柴达木盆地北缘西段油气成藏动力学研究

罗晓容，孙盈，汪立群，肖安成，马立协，张晓宝，王兆明，宋成鹏

（1. 中国科学院油气资源研究重点实验室；2. 中国石油青海油田公司勘探开发研究院；3. 浙江大学地球科学系）

0 引言

含油气系统概念及其系统论的研究思想和方法[1]极大地促进了石油地质学的发展[2-3]，但在指导中国叠合盆地复杂油气地质条件基础研究和勘探实践中也显露出不足[4-5]。叠合盆地中多个含油气系统间相互叠置、交叉，多期的油气生成、运移、聚集及改造决定了油气藏分布的复杂性和多样性，形成复杂的油气成藏、调整过程及油气分布特征[6-8]。为认识这些问题，中国学者相继提出了油气成藏动力学的概念及相关的系统划分方法、研究内容等[4,9-11]。但关于油气成藏动力学目前学术界争论很大，焦点主要在于成藏动力学是独立于石油地质学的一门分支学科还是一种先进适用的研究思路和方法[10]。笔者认为，油气成藏动力学是对油气运聚成藏地质条件、影响因素、动力条件及演化过程的动力学研究[11]，应按照油气运聚成藏期和油气运移发生时的流体动力学特征将复杂的含油气系统划分为时间、空间上均有限的成藏系统，化繁为简，条分缕析，重点关注油气成藏的时间、油气运聚的动力特征/背景及其演化、油气运聚的通道格架及其演化[11]，方可能定量认识和描述叠合盆地的油气成藏机制和过程，并应用于勘探实践[12-16]。

经过半个多世纪的勘探，柴达木盆地北缘（以下简称柴北缘）西段曾在冷湖—南八仙构造带、马海构造带等地区发现了重要油气地质储量，但总体勘探效果不佳[17]，主要原因之一是对该区油气成藏动力学条件及成藏过程的研究认识不足。笔者在前人对柴北缘构造演化和含油气系统研究认识的基础上，采用油气成藏动力学研究的思路和方法，以动态成藏要素研究为主线，利用盆地分析和数值模拟方法，恢复盆地演化过程，从动力学角度研究烃源岩演化、油气运移动力学环境、运移通道空间分布、成藏动力学系统范围，综合考虑不同时期烃源岩特征、流体势场及主要输导层物性分布，对主要成藏期的油气运聚过程进行了模拟分析，对柴北缘油气成藏的主控因素及成藏规律进行了总结。

1 成藏动力学研究的思想和方法

从目前油气勘探开发所获得的石油地质学认识水平而言，油气成藏研究所做的（或者说能够做的）应该是“油气成藏过程的动力学研究”，而不是建立“成藏动力学学科”[11]。油气成藏动力学研究应该是对油气成藏机理和过程进行定量研究的思想和方法，是含油气系统理论和方法在中国特殊叠合盆地研究基础上的发展。成藏动力学研究应充分尊重和利用石油地质学已取得的研究成果和认识，抓住油气的流动性特征，从盆地流体动力学角度分析油气运移、聚集、保存、散失的地质动力学背景和条件，认识油气成藏的机理，提出合理实用的成藏模式和研究方法。

为对复杂含油气盆地内发生的油气运聚成藏过程进行定量研究，须重建单一的成藏过程，即以油气成藏期次认识为基础，在时间和空间上划分出油气运聚成藏单元（见图 1）[11]，各单元具有统一的压力系统[18]；烃源不再局限于烃源岩生排烃，而是包括了烃源岩生排烃、古油气藏溢出/破坏的烃类、再次生烃、他源供烃等可能烃源[11]。图 1a为同一成藏期同一生储盖流体动力学系统，以流体势所确定的分隔槽为界限，可划分 5个成藏单元；图 1b圈闭中存在两期成藏，绿色虚线圈出了各期成藏单元中属于同一流体动力系统的供烃源-运移通道-目标圈闭的范围。

图1 油气成藏动力学单元的概念及单元划分

成藏动力学研究的主体是与油气运、聚、散有关的动力学过程，其他相关地质问题则直接利用传统的石油地质成藏条件分析和含油气系统研究的方法和成果。成藏动力学研究主要关注以下4个方面的内容。

1.1 油气成藏的动力学背景

盆地分析[19-20]和盆地模拟技术[21-24]为定量分析和描述盆地的演化过程、再现各个时期不同层序的埋藏特征及层面起伏状态提供了可能，同时盆地模拟方法可以给出盆地内不同时代的古地温场和压力场分布特征[25-27]，进而展示盆地内烃源岩的热演化和油气生成过程、不同输导层面在不同时间的流体势场[12-13,27-28]。

1.2 成藏单元划分

进行成藏单元划分的依据是一期油气运聚成藏期的流体动力学特征。为减少研究工作量，应只对曾经发生过油气成藏的单元进行研究（如图1中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ单元）。因而必须在证实的含油气系统范围内开展工作，确定不同区块的主要油气成藏期次和油气运移范围；然后由获得的盆地压力场划分成藏单元（见图1），利用盆地模拟分析主要输导层系的流体势特征，进而分析系统内部的源-藏关系，确定油气运聚单元的构成及范围[28]。

1.3 输导体系地质特征与分类解析

油气运移是在一个由岩性输导体、断裂及不整合面相互交织构成的复杂的立体输导系统内，沿某些运移路径发生的地质过程[12,29-30]。而输导体系的建立需要：①分析主要输导体的空间分布及其沉积环境，重点研究输导体成岩特征和成岩序列的空间分布及与油气充注间的关系，认识主要运移成藏期输导体的连通性和物性特征[30-33]。②研究主要不整合面的规模、与上下输导体间的截切和超覆关系，分析不同区块不整合面上下地层内的输导体及其组合方式，确定输导体在油气运聚过程中所起的作用[34-37]。③分析控烃断层的产状、相互切割关系及两侧地层间的组合关系，确定断裂活动的时间、期次和强度；研究断层与不同输导体间的截切关系，从流体动力学角度研究断裂活动过程中断裂启闭性的评价方法，确定主要影响因素[38-40]。④研究油气在研究区不同类型输导体内运移、聚集的动力学表达方式，确定可以较好描述不同类型输导体并表述其间关系的参数体系[30]，建立复合输导体系的量化模型。

1.4 油气成藏过程分析及油气分布评价

利用合适的油气运聚模型，定量研究主要成藏时期油气运移的路径及油气运聚成藏的方向和部位[12-13]，利用已发现的油气及其地化信息检验模拟分析结果；尝试通过地质统计学及数值模拟方法，分析油气运移时以不同方式聚集的可能性[14]，估算油气聚集过程中油气损失量；利用前人关于生排烃量的研究结果，依据物质平衡原理，评价研究区各运聚系统的油气资源潜力及其分布。

2 柴北缘西段地质背景及石油地质条件

柴达木盆地位于青藏高原北部，是在前侏罗系基底上发育起来的一个中、新生代陆内沉积盆地，四周被祁连山脉、阿尔金山脉和昆仑山脉所包围，大致呈一不规则菱形。盆地东西长850 km，南北宽150～300 km，面积约 12.1×104km2。

本文研究区为柴北缘西段，位于大柴旦以西、赛什腾构造带以南，主要包括一里坪坳陷和赛昆断陷。研究区内多发育反“S”型构造带[41-42]，总体为北西—南东方向。冷湖南八仙构造带总体表现为一北西—南东向延伸的背斜构造带（见图2），内部由多个独立的背斜构造组成，其南侧的鄂博梁构造带也是由多个背斜构造组成，亦呈北西—南东方向延伸。

图2 柴达木盆地北缘西段研究区范围及构造单元分布

对柴达木盆地形成演化的研究表明[7]，柴达木盆地在中、新生代经历了较为复杂的盆地演化过程，可分为早、中侏罗世裂陷阶段，晚侏罗世—白垩纪挤压阶段，古近纪—上新世晚期挤压拗陷与局部走滑、逃逸阶段，上新世晚期—第四纪挤压、推覆阶段。其中，柴北缘中、新生代的构造形成过程主要受控于两期构造活动，即晚白垩世的隆升剥蚀和新生代晚期的冲断变形[41]。区内不同构造带的活动时间具有明显差异[42]，总体而言是西部强、东部弱，边缘相对早而强、内部晚而相对较弱。

柴北缘地区中生界主要发育侏罗系和白垩系[43]。中、下侏罗统以河流和沼泽相为主，上侏罗统为形成于干旱气候条件下的河流沉积体系。上侏罗统在许多地区缺失，但在一些地区（如红山地区）发育较好，与上覆白垩系犬牙沟组呈平行不整合关系。白垩系下部主要为一套以砾岩沉积为主的冲积扇和辫状河沉积体系，砾石成分多为碳酸盐岩，磨圆度好，基质支撑或颗粒支撑。白垩系上部为泛滥平原沉积，其中曲流河砂岩沉积构成了区内主要储集层。

对赛什腾山内部新生界的研究表明[43]，始新统路乐河组底部为冲积扇砾岩沉积，中上部为河流相沉积；下干柴沟组主要由河流相沉积组成，夹少量冲积扇沉积组合[44]，上干柴沟组由河流三角洲沉积组合构成[45]；下油砂山组为湖相沉积，上油砂山组以及狮子沟组构成向上变粗层序，由湖泊三角洲沉积逐渐演变为辫状河和冲积扇沉积。

柴北缘西段目前已证实的烃源岩有两套，分别为下侏罗统和中侏罗统，两者的分布范围基本不重叠[46]。下侏罗统有效烃源岩主要分布于冷湖—南八仙构造带以南的一里坪坳陷和冷湖以西的昆特依凹陷，分布范围约21 100 km2，厚度较大，部分地区厚达700 m；中侏罗统烃源岩则主要分布于冷湖—南八仙构造带以北、现今的赛什腾凹陷以及马海凸起北部的鱼卡凹陷和马海凸起东南的尕丘凹陷，总面积约4 660 km2，大部分地区厚度小于100 m。研究区晚侏罗世和晚白垩世经历了较为强烈的抬升剥蚀，造成研究区中生界不同程度剥蚀，侏罗系烃源岩在新生代盆地形成之前基本未进入成熟门限[47-48]。因而从含油气系统角度，包括未成熟烃源岩在内的中生界可视为新生代盆地的一个组成部分，并随着新生代盆地的形成发展而经历热演化过程。

柴北缘地区储集层物性总体偏差，以中孔中渗—特低孔特低渗为主，各区块、层位之间孔渗性变化较大[48-49]。但一些地区部分层段也存在较优质储集层，如仙 6井下干柴沟组下段顶部砂岩孔隙度为 20.6%～22.9%，渗透率为 334.4×10-3～703.2×10-3μm2，分析发现该层段物性较好的原因在于砂岩粒径较大，分选好，填隙物和陆源碳酸盐碎屑含量低[50]。

在多期成盆构造作用控制下，研究区圈闭形成的时间差异很大，不仅有新近纪—第四纪形成的圈闭，也有早、中侏罗世时期形成的圈闭。构造圈闭主要为背斜、断背斜和断块圈闭，在柴北缘逆冲带普遍发育，如鱼卡背斜，冷湖—南八仙构造带发育的断背斜和断块。地层不整合控制的圈闭主要分布在冷湖三号西段、昆特依北斜坡带及马海凸起地区。岩性圈闭主要发育于昆特依北斜坡，主要为路乐河组河道砂岩和扇三角洲前缘形成的岩性变化带。

3 盆地演化过程中运移动力场特征

笔者采用盆地数值模拟方法[21,23]分析了研究区的盆地演化，盆地模拟基于岩石力学、物理化学、流体力学、生烃动力学等基本原理，综合模拟分析盆地沉积埋藏过程中地温场、压力场、流体流动、压实作用、油气生成和烃类运移等的时空变化[22,51]。在实际应用过程中，模拟结果的准确与否在很大程度上取决于研究者对地质现象的认识深度、地质模型设计的正确与否以及边界条件和参数的选取[22]。

在三维地质建模过程中，地层格架采用徐凤银等的研究成果[21,52]，地层残余厚度、新生界不同地层剥蚀量等均采用肖安成等[53]的研究成果，侏罗系有效烃源岩厚度分布图采用沈亚等[54]的研究成果，烃源岩的地球化学参数主要根据柴达木盆地第三次资源评价结果[55-56]设定，其中，下侏罗统烃源岩干酪根类型为Ⅱ—Ⅲ型，中侏罗统烃源岩干酪根类型为Ⅱ型。地表温度与古地热梯度参照前人研究成果[57]；压实参数根据研究区内 44口单井正常压实段的孔隙度-深度关系回归拟合后获得。泥岩的孔渗关系采用模型软件给定的文献值，而砂岩孔渗关系由柴北缘地区28口井共648个实测数据拟合获得。

柴北缘地区大部分构造圈闭形成时间较晚，主要定型期在上新世末期[17,42]，之后构造变形非常剧烈，导致构造斜坡部位地层陡倾，部分地区倾角大于30°，造成地层视厚度和真厚度间存在较大差异。为避免古构造重建过程中出现构造假象，结合该区构造形成时间的厘定，采用分阶段建模方法：在全新世之前采用地层厚度图的累计来建立地层格架，之后则采用现今构造图来建立地层格架。经过标定的盆地模拟结果在更高可信度水平上反映了盆地结构、地层组合、成岩过程特征及对应的温度场和压力场（见图 3）。由图 3可见，柴北缘地区新生界构造圈闭的形成可划分为4期：①始新世末期之前（距今时间大于等于29.8 Ma，见图3a、3b），主要发育赛昆地区西段的鄂博梁Ⅰ号、平台隆起、南八仙—马海—大红沟隆起等 3个继承性的古隆起；②中新世（距今7.2～23.8 Ma，见图3c—3e），主要形成了冷湖四号、五号构造；③上新世期间（距今 3.0～7.2 Ma），主要形成了冷湖六号、七号、鄂博梁Ⅱ号、Ⅲ号及葫芦山等构造（见图3f）；④第四纪（距今3.0 Ma至今），主要形成了鸭湖、伊克雅乌汝等构造，这些构造的形成对流体势场特征及油气运移方向影响极大（见图1）。对比图3中各个时代的断层及构造起伏，最为重要的构造形变发生在上新世末期（距今3.0 Ma前后，见图3f）。

图3 柴达木盆地北缘西段新生界构造形变演化过程

在模拟分析研究区温度场及相应的有机质热演化过程基础上，模拟获得了排油强度演化（见图4a—4e）和排气强度演化（见图 4f—4j）图。由图 4可见，一里坪坳陷下侏罗统烃源岩是研究区的主力生烃灶源，其生油的关键时期为中新世（距今 7.2～23.8 Ma，见图4b、4c），生气的关键时期为上新世（距今7.2 Ma）至现今（见图4i、4j）。这与通过油气藏成藏年代学分析所获得的柴北缘地区油气成藏时期[56,58]吻合，反映出烃源岩大规模排烃与圈闭形成时间的匹配是控制油、气成藏的重要条件。

4 成藏单元划分

图4 柴达木盆地北缘西段地区侏罗系烃源岩排烃强度演化

通过对研究区主要烃源岩生排烃过程的分析，结合前人地球化学分析、成藏年代测试、构造活动特征分析结果[41,49,58]，综合研究认为，柴北缘西段具有 2期成藏的特点，分别对应于中新世（距今7.2～23.8 Ma，见图4b、4c）和上新世末期至今（距今0～7.2 Ma，见图4i、4j）。以图3所示的古构造起伏为基础，考虑烃类密度特征，可以获得研究区排油高峰期和排气高峰期新生界主要输导层路乐河组顶界的流体势场特征（见图5）。由图5可见，在下侏罗统烃源岩主要排油期（中新世，距今7.2～23.8 Ma），路乐河组输导层顶面的流体势场围绕研究区主要供油区一里坪坳陷形成了3个运聚单元（见图5a）：自坳陷中心向北部鄂博梁I号—冷湖构造带的运聚单元；由一里坪坳陷东部向南八仙的运聚单元；由一里坪坳陷中心向南的运聚单元。其中一里坪坳陷中心向南的运聚单元在图 5的范围内不完整，其应该与盆地西南部大风山凸起带的北部构成一个完整的油气运聚成藏系统（见图 2）。在盆地的北部边缘带，由于鄂博梁I号、平台隆起、南八仙—马海—大红沟隆起等继承性古隆起的存在以及冷湖一号、二号、三号构造的形成，油气运移的方向被复杂化。但从盆地的尺度考虑，总体原油运移方向指向盆地边缘（见图5a）。

研究区侏罗系—古近系含油气系统烃源岩在中新世均已进入成熟门限，以生油为主（见图4b、4g），主要排油范围在一里坪坳陷和昆特依凹陷之内。现冷湖构造带以北的中侏罗统烃源岩也进入生油门限，但这套烃源岩有机质丰度不高，以Ⅱ型干酪根为主，排油强度远逊于其南的下侏罗统烃源岩，只在鱼卡凹陷小范围内的排油强度较高（见图4b、4c）。

在上新世末期（距今3.0 Ma），除一里坪坳陷东部外，其余范围内构造圈闭均已成形，成藏单元相对复杂，汇聚区基本以各构造圈闭为单位，自成体系（见图5b）。从流线上看，由于冷湖六号、七号构造的隆起，赛什腾凹陷与一里坪坳陷主体分开，自成一个生烃凹陷，以中侏罗统烃源岩为主。冷湖六号、七号构造上油气主要来自一里坪坳陷，少量来自赛什腾凹陷；南八仙地区油气主要来自一里坪坳陷，少量来自赛什腾凹陷；马海地区油气主要来自赛什腾凹陷，少量来自一里坪坳陷、鱼卡凹陷和尕丘凹陷。

现今研究区各构造均已形成，汇聚区以构造为单位，成藏单元也基本独立（见图5c）。因而侏罗系—古近系含油气系统在上新世末期—更新统油气运聚期可以划分出十多个油气成藏单元，这时整个盆地的烃源岩埋藏深度均较大，以生气为主（见图4d—4j），但昆特依凹陷和鱼卡凹陷等局部地区由于烃源岩埋藏相对较浅，仍以生油为主。

5 主要成藏期油气运移模拟

在上述工作基础上，采用作者研制的MigMOD油气运移模型[12,59]，综合考虑烃源岩特征、流体势以及输导层 3方面的作用，对研究区主要成藏期的油气运聚过程进行了模拟分析。以路乐河组为地层单位，建立输导层模型[58-50,60-62]（见图6）。由图6可见，不同时刻，从烃源岩各点排出的油、气（见图4）发生了不同程度的侧向运移，且排出量越小，侧向运移距离越有限；排出量越大，运移距离越长。从某一点开始的油气运移路径较远，就有可能与其他路径合并，合并后路径上的运移通量增加，当许多路径汇聚在一起则形成了优势运移路径，运移通量大大增加，从而有可能形成工业性油气藏。

图 6油气运移模拟结果表明，中新世期间，研究区内一里坪坳陷侏罗系烃源岩处于成熟生油阶段（见图4b）；中新世早期油的生成量较大（见图6a），排出的油主要向北运移，在东部则主要向南八仙、马海构造运移。这时冷湖六号和七号构造尚未隆起，赛什腾凹陷实际上只是一里坪坳陷的北部斜坡，盆地内部的构造圈闭尚未形成。因而这时生排的油量虽然很可观，但只有一部分运移到冷湖五号—冷湖四号构造及南八仙、马海构造聚集成藏，其余大部分都运移到北部山前带聚集；受上新世末期以来强烈推挤构造变形作用，大部分油气已散失，在平台等地尚可发现残留油显示[62]。此时天然气的生成量很少（见图 4g），所形成的侧向运移规模亦很小。

上新世以后，研究区以生气为主，生油量有限（见图4d、4i）。位于研究区西北的昆特依凹陷和东北的鱼卡凹陷等地区的烃源岩埋藏深度一直保持在石油的成熟度范围，在距今0～3.0 Ma的油气运聚成藏期均以生油为主（见图4d、4e），因而昆特依凹陷周围的冷湖一号到五号以及鄂博梁Ⅰ号构造上以油运聚为主（见图6c、6e）。而南八仙—马海凸起带早期主要接受来自一里坪坳陷的油，晚期则接受来自一里坪坳陷的气和来自鱼卡凹陷的油（见图4d—4j，图6），造成了该凸起带油气共存的结果。

图5 柴达木盆地北缘西段地区路乐河组输导层顶界主要成藏期流体势场特征

图6 柴达木盆地北缘地区油气主要排烃期油气运移路径及聚集方向的模拟结果

上新世之后，研究区侏罗系烃源岩大都进入较高成熟阶段，以生气为主，这时冷湖六号、七号构造已经隆起，赛什腾凹陷相对下沉，凹陷内中侏罗统烃源岩成熟生烃（见图4d、4i），但其排烃量相对较小；冷湖六号、七号构造成为一里坪坳陷及赛什腾凹陷天然气运移的共同指向区。在一里坪坳陷内部，葫芦山、鄂博梁Ⅱ号、鄂博梁Ⅲ号等构造圈闭相继形成，具有洼中隆的运聚成藏优势，主要发生天然气的运聚（见图6d）。在第四纪期间，一里坪坳陷东部的鸭湖和伊克雅乌汝等构造圈闭形成，也成为天然气运移的指向区（见图6f），但这两个构造都不在排烃强度中心，能够汇集的天然气量相对较少，其天然气成藏的潜力仍较逊于鄂博梁Ⅲ号和冷湖七号构造（见图6f）。赛什腾凹陷内因构造起伏而形成一系列潜伏构造圈闭，但这时冷湖六号、七号的隆起阻挡了一里坪坳陷生成的天然气向北运移，而赛什腾凹陷的生烃能力较弱，直接影响了赛什腾凹陷内的油气勘探潜力。

6 结论

油气成藏动力学研究的思想和方法是实现油气成藏机理和过程定量研究的可行方法。在叠合盆地中关注油气成藏的时间、油气运聚的动力学特征/背景及其演化，可根据主要油气运聚成藏期的流体动力学特征将复杂的含油气系统划分为时间/空间均有限的成藏单元，在每个成藏单元内研究单一的成藏过程，易于把握油气成藏的特征、认识成藏机理。

由于柴达木盆地自渐新世以来持续受到南北向挤压应力场作用，盆地内地层构造形态及相应的流体动力场十分复杂。总的趋势是以距今3.0 Ma为界，之前，冷湖六号、七号及整个赛什腾凹陷均表现为一里坪坳陷的北斜坡；之后，赛什腾凹陷下拗，冷湖六号、七号构造及一里坪坳陷中心的构造相继隆起，成为流体低势区。

相应地，不同时期的成藏系统差异较大：对于路乐河组输导层，早期可划分为一里坪西部—冷湖一号—冷湖五号、一里坪中部—赛什腾斜坡、一里坪东部—南八仙—马海等成藏单元；晚期可划分为昆特依凹陷—冷湖一号—冷湖五号—鄂博梁Ⅰ号、一里坪东—南八仙—马海、一里坪—冷湖六号—冷湖七号、马海—尕秀等成藏单元，以及一里坪坳陷内部的成藏单元。

研究区油气生排运聚特点总体为：中新世为研究区主要生油期，油的生排运量均足够丰富，在冷湖一号—冷湖五号及南八仙—马海地区形成油藏，但这时赛什腾凹陷只是一里坪坳陷的北部斜坡，构造圈闭主要在盆地边缘，相当部分的油都向北运移到盆地边部，很可能已被后期构造作用破坏。上新世以来的晚成藏期，研究区烃源岩以生气为主，这时构造圈闭发育，天然气成藏较为容易，但这时烃源岩及主要储集层的埋藏较深，储集层多具有低渗—特低渗特征。

油气成藏动力学的研究结果表明，柴达木盆地北缘西段资源较为丰富、油气勘探潜力仍然十分可观。柴北缘西段在冷湖一号—冷湖五号、鄂博梁Ⅰ号及南八仙—马海—红山等地区的勘探应以油为主，兼探天然气，而研究区其他地区的勘探目标应以深层天然气为主。综合评价认为，冷湖七号、鄂博梁Ⅲ号、冷湖六号等区带是柴北缘西段下步最为有利的勘探目标，其次为葫芦山、鄂博梁Ⅱ号、赛什腾潜伏带等区带。

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