瓊東南盆地淺水區(qū)與深水區(qū)烴源巖熱演化差異性影響因素研究

梁 剛，甘 軍，李 興，劉 慶，張志榮

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

0 引 言

以水深300 m為界，可以將瓊東南盆地分為淺水區(qū)及深水區(qū)，淺水區(qū)勘探程度高、鉆井多，對烴源巖成熟度已有比較清楚的認(rèn)識。2010年以前，深水區(qū)勘探程度很低、沒有鉆井，當(dāng)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為深水區(qū)生烴門限與淺水區(qū)相當(dāng)；2010年以后，陸續(xù)有幾口深水井鉆探獲得實(shí)測數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)地溫梯度、鏡質(zhì)體反射率均與淺水區(qū)有較大差異，造成這種差異的原因需要深入的研究。從影響有機(jī)質(zhì)成熟度的各要素入手，分析淺水區(qū)與深水區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化差異原因，利用盆地模擬方法定量分析各要素對有機(jī)質(zhì)熱演化的影響，總結(jié)盆地的烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化規(guī)律。研究成果對深水區(qū)油氣資源評價(jià)及后續(xù)的勘探工作具有十分重要意義。

1 地質(zhì)概況

瓊東南盆地位于南海北部海南島東南方向，總體呈北東東向展布。盆地可以劃分為北部坳陷、中部隆起、中央坳陷和南部隆起4個(gè)一級構(gòu)造單元，每個(gè)一級構(gòu)造單元可以劃分若干個(gè)二級構(gòu)造單元[1-3]。300 m水深線從盆地中部呈北東向穿過，北部坳陷、中部隆起及中央坳陷小部分為淺水區(qū)，中央坳陷大部分及南部隆起為深水區(qū)[4-6](圖1)。

盆地具有典型“下斷上坳”的雙層結(jié)構(gòu)，下構(gòu)造層包括古近系始新統(tǒng)和漸新統(tǒng)崖城組、陵水組。其中，始新統(tǒng)為陸相湖泊沉積，下漸新統(tǒng)崖城組為海陸過渡相沉積，上漸新統(tǒng)陵水組為海相沉積；上構(gòu)造層包括新近系中新統(tǒng)三亞組、梅山組、黃流組，上新統(tǒng)鶯歌海組和第四系樂東組，基本為持續(xù)沉降的海相沉積[7-8]。崖城組為主力烴源巖，陵水組為次要烴源巖，始新統(tǒng)為潛在烴源巖[9-12]。在基底巖石圈減薄作用下，始新世盆地處于斷陷階段，發(fā)育湖相沉積；早漸新世，崖城組開始進(jìn)入斷坳轉(zhuǎn)換期，海水入侵由海陸過渡相向海相轉(zhuǎn)變，始新世—早漸新世時(shí)期，整個(gè)盆地為淺水環(huán)境；晚漸新世，陵水組沉積時(shí)期深水開始在盆地東部形成，深水區(qū)范圍從東到西逐漸擴(kuò)大；中中新世后，整個(gè)盆地進(jìn)入被動(dòng)大陸邊緣階段，形成現(xiàn)今淺水區(qū)地層厚、深水區(qū)地層薄的格局[13-14]。

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造劃分綱要

2 淺水區(qū)與深水區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度

表征烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度有多種指標(biāo)，但目前應(yīng)用最廣范且對比性最強(qiáng)的指標(biāo)為鏡質(zhì)體反射率(Ro)。瓊東南盆地?zé)N源巖實(shí)測Ro統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,淺水區(qū)與深水區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度差異明顯，淺水區(qū)生油門限(Ro=0.6)為2 600～3 100 m，生氣門限(Ro=1.3)為4 300～4 800 m(圖2a)；深水區(qū)生烴門限明顯淺很多，生油門限為1 800～2 300 m，生氣門限為3 000～3 500 m(圖2b)。

3 有機(jī)質(zhì)成熟度差異的影響因素

烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的影響因素很多，目前研究認(rèn)為主要有溫度、時(shí)間、壓力三大因素[15-16]。烴源巖成熟度主要與溫度和時(shí)間有關(guān)，溫度-時(shí)間指數(shù)可以表征烴源巖的成熟階段[17]，基于動(dòng)力學(xué)模擬建立的EasyRo模型也是溫度和時(shí)間的函數(shù)[18]，壓力對熱演化的影響，不同專家有不同的認(rèn)識[19-20]。

3.1 溫度因素

影響烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的溫度因素為沉積物表面溫度和烴源巖演化過程中所經(jīng)歷的溫度。

沉積物表面溫度在陸地上時(shí)實(shí)際表現(xiàn)為陸表溫度，在水里時(shí)實(shí)際表現(xiàn)為水底溫度，研究區(qū)烴源巖一直處于海水覆蓋狀態(tài)，因此，表現(xiàn)為海底溫度。海底溫度主要受水深及緯度影響，利用Defant[21]提出的公式可以計(jì)算不同緯度及水深對應(yīng)的海底溫度。瓊東南盆地主要分布在北緯17～19 °，淺水區(qū)和深水區(qū)所處緯度相差不大，因此，海底溫度主要受水深影響。瓊東南盆地海底溫度隨水深的增大逐漸降低，淺水區(qū)現(xiàn)今海底溫度為10～18 °C，深水區(qū)海底溫度為2～10°C，最大相差16 °C(圖3a)。深水區(qū)的低海底溫度對有機(jī)質(zhì)熱演化有冷卻作用，對烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化起抑制作用。瓊東南盆地在始新世為湖相沉積，早漸新世海水開始從盆地東部入侵，晚漸新世盆地東部開始出現(xiàn)深水，中新世早期盆地西部出現(xiàn)深水，中新世晚期后基本形成現(xiàn)今的水深分布格局。淺水區(qū)整體水深從古至今變化不大，基本在0～300 m范圍變化；深水區(qū)整體水深從古至今逐漸變深，由0～300 m加深至現(xiàn)今的300～3 000 m。因此，深水區(qū)的低海底溫度對有機(jī)質(zhì)熱演化抑制作用一直存在，并且隨時(shí)間的推移抑制作用逐漸加強(qiáng)。

圖2 瓊東南盆地已鉆井深度與Ro關(guān)系

有機(jī)質(zhì)熱演化過程中經(jīng)歷的溫度對有機(jī)質(zhì)成熟度有重要影響。根據(jù)已鉆井的測井、測試資料獲取的地溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合海底地溫，可以計(jì)算出各井點(diǎn)的地溫梯度。瓊東南盆地整體地溫梯度較高，淺水區(qū)地溫梯度為0.031～0.042 °C/m，平均為0.036 °C/m左右；深水區(qū)地溫梯度明顯更高，為0.041～0.057 °C/m，平均為0.050 °C/m左右。已鉆井及地?zé)崃魈结槴@得的大量溫度數(shù)據(jù)基本可以覆蓋全盆地，結(jié)合實(shí)測砂泥巖樣品的熱導(dǎo)率，可以計(jì)算出整個(gè)盆地基底熱流分布。淺水區(qū)熱流為50～65 mW/m2，深水區(qū)熱流為65～105 mW/m2，深水東區(qū)熱流高于深水西區(qū)(圖3b)，深水區(qū)高熱流主要原因是深水區(qū)莫霍界面埋深淺，距離地幔熱源近。深水區(qū)高地溫、高熱流背景加速烴源巖熱演化，對有機(jī)質(zhì)熱演化有明顯的促進(jìn)作用。瓊東南盆地基底熱流主要受盆地構(gòu)造演化及火山活動(dòng)影響，整個(gè)盆地經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷階段、新近紀(jì)—第四紀(jì)坳陷階段，期間經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。45.0～36.0 Ma時(shí)，盆地處于斷陷階段，熱流值出現(xiàn)第1個(gè)高峰；36.0～5.5 Ma時(shí)，盆地處于坳陷階段，熱流值整體處于較低水平，中間構(gòu)造運(yùn)動(dòng)熱流值出現(xiàn)短暫升高；5.5 Ma以后，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成深水區(qū)，尤其是深水東區(qū)火山活動(dòng)頻繁，熱流值出現(xiàn)新的一輪升高。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，伴隨著深水盆地演化，形成淺水區(qū)沉積地層厚、莫霍界面埋藏深度深，深水區(qū)沉積地層薄、莫霍界面埋深淺的格局。最終形成現(xiàn)今淺水區(qū)熱流值低、深水區(qū)熱流值高、深水東區(qū)熱流值最高的分布格局。熱流從古至今演化過程中，深水區(qū)熱流始終等于或高于淺水區(qū)，因此，深水區(qū)高熱流背景對有機(jī)質(zhì)熱演化促進(jìn)作用一直存在，晚期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。

3.2 時(shí)間因素

除溫度外，時(shí)間是影響有機(jī)質(zhì)成熟度又一重要因素，時(shí)間與溫度可以相互補(bǔ)償是有機(jī)質(zhì)熱演化的基本原理。實(shí)驗(yàn)室生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)就是在高溫、短時(shí)間條件下模擬實(shí)際地質(zhì)條件下的低溫、長時(shí)間有機(jī)質(zhì)熱演化過程。實(shí)際地質(zhì)條件下，有機(jī)質(zhì)加熱時(shí)間主要體現(xiàn)在沉積速率上，同等埋深條件下，高沉積速率對應(yīng)地層時(shí)代新，有機(jī)質(zhì)加熱時(shí)間短；低沉積速率對應(yīng)地層時(shí)代老，有機(jī)質(zhì)加熱時(shí)間長。因此，低沉積速率對有機(jī)質(zhì)熱演化有明顯促進(jìn)作用。

瓊東南盆地沉積速率變化明顯分階段性：16.0 Ma以前，盆地整體處于斷陷及斷凹轉(zhuǎn)換期，凹陷中心沉積速率高，凸起區(qū)沉積速率低，淺水區(qū)與深水區(qū)、深水西區(qū)及深水東區(qū)差異不是很明顯(圖4a)；16.0 Ma以后，盆地處于凹陷后期，此時(shí)深水大面積形成，形成盆地西區(qū)沉積速率高、東區(qū)沉積速率低的特點(diǎn)，淺水區(qū)整體沉積速率高于深水區(qū)，深水西區(qū)沉積速率高于深水東區(qū)(圖4b)。因此，16.0 Ma以后深水的低沉積速率對有機(jī)質(zhì)熱演化有明顯的促進(jìn)作用。

圖3 瓊東南盆地溫度邊界條件

圖4 瓊東南盆地殘余地層沉積速率

3.3 壓力因素

瓊東南盆地超壓發(fā)育普遍，總體來說，新近系地層厚的淺水區(qū)超壓發(fā)育要強(qiáng)于新近系地層薄的深水區(qū)，淺水區(qū)從鶯歌海組地層出現(xiàn)超壓，深水區(qū)西區(qū)從梅山組出現(xiàn)超壓，深水東區(qū)三亞組出現(xiàn)超壓。選取崖城組泥巖樣品在不同壓力下進(jìn)行生氣熱模擬實(shí)驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，早期成熟—高成熟階段，超壓對生烴有低幅度的抑制作用(1%～2%)；晚期過成熟時(shí)，超壓對生烴沒有明顯作用。因此，超壓對瓊東南盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)熱演化不起主要作用。

綜上所述，影響有機(jī)質(zhì)成熟度的各因素中，超壓不起主要作用可以不予考慮，其他幾個(gè)因素中，低海底溫度對有機(jī)質(zhì)熱演化起抑制作用，高熱流、低沉積速率對有機(jī)質(zhì)熱演化起促進(jìn)作用。針對海底溫度、基底熱流、沉積速率3個(gè)影響因素，此次研究利用盆地模擬軟件，采用固定任意2個(gè)因素，改變第3個(gè)因素的方法定量計(jì)算單個(gè)因素對有機(jī)質(zhì)成熟度影響程度。模擬結(jié)果表明，低海底溫度對深水區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度抑制作用較小，生油門限變深了100～400 m，生氣門限變深了150～500 m；高熱流對深水區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化促進(jìn)作用明顯，生油門限變淺了250～800 m，生氣門限變淺了400～1 100 m；低沉積速率對深水區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化促進(jìn)作用也很明顯，生油門限變淺了150～900 m，生氣門限變淺了550～1 200 m。單因素定量分析表明，深水區(qū)高熱流、低沉積速率對有機(jī)質(zhì)熱演化促進(jìn)作用強(qiáng)于低海底溫度的抑制作用。同時(shí)改變海底溫度、基底熱流、沉積速率3個(gè)因素，從古至今各時(shí)期的海底溫度、溫度變化作為邊界條件，建立三維沉積地層格架開展熱史模擬，并用實(shí)測Ro標(biāo)定模擬結(jié)果，模擬的Ro與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合較好(圖2)，證實(shí)了模擬結(jié)果的可靠性。模擬結(jié)果表明，影響有機(jī)質(zhì)成熟度各要素的綜合效應(yīng)對深水區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化起促進(jìn)作用，深水區(qū)生烴門限明顯淺于淺水區(qū)，淺水區(qū)生烴門限深度大體一致，深水區(qū)由西向東隨水深增加生烴門限逐漸變淺(圖5)。深水區(qū)生烴門限淺的特點(diǎn)擴(kuò)大了深水區(qū)烴源巖成熟面積，增加了烴源巖的生排烴量，從而提高了盆地的資源潛力。

圖5 瓊東南盆地生烴門限埋深

4 結(jié) 論

(1) 瓊東南盆地淺水區(qū)與深水區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度存在明顯差異，同一埋深條件下深水區(qū)生烴門限明顯淺于淺水區(qū)。

(2) 淺水區(qū)與深水區(qū)在構(gòu)造演化及沉積充填方面有明顯差別，深水區(qū)高地溫、低沉積速率背景對有機(jī)質(zhì)熱演化有明顯的促進(jìn)作用；而深水區(qū)低海底溫度對有機(jī)質(zhì)熱演化有一定的抑制作用。

(3) 盆地模擬綜合各要素結(jié)果表明，深水區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化程度明顯高于淺水區(qū)；深水區(qū)生烴門限淺的特點(diǎn)擴(kuò)大了深水區(qū)烴源巖成熟面積，增加了烴源巖的生排烴量，從而提高了盆地的資源潛力。