柴达木盆地深层天然气富集条件及勘探潜力

李 剑 ,田继先 ,王 波 ,朱 军 ,周 飞 ,李森明 ,邵泽宇,李海鹏,乔柏翰

1.中国石油勘探开发研究院,河北 廊坊 065007;

2.中国石油青海油田公司勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736200;

3.中国石油杭州地质研究院,浙江 杭州 310000

0 引言

深层—超深层地层已经成为中国油气重大发现的主阵地,其油气资源达761 亿吨油气当量,勘探潜力巨大 (孙龙德等,2013)。中国在塔里木、鄂尔多斯、四川等盆地发现了多个深层领域的大型气田 (李剑等,2019),塔里木盆地轮探1 井在寒武系获得高产工业气流,其埋藏深度超过8200 m (杨海军等,2020);四川盆地在埋深大于5000 m 的地层中发现多个大气田 (郭旭升等,2020),寻找深层油气资源已成为目前油气勘探的重点 (张光亚等,2015)。柴达木盆地天然气资源丰富,已发现涩北、台南、东坪、牛东、尖北、开特米里克等多个气藏,累计探明天然气地质储量3938×108m3,但主要以埋深在3500 m 以上的浅层为主,探明率仅12.2%,处于勘探早期 (付锁堂等,2016)。近年来,在柴北缘东坪、尖顶山及昆特依构造带深层基岩及柴西英雄岭构造带深层均获得了工业气藏,其中昆2 井埋深超过7000 m,狮新58 井埋深超过5500 m,表明柴达木盆地深层具备形成油气藏的地质条件 (石亚军等,2020;田继先等,2020a)。

相关学者曾对柴达木盆地已发现气藏进行了成藏等相关研究 (付锁堂等,2009,2013;田光荣等,2011;马峰等,2014;田继先等,2014,2017;张永庶等,2018;石亚军等,2020),指出柴北缘侏罗系湖相淡水煤系烃源岩分布面积广、演化程度高;东坪及马仙等构造气藏以基岩及碎屑岩储层为主,基岩以溶蚀孔和裂缝为主,碎屑岩以粒间孔为主,浅层物性好,深层也有好的储层段发育,已发现的气藏紧邻生烃凹陷,为典型源外成藏,古隆起区是有利勘探区;柴西主要发育古近系咸化湖相烃源岩,凹陷区具备形成天然气的成藏条件,但油气同出,点多面广,纯气藏少,发育湖相碳酸盐岩孔缝储层,具有自生自储成藏特征,目前未有规模气藏发现。总体上柴达木盆地天然气勘探以浅层为主,深层天然气勘探和研究程度较低,对于全盆地深层天然气成藏条件、资源潜力及勘探方向等方面研究相对薄弱,比如柴北缘深层是否发育优质储盖组合? 多期构造活动条件下是否具备良好封盖条件? 柴西以油田为主,深层是否具备形成规模气田条件? 深层有利勘探方向是什么? 等等。在前期对柴达木盆地深层烃源岩分布特征、成熟度、沉积储层特征研究基础上 (Tian et al.,2018,2021;田继先等,2019,2020a),结合最新地质、地球化学、录井及钻井资料,分析了柴达木盆地深层气藏形成的有利地质条件,指出了有利勘探方向,为柴达木盆地深层天然气领域的勘探突破提供技术支持。

1 区域地质背景

柴达木盆地是印支运动以后形成的中—新生代山间地块盆地,为典型的内陆咸化湖盆,四周受昆仑山、祁连山和阿尔金山所夹持 (付锁堂等,2016;图1)。受燕山运动、喜马拉雅运动2 期构造运动的影响,发育柴北缘坳陷、柴东坳陷和柴西坳陷3 个一级构造带,形成了多个由挤压、走滑作用形成的大型构造带。柴北缘发育祁连山隆起带、阿尔金山前隆起带、马仙隆起带和腹部构造带等多个构造单元。柴西发育昆仑山前带、环英雄岭构造带和中央古隆起带三大构造带,形成了数量众多的背斜、断背斜等构造圈闭,圈闭面积大,数量多 (张金明等,2021;完颜泽等,2023)。地层上盆地主要由中—新生界陆相沉积物组成,即中生界侏罗系、新生界古近系和新近系、第四系。沉积上湖盆中心具有明显迁移规律,中生界沉积中心位于柴北缘,古—新近系湖盆中心迁移至柴西坳陷,第四系主要分布在柴东坳陷。此外,在盆地北部深层发育部分古生界石炭系和中生界白垩系,但在该地层中未发现良好的油气显示,不是主要目的层。柴北缘烃源岩以中—下侏罗统煤系源岩为主,厚度为100～2000 m,埋深大,演化程度高,生烃能力强。柴北缘储层以基岩和上覆碎屑岩为主,基岩包括花岗岩、变质岩等,新近系发育河流-三角洲-湖泊沉积体系,河流相砂岩和互层泥质岩组成良好的储盖组合。目前柴北缘发现了冷湖、马北、牛东砂岩背斜油气藏和东坪、尖顶山等基岩断背斜气藏,深层发现了昆特依气藏及碱山基岩、冷湖七号下干柴沟组上段() 砂岩等含气构造,表明柴北缘具备深层气藏成藏条件。柴西以咸化湖相烃源岩为主,受湖盆演化迁移影响,柴西南以下干柴沟组上段 ()烃源岩为主,而柴西北发育新近系的上干柴沟组(N1) 烃源岩,也是柴西富烃凹陷主力源岩,山前演化程度低,而柴西腹部演化程度高,具有生烃强度大、分布面积广的特征 (冯德浩等,2022)。受咸化沉积环境影响,昆仑山前和阿尔金山前以新近系砂岩油藏为主,而柴西湖盆腹部广泛发育湖相碳酸盐岩沉积,面积大,单层厚度薄,纵向叠置,储层以裂缝和溶孔为主,是目前油气勘探重点领域,已发现了英西、大风山等自生自储和下生上储油气藏 (范昌育等,2015;李培等,2021)。虽然柴西以石油勘探为主,但多个构造带发现了天然气显示,特别是英中、黄瓜茆及开特地区多口井见到工业气流,证实柴西不但是富油坳陷,同时也是天然气勘探重要接替领域。

图1 柴达木盆地构造分区图及综合柱状图Fig.1 Structural zoning map and comprehensive bar chart of the Qaidam Basin

2 深层天然气富集条件

2.1 烃源岩发育特征

勘探实践已证实,柴西天然气主要来源于古近系咸化湖盆烃源岩,而柴北缘天然气主要来源于中—下侏罗统煤系烃源岩 (田继先等,2017)。侏罗系烃源岩在柴北缘分布广泛,厚度为100～2000 m,岩性以深灰色泥岩和灰黑色泥岩为主,部分层段含煤,泥岩有机碳含量平均为1.3%～2.7% (翟志伟等,2013)。盆地模拟得出的柴达木盆地深层主力气源成熟度分布规律表明,柴北缘侏罗系烃源岩RO主要分布在0.5%～2.0%,热演化程度从山前到盆地腹部逐渐增加 (图2)。

图2 柴达木盆地深层主力气源RO 等值线分布图 (据田继先等,2017;郭泽清等,2017 修改)Fig.2 Distribution of RO isoline of the deep main gas source in the Qaidam Basin (modified from Tian et al.,2017;Guo et al.,2017)

柴西坳陷盆地腹部RO在1.5%以上,处于生气阶段,生气强度大,资源量接近8303.4×108m3,气源充足,具备形成深层大气田的基础条件。柴西烃源岩与柴北缘侏罗系烃源岩相比,总体埋深较浅,目前发现了大量油田,且近年来在英雄岭地区发现了多个古近系烃源岩来源的气藏,表明其具备形成天然气藏条件。由于湖盆迁移的影响,柴西主要发育下干柴沟组上段 () 和上干柴沟组 (N1) 两套咸化湖相烃源岩,这两套烃源岩有机碳含量平均为0.6%～1.7%,有机质类型以Ⅱ1和Ⅱ2型为主 (张斌等,2018),并且在纵向上相互叠置,在平面上则具有互补的特征,热演化程度趋势为自西向东、由南向北逐渐增加。在盆地边缘其烃源岩的埋深较浅,有机质热演化程度较低,因此主要以生油为主,但在盆地腹部,有机质热演化程度高,烃源岩则以生气为主。特别是主力生气层下干柴沟组上段 () 烃源岩具有厚度大、分布广的特点,源岩面积达1.2×104km2,RO分布范围为0.26%～2.00% (图2),在柴西腹部RO达到1.30%以上,达到生气阶段,具备形成深层大气田的物质条件。近年来发现的英中狮新58 井碳酸盐岩气藏埋深在5300 m 以上,证实该套烃源岩能够为深层气藏的形成提供优质气源条件 (曾旭等,2018)。

2.2 储层发育特征

一般来说,深部地层的原生孔隙会随埋深的增大而大幅度地减少,故此时原生孔隙很难作为其优质储集空间,但次生孔隙的发育可为深层气藏富集提供优质储集空间 (吴迅达等,2021)。柴达木盆地深层储层岩性主要为碎屑岩、湖相碳酸盐岩和基岩。其中柴西坳陷深层主要为古近系和新近系N1湖相碳酸盐岩储层;柴北缘坳陷的腹部深层主要为古近系至新近系 (—N1) 的砂岩储层,而阿尔金山前和祁连山前深层主要为基岩储层。

柴北缘坳陷深层主要发育基岩和砂岩两类有利储层。第一种为基岩储层,其与上覆路乐河组E1+2泥岩组成良好的储盖组合,受燕山运动影响,柴北缘坳陷基底长期处于隆升状态,受风化、剥蚀、淋滤等作用,形成了大面积分布的基岩缝洞型储集体 (Guo et al.,2017)。勘探证实,不同岩性的基岩均发育有效储层,形成裂缝和溶蚀孔缝双重储集空间 (图3a—3c)。目前发现的东坪17井区、昆特依及尖顶山深层气藏储层已被证实是基岩储层,岩性以花岗岩、变质岩为主,基岩储集空间类型主要包括溶蚀缝、溶蚀孔和构造缝等,孔隙度为2%～5%,渗透率低于1 mD。研究表明,基岩储层物性在纵向上受埋深影响小,深层储集空间保存良好,有效储层纵向上厚度可达500 m 以上,横向变化不大,分布稳定 (马峰等,2014)。基岩储层在阿尔金山前带、祁连山前带及马仙隆起带广泛分布,是柴北缘坳陷深层天然气勘探的主要储层类型,勘探潜力巨大。第二种为砂岩储层,主要为古近系和新近系内部砂泥岩组成的储盖组合,柴北缘古近系主要以河流-三角洲-湖泊沉积体系为主,以下干柴沟组上段() 为例(图4),三角洲相砂岩厚度大而且横向分布稳定 (陈吉等,2013)。该套储层在南八仙等古隆起区具有极好的储层物性,原生孔隙发育,随着埋深增加及成岩作用的增强,深层主要发育次生孔隙,形成了原生孔隙、次生孔隙、混合孔隙等储集空间(田继先等,2022)。柴北缘昆2 井在深层6616 m 发现了孔隙度达10%左右的溶蚀孔(图3d—3f),仙西1 井在深层发现了保存良好的原生粒间孔隙,埋深4800 m 以上,但孔隙度达10%以上,渗透率在1 mD 以上,表明深层具备形成优质储层的条件。

图3 柴达木盆地深层储集空间特征Fig.3 Spatial types of deep reservoirs in the Qaidam Basin

图4 柴达木盆地古近系沉积相Fig.4 Sedimentary facies of in the Qaidam Basin

图5 柴西-柴北缘— 连井沉积相图Fig.5 Sedimentary facies of -from west to north of the Qaidam basin

2.3 圈闭发育类型

柴达木盆地受燕山、喜马拉雅等多期构造运动影响 (吴颜雄等,2013;付锁堂等,2015),深层发育大型背斜、断背斜及构造-岩性圈闭等多类型构造圈闭。在不同构造带发育的圈闭类型有所差异,柴北缘的赛什腾凹陷、昆伊特凹陷及坪东凹陷深层以背斜-断背斜构造为主,此类圈闭形成早,具有古圈闭特征,有利于油气早期捕获成藏,昆2 井、东坪17 井区等深层气藏便是此类型 (图6);此类圈闭在柴北缘数量多、面积大,是深层天然气勘探的重要类型。柴北缘腹部构造带深层及柴西环英雄岭构造带则以晚期大型背斜圈闭为主 (图7),圈闭构造幅度大、分布范围广,主要形成于晚喜马拉雅运动之后,以晚期成藏为主,此类圈闭在柴西及柴北缘腹部构造带广泛发育,仙西1 井及狮新58 井所钻遇气藏为此类型圈闭。总之,受多期构造运动影响,柴达木盆地深层构造圈闭数量多、面积大,目前勘探以浅层圈闭为主,深层勘探程度低,资源潜力巨大。

图6 柴北缘阿尔金山前复式隆起带油气藏地质剖面图Fig.6 Geological profile of oil and gas reservoirs in the Altun piedmont complex uplift belt in the northern margin of the Qaidam Basin

图7 柴西地区英西-英中-英北油气藏地质剖面图Fig.7 Geological profile of the Yingxi-Yingzhong-Yingbei oil and gas reservoirs in the western Qaidam Basin

2.4 输导体系发育情况

柴达木盆地深层烃源岩埋深大、距储集层远,如柴北缘伊北凹陷生烃深度最深可达15000 m,因此输导体系是深层气成藏的关键因素之一。受晚喜马拉雅运动影响,柴达木盆地发育以深大断裂为主,由断层、不整合、砂层及裂缝等多种输导体系组成多种油气输导模式。第一种是断层与不整合组成的输导模式,主要分布在山前盆缘古隆起区,由于古隆起区长期处于凹陷高部位,远离生气中心,深层凹陷内生成的天然气依靠深大断裂和不整合面运移至圈闭聚集。目前柴北缘已发现的深层尖探1 井、牛参1 井及昆2 井等气藏便属于此类型 (图6),此类运移模式也是深层天然气勘探的重要类型。第二种是深浅两套断裂组成的接力输导模式,该类型主要分布在盆地腹部大型构造带上,比如柴北缘鄂博梁-冷湖构造带 (图6)。柴北缘早期深层断裂均有控凹作用,侏罗系烃源岩沿着深层断裂分布,而晚期浅层滑脱层与深层断裂沟通,有利于深层天然气的聚集成藏,目前已发现的仙西1 井及鄂博梁深层气藏为此类型。第三种类型为源内输导体系,主要是深层烃源岩生成天然气通过微裂缝及断裂等运移至附近圈闭聚集成藏,该类型主要分布在柴北缘侏罗系及柴西古近系,以源内气藏为主。柴西古近系及柴北缘侏罗系烃源岩分布广,源内多类型储层发育,泥质烃源岩生成的天然气能够通过微裂缝运移至附近聚集成藏,柴西狮新58 井气藏为此类型气藏 (图7)。因此,柴达木盆地广泛分布由深大断裂与相应输导体系组成的多类型输导模式,使得深层生烃凹陷生成的天然气能够运移至不同类型圈闭聚集成藏,从而在深层形成多种类型的油气藏。

2.5 源储配置关系

通常情况下,除构造圈闭外,深层圈闭形成较早,主力生气期必须晚于岩性圈闭形成期才可形成深层气藏。柴北缘侏罗系烃源岩演化表明,侏罗系烃源岩生烃时间早,为古—始新世。以柴北缘坳陷南部的伊北凹陷 (图1 中腹部构造带与马仙隆起带的交汇区) 为例,侏罗系烃源岩在E1+2沉积时期已具备生烃能力,在E3—N1沉积时期进入成熟阶段,达到生油高峰期,而在N1沉积末期进入大量生气阶段,RO已达到1.3%,现今为过成熟干气阶段,RO在3.0%以上 (图8a)。侏罗系烃源岩早期生成的原油充注成藏于先前形成的古圈闭中,在后期深埋过程中,由于温度增加,早期原油可裂解成气藏,目前已发现的深层尖北、东坪气藏属于此类型 (田继先等,2020a)。柴北缘坳陷腹部构造带深层大型圈闭定型于晚喜马拉雅期 (付锁堂等,2015),现今侏罗系深层高—过成熟度演化阶段的烃源岩仍然是其晚期深层气源的主要来源之一,因此柴北缘坳陷构造带大量生气时期与深层构造形成时期具有良好的时间和空间匹配关系,完全具备了形成深层气藏的条件。

图8 柴达木盆地烃源岩演化史图a—柴北缘坳陷伊北凹陷侏罗系;b—柴西坳陷英雄岭地区古近系Fig.8 Hydrocarbon generation history of the Qaidam basin(a) Evolution history of the Jurassic source rocks in the Yibei Sag,northern margin of the Qaidam Depression;(b) Evolution history of the Paleogene source rocks in Yingxiongling area,western Qaidam Depression

相对侏罗系烃源岩,柴西古近系烃源岩埋藏较浅,从柴西坳陷英雄岭地区古近系烃源岩演化来看 (图8b),早期以生油为主,主要生气期为以后,目前处于成熟—高成熟阶段,英雄岭构造带构造定型于末期,与生气期匹配度较好,因此具备形成气藏的条件。柴西是一个典型的高地温梯度坳陷 (刘震等,2012),故深层具备形成二次裂解气条件,早期生成的原油在经历了后期深埋后,可裂解成天然气,从而为深层天然气成藏提供优越的源储配置关系。

2.6 优质封盖条件

总体上柴达木盆地广泛发育的盐岩、泥质岩层及异常高压层有利于深层天然气保存。其中柴北缘坳陷阿尔金山前E1+2广泛发育膏泥岩,为下部基岩成藏提供了优质盖层 (马峰等,2014),东坪及尖北气藏便为此类型盖层;北缘祁连山前、腹部构造带等地区深层主要以泥岩盖层为主,柴北缘坳陷滨/浅湖—半深湖相泥岩分布广泛,有利于形成优质盖层,目前已发现的昆2 井、仙西1 井等气藏都是以泥岩盖层为主。柴西咸化沉积环境形成的大段盐岩层和泥岩层为深层气的优质区域盖层,如英雄岭地区盐岩分布广、厚度大 (图7),说明英中地区发育了大套的优质盖层,具备形成高产工业气流的条件。除盐岩外,以开特-黄瓜峁为代表的泥质盖层为深层气藏的保存提供了优质的封盖条件。柴达木盆地受新生界快速沉积影响,深层广泛分布异常高压,钻井显示深层压力系数在1.5 以上,异常高压层同样为深层气藏的保存提供优质条件,超压层不仅可以作为油气运移的动力源,也可以阻止深层气藏向上运移,已发现的鄂博梁Ⅲ号、冷湖七号等深层气藏都具有异常高压特征 (郭佳佳等,2018),表明异常高压对于深层气藏的保存具有重要作用。因此,广泛发育的盐岩、泥质岩层及异常高压层有利于深层天然气保存。

3 深层有利勘探方向

柴达木盆地侏罗系和古近系两套烃源岩分布广、埋深大、演化程度高,因此具备了形成大气田的基础条件,而多种输导体系则可为深层天然气运移提供优质通道。根据上述分析认为柴北缘坳陷北缘山前古隆起、腹部构造带和柴西环英雄岭构造带深层是有利的天然气勘探方向。

3.1 柴北缘坳陷山前古隆起区

柴北缘坳陷山前古隆起区离侏罗系凹陷近,圈闭类型多样、以背斜-断背斜构造为主、具有古圈闭特征,侏罗系烃源岩与基岩和砂岩储层、含膏泥岩和泥岩盖层形成了良好的生储盖组合,断裂、不整合等输导体系较为发育,侏罗系和古近系的勘探前景广阔。柴北缘坳陷山前古隆起以基岩和砂岩储层为主,主要包括阿尔金山前、祁连山前及马仙古隆起深层,其浅层已发现多个油气藏,证实该区域成藏条件优越。古隆起区紧邻侏罗系生烃凹陷,断裂、不整合等输导体系较为发育,凹陷内生成的天然气在压差和浮力等油气运移动力的作用下,自凹陷内部向古斜坡运移聚集(图7)。其中阿尔金山前包括东坪、尖顶山、牛中、昆特依等构造带,圈闭数量多、面积大,在断层附近的基岩中,裂缝极为发育,这为油气运移提供优良的运移通道,同时也是水和有机酸运移的重要通道,因此极大改善了深层基岩的储集空间,是侏罗系煤型气勘探的重点领域;东坪、尖顶山及昆特依等构造深层多口井见到工业气流,证实该地区是深层天然气勘探的有利地区。祁连山前带紧邻冷湖及赛什腾生烃凹陷,侏罗系烃源岩演化程度高,具备较强生烃能力;祁连山前深层构造活动强烈,分布多种类型的圈闭,深层基岩及碎屑岩储层都有发育,特别是深层碎屑岩储层,以河流相砂岩为主,有利于形成优质储层;目前祁连山前深层勘探程度低,但在冷科1 井及平台地区等见到良好的油气显示,表明该地区具备形成天然气的成藏条件。马仙古隆起区浅层已发现的油田有南八仙油气田和马北油气田,证实该地区具备较强生烃能力,该地区深层圈闭面积大、数量多,资源潜力大,为深层天然气勘探的有利区域之一。

3.2 柴北缘坳陷腹部构造带

柴北缘坳陷腹部构造带以晚期大型背斜圈闭为主,侏罗系烃源岩与碎屑岩储层、上覆泥岩盖层形成了良好的生储盖组合,深浅两套断裂组成的接力输导模式为油气运移提供动力,—N1具有良好的勘探前景。受晚喜马拉雅运动影响,柴北缘坳陷的腹部构造带主要以晚期大型背斜圈闭为主,圈闭面积大、幅度高,发育深层断裂 (图9),包括盆地腹部的鄂博梁Ⅱ、Ⅲ号以及冷湖六、七号等构造。侏罗系烃源岩厚度大、分布范围广、成熟度高、生烃能力强。深层储层以碎屑岩为主,为河流三角洲相砂岩,虽然深层碎屑岩储层成岩作用强,物性致密,但由于异常高压、溶蚀作用等影响,深层部分层段可发育好的储层。仙西1 井在接近5000 m 深度发现该段储层孔隙度达10%,渗透率在1 mD 以上;昆2 井在6600 m 深的侏罗系砂岩储层中发现了大量溶蚀孔,其孔隙度为10%左右。该地区虽然烃源岩埋深大,但深大断裂发育,而且圈闭幅度大,深层背斜完整。仙西1 井在深层获得工业气流,鄂深1 井等在深层4600 m 左右有良好的油气显示,表明晚期深层构造带是深层天然气勘探的有利地区。

图9 柴北缘深层晚期构造带成藏模式图Fig.9 Accumulation model of the late tectonic zone in the deep of the northern margin of the Qaidam Basin

3.3 柴西环英雄岭构造带

4 结论

(1) 柴达木盆地发育埋深大、成熟度高、生烃能力强的侏罗系和古近系两套优质气源,生气期与深层圈闭形成期在时空上有良好的匹配关系,为深层气藏的形成提供了物质基础。

(2) 柴达木盆地深层发育基岩、碎屑岩和湖相碳酸盐岩等多类型储层,形成多套储盖组合,深层发育原生孔、溶蚀缝、溶蚀孔和构造缝等多种储集空间类型,为气藏的富集提供了储存空间,基岩储层物性不受深度控制,碳酸盐岩和碎屑岩虽然在深层容易致密,但在有机酸溶蚀、岩相等因素影响下,依然可以在深层发育优质储层,且多口井的钻探结果也证实了深层具备形成大规模优质储层的条件。

(3) 生气凹陷周围的圈闭是深层天然气聚集的有利区域,且多种输导体系为深层天然气运移提供优质通道,深大断裂是主要运移通道。而盆地内广泛发育的盐岩、厚层泥质岩层及异常高压层则有利于深层天然气保存。综合研究区地质特征和钻井显示,笔者认为柴北坳陷北缘山前古隆起、腹部构造带和柴西环英雄岭构造带深层是有利的深层天然气勘探方向。