柴达木盆地三湖坳陷盐壳遮挡型生物气成藏模式

单俊峰 鞠俊成 张文伟 韩宏伟 周铁锁 王宇斯 杨时杰 曹宇森

中国石油辽河油田公司勘探开发研究院

0 引言

柴达木盆地三湖坳陷天然气资源丰富，广泛发育第四系生物气藏。该地区从1958年开始，历经60年的勘探开发，已建成目前国内最大的生物气生产基地。经过多年的勘探实践，探索形成了一系列针对第四系生物气的勘探技术，并取得了丰硕的成果，发现了台南、涩北一号、涩北二号等3个大型生物气田[1-2]。中国石油天然气股份有限公司第四次油气资源评价结果显示，三湖坳陷第四系生物气资源量近1×1012m3，已探明生物气地质储量近3 000×108m3，剩余生物气资源量大，具有较大的勘探潜力[3]。

三湖坳陷生物气勘探目标早期以地震反射含气异常背景下的低幅度背斜为主，成效显著。但是，自1988年台南气田发现以来，区域勘探上仅在伊克雅乌汝构造的新近系有所发现，三湖坳陷天然气勘探遇到了“地震真假异常识别难、微幅度构造落实难、岩性圈闭刻画难”等诸多难题，缺乏可供钻探的有效圈闭，成为制约第四系生物气勘探新突破的瓶颈[4-6]。常规技术手段已不能满足本地区的勘探需求，必须打破以往的认识，寻找新的勘探思路以突破上述瓶颈。柴达木盆地第四系浅层普遍发育盐类物质沉积，且成盐期与第四纪冰期有着良好的对应关系。综合研究认为，陵间断层东段的盐壳形成于倒数第二次冰期及末次冰期[7-8]，具有较好封盖能力，盖层条件是影响生物气聚集的重要因素之一。基于该认识，笔者从盐壳分布入手，通过精细构造解释、室内实验分析等手段落实盐壳的分布范围、形成时间及封盖能力，结合烃源岩及储层等成藏条件，提出了盐壳遮挡型生物气成藏模式。研究认为：①三湖坳陷盐壳分布面积广、封盖能力强，可作为有效遮挡层；②三湖坳陷发育充足的烃源岩和优质储层，成藏条件优越，盐壳的形成与生物气的生成、运移具有良好的时空配置关系，可形成盐壳遮挡型生物气藏；③初步落实三湖坳陷盐壳封盖型气藏有利勘探面积812 km2，预测天然气资源量近1 000×108m3，生物气的勘探潜力巨大。

1 区域地质概况

三湖坳陷位于柴达木盆地东南部，在晚喜马拉雅运动作用下，盆地沉积中心由西向东迁移，在三湖坳陷形成第四系的沉降、沉积中心。三湖坳陷西与柴西隆起相邻，北接一里坪坳陷和柴北缘隆起，南至昆仑山前边界断裂，勘探面积约37 000 km2（图1）。

图1 三湖坳陷构造单元划分图

1.1 构造特征

三湖坳陷以基底稳定、地层变形弱为主要构造特征，褶皱和断层均不发育，坳陷进一步划分为北斜坡带、中央凹陷带和南斜坡带（图1）。北斜坡带发育背斜构造，形态宽缓，主要发育于喜马拉雅晚期。从陵间断层往南分布3排地表构造，依次为伊克雅乌汝—南陵丘—哑叭尔构造、鸭湖—台吉乃尔—驼峰山—盐湖构造和台南—涩北构造。越靠近陵间断层，构造变形强度越大，地层剥蚀越强烈，地表出露地层也逐渐变老。中央凹陷带和南斜坡带构造简单，不发育背斜构造。

1.2 地层及沉积特征

目前，三湖坳陷所钻遇的地层自上而下为第四系盐桥组、达布逊组、七个泉组和新近系狮子沟组、上油砂山组和下油砂山组。第四系与下伏新近系多为整合接触，仅在局部地区呈不整合接触。钻井资料揭示，三湖坳陷第四系—新近系主要为一套细粒滨浅湖相沉积的砂泥岩地层，仅在局部边缘地带发育冲积扇、三角洲相沉积，岩性相对较粗。第四系七个泉组为本区生物气勘探的主要目的层，地层以砂泥岩不等厚频繁互层为主要特点，岩性总体为下粗上细，上部为区域盖层，中、下部为自生自储式生物气藏的分布段。

2 生物气成藏条件

2.1 盖层条件

2.1.1 盐壳盖层的封盖能力

盖层条件是控制生物气富集的主要因素之一，以往偏重于泥岩盖层的评价，未对盐壳的封盖能力进行深入分析。为了研究盐壳的封盖能力，笔者对野外盐壳露头进行了取样（取样深度约为1 m）分析，盐壳样品的物性分析（表1）表明，地表盐壳孔隙度、渗透率随含盐量增大明显降低，当石盐含量达到58%时，孔隙度为13%，渗透率降低至1 mD （图2）。与三湖坳陷盖层评价标准（表2）对比可知，当孔隙度介于25%～32%、渗透率介于1～10 mD时，盐壳可以作为盖层；当孔隙度小于24%、渗透率小于1 mD时，盐壳为极好盖层，封盖能力强。实验样品取自距地表约1 m，属于露头样品，考虑到风化淋滤的影响，距离地表较深盐壳的含盐量必然更高，盐层的孔渗更低，封盖能力更强，可以作为优质区域盖层。

表1 盐北盐壳露头样品物性分析数据表

图2 盐壳的石盐含量、石膏含量与渗透率、孔隙度的关系图

表2 三湖坳陷第四系盖层评价标准表

2.1.2 盐壳特征

通过分析三湖坳陷约8 000 km的二维地震资料，发现陵间断裂带东段附近的盐壳在地震剖面上表现为一个穿时、穿轴、产状近水平的强振幅界面，界面之上波组特征清楚，地震同相轴较连续，界面之下波组特征杂乱，具有含气异常响应特征。经地震解释追踪，盐壳分布范围达812 km2（图3）。野外地质调查发现，盐壳的地表露头比较少见，通常需要挖掘探槽进行取样，盐壳层多呈水平状，颜色为灰白色，单层厚度介于10～50 cm，累计厚度介于1～10 m（图4）。对露头样品进行全岩定量分析，盐壳层的主要成分为石盐、石英、长石，且以石盐为主[9]（表 3）。

2.1.3 盐壳形成时间

图3 陵间断层东段穿时界面分布范围图

图4 三湖坳陷盐壳野外露头照片

表3 盐北盐壳露头样品X射线衍射全岩定量分析数据表

野外地质调查与区域地质图对比分析发现，盐壳出露地表地层为第四系达布逊组盐类化学沉积，距今10～120 ka。郑绵平等[10-11]提出青藏高原成盐期与第四纪冰期具有一致性，柴达木盆地盐类物质沉积与青藏高原的强烈隆升有关，与青藏高原构造运动阶段也可对比。青藏运动期 （距今2.52～1.10 Ma），印度板块向欧亚大陆俯冲，青藏高原发生强烈的隆升，气候开始变冷，但冰期事件极少出现；昆黄运动期（距今0.71～0.50 Ma），青藏高原隆升至3.0 km以上，柴达木盆地进入冰冻圈，冰期事件开始出现；进入共和运动（距今0.24～0.09 Ma）后，青藏高原隆升至4.2 km以上，冰期事件频繁出现。根据马海和察尔汗地区钻孔记录的含盐地层的年代学数据分析（表4），马海地区盐类样品年代对应于倒数第二次冰期，察尔汗地区盐类样品年代对应于末次冰期晚冰阶。陵间断层东段发现的盐壳位于马海和察尔汗之间，结合构造运动期次和马海、察尔汗地区盐类测年数据对比可知，新发现的陵间断层东段盐壳形成于倒数第二次冰期和末次冰期之间，对应于七个泉组沉积晚期至达布逊组沉积晚期。

表4 柴达木盆地部分钻孔含盐地层测年数据表[12]

2.1.4 盐壳成因

受晚喜马拉雅运动的影响，三湖坳陷气候变化频繁，来自南部昆仑山的雪山融水导致古湖水盐度分带，在三湖坳陷南部的河流注入端形成淡水区，向北形成咸水区，在最北段即三湖坳陷北部形成卤水区，受此影响，北部潜水亦为高含盐卤水，受蒸发作用影响，在潜水面附近形成盐壳层，由于北部上覆地层较厚，盐壳层在后期地层抬升过程中未被剥蚀得以保存，形成现今的盐壳层[13-19]（图5）。

2.2 烃源条件

三湖坳陷第四系广泛接受了湖相沉积，发育了两种类型的烃源岩，即湖相暗色泥岩和湖沼相碳质泥岩，暗色泥岩和碳质泥岩累计厚度超过地层总厚度的70%。尽管其至今仍处于早成岩阶段，尚未完全固结成岩，但有利于产甲烷菌生存活动，是优质的生物气源岩；烃源岩厚度一般介于200～1 600 m，其中暗色泥岩总有机碳含量介于0.3%～0.4%；碳质泥岩是有机质富集的场所，总有机碳含量一般超过5%，平均值约为10%；有机质类型为偏腐殖混合型—腐殖型，镜质体反射率大多小于0.5%，整体处于未成熟阶段。但在深度2 400 m以浅发育大量的生物甲烷菌，第四系烃源岩经甲烷菌催化作用，生气量达60×108m3/km2，生气量巨大；由于三湖坳陷生物气独特的形成机理和成藏模式，不适合运用盆地模拟法，采用资源丰度类比法进行评价，计算三湖坳陷第四系生物气地质资源量近1×1012m3，其中95%的资源量都处于北部斜坡带（表5）。

图5 盐壳形成模式图

表5 三湖坳陷第四系生物气资源量评价表

2.3 储层条件

三湖坳陷第四系七个泉组储层以滨浅湖滩坝砂体为主，具有分布较广、岩性偏细的特点；由于沉积水体的频繁进退，七个泉组储层具有单层厚度小、发育层数多的特点；由于处于成岩早期阶段，生物气储层普遍具有很高的孔隙度，泥质细砂岩、泥质粉砂岩孔隙度主要介于25%～40%（图6）。泥质粉砂岩、泥质细粉砂岩和含泥粉砂岩的平均孔隙度约为30%，不同岩性储层的孔隙度非常接近，但渗透率差异较大。岩石渗透率的大小取决于泥质含量，泥质含量越低则渗透率越高；泥质细砂岩渗透率主要介于10～300 mD，泥质粉砂岩渗透率主要介于5～100 mD。根据孔隙度、渗透率划分标准，三湖坳陷第四系生物气储集层属于高孔隙度中低渗透率储层。

图6 三湖坳陷第四系不同岩性岩心的孔隙度—渗透率关系图

3 盐壳遮挡型生物气成藏模式及勘探前景

3.1 盐壳遮挡型生物气成藏模式

受晚喜马拉雅运动的影响，第四纪冰期与间冰期频繁交替出现，造成三湖坳陷的湖水进退频繁，滨浅湖相与半深湖相的交替沉积，导致地层在纵向上薄层砂泥岩频繁互层，储集砂体以席状滩坝砂体为主，但主要沉积仍以泥岩为主，暗色泥岩和碳质泥岩累计厚度超过地层总厚度的70%，在低温、缺氧、咸化环境下，第四系烃源岩经甲烷菌催化作用，早期乙酸发酵，晚期CO2还原生成生物气；由于生气晚、圈闭新、成岩弱，成藏环境相对开放，形成不断聚集、不断突破、不断散失、不断再聚集的动态成藏模式；这种动态成藏模式中封盖条件极为重要，盖层条件是控制生物气富集的重要因素，物性实验分析表明陵间断层东段的盐壳随着石盐含量的增高孔隙度、渗透率迅速降低，通过与三湖坳陷盖层评价标准对比，盐壳的封盖能力极好，可以作为区域盖层；结合构造运动期次和盐类测年数据综合分析，认为盐壳形成于七个泉组晚期至达布逊组晚期；根据模拟实验七个泉组晚期至现今是三湖坳陷生物气主排烃期[20]，盐壳形成期处于生物气主排烃期内，二者匹配关系良好，因此凹陷中心及盐壳下部的湖相泥岩生成生物气通过横向及纵向运移方式不断向陵间断裂带及上部地层运移，遇盐壳有效遮挡聚集成藏，形成盐壳遮挡型生物气藏（图7）。

勘探实践证实，三湖坳陷地震剖面含气层段具有“两低”（频率低、速度低）特征，地震剖面表现为“频率降低，反射特征杂乱、无规律”。陵间断层东段发育的盐壳界面之上波组特征清楚，地震轴比较连续，盐壳界面之下波组特征杂乱，频率明显降低，具有含气异常特征。综合以上地震、地质特征分析结果后认为，在盐壳之下可以形成盐壳遮挡型生物气藏。

3.2 盐壳遮挡型气藏勘探前景

经过地震解释追踪，在陵间断层东段落实盐壳封盖型气藏有利勘探面积812 km2，利用资源丰度类比法预测盐壳发育区生物气资源量近1 000×108m3，有巨大的勘探潜力。目前，根据该研究成果，已完成部署预探井2口（钻前工程已完），预计可控制含气面积近100 km2、天然气资源量近500×108m3。

图7 盐壳遮挡型生物气藏成藏模式图

4 结论

1）三湖坳陷陵间断裂带东段存在一个形成于七个泉组晚期到达布逊组晚期的盐壳，厚度稳定，平面分布广泛，成分以石盐为主，封盖条件极好。

2）三湖坳陷第四系砂泥岩互层，烃源岩及储集条件优越，盐壳的形成与生物气的生成、运移具有良好的时空配置关系。

3）凹陷中心湖相泥岩生成生物气通过横向及纵向运移至陵间断裂带，遇盐壳有效封盖聚集成藏，形成盐壳遮挡型生物气藏。

4）三湖坳陷生物气资源丰富，预测盐壳发育区生物气资源量近1 000×108m3，盐壳遮挡型生物气藏资源规模大，具有十分广阔的勘探前景。