吐哈盆地小草湖凹陷東緣侏羅系煤系烴源巖埋藏史、熱演化史模擬

吳琰杰，王帥，何磊，王紫笛，聶國(guó)權(quán)

(1.黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院，河南 焦作 4540001；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710061；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；4.中國(guó)石油東方地球物理公司，四川 成都 610081；5.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

油氣資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要保障，近年來(lái)隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)力度加大，地質(zhì)條件好、勘探程度高區(qū)域的油氣資源信息已調(diào)查清晰，而地質(zhì)條件復(fù)雜、勘探程度低的地區(qū)逐漸成為油氣勘探的主要目標(biāo)(白忠凱等，2018；郭建宇等，2006; 郭秀英等，2013；李廣慶，2015；張斌，2009)。井-震聯(lián)合反演技術(shù)、盆地模擬等技術(shù)已越來(lái)越多的應(yīng)用于低勘探程度區(qū)域(郭秋麟等，2006；李謀杰等，2014；Premarathne et al.，2016；張魯川等，2015)。研究表明利用這些新技術(shù)不僅對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有很大的指導(dǎo)作用，同樣具有較高的科研意義。盆地模擬技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種油氣勘探新技術(shù)，并在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，其在烴源巖埋藏史、熱史及成熟度模擬中已較為成熟(潘磊等，2016；盧兵力等，2000；文志剛等，2004；張慶春等，1994；張代生等，1999)。李新寧等人已將盆地模擬技術(shù)應(yīng)用在吐哈盆地中，并認(rèn)為臺(tái)北凹陷是最有利的生烴凹陷(李新寧，2005)。陳蟒蛟(2004)對(duì)吐哈盆地的演化進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析吐哈盆地的熱史、成熟度史和生排烴史，并指出了今后的油氣勘探方向。

吐哈盆地小草湖凹陷東緣是吐哈盆地潛在的油氣接替勘探區(qū)域，其地層沉積特征和構(gòu)造發(fā)育情況與吐哈盆地具有同時(shí)性、一致性(圖1)。該地區(qū)遭受過(guò)幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這對(duì)烴源巖的保存和富集產(chǎn)生了重要的影響，同時(shí)構(gòu)造活動(dòng)在為烴源巖提供熱量方面提供了積極的作用(曹代勇等，1999；李巧梅等，1999；王文建，2013)。但由于該地區(qū)勘探程度較低，目前對(duì)小草湖凹陷東緣內(nèi)煤系烴源巖的埋藏及成熟度情況不清楚，大大制約了油氣勘探開(kāi)發(fā)工作的部署。本次研究利用實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合盆地模擬技術(shù)對(duì)小草湖凹陷東緣烴源巖的埋藏史、熱演化史進(jìn)行模擬分析，以了解該地區(qū)煤系烴源巖特征，為今后的油氣勘探提供參考。

圖1 (A)研究區(qū)地理位置及(B)地層系統(tǒng)示意圖Fig.1 (A) Geographical location and (B) stratigraphic system of the study area

1 區(qū)域地質(zhì)概況

小草湖凹陷東緣地層發(fā)育較全，根據(jù)區(qū)域露頭資料及鉆井、地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)分析表明，研究區(qū)及其附近由上而下發(fā)育有第四系、新近系、古近系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系(圖1B)。在構(gòu)造發(fā)育上，小草湖地區(qū)與吐哈盆地具有一致性(陳治軍等，2011)，主要經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)，這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了研究區(qū)現(xiàn)今的斷層及構(gòu)造形態(tài)。

2 模型建立與參數(shù)選取

2.1 埋藏史模擬參數(shù)選取

2.1.1 埋藏史模擬參數(shù)選取

表1為研究區(qū)地史模擬參數(shù)，分別包括各地層形成距今時(shí)間、地層厚度(鉆井地層厚度和地震剖面內(nèi)地層分布)、地層巖性(單井巖性，主要包括砂巖、泥巖百分比)。其他物性參數(shù)如密度、孔隙度、滲透率、壓縮系數(shù)、巖石熱導(dǎo)率、比熱等由模擬軟件對(duì)純巖性參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均或幾何平均計(jì)算得出。

表1 小草湖凹陷東緣盆地模擬參數(shù)表Tab.1 Simulation table of the eastern margin of Xiaocaohu depression

2.1.2 剝蝕厚度計(jì)算方法

本次研究采用鏡質(zhì)體反射率法對(duì)研究區(qū)地層剝蝕厚度進(jìn)行恢復(fù)(單玄龍等，2006)。該方法通過(guò)建立鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系，獲取有機(jī)質(zhì)隨深度變化曲線圖，然后將有機(jī)質(zhì)曲線上延至與Ro=0.2%相交,橫坐標(biāo)到交點(diǎn)之間的距離即為地層的最小剝蝕厚度(柳益群等，1997)。

2.2 熱史模擬參數(shù)選取

2.2.1 古水深

古水深是指沉積物頂面與海平面沉積基準(zhǔn)面(海平、湖平、均衡)的高差，其主要反映沉積可容空間。本次研究采用的古水深數(shù)值為前人研究所得吐哈盆地古水深(陳蟒蛟，2004)。

2.2.2 沉積界面溫度

研究區(qū)沉積界面溫度利用Petromod軟件提供的全球統(tǒng)一的沉積水界面溫度-時(shí)間模板(SWIT)，結(jié)合研究區(qū)的地理位置(北半球東亞地區(qū)北緯46°)獲得(圖2)。

2.2.3 古熱流

表2為吐哈盆地各凹陷的地溫梯度(陳蟒蛟，2004)。表2中顯示吐哈盆地各凹陷地溫梯度大小依次為小草湖凹陷(2.94 ℃)>哈密坳陷(2.75 ℃)>丘東次凹(2.56 ℃)>中央隆起帶(2.58 ℃)>臺(tái)南凹陷(2.53 ℃)>勝北凹地(2.51 ℃) >北部山前帶(2.42 ℃)>托克遜凹陷(2.32 ℃)。

表3為吐哈盆地各凹陷的現(xiàn)今熱流(陳蟒蛟，2004)。從表3中可以看出，吐哈盆地各凹陷的大地?zé)崃髦底远B系以來(lái)逐漸變小，這表明二疊系以后該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)逐漸減少。臺(tái)北凹陷的大地?zé)崃髦捣植荚?4.64～34.50 mW/m2。

圖2 研究區(qū)各地質(zhì)歷史時(shí)期地表平均溫度圖Fig.2 The average surface temperature map in geological history of the study area

表2 吐哈盆地各凹陷地溫梯度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Geothermal gradient table of each depression in Tuha basin

表3 吐哈盆地三大凹陷大地?zé)崃髦当鞹ab.3 Terrestrial heat flow value in three sag of Tuha basin

2.3 成熟度史模擬方法

研究區(qū)煤系烴源巖主要為III型干酪根，因此應(yīng)選取合適的成熟度史模擬方法，Easy%Ro方法對(duì)象僅限于III型有機(jī)質(zhì)(宋黨育等，1998)，其通過(guò)建立鏡質(zhì)組最大反射率的對(duì)數(shù)與有機(jī)質(zhì)所受最高溫度之間的關(guān)系，從而對(duì)有機(jī)質(zhì)的成熟度進(jìn)行分析。本次研究主要采用以下有機(jī)質(zhì)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)：Ro<0.55%為未成熟的階段;0.55%4.0%為過(guò)成熟階段。

3 結(jié)果

3.1 埋藏史模擬結(jié)果

圖3為F1井鏡質(zhì)組反射率法恢復(fù)地層剝蝕厚度示意圖。從圖3可以看出，通過(guò)鏡質(zhì)組反射率法計(jì)算所得F1井的地層剝蝕厚度為1 090 m。利用鏡質(zhì)組反射率法對(duì)D1、H1、H3、H8 和H9井的剝蝕厚度計(jì)算分別為1 286 m、1 150 m、1 455 m、1 265 m和1 456 m，平均為1 283 m(表4)。這與前人研究所得吐哈盆地山前帶侏羅系剝蝕厚度多在1 300～1 800 m的結(jié)果相近(柳益群等，1997)。

圖3 F1井鏡質(zhì)組反射率法恢復(fù)地層剝蝕厚度示意圖Fig.3 The sketch map of using the vitrinite reflectance method restore stratigraphic erosion thickness of F1wells

表4 研究區(qū)各井地層剝蝕量表Tab.4 Stratigraphic erosion of each well in study area

研究區(qū)內(nèi)F1井、D2井、H1井、H3井、H8井、H9井單井埋藏史模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。在埋藏史重建過(guò)程中采用流體流動(dòng)壓實(shí)方式進(jìn)行壓實(shí)校正(苑坤等，2010；張鳳奇等，2019)。從圖4中可以看出，進(jìn)入侏羅紀(jì)各井地層沉降曲線迅速增大，此時(shí)F1井侏羅系基底沉降速率平均為 45 m/Ma，D2井、H1井、H3井、H8井和H9井侏羅系基地沉降速率平均分別約為50 m/Ma、60 m/Ma、50 m/Ma、70 m/Ma和52 m/Ma；到侏羅紀(jì)晚期，地層沉降速率開(kāi)始減緩；進(jìn)入白堊紀(jì)后，地層沉降進(jìn)一步變緩，此時(shí)只接受少量沉積或不接受沉積；進(jìn)入古近紀(jì)后，地層又一次開(kāi)始大范圍接受沉積，此時(shí)地層沉降速率值分布在10～30 m/Ma。

3.2 熱史模擬結(jié)果

表5為模擬所得6口井現(xiàn)今熱流值，從表5可以看出，F(xiàn)1的熱流值最小為36.8 mW/m2，H9井的熱流值最大，為43.9 mW/m2，各井平均現(xiàn)今熱流值為39.8 mW/m2，略高于臺(tái)北凹陷現(xiàn)今熱流值(34.5 mW/m2)。圖5為模擬所得F1井熱流值分布圖，從圖5中可以看出，從侏羅紀(jì)開(kāi)始至今地層熱流值一直減小，這與陳蟒蛟研究結(jié)果相同。

圖6為單井熱史模擬結(jié)果，模擬所得各地層的溫度與實(shí)測(cè)地層溫度結(jié)果基本相同。圖7為單井地溫演化史模擬結(jié)果，模擬結(jié)果顯示在早侏羅世研究區(qū)沉積地層溫度逐漸減小；中侏羅世沉積地層溫度發(fā)生起伏，但整體處于下降趨勢(shì)；進(jìn)入白堊世地層溫度趨于穩(wěn)定并較小至今。F1井、D1井、H1井、H3井、H8井和H9井模擬所得史前最高溫度分別約為120 ℃、160 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃和140 ℃。

圖4 研究區(qū)單井埋藏史模擬圖Fig.4 Single-well burial history simulation diagram of study areas

表5 各單井現(xiàn)今熱流值表Tab.5 Nowadays heat flow value of single well

3.3 成熟度史模擬結(jié)果

圖8為單井模擬鏡質(zhì)組反射率結(jié)果與實(shí)測(cè)Ro對(duì)比圖，圖8中顯示鏡質(zhì)組反射率的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)鏡質(zhì)組反射率大小及分布趨勢(shì)相同，模擬結(jié)果準(zhǔn)確可信。模擬所得各單井鏡質(zhì)組反射率(Ro)在0.2%～1.6%。

圖5 F1井熱流值隨時(shí)間變化圖Fig.5 Heat flow value variation over time of F1 wells

圖6 研究區(qū)單井地溫?zé)崮M結(jié)果與實(shí)測(cè)地層溫度對(duì)比關(guān)系圖，o為實(shí)測(cè)溫度圖Fig.6 Contrast diagram of simulation temperature and measured temperature of single well in study area; o is the measure temperature

圖7 研究區(qū)單井地溫演化史模擬圖Fig.7 Geothermal evolution simulation of single well in study area

各單井現(xiàn)今成熟度史模擬結(jié)果見(jiàn)圖9。其中F1井中、下侏羅統(tǒng)源巖約在侏羅紀(jì)晚期—白堊紀(jì)早期進(jìn)入早期生油階段，對(duì)應(yīng)的門(mén)限深度大約為2 400 m，現(xiàn)今中、下侏羅統(tǒng)源巖為低成熟-中等成熟階段，Ro分布在0.6%～0.9%。D2井中、下侏羅統(tǒng)源巖在侏羅紀(jì)早期進(jìn)入早期生油階段，對(duì)應(yīng)生油門(mén)限深度約為2 700 m，中、下侏羅統(tǒng)現(xiàn)今處于成熟-過(guò)成熟階段，Ro為1.1%～1.6%。H1井中、下侏羅統(tǒng)源巖在侏羅系中期進(jìn)入生烴門(mén)限，對(duì)應(yīng)生烴門(mén)限深度約為2 200 m，現(xiàn)今為低成熟-中等成熟階段，Ro分布范圍為0.55%～0.75%。H3井中、下侏羅統(tǒng)源巖約在侏羅系早—中期進(jìn)入早期生油階段，對(duì)應(yīng)生烴門(mén)限深度約為2 600 m，現(xiàn)今處于低成熟-中等成熟階段，Ro值分布范圍為0.6%～1.1%。H8井中、下侏羅統(tǒng)源巖約在侏羅紀(jì)早期進(jìn)入早期生油階段，對(duì)應(yīng)生烴門(mén)限深度約為2 300 m，現(xiàn)今處于中等成熟-成熟階段，Ro值分布范圍為0.55%～1.1%。H9井中、下侏羅統(tǒng)源巖在侏羅紀(jì)早期進(jìn)入早期生油階段，對(duì)應(yīng)門(mén)限深度約為2 100 m，現(xiàn)今處于中等成熟-成熟階段，Ro分布范圍為0.5%～1.1%。整體上看研究區(qū)主要生烴地層為侏羅系中、下統(tǒng)，生烴門(mén)限深度位于2 100～2 700 m，Ro值分布在0.6%～1.6%，對(duì)應(yīng)溫度為90～160 ℃，烴源巖成熟度主要位于低成熟-中等成熟階段。

圖8 研究區(qū)單井成熟度熱模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)成熟度對(duì)比關(guān)系圖Fig.8 Contrast diagram of simulation maturity and measured maturity of single well in Shisanjianfang and surrounding area

4 結(jié)論

利用盆地模擬技術(shù)對(duì)小草湖凹陷東緣煤系烴源巖埋藏史、熱演化史及成熟度史進(jìn)行模擬，并得出以下結(jié)論。

(1)埋藏史模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在進(jìn)入三疊系后逐漸較小，侏羅紀(jì)是研究區(qū)地層主要的沉積歷史時(shí)期。

(2)模擬計(jì)算所得6口井現(xiàn)今熱流值為36.8～43.9 mW/m2，各井平均現(xiàn)今熱流值為39.8 mW/m2。模擬顯示從侏羅紀(jì)開(kāi)始地層熱流值一直減小，表明構(gòu)造活動(dòng)減弱。

圖9 研究區(qū)單井源巖成熟度模擬圖Fig.9 Simulation diagram of source rock maturity of single well in study area

(3)中、下侏羅統(tǒng)是研究區(qū)主要的生烴地層，生烴門(mén)限深度位于2 100～2 700 m，Ro值為0.6%～1.6%，烴源巖成熟度主要位于低成熟—中等成熟階段。