柴達木盆地東部第四紀水文 地質(zhì)條件與生物氣成藏

  柴達木盆地東部第四系生物成因大氣田是全

 

  球范圍內獨一無(wú)二的地層新、規模大、成因特殊的氣藏類(lèi)型。近期隨著(zhù)伊克雅烏汝構造上第三系喜獲生物成因工業(yè)性氣流, 該地區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、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。柴達木盆地顯著(zhù)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?？紤]到上述特點(diǎn), 我們決定從水文地質(zhì)條件入手研究該區生物氣成藏規律。

 

  1  地質(zhì)特征

 

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

 

  該區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造處有系統揭露。

 

  2  水文地質(zhì)特征及演化

 

  2.1 水系發(fā)育特征

 

  柴達木盆地現今氣候干旱、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。

 

  柴達木盆地東部周?chē)絽^的供水系統, 大致以無(wú)柴溝-澀聶湖-大灶火一帶為界, 西區主要為南側的昆侖山水系供水;而東區為南、北兩側山系共同供水(圖1)。另一顯著(zhù)特點(diǎn)是烏圖美仁至臺吉乃爾湖區域(即那仁格勒水系流域), 山區河水量供給大, 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, 標志著(zhù)地下水混入較少, 說(shuō)明該區域河流供水大部分注入地下深部層系, 在較深部層系應該存在一個(gè)由南向北流動(dòng)的水循環(huán)系統。而中灶火以東地區, 南北兩側山系供水系統經(jīng)過(guò)山前地區急劇交替帶后, 多以泉水形式泄出地表, 構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(lèi)型, 不存在大范圍的水動(dòng)力循環(huán)系統。

 

  2.2  地層水特征及水文地質(zhì)分區

 

  鉆井試油測壓和水分析資料顯示(1)主力含

 

  氣層系(下更新統)高礦化度區在東臺吉乃爾湖周?chē)皠e勒湖-達布遜湖地區, 水型幾乎都為氯化鈣型, 該層系由淺向深, 略有高礦化度區向西偏移的特點(diǎn), 東臺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)上新統上部高礦化度區在臺吉乃爾構造-澀北二號-鹽湖構造一帶;(3)大部分地區的地層水礦化度由地面向深處逐漸降低, 只有臺南構造的潛水層與澀北組對比, 鹽湖構造的澀北組與上第三系對比, 出現地層水礦化度隨深度增加而增高的趨勢;(4)臺南構造水勢面高程比臺吉乃爾構造高出80 余米, 且下部層組比上部層組水勢面略高。

 

  第四系劃分為供水區、交替區、緩慢交替區、泄水區及滯水區。供水區地面河流、上升泉水豐富, 水流動(dòng)性強、礦物質(zhì)含量低;交替區泉點(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, 地層水折算水勢面有明顯的坡度降低;泄水區地層水礦化度在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面與地面海拔相近似;滯水區地層水礦化度在100 g/L 以上, 地層水型以氯化鈣型為主,地層水折算水勢面無(wú)明顯的坡度降, 常常是高于地面海拔高程。

 

  ＊ 管志強, 余輝龍, 徐子遠, 等.柴達木盆地天然氣富集規律及勘探目標評價(jià).中石油青海油田分公司, 2000達布遜湖洼陷及一里坪洼陷為兩個(gè)滯水區帶, 屬匯水盆地常見(jiàn)水文地質(zhì)特征。臺吉乃爾湖洼陷區發(fā)育的供-泄水系統(簡(jiǎn)稱(chēng)那-駝地下水循環(huán)系統), 構成了柴達木盆地東部獨特的水文地質(zhì)現象[ 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(zhù)的供水系統及臺吉乃爾構造-駝峰山構造中更新統-下更新統上部出露地表構成較好的泄水地質(zhì)條件。

 

  泄水區帶邊界的確定, 主要是根據臺吉乃爾-澀北北部-駝峰山構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面高程相當,為2 730 m 左右。那-駝水動(dòng)力循環(huán)系統的下限深度為3 000 m 左右。

 

  2.3  地層水的咸化史

 

  柴達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?、干燥密切相關(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高差達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;而山區本身則成為一個(gè)海拔極高的“雨影區” , 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地表巖石風(fēng)化及地下巖石溶解所帶來(lái)的鹽類(lèi)物質(zhì), 所以顯著(zhù)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(zhù)的生化作用, 這是柴達木盆地生物氣研究者不能回避的問(wèn)題。前蘇聯(lián)學(xué)者研究認為地層水礦化度在20 ～ 35 g/L 時(shí)仍舊發(fā)現產(chǎn)甲烷菌, 但甲烷產(chǎn)率降低[ 5] 。

 

  根據柴達木盆地不同地區地層水樣的甲烷菌培養及數量檢測結果, 當地層水礦化度大于40 g/L時(shí), 甲烷菌含量明顯減少。

 

  實(shí)驗證明, 若生物菌能與有機質(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(cháng)期保存下來(lái), 同時(shí)說(shuō)明現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者;第四紀晚期, 盆地南部, 尤其是那仁格勒河水系影響區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3 200 km2 , 現今仍是有利的生物氣形成區域。

 

  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 , 根據天然氣溶解度的實(shí)驗數據算出甲烷氣的溶解度為

 

  2.5 m3/m3 , 則盆地東部地區生物菌作用較顯著(zhù)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)際可溶解氣量應大于該數據。

 

  據國家“九五”攻關(guān)項目研究成果＊ , 盆地東部第四系生物氣總生氣量為36.15 ×1012m3 , 據此可認為在第四紀早期較淡地層水環(huán)境時(shí), 生物甲烷氣可完全溶解于地層水中, 基本達到飽含氣的狀態(tài)。

 

  4  運聚機制與有利地區

 

  4.1 水溶生物氣游離成藏機理

 

  水溶氣的游離成藏, 基本條件是溶解氣量達到飽和并在游離出來(lái)時(shí)有圈閉聚集條件。柴達木盆地東部第四系在近3 ×104 a 內, 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), 使工區范圍內幾乎有地層水的層段, 就有天然氣顯示。天然氣散-運-聚方式具顯著(zhù)的氣源區分散特點(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)系統的存在, 創(chuàng )造了生物氣由現今有利生氣區向北部圈閉發(fā)育區大規模運移的獨特地質(zhì)條件。盡管烏圖美仁北部地區有機質(zhì)豐度較低, 但有適合微生物長(cháng)期生存的較好地層水條件(低鹽度供水-交替區), 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。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)水系統中并向北運移;另一方面, 該供水系統因與周?chē)貐^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(zhù)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, 游離氣析出的地區又相對集中, 所以對圈閉的供氣效率要遠遠大于停滯水文系統地層水咸化而使天然氣游離出來(lái)的供氣效率。

 

  4.2  有利區帶優(yōu)選

 

  上述天然氣成藏機制分析說(shuō)明, 現今存在的供-泄水動(dòng)力循環(huán)系統中, 緩慢交替區與泄水區結合帶為天然氣聚集的最有利地區;停滯水文地質(zhì)區帶中, 有較大供氣面積的正向構造區帶為較有利地區。

 

  綜合分析柴達木盆地東部地區第四系和上第三系生物氣藏形成的生、儲、蓋及圈閉發(fā)育等基本條件, 以水文地質(zhì)區帶分布為重要選區要素, 評價(jià)出第四系生物氣有利富集區位于船形丘構造東側-鴨南-臺南-澀北構造范圍內, 較有利富集區為上述有利區帶南北兩側、駝峰山-鹽湖構造區帶和別勒湖南側斜坡區帶。因第四系圈閉面積較大的構造都已鉆探并發(fā)現較大氣田, 所以今后的勘探方向主要是在有利聚集區內尋找小型低幅度構造或較大型巖性圈閉作為勘探目標。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)現預示著(zhù)上第三系緩慢交替區與泄水區的分布范圍較大, 初步評價(jià)臺吉乃爾-達布遜洼陷區北部的船形丘-鴨南-南陵丘-鹽湖構造帶為有利生物氣聚集區。