柴达木盆地三湖坳陷区域性盐壳发现及生物气勘探地质意义

周铁锁， 张文伟， 鞠俊成， 韩宏伟， 王宇斯， 杨时杰， 曹宇森

( 中国石油辽河油田分公司 勘探开发研究院,辽宁 盘锦 124010 )

0 引言

20世纪50年代，柴达木盆地三湖地区发现涩北一号、涩北二号、台南、盐湖及驼峰山5个生物气田，建成中国最大的生物气生产基地[1]。第四次资源评价三湖地区的第四系生物气资源量为92×1010m3，探明天然气地质储量为28.97×1010m3，生物气具有较大勘探潜力。目前，已发现的大型生物气藏受背斜构造控制，岩性生物气藏具有发展趋势[2]。近十年钻探一批扩边探井，未获突破，生物气勘探遇到瓶颈。

天然气分子小，具有较强突破能力，对盖层要求极高，盖层在天然气藏形成与分布中起到重要的控制作用[3-5]。三湖坳陷第四系泥岩盖层处于成岩初期，岩石结构疏松，对生物气的封盖能力较差，能够形成大型生物气藏，与生物气不断生成、不断运聚密切相关[6-7]。因此，盖层中发育盐岩，可以增强封盖能力，对生物气聚集成藏或大型生物气藏的形成起到积极作用。以盐壳作为区域性盖层油气藏的勘探与开发已取得一定成果，盐壳多与沉积同生或与沉积岩形成时间吻合[8-9]，作为盖层的盐壳与油气运聚具有较好的时空配置关系。

柴达木盆地三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段发现的盐壳产状近水平，具有明显的穿时特征，形成时间晚于第四系沉积时间，对生物气聚集成藏是否起到积极作用尚不明确。单俊峰等[10]研究三湖坳陷盐壳作为遮挡层的生物气成藏模式。笔者利用地震资料解释、X线衍射全岩定量分析，借鉴察尔汗盐湖发展历程，结合构造及生物气运移特征，分析三湖坳陷盐壳横向分布、纵向厚度，确定盐壳形成时间早于生物气大规模运移时间，为有效封盖层，提出盐下背斜型生物气成藏和盐壳侧向封堵型生物气成藏模式，并预测生物气勘探前景，为三湖坳陷下一步勘探提供参考。

1 区域地质特征

柴达木盆地位于青藏高原北部，南依昆仑山，北邻祁连山，西靠阿尔金山，是中国七大内陆含油气盆地之一，沉积岩面积为12.1×104km2，最大沉积岩厚度超过1.7×104m[11]。进入第四纪后，柴达木盆地沉积中心向东迁移至三湖地区，形成第四系坳陷性沉积，以及厚度为3.1 km以上的、第四系稳定的连续湖相沉积。受区域挤压应力影响，第四系形成系列北西向展布的大面积、低幅度的背斜构造，为生物气的聚集成藏提供有利场所[12]。三湖地区第四系频繁的砂泥岩互层形成多套生储盖组合。

柴达木盆地三湖坳陷西起那北—落雁山—红三旱四号一带，东到南北霍布逊湖，北以陵间、锡南、埃南断裂为界,南至昆仑山前的边界断裂，面积约为5×104km2。三湖坳陷划分为中央凹陷带、南斜坡带和北斜坡带。中央凹陷带位于三湖坳陷的中部，是第四纪主要沉积中心。北斜坡带位于三湖凹陷北侧，北高南低，是一个后期抬升的斜坡。目前发现的所有生物气藏位于北斜坡带，构造具有沉积地层顶薄翼厚的特征，属于第四系同沉积背斜。研究区位于北斜坡带陵间断裂东段(见图1)。南斜坡带位于昆仑山山前，地层向南有减薄的趋势(或遭受剥蚀)，甚至缺失，整体为南高北低的斜坡，断裂、褶皱等构造不发育。

图1 研究区区域构造位置Fig.1 Regional structure of study area

2 盐壳特征

2.1 盐壳分布

基于三湖地区二维地震资料，北斜坡带地震剖面发育一套近水平、穿时的强反射波组，呈现与上下地层具有较大波阻抗差异的地质现象。该地质体(研究认为为盐壳)通常由三条(局部地区为两条)反射波同向轴组成，具有强振幅、强连续性特点，靠近断层连续性变差，是受断层影响而成像差造成的。盐壳在地震剖面上不仅横穿地层，并且横穿背斜构造和陵间断层，并未被断层错断，说明形成时间较晚，是在构造定型之后形成的。盐壳上、下波组特征具有一定差异，盐壳之上波组特征较清晰，反射波同向轴具有较强连续性，频率较高；盐壳之下地震反射较杂乱，反射波同向轴连续性较差，频率较低，为含气异常响应(见图2)。该地质现象并非仅在个别剖面显示，而是成片分布，通过地震解释刻画追踪，得到盐壳分布面积为812 km2(见图1)。盐岩地震波速度基本稳定，随埋藏深度的深浅变化不大，东濮凹陷盐岩速度为4.00～4.50 km/s[13]，鄂尔多斯盆地马家沟组盐岩层速度为4.25～4.65 km/s[14]，研究区盐壳层速度为4.25 km/s，为消除盐壳之上地层地震波旅行时的影响，选取地震剖面盐壳靠近地表位置获取上下界面地震波旅行时，时差为28 ms，计算岩壳厚度为59.5 m。

2.2 盐壳岩性

为确定盐壳岩性，在地震剖面上选取盐壳近地表位置进行定位，挖掘探槽取样。盐壳多呈水平状，颜色整体为灰白色，局部为黄褐色(含砂造成)，质地坚硬，受风化淋滤作用发育溶蚀孔、洞(见图3)。根据X线衍射全岩定量分析，主要造岩矿物为石盐，质量分数为42.30%～55.30%，平均为50.26%，其次为石英与斜长石，两种矿物质量分数为32.70%～50.70%，平均为40.14%(见表1)，因此，盐壳岩性为砂质盐岩。采集样品深度浅，约为1.5 m，受风化作用影响，盐岩在重新溶解、结晶过程中卷入周边沙土，造成砂质成分质量分数较高，不排除深埋地下的盐壳具有更高的石盐质量分数。

图3 三湖坳陷陵间断裂带东段盐壳露头照片Fig.3 Photograph of salt crust in the east of Lingjian Faults in Sanhu Depression

表1 陵间断裂东段盐壳X线衍射全岩定量分析数据

2.3 盐壳成因

盐岩是气候干旱或湖盆进入萎缩期，由于淡水补给量小于蒸发量，水体中矿物质不断浓缩结晶而形成[15-16]。

研究区盐壳位于察尔汗盐湖北侧，其形成演化与察尔汗盐湖的发展具有一定的相关关系。察尔汗盐湖演化历程中，受新构造运动和气候干旱、湿润的周期性变化影响，湖水有几次大规模的退缩和停滞阶段。其间的几次成盐作用产生多套盐壳。在(34.0～37.0)×103a之间，察尔汗盐湖为一个淡水或半咸水环境，沉积一套灰黑、暗灰、绿灰及黄灰色黏土。经历6.0×103a后，受新构造运动和气候变得极为干旱的影响, 补给水量大幅减少，湖水不断浓缩咸化并达到析盐阶段，沉积第一层盐层(S1)。在25.8×103a左右，有一次水侵作用，但未能全部淹没第一层盐层，盐层形成盐壳得以保存。在(24.7、19.0、15.0)×103a为盐湖成盐期，沉积较厚的S2、S3和S4盐层，其间有两次淡化期，但未淹没早期形成的盐壳[17](1)青海省第一地质水文地质大队.盐湖幅、达布逊湖幅区域水文地质普查报告[R].1986:22-27.。根据研究区盐壳发育规模及其与周边地层、构造的接触关系，推测研究区盐壳对应S2或S3盐层。研究区海拔高于察尔汗盐湖，即其抬升时间更早，盐壳较察尔汗地区更早成型。

受青藏运动的影响，三湖地区气候变化频繁。丰水期，湖水呈低盐度状态，为了和湖水达到一个动态平衡，高含盐地层孔隙水扩散流动，孔隙中的化学沉淀物(如NaCl、CaCO3、CaSO4)发生溶解，使钙离子和钠离子进入湖水，细菌产生的CO2促进化学沉积；枯水期，湖水含盐度变得高于地层孔隙含盐度，湖水的化学沉淀物溶解并扩散到孔隙水中。受蒸发泵作用影响而在地表形成盐层，盐层的形成又降低蒸发泵作用的速度，盐层和氧的迁移促使下部的SO2-4和石膏还原成S2-，促进沉积物的成岩作用，经过若干次湖平面的变化而形成现今的盐壳[18-21]。

3 成藏模式及勘探前景

油气聚集与盐壳的发育密切相关，全球58%的油气田与盐类地层有关。含盐油气已探明石油储量占世界的89%，探明天然气储量占世界的80%，表明盐类地层在油气聚集过程中起到重要的作用[22]。三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段盐壳的发育对该地区生物气成藏起到积极作用。

3.1 成藏条件

3.1.1 烃源岩

三湖坳陷的生物气源岩以第四系七个泉组和新近系狮子沟组暗色泥岩为主，炭质泥岩次之，累计厚度超过地层总厚度的70%。湖相泥质岩有机碳质量分数(w(TOC))为0.15%～0.46%，平均为0.30%，由于分布广，厚度大，弥补有机质质量分数低的不足。炭质泥岩w(TOC)平均为9.06%，最高可达18.99%，厚度较薄(平均为10.8 m)，对生物气资源的贡献有限。以Ⅲ型和Ⅱ2型为主。镜质体反射率Ro在0.20%～0.47%之间，处于未成熟阶段。

研究区尚无探井，地层层序可参照与之处于同一构造带的南陵丘构造。该构造钻探陵深1和陵深2井，岩性主要为浅灰、浅灰黄色砂质泥岩，夹土黄色泥岩及灰色泥质粉砂岩，暗色泥岩不发育，主要为滨浅湖相沉积。整体上，研究区第四系纵向烃源岩不发育。三湖坳陷生物气曾发生大规模横向运移，其运移与地下水密切相关，南侧昆仑山的冰雪融水为地下水主要来源。三湖坳陷中部深凹陷区生成生物气并溶于地下水，沿优势储集层向北运移，运移过程中压力不断减小、矿化度不断增加，天然气在地层水中溶解度降低并析出，于北斜坡带有利圈闭聚集成藏[23](见图4)。向北斜坡带运移生物气量占生物气量的70%以上，目前发现生物气藏位于北斜坡带，探井有不同程度的气测显示，说明生物气具有自南向北横向运移特征。因此，研究区生烃能力差，其南部的凹陷区生成天然气可横向远距离运移至研究区。

图4 三湖坳陷生物气横向运移模式Fig.4 Mode of lateral migration of biogenic gas in the Sanhu Depression

3.1.2 储层

柴达木盆地生物气储层的岩性以泥质粉砂岩和粉砂岩为主，分别占储层厚度的75%和20%左右，细砂岩和鲕粒砂岩一般不到5%。第四系储层储集空间以原生孔隙为主，次生孔隙很少。由于尚未固结成岩，储层普遍具有很高的孔隙度。泥质细砂岩和泥质粉砂岩孔隙度为25.0%～40.0%。泥质细砂岩渗透率约为100.00×10-3μm2，泥质粉砂岩渗透率约为10.00×10-3μm2，粉砂质泥岩渗透率约为1.00×10-3μm2，属于高孔中低渗储层。研究区第四系储层特征可参照南陵丘构造。南陵丘构造陵深1井发育砂岩和泥质粉砂岩，最大单层厚度为15 m，累计厚度为30 m，占地层总厚度的7.2%，砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩占地层总厚度的20.3%。目前尚无储层物性分析资料，该区为浅水沉积，受构造抬升影响，埋藏浅，物性要好于盆地腹部的。研究区狮子沟组也可作为目的层系，南陵丘构造陵深2井狮子沟组地层厚度为1 125 m，岩性主要为砂质泥岩及泥岩，其次为泥质粉砂岩及粉砂岩。储层为泥质粉砂岩及粉砂岩，以泥质粉砂岩为主，一般单层厚度为2～10 m，最大单层厚度为16 m，累计厚度为284 m，占地层总厚度的25.3%。陵深2井狮子沟组孔隙度平均为24.8%，渗透率平均为2.14×10-3μm2，属于中孔特低渗储层。

3.1.3 盖层

对处于弱成岩的第四系，盖层条件是生物气成藏的主控因素之一。三湖坳陷盖层主要为湖相泥岩，泥岩孔隙度平均在24.0%以上，具有高孔隙、大孔径的特点，突破压力普遍偏低，平均为1.02 MPa，其中低于1.00 MPa的约占60%，超过2.00 MPa的仅见于涩25井1 227 m处的泥岩，属于低效封盖范畴[24]。三湖坳陷生物气能聚集成藏，一方面是泥岩饱含地层水，提高封堵能力[25]；另一方面是生物气的大量补给速度超过气体大量散失速度，对盖层封盖能力要求降低。

图5 陵间断裂带东段盐壳含盐量与物性关系Fig.5 The relationship between salt content and property of salt crust in the east of Lingjian Faults

研究区发育一套区域性盐壳，增强对生物气的封堵。评价盐壳封盖能力，进行露头盐岩样品储层物性分析。共采集5块样品，孔隙度介于13.1%～20.8%，平均为18.3%，渗透率介于(1.20～393.00)×10-3μm2，平均为181.00×10-3μm2(见表2)。与柴达木盆地三湖坳陷第四系盖层经验评价标准(见表3)对比，盐岩孔隙度达到极好盖层范畴，渗透率较高，达到封盖能力一般范畴。盐岩孔隙度、渗透率随含盐量增大而降低(见图5)，当w(石膏和石盐)达到58.00%时，孔隙度为13.0%，渗透率降低至1.20×10-3μm2。考虑到样品取自距地表约1 m处，属于露头样品，受风化淋滤的影响，溶蚀孔洞发育，含砂量增高，物性变好。研究区盐壳绝大部分深埋地下，远离地表风化，具有更高的含盐量，更加致密，孔隙度、渗透率更低，具有更强的封盖能力，因此，地下盐壳可做为优质区域盖层。

表2 陵间断裂带东段露头盐壳样品物性分析数据

3.2 成藏模式

盐壳形成时间与生物气生成、运移时间匹配关系至关重要，若盐壳形成时间晚于生物气生成、运移时间，即使有再强的封盖能力也是无效的。研究区盐壳形成时间为(24.7～15.0)×103a，三湖坳陷七个泉组晚期至现今是生物气主排烃期[26]，盐壳形成时间早于生物气大规模生成、运移时间，二者时间配置关系优越，可作为有效盖层。根据盐壳封堵生物气方式的不同，将该区盐壳封堵型生物气成藏模式分为盐下背斜型和盐壳侧向封堵型生物气成藏(见图6)。

表3 三湖坳陷第四系盖层评价标准

3.2.1 盐下背斜型生物气成藏模式

盐下背斜型生物气成藏模式发育在陵间逆断层下盘背斜构造中。剖面几何形态表现为南翼缓、北翼陡的背斜构造，靠近顶部被水平盐壳横切。背斜第四系地层厚度具有明显的核部薄、翼部厚的特征，体现同沉积背斜的特点。该背斜构造与伊克雅乌汝和驼峰山背斜同属一个构造带，k13-k11(第四系内部划分的小层)沉积时期，第四系开始沉积，伊克雅乌汝和驼峰山形成背斜构造，表现为顶薄、翼厚的同沉积背斜[27]。该背斜构造在第四系沉积时期具有雏形，伴随整个第四系的沉积持续发育，形成顶薄、翼厚的同沉积背斜，由于后期抬升，顶部遭受剥蚀。该背斜形成时间早，接受整个第四纪生成生物气的充注，与生物气生成具有绝佳的时间配置关系。该区烃源岩发育程度较差，生物气主要来源于南部的凹陷区。凹陷区狮子沟组和七个泉组生成生物气，以水溶气形式伴随地层水沿高渗砂体自南向北运移，地层水矿化度增加，天然气不断析出，在背斜构造聚集成藏。伴随生物气不断注入，压力不断增高，生物气突破背斜构造中泥岩盖层，向上垂向运移，遇到上覆盐壳遮挡而停止突破。盐壳之下生物气浓度不断增加，阻止下伏生物气向上迁移，形成烃浓度封闭，背斜构造中生物气充满程度更高。

3.2.2 盐壳侧向封堵型生物气成藏模式

盐壳侧向封堵型生物气成藏模式发育在陵间逆断层上盘。剖面几何形态表现为南倾的狮子沟组和七个泉组上部被盐壳横切。该部位受陵间断层逆冲推覆作用影响，构造抬升，狮子沟组及七个泉组遭受后期剥蚀，七个泉组残留厚度为200 m左右。该部位生物气主要来源于邻近下盘背斜构造侧向散失。下盘背斜构造中的生物气充满到一定程度后，突破北翼泥岩封堵，越过陵间断层，在上盘高渗砂体中沿上倾方向继续向北运移，遇到上覆盐壳封堵在七个泉组和狮子沟组储层中而聚集成藏。

3.3 勘探前景

区域性盐壳的分布对三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段生物气的聚集成藏起到重要的控制作用。利用精细构造解释，确定盐壳分布面积为812 km2。该盐壳具有分布面积广、连续无间断、厚度大(近60 m)的特征，可作为生物气成藏的有效封堵层。利用资源丰度类比法，预测盐壳发育区生物气资源量为920×108m3，勘探潜力巨大。对两种类型圈闭进行精细刻画，其中盐下背斜型圈闭面积为38 km2，盐壳侧向封堵型圈闭面积为67 km2，总面积为105 km2，预测圈闭资源量为500×108m3。盐壳封堵型圈闭是三湖坳陷近十年生物气勘探中少见的整装规模圈闭。

4 结论

(1)柴达木盆地三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段发育近水平、穿时的盐壳分布面积为812 km2，厚度近60 m，以石盐为主，岩性致密，具有极好的封盖能力。

(2)三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段盐壳形成时间早于生物气大规模排放期，与生物气的生成、运移形成有良好的时间配置，为有效的封盖层。南部凹陷区生成生物气以水溶气形式向北运移，在盐下背斜型和盐壳侧向封堵型圈闭中聚集成藏。

(3)预测三湖坳陷北斜坡带陵间断裂带东段盐壳发育区生物气资源量为920×108m3，盐下背斜型和盐壳侧向封堵型圈闭总面积为105 km2，预测圈闭资源量为500×108m3，勘探潜力巨大。