柴東三湖地區天然氣成因及成藏特征研究

沙　威　翟志偉　楊紅梅　馬進業　趙　健　朱　軍

（1.中國石油青海油田公司勘探開發研究院，甘肅　敦煌　736202；2.山西能源學院，山西　晉中　030600）

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柴東三湖地區天然氣成因及成藏特征研究

沙威1翟志偉2楊紅梅2馬進業1趙健1朱軍1

（1.中國石油青海油田公司勘探開發研究院，甘肅敦煌736202；2.山西能源學院，山西晉中030600）

摘要柴達木盆地生物氣資源豐富，主要分布在1 800 m埋深以上的第四系地層，是一種持續生烴、動態平衡的成藏模式。根據近期天然氣樣品和烴源巖樣品的分析測試結果，發現三湖地區不僅在淺層第四系發育生物氣藏，而且在新近系獅子溝組發現了生物氣甚至熱成因氣存在的證據。從生物氣形成機理的角度出發，拓展了柴達木盆地生物氣分布的深度下限，在中深層發現熱成因氣也擴展了三湖地區天然氣資源的勘探領域。在分析天然氣成因和運聚成藏的基礎上，指出三湖地區發育兩套含氣系統，第四系中下部和新近系上部仍可作為三湖地區天然氣勘探的接替領域。

關鍵詞柴達木盆地生物氣熱成因氣產甲烷菌產氣率運聚

0　引言

柴達木盆地三湖地區位于盆地東部，因區內分布東西臺吉乃爾湖、澀聶湖、達布遜湖等現代咸水湖泊而得名，勘探面積約3.7×104km2，以發育最大的第四系生物氣田而聞名于世。經過近60年的勘探，已經發現澀北一號、澀北二號、臺南等7個生物氣田，生物氣資源量約1.5×1012m3，成為柴達木盆地天然氣資源的主力產區，產層為內陸河湖相沉積的疏松細砂巖、泥質粉砂巖，多分布在1 800 m以上地層。由于第四系沉積距今僅2.8 Ma，埋藏期短且受構造運動影響較小，地層尚處于早成巖階段，固結程度極低，造成孔隙度和滲透率偏高［1］，有利于生物氣聚集成藏。

然而，隨著各大氣田滾動勘探的不斷深入，通過鉆探揭示三湖地區不僅在淺層第四系發育生物氣藏，而且在新近系獅子溝組發現了生物氣甚至熱成因氣存在的證據［2］，說明三湖地區的生物氣不僅可以存在于淺層，也能存在于深層［3］，拓展了柴達木盆地生物氣分布的1 800 m深度下限，同時在更深層發現熱成因氣，說明三湖地區新近系烴源巖也具備生烴能力。這個新認識將有助于探索三湖地區新的生物氣分布層系以及熱成因氣資源潛力，為指導三湖地區天然氣的進一步勘探提供有利證據。

1　天然氣地球化學特征及成因類型

依據碳氫同位素指標可以將天然氣劃分為油型氣、煤型氣和生物氣，其中，油型氣和煤型氣為熱力學成因，生物氣為微生物地球化學成因［4］。受氣源巖分布、類型和成熟度的控制，柴達木盆地生物氣分布于盆地東部三湖地區，油型氣分布于盆地西部地區，煤型氣主要分布于盆地北緣地區（圖1）。

圖1　柴達木盆地天然氣成因分布圖

通過對三湖地區大量的天然氣樣品進行組分分析和碳氫同位素測試（圖2），淺層（包括第四系和新近系頂部）氣藏氣成分以甲烷為主，甲烷在烴類組分中的含量超過99%，乙烷、丙烷含量不足0.5%，不含4個碳原子以上的重烴，表現為典型的干氣特征。另外含一定量的N2、CO2等非烴組分，幾乎不含或很少含H2S。與盆地中西部和北緣的天然氣樣品特征差異明顯。同時，甲烷碳同位素分布在-68.5‰～-65‰，甲烷氫同位素基本處于-240‰～-220‰，判斷三湖地區淺層天然氣為典型的生物成因氣。

圖2　三湖地區天然氣碳同位素類型劃分圖

近期，對三湖地區深層鉆探所獲的天然氣樣品分析發現，甲烷碳同位素值分布在-47.3‰～-35.5‰，乙烷碳同位素值為-30.1‰～-25.2‰（表1），是以油型氣為主含少量煤型氣的混合型熱成因氣［5］。通過與鄰區油氣顯示情況及實驗樣品對比分析，三湖地區新近系存在一套熱成因氣聚集的含氣系統，證實了該區天然氣勘探的新領域。

表1　臺深1井深層天然氣碳同位素分析數據表

2　氣源巖地球化學特征

由于生烴機理的不同，生物氣和熱成因氣源巖地球化學特征也存在明顯的差異，評價標準不盡相同。生物氣形成一般有兩種途徑，乙酸發酵和CO2還原［6］。三湖地區氣源巖為湖相和河流沼澤相沉積的暗色泥巖，少量碳質泥巖，有效源巖厚度為600～1 600 m。對于生物氣源巖來說，總體表現為有機質豐度偏低，有機碳含量一般在0.25%～0.56%，平均為0.32%；氯仿瀝青“A”一般為0.005%～0.04%，平均為0.016%；總烴為20～100 mg/L，平均為80 mg/L。以Ⅲ型和Ⅱ2型有機質為主，Ro一般在0.25%～0.45%，處于未成熟演化階段，但通過細菌調查研究，三湖地區自現代湖底淤泥沉積至新近系2 500 m的深度均存在豐度不等的產甲烷菌群（圖3），為微生物降解地層中的有機質以及孔隙流體中的可溶有機質，形成生物甲烷氣提供了充足的催化劑，提高了有機質的轉化率。

圖3　澀北1井巖心細菌種群調查成果圖

對于熱成因氣源巖而言，三湖地區新近系深層暗色泥巖整體為中等—偏差烴源巖，受構造運動、埋藏深度及地溫梯度的影響，不同構造帶演化程度存在差異。以臺南氣田為例，新近系（、）烴源巖有機碳含量相對較低，有機質類型大多為Ⅲ型，部分為Ⅱ1、Ⅱ2型，烴源巖有機質處于低成熟階段；烴源巖有機質處于低成熟—成熟階段。黃金管生烴模擬實驗證實，臺南地區烴源巖樣品在2 500～2 800 m進入低成熟度階段，對應的Ro值約為0.5%；4 000 m進入成熟階段，對應的Ro值約為0.9%；5 200 m進入生氣高峰，對應的Ro值約為1.3%。當超過5 200 m深度以后，產氣率維持在較高水平，增長緩慢，對應臺南地區地層溫度約400℃（圖4）。

圖4　生烴模擬實驗產氣率變化曲線圖

實驗結果表明，三湖地區新近系烴源巖產氣量高于第四系烴源巖，說明新近系深層烴源巖有機質豐度不高，但產氣率很高，生氣潛力大。與柴西地區新近系熱成因天然氣評價結果類比，其資源量約為1.5×1012m3，勘探潛力巨大。

3　天然氣聚集成藏模式

根據三湖地區天然氣成因類型的不同，可以劃分出兩套含氣系統，分別是生物成因含氣系統和熱成因含氣系統。生物氣主要分布在淺層的第四系和新近系頂部，而熱成因氣則主要分布在中深層的新近系中上部。

前期研究認為，生物氣的生成上限溫度為80～85℃，對應三湖地區深度約2 000 m左右［7］。只要有適合產甲烷菌群生存的環境，就會促使有機質持續轉化為生物氣，目前已經發現在2 500 m的中深層仍然有產甲烷菌和其他厭氧菌生存，低溫熱力和微生物共同作用是目前生物氣形成機理的最新認識［8］。生物氣形成以后，在儲層中賦存狀態有兩種，分別是游離氣和水溶氣。疏松、欠壓實的砂泥巖互層沉積造就了兩種運移模式：垂向運移和橫向運移［9］。生物氣的成藏是一種持續生烴、動態平衡的成藏模式。該模式反映了生物氣在整個產甲烷過程中不斷運移、不斷聚集、不斷散失、不斷再聚集的動態平衡成藏特征，從理論上拓展了生物氣勘探領域。由于三湖地區受構造運動影響較小，低幅度構造及地層巖性圈閉成為生物氣聚集的有利場所［10］，圈閉的規模決定了生物氣藏的儲量，同時，溶解在地層水中的甲烷也是不可忽視的重要資源。

古近紀以來，隨著盆地沉積中心逐漸轉移到三湖坳陷，至晚更新世后湖盆逐漸消亡，出現了鹽殼沉積［11］。中新統的濱淺湖相暗色泥巖和上新統的湖相暗色泥巖構成了新近系熱成因氣的主力烴源巖，而河流—三角洲沉積的粉砂巖、泥質粉砂巖及細砂巖為天然氣聚集提供了儲集空間，孔隙類型主要為粒間孔、粒間溶孔和鑄模孔。新近系上部獅子溝組屬中孔中滲儲層，中部油砂山組儲層物性稍差，頻繁的砂泥巖互層構成了中深層的儲蓋組合，根據烴源巖發育情況形成了自生自儲和下生上儲的氣藏類型，尋找有利構造或巖性圈閉，是中深層熱成因氣勘探的關鍵所在。

4　結論

1）產甲烷菌群等厭氧微生物的存活不受地層時代和埋深的影響，只要有適宜的環境，就可以生存繁衍，促使有機質向生物氣轉化。三湖地區新近系也具備生物氣形成的條件。

2）柴達木盆地三湖地區沉積地層疏松，成巖性差，孔滲條件較好，不僅賦存在儲層孔隙中的游離氣值得開發利用，而且賦存在地層水中的溶解氣儲量規模也巨大。

3）前期勘探主要以尋找低幅度的構造圈閉為主，由于三湖地區受構造活動影響較小，構造變形弱，尋找中深層斜坡背景和同沉積構造背景上的巖性圈閉是下部勘探的重點。

參考文獻

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（編輯：盧櫟羽）

修訂回稿日期：2016-05-08

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0021-03

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.005

基金項目：國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”子課題（編號：2011ZX05003-006）。

作者簡介：沙威（1983-），碩士，地質工程師，從事油氣勘探綜合地質研究工作。E-mail：swqhyjy@petrochina.com.cn。