柴北緣深層天然氣成藏條件及有利勘探方向

田繼先，李 劍，曾 旭，孔 驊，王 鵬，沙 威，王 牧，石正灝,宋德康

(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，河北 廊坊 065007; 2.中國石油 青海油田公司 勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736200)

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣勘探領(lǐng)域由淺層向深層-超深層延伸，深層油氣藏是當(dāng)前和未來石油工業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一[1-2]。關(guān)于深層的定義，不同國家、不同機構(gòu)的認(rèn)識有一定差異，但國際上相對認(rèn)可的深層標(biāo)準(zhǔn)是埋深超過4 500 m的層系，中國國土資源部及美國地質(zhì)調(diào)查局等權(quán)威機構(gòu)都認(rèn)同和采用一標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。目前已有70多個國家在深層地層中進行了油氣鉆探，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個深層油氣藏，儲量增長較快[2]。中國近年來在深層-超深層勘探中獲得了一系列重大突破，特別是中西部盆地深層成為重要的勘探領(lǐng)域，塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地以及四川盆地等深層發(fā)現(xiàn)了多個大型氣田，成為儲量增長的重要領(lǐng)域。這些大氣田的發(fā)現(xiàn)，說明深部高-過成熟度烴源巖生烴潛力依然強勁[5]。塔里木盆地在7 000 m以深碎屑巖儲層中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流，證實了深部有效儲層發(fā)育。多個盆地勘探實踐證實，深部多期構(gòu)造活動及廣泛發(fā)育的深大斷裂為深層油氣的富集提供了良好條件，展現(xiàn)了深層-超深層油氣勘探廣闊前景[6]。

柴北緣主要是侏羅系含油氣系統(tǒng)，位于南祁連山前，隨著柴西北區(qū)東坪和尖頂山發(fā)現(xiàn)侏羅系氣田，根據(jù)研究和生產(chǎn)需求，阿爾金山前東段也劃歸到柴北緣。長期以來，柴達木盆地柴北緣天然氣勘探以中淺層為主，主要集中在冷湖-馬仙構(gòu)造帶上，但隨著淺層勘探難度的增大，向深層拓展成為必然。近年來，柴北緣部分鉆井在深層見到了良好的油氣顯示，在阿爾金山前的東坪、尖頂山等地區(qū)，在5 000 m以淺的基巖中獲得工業(yè)氣流，表明柴北緣深層存在天然氣成藏地質(zhì)條件。目前柴北緣以深層為目的層的鉆井非常少，主要以深淺兼探為主，深層總體認(rèn)識程度較低。前人對于柴北緣淺層油氣藏的成藏特征與富集規(guī)律等方面的研究較多[7-12]，而對深層油氣的研究較少[13-14]，天然氣成藏條件及勘探方向等方面研究相對薄弱，成為制約深層天然氣勘探的主要因素。本文在充分參考前人研究成果及最新鉆井結(jié)果基礎(chǔ)上，重點分析了柴北緣深層氣藏形成的有利地質(zhì)條件并預(yù)測了深層氣藏的有利勘探方向，以期為柴北緣深層天然氣勘探領(lǐng)域的突破及天熱氣勘探部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

柴北緣油氣勘探起步早，1957年至1959年該區(qū)發(fā)現(xiàn)了冷湖三號、四號和魚卡油田及馬海氣田，1995年發(fā)現(xiàn)了南八仙油氣田[18]，2007年以來，相繼發(fā)現(xiàn)了平臺、東坪、牛東及冷湖五號等多個油氣藏和油氣顯示井，目的層都以淺層為主。近年來，在阿爾金山前及盆內(nèi)晚期構(gòu)造帶深層見到不同程度的油氣顯示，部分井獲得了工業(yè)氣流，深層資源潛力大。雖然柴北緣深層天然氣勘探尚未發(fā)現(xiàn)大量氣田，但其存在天然氣運聚成藏條件和廣闊的勘探前景不容置疑。

2 深層天然氣成藏條件

2.1 侏羅系高成熟度烴源巖生氣潛力大

對于深層天然氣氣源來說，深層高演化階段烴源巖具有生氣能力是普遍接受的，但對于生氣能力或者生烴強度看法不一。塔里木盆地與鄂爾多斯等盆地的大量勘探實踐證實，深層烴源巖特別是煤系烴源巖在高成熟—過成熟演化階段依然具有良好的生烴潛力。柴北緣主要發(fā)育侏羅系煤系烴源巖，巖性以泥巖和煤為主。在前人工作基礎(chǔ)上，結(jié)合最新鉆井成果，通過地震資料重新處理與解釋，落實了侏羅系烴源巖分布(圖2)?？傮w上侏羅系烴源巖分布廣泛，主要發(fā)育賽什騰凹陷、冷湖凹陷、伊北主力凹陷、昆特依及坪東主力凹陷，在阿爾金山前新發(fā)現(xiàn)了坪西侏羅系凹陷，埋深在6 000 m以上，分布面積達1 200 km2，尖探1及東坪17井的天然氣主要來自于坪西凹陷。山前地區(qū)侏羅系埋藏較淺，以生油為主，大部分侏羅系地層埋深超過4 500 m，Ro在1.4%以上，最高達4.0%以上，處于高成熟—過成熟階段，以生氣為主。大量地質(zhì)樣品模擬實驗結(jié)果表明，煤的生氣界限可以由以往認(rèn)為的Ro=2.5%延伸到Ro=5.0%，煤的最大生氣量可達300 mL/g，比過去的認(rèn)識增加1倍[3]。另外根據(jù)“有機質(zhì)接力生氣”理論[5]，泥質(zhì)烴源巖在深層存在二次裂解生氣高峰期，擴大了深層烴源巖的生氣能力。因此深埋的侏羅系烴源巖來說，其生烴潛力巨大，具備形成大、中型深層氣田的有利氣源條件。

圖1 柴達木盆地北緣研究區(qū)位置(a)與深層生-儲-蓋組合(b)Fig.1 The location of the study area at the northern margin of Qaidam Basin(a),and the source rock-reservoir-caprock assemblage in its deeper horizons(b)

圖2 柴達木盆地北緣中-下侏羅統(tǒng)烴源巖綜合評價Fig.2 A map showing the comprehensive evaluation of the Middle-to-Lower Jurassic source rocks at the northern margin of Qaidam Basin

根據(jù)東坪和尖頂山已發(fā)現(xiàn)的深層天然氣地球化學(xué)分析(表1)，東坪地區(qū)在鉆遇的深層天然氣組成中(東坪171和174井為東坪17井附近評價井),CH4含量高達95%以上，C2+含量較低，為1.8%～2.8%，非烴氣體含量較低，僅為0.39%～0.71%。尖探1井同樣以CH4為主，含量較低，為83，71%，C2+含量同樣較低，為2.6%，但該地區(qū)N2含量較高，達到13.04%，可能與不同凹陷的母質(zhì)類型差異有關(guān)。上述深層天然氣干燥系數(shù)(C1/C1-5)高達0.97以上，表現(xiàn)為典型的干氣特征，天然氣碳同位素分析表明，其δ13C1值為-25.3‰～-32.6‰，δ13C2值為-20.5.3‰～-22.7‰。根據(jù)天然氣成因分析，可以確定該地區(qū)天然氣屬于煤型氣，根據(jù)天然氣碳同位素計算的成熟度高達1.36%～2.65%，為成熟-高成熟偏腐殖型天然氣，來自于坪西凹陷高成熟-過成熟源巖。

柴北緣鉆遇的深層天然氣主要來自于深層高-過成熟烴源巖，與淺層天然氣存在一定差異。東坪-尖頂山地區(qū)基巖天然氣干燥系數(shù)從深層到淺層逐漸變大(圖3)，深層天然氣干燥0.96左右，而淺層達到0.98。在甲烷同位素上，深層天然氣同位素較重，而淺層較輕，換算成成熟度后，深層天然氣成熟度相對較低，而淺層?xùn)|坪3基巖成熟度高，達到4%，達到過成熟階段。淺層成熟度高，與坪東凹陷烴源巖成熟度較為一致，表明淺層氣源主要來自于坪東凹陷晚期生成的天然氣，而深層天然氣成熟度低，干燥系數(shù)相對小，表明深層成藏時期相對較早，深層圈閉利于早期聚集成藏。

注：Ro采用劉文匯等公式：δ13C1=22.42 lgRo-34.8(Ro>0.9%)[19]。

圖3 柴達木盆地北緣東坪地區(qū)基巖中天然氣甲烷碳同位素(a)、干燥系數(shù)(b)、成熟度(c)與氣藏深度關(guān)系Fig.3 The relationship of methane carbon isotope(a),drying coefficient(b),maturity(c) to gas reservoir depth in the bedrock of Dongping area at the northern margin of Qaidam Basin

2.2 基巖風(fēng)化殼和次生孔隙發(fā)育的碎屑巖可作為有效儲層

勘探實踐表明，深部巖石的原生孔隙隨埋深增大而大幅減少,深層儲層是否發(fā)育是天然氣藏能否富集的關(guān)鍵因素之一。受繼承性沉積地層演化影響，柴北緣深層發(fā)育多套儲蓋組合(圖1)，形成基巖和碎屑巖兩類儲集體及多套天然氣勘探目的層。柴北緣基巖分布廣泛，巖性多樣，主要有巖漿巖(閃長巖類、花崗巖類)和變質(zhì)巖(板巖、片巖、片麻巖等)兩大類，以變質(zhì)巖為主[20]。受燕山運動影響，柴北緣基底隆升，長期遭受風(fēng)化剝蝕，形成大面積分布的基巖縫洞型儲集體，經(jīng)后期深埋，與上覆第三系泥質(zhì)巖形成了有效配置。鉆探證實，不同巖性均可成藏，目前發(fā)現(xiàn)的東坪及尖頂山深層氣藏儲層便是基巖儲層。巖心薄片鑒定結(jié)果表明，基巖儲集空間類型主要包括溶蝕縫、溶蝕孔和構(gòu)造縫等(圖4)，受多期構(gòu)造運動影響，基巖中裂縫極為發(fā)育，裂縫周圍溶蝕作用增強，極大改善了基巖的儲層空間。深層基巖儲層孔隙度分布在1.9%～9.1%，平均為3.7%，滲透率以低滲為主，平均值為1×10-3μm2。

相對于構(gòu)造高部位基巖，深層基巖儲層巖性與物性變化不大，深層儲層物性不受深度控制(圖5a)，深層仍具有較好的儲集空間。基巖深層有效儲層縱向分布超過500 m，橫向分布穩(wěn)定，盡管巖性變化較快，但受多期構(gòu)造運動及長期風(fēng)化淋慮作用的影響，裂縫及溶蝕孔非常發(fā)育，極大改善了基巖的儲集性能，廣泛發(fā)育的基巖儲層具備廣闊的勘探前景。

柴北緣北緣碎屑巖儲層包括侏羅系及第三系的河流、三角洲相砂巖儲層[21-22]，總體上淺層儲層物性較好，深層儲層物性逐漸變差(圖5b)。受巖性、巖相及次生作用等影響，同一深度物性變化較大，比如南八仙地區(qū)埋藏較淺，原生孔隙發(fā)育，分選較好的河流相砂巖物性好于細(xì)、粉砂巖儲層。受壓實作用影響，深層原生孔隙不發(fā)育，但受構(gòu)造運動及溶蝕等作用影響，深層部分地區(qū)次生孔隙發(fā)育，昆2井在6 616 m發(fā)現(xiàn)了非常好的溶蝕孔(圖4)，孔隙度達10%左右，仙西1井在接近5 000 m儲層中發(fā)現(xiàn)好的儲層孔隙，孔隙度達10%(圖5b)，滲透率在1×10-3μm2以上，南翼山構(gòu)造帶的南10井裂縫及溶蝕孔非常發(fā)育，儲層物性較好。因此，深層碎屑巖儲層受改造作用的影響，可形成原生孔隙、次生孔隙及混合孔隙等多種類型的儲集空間。柴北緣受多期構(gòu)造運動影響明顯，大部分深層圈閉受斷裂控制，在構(gòu)造或斷裂比較活躍的區(qū)帶,裂縫可能比較發(fā)育,這些裂縫不但使孤立的原生孔隙得以聯(lián)通，成為油氣運移的有利通道，而且還增大了深層儲層的儲集空間，同時也是地下水和有機酸的重要通道，對于次生孔隙的形成起到重要作用，能明顯優(yōu)化和改善儲層,從而形成有效的儲集體。綜上所述，可以預(yù)測該區(qū)深層基巖及碎屑巖存在較好儲集層，有利于天然氣的聚集。

2.3 以斷裂為主的多種輸導(dǎo)體系提供了優(yōu)質(zhì)的運移通道

柴北緣烴源巖以侏羅系為主，侏羅系埋深大，生烴中心最深達15 000 m，而大部分深層儲層主要位于烴源巖上部以及遠(yuǎn)離生烴中心的山前帶，兩者最大垂直距離可達7 000 m以上，最大水平距離可達30 km，油氣運移距離遠(yuǎn)，溝通油氣源的斷裂及輸導(dǎo)體系是成藏的關(guān)鍵。柴北緣已發(fā)現(xiàn)的油氣藏絕大多數(shù)沿大斷裂呈線狀或帶狀分布，充分證明斷裂對油氣運聚成藏的控制作用。受多期構(gòu)造活動影響，柴北緣深層發(fā)育大量溝通油氣源的斷裂，如北1斷裂、賽南斷裂、鄂北斷裂與坪東斷裂等(圖1)，這些油源斷裂與不整合、砂層及裂縫等組成多種類型的復(fù)合輸導(dǎo)體系，從而使得深部侏羅系生成的天然氣向盆緣區(qū)或者上部圈閉聚集成藏。在盆緣古隆起區(qū)，天然氣運移通道主要為斷層斷裂與不整合組成的輸導(dǎo)體系，比如東坪深層氣田(圖6)，附近坪東凹陷生成的天然氣通過坪東斷裂與基巖不整合組成的輸導(dǎo)體系運移至深層圈閉中聚集成藏。在盆地內(nèi)部，深層氣藏的運移通道主要為有源斷裂與砂層及裂縫等組成的輸導(dǎo)體系，比如在鄂博梁及冷湖六、七號構(gòu)造帶，相對于淺層斷裂，深層斷裂形成早，多期構(gòu)造運動中，這些斷層具有繼承性，為深層油氣藏的長期運聚提供了便利。另外，斷層附近裂縫發(fā)育，為流體的流動提供了通道，為深層儲層改善提供了優(yōu)越條件。總之，柴北緣廣泛發(fā)育的深大斷裂為深層氣藏的形成提供了優(yōu)越的垂向運移通道，也在一定程度上擴大了天然氣在空間上的富集，使得凹陷深部生成的天然氣能夠在多種類型的深層圈閉中聚集，形成多種類型的深層油氣藏。

圖5 柴達木盆地北緣儲層物性與深度之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between physical property and depth of reservoirs at the northern margin of Qaidam Basina. 孔隙度；b. 滲透率

2.4 持續(xù)生烴有利于深層圈閉早期、多期成藏

侏羅系烴源巖的演化，有利于深層圈閉的成藏。伊北凹陷是柴北緣重要供烴凹陷(圖8)，在E1+2沉積時期進入生烴門限，E3—N1沉積時期為生氣油高峰期，N1沉積末期Ro已達到1.3%，進入大量生氣階段，現(xiàn)今Ro在3.0%以上，為過成熟干氣階段(圖5)，且至今持續(xù)生氣。因此，北緣盆緣深層古隆起及古斜坡上圈閉形成早，具有早期充注、持續(xù)充注特征。盆地內(nèi)部冷湖及鄂博梁構(gòu)造帶圈閉定型較晚，但深層斷裂發(fā)育，有利于早期巖性油氣藏的充注，晚期伊北凹陷生氣強度仍然較大，天然氣仍然可以成藏。綜上所述，侏羅系煤系源巖從J1+2以來開始生氣，在構(gòu)造演化的各個階段均有油氣充注，深層圈閉具有早充注、持續(xù)充注的特征。因此，相對于淺層氣層，深層天然氣藏具有干燥系數(shù)低，成熟度低的特征(圖3)，油氣早期、長期期的充注也為深層儲層的改善提供了條件。現(xiàn)今侏羅系深層高-過演化階段生成的天然氣依然能夠為晚期深層構(gòu)造提供優(yōu)質(zhì)氣源，生烴期與深層構(gòu)造形成期匹配良好，具備形成深層氣田的優(yōu)越條件。

圖6 阿爾金山前尖頂山-鄂博梁Ⅰ號綜合地質(zhì)剖面(剖面位置見圖1B-B′)Fig.6 The composite geological section of No.1 area from Jiandingshan to Eboliang in the piedmont of the Altun Mountain (see Fig.1 B-B′ for the location of the section)

圖7 柴達木盆地北緣CDM200測線構(gòu)造演化史(剖面位置見圖1 A-A′)Fig.7 The tectonic evolution history along seismic line CDM200 at the northern margin of Qaidam Basin(see Fig.1 A-A′ for the location of the section)

3 有利勘探方向

隨著柴北緣深層天然氣藏不斷的發(fā)現(xiàn)，深層成為重要的天然氣勘探領(lǐng)域。柴北緣侏羅系烴源巖分布廣，埋深大，演化程度高的生烴凹陷周圍有利于深層天然氣聚集。溝通深層油氣源的斷裂及輸導(dǎo)體系是否是油氣成藏的關(guān)鍵，廣泛分布的深大斷裂為深層圈閉的成藏提供了優(yōu)越的運移條件。盆緣深層古隆起既是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)，又是多類型圈閉發(fā)育區(qū)，有利于油氣早期、長期充注。因此深大斷裂發(fā)育的的生烴凹陷周圍圈閉是深層天然氣聚集有利區(qū)，古隆起以及晚期構(gòu)造帶上大型背斜圈閉是柴北緣深層天然氣有利勘探方向。

圖8 柴達木盆地北緣伊北凹陷侏羅系烴源巖演化史Fig.8 The evolution history of the Jurassic source rocks in Yibei Sag at the northern margin of Qaidam Basin

3.1 盆緣古隆起區(qū)

柴北緣盆緣古隆起主要包括阿爾金山前、祁連山前及馬仙古隆起深層。阿爾金山前古隆起西起月牙山，東至冷湖四號，分為西段、中段和東段，西段主要包括東坪和尖頂山地區(qū)，深層以基巖儲層為主，緊鄰坪西和坪東生烴凹陷，烴源巖成熟度高，生烴潛力大，深層基巖儲層與上覆膏泥巖儲蓋組合配置好，溝通油氣源的深大斷裂發(fā)育(圖8)，成藏條件優(yōu)越。目前該段在淺層已發(fā)現(xiàn)東坪和尖頂山氣藏，深層多口井見到工業(yè)氣流，深層基巖圈閉數(shù)量多，面積大，勘探潛力廣闊。東段主要是指牛東地區(qū)及鄂博梁Ⅰ號，該地區(qū)處于昆特依生烴凹陷之上，處于生烴高峰期，深層基巖儲層和侏羅系砂巖儲層發(fā)育，有源斷裂可溝通深層氣源，成藏條件優(yōu)越。目前淺層已發(fā)現(xiàn)牛東氣田，深層的鄂探1井在侏羅系見到良好的油氣顯示，昆2井侏羅系見到良好的砂巖儲層，基巖見到工業(yè)氣流，是深層天然氣勘探有利地區(qū)。中段主要是牛中地區(qū)，緊鄰坪東凹陷，基巖埋深較大，深層圈閉數(shù)量多，斷裂發(fā)育，成藏條件好，目前該地區(qū)牛新1井在深層基巖見到良好的油氣顯示，是深層天然氣勘探有利接替區(qū)?？傊?，阿爾金山前古隆起區(qū)深層成藏條件好，多口井見到工業(yè)氣流，是柴北緣深層天然氣勘探的最現(xiàn)實領(lǐng)域。馬仙古隆起北起馬仙斷裂，南鄰陵間斷裂，包括馬北和南八仙地區(qū)，淺層已發(fā)現(xiàn)南八仙油氣田和馬北油氣田，斷裂下盤深層沒有鉆探，勘探潛力大。該地區(qū)緊鄰魚卡凹陷和伊北凹陷，生氣能力強，溝通油源的斷裂發(fā)育，深層基巖儲層發(fā)育，第三系泥巖可作為良好的蓋層，斷裂下盤圈閉類型多樣，數(shù)量多，成藏條件優(yōu)越，資源潛力大，是深層天然氣勘探的有利地區(qū)，特別是南八仙深層基巖圈閉多，溝通伊北凹陷烴源巖的斷裂發(fā)育(圖9)，是深層天然氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)。祁連山前帶深層領(lǐng)域包括賽什騰凹陷、平臺地區(qū)及冷湖3-5號深層，冷湖及賽什騰凹陷侏羅系烴源巖較為發(fā)育，生烴能力較強，深層儲層包括基巖及次生孔隙發(fā)育的碎屑巖，該地區(qū)深層斷裂發(fā)育(圖6)，圈閉數(shù)量多，資源潛力較大，冷科1井等深層儲層見到較好的油氣顯示，深層具備成藏條件，是深層天然氣勘探的潛力區(qū)?？傊?，柴北緣盆緣古隆起緊鄰侏羅系生烴凹陷，深層斷裂、不整合等輸導(dǎo)體系的發(fā)育，盆內(nèi)深層侏羅系高成熟度烴源巖生成的天然氣能夠向深層圈閉運移聚集。盆緣古隆起深層圈閉形成相對較早，后期相對穩(wěn)定，早期基巖儲層與第三系泥巖組成良好的儲蓋組合，油氣具有早期充注、多期充注的特點，成藏條件優(yōu)越，勘探前景廣闊。

3.2 盆內(nèi)晚期構(gòu)造

圖9 柴達木盆地北緣冷湖七號-南八仙地質(zhì)剖面(剖面位置見圖1 C-C′)Fig.9 The geological section crossing Lenghu 7-Nanbaxian area at the northern margin of Qaidam Basin (see Fig.1 C-C′ for the section location)

4 結(jié)論

2) 柴北緣深層發(fā)育基巖和碎屑巖兩類儲層，形成多套儲蓋組合，含氣層系多。不同巖性的基巖均可成藏，儲集空間類型主要包括溶蝕縫、溶蝕孔和構(gòu)造縫等，物性不受深度控制，深層發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲層。受構(gòu)造活動及溶蝕作用影響，深層碎屑巖儲層的溶蝕孔、裂縫等次生孔隙發(fā)育，可為深層碎屑巖氣藏的形成提供了有效的儲集空間。

3) 多期構(gòu)造運動使得柴北緣深層發(fā)育多種類型的圈閉，以斷裂和不整合為主的多種輸導(dǎo)體系為深層天然氣運移聚集提供了良好的垂向和側(cè)向運移通道，深大斷裂發(fā)育的的生烴凹陷周圍圈閉是深層天然氣聚集有利區(qū)，盆緣古隆起以及晚期構(gòu)造帶上大型背斜圈閉是柴北緣深層天然氣有利勘探領(lǐng)域。阿爾金山前、祁連山前、馬仙古隆起下盤及晚期構(gòu)造帶深層下步深層天然氣勘探的重點方向，其中阿爾金山前深層是最現(xiàn)實的勘探領(lǐng)域。