下水主要來源。三湖坳陷中部深凹陷區(qū)生成生物氣并溶于地下水，沿優(yōu)勢儲集層向北運移，運移過程中壓力不斷減小、礦化度不斷增加，天然氣在地層水中溶解度降低并析出，于北斜坡帶有利圈閉聚集成藏[23](見圖4)。向北斜坡帶運移生物氣量占生物氣量的70%以上，目前發(fā)現(xiàn)生物氣藏位于北斜坡帶，探井有不同程度的氣測顯示，說明生物氣具有自南向北橫向運移特征。因此，研究區(qū)生烴能力差，其南部的凹陷區(qū)生成天然氣可橫向遠距離運移至研究區(qū)。

圖4 三湖坳陷生物氣橫向運移模式Fig.4 Mode of lateral migration of biogenic gas in the Sanhu Depression

3.1.2 儲層

柴達木盆地生物氣儲層的巖性以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖為主，分別占儲層厚度的75%和20%左右，細砂巖和鮞粒砂巖一般不到5%。第四系儲層儲集空間以原生孔隙為主，次生孔隙很少。由于尚未固結(jié)成巖，儲層普遍具有很高的孔隙度。泥質(zhì)細砂巖和泥質(zhì)粉砂巖孔隙度為25.0%～40.0%。泥質(zhì)細砂巖滲透率約為100.00×10-3μm2，泥質(zhì)粉砂巖滲透率約為10.00×10-3μm2，粉砂質(zhì)泥巖滲透率約為1.00×10-3μm2，屬于高孔中低滲儲層。研究區(qū)第四系儲層特征可參照南陵丘構(gòu)造。南陵丘構(gòu)造陵深1井發(fā)育砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，最大單層厚度為15 m，累計厚度為30 m，占地層總厚度的7.2%，砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖占地層總厚度的20.3%。目前尚無儲層物性分析資料，該區(qū)為淺水沉積，受構(gòu)造抬升影響，埋藏淺，物性要好于盆地腹部的。研究區(qū)獅子溝組也可作為目的層系，南陵丘構(gòu)造陵深2井獅子溝組地層厚度為1 125 m，巖性主要為砂質(zhì)泥巖及泥巖，其次為泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖。儲層為泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖，以泥質(zhì)粉砂巖為主，一般單層厚度為2～10 m，最大單層厚度為16 m，累計厚度為284 m，占地層總厚度的25.3%。陵深2井獅子溝組孔隙度平均為24.8%，滲透率平均為2.14×10-3μm2，屬于中孔特低滲儲層。

3.1.3 蓋層

對處于弱成巖的第四系，蓋層條件是生物氣成藏的主控因素之一。三湖坳陷蓋層主要為湖相泥巖，泥巖孔隙度平均在24.0%以上，具有高孔隙、大孔徑的特點，突破壓力普遍偏低，平均為1.02 MPa，其中低于1.00 MPa的約占60%，超過2.00 MPa的僅見于澀25井1 227 m處的泥巖，屬于低效封蓋范疇[24]。三湖坳陷生物氣能聚集成藏，一方面是泥巖飽含地層水，提高封堵能力[25]；另一方面是生物氣的大量補給速度超過氣體大量散失速度，對蓋層封蓋能力要求降低。

圖5 陵間斷裂帶東段鹽殼含鹽量與物性關(guān)系Fig.5 The relationship between salt content and property of salt crust in the east of Lingjian Faults

研究區(qū)發(fā)育一套區(qū)域性鹽殼，增強對生物氣的封堵。評價鹽殼封蓋能力，進行露頭鹽巖樣品儲層物性分析。共采集5塊樣品，孔隙度介于13.1%～20.8%，平均為18.3%，滲透率介于(1.20～393.00)×10-3μm2，平均為181.00×10-3μm2(見表2)。與柴達木盆地三湖坳陷第四系蓋層經(jīng)驗評價標(biāo)準(見表3)對比，鹽巖孔隙度達到極好蓋層范疇，滲透率較高，達到封蓋能力一般范疇。鹽巖孔隙度、滲透率隨含鹽量增大而降低(見圖5)，當(dāng)w(石膏和石鹽)達到58.00%時，孔隙度為13.0%，滲透率降低至1.20×10-3μm2?？紤]到樣品取自距地表約1 m處，屬于露頭樣品，受風(fēng)化淋濾的影響，溶蝕孔洞發(fā)育，含砂量增高，物性變好。研究區(qū)鹽殼絕大部分深埋地下，遠離地表風(fēng)化，具有更高的含鹽量，更加致密，孔隙度、滲透率更低，具有更強的封蓋能力，因此，地下鹽殼可做為優(yōu)質(zhì)區(qū)域蓋層。

表2 陵間斷裂帶東段露頭鹽殼樣品物性分析數(shù)據(jù)

3.2 成藏模式

鹽殼形成時間與生物氣生成、運移時間匹配關(guān)系至關(guān)重要，若鹽殼形成時間晚于生物氣生成、運移時間，即使有再強的封蓋能力也是無效的。研究區(qū)鹽殼形成時間為(24.7～15.0)×103a，三湖坳陷七個泉組晚期至現(xiàn)今是生物氣主排烴期[26]，鹽殼形成時間早于生物氣大規(guī)模生成、運移時間，二者時間配置關(guān)系優(yōu)越，可作為有效蓋層。根據(jù)鹽殼封堵生物氣方式的不同，將該區(qū)鹽殼封堵型生物氣成藏模式分為鹽下背斜型和鹽殼側(cè)向封堵型生物氣成藏(見圖6)。

表3 三湖坳陷第四系蓋層評價標(biāo)準

3.2.1 鹽下背斜型生物氣成藏模式

鹽下背斜型生物氣成藏模式發(fā)育在陵間逆斷層下盤背斜構(gòu)造中。剖面幾何形態(tài)表現(xiàn)為南翼緩、北翼陡的背斜構(gòu)造，靠近頂部被水平鹽殼橫切。背斜第四系地層厚度具有明顯的核部薄、翼部厚的特征，體現(xiàn)同沉積背斜的特點。該背斜構(gòu)造與伊克雅烏汝和駝峰山背斜同屬一個構(gòu)造帶，k13-k11(第四系內(nèi)部劃分的小層)沉積時期，第四系開始沉積，伊克雅烏汝和駝峰山形成背斜構(gòu)造，表現(xiàn)為頂薄、翼厚的同沉積背斜[27]。該背斜構(gòu)造在第四系沉積時期具有雛形，伴隨整個第四系的沉積持續(xù)發(fā)育，形成頂薄、翼厚的同沉積背斜，由于后期抬升，頂部遭受剝蝕。該背斜形成時間早，接受整個第四紀生成生物氣的充注，與生物氣生成具有絕佳的時間配置關(guān)系。該區(qū)烴源巖發(fā)育程度較差，生物氣主要來源于南部的凹陷區(qū)。凹陷區(qū)獅子溝組和七個泉組生成生物氣，以水溶氣形式伴隨地層水沿高滲砂體自南向北運移，地層水礦化度增加，天然氣不斷析出，在背斜構(gòu)造聚集成藏。伴隨生物氣不斷注入，壓力不斷增高，生物氣突破背斜構(gòu)造中泥巖蓋層，向上垂向運移，遇到上覆鹽殼遮擋而停止突破。鹽殼之下生物氣濃度不斷增加，阻止下伏生物氣向上遷移，形成烴濃度封閉，背斜構(gòu)造中生物氣充滿程度更高。

3.2.2 鹽殼側(cè)向封堵型生物氣成藏模式

鹽殼側(cè)向封堵型生物氣成藏模式發(fā)育在陵間逆斷層上盤。剖面幾何形態(tài)表現(xiàn)為南傾的獅子溝組和七個泉組上部被鹽殼橫切。該部位受陵間斷層逆沖推覆作用影響，構(gòu)造抬升，獅子溝組及七個泉組遭受后期剝蝕，七個泉組殘留厚度為200 m左右。該部位生物氣主要來源于鄰近下盤背斜構(gòu)造側(cè)向散失。下盤背斜構(gòu)造中的生物氣充滿到一定程度后，突破北翼泥巖封堵，越過陵間斷層，在上盤高滲砂體中沿上傾方向繼續(xù)向北運移，遇到上覆鹽殼封堵在七個泉組和獅子溝組儲層中而聚集成藏。

3.3 勘探前景

區(qū)域性鹽殼的分布對三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段生物氣的聚集成藏起到重要的控制作用。利用精細構(gòu)造解釋，確定鹽殼分布面積為812 km2。該鹽殼具有分布面積廣、連續(xù)無間斷、厚度大(近60 m)的特征，可作為生物氣成藏的有效封堵層。利用資源豐度類比法，預(yù)測鹽殼發(fā)育區(qū)生物氣資源量為920×108m3，勘探潛力巨大。對兩種類型圈閉進行精細刻畫，其中鹽下背斜型圈閉面積為38 km2，鹽殼側(cè)向封堵型圈閉面積為67 km2，總面積為105 km2，預(yù)測圈閉資源量為500×108m3。鹽殼封堵型圈閉是三湖坳陷近十年生物氣勘探中少見的整裝規(guī)模圈閉。

4 結(jié)論

(1)柴達木盆地三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段發(fā)育近水平、穿時的鹽殼分布面積為812 km2，厚度近60 m，以石鹽為主，巖性致密，具有極好的封蓋能力。

(2)三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段鹽殼形成時間早于生物氣大規(guī)模排放期，與生物氣的生成、運移形成有良好的時間配置，為有效的封蓋層。南部凹陷區(qū)生成生物氣以水溶氣形式向北運移，在鹽下背斜型和鹽殼側(cè)向封堵型圈閉中聚集成藏。

(3)預(yù)測三湖坳陷北斜坡帶陵間斷裂帶東段鹽殼發(fā)育區(qū)生物氣資源量為920×108m3，鹽下背斜型和鹽殼側(cè)向封堵型圈閉總面積為105 km2，預(yù)測圈閉資源量為500×108m3，勘探潛力巨大。