柴達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 楊時杰 曹宇森

中國石油遼河油田公司勘探開發研究院

0 引言

柴達木盆地三湖坳陷天然氣資源豐富，廣泛發育第四系生物氣藏。該地區從1958年開始，歷經60年的勘探開發，已建成目前國內最大的生物氣生產基地。經過多年的勘探實踐，探索形成了一系列針對第四系生物氣的勘探技術，并取得了豐碩的成果，發現了臺南、澀北一號、澀北二號等3個大型生物氣田[1-2]。中國石油天然氣股份有限公司第四次油氣資源評價結果顯示，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年臺南氣田發現以來，區域勘探上僅在伊克雅烏汝構造的新近系有所發現，三湖坳陷天然氣勘探遇到了“地震真假異常識別難、微幅度構造落實難、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]。常規技術手段已不能滿足本地區的勘探需求，必須打破以往的認識，尋找新的勘探思路以突破上述瓶頸。柴達木盆地第四系淺層普遍發育鹽類物質沉積，且成鹽期與第四紀冰期有著良好的對應關系。綜合研究認為，陵間斷層東段的鹽殼形成于倒數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。基于該認識，筆者從鹽殼分布入手，通過精細構造解釋、室內實驗分析等手段落實鹽殼的分布范圍、形成時間及封蓋能力，結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。研究認為：①三湖坳陷鹽殼分布面積廣、封蓋能力強，可作為有效遮擋層；②三湖坳陷發育充足的烴源巖和優質儲層，成藏條件優越，鹽殼的形成與生物氣的生成、運移具有良好的時空配置關系，可形成鹽殼遮擋型生物氣藏；③初步落實三湖坳陷鹽殼封蓋型氣藏有利勘探面積812 km2，預測天然氣資源量近1 000×108m3，生物氣的勘探潛力巨大。

1 區域地質概況

三湖坳陷位于柴達木盆地東南部，在晚喜馬拉雅運動作用下，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 三湖坳陷構造單元劃分圖

1.1 構造特征

三湖坳陷以基底穩定、地層變形弱為主要構造特征，褶皺和斷層均不發育，坳陷進一步劃分為北斜坡帶、中央凹陷帶和南斜坡帶（圖1）。北斜坡帶發育背斜構造，形態寬緩，主要發育于喜馬拉雅晚期。從陵間斷層往南分布3排地表構造，依次為伊克雅烏汝—南陵丘—啞叭爾構造、鴨湖—臺吉乃爾—駝峰山—鹽湖構造和臺南—澀北構造。越靠近陵間斷層，構造變形強度越大，地層剝蝕越強烈，地表出露地層也逐漸變老。中央凹陷帶和南斜坡帶構造簡單，不發育背斜構造。

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、達布遜組、七個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粒濱淺湖相沉積的砂泥巖地層，僅在局部邊緣地帶發育沖積扇、三角洲相沉積，巖性相對較粗。第四系七個泉組為本區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，巖性總體為下粗上細，上部為區域蓋層，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，未對鹽殼的封蓋能力進行深入分析。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，當石鹽含量達到58%時，孔隙度為13%，滲透率降低至1 mD （圖2）。與三湖坳陷蓋層評價標準（表2）對比可知，當孔隙度介于25%～32%、滲透率介于1～10 mD時，鹽殼可以作為蓋層；當孔隙度小于24%、滲透率小于1 mD時，鹽殼為極好蓋層，封蓋能力強。實驗樣品取自距地表約1 m，屬于露頭樣品，考慮到風化淋濾的影響，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，可以作為優質區域蓋層。

表1 鹽北鹽殼露頭樣品物性分析數據表

圖2 鹽殼的石鹽含量、石膏含量與滲透率、孔隙度的關系圖

表2 三湖坳陷第四系蓋層評價標準表

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，發現陵間斷裂帶東段附近的鹽殼在地震剖面上表現為一個穿時、穿軸、產狀近水平的強振幅界面，界面之上波組特征清楚，地震同相軸較連續，界面之下波組特征雜亂，具有含氣異常響應特征。經地震解釋追蹤，鹽殼分布范圍達812 km2（圖3）。野外地質調查發現，鹽殼的地表露頭比較少見，通常需要挖掘探槽進行取樣，鹽殼層多呈水平狀，顏色為灰白色，單層厚度介于10～50 cm，累計厚度介于1～10 m（圖4）。對露頭樣品進行全巖定量分析，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 鹽殼形成時間

圖3 陵間斷層東段穿時界面分布范圍圖

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據表

野外地質調查與區域地質圖對比分析發現，鹽殼出露地表地層為第四系達布遜組鹽類化學沉積，距今10～120 ka。鄭綿平等[10-11]提出青藏高原成鹽期與第四紀冰期具有一致性，柴達木盆地鹽類物質沉積與青藏高原的強烈隆升有關，與青藏高原構造運動階段也可對比。青藏運動期 （距今2.52～1.10 Ma），印度板塊向歐亞大陸俯沖，青藏高原發生強烈的隆升，氣候開始變冷，但冰期事件極少出現；昆黃運動期（距今0.71～0.50 Ma），青藏高原隆升至3.0 km以上，柴達木盆地進入冰凍圈，冰期事件開始出現；進入共和運動（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。根據馬海和察爾汗地區鉆孔記錄的含鹽地層的年代學數據分析（表4），馬海地區鹽類樣品年代對應于倒數第二次冰期，察爾汗地區鹽類樣品年代對應于末次冰期晚冰階。陵間斷層東段發現的鹽殼位于馬海和察爾汗之間，結合構造運動期次和馬海、察爾汗地區鹽類測年數據對比可知，新發現的陵間斷層東段鹽殼形成于倒數第二次冰期和末次冰期之間，對應于七個泉組沉積晚期至達布遜組沉積晚期。

表4 柴達木盆地部分鉆孔含鹽地層測年數據表[12]

2.1.4 鹽殼成因

受晚喜馬拉雅運動的影響，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，向北形成咸水區，在最北段即三湖坳陷北部形成鹵水區，受此影響，北部潛水亦為高含鹽鹵水，受蒸發作用影響，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，發育了兩種類型的烴源巖，即湖相暗色泥巖和湖沼相碳質泥巖，暗色泥巖和碳質泥巖累計厚度超過地層總厚度的70%。盡管其至今仍處于早成巖階段，尚未完全固結成巖，但有利于產甲烷菌生存活動，是優質的生物氣源巖；烴源巖厚度一般介于200～1 600 m，其中暗色泥巖總有機碳含量介于0.3%～0.4%；碳質泥巖是有機質富集的場所，總有機碳含量一般超過5%，平均值約為10%；有機質類型為偏腐殖混合型—腐殖型，鏡質體反射率大多小于0.5%，整體處于未成熟階段。但在深度2 400 m以淺發育大量的生物甲烷菌，第四系烴源巖經甲烷菌催化作用，生氣量達60×108m3/km2，生氣量巨大；由于三湖坳陷生物氣獨特的形成機理和成藏模式，不適合運用盆地模擬法，采用資源豐度類比法進行評價，計算三湖坳陷第四系生物氣地質資源量近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表

2.3 儲層條件

三湖坳陷第四系七個泉組儲層以濱淺湖灘壩砂體為主，具有分布較廣、巖性偏細的特點；由于沉積水體的頻繁進退，七個泉組儲層具有單層厚度小、發育層數多的特點；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，泥質細砂巖、泥質粉砂巖孔隙度主要介于25%～40%（圖6）。泥質粉砂巖、泥質細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含量，泥質含量越低則滲透率越高；泥質細砂巖滲透率主要介于10～300 mD，泥質粉砂巖滲透率主要介于5～100 mD。根據孔隙度、滲透率劃分標準，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

受晚喜馬拉雅運動的影響，第四紀冰期與間冰期頻繁交替出現，造成三湖坳陷的湖水進退頻繁，濱淺湖相與半深湖相的交替沉積，導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，暗色泥巖和碳質泥巖累計厚度超過地層總厚度的70%，在低溫、缺氧、咸化環境下，第四系烴源巖經甲烷菌催化作用，早期乙酸發酵，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、不斷再聚集的動態成藏模式；這種動態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，物性實驗分析表明陵間斷層東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標準對比，鹽殼的封蓋能力極好，可以作為區域蓋層；結合構造運動期次和鹽類測年數據綜合分析，認為鹽殼形成于七個泉組晚期至達布遜組晚期；根據模擬實驗七個泉組晚期至現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，二者匹配關系良好，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移方式不斷向陵間斷裂帶及上部地層運移，遇鹽殼有效遮擋聚集成藏，形成鹽殼遮擋型生物氣藏（圖7）。

勘探實踐證實，三湖坳陷地震剖面含氣層段具有“兩低”（頻率低、速度低）特征，地震剖面表現為“頻率降低，反射特征雜亂、無規律”。陵間斷層東段發育的鹽殼界面之上波組特征清楚，地震軸比較連續，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、地質特征分析結果后認為，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

經過地震解釋追蹤，在陵間斷層東段落實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測鹽殼發育區生物氣資源量近1 000×108m3，有巨大的勘探潛力。目前，根據該研究成果，已完成部署預探井2口（鉆前工程已完），預計可控制含氣面積近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 結論

1）三湖坳陷陵間斷裂帶東段存在一個形成于七個泉組晚期到達布遜組晚期的鹽殼，厚度穩定，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越，鹽殼的形成與生物氣的生成、運移具有良好的時空配置關系。

3）凹陷中心湖相泥巖生成生物氣通過橫向及縱向運移至陵間斷裂帶，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，預測鹽殼發育區生物氣資源量近1 000×108m3，鹽殼遮擋型生物氣藏資源規模大，具有十分廣闊的勘探前景。