柴達(dá)木盆地東部第四系生物成因大氣田是全

 

  球范圍內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的地層新、規(guī)模大、成因特殊的氣藏類型。近期隨著伊克雅烏汝構(gòu)造上第三系喜獲生物成因工業(yè)性氣流, 該地區(qū)生物氣藏的勘探更為地質(zhì)家們所矚目和重視。天然氣的生、運(yùn)、聚與地層水關(guān)系密切, 微生物的生存基本介質(zhì)為地層水。柴達(dá)木盆地顯著特點(diǎn)是地面為鹽湖廣布、地下為高礦化度地層水, 屬高鹽度寒冷地理環(huán)境,不利于微生物生存, 卻能形成如此高豐度的生物氣藏。考慮到上述特點(diǎn), 我們決定從水文地質(zhì)條件入手研究該區(qū)生物氣成藏規(guī)律。

 

  1  地質(zhì)特征

 

  東部地區(qū)是柴達(dá)木盆地第四紀(jì)沉積及沉降中心, 構(gòu)造區(qū)劃上屬東部坳陷區(qū), 包括鹽湖斜坡、三湖凹陷及格爾木斜坡3 個(gè)亞一級(jí)構(gòu)造單元。洼陷中心位于西臺(tái)吉乃爾湖南側(cè)-澀聶湖-達(dá)布遜湖南側(cè)-南、北霍布遜湖之間, 構(gòu)成在澀聶湖處向南突出的NWW 向展布的弧形洼陷帶。正向構(gòu)造在凹陷北側(cè)較多, 主要有鴨湖、伊克雅烏汝、臺(tái)吉乃爾、南陵丘、駝峰山、臺(tái)南、澀北、鹽湖、喇叭爾等背斜構(gòu)造。斷裂不發(fā)育, 主要在坳陷南、北兩側(cè)邊部發(fā)育傾向山區(qū)露頭區(qū)的逆斷層, 少數(shù)背斜頂部發(fā)育規(guī)模較小的正斷層。

 

  該區(qū)鉆井揭露的地層主要為第四系、上第三系, 下第三系和侏羅系在柴北緣南八仙構(gòu)造處有系統(tǒng)揭露。

 

  2  水文地質(zhì)特征及演化

 

  2.1 水系發(fā)育特征

 

  柴達(dá)木盆地現(xiàn)今氣候干旱、寒冷, 盆地平均年降水量為84.21 mm 、平均年蒸發(fā)量為2 570.40mm, 但仍有湖泊存在, 說(shuō)明水源較充足。其水源主要靠周緣高山的降水、降雪及冰川融化供給。

 

  柴達(dá)木盆地東部周?chē)絽^(qū)的供水系統(tǒng), 大致以無(wú)柴溝-澀聶湖-大灶火一帶為界, 西區(qū)主要為南側(cè)的昆侖山水系供水;而東區(qū)為南、北兩側(cè)山系共同供水(圖1)。另一顯著特點(diǎn)是烏圖美仁至臺(tái)吉乃爾湖區(qū)域(即那仁格勒水系流域), 山區(qū)河水量供給大, 而山前洪沖積沉積相帶泉水少、地面河流少, 且地面潛水為低礦化度硫酸鈉型水, 標(biāo)志著地下水混入較少, 說(shuō)明該區(qū)域河流供水大部分注入地下深部層系, 在較深部層系應(yīng)該存在一個(gè)由南向北流動(dòng)的水循環(huán)系統(tǒng)。而中灶火以東地區(qū), 南北兩側(cè)山系供水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)山前地區(qū)急劇交替帶后, 多以泉水形式泄出地表, 構(gòu)成向盆地延伸的高礦化度氯化鎂地面潛水, 匯集成地表河流及鹽湖沉積, 為典型的山間匯水-滯水盆地類型, 不存在大范圍的水動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。

 

  2.2  地層水特征及水文地質(zhì)分區(qū)

 

  鉆井試油測(cè)壓和水分析資料顯示(1)主力含

 

  氣層系(下更新統(tǒng))高礦化度區(qū)在東臺(tái)吉乃爾湖周?chē)皠e勒湖-達(dá)布遜湖地區(qū), 水型幾乎都為氯化鈣型, 該層系由淺向深, 略有高礦化度區(qū)向西偏移的特點(diǎn), 東臺(tái)吉乃爾湖與聶澀湖之間有一低礦化度帶, 且由淺向深略有向東偏移的特點(diǎn);(2)上新統(tǒng)上部高礦化度區(qū)在臺(tái)吉乃爾構(gòu)造-澀北二號(hào)-鹽湖構(gòu)造一帶;(3)大部分地區(qū)的地層水礦化度由地面向深處逐漸降低, 只有臺(tái)南構(gòu)造的潛水層與澀北組對(duì)比, 鹽湖構(gòu)造的澀北組與上第三系對(duì)比, 出現(xiàn)地層水礦化度隨深度增加而增高的趨勢(shì);(4)臺(tái)南構(gòu)造水勢(shì)面高程比臺(tái)吉乃爾構(gòu)造高出80 余米, 且下部層組比上部層組水勢(shì)面略高。

 

  第四系劃分為供水區(qū)、交替區(qū)、緩慢交替區(qū)、泄水區(qū)及滯水區(qū)。供水區(qū)地面河流、上升泉水豐富, 水流動(dòng)性強(qiáng)、礦物質(zhì)含量低;交替區(qū)泉點(diǎn)發(fā)育,地層水礦化度低于3 g/L , 水型以硫酸鈉型為主;緩慢交替區(qū)地層水礦化度低于100 g/L , 水型以氯化鎂為主, 地層水折算水勢(shì)面有明顯的坡度降低;泄水區(qū)地層水礦化度在100 g/L 左右, 且由供水方向向泄出方向急劇降低(原因是泄水區(qū)有地面水的混入), 氯化鈣及氯化鎂水型兼有, 且地層水的折算水勢(shì)面與地面海拔相近似;滯水區(qū)地層水礦化度在100 g/L 以上, 地層水型以氯化鈣型為主,地層水折算水勢(shì)面無(wú)明顯的坡度降, 常常是高于地面海拔高程。

 

  ＊ 管志強(qiáng), 余輝龍, 徐子遠(yuǎn), 等.柴達(dá)木盆地天然氣富集規(guī)律及勘探目標(biāo)評(píng)價(jià).中石油青海油田分公司, 2000達(dá)布遜湖洼陷及一里坪洼陷為兩個(gè)滯水區(qū)帶, 屬匯水盆地常見(jiàn)水文地質(zhì)特征。臺(tái)吉乃爾湖洼陷區(qū)發(fā)育的供-泄水系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱那-駝地下水循環(huán)系統(tǒng)), 構(gòu)成了柴達(dá)木盆地東部獨(dú)特的水文地質(zhì)現(xiàn)象[ 3] 。其主要形成條件為:那仁格勒河水源豐富、碳酸鹽巖基底孔滲性好、北部無(wú)顯著的供水系統(tǒng)及臺(tái)吉乃爾構(gòu)造-駝峰山構(gòu)造中更新統(tǒng)-下更新統(tǒng)上部出露地表構(gòu)成較好的泄水地質(zhì)條件。

 

  泄水區(qū)帶邊界的確定, 主要是根據(jù)臺(tái)吉乃爾-澀北北部-駝峰山構(gòu)造軸部最老地層出露處的海拔高程與澀北組上部地層水折算水勢(shì)面高程相當(dāng),為2 730 m 左右。那-駝水動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的下限深度為3 000 m 左右。

 

  2.3  地層水的咸化史

 

  柴達(dá)木盆地第四系鹽湖的形成與盆地周?chē)呱降牟粩嗦∩皻夂虻牟粩嗪洹⒏稍锩芮邢嚓P(guān)。

 

  湖盆的鹽湖化時(shí)期是由西北向東南逐漸過(guò)渡的。在3 ×104a 左右的晚更新世晚期, 印度板塊向東北方向擠壓, 使盆地與高山的相對(duì)高差達(dá)2 900 m, 高山屏障可擋住來(lái)自印度洋、太平洋、地中海的季風(fēng), 使盆地變得異常干燥;而山區(qū)本身則成為一個(gè)海拔極高的“雨影區(qū)” , 其濕度和大氣降水量都大, 可以為盆地提供大量的水源和對(duì)地表巖石風(fēng)化及地下巖石溶解所帶來(lái)的鹽類物質(zhì), 所以顯著鹽湖化時(shí)間是在3 萬(wàn)年左右。

 

  3  水溶氣的發(fā)育

 

  3.1  甲烷菌的鹽度生存條件

 

  現(xiàn)今高鹽度的第四系地層水, 如何能有大量的微生物生存及發(fā)生顯著的生化作用, 這是柴達(dá)木盆地生物氣研究者不能回避的問(wèn)題。前蘇聯(lián)學(xué)者研究認(rèn)為地層水礦化度在20 ～ 35 g/L 時(shí)仍舊發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌, 但甲烷產(chǎn)率降低[ 5] 。

 

  根據(jù)柴達(dá)木盆地不同地區(qū)地層水樣的甲烷菌培養(yǎng)及數(shù)量檢測(cè)結(jié)果, 當(dāng)?shù)貙铀V化度大于40 g/L時(shí), 甲烷菌含量明顯減少。

 

  實(shí)驗(yàn)證明, 若生物菌能與有機(jī)質(zhì)接觸, 生物菌作用于烴源巖的生氣過(guò)程是個(gè)快速的過(guò)程。第四系沉積早期是一個(gè)主要的生物菌發(fā)育及生物氣形成階段, 因形成的甲烷氣多溶于地層水中, 所以能長(zhǎng)期保存下來(lái), 同時(shí)說(shuō)明現(xiàn)今埋藏深度大于生物作用成氣深度的烴源巖(包括上第三系)在早期也是水溶生物氣形成的貢獻(xiàn)者;第四紀(jì)晚期, 盆地南部, 尤其是那仁格勒河水系影響區(qū)域的第四系烴源層系, 礦化度低于20 g/L 、厚度大于300 m 的面積達(dá)3 200 km2 , 現(xiàn)今仍是有利的生物氣形成區(qū)域。

 

  3.2 天然氣溶解于水的主控因素

 

  天然氣的溶解度主要受地層水壓力、溫度、礦化度、地層水水型的影響。

 

  取第四系烴源巖分布面積為39 740 km2 、烴源巖厚度1 200 m、游離水孔隙度30 %、地層水平均礦化度為20 g/L 、地層壓力平均為10 MPa , 根據(jù)天然氣溶解度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出甲烷氣的溶解度為

 

  2.5 m3/m3 , 則盆地東部地區(qū)生物菌作用較顯著期(3 ×104 a 以前)的地層水飽和溶解氣量為35.77 ×1012 m3 。因含氣層系厚度及地層水范圍要大于烴源巖的范圍, 所以實(shí)際可溶解氣量應(yīng)大于該數(shù)據(jù)。

 

  據(jù)國(guó)家“九五”攻關(guān)項(xiàng)目研究成果＊ , 盆地東部第四系生物氣總生氣量為36.15 ×1012m3 , 據(jù)此可認(rèn)為在第四紀(jì)早期較淡地層水環(huán)境時(shí), 生物甲烷氣可完全溶解于地層水中, 基本達(dá)到飽含氣的狀態(tài)。

 

  4  運(yùn)聚機(jī)制與有利地區(qū)

 

  4.1 水溶生物氣游離成藏機(jī)理

 

  水溶氣的游離成藏, 基本條件是溶解氣量達(dá)到飽和并在游離出來(lái)時(shí)有圈閉聚集條件。柴達(dá)木盆地東部第四系在近3 ×104 a 內(nèi), 地層水平均礦化度由20 g/L 上升到150 g/L , 天然氣在地層水中的平均溶解度由2.5 m3/m3 降到1.2 m3/m3 , 則有約18.60 ×1012 m3 的天然氣游離出來(lái)。這種特點(diǎn), 使工區(qū)范圍內(nèi)幾乎有地層水的層段, 就有天然氣顯示。天然氣散-運(yùn)-聚方式具顯著的氣源區(qū)分散特點(diǎn), 形成較大氣藏的重要條件是圈閉的供氣面積要大, 向斜低部位的圈閉不如斜坡高部位的圈閉聚氣條件好。

 

  那-駝地下水循環(huán)系統(tǒng)的存在, 創(chuàng)造了生物氣由現(xiàn)今有利生氣區(qū)向北部圈閉發(fā)育區(qū)大規(guī)模運(yùn)移的獨(dú)特地質(zhì)條件。盡管烏圖美仁北部地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度較低, 但有適合微生物長(zhǎng)期生存的較好地層水條件(低鹽度供水-交替區(qū)), 所以在盆地地層水整體咸化過(guò)程中, 一直為有利的生氣區(qū)。由于低礦化度地表水源的不斷供給, 生成的天然氣不斷溶解在該循環(huán)水系統(tǒng)中并向北運(yùn)移;另一方面, 該供水系統(tǒng)因與周?chē)貐^(qū)有明顯的水溶氣濃度差, 不斷吸收周?chē)貙铀械娜芙鈿饣蛴坞x氣。

 

  攜帶天然氣的地層水在向北運(yùn)移的過(guò)程中不斷咸化。過(guò)了凹陷最低處(即地層壓力最高處)時(shí), 隨著地層壓力降低及地層水鹽度增加, 溶解氣飽和度不斷降低, 天然氣在凹陷中、北部地區(qū)游離出來(lái), 并在其流動(dòng)路徑上或附近的圈閉中聚集成藏(圖2)。因該過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程, 游離氣析出的地區(qū)又相對(duì)集中, 所以對(duì)圈閉的供氣效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于停滯水文系統(tǒng)地層水咸化而使天然氣游離出來(lái)的供氣效率。

 

  4.2  有利區(qū)帶優(yōu)選

 

  上述天然氣成藏機(jī)制分析說(shuō)明, 現(xiàn)今存在的供-泄水動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)中, 緩慢交替區(qū)與泄水區(qū)結(jié)合帶為天然氣聚集的最有利地區(qū);停滯水文地質(zhì)區(qū)帶中, 有較大供氣面積的正向構(gòu)造區(qū)帶為較有利地區(qū)。

 

  綜合分析柴達(dá)木盆地東部地區(qū)第四系和上第三系生物氣藏形成的生、儲(chǔ)、蓋及圈閉發(fā)育等基本條件, 以水文地質(zhì)區(qū)帶分布為重要選區(qū)要素, 評(píng)價(jià)出第四系生物氣有利富集區(qū)位于船形丘構(gòu)造東側(cè)-鴨南-臺(tái)南-澀北構(gòu)造范圍內(nèi), 較有利富集區(qū)為上述有利區(qū)帶南北兩側(cè)、駝峰山-鹽湖構(gòu)造區(qū)帶和別勒湖南側(cè)斜坡區(qū)帶。因第四系圈閉面積較大的構(gòu)造都已鉆探并發(fā)現(xiàn)較大氣田, 所以今后的勘探方向主要是在有利聚集區(qū)內(nèi)尋找小型低幅度構(gòu)造或較大型巖性圈閉作為勘探目標(biāo)。上第三系鉆遇探井較少, 伊深1 井及鹽新深1 井獅子溝組高礦化度地層水的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著上第三系緩慢交替區(qū)與泄水區(qū)的分布范圍較大, 初步評(píng)價(jià)臺(tái)吉乃爾-達(dá)布遜洼陷區(qū)北部的船形丘-鴨南-南陵丘-鹽湖構(gòu)造帶為有利生物氣聚集區(qū)。