柴達木盆地一里坪地區新近系盆地模擬及有利區預測

馮德浩，劉成林，田繼先，太萬雪，李 培，曾 旭，盧振東，郭軒豪

（1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249；3.中國石油勘探開發研究院，河北廊坊 065007；4.西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065）

0 引言

含油氣系統包括油氣從源巖到圈閉過程中的靜態地質要素和動態地質作用，采用盆地模擬技術能對含油氣系統中油氣形成與演化等動態地質作用在時間跨度上進行定量模擬，以揭示油氣藏形成和演化規律，從而指導盆地內的油氣勘探［1-3］。目前盆地模擬技術已形成多學科與多領域（地質學、數學、計算機科學等）的綜合方法體系，國內外已有PetroMod、BasinMod、Trinity 和Basims 等各具特色的盆地模擬軟件［3-5］。盆地模擬的主要研究內容包括地史（回剝法、Airy 地殼均衡法等）、熱史（古溫標法、Easy%Ro法等）、生烴史（化學動力學法、產烴率法等）、排烴史（壓實排油法、殘留烴法等）和運聚史（流線模擬技術、侵入逾滲模擬技術和三維達西流模擬技術）［3-4］，其中運聚史研究中用到的流線模擬技術、侵入逾滲模擬技術和三維達西流模擬技術各具有不同的優缺點，PetroMod 模擬軟件能夠將2 種模擬技術組合使用，更能貼近實際地質條件，得到了廣泛使用［3-6］。盆地模擬技術能夠幫助勘探家們更好地理解含油氣系統，對于指導新區勘探具有重要作用。

柴達木盆地歷經60 余年的勘探，已發現柴西古近系—新近系、柴北緣侏羅系以及三湖地區第四系含油氣系統［7］。盆地內天然氣探明率相對較低，尚不足以支撐青海油田建設千萬噸油氣田的需要，因此尋找新層系與新區帶仍是今后主要勘探部署方向。位于柴達木盆地中部的一里坪地區或將成為天然氣資源的戰略接替領域。一里坪地區的臺南、堿山等構造上的探井均發現不同級別的天然氣顯示，且具熱成因氣的特征，揭示該地區存在一個新近系含氣系統［8-9］。王艷清等［10］、梁德秀等［11］與徐思淵［12］對一里坪地區烴源巖進行了評價，認為該區烴源巖具備良好的生烴潛力；姜桂鳳等［13］、譚彥虎等［14］與洪唯宇［15］對油氣成藏條件進行了綜合研究，提出了有利的油氣成藏模式。但過去的研究多集中于烴源巖生烴潛力和油氣地質條件等靜態地質特征，缺乏對含氣系統的動態演化模擬及整體綜合評價，尤其是該地區烴源巖熱演化史、主要生氣中心、主要生氣期以及天然氣主要運聚方向等尚待進一步深入，制約了下一步勘探部署進程。筆者基于盆地模擬技術，明確各套烴源巖熱演化史、生烴史、主力氣源巖、主要生氣中心和生氣期等，提出天然氣有利聚集區帶，以期對下一步勘探選區和資源量預測提供借鑒。

1 區域地質概況

柴達木盆地一里坪地區位于柴西坳陷區向三湖坳陷區過渡地帶，主要包括一里坪凹陷、茫崖凹陷東部、三湖凹陷西部和北斜坡西部地區。在E1+2—N1沉積末期，古湖盆沉積中心位于盆地西部，一里坪地區主要為河流相和濱湖亞相，廣泛發育紅色地層，生烴潛力有限［13-14］。新近紀以來，受喜馬拉雅運動的影響，柴達木盆地的沉積中心從柴西地區遷移至一里坪地區，自下而上沉積新近系下油砂山組（N21）、上油砂山組（N22）、獅子溝組（N23）和第四系七個泉組（Q1+2），新近系最大埋深可達10 km，形成了新近系—第四系沉積凹陷（圖1），有利于烴源巖的發育。

圖1 柴達木盆地一里坪地區構造單元劃分（a）和新近系地層柱狀圖（b）Fig.1 Tectonic unit division（a）and stratigraphic column of Neogene（b）in Yiliping area，Qaidam Basin

一里坪地區烴源巖發育層位包括N21，N22與N23，巖性主要為淺湖—半深湖亞相的灰色泥巖、粉砂質泥巖，凹陷內部沉積的暗色泥巖厚度可達900 m，具有一定的生烴潛力。研究區儲集層巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖等，鉆井揭示N21頂部、N22和N23均發育一定厚度的砂體，但儲層物性較差，為低孔低滲儲層。新近系普遍發育的致密泥質巖類常與砂體呈互層狀分布，可作為良好的局部蓋層，從而形成了有利的儲蓋組合。研究區主要經歷了上新世末期的喜馬拉雅晚期構造運動和第四紀更新世末以來的新構造運動，強烈的擠壓導致了大規模的逆沖作用，形成了堿山、紅三旱三號、堿石山、鄂博山、落雁山、鄂博梁以及鴨湖等一系列雁列式帶狀排列的背斜、斷背斜圈閉［15］，圈閉閉合面積合計超過800 km2。

2 烴源巖地球化學特征

明確一里坪地區烴源巖發育特征是研究含氣系統的基礎，本次研究選取了6 口探井樣品，測試了其有機質豐度。研究區主要發育獅子溝組（N23）、上油砂山組（N22）和下油砂山組（N21）等3 套烴源巖，且各次級區塊主力烴源巖層位存在差異。自西向東，紅色地層出現時代越來越新，西部地區烴源巖主要發育層位為N21和N22，東部地區烴源巖主要發育層位為N23下部和N22上部［圖2（a）］。從總有機碳（TOC）含量來看，研究區N23、N22和N21烴源巖有機質豐度整體偏低，TOC 質量分數為0.2%～1.0%，多數為0.4%～0.6%，按照陸相烴源巖評價標準可將其劃歸為差—中等烴源巖，局部層位發育高豐度薄層烴源巖（TOC 質量分數＞1%）。研究區有機質豐度指標與油氣勘探程度較高的柴西地區相當，后者TOC 質量分數為0.2%～1.0%［15］，但低于江漢盆地、南襄盆地等其他陸相咸化湖盆。柴西地區古近系—新近系發育一套特殊的陸相咸化湖盆烴源巖，其TOC 含量雖然較低，但對應的生烴潛量較高、烴轉化率較大［16］和排烴時間長等［17］。因此，一里坪地區新近系烴源巖具備較大的生烴潛力。通過對落深1 井、里3 井和臺深1 井的47 個樣品進行干酪根鏡鑒、有機元素分析和鏡質體反射率分析（其中N23和N22樣品來自于里3 井和臺深1 井，N21樣品來自于落深1 井），得出研究區新近系各套烴源巖有機質類型整體以Ⅱ2—Ⅲ型為主，烴源巖中含有較多的腐殖無定型體、鏡質體和木栓質體等腐殖型組分，腐泥組成分含量較少，反映了該地區烴源巖偏腐殖型，以生氣為主，生油能力有限［圖2（b）—（c）］。N23烴源巖成熟度較低，整體以未成熟—低成熟為主；N22烴源巖處于成熟階段；N21烴源巖樣品取自埋藏較淺的落深1 井，熱演化程度較低，處于低成熟—成熟階段［圖2（d）］。

圖2 柴達木盆地一里坪地區新近系烴源巖地球化學特征Fig.2 Geochemical characteristics of Neogene source rocks in Yiliping area，Qaidam Basin

3 盆地模擬參數

開展一里坪地區含氣系統盆地模擬所確定的參數包括地層相關參數（地層構造圖、巖性、沉積相圖與砂地比圖等）、地層剝蝕厚度、烴源巖地球化學資料（TOC、氫指數和Ro等）以及邊界條件等［18］。

3.1 巖性特征

采用地震層位解釋的構造圖件建立地層格架，并依據錄井、沉積相、砂地比圖等資料統計各層位砂巖、泥巖等巖性的厚度占比，使用盆地模擬軟件內置的巖性模塊（Lithologies）對各層位進行巖性設置，其熱導率、壓實系數等參數則根據系統中巖性的各項參數混合得到［19-20］（表1）。以下油砂山組（N21）為例，按照沉積相與砂地比在盆地模擬軟件中設置好巖性，巖性隨湖盆演化在平面上的分布具有分帶性（圖3）。新近紀，柴達木古湖盆沉積中心位于一里坪地區，后逐漸向東遷移，最終在第四紀遷移至三湖地區。古湖盆的演化決定了研究區的沉積相類型主要為濱淺湖、半深湖以及泛濫平原亞相，廣泛發育一套湖相沉積巖，巖性主要為灰色泥巖、灰質泥巖和粉砂巖等，礦物組成包括陸源碎屑礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物等。半深湖亞相以細粒的暗色泥質巖類為主，夾薄層灰巖、粉砂巖，分布于紅三旱三號、紅三旱四號和臺南等地區，呈遷移的特征。濱淺湖亞相除上述地區周緣外，在研究區廣泛發育，巖性以發育水平層理的淺灰色—深灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖，巖石中碳酸鹽礦物含量較高。受南部昆侖山和北部祁連山物源供給的影響，鴨湖、臺吉乃爾、伊克雅烏汝和臺南地區發育扇三角洲沉積，巖性以發育塊狀或波狀層理的灰色細砂巖、粉砂巖為主，砂地比較高。

表1 柴達木盆地一里坪地區盆地模擬巖性設置參數Table 1 Lithology parameters for basin modeling in Yiliping area，Qaidam Basin

圖3 柴達木盆地一里坪地區下油砂山組（N21）在盆地模擬軟件中的巖性設置Fig.3 Lithology setting for basin modeling of lower Youshashan Formation（N21）in Yiliping area，Qaidam Basin

3.2 剝蝕厚度

剝蝕厚度是含油氣系統模擬的一項基本參數，對盆地內油氣生成與演化、運移、聚集和保存具有重要影響［21］。一里坪地區經歷了2 次構造抬升運動，分別為上新世末期的喜馬拉雅晚期構造運動和第四紀更新世末以來的新構造運動，其中凹陷地區主要遭受了新構造運動，造成七個泉組頂部遭受剝蝕。地層恢復結果表明，七個泉組剝蝕厚度為100～900 m，堿石山—落雁山、鄂博梁—鴨湖一帶為剝蝕厚度高值區，一里坪凹陷、三湖凹陷北斜坡剝蝕厚度較小，構造活動穩定［圖4（a）］。獅子溝組在茫崖凹陷東部、鄂博梁—鴨湖構造頂部等區域遭受剝蝕，構造頂部剝蝕厚度較大，剝蝕最強區域為沙坪—黃石一帶，剝蝕厚度超過900 m［圖4（b）］。

圖4 柴達木盆地一里坪地區七個泉組與獅子溝組地層剝蝕厚度等值線圖Fig.4 Contour map of formation denudation thickness of Qigequan Formation and Shizigou Formation in Yiliping area，Qaidam Basin

3.3 邊界條件

盆地模擬研究需要的邊界條件包括古水深、大地熱流值和沉積水界面溫度（SWIT）。古水深是依據地層沉積環境進行預估獲得，一般設置濱湖亞相的古水深＜5 m，淺湖亞相的古水深為5～20 m，深湖亞相的古水深為20～100 m［22］。大地熱流值主要參考邱楠生等［23］的研究成果，其對柴達木盆地西部地區的構造-熱演化進行了系統分析，明確了研究區大地熱流值隨地史演化呈現逐漸增加的趨勢（圖5）。Qiu［24］通過測溫數據和巖石熱導率資料得出，柴達木盆地現今大地熱流值為31.3～70.4 mW/m2，平均為54.3 mW/m2。古沉積水界面溫度值采用Wygrala［25］對古地表溫度的研究成果，其成果考慮了柴達木盆地的地理位置（Eastern Asia）和所處的緯度（北緯35°～39°）。現今地表溫度采用沈菊等［26］對1980—2015年地表溫度的研究成果數據（7.8 ℃）（圖5）。

圖5 柴達木盆地一里坪地區盆地模擬軟件中邊界條件參數設置Fig.5 Parameter setting of boundary conditions for basin modeling in Yiliping area，Qaidam Basin

3.4 生烴動力學參數

烴源巖在生成油氣過程中的溫度與時間總體上呈現出互補關系，對烴源巖樣品進行熱模擬實驗，應用平行一級反應的動力學模型求得化學動力學參數，可恢復烴源巖的生烴史和成藏過程［3］。過去這方面的研究多采取國內外學者建立的生烴動力學模型，由于不同盆地地質條件的差異，即使有機質類型相同，其生烴動力學參數也有所不同，因此只有求取出特定研究區烴源巖的生烴動力學參數，才能準確地模擬出盆地的生烴過程。本次研究選取一里坪地區臺深1 井2 958.74 m 獅子溝組的烴源巖樣品進行了密閉體系生烴模擬實驗，根據不同升溫速度（2 ℃/h 和20 ℃/h）得到的熱模擬實驗數據，采用Kinetics 軟件進行模擬計算，獲得活化能分布情況：臺深1 井樣品的活化能為36～66 kcal/mol，峰值為48 kcal/mol（圖6），頻率因子為294.7億s-1。

圖6 柴達木盆地一里坪地區臺深1 井天然氣生成的活化能分布直方圖Fig.6 Distribution of activation energy of gas generation in well Taishen 1 in Yiliping area，Qaidam Basin

4 盆地模擬結果

盆地模擬的主要內容包括烴源巖的熱演化史、生排烴史以及運聚史等，模擬結果的準確性與盆地演化過程中古地溫變化史的恢復精度息息相關，常常采用將實測現今地層溫度或者鏡質體反射率值與模擬計算值進行相互對比，以校正模擬結果，使之精度更高［27-28］。選取柴達木盆地一里坪地區堿石1 井、臺深1 井和旱2 井的實測鏡質體反射率值（Ro）、實測地溫值與采取Easy%Ro模型計算的理論值進行對比，結果顯示，實測Ro值與模擬計算值較符合，驗證了模擬結果的準確性（圖7）。

圖7 柴達木盆地一里坪地區鏡質體反射率實測值與模擬計算值對比示意圖Fig.7 Comparison of measured and simulated vitrinite reflectance in Yiliping area，Qaidam Basin

4.1 烴源巖熱演化史

對柴達木盆地一里坪地區東部臺南構造帶的臺深1 井和西部紅三旱三號構造的旱2 井進行了烴源巖熱演化史模擬。旱2 井和臺深1 井經歷了相似的埋藏演化過程，包括1 次沉降和1 次構造抬升，新近系為連續沉積，未遭受大的構造改造作用；Q1+2末期，因新構造運動的抬升作用，七個泉組部分遭受剝蝕（圖8）。

圖8 柴達木盆地一里坪地區新近系以來單井烴源巖埋藏-熱演化史Fig.8 Thermal evolution history of Neogene source rocks in Yiliping area，Qaidam Basin

旱2 井N21烴源巖在中新世中期（距今11.6 Ma）開始進入低成熟階段，其Ro平均為0.5%，中新世末期（距今8.1 Ma）達到成熟階段（Ro平均為0.7%），開始大量生烴，現今N21底部處于高成熟階段（Ro＞1.3%）。N22烴源巖在中新世末期（距今6 Ma）開始進入生烴門限（Ro平均為0.5%），并于上新世末期（距今2.2 Ma）進入生烴高峰階段（Ro平均為0.7%），現今處于低成熟—成熟階段。N23烴源巖仍處于未成熟階段（Ro＜0.5%）。

臺深1 井N21烴源巖在中新世中期（距今10.3 Ma）開始進入低成熟階段，中新世末（距今5.56 Ma）達到成熟階段，更新世初期（距今1.46 Ma）該組底部達到高成熟階段；N22烴源巖分別在上新世初（距今4 Ma）和更新世初（距今1.8 Ma）達到低成熟階段和成熟階段。臺深1 井N23烴源巖與旱2井存在差異，前者在上新世末（距今2.14 Ma）達到低成熟階段。因此，一里坪地區N21烴源巖和N22烴源巖熱演化的關鍵時期分別為中新世末期和上新世末期，該時期開始大量生烴。

4.2 烴源巖生烴強度和生烴量

烴源巖的生烴強度和生烴量也是含油氣盆地模擬的重要內容。以旱2 井為例，其N21烴源巖在中新世末期開始大量生氣，現今仍處在生氣階段；N22烴源巖在上新世末期生氣速率開始加快，現今仍在大量生氣階段；N23烴源巖熱演化程度較低，生氣量較小（圖9）。一里坪地區受喜馬拉雅晚期構造運動與新構造運動的影響，形成了堿山、臺南以及鴨湖等晚期構造圈閉，圈閉形成期為N23—Q1+2。烴源巖大量生氣期和晚期構造圈閉發育期具有良好的匹配關系，有利于天然氣的運移和聚集。

圖9 柴達木盆地一里坪地區旱2 井生氣演化史圖Fig.9 Gas generation evolution of well Han 2 in Yiliping area，Qaidam Basin

將研究區N21，N22和N23等3 套烴源巖生氣強度相加得到新近系烴源巖總生氣強度［圖10（a）］。從總生氣強度分布特征可以得出，一里坪地區主要存在2 個生氣中心，分別為堿石山—紅三旱四號構造北部和船形丘構造東北部—臺南地區，生氣強度普遍大于40 億m3/km2，其中船形丘構造東北部—臺南地區生氣強度最大，生氣強度超過60 億m3/km2。鄂博梁Ⅲ號—鴨湖—伊克雅烏汝—南陵丘構造、鄂博山—落雁山—那北構造烴源巖熱演化程度普遍較低，生氣強度普遍較小，原因是其埋深較淺。

從各地質時期的生氣量來看，N21開始生氣，但生氣量較小，為0.49 萬億m3；N22生氣量有所增大，為6.08 萬億m3，占總生氣量的13.3%；N23生氣量繼續增大，為13.75 萬億m3，占總生氣量的30 %；Q1+2生氣量達到最大，為25.47 萬億m3，占總生氣量的55.6%［圖10（b）］。因此，Q1+2為主要的生氣期。從各層位的生氣量來看，N21烴源巖為主力氣源巖，生氣量達到28.15 萬億m3，占總生氣量的61.5%；N22烴源巖為次要氣源巖，生氣量為15.16 萬億m3，占總生氣量的33.1%；N23烴源巖的熱演化程度較低，生氣量僅為2.49 萬億m3［圖10（c）］。一里坪地區新近系3 套烴源巖累計生氣量為45.80 萬億m3，當運聚系數取值為1% 時，可得到研究區天然氣地質資源量為4 580 億m3，與付鎖堂［7］的研究結果（4 464 億m3）相近。

圖10 柴達木盆地一里坪地區新近系烴源巖生氣強度分布圖和生氣量直方圖Fig.10 Gas generation intensity and gas-generated quantity of Neogene in Yiliping area，Qaidam Basin

4.3 天然氣運聚方向

烴類運聚史模擬是建立在埋藏史、熱演化史和烴源巖生排烴史模型的基礎上進行的，也是盆地模擬的重要組成部分，對低勘探程度地區的有利勘探目標預測具有重要意義［5-6］。基于Petromod 軟件中獨特的油氣運聚模擬算法（hybrid），對柴達木盆地一里坪地區含氣系統關鍵時期（上新世末）天然氣的運移和聚集進行了模擬，展現了不同構造帶天然氣的運移和聚集情況（圖11）。研究區主要生氣凹陷中形成的天然氣向周緣構造帶高部位供烴，部分向北部運移至鄂博梁Ⅲ號、鴨湖、臺吉乃爾和伊克雅烏汝構造，部分向東進入臺南和澀北構造，部分向南運移至紅三旱三號、堿石山、平山梁、落雁山、船型丘和那北等構造，部分向中部進入處于生氣凹陷中心的紅三旱四號構造。在構造地形和流體勢的控制下，生氣凹陷周緣的構造帶為天然氣有利聚集區，在紅三旱三號—紅三旱四號構造、鄂博梁Ⅲ號—鴨湖—臺吉乃爾構造和臺南—澀北構造均形成了較大規模的天然氣聚集。研究區的勘探實踐表明，紅三旱構造旱2 井見到23 次氣測異常顯示，且在N2

圖11 柴達木盆地一里坪地區通過盆地模擬獲得氣態烴運移聚集區分布圖Fig.11 Distribution of simulated gas hydrocarbon migration and accumulation in Yiliping area，Qaidam Basin

1 層段獲得少量輕質油；鴨湖構造帶上多口探井普見氣測異常顯示，其中鴨參3 井在3 096.67～5 204.55 m 井段測試獲得日產氣610 m3；臺吉乃爾構造的臺吉深1 井在169～3 950 m 井段見氣顯示455.00 m/130 層；臺南構造的臺深1 井在N22層段見強烈氣測異常，全烴質量分數可達40%。盆地模擬預測的天然氣藏與實際鉆探過程中獲得的氣測異常顯示具有良好的對應關系，表明了模擬結果具有較高精度。

新近紀一里坪地區為古湖泊的沉積中心，廣泛發育濱淺湖、半深湖亞相的細粒沉積，天然氣多以近源聚集為主，因此生氣凹陷中心或周緣的構造圈閉和巖性圈閉易于成藏。生氣凹陷內部成熟的暗色泥巖為優質烴源巖，生成的天然氣沿橫向和縱向輸導體系運移至周緣構造帶上，從而形成自生自儲或下生上儲氣藏。盆地模擬結果顯示，紅三旱三號—紅三旱四號構造、鄂博梁Ⅲ號—鴨湖—臺吉乃爾構造和臺南—澀北構造為有利勘探區帶，因為這些地區緊鄰生氣凹陷或處于生氣凹陷中心，具備充足的氣源供給條件，且靠近北部物源區，發育相對優質的儲層，有利于天然氣的儲集，從而形成構造或巖性氣藏。

5 結論

（1）柴達木盆地一里坪地區新近系烴源巖為差—中等烴源巖，但局部發育高豐度烴源巖薄層，TOC 質量分數多為0.2%～1.0%，與柴達木盆地西部地區相當，具備一定的生烴潛力；有機質類型主要為Ⅱ2—Ⅲ型，以生氣為主，生油能力有限；下油砂山組（N21）和上油砂山組（N22）烴源巖多處于成熟階段。

（2）柴達木盆地一里坪地區下油砂山組（N21）和上油砂山組（N22）烴源巖分別在中新世末期和上新世末期進入成熟階段，并開始大量生烴；獅子溝組（N23）烴源巖熱演化特征存在區域差異，東部地區處于低成熟階段，西部地區至今尚未成熟。

（3）柴達木盆地一里坪地區主力氣源巖為下油砂山組（N21）烴源巖，發育的2 個主要生氣中心分別為堿石山—紅三旱四號構造北部和船形丘構造東北部—臺南地區，主要生氣期為Q1+2。

（4）天然氣運聚史模擬結果顯示，一里坪地區的紅三旱三號—紅三旱四號構造、鄂博梁Ⅲ號—鴨湖—臺吉乃爾構造和臺南—澀北構造均為有利天然氣聚集區，可作為下一步天然氣勘探重點區。