沉積盆地深層熱演化歷史與油氣關(guān)系研究現(xiàn)狀及存在問題

任戰(zhàn)利，祁 凱，楊桂林，崔軍平，楊 鵬，王 琨.

(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西西安 710069；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

沉積盆地的溫度及熱演化史對油氣生成、相態(tài)、運移及成藏有重要控制作用，在深層、超深層高溫、高壓條件下仍然存在液態(tài)烴并形成了油氣藏[1-4]。近年來，在四川盆地、塔里木盆地等盆地深層、超深層進行油氣勘探獲得一系列重大突破，深層、超深層將是石油工業(yè)未來最重要的發(fā)展領(lǐng)域之一[2-4]。2020年1月塔北隆起輪南低凸起的輪探1井在8 200 m之下的下寒武統(tǒng)白云巖中獲得輕質(zhì)原油，發(fā)現(xiàn)了深層、超深層在高溫環(huán)境下形成的油藏[5-6]。在國外墨西哥灣盆地深層也發(fā)現(xiàn)了在200 ℃以上的溫度下形成的油藏[7]。不同盆地不同地區(qū)的油藏溫度差異大，遠遠超出了傳統(tǒng)干酪根晚期生油理論的液態(tài)烴轉(zhuǎn)化為天然氣的溫度范圍。

深層油氣藏的發(fā)現(xiàn)對深層油氣生成與保存條件的理論認識有新突破[2-4]。近年來國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用多種方法分別進行了溫度、加熱時間、壓力、熱演化史對油氣相態(tài)存在的溫度范圍、油氣相態(tài)間的轉(zhuǎn)化、油氣生成、成藏歷史的影響研究，取得了明顯的進展[2-16]。本文調(diào)研了國內(nèi)外含油氣盆地深層溫度、加熱時間、熱演化史對深層油氣存在范圍、油氣相態(tài)、油氣生成、成藏歷史的控制作用研究現(xiàn)狀及動態(tài)，分析了沉積盆地深層溫度及熱演化史對油氣相態(tài)、生成及成藏的控制作用，探討了疊合盆地超深層熱演化史恢復(fù)的思路及方法，提出了超深層熱演化史與油氣關(guān)系研究應(yīng)重視的問題。

1 深層溫度及加熱時間對油氣相態(tài)的影響研究現(xiàn)狀

沉積盆地實際上是一個巨大的低溫熱化學(xué)反應(yīng)器，不同盆地、不同地區(qū)深層油氣藏溫度差異大，油氣生成、分布與盆地經(jīng)歷的熱演化史及現(xiàn)今地溫場密切相關(guān)，主要受加熱溫度、加熱時間、加熱速率的控制。溫度是決定油氣生成的最重要的控制因素，也是控制油氣相態(tài)分布的最重要因素。隨著埋藏深度及地溫升高，烴源巖成熟度增高，烴源巖逐步達到成熟生油階段、高成熟階段、過成熟干氣階段。深層、超深層的烴源巖埋層深度大，部分處于生油窗范圍內(nèi)，多達高成熟及過成熟生干氣階段。

1.1 溫度對油氣相態(tài)的影響

地溫是決定有機質(zhì)成烴演化及油氣成藏相態(tài)分布的最重要因素[2]，溫度的演化控制著烴類的相態(tài)，高溫將使原油發(fā)生裂解。不同類型的盆地由于地溫梯度及演化歷史的不同其生油窗溫度及深度差異大，在深層相同深度不同地溫梯度的盆地的溫度差值最大可達100 ℃以上(圖1)。世界上絕大部分石油均存在于65.5～149.0 ℃的溫度范圍[17,8]，150 ℃以上的高溫地層不應(yīng)該存在液態(tài)原油，因為原油在150 ℃已經(jīng)開始裂解，到200 ℃原油已經(jīng)完全裂解[16-19,8]。然而近期一些石油勘探新的發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)觀念提出了挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)了地層溫度超過 200 ℃仍有液態(tài)烴聚集，最高油層溫度達375 ℃[2-10,20]。以上深層、超深層原油液態(tài)窗油氣溫度分布范圍有很大差異，說明獨立油相可以在高溫條件下存在，液態(tài)石油的保存深度及溫度均大于傳統(tǒng)認識深度及溫度。

圖1 中國主要盆地埋藏深度與溫度關(guān)系Fig.1 The relationship of depth and formation temperature in China’s major basins

油氣的生成及原油裂解受控于原油性質(zhì)和熱歷史，不同的研究者通過模擬原油裂解實驗，發(fā)現(xiàn)在地層升溫速率相同的情況下，不同原油開始裂解的溫度差異較大，介于165～190 ℃；原油完全裂解的溫度有一定的差異，但差異小，介于 230～240 ℃[4,21-24]。液態(tài)石油的保存深度及溫度均大于傳統(tǒng)認識深度及溫度，拓展了原油完全裂解的上限溫度，證明了盆地液態(tài)石油可在65～240 ℃之間較寬的范圍存在[4,21]。

不同地質(zhì)條件下原油在儲集層中發(fā)生裂解的初始溫度也會有一定差異，在埋深介于7 544～9 600 m的地層中，當Ro為3.0%、地層溫度超過300 ℃時仍有液態(tài)烴存在，原油在200～250 ℃甚至更高的溫度條件下都是穩(wěn)定的[25]。劉巖等結(jié)合渤海灣盆地歧口凹陷試油測溫數(shù)據(jù)和鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)，計算確定不同相態(tài)烴類保存的深度下限及溫度，原油開始裂解的深度為4 500 m、溫度為165 ℃，獨立油相存在的深度下限為5 700 m、溫度下限為209 ℃，對應(yīng)的Ro值約為2.0%；以凝析油氣態(tài)保存的深度下限為6 700 m、溫度下限為240 ℃，對應(yīng)的Ro值約為3.2%；6 700 m以深只存在干氣[21]。李劍等根據(jù)模擬試驗建立了腐泥型烴源巖全過程生烴演化模式，認為原油裂解結(jié)束時的Ro值為3.5%，溫度及演化程度更高[22]。

1.2 加熱時間對油氣相態(tài)的影響

加熱時間對油氣相態(tài)存在的溫度區(qū)間有重要的影響。在加熱時間較短的情況下，原油可以在很高的溫度下存在及穩(wěn)定，地層溫度最高可達375 ℃[20]。太平洋東北部深水洋盆內(nèi)發(fā)現(xiàn)加熱時間很短、溫度介于300～315 ℃ 條件下存在的石油[7]。新生代沉降幅度大的盆地，有效加熱時間短，原油可以在很高的溫度下存在[2,4]。鶯歌海盆地的地層溫度為240 ℃，實測Ro值僅為1.20%，地層中仍保存大量液態(tài)烴[26]。

在新生代快速沉降、加熱時間短、地溫梯度低的盆地，原油液態(tài)窗深度分布范圍大大擴展，原油埋藏深度甚至可超過10 000 m[2,5,20]。塔里木盆地塔北地區(qū)在低地溫梯度和晚期快速埋藏加熱時間短的背景下原油開始裂解的深度為7 500～8 000 m，而大規(guī)模裂解的深度應(yīng)在8 800～9 500 m之間，對應(yīng)的儲層溫度在210～220 ℃之間，9 000 m液相石油消失[5,27]。

在古生代、中生代盆地，新生代以來沉降幅度小或新生代以來抬升剝蝕的盆地，有效加熱時間長，原油液態(tài)窗溫度低，油氣藏深度減小，如松遼盆地[2]。

在地層升溫速率相同的情況下，不同地區(qū)的原油開始裂解的溫度差異大，完全裂解的溫度差異小。加熱速率對獨立相原油存在的溫度范圍也有明顯的影響，一般情況下，隨著加溫速率的升高，原油存在的溫度上限在提高。在正常的沉積速率之下，由沉積埋藏所引起的地溫增高的幅度為1～10 ℃/Ma，升溫速率從1 ℃/Ma提高到10 ℃/Ma，對獨立相原油存在的溫度的影響可提高17～27 ℃；隨著加溫速率的升高，加熱時間短，液態(tài)窗的溫度上限明顯提高，凝析油氣態(tài)保存的最高溫度約為240 ℃[21]。據(jù)全球油氣田統(tǒng)計，最高油層溫度可達375 ℃[20]。

1.3 溫度與壓力的關(guān)系

超深層油氣藏主要受溫度、壓力等因素的控制。溫度、壓力對油氣相態(tài)及油氣藏的分布有重要的控制作用，特別是地層現(xiàn)今的地溫和壓力對油氣的運移及聚集起到重要的控制作用[6,28]。

在深層油氣藏聚集區(qū)，異常高壓的發(fā)育比較普遍，異常壓力對深層源巖熱演化有重要控制作用。異常壓力對深層源巖熱演化的影響有不同認識[29-31]。高壓對有機質(zhì)熱演化的抑制作用具有不同的表現(xiàn)形式和程度，地層壓力絕對值的大小才是影響烴源巖熱演化的關(guān)鍵[6]。在長期高壓條件下對烴源巖熱演化的抑制作用更明顯，延長了超深層烴源巖液態(tài)烴持續(xù)生成的時間，并抑制液態(tài)烴向氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化，為超深層油氣勘探提供了重要依據(jù)[5,6,32-33]。

不同盆地深層油氣藏溫度與壓力關(guān)系復(fù)雜，作者根據(jù)油氣層壓力及溫度資料，將不同盆地深層油氣藏溫度與壓力關(guān)系劃分為3種主要類型[2]，分別為：中低溫高壓型、高溫高壓型及中溫低壓型。不同溫度與壓力關(guān)系類型的盆地或地區(qū)，其深層油氣生成溫度、油氣相態(tài)、成藏溫度、運移動力及油氣產(chǎn)量有一定的差異[2]。

2 深層熱演化史恢復(fù)及熱演化史類型與油氣關(guān)系

2.1 深層地溫場恢復(fù)及研究方法

古老盆地深層由于不同類型盆地的疊加及改造作用，疊合類型多樣，不同時期盆地類型和地溫場狀況是有差異及動態(tài)變化的，由于盆地的多期疊加，早期盆地地溫場的信息可因后期盆地的疊加被抹去或重置[1-2,34-35]。地溫場信息的改造可劃分為多種類型，疊合盆地熱演化過程復(fù)雜，特別是疊合盆地深層、超深層熱演化史難度更大。作者對古老疊合盆地古地溫恢復(fù)進行了長期的研究，針對疊合盆地不同演化階段古地溫場的信息記錄、保持及后期疊加改造、重置等不同情況，提出了疊合盆地古地溫恢復(fù)的理論及方法[1,34-35]，該理論及方法可用于古老盆地超深層古地溫及熱演化史的恢復(fù)[2]。

超深層古地溫的研究方法有鏡質(zhì)體反射率(瀝青反射率等)、包體測溫、磷灰石及鋯石裂變徑跡、黏土礦物轉(zhuǎn)變、(U-Th)/He定年等低溫熱年代學(xué)方法、團簇同位素、方解石原位激光剝蝕U-Pb定年等方法[35-38]。鏡質(zhì)體反射率法是一種恢復(fù)熱演化常用的方法，在超深層古老海相地層可采用瀝青反射率等轉(zhuǎn)化成等效鏡質(zhì)體反射率結(jié)合多種方法對熱演化史演化過程有重要約束作用，已成為盆地構(gòu)造—熱演化史恢復(fù)的一種重要方法。國內(nèi)外關(guān)于盆地熱演化史恢復(fù)的方法研究總體上可以分為3類[35]。各種古地溫溫標對于沉積盆地熱演化史的恢復(fù)都存在一定的局限性[35-37]，靠單一的方法或?qū)W科不能滿足超深層熱演化史恢復(fù)的要求，需從盆地疊加與改造對超深層疊合盆地古地溫場信息產(chǎn)生影響的角度出發(fā)，選用正確的盆地地質(zhì)模型及以大量實際地質(zhì)資料為約束[1,34-35]，應(yīng)用多種方法相互約束、互為補充、綜合研究，從而真實恢復(fù)深層、超深層熱演化歷史[2,35,37]。

2.2 熱演化史類型與油氣關(guān)系

根據(jù)國內(nèi)外深層、超深層盆地熱演化史的分析結(jié)果[2,6,28,36-37,39-47]，作者將深層熱演化史劃分為4種類型(圖2)：①后期快速沉降增溫低地溫梯度型；②后期快速沉降增溫高地溫梯度型；③中后期快速增溫晚期抬升降溫型；④前期大幅度沉降快速增溫中后期大幅度抬升剝蝕降溫型[2]。

深層不同熱演化史類型的盆地由于沉降及抬升過程、地溫梯度，導(dǎo)致加熱時間存在較大差異，溫度、壓力變化大，盆地深層、超深層油氣相態(tài)、油氣生成、成藏期早晚及油氣前景不同[2,28,46]。

圖2 深層、超深層熱演化史類型劃分圖[6,28,36,37,39-43]Fig.2 Type map of thermal evolution history of deep and ultra-deep layers[6,28,36,37,39-43]

3 深層熱演化史與油氣關(guān)系應(yīng)重視的問題

3.1 深層古地溫及演化史真實恢復(fù)對油氣成藏的重要性

古老盆地深層、超深層經(jīng)歷了長期的演化及多期改造，不同期次盆地的地溫場存在多期次的疊加改造，過程十分復(fù)雜，古地溫信息在后期盆地疊加過程中存在改造、抹去或重置的不同情況，古地溫場信息記錄有限，恢復(fù)難度大[12,28,35]。特別是深層海相碳酸鹽巖地層由于缺乏有效的古溫標，制約了熱歷史的恢復(fù)研究，需要對古地溫恢復(fù)方法進行研究及開發(fā)。團簇同位素作為一種新的有效古溫標，為碳酸鹽巖地層的熱歷史恢復(fù)提供了可能[48]。

疊合盆地深層熱演化史控制了油氣的生成及成藏歷史，精確恢復(fù)疊合盆地超深層溫度及熱演化史，對油氣生成、成藏歷史及勘探有重要意義[2]。

對于深層、超深層古地溫及熱演化史的恢復(fù)，需要根據(jù)盆地各種資料，采用疊合盆地古地溫恢復(fù)的理論及多種方法的綜合研究[35]。只有在精確恢復(fù)盆地深層構(gòu)造熱演化史恢復(fù)的基礎(chǔ)上，才能準確地確定油氣生成期、成藏歷史等油氣評價的關(guān)鍵問題，指導(dǎo)油氣勘探[2,35,36]。

3.2 加熱時間對深層油氣的影響及晚期成藏的重要性

加熱時間是影響油氣溫度、深度分布范圍差異的重要原因之一，不同熱演化史盆地深層原油液態(tài)窗的溫度差異大[2-9]。應(yīng)加強熱演化史過程及加熱時間對油氣生成時間、油氣相態(tài)及成藏期次的研究，建立不同熱演化史類型盆地的深層生油液態(tài)窗溫度的分布范圍模式，以指導(dǎo)不同熱演化史類型盆地的深層油氣成藏研究。

3.3 壓力對溫度的影響及溫壓關(guān)系

壓力對烴源巖成熟度及油氣相態(tài)溫度范圍有一定的影響，異常壓力高，加大了原油存在的深度范圍[5,6]。另外不同熱演化史盆地的油氣壓力與溫度關(guān)系不同，壓力與溫度關(guān)系的差異對油氣運移、油氣相態(tài)有重要影響，應(yīng)加強壓力對油氣相態(tài)存在的溫度范圍影響的定量研究及對油氣成藏影響的研究。

3.4 不同烴源巖母質(zhì)類型對油氣生成窗溫度的影響

不同類型的烴源巖生成的油氣產(chǎn)物相態(tài)及生油窗溫度不同。對海相碳酸鹽巖而言，烴源巖類型好，有利于生油。塔里木盆地寒武系海相烴源巖以Ⅰ型、Ⅱ1型干酪根為主，200 ℃的地溫仍可生成液態(tài)烴[6]。塔河原油作為油相，其保存的地質(zhì)溫度范圍為178～216 ℃[32,49]。溫度是原油裂解的主要控制因素，不同成因類型液態(tài)烴的消亡溫度要高于200 ℃。

塔里木盆地庫車凹陷烴源巖為三疊—侏羅系優(yōu)質(zhì)碎屑巖，以生氣為主，在上新世以來(5 Ma以來)盆地快速沉降，盆地快速升溫，地層溫度大于150 ℃，以濕氣階段為主。

不同盆地烴源巖的特征及類型差異大，應(yīng)進一步深入研究烴源巖母質(zhì)類型對油氣相態(tài)的影響，分析不同母質(zhì)類型與油氣相態(tài)及溫度的關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)我國疊合盆地深層熱演化歷史復(fù)雜，溫度及熱演化史對深層油氣相態(tài)差異及油氣生成、成藏歷史有重要控制作用。

(2)深層油氣相態(tài)差異大，主要受經(jīng)歷的溫度、加熱時間、加熱速率、壓力及烴源巖類型等因素的控制，其中溫度是油氣的形成及油氣相態(tài)分布最重要的控制因素。加熱時間及加熱過程對油氣生成溫度、相態(tài)差異有重要影響。將深層溫度與壓力的關(guān)系劃分為3種主要類型。

(3)將深層熱演化史劃分為4種主要類型，不同熱演化史類型的盆地在油氣相態(tài)、生成、成藏歷史及評價方面有明顯差異。

(4)探討了疊合盆地深層、超深層古地溫及熱演化史恢復(fù)的理論及研究方法，針對目前研究現(xiàn)狀，提出了深層熱演化史與油氣關(guān)系研究應(yīng)重視的問題。