澳大利亞波拿巴盆地Petrel次盆古生界頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化的差異及其地質(zhì)意義

段 威，侯宇光，何 生，涂偉偉，殷世艷，權(quán)永彬

(1.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實驗室，湖北武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北武漢430074;3.中國石油遼河油田茨榆坨采油廠，遼寧遼中110206;4.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009)

頁巖油氣是一種潛在的、資源量巨大的非常規(guī)油氣資源。其形成機(jī)制與常規(guī)油氣藏基本相似，但屬原地成藏，主要受控于盆地?zé)N源巖熱演化程度［1-2］。根據(jù)世界頁巖油氣資源量分布特征最新研究進(jìn)展和頁巖油氣資源評價標(biāo)準(zhǔn)，Petrel次盆地的海陸過渡相頁巖具有巨大的頁巖油氣資源潛力。Petrel次盆地位于澳大利亞波拿馬盆地東南部，是一個北西-南東走向的不對稱古生代裂谷［3-5］。最近國際石油公司在Petrel次盆相繼發(fā)現(xiàn)了Petrel和Tern兩個大型氣田［6］，預(yù)示該區(qū)具有良好的油氣勘探前景。目前研究區(qū)少數(shù)幾口探井資料揭示Petrel次盆油氣藏類型包括常規(guī)砂巖油氣藏和非常規(guī)頁巖油氣藏，均為自生自儲類型［7-10］。由于該區(qū)勘探程度低，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對Petrel次盆內(nèi)勘探目的層——古生界烴源巖，尤其是對其頁巖層內(nèi)有機(jī)質(zhì)的熱演化過程、烴類的賦存狀態(tài)及其空間分布特征至今仍然沒有清晰的認(rèn)識，這直接關(guān)系到油氣勘探開發(fā)方案的制定及其經(jīng)濟(jì)效益的好壞。綜合地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)資料，運(yùn)用含油氣系統(tǒng)模擬技術(shù)可以揭示地質(zhì)歷史時期有效源巖生烴的動態(tài)演化過程，從而在時-空四維尺度呈現(xiàn)勘探目的層內(nèi)烴類的賦存狀態(tài)［11-13］，這對含油氣盆地油氣勘探，尤其是具有自生自儲特征的頁巖油氣勘探具有重要指導(dǎo)意義。因此，筆者運(yùn)用盆地模擬技術(shù)對Petrel次盆古生界3套頁巖地質(zhì)歷史過程中有機(jī)質(zhì)的演變特征進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)背景

波拿巴盆地位于澳大利亞西北大陸架的最北端，盆地自西向東可分為7個一級構(gòu)造單元(圖1)。其內(nèi)部構(gòu)造格局受南部北西-南東走向的古生代構(gòu)造帶和北部北東-南西走向的中生代構(gòu)造帶控制［14］。石炭紀(jì)以來，波拿巴盆地先后經(jīng)歷了石炭紀(jì)末—早二疊世克拉通裂陷階段、晚二疊世—早三疊世大陸邊緣坳陷階段、三疊紀(jì)末構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段、早中侏羅世—早白堊世大陸邊緣裂陷階段、早白堊世晚期—晚白堊世坳陷階段、晚白堊世末—古新世構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段和始新世至今被動大陸邊緣發(fā)展階段等七期構(gòu)造運(yùn)動［5］，發(fā)育了古生界和中生界兩大烴源巖層系［5-6］。古生界烴源巖主要發(fā)育于研究區(qū)波拿巴盆地東南部的Petrel次盆內(nèi)，自下而上分別為下石炭統(tǒng)Milliigans組頁巖、下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖和上二疊統(tǒng) Hyland Bay組前三角洲頁巖(圖2)［14］;總有機(jī)碳含量平均值分別為0.58%、3.79%和1.14%，有機(jī)質(zhì)類型以III型和Ⅱ2型為主。

圖1 波拿巴盆地南部模擬測線和井位位置Fig.1 Well and modeling seismic line positions in south of Bonaparte Basin

圖2 波拿巴盆地南部古生界地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratum profile of Paleozoic strata in south of Bonaparte Basin

2 模型選擇及參數(shù)選取

根據(jù)Petrel次盆區(qū)域構(gòu)造和沉積特征，選擇通過該次盆地沉積和沉降中心的二維地震測線line R9710005和line R9710003進(jìn)行模擬。這兩條測線地層發(fā)育完整，地層的分布形態(tài)具有代表性，且附近有可以借鑒的模擬參數(shù)資料可用。

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造-熱歷史狀況，選用瞬變的裂谷熱流模型進(jìn)行區(qū)域熱流史恢復(fù)［15］。有機(jī)質(zhì)成熟度計算采用目前較為流行的EASY%Ro模型［16-18］。

模擬過程中所需的資料有:①地層巖性，來源于研究區(qū)內(nèi)的巖性錄井資料;②地層厚度，來源于地震解釋資料;③巖石物性，來源于巖心分析及測井資料;④地層剝蝕厚度，根據(jù)單井聲波時差測井法恢復(fù)獲得;⑤巖石體積熱容和熱導(dǎo)率，采用軟件提供的參數(shù);⑥烴源巖地球化學(xué)參數(shù)，下石炭統(tǒng)Milliigans組頁巖、下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖和上二疊統(tǒng)Hyland Bay組前三角洲頁巖TOC平均值分別為0.58%、3.79%和1.14%，有機(jī)質(zhì)類型分別為Ⅱ2型、III型和Ⅱ2型;⑦古溫標(biāo)，實測鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)。

3 模擬結(jié)果

Petrel 2井位于兩條測線附近，從現(xiàn)今地層溫度及有機(jī)質(zhì)成熟度模擬結(jié)果與實測值比較(圖3)來看，兩者差別不大，具有較高的擬合度。這說明模型選擇比較切合實際地質(zhì)狀況，模擬結(jié)果具有較高的實用價值。

圖3 Petrel次盆地Petrel 2井模擬地溫、Ro與實測值擬合關(guān)系Fig.3 Relations of modeling temperature and Rotrend and measured values of well Petrel 2 in Petrel subbasin

Petrel次盆內(nèi)頁巖主要發(fā)育在下石炭統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)。受區(qū)域沉積-構(gòu)造控制，不同層系頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化具有顯著差異性(圖4)。在測線line R9710005上，目前石炭系埋深一般大于7.0 km，地層溫度大于200℃，有機(jī)質(zhì)大都處于過成熟階段，鏡質(zhì)體反射率(Ro)大于2.0%。下石炭統(tǒng)位于石炭系下部，地層溫度多大于360℃，Ro大于4.0%。在Petrel次盆南部深凹區(qū)，下二疊統(tǒng)現(xiàn)今埋深多為6.0～7.0 km，地層溫度一般為160～240℃，Ro為2.0% ～3.0%;上二疊統(tǒng)現(xiàn)今埋深多為5.0～6.0 km，地層溫度一般為140～200℃，Ro為1.0%～2.0%。在Petrel次盆北部，受區(qū)域構(gòu)造活動影響，二疊系埋深相對較小，為2.0～5.0 km，地層溫度為80～150℃，Ro為0.5% ～1.3%。

在測線 line R9710003上，在 Petrel次盆深凹區(qū)，石炭系埋深一般大于6.0 km，地層溫度大于160℃，Ro＞2.0%;二疊系埋深為4.0～6.0 km，地層溫度為120～160℃，Ro為1.3% ～2.0%。在 Petrel次盆周緣鄰近Londonderry隆起和Darwin陸架的區(qū)域，古生界頁巖埋深相對較小，為2.0～6.0 km，地層溫度為80～160℃，Ro為0.5% ～2.0%。

圖4 測線line R9710005和line R9710003現(xiàn)今二維剖面溫度和成熟度分布Fig.4 Two-dimensional profiles of current maturity and temperature distribution along Line R9710005 and Line R9710003

與現(xiàn)今研究區(qū)古生界頁巖熱演化特征類似，地質(zhì)歷史過程中古生界頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化同樣延續(xù)了區(qū)域上的差異性(圖5)。在測線line R9710005上，Petrel次盆南部石炭系Milliigans組、下二疊統(tǒng)Keyling組和上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖進(jìn)入生烴高峰期分別約為二疊紀(jì)早期290 Ma、侏羅紀(jì)早期195 Ma和侏羅紀(jì)中期167 Ma;進(jìn)入高成熟演化階段分別約為早二疊紀(jì)末275 Ma、早侏羅紀(jì)181 Ma和早白堊紀(jì)132 Ma;目前，石炭系Milliigans組頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度Ro大于4.5%，下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖Ro為1.0% ～3.0%，上二疊統(tǒng) Hyland Bay組頁巖Ro為0.5% ～3.0%。由于研究區(qū)北部地層埋深相對較淺，鄰近Malita地塹的頁巖所含有機(jī)質(zhì)熱演化速率和程度相對較低，但石炭系Milliigans組頁巖Ro仍然大于4.5%，下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖Ro為1.0% ～1.3%，上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖Ro為0.5% ～1.0%。

在測線 line R9710003上，Petrel次盆石炭系Milliigans組、下二疊統(tǒng)Keyling組和上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖進(jìn)入生烴高峰期分別約為二疊紀(jì)早期290 Ma、侏羅紀(jì)早期175 Ma和侏羅紀(jì)中期100 Ma;進(jìn)入高成熟演化階段分別約為早二疊紀(jì)末275 Ma、侏羅紀(jì)末150 Ma和早第三紀(jì)25 Ma。目前，深凹區(qū)石炭系Milliigans組頁巖Ro大于4.0%，下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖 Ro為1.0% ～2.0%，上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖Ro為0.5% ～1.3%。

受地層差異沉降影響和控制，鄰近Londonderry隆起和Darwin陸架的地層埋深相對較淺，頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化速率和程度相對較低。石炭系Milliigans組頁巖Ro為1.0% ～3.0%，下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖Ro為0.5% ～1.0%，上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖Ro為0.5%～0.7%。

圖5 Petrel次盆地Hyland Bay組、Keyling組和Milliigans組烴源巖成熟度Ro演化Fig.5 Maturity evolution(Ro)of Hyland Bay，Keyling and Milliigans formation in Petrel subbasin

4 地質(zhì)意義

美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣勘探取得巨大成功，被認(rèn)為是非常規(guī)熱成因頁巖氣系統(tǒng)的典范［19］。這種熱成因氣既有來自干酪根初次裂解生成的氣體，也有液態(tài)原油二次裂解生成的氣體［19］。研究證實有機(jī)質(zhì)演化過程中，極性化合物的形成與其裂解同時進(jìn)行，原油二次裂解氣的生成量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過干酪根初次裂解氣量［20］。從Petrel次盆三套古生界頁巖的演化歷史來看，石炭系Milliigans組頁巖在二疊紀(jì)早期進(jìn)入生烴高峰期，早二疊紀(jì)末進(jìn)入高成熟演化階段，在三疊紀(jì)早期進(jìn)入過成熟階段，目前整體處于過成熟度階段Ro大于4.0%。對于含有Ⅱ2型干酪根的石炭系頁巖而言，這意味著二疊紀(jì)是石炭系頁巖生成天然氣的高峰期，二疊紀(jì)中-晚期可能是原油二次裂解氣生成的高峰期，侏羅紀(jì)至今石炭系Milliigans組頁巖Ro大于4.0%，如此高的演化程度對于頁巖氣的保存不利，這一時期初步認(rèn)為是頁巖氣的破壞期，現(xiàn)今頁巖層內(nèi)保存的天然氣可能較為有限。

對于二疊系頁巖而言，下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖在三疊紀(jì)末期進(jìn)入生烴高峰，在晚侏羅紀(jì)進(jìn)入高成熟階段，在晚白堊紀(jì)進(jìn)入過成熟階段，現(xiàn)今整體Ro為1.3%～2.0%。對于含有III型干酪根的下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖來說，這可能意味著侏羅紀(jì)可能是Keyling組頁巖生成天然氣的高峰期，白堊紀(jì)至今是生成的少量液態(tài)烴發(fā)生裂解的時期，這一演化歷程表明下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖可以成為該區(qū)頁巖氣勘探的主要目的層。上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖在晚白堊紀(jì)進(jìn)入生烴高峰，在古近紀(jì)末期進(jìn)入高成熟階段，現(xiàn)今整體Ro為1.0% ～2.0%。這對于含有Ⅱ2型干酪根的上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖而言意味著第三紀(jì)以來它一直處于生氣高峰期，新近紀(jì)至今可能是原油二次裂解氣生成的高峰期。因此，它是該區(qū)頁巖氣勘探的又一主要目的層。

受區(qū)域沉積-構(gòu)造影響和控制，古生界三套頁巖在Petrel次盆周緣有機(jī)質(zhì)演化程度相對于深凹區(qū)偏低。Petrel次盆周緣現(xiàn)今石炭系Milliigans組頁巖Ro大于1.0%，二疊系頁巖Ro為0.5% ～1.3%。這意味著Petrel次盆周緣尤其是鄰近Londonderry隆起和Darwin陸架的區(qū)域則可能是頁巖油勘探的相對有利地區(qū)。

綜上所述，在Petrel次盆深凹區(qū)二疊系是該區(qū)頁巖氣勘探的主要目的層。下覆石炭系頁巖由于有機(jī)質(zhì)演化程度高，頁巖氣勘探潛力相對較為有限。在Petrel次盆周緣，尤其是次盆周緣鄰近Londonderry隆起和Darwin陸架的區(qū)域則應(yīng)是古生界頁巖油勘探的相對有利地區(qū)。這一結(jié)論也已被油氣勘探實踐所證實。截至目前，Petrel次盆地共有14口氣井和6口油井。其中氣井主要分布在研究區(qū)中-北部，二疊系頁巖是主要的含氣層，尤為引人注意的是，在研究區(qū)中部發(fā)現(xiàn)了Petrel和Tern兩個二疊系大型氣田;油井主要分布在東-西兩側(cè)鄰近Londonderry隆起和Darwin陸架的區(qū)域。

5 結(jié)論

(1)Petrel次盆內(nèi)古生界頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化歷史模擬結(jié)果顯示，二疊紀(jì)是石炭系頁巖生成天然氣的高峰期，二疊紀(jì)中—晚期可能是原油二次裂解氣生成的高峰期，侏羅紀(jì)至今是石炭系Milliigans組頁巖氣的破壞期，現(xiàn)今頁巖層內(nèi)保存的天然氣可能較為有限;侏羅紀(jì)是下二疊統(tǒng)Keyling組頁巖生成天然氣的高峰期;第三紀(jì)以來上二疊統(tǒng)Hyland Bay組頁巖一直處于生氣高峰期，新近紀(jì)至今可能是其原油二次裂解氣生成的高峰期。

(2)受區(qū)域差異沉降的控制和影響，Petrel次盆中-北部烴源巖埋深大，有機(jī)質(zhì)演化程度高，東-西部烴源巖埋深小，熱演化程度相對較低。Petrel次盆深凹區(qū)二疊系地層是該區(qū)頁巖氣勘探的主要目的層，這種頁巖氣是干酪根初次裂解氣和原油二次裂解氣的混合物;頁巖油勘探則應(yīng)集中在Petrel次盆周緣東-西部有機(jī)質(zhì)熱演化相對較低的區(qū)域。

［1］ 李新景，呂宗剛，董大忠，等.北美頁巖氣資源形成的地質(zhì)條件［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(5):27-32.

LI Xin-jing，Lü Zong-gang，DONG Da-zhong，et al.Geologic controls on accumulation of shale gas in North A-merica［J］.Natural Gas Industry，2009，29(5):27-32.

［2］ 孟元林，趙紫桐，焦金鶴，等.共和盆地頁巖油氣地球化學(xué)特征［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，36(5):32-37.

MENG Yuan-lin，ZHAO Zi-tong，JIAO Jin-he，et al.Geochemical characteristics of the shale hydrocarbon in Gonghe Basin［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2012，36(5):32-37.

［3］ 黃彥慶，白國平.澳大利亞波拿巴盆地油氣地質(zhì)特征及勘探潛力［J］.石油實驗地質(zhì)，2010，32(3):238-241.

HUANG Yan-qing，BAI Guo-ping.Petroleum geological features and exploration potential analyses of the Bonaparte Basin，Australia［J］.Petroleum Geology ＆ Experiment，2010，32(3):238-241.

［4］ 盧景美，陳景陽，姜培海，等.澳大利亞西北大陸架Bonaparte盆地Sahul區(qū)塊Elang組成巖作用［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2011，25(1):78-84.

LU Jing-mei，CHEN Jing-yang，JIANG Pei-hai，et al.Elang sandstone diagenesis in Sahul block of Bonaparte Basin，Australia［J］.Geoscience，2011，25(1):78-84.

［5］ 周川，王英民，黃志超，等.澳大利亞北波拿巴盆地北部地區(qū)中生界層序地層及地震相研究［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2009，25(5):19-24.

ZHOU Chuan，WANG Ying-min，HUANG Zhi-chao，et al.Mesozoic sequence stratigraphy and seismic facies characteristics in northern Bonaparte Basin，Australia［J］.Marine Geology Development，2009，25(5):19-24.

［6］ 段威，侯宇光，何生，等.澳大利亞波拿巴盆地侏羅系烴源巖熱史及成熟史模擬［J］.地質(zhì)科技情報，2011，30(3):65-72.

DUAN Wei，HOU Yu-guang，HE Sheng，et al.Jurassic source rock thermal and maturity history modelling in the Bonaparte Basin of Australia［J］.Geological Science and Technology Information，2011，30(3):65-72.

［7］ WEST B，MIYAZAKI S.Potential seen on Australia Bonaparte exploration acreage［J］.Oil＆ Gas Journal，1994，92(37):97-99.

［8］ MIYAZAKI S.Australia's southeastern Bonaparte Basin has plenty of potential［J］.Oil ＆ Gas Journal，1997，95(16):78-81.

［9］ LINDNER A W.Oil and gas developments in Australia in 1989［J］.AAPG Bulletin，1990，74(10):183-200.

［10］ WELTE D H.Petroleum origin and accumulation in basin evolution:a quantitative model［J］.AAPG Bulletin，1981，65(8):1387-1396.

［11］ NAKAYAMA K，VANSICLIN D C.Simulation model for petroleum exploration［J］.AAPG Bulletin，1981，65(7):1230-1255.

［12］ BEAUMONT C，BOUTILIER R，MACKENZIE A S.I-somerization and aromatization of hydrocarbons and the paleothermometry and burial history of the Alberta Foreland Basin［J］.AAPG Bulletin，1985，69(4):546-566.

［13］ CAO S，LERCHE I.Geohistory，thermal history and hydrocarbon generation history of Navarin Basin Cost No.1 well，Bering Sea，Alask［J］.Petroleum Geology，1989，12(3):325-352.

［14］ HAGGAS S，MARSHALL E，RHEINBERG P，et al.Offshore exploration and development of the Browse and Bonaparte Basins:a review［J］.APPEA Journal，2006，46(1):666-667.

［15］ 王民，盧雙舫，董奇，等.有機(jī)質(zhì)生烴動力學(xué)模型對比［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，35(3):12-18.

WANG Min，LU Shuang-fang，DONG Qi，et al.Comparison on hydrocarbon generation kinetic models［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2011，35(3):12-18.

［16］ SWEENEY J J，BURNHAM A K.Evaluation of a simple model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics［J］.AAPG Bulletin，1990，74(10):1559-1570.

［17］ BURNHAM A K，SWEENEY J J.A chemical kinetic model of vitrinite maturation and reflectance［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，1989，53(10):2649-2656.

［18］ 蘇玉平，付曉飛，盧雙舫，等.EASY%Ro法在濱北地區(qū)熱演化史中的應(yīng)用［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2006，30(2):528.

SU Yu-ping，F(xiàn)U Xiao-fei，LU Shuang-fang，et al.Application of EASY%Romodel to the research of thermal evolution in Binbei［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2006，30(2):528.

［19］ JARVIE D M，HILL R J，RUBLE T E，et al.Unconventional shale-gas systems:the Mississippian Barnett shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas system［J］.AAPG Bulletin，2007，91(4):475-499.

［20］ WAPLES D W.The kinetics of in-reservior oil destruction and gas formation:constraints from experimental and empirical data，and from thermodynamics［J］.Organic Geochemistry，2000，31:553-575.