臨清坳陷東部石炭-二疊系二次生烴差異性研究

陳武珍 陳紅漢, 李文濤 豐 勇 宮 雪 熊萬林

(1.中國地質大學(武漢)資源學院石油系 武漢 430074;2.中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心 蘭州 730000; 3.中國石油化工股份公司勝利油田分公司地質科學研究院 山東東營 257015)

近年來渤海灣盆地前古近系油氣勘探在局部地區已取得很好效果,在冀中坳陷蘇橋-文安斜坡、黃驊坳陷孔西構造帶和烏馬營潛山、東濮凹陷文留潛山、濟陽坳陷孤北潛山等地區均發現了源于上古生界煤系源巖的油氣藏,展現了良好的勘探前景,這使得諸多研究者認為臨清坳陷東部石炭-二疊系煤系源巖也應該具有一定的生烴能力[1～3]。研究區自1959年鉆探華4井以來經過50多年的勘探工作,共發現古近系、新近系石油、CO2、煤成氣三種油氣資源。研究區煤炭資源豐富,石炭-二疊系煤系源巖埋藏深、分布廣,是煤成氣勘探的有利地區。然而不同學者對石炭-二疊系煤系源巖生烴期次和時限存在異議,從而對盆地資源潛力的評價有差異。李春山等根據盆地模擬結果認為,石炭-二疊系煤系源巖只有兩次生氣期:第一次發生在晚三疊世以前,但已遭受破壞;第二次發生在古近紀中晚期,是本區重要的生氣聚集期[4]。胡宗全等認為臨清坳陷東部石炭-二疊系煤系源巖有四次生烴:中三疊世以前、侏羅-白堊紀、古近紀和新近紀-第四紀,古近紀的生烴量最大,侏羅-白堊紀次之,新近紀-第四紀最少[5]。陳麗認為石炭-二疊系煤系源巖在早-中三疊世進入一次生烴過程,生成的煤成氣以散失為主;侏羅-白堊紀進入第二次生烴過程,生成的煤成氣以散失為主;新生代以來進入第三次生烴過程,這期生烴以聚集為主[6]。本文通過研究區不同構造帶單井生烴史模擬研究上古生界煤系源巖生烴歷史,進而對比不同構造帶二次生烴的時空差異性,以期指導臨清坳陷東部古近系以前的油氣勘探。

1 區域地質背景

臨清坳陷東部位于渤海灣盆地西南收斂端,呈北北東向展布,北到吳橋,南至冠縣,西起武城-館陶凸起,東抵魯西隆起,包括德州凹陷、莘縣凹陷和高唐-堂邑凸起三個次級構造單元(圖1)。研究區是渤海灣盆地內至今還沒有發現油田的一個中-新生代復合型斷陷沉積盆地,面積約5 910 km2[7]。

早古生代-中三疊世末,臨清坳陷東部發育統一于華北地臺演化過程,區域上沉降、沉積幅度差異不大,地層厚度橫向變化穩定[8]。晚三疊世華北板塊與揚子板塊擠壓拼接,研究區整體抬升,三疊系遭受剝蝕,局部地區甚至剝蝕了部分二疊系。北高南低的地勢造成北部剝蝕厚度大于南部,下-中三疊統僅殘留于南部地區。吳智平采用構造橫剖面法、聲波時差法等手段,計算了古生界頂(含早-中二疊統及部分古生界)的地層剝蝕量,北部普遍大于2 000 m,向南部逐漸變小,同時恢復了研究區早-中二疊世地層的原始沉積厚度①吳智平,李偉,等。臨清坳陷東部斷裂發育、組合及演化特征(內部資料)。2007。。中生代到古近紀,研究區經歷了兩次不同性質的斷陷作用。中生代燕山運動使研究區遭受擠壓、強烈上升,在隆升背景下發生斷陷作用。古近紀喜山運動使研究區發生強烈的張裂斷陷[9]。中生代時期研究區整體表現為一大型斷陷湖盆,地層沉積整體具北東向展布趨勢,發育數個沉積中心,沉積了數千米侏羅-白堊紀地層,最大沉積中心位于莘縣凹陷中部。古近紀地幔熱柱再次上涌,研究區進入大規模斷陷盆地發育階段,地層沉積具明顯的斷陷式盆地沉積特征,整體而言,地層厚度南部大于北部,東部大于西部,發育多個沉積、沉降中心,形成現今凹凸相間的構造格局。喜馬拉雅晚期,臨清坳陷東部所在的渤海灣盆地轉為熱沉降坳陷。

圖1 臨清坳陷東部構造單元劃分和生烴模擬井位分布Fig.1 The well location of hydrocarbon generating simulation and division of tectonic units in eastern Linqing Depression

2 烴源巖特征

石炭-二疊系為一套海陸交互含煤沉積,是臨清坳陷東部深層油氣的重要來源,地層厚度在區內分布穩定(圖2),由煤層、暗色泥巖(含炭質泥巖)、灰巖及碎屑巖構成[10]。前兩者是煤成氣的主要源巖,主要分布在中石炭統本溪組、上石炭統太原組、下二疊統山西組,區內鉆遇石炭-二疊煤系地層較全的井有7口,厚度統計結果表明:石炭-二疊煤系地層累計厚度100～300 m,其中暗色泥巖厚度100～200 m,煤層厚度5～25 m。縱向上煤層主要賦存在太原組,其次為山西組,本溪組為薄煤層或煤線。

地球化學分析表明:研究區煤系源巖有機碳含量較高,煤一般為48.54%～84.69%,平均60.09%,暗色泥巖一般為0.3%～9.64%,平均3.24%。干酪根類型以Ⅲ型為主,極個別Ⅱ2型。鏡質體反射率為0.5%～1.3%,處于低熟-成熟階段,局部區域受巖漿活動影響出現高值,處于過成熟階段。縱向上太原組源巖最好,次為山西組和本溪組。顯微組分分析揭示石炭-二疊煤系源巖鏡質組含量最高,其次為惰質組,殼質組最低,這種顯微組分特點也表明石炭-二疊系以生氣為主。

圖2 臨清坳陷東部石炭-二疊系殘留厚度圖(據陳麗,2008修編)Fig.2 Remained thickness of Carboniferous-Permian strata in the eastern Linqing Depression

通過研究發現,埋深在2 700 m,鏡質體反射率演化曲線有一較明顯的“拐點”(圖3),說明本區石炭二疊系存在“二次生烴”過程,“二次生烴”門限的鏡質體反射率等于0.6%,埋深等于2 700 m[11]。

圖3 臨清坳陷東部石炭-二疊煤系烴源巖成熟度與深度關系Fig.3 The variation ofmaturity of Carboniferous-Permian coal-bearing source rocks with depth in the eastern Linqing Depression

石炭-二疊系在研究區廣泛分布,但不同構造單元分布特征和熱演化程度明顯不同。從現今石炭系太原組底界埋深和熱演化程度分布(圖4)[12]可以看出:魯西隆起埋藏最淺,基本在2 000 m以下;熱演化程度最低,Ro值在0.6%左右。高唐堂邑凸起、梁村潛山和武城二臺階潛山次之,主要介于2 000～3 500 m之間;高唐堂邑凸起和武城二臺階潛山成熟度中等,Ro值介于0.6%～1.0%之間,梁村潛山受火山作用影響,Ro值超過3.0%。洼陷區埋深最大,基本超過3 500 m,其中冠縣洼陷和禹城洼陷最大埋深超過8 000 m;冠縣洼陷和禹城洼陷Ro值基本在1.3%以上,深洼處超過2.0%,南部洼陷帶(包括白馬湖洼陷、梁水鎮洼陷和沈莊洼陷等)和北部洼陷帶(包括德南洼陷和甜水浦洼陷)Ro值介于1.0%～2.0%之間,局部超過2.0%。

3 模擬過程主要參數確定

沉積盆地的埋藏史和熱歷史及其演化直接影響烴源巖的生烴演化過程。本研究在準確恢復埋藏史和熱歷史的基礎上得到烴源巖生烴史模擬結果。

埋藏史模擬中一個關鍵的參數是地層剝蝕厚度,研究中采用聲波時差法恢復單井各時期地層的剝蝕厚度(表1)。

表1 單井不同時期剝蝕厚度恢復數據(單位:m)Table1 Values of the restoration of eroded thickness of single well in the eastern Linqing Depression

圖4 臨清坳陷東部太原組底界埋深及熱演化程度圖(據王力,2008)Fig.4 Map of thermal evolution and bottom burial depth of Taiyuan Formation in the eastern Linqing Depression

研究中采用鏡質組反射率(Ro)這個古溫標來恢復熱歷史,鏡質組反射率模擬熱歷史采用EASY%Ro模型(Sweeney and Burnham,1990),鏡質組反射率數據采用勝利油田的數據(表2),熱史模擬過程中選用線性熱史演化模型并采用古地溫梯度法,用古溫標Ro的模擬計算值和實測值之間的吻合程度檢驗所設熱史路徑的正確性。

表2 鏡質組反射率數據Table2 Values of the Cenozoic samples from the eastern Linqing Depression

圖5 高古7井石炭-二疊系埋藏史、熱史和生烴史Fig.5 Burial history,geothermal history and hydrocarbon generating history of Carboniferous-Permian ofWell Gaogu-7

熱史模擬過程中,基礎地質數據包括巖性參數、現今地表溫度、地溫梯度、大地熱流值和地層分層數據。現今地溫數據采用勝利油田的鉆井地溫數據,巖石熱物性數據采用鄰區的數據[13,14],壓實系數和初始孔隙度等數據依據各井實際數據利用Sclater and Christie(1980)的方法回歸得到,地層分層數據采用勝利油田鉆孔實際測量值,各地層底界距今年齡分別為:中晚石炭統(C1+2):320 Ma;二疊系(P):290 Ma;三疊系(T):250 Ma;侏羅白堊系(J+K):208 Ma;古近系(E):65 Ma;新近系第四系(N+Q):23.3 Ma。模擬過程中將研究區地表氣溫設為15℃,并假定地史上地表氣溫不變。

4 煤系烴源巖二次生烴時空差異性

4.1 魯西隆起

位于蘭聊斷裂上升盤,石炭-二疊系處于淺埋區,鏡質體反射率為0.5%～0.72%,代表井有聊古1、聊古2、聊古3等。三疊系沉積末期,煤系源巖進入生烴門限,隨后構造運動導致生烴停滯。燕山期至今煤系源巖埋深仍小于2 000 m,尚未達到印支運動改造前的埋深,保持了三疊紀的熱演化程度,后期的地史演化不足于激發烴源巖的二次生烴作用。表明該區石炭-二疊煤系源巖具有早期微熟-中晚期不生油氣的生烴特征,是二次生烴無效區。

4.2 高唐-堂邑潛山

位于堂邑西斷裂和堂邑東斷裂之間,據高古7、康古1、康古2、康古3、康古4等鉆井資料揭示,石炭-二疊系現今埋深為2 900～3 100 m,鏡質體反射率為0.62%～0.88%。通過高古7井單井埋藏史、熱史、生烴史恢復可知(圖5),高唐-堂邑潛山煤系源巖經歷過三期生烴,石炭-二疊系累積生烴量38。 20 mg/g。初次生烴開始于三疊紀,但有機質熱演化程度不高,生烴量很小。燕山期,廣泛的巖漿活動導致古地溫明顯異常,地溫梯度高達4.0℃/100m[15],有機質于白堊紀進入生油窗,發生二次生烴,生烴速率明顯增大,該期生烴量較大,占累積生烴量的90%以上(表3),但由于上覆白堊系被剝蝕,古近紀時期又未接受沉積,本期油氣難以保存。喜山運動之后重新接受沉積,現今石炭-二疊系埋深僅3 100 m,剛能補償先期達到的煤階,有機質進入二次生烴晚期,但生烴量有限。上述分析表明該區石炭-二疊煤系源巖具有早期微熟-中期低熟-晚期幾乎不生油氣的生烴演化史,不是現今油氣藏的源灶。

4.3 北部洼陷帶

包括德南洼陷和甜水浦洼陷,地層沉積連續。洼陷部位的石炭-二疊煤系源巖隨古近紀沉積蓋層厚度的不斷增大,熱演化程度不斷增加而達到生烴高峰。據德南洼陷德古2井鉆井資料揭示,石炭-二疊系現今埋深達4 400 m,鏡質體反射率為0.99%～ 1.13%。通過德古2井單井埋藏史、熱史、生烴史恢復可知(圖6),北部洼陷帶經歷了四期生烴,石炭-二疊系累積生烴量94.43 mg/g。三疊紀初次生烴,生烴量小。白堊紀末期發生二次生烴,生烴速率增大,生烴量占累積生烴量的31%,但白堊系的剝蝕使烴類保存條件不佳。古近紀以來有機質開始進入生烴高峰期,發生兩次生烴作用,生烴量分別占累積生烴量的35%和32%(表3),石炭系于古近紀達最大生烴速率,二疊系于新近紀-第四紀達最大生烴速率。模擬結果表明該區是煤成氣晚期成藏的有效供氣中心,具有早期未熟-中期低熟-晚期成熟的演化特征。

4.4 南部洼陷帶

包括梁水鎮洼陷、沈莊洼陷、白馬湖洼陷、冠北洼陷等,受構造熱演化的控制,各洼陷生烴演化存在差異。據沈莊洼陷高古4井鉆井資料揭示,石炭-二疊系現今埋深達4 600 m,鏡質體反射率為1.04%～ 1.11%。通過高古4井單井埋藏史、熱史、生烴史恢復可知(圖7a),沈莊洼陷經歷了四期生烴,石炭-二疊系累積生烴量93.80 mg/g(表3)。生烴演化特征與德南洼陷的德古2井相似,三疊紀生烴量小,白堊紀二次生烴保存條件不佳,以古近紀以來的晚期生烴為主,石炭系和二疊系分別在古近紀和新近紀-第四紀達到最大生烴速率。

位于梁水鎮洼陷的高古5井,石炭-二疊系現今埋深達4 800 m,鏡質體反射率為1.18%～1.27%。單井埋藏史、熱史、生烴史恢復表明(圖7b),梁水鎮洼陷同樣經歷了四期生烴,石炭-二疊系累積生烴量111.02 mg/g。晚期生烴貢獻率與德古2井、高古4井相當,但生烴演化過程與德古2井、高古4井存在差異,表現為該區生烴高峰期主要發生在古近紀,生烴量占累積生烴量的52%,石炭系和二疊系均在古近紀達到最大生烴速率。新近紀以來生烴速率低于白堊紀生烴速率,生烴量僅占累積生烴量的12%(表3)。

5 生烴差異性成因解釋

晚三疊世以前,研究區緩慢沉降-沉積,全區石炭-二疊煤系源巖均衡演化,早中三疊世在自身深埋作用和正常古地溫影響下有機質進入生烴門限,發生第一次生烴作用。晚三疊世之后盆地三個旋回的構造疊合使各構造帶發生差異沉降(圖5、6、7單井埋藏史),成為研究區煤系源巖二次生烴差異性的主控因素。

表3 不同時期單井石炭-二疊系生烴貢獻統計Table3 Statistics of hydrocarbon contribution of single well in the different periods

圖6 德古2井石炭-二疊系埋藏史、熱史和生烴史Fig.6 Burial history,geothermal history and hydrocarbon generating history of Carboniferous-Permian ofWell Degu-2

圖7 南部洼陷帶石炭-二疊系埋藏史、熱史和生烴史Fig.7 Burial,geothermal and hydrocarbon generating history of Carboniferous-Permian in the southern sub-sag

魯西隆起形成于印支運動末期,中生代和古近紀遭受沉積間斷,新近紀開始接受沉積,是中生代隆起、新生代隆起的疊合區[12]。后期的地層沉積不能補償早中三疊世達到的煤階,因此只發生一次生烴作用。研究區有機質成熟度最低的烴源巖見于此處的聊古2井(圖3),成熟度基本可以代表一次生烴的中止狀態。

高唐-堂邑潛山形成于喜山早期,古近紀遭受沉積間斷,只局部沉積很薄的古近系,是中生代坳陷、新生代隆起的疊合區[12]。晚白堊世持續隆升終止了二次生烴作用,同時古近系的普遍缺失使得煤系有機質演化基本停滯,成熟度可以代表二次生烴晚期的起始狀態。

研究區洼陷帶均屬于中生代坳陷、新生代坳陷的疊合區[12]。由于處于構造轉換帶上,研究區沉降中心沒有隨斷陷作用的增強而逐步統一。沉降中心的遷移造成各洼陷地層沉積厚度差異,從而影響烴源巖的生烴演化。德南洼陷為西斷東超的洼陷,沙四段沉積末構造反轉使其復雜化,內部沉積中心遷移,古近系相對較薄。沈莊洼陷為北東向構造帶與近東西向構造帶的過渡帶上,新生代早期為沉降中心,沙一段-東營組沉積時期反轉為構造斜坡,新生界相對較薄。梁水鎮洼陷為雙斷地塹型洼陷,在中生代至沙四段沉積時期,西側的高唐-堂邑東斷層活動較強,沉積物西厚東薄;到新生代斷陷后期,東側聊城斷裂活動增強,沉積物則東厚西薄。由于洼陷較窄,即使沉降中心發生遷移但總體沉降幅度還是比較大,沉積了較厚的古近系①吳沖龍。臨清坳陷東部油氣資源綜合評價——油氣成藏地質異常分析與資源定量預測(內部資料)。2002。。因此較厚的上覆地層使位于梁水鎮洼陷的高古5井有機質演化程度高于德南洼陷的德古2井和沈莊洼陷的高古4井,在古近紀末全部進入大量生烴階段,因而古近紀生烴量大,新近紀生烴量明顯降低。

二次生烴早晚、主要生排烴時期與斷層活動時期的匹配、后期構造運動強弱及側向封堵條件好壞是煤系源巖油氣成藏的關鍵條件。從前面分析可知研究區洼陷帶二次生烴較晚,在古近紀新近紀大量生烴。而前人①吳沖龍。臨清坳陷東部油氣資源綜合評價——油氣成藏地質異常分析與資源定量預測(內部資料)。2002。對研究區斷層發育演化的研究表明,古近紀是斷裂活動最強的階段,特別是E s3+E s2階段斷層活動速率最大,這時期斷層對油氣可以起到有效輸導作用,到新近紀斷裂停止活動或者活動微弱,可能終止或降低了油氣輸導作用。本研究通過流體包裹體系統分析技術確定油氣成藏時期發現,上古生界煤系源巖二次生排烴期次主要在新近紀末期至第四紀,因此凹陷深處生成的油氣無法運移到潛山高點聚集成藏,故無法形成大規模的油氣藏。應尋找那些斷層消亡時間晚于煤系源巖二次生排烴高峰期的圈閉,從而斷層可以作為油氣運移聚集的通道,有利于多烴源灶供烴,形成大規模的油氣聚集。

6 結論

(1)晚三疊世以前石炭-二疊煤系源巖演化在區域上基本一致,有機質于中三疊世末進入生烴門限,隨后印支運動造成全區生烴停滯,后期構造熱演化使研究區普遍發生二次生烴作用。洼陷帶煤系有機質已進入成熟-高成熟階段,成為煤成氣晚期成藏的有效供氣中心。

(2)二次生烴在時間和空間上存在分段性和主次性,不同時期生烴貢獻大小不一。洼陷帶經歷白堊紀、古近紀和新近紀-第四紀三個“二次生烴”階段,古近系較薄的洼陷三期生烴貢獻相當,在30%左右,古近系較厚的洼陷古近紀時期生烴貢獻率大于50%,白堊紀時期次之,新近紀最少;凸起帶經歷白堊紀、新近紀-第四紀兩次“二次生烴”階段,白堊紀時期生烴貢獻率大于90%;隆起區尚未發生二次生烴作用。白堊紀生成的烴類遭受破壞,古近紀以來為主力生烴期,烴類以成藏為主,是現今油氣勘探的主要目標。

(3)盆地三個旋回的疊合改造使各構造帶發生差異沉降,是煤系源巖二次生烴差異性的主控因素。印支末形成的隆起區直到新近紀才接受沉積,無法補償中晚三疊世達到的煤階。喜山早期形成的凸起帶缺失古近系,故古近紀沒有生烴。洼陷帶持續沉降,二次生烴起始熱演化程度相當,但古近系沉積差異導致南北生烴差異。南部局部地區有機質于古近紀全面進入生烴高峰期,古近紀生烴貢獻巨大,新近紀-第四紀生烴量明顯減少。北部地區有機質剛進入生烴高峰期,古近紀和新近紀生烴量相當。

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