南祁連盆地哈拉湖坳陷青徳地2井三疊系天然氣水合物儲層特征及其意義

肖睿， 祝有海， 盧振權(quán)， 劉暉， 龐守吉，張帥， 范東穩(wěn)，2， 王偉超

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083； 3.青海煤炭地質(zhì)一○五勘探隊，西寧 810007)

0 引言

南祁連盆地是我國西部重要的油氣資源戰(zhàn)略區(qū)[1]，根據(jù)構(gòu)造可將盆地分為疏勒坳陷、木里坳陷、哈拉湖坳陷、下日哈坳陷、天峻坳陷5個次級坳陷[2-3]。自2008年以來，祁連山木里坳陷相繼鉆獲天然氣水合物及厚層狀油浸-富含油砂巖、淺層氣等[4-7]，顯示出該盆地具有巨大油氣資源潛力，成為我國陸域中緯度凍土區(qū)天然氣水合物的重點研究區(qū)域。哈拉湖坳陷與木里坳陷毗鄰，為南祁連盆地內(nèi)面積最大的構(gòu)造單元，具有類似的地質(zhì)演化史和天然氣水合物成藏背景，是南祁連盆地天然氣水合物的有利遠景區(qū)[8-9]。雖然近年來在哈拉湖坳陷開展了一定量的地球化學(xué)、二維地震、音頻大地電磁等調(diào)查[10-14]，初步認為哈拉湖坳陷具有良好的天然氣水合物成藏遠景。但目前區(qū)內(nèi)仍基本屬于地質(zhì)空白區(qū)，有關(guān)哈拉湖凍土區(qū)天然氣水合物形成及分布的研究基本沒有，尤其是針對該地區(qū)天然氣水合物及油氣儲層的研究與認識較為有限。

為進一步調(diào)查哈拉湖地區(qū)天然氣水合物成藏條件，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心于2016年實施天然氣水合物調(diào)查井青德地1井(QH-1)和青德地2井(QH-2)，其中青德地2井完鉆井深1 530.6 m，為研究區(qū)域地層層序及天然氣水合物成藏條件提供了有效支撐。本文利用青德地2井三疊系主要儲集巖層段巖心分析，結(jié)合測井資料開展儲層特征研究，為下一步的天然氣水合物及油氣勘探提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

南祁連盆地哈拉湖坳陷位于南祁連盆地的西北部，處于疏勒南山隆起、陽康隆起與拜興哈達隆起之間，形狀近似為長方形，呈NW、SE向展布，為盆地面積最大的構(gòu)造單元，面積約10 000 km2?？傮w構(gòu)造樣式以短軸背、向斜和穹式褶皺為主。坳陷早古生代以海相活動型沉積為主，晚古生代及以后演變?yōu)楹Ｏ喾€(wěn)定型及陸相沉積為主，自下而上包括石炭系、二疊系和三疊系，石炭系僅分布在坳陷東北側(cè)，二疊系和三疊系分布廣泛[8]。

青德地2井位于哈拉湖坳陷西部(圖1)，鉆遇第四系、古近系—新進系和三疊系(未見底)。其中第四系厚100.50 m，主要由冰磧物、沖洪積物、冰水堆積物-湖相物等組成，未固結(jié)，巖層松散； 新近系—古近系厚403.7 m，主要為淺灰綠色—淺灰色及淺黃褐色—淺黃色泥巖，固結(jié)程度相對較高，局部粉砂含量偏高，高角度裂隙相對發(fā)育，且常見石膏等礦物充填其中； 三疊系厚1 026.4 m，未見底，以深灰—淺灰色、紫紅色砂巖為主，波狀、平行和交錯層理發(fā)育，未見特征化石，根據(jù)鉆遇巖層的巖性特征，可與上三疊統(tǒng)尕勒得寺組相對比，此外，由測井曲線可以看出，504.2 m處存在較為明顯差異，異常以下主要為砂巖，綜合推斷認為該段屬于三疊系。

2 儲層特征

2.1 儲層分布特征

青德地2井三疊系儲層包括碎屑巖儲層與碳酸鹽儲層，縱向分布較廣。其中碎屑巖儲層主要包括粗砂巖、中砂巖、細砂巖和粉砂巖等共85層，厚1 025 m(圖2)，與測井解釋結(jié)果具有較好的對應(yīng)關(guān)系，多分布以下5段： ①511.90～583.60 m，厚度71.70 m，主要為深灰色粉砂巖、淺灰色細砂巖； ②583.80～983.00 m，厚度399.20 m，主要為深灰色粉砂巖、淺灰色細砂巖； ③983.00～1 364.80 m，厚度381.80 m，主要為深灰色粉砂巖、淺灰色—灰綠色細砂巖、淺灰色—紫紅色含礫粗砂巖； ④1 367.70～1 439.80 m，厚度72.10 m，主要為深灰色粉砂巖、淺灰色細砂巖； ⑤1 440.30～1 530.60 m，厚度90.30 m，主要為深灰色粉砂巖、淺灰色細砂巖。

2.2 儲層巖石學(xué)特征

巖石薄片觀察表明，測試樣品多為碎屑巖，主要為巖屑長石砂巖及部分長石石英砂巖、巖屑石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含粉砂泥巖等，部分樣品為碳酸鹽巖，包括泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、含生物碎屑細砂質(zhì)灰?guī)r、巨晶灰?guī)r等。

砂巖巖石由碎屑顆粒和填隙物組成。碎屑顆粒主要是石英和長石及部分巖屑。石英呈單晶粒狀，部分可見石英次生加大邊； 長石以堿性長石為主，其中部分雙晶發(fā)育(鈉長石雙晶)，多發(fā)生黏土化； 巖屑以變質(zhì)巖巖屑為主?？梢娚倭堪自颇?，呈片狀分布在碎屑顆粒之間，且多呈定向展布特征，可見部分塑性變形及蝕變(黏土化、綠泥石化、伊利石化等)。碎屑顆粒以線接觸及線-凹凸接觸為主，部分為點接觸(圖3)。碎屑顆粒磨圓普遍較差，其中以次棱角狀為主，部分呈次棱角—次圓狀。分選整體較好，根據(jù)粒徑可分為3段： 680.2～720.2 m層段主要為細粒巖屑長石砂巖，粒徑主要在0.12～0.25 mm之間，最大可達0.3 mm； 740.1～1 220.8 m層段主要為粉—極細粒巖屑長石砂巖、長石石英砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等，其粒徑主要在0.03～0.12 mm之間，最大可達0.15 mm； 1 280.6～1 500.8 m層段主要為中粒巖屑長石砂巖，粒徑主要在0.25～0.5 mm之間，最大可達0.8 mm。

(a) 含灰?guī)r細粒巖屑長石砂巖,深680.20 m,巖石致密,孔隙不發(fā)育,可見構(gòu)造裂隙,充填黃鐵礦(b) 泥晶灰?guī)r,深962.50 m,可見生物碎屑被方解石交代(c) 生物碎屑灰?guī)r,深962.50 m

泥巖多呈現(xiàn)泥質(zhì)結(jié)構(gòu)與含粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由黏土礦物的集合體組成，部分含碎屑顆粒，多為石英和長石零散分布在泥質(zhì)中，部分見云母呈片狀分布在碎屑顆粒之間，可見塑性變形及蝕變。部分泥巖含碳酸鹽礦物，多呈亮晶分布在局部碎屑組分含量較高的區(qū)域，并可見其交代部分碎屑顆粒(圖3)。

青德地2井碳酸鹽巖成分上主要由方解石組成，部分含生物碎屑、粒屑等(圖3)，其中生物碎屑包括介形蟲、雙殼類生物、棘皮類生物、有孔蟲生物、腹足類等，粒屑主要為陸源碎屑顆粒及少量巖屑。

2.3 儲層孔滲特征

為進一步研究該區(qū)三疊系儲層特征，本文選取青德地2井680.2～1 500.7 m段22塊保存較好的巖心樣品進行孔隙度、滲透率、巖石密度、鑄體薄片等測試，所有分析均在四川省科源工程技術(shù)測試中心進行。

根據(jù)實測的孔隙度和滲透率值(表1，圖2)可看出，青德地2井孔隙度分布在0.77%～3.95%，均值1.64%(圖4)，滲透率分布在0.003 7×10-3～0.029×10-3μm2，平均滲透率約為0.009 4×10-3μm2(圖5)，屬超致密型儲層。

同時利用中子測井方法和密度測井方法計算得出的儲層孔隙度(圖2)亦可看出，三疊系砂巖層孔隙度極低，基本均小于10%，表明巖性十分致密，超聲成像圖和巖心測試時飽和時長也可以佐證(圖6)。

表1 青德地2井三疊系巖石常規(guī)物性分析

圖4 青徳地2井三疊系樣品孔隙度分布

圖5 青徳地2井三疊系樣品滲透率分布

圖6 青德地2井典型裂隙示例

2.4 儲集空間類型

通過超聲成像測井對青德地2井鉆井進行裂縫識別(圖6)，青德地2井三疊系共拾取到裂隙411條，裂隙主要分布在510～540 m和990～1 390 m井段，裂隙密度平均值為4條/10 m，裂隙不發(fā)育； 裂隙傾角主要分布在50°～85°，傾角較高； 裂隙傾向分布較分散，無明顯集中分布現(xiàn)象(圖7)。

青德地2井三疊系儲層樣品密度為2.63～2.73 g/cm3，密度平均值為2.70 g/cm3，測井解釋密度直方圖亦顯示其數(shù)值集中在2.4～2.6 g/cm3，與實驗室測試結(jié)果較一致，數(shù)值均偏大，表明青德地2井三疊系巖心致密。

圖7 青德地2井裂隙密度、傾角和傾向隨深度變化特征

常規(guī)薄片、鑄體薄片表明該井三疊系巖石致密，孔隙不發(fā)育，僅在部分巖心樣品中見少量裂縫，且按成因均為構(gòu)造裂縫(圖3(a)，(d))。裂縫作為一種特殊的孔隙類型，同時起到了儲集空間和滲濾通道的作用[1]，構(gòu)造裂縫一般規(guī)模較大，呈交叉狀、網(wǎng)狀或樹枝狀，多切穿顆粒，延伸較遠， 在部分構(gòu)造縫邊緣可見到溶蝕現(xiàn)象，使裂縫面變得凹凸曲折。

3 儲層成巖作用

沉積物在成巖作用過程中變化復(fù)雜多樣，包括壓實作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、重結(jié)晶作用和成巖礦物的形成等[15-17]。青德地2井三疊系儲層主要的成巖作用有壓實作用、膠結(jié)作用和交代作用，均與儲層較為致密有關(guān)。

3.1 壓實作用

壓實作用是導(dǎo)致青德地2井三疊系儲層超致密的主要成巖因素之一，對儲層孔隙度和滲透率的影響主要反映在儲集巖埋藏的早期。由于碎屑巖儲層中陸源基質(zhì)含量高， 沉積后大量細小物質(zhì)充填在碎屑顆粒之間， 使原始孔隙度明顯降低， 加上呈柔性的巖屑含量較高， 導(dǎo)致壓實壓溶效應(yīng)顯著，使儲集層物性條件明顯變差，這一作用對粉砂巖—細砂巖影響尤其明顯，主要表現(xiàn)為顆粒緊密接觸，多為線接觸及線-凹凸接觸，見部分碎屑顆粒的定向排列以及塑性顆粒(云母等)彎曲變形(圖3(e))，顯示儲層經(jīng)歷了較強烈的壓實作用。隨著埋深的增加， 由于各種膠結(jié)作用的出現(xiàn)， 巖石具有一定的抗壓性，此時壓實作用對儲層物性的影響逐漸減弱， 取而代之的是各種膠結(jié)作用。

3.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用對物性條件同樣有較大的負面影響，具體表現(xiàn)在碎屑巖儲層中碳酸鹽膠結(jié)物的廣泛分布，且以方解石及白云石膠結(jié)物為主，多呈亮晶孔隙式膠結(jié)或基底式膠結(jié)。膠結(jié)物在巖石中分布不均，在鏡下大部分區(qū)域可見，部分白云石呈半自形粒狀集合體形式分布在碎屑顆粒之間。此外見部分硅質(zhì)膠結(jié)，以石英次生加大形式出現(xiàn)，同時見以綠泥石和伊利石為主的黏土礦物膠結(jié)(圖3(f))，這些膠結(jié)物的形成與沉淀進一步填充殘余的粒間孔隙及堵塞喉道，使得本來相對致密的儲層又遭到了不同程度的破壞，最終使物性條件變得更差。

3.3 交代作用

青德地2井交代作用分布較廣，主要表現(xiàn)為碳酸鹽膠結(jié)物交代碎屑顆粒，交代作用程度較弱。多數(shù)情況下， 可見膠結(jié)物中方解石或白云石沿碎屑顆粒邊緣進行交代，使部分碎屑顆粒呈現(xiàn)不同程度的交代，特別是長石等顆粒交代最為明顯，少量以交代部分生物碎屑形式分布在巖石中(圖3(b))。

4 討論

4.1 青徳地2井三疊系儲層的成藏意義

雖然青德地2井反映了哈拉湖地區(qū)三疊系碎屑巖及碳酸鹽巖厚度巨大，但主要以粉—中砂為主，成分以石英、長石為主，巖屑次之，分選較好，且由于儲集層經(jīng)歷壓實、膠結(jié)和交代等成巖作用影響，巖心致密，孔隙度與滲透率都極低，僅發(fā)育少量裂縫，三疊系儲集性能整體較差，絕大部分屬非常規(guī)儲集層。

雖然范東穩(wěn)等[18]通過對青徳地2井巖心觀測及頂空氣分析表明，在其不同深度段內(nèi)發(fā)育裂隙或破碎帶，烴類氣體異常深度段與裂隙或破碎帶發(fā)育的深度段具有較好的對比性，但是其發(fā)育的裂隙或破碎帶對烴類氣體聚集的控制作用較為有限。對比木里坳陷，天然氣水合物鉆探結(jié)果顯示，孔滲整體偏低但吸附能力相對較強的暗色泥巖、頁巖，以及受構(gòu)造應(yīng)力影響發(fā)育豐富的裂隙、斷層或破碎帶為“裂隙型水合物”及“孔隙型水合物”的形成提供了良好的賦存空間[7，18-19]，而這明顯與青德地2井顯示的三疊系儲層特征有所差別，故推斷哈拉湖地區(qū)較難形成類似木里地區(qū)的“裂隙型水合物”及“孔隙型水合物”。

4.2 青徳地2井天然氣水合物潛在儲層與成藏條件

值得注意的是，第四系等地層中成巖作用較差、孔隙連通性好的松散沉積物可作為天然氣水合物優(yōu)質(zhì)儲層[20-23]。區(qū)別于木里地區(qū)厚度較小的第四系沉積，哈拉湖地區(qū)在凍土層之下存在較厚的未固結(jié)巖層，區(qū)內(nèi)青德地2井鉆遇厚100.50 m的第四系沉積物及厚403.7 m的固結(jié)相對較好且高角度裂隙相對發(fā)育的古近系—新近系砂巖，與此相鄰的青德地1井鉆遇第四系松散沉積物160.6 m及古近系—新近系地層570.64 m，在哈拉湖東部的DK-13井鉆至550 m仍未鉆遇固結(jié)巖石[11]，這些孔隙度較大的松軟未固結(jié)地層可能成為天然氣水合物較為良好的儲集空間。

從天然氣水合物成藏條件分析，哈拉湖坳陷雖暫未進行水合物穩(wěn)定帶模擬計算，但該區(qū)的凍土條件及地溫梯度明顯優(yōu)于木里坳陷，凍土層呈現(xiàn)“南北兩側(cè)厚、中部薄”的特征，北部凍土層厚度大都在100 m以上，南部凍土層厚度以70～90 m居多[11，14]，區(qū)內(nèi)青德地1井與青德地2井分別揭示凍土層厚150 m和120 m，且地溫梯度均低于木里地區(qū)，故推測哈拉湖坳陷基本具備形成天然氣水合物的溫壓條件。二維地震及音頻大地電磁等地球物理調(diào)查[22-23]表明，從烴源巖地層褶皺形態(tài)和天然氣運移通道來看，哈拉湖區(qū)域南端構(gòu)造部位以及新生界底不整合面對天然氣的向上運移是較為有利的。但普遍認為[23]哈拉湖坳陷相比木里坳陷可能缺失水合物形成的主要烴類氣源——侏羅系烴源巖層，同時受構(gòu)造抬升影響，區(qū)內(nèi)較為優(yōu)良的上三疊統(tǒng)含油氣系統(tǒng)容易遭受破壞，因此，該區(qū)水合物形成的氣源條件相對較差。但區(qū)域仍存在下二疊統(tǒng)草地溝組等烴源巖，同時推測存在早期油氣系統(tǒng)殘余的烴類氣體隨著古近系、新近系沉積繼續(xù)向上運移，其中部分烴類氣體以吸附(游離)的方式被儲存在這些未固結(jié)的巖層中，且被區(qū)域內(nèi)廣泛分布的厚層凍土層與鉆探發(fā)現(xiàn)的多處石膏段共同封堵，為天然氣水合物形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，青徳地2井中新近系頂空氣樣品中烴類氣體含量高于古近系和三疊系的烴類氣體含量也印證了這一推測[18]。故青徳地2井所揭示層段雖已滿足天然氣水合物成藏條件，但由于目前氣源基礎(chǔ)較弱，仍較難形成天然氣水合物。為此，下一步勘探工作應(yīng)重點探尋哈拉湖坳陷潛在烴源巖分布區(qū)域與地球化學(xué)異常區(qū)域。

5 結(jié)論

(1)整體上看，青德地2井三疊系儲層分布較廣，厚度巨大，但巖性以粉—中砂為主，且壓實、膠結(jié)、交代等成巖作用使其原生粒間孔造成損失，物性逐漸變差，故儲集性能整體較差，絕大部分屬非常規(guī)儲集層。

(2)哈拉湖坳陷巖性致密，孔隙度與滲透率都極低，且整體裂隙較不發(fā)育，較難形成類似木里地區(qū)固結(jié)巖石中的裂隙型水合物及孔隙型水合物。

(3)哈拉湖坳陷凍土層下存在厚層的第四系松散沉積物及裂隙相對發(fā)育的古近系—新近系，可為天然氣水合物形成提供較為良好的儲集空間。