柴达木盆地一里坪地区新近系盆地模拟及有利区预测

2021-06-06冯德浩刘成林田继先太万雪卢振东郭轩豪

岩性油气藏 2021年3期

冯德浩，刘成林，田继先，太万雪，李培，曾旭，卢振东，郭轩豪

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；3.中国石油勘探开发研究院，河北廊坊 065007；4.西安石油大学地球科学与工程学院，西安 710065）

0 引言

含油气系统包括油气从源岩到圈闭过程中的静态地质要素和动态地质作用，采用盆地模拟技术能对含油气系统中油气形成与演化等动态地质作用在时间跨度上进行定量模拟，以揭示油气藏形成和演化规律，从而指导盆地内的油气勘探［1-3］。目前盆地模拟技术已形成多学科与多领域（地质学、数学、计算机科学等）的综合方法体系，国内外已有PetroMod、BasinMod、Trinity 和Basims 等各具特色的盆地模拟软件［3-5］。盆地模拟的主要研究内容包括地史（回剥法、Airy 地壳均衡法等）、热史（古温标法、Easy%Ro法等）、生烃史（化学动力学法、产烃率法等）、排烃史（压实排油法、残留烃法等）和运聚史（流线模拟技术、侵入逾渗模拟技术和三维达西流模拟技术）［3-4］，其中运聚史研究中用到的流线模拟技术、侵入逾渗模拟技术和三维达西流模拟技术各具有不同的优缺点，PetroMod 模拟软件能够将2 种模拟技术组合使用，更能贴近实际地质条件，得到了广泛使用［3-6］。盆地模拟技术能够帮助勘探家们更好地理解含油气系统，对于指导新区勘探具有重要作用。

柴达木盆地历经60 余年的勘探，已发现柴西古近系—新近系、柴北缘侏罗系以及三湖地区第四系含油气系统［7］。盆地内天然气探明率相对较低，尚不足以支撑青海油田建设千万吨油气田的需要，因此寻找新层系与新区带仍是今后主要勘探部署方向。位于柴达木盆地中部的一里坪地区或将成为天然气资源的战略接替领域。一里坪地区的台南、碱山等构造上的探井均发现不同级别的天然气显示，且具热成因气的特征，揭示该地区存在一个新近系含气系统［8-9］。王艳清等［10］、梁德秀等［11］与徐思渊［12］对一里坪地区烃源岩进行了评价，认为该区烃源岩具备良好的生烃潜力；姜桂凤等［13］、谭彦虎等［14］与洪唯宇［15］对油气成藏条件进行了综合研究，提出了有利的油气成藏模式。但过去的研究多集中于烃源岩生烃潜力和油气地质条件等静态地质特征，缺乏对含气系统的动态演化模拟及整体综合评价，尤其是该地区烃源岩热演化史、主要生气中心、主要生气期以及天然气主要运聚方向等尚待进一步深入，制约了下一步勘探部署进程。笔者基于盆地模拟技术，明确各套烃源岩热演化史、生烃史、主力气源岩、主要生气中心和生气期等，提出天然气有利聚集区带，以期对下一步勘探选区和资源量预测提供借鉴。

1 区域地质概况

柴达木盆地一里坪地区位于柴西坳陷区向三湖坳陷区过渡地带，主要包括一里坪凹陷、茫崖凹陷东部、三湖凹陷西部和北斜坡西部地区。在E1+2—N1沉积末期，古湖盆沉积中心位于盆地西部，一里坪地区主要为河流相和滨湖亚相，广泛发育红色地层，生烃潜力有限［13-14］。新近纪以来，受喜马拉雅运动的影响，柴达木盆地的沉积中心从柴西地区迁移至一里坪地区，自下而上沉积新近系下油砂山组（N21）、上油砂山组（N22）、狮子沟组（N23）和第四系七个泉组（Q1+2），新近系最大埋深可达10 km，形成了新近系—第四系沉积凹陷（图1），有利于烃源岩的发育。

图1 柴达木盆地一里坪地区构造单元划分（a）和新近系地层柱状图（b）Fig.1 Tectonic unit division（a）and stratigraphic column of Neogene（b）in Yiliping area，Qaidam Basin

一里坪地区烃源岩发育层位包括N21，N22与N23，岩性主要为浅湖—半深湖亚相的灰色泥岩、粉砂质泥岩，凹陷内部沉积的暗色泥岩厚度可达900 m，具有一定的生烃潜力。研究区储集层岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩等，钻井揭示N21顶部、N22和N23均发育一定厚度的砂体，但储层物性较差，为低孔低渗储层。新近系普遍发育的致密泥质岩类常与砂体呈互层状分布，可作为良好的局部盖层，从而形成了有利的储盖组合。研究区主要经历了上新世末期的喜马拉雅晚期构造运动和第四纪更新世末以来的新构造运动，强烈的挤压导致了大规模的逆冲作用，形成了碱山、红三旱三号、碱石山、鄂博山、落雁山、鄂博梁以及鸭湖等一系列雁列式带状排列的背斜、断背斜圈闭［15］，圈闭闭合面积合计超过800 km2。

2 烃源岩地球化学特征

明确一里坪地区烃源岩发育特征是研究含气系统的基础，本次研究选取了6 口探井样品，测试了其有机质丰度。研究区主要发育狮子沟组（N23）、上油砂山组（N22）和下油砂山组（N21）等3 套烃源岩，且各次级区块主力烃源岩层位存在差异。自西向东，红色地层出现时代越来越新，西部地区烃源岩主要发育层位为N21和N22，东部地区烃源岩主要发育层位为N23下部和N22上部［图2（a）］。从总有机碳（TOC）含量来看，研究区N23、N22和N21烃源岩有机质丰度整体偏低，TOC 质量分数为0.2%～1.0%，多数为0.4%～0.6%，按照陆相烃源岩评价标准可将其划归为差—中等烃源岩，局部层位发育高丰度薄层烃源岩（TOC 质量分数＞1%）。研究区有机质丰度指标与油气勘探程度较高的柴西地区相当，后者TOC 质量分数为0.2%～1.0%［15］，但低于江汉盆地、南襄盆地等其他陆相咸化湖盆。柴西地区古近系—新近系发育一套特殊的陆相咸化湖盆烃源岩，其TOC 含量虽然较低，但对应的生烃潜量较高、烃转化率较大［16］和排烃时间长等［17］。因此，一里坪地区新近系烃源岩具备较大的生烃潜力。通过对落深1 井、里3 井和台深1 井的47 个样品进行干酪根镜鉴、有机元素分析和镜质体反射率分析（其中N23和N22样品来自于里3 井和台深1 井，N21样品来自于落深1 井），得出研究区新近系各套烃源岩有机质类型整体以Ⅱ2—Ⅲ型为主，烃源岩中含有较多的腐殖无定型体、镜质体和木栓质体等腐殖型组分，腐泥组成分含量较少，反映了该地区烃源岩偏腐殖型，以生气为主，生油能力有限［图2（b）—（c）］。N23烃源岩成熟度较低，整体以未成熟—低成熟为主；N22烃源岩处于成熟阶段；N21烃源岩样品取自埋藏较浅的落深1 井，热演化程度较低，处于低成熟—成熟阶段［图2（d）］。

图2 柴达木盆地一里坪地区新近系烃源岩地球化学特征Fig.2 Geochemical characteristics of Neogene source rocks in Yiliping area，Qaidam Basin

3 盆地模拟参数

开展一里坪地区含气系统盆地模拟所确定的参数包括地层相关参数（地层构造图、岩性、沉积相图与砂地比图等）、地层剥蚀厚度、烃源岩地球化学资料（TOC、氢指数和Ro等）以及边界条件等［18］。

3.1 岩性特征

采用地震层位解释的构造图件建立地层格架，并依据录井、沉积相、砂地比图等资料统计各层位砂岩、泥岩等岩性的厚度占比，使用盆地模拟软件内置的岩性模块（Lithologies）对各层位进行岩性设置，其热导率、压实系数等参数则根据系统中岩性的各项参数混合得到［19-20］（表1）。以下油砂山组（N21）为例，按照沉积相与砂地比在盆地模拟软件中设置好岩性，岩性随湖盆演化在平面上的分布具有分带性（图3）。新近纪，柴达木古湖盆沉积中心位于一里坪地区，后逐渐向东迁移，最终在第四纪迁移至三湖地区。古湖盆的演化决定了研究区的沉积相类型主要为滨浅湖、半深湖以及泛滥平原亚相，广泛发育一套湖相沉积岩，岩性主要为灰色泥岩、灰质泥岩和粉砂岩等，矿物组成包括陆源碎屑矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物等。半深湖亚相以细粒的暗色泥质岩类为主，夹薄层灰岩、粉砂岩，分布于红三旱三号、红三旱四号和台南等地区，呈迁移的特征。滨浅湖亚相除上述地区周缘外，在研究区广泛发育，岩性以发育水平层理的浅灰色—深灰色泥岩为主，夹薄层粉砂岩，岩石中碳酸盐矿物含量较高。受南部昆仑山和北部祁连山物源供给的影响，鸭湖、台吉乃尔、伊克雅乌汝和台南地区发育扇三角洲沉积，岩性以发育块状或波状层理的灰色细砂岩、粉砂岩为主，砂地比较高。

表1 柴达木盆地一里坪地区盆地模拟岩性设置参数Table 1 Lithology parameters for basin modeling in Yiliping area，Qaidam Basin

图3 柴达木盆地一里坪地区下油砂山组（N21）在盆地模拟软件中的岩性设置Fig.3 Lithology setting for basin modeling of lower Youshashan Formation（N21）in Yiliping area，Qaidam Basin

3.2 剥蚀厚度

剥蚀厚度是含油气系统模拟的一项基本参数，对盆地内油气生成与演化、运移、聚集和保存具有重要影响［21］。一里坪地区经历了2 次构造抬升运动，分别为上新世末期的喜马拉雅晚期构造运动和第四纪更新世末以来的新构造运动，其中凹陷地区主要遭受了新构造运动，造成七个泉组顶部遭受剥蚀。地层恢复结果表明，七个泉组剥蚀厚度为100～900 m，碱石山—落雁山、鄂博梁—鸭湖一带为剥蚀厚度高值区，一里坪凹陷、三湖凹陷北斜坡剥蚀厚度较小，构造活动稳定［图4（a）］。狮子沟组在茫崖凹陷东部、鄂博梁—鸭湖构造顶部等区域遭受剥蚀，构造顶部剥蚀厚度较大，剥蚀最强区域为沙坪—黄石一带，剥蚀厚度超过900 m［图4（b）］。

图4 柴达木盆地一里坪地区七个泉组与狮子沟组地层剥蚀厚度等值线图Fig.4 Contour map of formation denudation thickness of Qigequan Formation and Shizigou Formation in Yiliping area，Qaidam Basin

3.3 边界条件

盆地模拟研究需要的边界条件包括古水深、大地热流值和沉积水界面温度（SWIT）。古水深是依据地层沉积环境进行预估获得，一般设置滨湖亚相的古水深＜5 m，浅湖亚相的古水深为5～20 m，深湖亚相的古水深为20～100 m［22］。大地热流值主要参考邱楠生等［23］的研究成果，其对柴达木盆地西部地区的构造-热演化进行了系统分析，明确了研究区大地热流值随地史演化呈现逐渐增加的趋势（图5）。Qiu［24］通过测温数据和岩石热导率资料得出，柴达木盆地现今大地热流值为31.3～70.4 mW/m2，平均为54.3 mW/m2。古沉积水界面温度值采用Wygrala［25］对古地表温度的研究成果，其成果考虑了柴达木盆地的地理位置（Eastern Asia）和所处的纬度（北纬35°～39°）。现今地表温度采用沈菊等［26］对1980—2015年地表温度的研究成果数据（7.8 ℃）（图5）。

图5 柴达木盆地一里坪地区盆地模拟软件中边界条件参数设置Fig.5 Parameter setting of boundary conditions for basin modeling in Yiliping area，Qaidam Basin

3.4 生烃动力学参数

烃源岩在生成油气过程中的温度与时间总体上呈现出互补关系，对烃源岩样品进行热模拟实验，应用平行一级反应的动力学模型求得化学动力学参数，可恢复烃源岩的生烃史和成藏过程［3］。过去这方面的研究多采取国内外学者建立的生烃动力学模型，由于不同盆地地质条件的差异，即使有机质类型相同，其生烃动力学参数也有所不同，因此只有求取出特定研究区烃源岩的生烃动力学参数，才能准确地模拟出盆地的生烃过程。本次研究选取一里坪地区台深1 井2 958.74 m 狮子沟组的烃源岩样品进行了密闭体系生烃模拟实验，根据不同升温速度（2 ℃/h 和20 ℃/h）得到的热模拟实验数据，采用Kinetics 软件进行模拟计算，获得活化能分布情况：台深1 井样品的活化能为36～66 kcal/mol，峰值为48 kcal/mol（图6），频率因子为294.7亿s-1。

图6 柴达木盆地一里坪地区台深1 井天然气生成的活化能分布直方图Fig.6 Distribution of activation energy of gas generation in well Taishen 1 in Yiliping area，Qaidam Basin

4 盆地模拟结果

盆地模拟的主要内容包括烃源岩的热演化史、生排烃史以及运聚史等，模拟结果的准确性与盆地演化过程中古地温变化史的恢复精度息息相关，常常采用将实测现今地层温度或者镜质体反射率值与模拟计算值进行相互对比，以校正模拟结果，使之精度更高［27-28］。选取柴达木盆地一里坪地区碱石1 井、台深1 井和旱2 井的实测镜质体反射率值（Ro）、实测地温值与采取Easy%Ro模型计算的理论值进行对比，结果显示，实测Ro值与模拟计算值较符合，验证了模拟结果的准确性（图7）。

图7 柴达木盆地一里坪地区镜质体反射率实测值与模拟计算值对比示意图Fig.7 Comparison of measured and simulated vitrinite reflectance in Yiliping area，Qaidam Basin

4.1 烃源岩热演化史

对柴达木盆地一里坪地区东部台南构造带的台深1 井和西部红三旱三号构造的旱2 井进行了烃源岩热演化史模拟。旱2 井和台深1 井经历了相似的埋藏演化过程，包括1 次沉降和1 次构造抬升，新近系为连续沉积，未遭受大的构造改造作用；Q1+2末期，因新构造运动的抬升作用，七个泉组部分遭受剥蚀（图8）。

图8 柴达木盆地一里坪地区新近系以来单井烃源岩埋藏-热演化史Fig.8 Thermal evolution history of Neogene source rocks in Yiliping area，Qaidam Basin

旱2 井N21烃源岩在中新世中期（距今11.6 Ma）开始进入低成熟阶段，其Ro平均为0.5%，中新世末期（距今8.1 Ma）达到成熟阶段（Ro平均为0.7%），开始大量生烃，现今N21底部处于高成熟阶段（Ro＞1.3%）。N22烃源岩在中新世末期（距今6 Ma）开始进入生烃门限（Ro平均为0.5%），并于上新世末期（距今2.2 Ma）进入生烃高峰阶段（Ro平均为0.7%），现今处于低成熟—成熟阶段。N23烃源岩仍处于未成熟阶段（Ro＜0.5%）。

台深1 井N21烃源岩在中新世中期（距今10.3 Ma）开始进入低成熟阶段，中新世末（距今5.56 Ma）达到成熟阶段，更新世初期（距今1.46 Ma）该组底部达到高成熟阶段；N22烃源岩分别在上新世初（距今4 Ma）和更新世初（距今1.8 Ma）达到低成熟阶段和成熟阶段。台深1 井N23烃源岩与旱2井存在差异，前者在上新世末（距今2.14 Ma）达到低成熟阶段。因此，一里坪地区N21烃源岩和N22烃源岩热演化的关键时期分别为中新世末期和上新世末期，该时期开始大量生烃。

4.2 烃源岩生烃强度和生烃量

烃源岩的生烃强度和生烃量也是含油气盆地模拟的重要内容。以旱2 井为例，其N21烃源岩在中新世末期开始大量生气，现今仍处在生气阶段；N22烃源岩在上新世末期生气速率开始加快，现今仍在大量生气阶段；N23烃源岩热演化程度较低，生气量较小（图9）。一里坪地区受喜马拉雅晚期构造运动与新构造运动的影响，形成了碱山、台南以及鸭湖等晚期构造圈闭，圈闭形成期为N23—Q1+2。烃源岩大量生气期和晚期构造圈闭发育期具有良好的匹配关系，有利于天然气的运移和聚集。

图9 柴达木盆地一里坪地区旱2 井生气演化史图Fig.9 Gas generation evolution of well Han 2 in Yiliping area，Qaidam Basin

将研究区N21，N22和N23等3 套烃源岩生气强度相加得到新近系烃源岩总生气强度［图10（a）］。从总生气强度分布特征可以得出，一里坪地区主要存在2 个生气中心，分别为碱石山—红三旱四号构造北部和船形丘构造东北部—台南地区，生气强度普遍大于40 亿m3/km2，其中船形丘构造东北部—台南地区生气强度最大，生气强度超过60 亿m3/km2。鄂博梁Ⅲ号—鸭湖—伊克雅乌汝—南陵丘构造、鄂博山—落雁山—那北构造烃源岩热演化程度普遍较低，生气强度普遍较小，原因是其埋深较浅。

从各地质时期的生气量来看，N21开始生气，但生气量较小，为0.49 万亿m3；N22生气量有所增大，为6.08 万亿m3，占总生气量的13.3%；N23生气量继续增大，为13.75 万亿m3，占总生气量的30 %；Q1+2生气量达到最大，为25.47 万亿m3，占总生气量的55.6%［图10（b）］。因此，Q1+2为主要的生气期。从各层位的生气量来看，N21烃源岩为主力气源岩，生气量达到28.15 万亿m3，占总生气量的61.5%；N22烃源岩为次要气源岩，生气量为15.16 万亿m3，占总生气量的33.1%；N23烃源岩的热演化程度较低，生气量仅为2.49 万亿m3［图10（c）］。一里坪地区新近系3 套烃源岩累计生气量为45.80 万亿m3，当运聚系数取值为1% 时，可得到研究区天然气地质资源量为4 580 亿m3，与付锁堂［7］的研究结果（4 464 亿m3）相近。

图10 柴达木盆地一里坪地区新近系烃源岩生气强度分布图和生气量直方图Fig.10 Gas generation intensity and gas-generated quantity of Neogene in Yiliping area，Qaidam Basin

4.3 天然气运聚方向

烃类运聚史模拟是建立在埋藏史、热演化史和烃源岩生排烃史模型的基础上进行的，也是盆地模拟的重要组成部分，对低勘探程度地区的有利勘探目标预测具有重要意义［5-6］。基于Petromod 软件中独特的油气运聚模拟算法（hybrid），对柴达木盆地一里坪地区含气系统关键时期（上新世末）天然气的运移和聚集进行了模拟，展现了不同构造带天然气的运移和聚集情况（图11）。研究区主要生气凹陷中形成的天然气向周缘构造带高部位供烃，部分向北部运移至鄂博梁Ⅲ号、鸭湖、台吉乃尔和伊克雅乌汝构造，部分向东进入台南和涩北构造，部分向南运移至红三旱三号、碱石山、平山梁、落雁山、船型丘和那北等构造，部分向中部进入处于生气凹陷中心的红三旱四号构造。在构造地形和流体势的控制下，生气凹陷周缘的构造带为天然气有利聚集区，在红三旱三号—红三旱四号构造、鄂博梁Ⅲ号—鸭湖—台吉乃尔构造和台南—涩北构造均形成了较大规模的天然气聚集。研究区的勘探实践表明，红三旱构造旱2 井见到23 次气测异常显示，且在N2

图11 柴达木盆地一里坪地区通过盆地模拟获得气态烃运移聚集区分布图Fig.11 Distribution of simulated gas hydrocarbon migration and accumulation in Yiliping area，Qaidam Basin

1 层段获得少量轻质油；鸭湖构造带上多口探井普见气测异常显示，其中鸭参3 井在3 096.67～5 204.55 m 井段测试获得日产气610 m3；台吉乃尔构造的台吉深1 井在169～3 950 m 井段见气显示455.00 m/130 层；台南构造的台深1 井在N22层段见强烈气测异常，全烃质量分数可达40%。盆地模拟预测的天然气藏与实际钻探过程中获得的气测异常显示具有良好的对应关系，表明了模拟结果具有较高精度。

新近纪一里坪地区为古湖泊的沉积中心，广泛发育滨浅湖、半深湖亚相的细粒沉积，天然气多以近源聚集为主，因此生气凹陷中心或周缘的构造圈闭和岩性圈闭易于成藏。生气凹陷内部成熟的暗色泥岩为优质烃源岩，生成的天然气沿横向和纵向输导体系运移至周缘构造带上，从而形成自生自储或下生上储气藏。盆地模拟结果显示，红三旱三号—红三旱四号构造、鄂博梁Ⅲ号—鸭湖—台吉乃尔构造和台南—涩北构造为有利勘探区带，因为这些地区紧邻生气凹陷或处于生气凹陷中心，具备充足的气源供给条件，且靠近北部物源区，发育相对优质的储层，有利于天然气的储集，从而形成构造或岩性气藏。