0 引言
柴达木盆地东部三湖地区第四系中探明了我国最大的生物气背斜构造气藏［8-10］，探明储量达28.97×1012 m3，气藏以自生自储型砂岩气藏为主，具有埋藏浅（500~1 800 m）、产量高［直井单井日产气（0.9~5.0）×104 m3］、品质好（甲烷含量99%）的特点，开发已经超过25年。但自三湖地区台南气田发现以来，近10年，开展多种方法勘探［11-15］，一直未获突破，储量增长困难。2020年以来，面对被动形势，根据非常规气藏勘探思路，提出寻找泥岩生物气藏。在气田内利用开发井针对泥岩段测试，多口井获工业气流，日产气（0.15~0.67）×104 m3。在气田外斜坡区，针对泥岩段部署了涩探1井和涩探2井，均见到良好的气测显示，证实该领域天然气勘探潜力大［16］。
因此，本文基于柴达木盆地三湖地区2口泥岩探井——涩探1井和涩探2井的系统取心，开展生烃、沉积储层、成藏等多实验分析，系统揭示了泥岩气藏的成藏特征，并阐明了泥岩气藏成藏机制，明确了泥岩生物气勘探潜力，对于第四系生物气勘探具有重要意义。上述所有实验均在中国石油勘探开发研究院完成。
1 地质背景
三湖地区位于柴达木盆地东南部，因周边分布3个大型盐湖（东西台吉乃尔湖、涩聂湖和达布逊湖）而得名，西起那北—落雁山—红三旱四号一带，东至南北霍布逊湖，北以陵间、锡南、埃南断裂为界，南至昆仑山前的边界断裂，面积约为50 000 km2（图1）［26］。三湖地区整体表现为南北两斜坡、一凹陷的构造格局，进一步划分为北斜坡区、中央凹陷区、南斜坡区、西斜坡区和东斜坡区5个二级构造单元［13］。南斜坡区和中央凹陷区地表水系发达，已发现气田分布在北斜坡区，其中以台南、涩北1号、涩北2号三大气田为主，探明天然气地质储量约占青藏高原的80%，是目前世界上极为典型、规模较大且最为年轻的第四系生物气田［18-21］。
三湖地区第四系发育一套湖相地层，其中七个泉组（Q1+2）是第四系的主体地层。第四系受南部昆仑山物源控制，整体以三角洲—滨浅湖沉积体系为主［图1（a）］，泥岩主要发育在浅湖—半深湖相沉积环境中，纵向上发育一套水进—水退的旋回过程。根据沉积旋回过程七个泉组可进一步划分为13个层组，含气层主要集中在Ⅴ—Ⅸ层组。第四系沉积厚度超过了3 000 m［8］［图1（b）］，巨厚的沉积物为第四系生物气的形成提供了充足的气源岩，也提供了广阔的储集空间，从而使三湖地区成为柴达木盆地第四系生物气勘探的主战场。但由于近年来砂岩气藏勘探难度增大，储量增长受阻，因此为了探索新领域，在北斜坡区的涩北1号北部部署了涩探1井，涩北2号东部部署了涩探2井，探索Ⅵ—Ⅷ层组泥岩段含气性，均见到了良好的气测显示，并针对泥岩段进行了系统取心，本文正是基于2口井的泥岩岩心展开分析研究，试图查明泥岩生物气的成藏特征，并预测有利勘探区带。
2 泥岩分布特征
图2 第四系泥岩岩心特征（a）涩探1井，1 317.3 m，浅灰色含灰含粉砂泥岩，可见大量炭屑和生物螺碎片；（b）涩探2井，1 706.70 m，含粉砂泥岩，发育大量炭屑及炭质纹层，含砂质条带；（c）涩探2井，1 707.80 m，纹层状粉砂质泥岩，含黄铁矿；（d）涩探2井，条带状含泥晶球粒粉砂质泥岩，2×，（-）；（e）涩探2井，粉砂质泥岩，2×，（-）；（f）涩探1井，纹层含文石球粒状粉砂质泥岩，亮纹层厚2.85 mm，含黄铁矿纹层，厚0.27 mm，含黄铁矿微粒集合体，顺层分布，2×，（-） Fig.2 Characteristics of Quaternary mudstone cores |
受南斜坡区物源影响，泥岩主要发育在北斜坡区浅湖——半深湖沉积环境中（图3），泥岩层叠合厚度达591 m，其中大于10 m的层段累计厚度达131 m，主要集中在三大气田周缘的台南—涩北—涩东一带。纵向上主要集中在Ⅲ、Ⅵ、Ⅷ层组3个层段，其中Ⅷ层组单层泥岩厚度最大（20~36 m），且平面泥岩连通性较好，延伸超过60 km，是泥岩气勘探重点层系。
3 泥岩气藏地质特征
3.1 有机地球化学特征
微生物利用有机质产甲烷是一个复杂的生物化学过程，主要是细菌将高分子有机质分解为简单小分子从而被产甲烷菌利用，产生生物气［22-26］。而常规的有机碳测定方法测量的是岩石中的不溶有机质，需要对样品进行大量的酸洗和水洗，这样也使得大部分不耐酸和水溶的有机质“流失”［27］，这些流失的有机质更有利于甲烷菌的改造。因此提出了利用可溶有机质表征生物气源特征的方法，即将一块烃源岩样品分成3份，分别测定其总碳含量、无机碳含量和常规有机碳含量，然后用总碳含量减去无机碳含量和有机碳含量，即可获得烃源岩中可溶有机质含量。总体来说可溶有机质是大分子生物聚合物被生物降解的中间产物［18，23］，主要包括低分子量的有机酸类、醇类、酮类等小分子化合物，可以直接作为细菌产甲烷底物，三湖地区第四系能形成大型生物气藏，与高可溶有机质含量密切相关［26］。通过对涩探1井、涩探2井泥岩样品可溶有机质含量的测定［图4（a）］，发现TOC值平均只有0.25%，而可溶有机质在0.13%~1.53%之间，平均值为0.89%，是不溶有机碳含量的5倍，37%以上的可溶有机质在1.0%以上，并且不同深度可溶有机质含量较高（图5），表明泥岩可供微生物改造的有机质丰度高，有机质被大量改造、利用，使得泥岩中生物气大量生成。
3.2 储层特征
3.2.1 储层空间类型
（1）原生粒间孔：第四系碎屑矿物含量高，主要有石英、长石、碳酸盐矿物及黏土矿物等，第四系泥岩呈松散堆积状。碎屑颗粒呈漂浮状分布于泥质中，碎屑颗粒充当骨架作用，颗粒间形成有效的孔隙网络，所以，粒间孔普遍发育［图6（a）］，孔径一般大于2 μm，孔隙连通性较好。原生粒间孔隙是泥岩主要孔隙类型，特别是脆性矿物发育段，粒间孔广泛分布，大量游离气能够富集，这也是泥岩生物气在脆性矿物发育段显示较好的主要原因。
（2）溶蚀孔：是未压实或可溶性矿物在溶蚀性流体作用下形成，呈大小不同级别广泛分布，特别在碎屑矿物中分布广泛，靠近有机质的不稳定矿物（长石、白云石等）最易产生溶蚀孔隙，地层中广泛分布的有机酸对可溶矿物产生溶蚀，形成粒内、粒间的溶蚀孔。三湖地区泥岩中长石、碳酸盐矿物等发育，容易产生多种尺度的溶蚀孔［图6（b）］。
（3）裂缝：第四系泥岩疏松，在纹层及矿物变化边缘带，广泛发育不同尺度的裂缝［图6（c）］，为泥岩生物气的储集和渗流提供了良好空间。特别是在脆性矿物较富集区较发育，常见贴粒缝、顺层裂缝，纹层或条带是裂隙高发区域，对储层物性有很好的改善作用。主要发育在矿物边缘和颗粒内部，延伸较好，缝长达数微米，缝宽数十纳米至数百纳米。
（5）有机孔：虽然第四系泥岩有机质丰度低，埋藏浅，但在镜下见到明显的有机质孔［图6（f）］，主要是由于生烃作用形成的残留孔隙，孔隙空间小，呈现椭圆状、片麻状或不规则多边形，孔径较小，对天然气储存贡献不大。有机质的发现也证实了烃类对生物气的生成有重要贡献。
3.2.2 储层物性
第四系整体埋藏较浅，成岩作用弱，泥岩孔隙度较高。通过对涩探1、涩探2井泥岩系统物性分析发现，涩探1井泥岩储层孔隙度为13.70%~46.40%（图7），平均孔隙度为32.20%，渗透率为（0.10~347.60）×10-3 μm2，平均渗透率为41.8×10-3 μm2；涩探2井泥岩孔隙度为17.8%~35.20%，平均孔隙度为27.1%，渗透率为（0.320~218.80）×10-3 μm2，平均渗透率为19.63×10-3 μm2，为典型的高孔高渗特征，并且孔—渗相关性较差。实验分析认为：一方面由于第四系泥岩疏松，压实作用弱，孔隙类型多，因此泥岩孔隙度大；另一方面由于疏松岩性在制样测试过程中容易造成大量裂缝，从而使孔渗数据变大。为了更好地表征泥岩储层物性特征，根据疏松泥岩地层饱含水的特点，本文提出开展未烘干样品的测试，发现涩探1井未烘干样品孔隙度为4.49%~19.76%，平均孔隙度为10.02%，渗透率为（0.003~50.77）×10-3 μm2，平均渗透率为2.08×10-3 μm2；涩探2井泥岩储层孔隙度为3.60%~26.10%，平均孔隙度为11.30%，渗透率为（0.001~115.20）×10-3 μm2，平均渗透率为1.998×10-3 μm2，孔隙度与渗透率基本呈正相关关系。未烘干样品孔渗高的地方，含气性明显较高，表明未烘干样品孔隙大小可能与地层含气性有关，更有利于表征储层的物性特征。
3.2.3 孔隙结构特征
3.3 含气性特征
3.3.1 泥岩地层含气量
对于泥岩储层气藏，在三大气田内，针对Ⅶ—Ⅷ层组泥岩层，开展了28口井的测试，其中涩北一号6口井平均单井日产气0.66×104 m3，日产水0.49 m3；涩北二号的28口井平均单井日产气1.85×104 m3，日产水1.01 m3；台南气田单井日产气1×104 m3，日产水4 m3，并且稳产效果较好，证实在构造高部位泥岩具备良好的储气能力。为了明确气田外斜坡区泥岩含气性，借鉴页岩气含气量测量方法，在涩探1、涩探2井开展保压取心和现场解析测量，涩探1井总含气量介于0.1~0.75 mL/g之间，平均为0.27 mL/g，大部分层段小于0.2 mL/g（图9）。涩探2井含气量明显高于涩探1井，总含气量介于0.4~1.67 mL/g之间，平均为0.93 mL/g。现场解析气取样分析表明，甲烷含量为90%~95%，甲烷同位素值为-65.8‰~-69.2‰，氢同位素值介于-255‰~-238‰之间，为典型的生物气。斜坡区甲烷含量与构造高部位相比［26］，斜坡部位含气量明显要低，表明这2口井泥岩含气饱和度低，也是未获得工业气流的主要原因，同时也证实泥岩气受构造控制作用明显。
3.3.2 泥岩生物气赋存特征
天然气在地层中以吸附气和游离气2种方式赋存［28］，在页岩气勘探中，吸附气含量高一直是页岩气能够获得高产的主要因素，有机孔数量的高低决定了吸附气的含量，特别是高演化阶段干酪根中有机孔极为发育，能够吸附页岩气，而黏土矿物等矿物的吸附能力相对较低，因此能否发育有机孔是页岩型气是否发育的主要标志［29-31］。第四系泥岩有机质含量低，并且演化程度极低，有机孔不发育，因此吸附能力较差。通过吸附实验表明，第四系泥岩的吸附量小［图10（a）］，特别是地层含水之后，吸附量急剧下降［图10（b）］，表明第四系泥岩吸附能力不强。同时页岩气中，近90%的吸附气赋存于小于5 nm的小孔隙中，近80%的游离气赋存于大于5 nm的大孔隙中，孔径越大，游离相越多，第四系泥岩以大孔喉为主，因此天然气以游离气为主。由于游离气特征，粗粒的粒间孔发育，更有利于天然气聚集，因此含气量明显较高，也是泥岩“甜点”主要发育区。
4 泥岩气藏保存机制
第四系泥岩总体较为疏松，以游离气为主，高孔高渗，其封存条件决定了泥岩气的富集。按照常规意义，高孔高渗泥岩封盖能力不强，但在气田内泥岩层获得了工业气流，表明泥岩具备良好的封盖作用。
通过实验及气藏解剖表明，高孔渗泥岩封盖受含水性、上覆地层压力及泥岩厚度与方向等多方因素控制［28］。①含水性：实验表明泥岩岩心的突破压力随着含水饱和度的增加明显增大，同时泥岩岩心在含水条件下渗透率急剧降低，因此饱含盐水的盖层能够有效阻止天然气渗流散失和扩散散失，从而具备良好封盖条件。②上覆地层压力条件：在地层压力条件下，地层渗透率下降明显，相渗实验证实（图11），35 MPa下减小30%~90%，平均为80%，渗透率越低，下降幅度越大，孔隙度变化较小，表明在深层，疏松泥岩地层渗透率急剧降低，在疏松地层中能够封堵成藏。③泥岩厚度与方向：实验分析表明，泥岩垂直渗透率明显小于水平渗透率，孔隙度变化不大，表明在平缓条件下，更有利于泥岩气的封堵。同时已发现泥岩气藏具有明显的顶板厚层泥岩封盖层，上覆泥岩厚度达到10 m以上，因此厚层泥岩具备良好的封盖能力。因此在疏松泥岩地层中，在饱含水条件下，厚层泥岩能够封堵形成自封闭气藏。
5 泥岩气藏成藏分析
研究表明：第四系生物气产甲烷过程，不仅贯穿于沉积埋藏的始终，而且一直持续至今。岩心观察发现，研究区内第四系所含贝类壳体没有石化，且多数沉积层仍然处于饱含水状态，说明其沉积埋藏过程才刚刚结束。由于第四系最大湖泛面附近泥岩有机质发育，与砂岩相比有机质丰度较高，特别是可供微生物改造的可溶有机质含量高，有机质被大量改造、利用，使得泥岩中生物气大量生成。在大套厚层泥岩中，特别是在脆性矿物发育层段，原生粒间孔发育，有利于富集泥岩气藏。由于泥岩气藏主要以游离气为主，其运动方式都是以上浮运动为主，当气藏的上覆盖层的突破压力大于气藏排替压力时，便可封盖富集成藏。因此泥岩气藏具有近源聚集成藏的特征，受构造背景影响，高部位及平缓斜坡区容易聚集成藏（图12）。
6 勘探潜力及有利区分析
泥岩生物气是柴达木盆地三湖地区全新勘探领域，气田内泥岩层测试获得工业气流，气田外2口井的钻探，证实泥岩普遍含气，表明泥岩气藏勘探潜力巨大。根据已钻井资料、已发现气藏特征、系统样品采集和分析测试，借鉴页岩气的勘探思路，对第四系泥岩生物气勘探潜力进行了分析。总体上泥岩气的富集受生烃凹陷、脆性矿物含量、泥岩厚度及构造等多因素控制。有机质是泥岩气藏形成基础，特别对于厚层的暗色泥岩，其有机质丰度相对较高，供微生物改造的物质多，从而可形成更多的小分子供甲烷菌发酵产生生物气。三湖地区第四纪最大洪泛期（K5—K9）泥岩厚度大，累计达172 m，平面上延伸超过60 km，生烃能力强。泥岩厚度中心主要分布在台南—涩北二号—涩东一带，向南北两侧烃源岩厚度逐渐减薄。三湖地区第四系发育大范围滨浅湖相沉积，沉积物粒径小，分层性弱，砂、泥岩频繁交互，特别是砂岩、碳酸盐岩等粒度较粗的层段含气量明显较高，因此广泛分布的薄层脆性矿物条带有利于泥岩气富集。三湖地区第四系湖相暗色泥岩层，既是上覆储层的源岩层，又是下伏储层的直接盖层，第四系砂泥岩沉积的频繁间互，不仅形成了最佳生储配置比，而且构成了良好的生储盖组合，特别是厚层泥岩，有利于封堵成藏。泥岩生物气以游离气为主，因此浮力作用是其运移的主要动力，因此其运移方向主要由构造低部位向构造高部位运移，虽然具有一定自封闭系统，但总体趋势不会改变。因此，构造高部位更有利于泥岩气富集。
综合以上分析，生烃凹陷中心泥岩中生成的生物气，受浮力等作用，运移至构造高部位聚集成藏，因此有利区主要分布在主要在北斜坡构造发育区。综合暗色泥岩厚度、沉积相带和有机质丰度，结合暗色泥质岩厚度和有机碳含量预测，泥岩生物气有利勘探区带主要有2个地区（图13）：一是台南—涩北一线的构造上，以浅湖、半深湖相为主，位于生烃中心，生储盖组合优越，构造发育，是泥岩气勘探现实地区，特别是气田内的泥岩段，是储量增加的主要领域；二是位于南陵丘—涩北之间的斜坡上，以滨湖相为主，构造平缓，生储盖组合优越，是泥岩气拓展有利区。
7 结论
（1）柴达木盆地三湖地区第四系泥岩广泛分布于北斜坡浅湖—半深湖环境中，以灰色粉砂质泥岩、含粉砂泥岩及泥晶白云岩为主，发育块状、条带状和纹层状等构造，叠合厚度达591 m，主要分布在三大气田周缘的台南—涩北—涩东一带，资源潜力大。
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（2）涩探1、涩探2井泥岩样品中的可溶有机碳（TDOC）井是不溶有机碳含量（TOC）的5倍，37%以上的可溶有机质在1.0%以上，同时不同深度可溶有机质含量较高，有机质可供微生物大量改造、利用，生成大量生物气；天然气的赋存状态受孔隙类型的影响，第四系泥岩大尺度的孔等多类型储集空间对储层物性具有改善作用，同时有机孔中有机质的发现也证实了烃类对生物气生成具有重要贡献。
（3）根据对涩探1井和涩探2井泥岩系统物性的分析表明。这2口井的泥岩储层具有高孔隙度和高渗透率的典型特征；泥岩气受构造运动影响明显，涩探1井和涩探2井的泥岩储层含气量较低；泥岩中存在宏孔、介孔和微孔，主要以宏孔为主，介孔和微孔较少，主要以游离气为主，更有利于天然气聚集，是泥岩甜点发育区。
（4）泥岩气藏勘探潜力巨大，泥岩封盖主要受含水性、覆压条件与泥岩厚度等因素影响，第四系泥岩高孔高渗的特征决定了能够形成封闭气藏，构造高部位更有利于泥岩气的富集，台南—涩北与南岭丘—涩北2个地区是泥岩生物气的有利勘探区。
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