四川盆地原油裂解氣的有利地溫場(chǎng)分布及其演化特征

馬德文，邱楠生，許 威，謝增業(yè)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）盆地與油藏研究中心，北京 102249；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

0 引 言

四川盆地是中國(guó)重要的天然氣產(chǎn)區(qū)，目前已發(fā)現(xiàn)大量天然氣田［1－2］。原油裂解氣是四川盆地海相碳酸鹽巖地層中天然氣的一個(gè)重要來(lái)源［3－4］。四川盆地海相地層時(shí)代老、埋藏受熱歷史長(zhǎng)、熱演化程度高，古油藏在高溫條件下極易發(fā)生熱裂解，形成天然氣藏，目前已經(jīng)在四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組中發(fā)現(xiàn)了普光、羅家寨、鐵山坡等原油裂解型大型氣田，顯示了良好的勘探前景［4－10］。研究表明，原油裂解主要受溫度控制，原油裂解的溫度主要為160℃～220℃，低于160℃時(shí)原油基本不會(huì)裂解，而高于220℃時(shí)原油裂解基本完成［4，11－12］。很多學(xué)者對(duì)原油裂解的特征進(jìn)行了一些研究和總結(jié)［3，13－15］，但是缺少對(duì)四川盆地原油裂解氣平面分布范圍及其演化的研究。筆者利用鏡質(zhì)體反射率重建四川盆地的熱演化史，并根據(jù)原油裂解氣溫度條件確定四川盆地原油裂解氣的有利地溫場(chǎng)分布及其演化特征。

1 熱演化特征

四川盆地是揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部一個(gè)呈北東向延展的菱型含油氣盆地。該盆地是一個(gè)在上揚(yáng)子克拉通基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的疊合盆地，經(jīng)歷了古生代—早中生代的早期克拉通坳陷階段和晚三疊世—新生代晚期的前陸盆地階段［16］。該盆地經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，印支期是揚(yáng)子板塊重大變革階段，此時(shí)形成了盆地雛形，后經(jīng)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)全面褶皺形成現(xiàn)今構(gòu)造面貌［17－20］。在多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下，盆地遭受了多次抬升剝蝕［21－25］，因此地層的沉積埋深及地層溫度必然經(jīng)歷了復(fù)雜的變化。

筆者利用鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo)模擬熱歷史。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型［26］建立鏡質(zhì)體反射率（Ro）與溫度及時(shí)間的關(guān)系。該方法計(jì)算熱演化史的步驟為：①首先重建地層沉積埋藏史，根據(jù)鉆井的鉆測(cè)數(shù)據(jù)及剝蝕數(shù)據(jù)，利用回剝法重建地層沉積埋藏史；②根據(jù)研究區(qū)的宏觀構(gòu)造背景假定一地溫梯度演化模型或熱流演化模型，結(jié)合埋藏史計(jì)算目的層經(jīng)歷的古地溫模式；③根據(jù)計(jì)算的古地溫模式以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，模擬計(jì)算Ro；④用實(shí)測(cè)的Ro和模擬計(jì)算的Ro進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)反復(fù)修改假設(shè)的熱演化史模型，使模擬計(jì)算的Ro和實(shí)測(cè)Ro吻合較好，此時(shí)選定的熱演化史及古地溫模式即為該井的熱歷史［27］。

沉積埋藏史是熱演化史恢復(fù)的基礎(chǔ)和前提，而地層抬升剝蝕是重建沉積埋藏史的關(guān)鍵參數(shù)。從早白堊世末期至今，尤其在始新世中、晚期，由于受到喜山運(yùn)動(dòng)影響，四川盆地發(fā)生了強(qiáng)烈隆升和地層剝蝕。很多學(xué)者利用多種方法對(duì)四川盆地的剝蝕量進(jìn)行了恢復(fù)［24，28－29］。從前人研究可以看出，四川盆地的抬升剝蝕主要發(fā)生在晚白堊世至今，其剝蝕總厚度普遍大于2 500m。晚白堊世之前雖然也發(fā)生了多期抬升剝蝕，但是剝蝕量較小。除剝蝕量外，其他地層分層、巖性、地層物性等參數(shù)采用鉆井的實(shí)際測(cè)試分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述熱演化史恢復(fù)方法，結(jié)合單井實(shí)際鉆測(cè)數(shù)據(jù)及鏡質(zhì)體反射率值，重建四川盆地典型井的埋藏史及熱演化史（圖1～3）。從川西北地區(qū)關(guān)基井模擬結(jié)果來(lái)看，古熱流從三疊紀(jì)初期約60mW·m－2，逐漸降低至侏羅紀(jì)末期的54mW·m－2，到白堊紀(jì)末期降至51mW·m－2左右，之后熱流基本維持不變。川中地區(qū)女基井的熱演化史趨勢(shì)與關(guān)基井相似，但在白堊紀(jì)之前其古熱流明顯小于關(guān)基井。川西地區(qū)油1井古熱流最高，三疊紀(jì)熱流高達(dá)62mW·m－2，此后熱流逐漸降低，現(xiàn)今熱流仍達(dá)55mW·m－2左右。川東北地區(qū)在晚二疊世熱流較高，普光5井在該時(shí)期的熱流為60mW·m－2左右，但是從晚二疊世末期至三疊紀(jì)末期，其大地?zé)崃餮杆俳档?，在三疊紀(jì)末期，其熱流降低至約45mW·m－2，此后熱流基本維持在該水平。

圖1 典型井沉積埋藏史和熱演化史模擬結(jié)果Fig.1 Simulated Results of Burial and Thermal Evolution Histories in Typical Wells

圖2 典型井鏡質(zhì)體反射率擬合結(jié)果Fig.2 Fitting Results of Vitrinite Reflectances in Typical Wells

前人對(duì)四川盆地的熱演化史也進(jìn)行了大量研究，伍大茂等利用Ro、流體包裹體等對(duì)四川盆地的熱演化史進(jìn)行了研究［30］；陳梅濤等利用熱演化史波動(dòng)模型及磷灰石裂變徑跡重建了四川盆地北部地區(qū)的熱演化史［31］；盧慶治等利用Ro反演獲得了川東北地區(qū)的熱演化史［32－34］；沈傳波等利用裂變徑跡研究了川東北地區(qū)中、新生代的熱歷史［35］；邱楠生等利用Ro等研究了川東北地區(qū)的熱流演化特征［36－37］。磷灰石裂變徑跡等低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法對(duì)于模擬川東北地區(qū)白堊世以來(lái)的溫度演化較為有效，對(duì)比結(jié)果表明，前人利用上述方法確定的川東北地區(qū)白堊世以來(lái)的地溫演化史與本研究結(jié)果基本一致［29，35－36］。從早白堊世末期至今，由于構(gòu)造抬升剝蝕，四川盆地地層溫度發(fā)生了明顯下降；由于剝蝕量的差異，不同地區(qū)地溫下降幅度也不同。

圖3 典型井熱流演化結(jié)果Fig.3 Heat Flow Evolution Results of Typical Wells

總之，四川盆地各構(gòu)造單元自三疊紀(jì)以來(lái)的熱流演化是不一致的（圖3）。川東北地區(qū)的熱流在地質(zhì)歷史時(shí)期最低，川中地區(qū)熱流也較低，而川西北和川西地區(qū)熱流演化最高，這種差異可能與西部青藏高原隆升及西南部峨眉山玄武巖地幔柱有關(guān)。此外，從各地區(qū)的熱演化史可以看出，二疊紀(jì)熱流明顯高于其他時(shí)期，這主要受二疊紀(jì)火山噴發(fā)的影響，使熱流在短時(shí)間內(nèi)迅速升高，但是火山噴發(fā)的影響在時(shí)間上相對(duì)較短，因此熱流短暫升高之后又迅速降低。

2 有利地溫場(chǎng)分布及其演化特征

四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組是原油裂解氣型大氣田的主要分布層系，目前已在該層系發(fā)現(xiàn)了普光、羅家寨、鐵山坡等大型氣田。前人研究表明，飛仙關(guān)組不僅是現(xiàn)今各大氣田的主要儲(chǔ)層，而且也是古油藏的主要儲(chǔ)集層系［38－39］，其烴源巖主要為二疊系龍?zhí)督M。因此，在熱演化史恢復(fù)的基礎(chǔ)上，有必要研究四川盆地原油裂解過(guò)程。以普光5井為例（圖4），其烴源巖（下二疊統(tǒng)龍?zhí)督M）Ro在三疊紀(jì)初達(dá)到0.5%，烴源巖開始生、排烴并在飛仙關(guān)組形成古油藏，此后成熟度不斷增高，在侏羅紀(jì)中期烴源巖Ro達(dá)到1.3%，因此從三疊紀(jì)初到侏羅紀(jì)中期為古油藏形成期。在距今160Ma左右，飛仙關(guān)組的地層溫度達(dá)到160℃，因此從該時(shí)期開始，原油開始裂解；之后，隨著地層的不斷沉積，地層溫度不斷升高，原油不斷裂解直到早白堊世構(gòu)造抬升剝蝕之前，此階段是原油裂解氣形成的主要時(shí)期，此后發(fā)生構(gòu)造抬升剝蝕地層溫度降低，原油停止裂解。

圖4 川東北地區(qū)普光5井烴源巖及儲(chǔ)層溫度演化及原油裂解過(guò)程Fig.4 Process of Oil Cracking and Temperature Evolution of Hydrocarbon Source Rock and Reservoir in Well Puguang5of Northeast Sichuan

根據(jù)原油裂解的地溫條件，在熱演化史恢復(fù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合四川盆地各層系的現(xiàn)今構(gòu)造分布特征及前人對(duì)四川盆地抬升剝蝕的研究成果［27］，確定了四川盆地飛仙關(guān)組在主要地質(zhì)歷史時(shí)期原油裂解的有利地溫場(chǎng)分布特征（圖5）。

對(duì)比不同時(shí)期四川盆地飛仙關(guān)組的地溫分布可以看出，不同時(shí)期的地溫場(chǎng)分布存在明顯差異，原油裂解氣的有利地溫分布區(qū)是不斷變化的。侏羅紀(jì)末期，幾乎整個(gè)四川盆地飛仙關(guān)組的地層溫度都大于原油裂解氣的初始裂解溫度（160℃），具備了原油裂解的地溫條件，在川東北、川西及川中部分地區(qū)地溫甚至明顯高于220℃，原油已經(jīng)完全裂解；白堊紀(jì)末期，由于構(gòu)造抬升剝蝕的影響，地層溫度發(fā)生下降，在構(gòu)造抬升剝蝕較強(qiáng)烈的川南和川東地區(qū)地溫發(fā)生明顯下降，使得這些地區(qū)地溫小于原油裂解的初始溫度，此時(shí)原油裂解的有利地溫場(chǎng)主要分布在川西、川東北和川中地區(qū)；古近紀(jì)末期，由于地層持續(xù)抬升剝蝕地溫仍持續(xù)下降，此時(shí)原油裂解氣僅分布在川西、川東北及川中的部分地區(qū)；相對(duì)其他地質(zhì)歷史時(shí)期，現(xiàn)今飛仙關(guān)組的地層溫度最低，原油裂解氣的有利地溫場(chǎng)僅分布于川西及川東北的部分地區(qū)。

圖5 飛仙關(guān)組主要地質(zhì)歷史時(shí)期原油裂解氣有利地溫場(chǎng)分布Fig.5 Distributions of Favorable Geothermal Fields for Oil Cracking Gas in Feixianguan Formation During Main Geological Ages

從上述地溫場(chǎng)分布及其演化特征可以看出，雖然有利于原油裂解的地溫場(chǎng)分布范圍逐漸減小，但是從原油裂解過(guò)程可以看出（圖4），對(duì)原油裂解氣分布影響最大的是早白堊世末期的地溫場(chǎng)，因?yàn)樵摃r(shí)期地溫最高，之后發(fā)生構(gòu)造抬升剝蝕，地溫開始下降，原油停止裂解，此后地溫分布特征對(duì)原油裂解基本不再產(chǎn)生影響。其他地區(qū)原油裂解的過(guò)程與川東北基本一致，因?yàn)槠涑练e埋藏史和熱演化史的總體演化趨勢(shì)基本一致（圖1）。因此，早白堊世末期至今的地溫場(chǎng)分布范圍是逐漸變化的，現(xiàn)今地溫場(chǎng)并不能代表原油裂解的分布范圍，若用現(xiàn)今地溫場(chǎng)分布來(lái)約束原油裂解氣分布范圍會(huì)使原油裂解氣的分布范圍明顯偏小。從圖3可以看出，在川東北主要裂解型大氣田的分布區(qū)，雖然現(xiàn)今并未處于原油裂解氣的有利溫度分布區(qū)，但在地質(zhì)歷史時(shí)期明顯發(fā)生過(guò)原油裂解。總之，控制原油裂解氣分布區(qū)的是古地溫場(chǎng)，尤其是地溫最高時(shí)期的地溫場(chǎng)，而不是現(xiàn)今地溫場(chǎng)。

原油裂解型氣田的實(shí)際分布主要受地溫場(chǎng)、源巖類型、裂解后氣田的保存等條件影響，但是溫度是控制原油裂解的主要條件，地層溫度高于原油裂解的門限溫度是存在原油裂解氣田的必要條件；因此，筆者主要從地溫場(chǎng)角度來(lái)約束原油裂解氣的分布范圍。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）四川盆地各構(gòu)造單元自三疊紀(jì)以來(lái)的熱流演化是不一致的。川東北地區(qū)熱流在地質(zhì)歷史時(shí)期最低，川中地區(qū)熱流也較低，而川西北和川西地區(qū)熱流演化最高。這種差異與青藏高原隆升及峨眉山玄武巖地幔柱有關(guān)。此外，四川盆地在二疊紀(jì)時(shí)期熱流明顯高于其他時(shí)期，但高熱流持續(xù)時(shí)間較短，這主要受巖漿巖侵入的影響。

（2）四川盆地飛仙關(guān)組原油裂解氣的有利地溫分布區(qū)是不斷變化的，侏羅紀(jì)末期范圍最大，幾乎遍及整個(gè)四川盆地，白堊紀(jì)末期范圍縮小，古近紀(jì)末期收縮至川西和川中部分地區(qū)，現(xiàn)今范圍最小，主要分布在川西部分地區(qū)?？刂圃土呀鈿夥植紖^(qū)的是古地溫場(chǎng)，尤其是地溫最高時(shí)期的地溫場(chǎng)，而與現(xiàn)今地溫場(chǎng)的關(guān)系并不密切。參考文獻(xiàn)：

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