東濮凹陷新生代熱史研究

李 雷，左銀輝，唐書(shū)恒，張松航

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京 100083；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059)

東濮凹陷新生代熱史研究

李 雷1，左銀輝2，唐書(shū)恒1，張松航1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京 100083；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059)

東濮凹陷是渤海灣盆地南緣極具油氣開(kāi)采潛力的凹陷，本文揭示該凹陷新生代埋藏史、熱史及烴源巖演化史。利用凹陷各構(gòu)造單元18口井的鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)，恢復(fù)其埋藏史、熱史。結(jié)果顯示，東濮凹陷經(jīng)歷“一升兩降”的構(gòu)造沉降，并具有“馬鞍型”的熱演化特征。自沙四段沉積開(kāi)始至沙三段，地溫梯度逐漸增加，在沙三段沉積末期達(dá)到最大，為45.2℃～48℃/km。自沙二段沉積開(kāi)始至今，地溫梯度總體逐漸降低，僅在東營(yíng)組沉積時(shí)期出現(xiàn)微弱回升，現(xiàn)今地溫梯度為30℃～34℃/km。以埋藏史和熱史為基礎(chǔ)，結(jié)合構(gòu)造及有機(jī)地球化學(xué)資料，對(duì)東濮凹陷18口井烴源巖演化史進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，烴源巖熱演化受東營(yíng)組沉積時(shí)期的古地溫控制，3套烴源巖成熟度均在27Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)達(dá)到最大。

東濮凹陷 埋藏史 熱史 烴源巖 地溫梯度

Li Lei，Zuo Yin-hui，Tang Shu-heng，Zhang Song-hang. The cenozoic thermal history in the Dongpu sag，Bohai Bay basin[J]. Geology and Exploration，2016,52(3):0594-0600.

油氣的形成和聚集是在一定的溫度和深度條件下，經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期的結(jié)果。在這個(gè)時(shí)期中，地層的溫度、深度及形態(tài)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響而不斷地發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致烴源巖經(jīng)歷復(fù)雜的熱演化與生烴過(guò)程，從而影響油氣的聚集成藏。同時(shí)，油氣的分布也會(huì)受到烴源巖熱演化和生烴作用的控制，所以盆地?zé)嵫莼c油氣有著密切的聯(lián)系。東濮凹陷位于渤海灣盆地南緣，含油氣量十分豐富，經(jīng)勘探證實(shí)，東濮凹陷蘊(yùn)含原油約12.37×108t，含氣量達(dá)到3.675×1011m3。(Zuoetal.，2014b)但熱史的研究相對(duì)比較薄弱，仍然處于定性研究階段，制約著對(duì)東濮凹陷熱演化、烴源巖演化及生排烴等方面的正確認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，隨著人們對(duì)東濮凹陷認(rèn)識(shí)的持續(xù)加深以及勘探的不斷深入，研究人員從鉆探井中獲得了大量的鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)，為后期的熱史研究提供了豐富的資料。因此，本文將利用鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)對(duì)東濮凹陷埋藏史及熱史進(jìn)行恢復(fù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)東濮凹陷烴源巖演化史的模擬，并進(jìn)一步探討東濮凹陷不同構(gòu)造單元烴源巖的演化差異。

1 地質(zhì)背景

東濮凹陷位于中國(guó)渤海灣盆地南緣，北窄南寬，NNE走向,總面積約為5300km2(龐尚明等，2005；陳潔等2012)，東濮凹陷受到蘭聊、黃河以及長(zhǎng)垣三條大的基底斷裂差異活動(dòng)的影響，其構(gòu)造格局呈現(xiàn)為“兩洼一隆一斜坡”，自西向東依次發(fā)育西部斜坡帶、西部洼陷、中央隆起帶、東部洼陷及東部斷裂帶(圖1)。此外，受到局部斷層的控制作用，中央隆起帶內(nèi)部還發(fā)育有濮衛(wèi)洼陷，這種洼陷正是古近系烴源巖分布的主要地帶(周新科等，2007；劉景東等，2013)。地層包括古近紀(jì)沙河街組(Es)(分四段)、東營(yíng)組(Ed)、新近紀(jì)館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)、第四紀(jì)平原組(Qp)。研究區(qū)經(jīng)歷了三期構(gòu)造演化(蘇惠等，2000;湯良杰等，2008；程秀申等，2009)：(1)斷陷期，主要發(fā)生在沙四段至沙三段沉積時(shí)期，以沙三段最為強(qiáng)烈；(2)斷坳期，主要發(fā)生在沙二段至沙一段沉積時(shí)期中，期間既有斷裂活動(dòng)發(fā)生，又有熱沉降作用影響；(3)坳陷期，主要發(fā)生于館陶組至今，地層處于熱沉降階段。

圖1 東濮凹陷構(gòu)造劃分及井位(據(jù)左銀輝等，2014a)Fig.1 Structural division and well locations in the Dongpu sag(after Zuo et al.,2014a) 1-井位；2-斷層；3-凹陷邊界；4-洼陷區(qū)；5-隆起區(qū)或構(gòu)造帶；6-二級(jí)構(gòu)造單元邊界；7-三級(jí)構(gòu)造單元邊界1-well position;2-fault;3-sag boundary;4-depression area;5-uplifted area or tectonic belt;6-secondary tectonic boundary;7-third-order tectonic boundary

2 方法與參數(shù)

2.1 研究方法

現(xiàn)今關(guān)于盆地的熱史研究方法包括三類：一是采用古溫標(biāo)對(duì)盆地尺度的熱史進(jìn)行恢復(fù)(?？『拥龋?004；邱楠生等，2004,2006；薛愛(ài)民等，1993；胡圣標(biāo)等，1998；程本合等，2000,2001)；二是采用地球動(dòng)力學(xué)模型對(duì)巖石圈尺度的熱史進(jìn)行恢復(fù)；三是結(jié)合前兩種方法來(lái)進(jìn)行熱史恢復(fù)。目前，古溫標(biāo)中的有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率和礦物裂變徑跡(王立志等，1994；任戰(zhàn)利，1995)相對(duì)比較成熟，本文主要利用鏡質(zhì)體反射率對(duì)東濮凹陷古近紀(jì)至今的熱史進(jìn)行恢復(fù)。

2.2 基本參數(shù)

模擬中，主要運(yùn)用的參數(shù)有兩類，古溫標(biāo)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)(左銀輝等，2013，2014a)。

此次采用東濮凹陷各構(gòu)造單元18口典型井總計(jì)216個(gè)鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，并得到鏡質(zhì)體反射率與深度的關(guān)系(圖2)，即鏡質(zhì)體反射率與深度具有一定的線性關(guān)系，也表明該凹陷烴源巖熱演化受同一地溫場(chǎng)控制。

圖2 深度與鏡質(zhì)體反射率(Ro)關(guān)系圖Fig.2 Vitrinite reflectance data versus depth

基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)包括巖性參數(shù)(油田收集)、現(xiàn)今地表溫度(取15℃)、現(xiàn)今地溫梯度、大地?zé)崃?、巖石熱物理數(shù)值(Zuoetal.,2014b)、地層分層、地質(zhì)年代(油田收集)及地層剝蝕量等數(shù)據(jù)。其中，巖性參數(shù)主要是指巖石孔隙度、滲透率以及各個(gè)巖層的砂泥含量等；巖石的熱物理參數(shù)包括巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率、比熱和熱容等(Zuoetal.,2014b)；東濮凹陷的地層分層數(shù)據(jù)采用鉆孔實(shí)際測(cè)量值；地層剝蝕量主要參考東濮凹陷剝蝕量等值線圖,個(gè)別井位剝蝕量由鏡質(zhì)體反射率(Ro)的計(jì)算而得出(Barker C Hetal.，1987；胡圣標(biāo)等,1999)。

3 模擬結(jié)果

3.1 埋藏史及熱史

本文以海通集洼陷胡41井(H41)、胡83井(H83)、濮深13井(P13)和濮深14(P14)等4口井進(jìn)行解釋(圖3)。模擬結(jié)果顯示實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率與模擬計(jì)算值吻合度很好，4口井均經(jīng)歷 “一升兩降”的構(gòu)造沉降史，兩期沉降分別發(fā)生在46Ma～27Ma(沙河街組-東營(yíng)組沉積早期)和17Ma～今(館陶組-今)，且沉降速率逐漸降低；在27Ma～17Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)，4口井均受到抬升剝蝕。溫度隨深度的增加而增加，在28Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)，溫度達(dá)到最高，其中胡41井超過(guò) 160℃、胡83井超過(guò)180℃、濮深13井超過(guò)200℃以及濮深14井超過(guò)180℃，此時(shí)，烴源巖成熟度也達(dá)到最大。

從熱史演化看，4口井的初期地溫梯度較高，為41℃～44℃/km；自沙三段沉積開(kāi)始，受強(qiáng)烈裂陷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地幔熱流上涌的影響，地溫梯度迅速升高，到沙三段沉積末期達(dá)到最大，為45℃～48℃/km；隨著裂陷運(yùn)動(dòng)減弱和后期熱沉降作用的影響，地溫梯度總體上呈逐漸降低的趨勢(shì)，后期受東營(yíng)運(yùn)動(dòng)影響而出現(xiàn)微弱回升；現(xiàn)今地溫梯度為32℃～35℃/km，具有中型地溫場(chǎng)的特點(diǎn)(圖4)。

3.2 烴源巖演化特征

以海通集洼陷4口井烴源巖演化進(jìn)行解釋(圖5)。模擬結(jié)果顯示，4口井烴源巖成熟度均在27Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)達(dá)到最大。其中，濮深13井的烴源巖成熟度最高，沙三段已達(dá)到生干氣階段，沙二段頂部為中度成熟階段，底部進(jìn)入過(guò)成熟階段；其次是胡83井和濮深14井，沙三段頂部處于中-高成熟階段，底部進(jìn)入生干氣階段，沙二段處于低-中成熟階段；而胡41井烴源巖演化程度較低，但烴源巖均已進(jìn)入生油階段。

4 討論

4.1 不同構(gòu)造單元熱史演化差異

以研究區(qū)各構(gòu)造單元平均地溫梯度值進(jìn)行對(duì)比分析(圖6)。結(jié)果表明，各構(gòu)造單元演化趨勢(shì)基本一致，呈“馬鞍型”，但峰值大小有差異。地溫梯度均在沙三段沉積末期均取得最大值，為45.2℃～48℃/km，其中，衛(wèi)城-文明寨斷凸(中央隆起帶)的值最大，為 48℃/km，衛(wèi)城-柳屯洼陷(西部洼陷)最低，為45.2℃/km。第二次回升發(fā)生在東營(yíng)組沉積時(shí)期，但回升幅度較小，自沙二段沉積至今，地溫梯度總體呈逐漸降低的趨勢(shì)?，F(xiàn)今地溫梯度為30℃～34℃/km，具有中型地溫場(chǎng)的特點(diǎn)。

4.2 不同構(gòu)造單元烴源巖演化差異

沙三段(Es3)烴源巖分布范圍廣，厚度大，在各構(gòu)造單元均有較好發(fā)育，因此取各構(gòu)造單元沙三段平均成熟度進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)。通過(guò)分析可知，東西部洼陷的烴源巖演化程度最高，其中海通集和三春集洼陷烴源巖已達(dá)到過(guò)成熟階段；蘭聊斷裂帶烴源巖的演化程度次之，達(dá)到高成熟階段；衛(wèi)城-文明寨斷凸烴源巖的演化程度最低，僅達(dá)到中度成熟階段。在各構(gòu)造單元中，烴源巖成熟度均在27Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)達(dá)到最大。此外，僅長(zhǎng)垣東洼陷烴源巖出現(xiàn)過(guò)二次生烴。

圖3 典型井埋藏史、熱史及生烴史Fig.3 Burial，thermal and hydrocarbon generation histories of typical wells 1-低成熟階段(0.5%1.3%);5-模擬鏡質(zhì)體反射率;6-實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率1-low mature stage(0.5%1.3%);5-modeled vitrinite reflectance;6-measured vitrinite reflectance

圖4 海通集洼陷典型井地溫梯度演化形態(tài)Fig.4 Evolution history of geothermal gradients of typical wells in Haitongji depression

4.3 熱史與構(gòu)造演化耦合關(guān)系

東濮凹陷經(jīng)歷了三期構(gòu)造演化，即斷陷期、斷坳期和坳陷期(蘇惠等，2000；湯良杰等，2008；程秀申等，2009)。沙四段和沙三段沉積時(shí)期為斷陷期，強(qiáng)烈的斷陷作用導(dǎo)致地層快速沉降，同時(shí)受地殼深部熱流影響，地溫梯度迅速增加；沙二段和東營(yíng)組沉積時(shí)期為斷坳期，期間，斷裂活動(dòng)逐漸萎縮，相比斷陷期，地溫梯度仍在降低，東營(yíng)組沉積時(shí)期，受東營(yíng)運(yùn)動(dòng)影響，地溫梯度逐漸加；館陶組至今這段時(shí)期為坳陷期，期間熱沉降作用起主導(dǎo)作用，地層大面積的穩(wěn)定下沉，地溫梯度持續(xù)降低。通過(guò)對(duì)比可以得出，東濮凹陷的熱史與構(gòu)造演化具有較好的耦合關(guān)系(圖8)。

5 結(jié)論

(1)東濮凹陷各構(gòu)造單元均經(jīng)歷“一升兩降”的構(gòu)造沉降史。抬升發(fā)生在27 Ma～17Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)，兩期沉降分別發(fā)生在46Ma～27Ma(沙河街組-東營(yíng)組沉積早期)和17Ma～今(館陶組-今)，且沉降速率逐漸減小。

圖5 海通集洼陷典型井烴源巖成熟度演化史Fig.5 Maturation histories of typical wells in the Haitongji depression

圖6 各構(gòu)造單元平均地溫梯度演化史Fig.6 Evolution of average geothermal gradients in tectonic units

圖7 各構(gòu)造單元Es3烴源巖成熟度演化史Fig.7 Maturation histories of Es3 source rock in tectonic units

圖8 熱史與構(gòu)造演化耦合關(guān)系Fig.8 Coupling relationship between thermal history and tectonic evolution

(2)東濮凹陷熱史演化形態(tài)總體呈“馬鞍型”。期間經(jīng)歷兩次回升，分別發(fā)生在50Ma ～42Ma(沙四段-沙三段沉積時(shí)期)和33Ma～24 Ma(東營(yíng)組沉積期)。最大值在沙三段沉積末期取得，為45.2℃～48℃/km。自第二次回升后，即東營(yíng)組沉積至今，地溫梯度持續(xù)降低，現(xiàn)今地溫梯度為30℃～34℃/km，具有中型地溫場(chǎng)的特點(diǎn)。

(3)東濮凹陷主要有三套烴源巖(沙二段、沙三段和沙四段)，其熱演化受東營(yíng)組沉積時(shí)期地溫梯度控制。三套烴源巖成熟度均在27Ma(東營(yíng)組沉積時(shí)期)達(dá)到最大，但演化程度存在差異，其中沙四段烴源巖已過(guò)成熟階段，以生氣為主，沙三段烴源巖正經(jīng)歷生烴高峰，生烴潛力巨大，沙二段烴源巖處于中度成熟階段，并未經(jīng)歷生烴高峰，生烴潛力較小。

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Cenozoic Thermal History of the Dongpu Sag, Bohai Bay Basin

LI Lei1，ZUO Yin-hui2，TANG Shu-heng1，ZHANG Song-hang1

(1.CollegeofEnergyResources，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083；2.CollegeofEnergyResources，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu，Sichuan610059)

The Dongpu sag, located in the south of the Bohai Bay Basin, has a great potential for oil and gas exploration. This study is to reveal the burial history, thermal history and maturation evolution history of source rock in this area. The burial history and thermal history were modeled using vitrinite reflectance data from 18 wells of this sag. The modeling results show that the sag has experienced one uplift and two depressions, and its thermal history is characterized by the “saddle-shape type”. The geothermal gradients increased gradually from the fourth member to the third member of the Shahejie Formation, reaching the maximum values (45.2-48℃/km) at the end of the third member epoch. Then the thermal gradient decreased gradually from the second member of Shahejie Formation to the present day, only increasing weakly at the late Dongying Formation, with thermal gradients 30-34℃/km in the present day. Meanwhile, based on the burial history and the thermal history above, combining the tectonic and organic geochemistry, the maturation evolution history was simulated. The results show the maturation evolution of source rocks is controlled by geothermal fields, of which 3 sets of source rocks culminated at the time of Dongying Formation (27Ma).

Dongpu sag,thermal history,burial history,source rocks,geothermal gradient

2015-10-23；

2016-03-03；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

國(guó)家十二五重大專項(xiàng)(2011XZ05006-004)，深層油氣資源潛力評(píng)價(jià)資助。

李 雷(1992年-)，男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榈V產(chǎn)普查與資源勘探。E-mail: 773480170@qq.com。

P314.9

A

0495-5331(2016)03-0594-07