柴东三湖地区天然气成因及成藏特征研究

2016-07-25翟志伟杨红梅马进业

天然气技术与经济 2016年3期

关键词：柴达木盆地第四系烃源

沙　威　翟志伟　杨红梅　马进业　赵　健　朱　军

（1.中国石油青海油田公司勘探开发研究院，甘肃　敦煌　736202；2.山西能源学院，山西　晋中　030600）

柴东三湖地区天然气成因及成藏特征研究

沙威1翟志伟2杨红梅2马进业1赵健1朱军1

（1.中国石油青海油田公司勘探开发研究院，甘肃敦煌736202；2.山西能源学院，山西晋中030600）

摘要柴达木盆地生物气资源丰富，主要分布在1 800 m埋深以上的第四系地层，是一种持续生烃、动态平衡的成藏模式。根据近期天然气样品和烃源岩样品的分析测试结果，发现三湖地区不仅在浅层第四系发育生物气藏，而且在新近系狮子沟组发现了生物气甚至热成因气存在的证据。从生物气形成机理的角度出发，拓展了柴达木盆地生物气分布的深度下限，在中深层发现热成因气也扩展了三湖地区天然气资源的勘探领域。在分析天然气成因和运聚成藏的基础上，指出三湖地区发育两套含气系统，第四系中下部和新近系上部仍可作为三湖地区天然气勘探的接替领域。

关键词柴达木盆地生物气热成因气产甲烷菌产气率运聚

0　引言

柴达木盆地三湖地区位于盆地东部，因区内分布东西台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖等现代咸水湖泊而得名，勘探面积约3.7×104km2，以发育最大的第四系生物气田而闻名于世。经过近60年的勘探，已经发现涩北一号、涩北二号、台南等7个生物气田，生物气资源量约1.5×1012m3，成为柴达木盆地天然气资源的主力产区，产层为内陆河湖相沉积的疏松细砂岩、泥质粉砂岩，多分布在1 800 m以上地层。由于第四系沉积距今仅2.8 Ma，埋藏期短且受构造运动影响较小，地层尚处于早成岩阶段，固结程度极低，造成孔隙度和渗透率偏高［1］，有利于生物气聚集成藏。

然而，随着各大气田滚动勘探的不断深入，通过钻探揭示三湖地区不仅在浅层第四系发育生物气藏，而且在新近系狮子沟组发现了生物气甚至热成因气存在的证据［2］，说明三湖地区的生物气不仅可以存在于浅层，也能存在于深层［3］，拓展了柴达木盆地生物气分布的1 800 m深度下限，同时在更深层发现热成因气，说明三湖地区新近系烃源岩也具备生烃能力。这个新认识将有助于探索三湖地区新的生物气分布层系以及热成因气资源潜力，为指导三湖地区天然气的进一步勘探提供有利证据。

1　天然气地球化学特征及成因类型

依据碳氢同位素指标可以将天然气划分为油型气、煤型气和生物气，其中，油型气和煤型气为热力学成因，生物气为微生物地球化学成因［4］。受气源岩分布、类型和成熟度的控制，柴达木盆地生物气分布于盆地东部三湖地区，油型气分布于盆地西部地区，煤型气主要分布于盆地北缘地区（图1）。

图1　柴达木盆地天然气成因分布图

通过对三湖地区大量的天然气样品进行组分分析和碳氢同位素测试（图2），浅层（包括第四系和新近系顶部）气藏气成分以甲烷为主，甲烷在烃类组分中的含量超过99%，乙烷、丙烷含量不足0.5%，不含4个碳原子以上的重烃，表现为典型的干气特征。另外含一定量的N2、CO2等非烃组分，几乎不含或很少含H2S。与盆地中西部和北缘的天然气样品特征差异明显。同时，甲烷碳同位素分布在-68.5‰～-65‰，甲烷氢同位素基本处于-240‰～-220‰，判断三湖地区浅层天然气为典型的生物成因气。

图2　三湖地区天然气碳同位素类型划分图

近期，对三湖地区深层钻探所获的天然气样品分析发现，甲烷碳同位素值分布在-47.3‰～-35.5‰，乙烷碳同位素值为-30.1‰～-25.2‰（表1），是以油型气为主含少量煤型气的混合型热成因气［5］。通过与邻区油气显示情况及实验样品对比分析，三湖地区新近系存在一套热成因气聚集的含气系统，证实了该区天然气勘探的新领域。

表1　台深1井深层天然气碳同位素分析数据表

2　气源岩地球化学特征

由于生烃机理的不同，生物气和热成因气源岩地球化学特征也存在明显的差异，评价标准不尽相同。生物气形成一般有两种途径，乙酸发酵和CO2还原［6］。三湖地区气源岩为湖相和河流沼泽相沉积的暗色泥岩，少量碳质泥岩，有效源岩厚度为600～1 600 m。对于生物气源岩来说，总体表现为有机质丰度偏低，有机碳含量一般在0.25%～0.56%，平均为0.32%；氯仿沥青“A”一般为0.005%～0.04%，平均为0.016%；总烃为20～100 mg/L，平均为80 mg/L。以Ⅲ型和Ⅱ2型有机质为主，Ro一般在0.25%～0.45%，处于未成熟演化阶段，但通过细菌调查研究，三湖地区自现代湖底淤泥沉积至新近系2 500 m的深度均存在丰度不等的产甲烷菌群（图3），为微生物降解地层中的有机质以及孔隙流体中的可溶有机质，形成生物甲烷气提供了充足的催化剂，提高了有机质的转化率。

图3　涩北1井岩心细菌种群调查成果图

对于热成因气源岩而言，三湖地区新近系深层暗色泥岩整体为中等—偏差烃源岩，受构造运动、埋藏深度及地温梯度的影响，不同构造带演化程度存在差异。以台南气田为例，新近系（、）烃源岩有机碳含量相对较低，有机质类型大多为Ⅲ型，部分为Ⅱ1、Ⅱ2型，烃源岩有机质处于低成熟阶段；烃源岩有机质处于低成熟—成熟阶段。黄金管生烃模拟实验证实，台南地区烃源岩样品在2 500～2 800 m进入低成熟度阶段，对应的Ro值约为0.5%；4 000 m进入成熟阶段，对应的Ro值约为0.9%；5 200 m进入生气高峰，对应的Ro值约为1.3%。当超过5 200 m深度以后，产气率维持在较高水平，增长缓慢，对应台南地区地层温度约400℃（图4）。

图4　生烃模拟实验产气率变化曲线图

实验结果表明，三湖地区新近系烃源岩产气量高于第四系烃源岩，说明新近系深层烃源岩有机质丰度不高，但产气率很高，生气潜力大。与柴西地区新近系热成因天然气评价结果类比，其资源量约为1.5×1012m3，勘探潜力巨大。

3　天然气聚集成藏模式

根据三湖地区天然气成因类型的不同，可以划分出两套含气系统，分别是生物成因含气系统和热成因含气系统。生物气主要分布在浅层的第四系和新近系顶部，而热成因气则主要分布在中深层的新近系中上部。

前期研究认为，生物气的生成上限温度为80～85℃，对应三湖地区深度约2 000 m左右［7］。只要有适合产甲烷菌群生存的环境，就会促使有机质持续转化为生物气，目前已经发现在2 500 m的中深层仍然有产甲烷菌和其他厌氧菌生存，低温热力和微生物共同作用是目前生物气形成机理的最新认识［8］。生物气形成以后，在储层中赋存状态有两种，分别是游离气和水溶气。疏松、欠压实的砂泥岩互层沉积造就了两种运移模式：垂向运移和横向运移［9］。生物气的成藏是一种持续生烃、动态平衡的成藏模式。该模式反映了生物气在整个产甲烷过程中不断运移、不断聚集、不断散失、不断再聚集的动态平衡成藏特征，从理论上拓展了生物气勘探领域。由于三湖地区受构造运动影响较小，低幅度构造及地层岩性圈闭成为生物气聚集的有利场所［10］，圈闭的规模决定了生物气藏的储量，同时，溶解在地层水中的甲烷也是不可忽视的重要资源。

古近纪以来，随着盆地沉积中心逐渐转移到三湖坳陷，至晚更新世后湖盆逐渐消亡，出现了盐壳沉积［11］。中新统的滨浅湖相暗色泥岩和上新统的湖相暗色泥岩构成了新近系热成因气的主力烃源岩，而河流—三角洲沉积的粉砂岩、泥质粉砂岩及细砂岩为天然气聚集提供了储集空间，孔隙类型主要为粒间孔、粒间溶孔和铸模孔。新近系上部狮子沟组属中孔中渗储层，中部油砂山组储层物性稍差，频繁的砂泥岩互层构成了中深层的储盖组合，根据烃源岩发育情况形成了自生自储和下生上储的气藏类型，寻找有利构造或岩性圈闭，是中深层热成因气勘探的关键所在。