沙　威　翟志偉　楊紅梅　馬進(jìn)業(yè)　趙　健　朱　軍

（1.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，甘肅　敦煌　736202；2.山西能源學(xué)院，山西　晉中　030600）

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柴東三湖地區(qū)天然氣成因及成藏特征研究

沙威1翟志偉2楊紅梅2馬進(jìn)業(yè)1趙健1朱軍1

（1.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌736202；2.山西能源學(xué)院，山西晉中030600）

摘要柴達(dá)木盆地生物氣資源豐富，主要分布在1 800 m埋深以上的第四系地層，是一種持續(xù)生烴、動態(tài)平衡的成藏模式。根據(jù)近期天然氣樣品和烴源巖樣品的分析測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三湖地區(qū)不僅在淺層第四系發(fā)育生物氣藏，而且在新近系獅子溝組發(fā)現(xiàn)了生物氣甚至熱成因氣存在的證據(jù)。從生物氣形成機(jī)理的角度出發(fā)，拓展了柴達(dá)木盆地生物氣分布的深度下限，在中深層發(fā)現(xiàn)熱成因氣也擴(kuò)展了三湖地區(qū)天然氣資源的勘探領(lǐng)域。在分析天然氣成因和運(yùn)聚成藏的基礎(chǔ)上，指出三湖地區(qū)發(fā)育兩套含氣系統(tǒng)，第四系中下部和新近系上部仍可作為三湖地區(qū)天然氣勘探的接替領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞柴達(dá)木盆地生物氣熱成因氣產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣率運(yùn)聚

0　引言

柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)位于盆地東部，因區(qū)內(nèi)分布東西臺吉乃爾湖、澀聶湖、達(dá)布遜湖等現(xiàn)代咸水湖泊而得名，勘探面積約3.7×104km2，以發(fā)育最大的第四系生物氣田而聞名于世。經(jīng)過近60年的勘探，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)澀北一號、澀北二號、臺南等7個生物氣田，生物氣資源量約1.5×1012m3，成為柴達(dá)木盆地天然氣資源的主力產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)層為內(nèi)陸河湖相沉積的疏松細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，多分布在1 800 m以上地層。由于第四系沉積距今僅2.8 Ma，埋藏期短且受構(gòu)造運(yùn)動影響較小，地層尚處于早成巖階段，固結(jié)程度極低，造成孔隙度和滲透率偏高［1］，有利于生物氣聚集成藏。

然而，隨著各大氣田滾動勘探的不斷深入，通過鉆探揭示三湖地區(qū)不僅在淺層第四系發(fā)育生物氣藏，而且在新近系獅子溝組發(fā)現(xiàn)了生物氣甚至熱成因氣存在的證據(jù)［2］，說明三湖地區(qū)的生物氣不僅可以存在于淺層，也能存在于深層［3］，拓展了柴達(dá)木盆地生物氣分布的1 800 m深度下限，同時在更深層發(fā)現(xiàn)熱成因氣，說明三湖地區(qū)新近系烴源巖也具備生烴能力。這個新認(rèn)識將有助于探索三湖地區(qū)新的生物氣分布層系以及熱成因氣資源潛力，為指導(dǎo)三湖地區(qū)天然氣的進(jìn)一步勘探提供有利證據(jù)。

1　天然氣地球化學(xué)特征及成因類型

依據(jù)碳?xì)渫凰刂笜?biāo)可以將天然氣劃分為油型氣、煤型氣和生物氣，其中，油型氣和煤型氣為熱力學(xué)成因，生物氣為微生物地球化學(xué)成因［4］。受氣源巖分布、類型和成熟度的控制，柴達(dá)木盆地生物氣分布于盆地東部三湖地區(qū)，油型氣分布于盆地西部地區(qū)，煤型氣主要分布于盆地北緣地區(qū)（圖1）。

圖1　柴達(dá)木盆地天然氣成因分布圖

通過對三湖地區(qū)大量的天然氣樣品進(jìn)行組分分析和碳?xì)渫凰販y試（圖2），淺層（包括第四系和新近系頂部）氣藏氣成分以甲烷為主，甲烷在烴類組分中的含量超過99%，乙烷、丙烷含量不足0.5%，不含4個碳原子以上的重?zé)N，表現(xiàn)為典型的干氣特征。另外含一定量的N2、CO2等非烴組分，幾乎不含或很少含H2S。與盆地中西部和北緣的天然氣樣品特征差異明顯。同時，甲烷碳同位素分布在-68.5‰～-65‰，甲烷氫同位素基本處于-240‰～-220‰，判斷三湖地區(qū)淺層天然氣為典型的生物成因氣。

圖2　三湖地區(qū)天然氣碳同位素類型劃分圖

近期，對三湖地區(qū)深層鉆探所獲的天然氣樣品分析發(fā)現(xiàn)，甲烷碳同位素值分布在-47.3‰～-35.5‰，乙烷碳同位素值為-30.1‰～-25.2‰（表1），是以油型氣為主含少量煤型氣的混合型熱成因氣［5］。通過與鄰區(qū)油氣顯示情況及實驗樣品對比分析，三湖地區(qū)新近系存在一套熱成因氣聚集的含氣系統(tǒng)，證實了該區(qū)天然氣勘探的新領(lǐng)域。

表1　臺深1井深層天然氣碳同位素分析數(shù)據(jù)表

2　氣源巖地球化學(xué)特征

由于生烴機(jī)理的不同，生物氣和熱成因氣源巖地球化學(xué)特征也存在明顯的差異，評價標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。生物氣形成一般有兩種途徑，乙酸發(fā)酵和CO2還原［6］。三湖地區(qū)氣源巖為湖相和河流沼澤相沉積的暗色泥巖，少量碳質(zhì)泥巖，有效源巖厚度為600～1 600 m。對于生物氣源巖來說，總體表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)豐度偏低，有機(jī)碳含量一般在0.25%～0.56%，平均為0.32%；氯仿瀝青“A”一般為0.005%～0.04%，平均為0.016%；總烴為20～100 mg/L，平均為80 mg/L。以Ⅲ型和Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)為主，Ro一般在0.25%～0.45%，處于未成熟演化階段，但通過細(xì)菌調(diào)查研究，三湖地區(qū)自現(xiàn)代湖底淤泥沉積至新近系2 500 m的深度均存在豐度不等的產(chǎn)甲烷菌群（圖3），為微生物降解地層中的有機(jī)質(zhì)以及孔隙流體中的可溶有機(jī)質(zhì)，形成生物甲烷氣提供了充足的催化劑，提高了有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。

圖3　澀北1井巖心細(xì)菌種群調(diào)查成果圖

對于熱成因氣源巖而言，三湖地區(qū)新近系深層暗色泥巖整體為中等—偏差烴源巖，受構(gòu)造運(yùn)動、埋藏深度及地溫梯度的影響，不同構(gòu)造帶演化程度存在差異。以臺南氣田為例，新近系（、）烴源巖有機(jī)碳含量相對較低，有機(jī)質(zhì)類型大多為Ⅲ型，部分為Ⅱ1、Ⅱ2型，烴源巖有機(jī)質(zhì)處于低成熟階段；烴源巖有機(jī)質(zhì)處于低成熟—成熟階段。黃金管生烴模擬實驗證實，臺南地區(qū)烴源巖樣品在2 500～2 800 m進(jìn)入低成熟度階段，對應(yīng)的Ro值約為0.5%；4 000 m進(jìn)入成熟階段，對應(yīng)的Ro值約為0.9%；5 200 m進(jìn)入生氣高峰，對應(yīng)的Ro值約為1.3%。當(dāng)超過5 200 m深度以后，產(chǎn)氣率維持在較高水平，增長緩慢，對應(yīng)臺南地區(qū)地層溫度約400℃（圖4）。

圖4　生烴模擬實驗產(chǎn)氣率變化曲線圖

實驗結(jié)果表明，三湖地區(qū)新近系烴源巖產(chǎn)氣量高于第四系烴源巖，說明新近系深層烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度不高，但產(chǎn)氣率很高，生氣潛力大。與柴西地區(qū)新近系熱成因天然氣評價結(jié)果類比，其資源量約為1.5×1012m3，勘探潛力巨大。

3　天然氣聚集成藏模式

根據(jù)三湖地區(qū)天然氣成因類型的不同，可以劃分出兩套含氣系統(tǒng)，分別是生物成因含氣系統(tǒng)和熱成因含氣系統(tǒng)。生物氣主要分布在淺層的第四系和新近系頂部，而熱成因氣則主要分布在中深層的新近系中上部。

前期研究認(rèn)為，生物氣的生成上限溫度為80～85℃，對應(yīng)三湖地區(qū)深度約2 000 m左右［7］。只要有適合產(chǎn)甲烷菌群生存的環(huán)境，就會促使有機(jī)質(zhì)持續(xù)轉(zhuǎn)化為生物氣，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在2 500 m的中深層仍然有產(chǎn)甲烷菌和其他厭氧菌生存，低溫?zé)崃臀⑸锕餐饔檬悄壳吧餁庑纬蓹C(jī)理的最新認(rèn)識［8］。生物氣形成以后，在儲層中賦存狀態(tài)有兩種，分別是游離氣和水溶氣。疏松、欠壓實的砂泥巖互層沉積造就了兩種運(yùn)移模式：垂向運(yùn)移和橫向運(yùn)移［9］。生物氣的成藏是一種持續(xù)生烴、動態(tài)平衡的成藏模式。該模式反映了生物氣在整個產(chǎn)甲烷過程中不斷運(yùn)移、不斷聚集、不斷散失、不斷再聚集的動態(tài)平衡成藏特征，從理論上拓展了生物氣勘探領(lǐng)域。由于三湖地區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動影響較小，低幅度構(gòu)造及地層巖性圈閉成為生物氣聚集的有利場所［10］，圈閉的規(guī)模決定了生物氣藏的儲量，同時，溶解在地層水中的甲烷也是不可忽視的重要資源。

古近紀(jì)以來，隨著盆地沉積中心逐漸轉(zhuǎn)移到三湖坳陷，至晚更新世后湖盆逐漸消亡，出現(xiàn)了鹽殼沉積［11］。中新統(tǒng)的濱淺湖相暗色泥巖和上新統(tǒng)的湖相暗色泥巖構(gòu)成了新近系熱成因氣的主力烴源巖，而河流—三角洲沉積的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)砂巖為天然氣聚集提供了儲集空間，孔隙類型主要為粒間孔、粒間溶孔和鑄?？?。新近系上部獅子溝組屬中孔中滲儲層，中部油砂山組儲層物性稍差，頻繁的砂泥巖互層構(gòu)成了中深層的儲蓋組合，根據(jù)烴源巖發(fā)育情況形成了自生自儲和下生上儲的氣藏類型，尋找有利構(gòu)造或巖性圈閉，是中深層熱成因氣勘探的關(guān)鍵所在。

4　結(jié)論

1）產(chǎn)甲烷菌群等厭氧微生物的存活不受地層時代和埋深的影響，只要有適宜的環(huán)境，就可以生存繁衍，促使有機(jī)質(zhì)向生物氣轉(zhuǎn)化。三湖地區(qū)新近系也具備生物氣形成的條件。

2）柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)沉積地層疏松，成巖性差，孔滲條件較好，不僅賦存在儲層孔隙中的游離氣值得開發(fā)利用，而且賦存在地層水中的溶解氣儲量規(guī)模也巨大。

3）前期勘探主要以尋找低幅度的構(gòu)造圈閉為主，由于三湖地區(qū)受構(gòu)造活動影響較小，構(gòu)造變形弱，尋找中深層斜坡背景和同沉積構(gòu)造背景上的巖性圈閉是下部勘探的重點。

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（編輯：盧櫟羽）

修訂回稿日期：2016-05-08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0021-03

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.005

基金項目：國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題（編號：2011ZX05003-006）。

作者簡介：沙威（1983-），碩士，地質(zhì)工程師，從事油氣勘探綜合地質(zhì)研究工作。E-mail：swqhyjy@petrochina.com.cn。