西部擠壓盆地地質剖面熱演化與油氣運聚演化模擬
——以準噶爾盆地為例

趙樂強 (中石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257000)

譚沛森 (中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266000)

郭瑞超，馬驥，宮亞軍 (中石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東 東營 257000)

準噶爾盆地是中國西部典型的疊合盆地，也是中國西部最具潛力的含油氣盆地之一。盆地由北天山山前坳陷、中央隆起、中央坳陷、東部隆起、陸梁隆起以及烏倫古坳陷等8個構造單元組成[1](圖1)。準噶爾盆地是在前寒武結晶基底和海西褶皺基底結構上形成的盆地，自晚古生代以來，經歷了海西運動、印支運動、燕山和喜馬拉雅構造運動。由于復雜構造運動的多次疊加，形成了多期擠壓收縮構造的復合前陸盆地。盆地形成過程中的多期構造旋回，造成多種構造樣式和沉積體系，造就了準噶爾盆地構造復雜且超壓十分發育的特征，進而影響了油氣的生成和運聚成藏。

筆者在擠壓構造演化發育和巖相基礎上，結合超壓，利用PetroMod軟件的“Block”功能[2]，選定了盆地內一條途經多個勝利礦權、烴源巖發育、儲蓋組合完整的南北向剖面，模擬了該擠壓剖面烴源巖成熟度及油氣運聚演化，以期為準噶爾盆地擠壓、超壓背景下成烴及成藏認識與勘探方向確定提供依據。

1 地質背景及模擬參數的確定

1.1 地質背景

準噶爾盆地在泥盆紀-石炭紀為地臺，地臺邊緣發育海槽。晚石炭世末期，地臺邊緣海槽由北向南萎縮至閉合，準噶爾盆地由海相逐漸向陸相過渡[3]。從二疊紀至第四紀，準噶爾盆地由濱淺海、火山巖相逐漸變為濱淺湖、半深湖-深湖、扇三角洲的陸相沉積(圖2)。

準噶爾盆地二疊紀至今，經歷了3大階段：①二疊紀為大型坳陷和隆起組成的前陸盆地階段，發育多個沉積中心，準噶爾盆地在二疊紀末期基本定型；②三疊紀-古近紀陸內坳陷階段，后期印支-燕山運動為繼承性基礎之上的復合與改造；③新近紀至今為再生前陸階段(圖3)。

圖1 準噶爾盆地構造單元劃分圖

圖2 準噶爾盆地南北向構造巖相剖面圖(圖1所示位置A-A′)圖

圖3 準噶爾盆地南北向構造發育史剖面圖(圖1所示位置A-A′)

1.2 模擬參數的確定

古熱流和地熱梯度受盆地及區域構造演化的控制，前人通過對準噶爾盆地60口井資料的模擬，得出盆地典型地溫演化情況，表現為由古至今熱流值和地熱梯度總體逐漸減小，但相對高溫區分布略有差異。根據單井模擬，晚石炭世末期地熱梯度高達43.3℃/km，晚二疊世末期為36.3℃/km，三疊紀末為33.8℃/km，侏羅紀末為28.4℃/km，白堊紀末為24.8℃/km。新近紀末至今為22.8℃/km。模擬顯示，自三疊紀以來盆地地溫格局已基本成型，平均地溫梯度在22.6℃/km，平均大地熱流值在42.3mW/m2[4,5]。

準噶爾盆地發育多套烴源巖，其中下二疊統風城組、中二疊統烏爾禾組以及下侏羅統八道灣組是其最主要的烴源巖層系。儲集層與蓋層共發育3套組合：淺層組合以新近系(如塔西河組)的泥巖、膏泥巖為蓋層，古近系(如沙灣組)為儲層的組合；中層組合以下白堊統、中侏羅統為蓋層，白堊系和侏羅系的多套儲層的組合；下層組合為中-下三疊統與石炭系(火山巖)的儲集層，和上三疊統白堿灘組與二疊系、上三疊統為蓋層的組合。

2 烴源巖成熟度模擬分析及結果驗證

準噶爾盆地的快速沉積、多構造旋回的擠壓逆沖、剝蝕及異常超壓等決定了其熱演化的獨特性，進而影響著烴源巖成熟度的演化過程，增加了烴源巖成熟度模擬的難度，該次研究也重點從這些方面去探討烴源巖成熟度模擬的關鍵問題[2,6]。

2.1 多旋回擠壓逆沖對烴源巖成熟度的影響

準噶爾盆地西北緣和南緣發生了多次擠壓逆沖運動，且發生時間較短，造成短時間內地層埋深的突然上升或下降，影響了熱流值的瞬時變化，進而影響烴源巖的成熟度演化，以往該方面研究比較薄弱。筆者認為準噶爾盆地的多旋回擠壓逆沖對烴源巖成熟度的影響主要表現為2種方式：①擠壓逆沖發生在烴源巖成熟之后，主要發生在南緣齊古斷褶帶，擠壓逆沖使得地層整體被抬升，盡管現今上覆地層較薄，埋藏較淺，但烴源巖實際鏡質體反射率(Ro)仍較高，在0.5%～0.8%之間(圖4)。擠壓逆沖斷層的上、下盤同一套烴源巖Ro也較一致，反映擠壓逆沖發生在有機質成熟之后。②擠壓逆沖發生在烴源巖成熟之前，主要發生在北部烏夏斷裂帶和和什托洛蓋盆地南側，擠壓逆沖造成下盤埋深的增大，當地層重復較多時，厚度明顯變大，逆沖斷層下盤烴源巖成熟度熱演化明顯增高，之后再接受沉積，使烴源巖有機質熱演化因構造和沉積等作用而明顯增大。北部烏夏斷裂帶等烴源巖Ro在短時間內的劇烈變化，說明擠壓逆沖造成的構造變化對烴源巖熱演化有重要的控制作用。

圖4 準噶爾盆地南北向烴源巖成熟度模擬剖面圖(圖1所示位置A-A′)

2.2 異常超壓對烴源巖成熟度的影響

二維剖面地層壓力系數模擬(圖5)表明：盆地腹部現今的異常高壓主要發育在侏羅系以下的地層；在早-中侏羅世二疊系形成異常超壓；侏羅系中的異常超壓形成于古近紀以來；該盆地腹部現今存在的超壓可能與壓實有關，但不是與欠壓實有關[1,7]；就侏羅系及其以下地層中現今發育的超壓而言，其成因主要與構造擠壓逆沖及熱作用有機質成熟引起的油氣的生成，尤其與天然氣的生成有關；深部主要烴源巖層二疊系和侏羅系中的超壓說明烴源巖仍處于被加熱和生烴過程，深部異常高壓帶上部有機質Ro為0.7%～0.8%，埋深為4000～5500m[8～10]。從圖5可以看出，在盆1井西凹陷和瑪湖凹陷的壓力系數較高，超壓程度明顯高于昌吉凹陷，而圖4現今剖面中在盆1井西凹陷和瑪湖凹陷的成熟度明顯小于昌吉凹陷的成熟度，說明超壓對烴源巖的熱演化程度具有一定的抑制作用。

2.3 沉積或剝蝕速率對熱流的影響

地層沉積使地表熱流值降低，地層剝蝕使地表熱流值增加，而地層沉積速率和剝蝕速率越大對熱流值的影響越大。Deming分析了沉積速率對地表熱流值的影響：①沉積速率為1km/Ma時，地表熱流值從60mW/m2減小至20mW/m2左右；②沉積速率達0.1km/Ma時，熱流值從60mW/m2減小至45mW/m2左右。準噶爾前陸盆地二疊系和侏羅系沉積以來，如瑪湖凹陷和昌吉凹陷沉積物快速沉積，模擬二疊紀和侏羅紀地層的快速沉積，顯示地表熱流會從原來的65mW/m2迅速減小到55mW/m2[4,5,11]。

準噶爾盆地瑪湖凹陷自三疊紀開始，昌吉凹陷自古近紀開始，地層的快速沉積使地表熱流值與地溫梯度都有不同程度地降低，造成現今埋藏深度較大地層的熱流值與地溫梯度相對較低。相反，擠壓逆沖造成地層快速抬升剝蝕，造成熱流值與地溫梯度增大，因此盆地現今熱流值和地溫梯度分布同樣呈現擠壓逆沖帶熱流值大、地溫梯度高，而瑪湖凹陷和昌吉凹陷等盆地腹部地區地溫梯度和熱流值相對較低的分布特征(圖6)。

圖6 準噶爾盆地南北向地溫演化模擬剖面圖(圖1所示位置A-A′)

2.4 成熟度模擬結果驗證

通過研究區征3井的成熟度模擬(圖7)，并用實測數據校正后，從單井與剖面模擬成熟度的結果均可以看出，研究區二疊系烴源巖在晚二疊世開始成熟，侏羅紀達到成熟階段，現今熱演化特征基本處于高成熟-過成熟階段；侏羅系烴源巖在白堊紀開始成熟，現今處于成熟階段。過剖面的征3井單獨模擬結果與剖面(圖4)的成熟度模擬具有一致性，說明二維剖面模擬結果準確可信。

圖7 征3井埋藏史與熱演化關系圖

3 油氣運聚成藏演化模擬結果分析

石油初次運移的動力主要為壓實作用、壓實排水、異常高壓及生油巖與儲集層之間的壓力差,排油量一般采用壓實法進行計算。天然氣初次運移的動力主要為新增的天然氣和壓實作用引起的體積變化而產生的壓差,排氣量計算一般采用物質平衡法[12]。

具體的模擬方法有以下4種：①流線法，以浮力為主要驅動力，描述油、氣沿著等深線法線的方向進行運移；因為這是一個幾何學計算，故又稱為“圖基”法。②多相達西流法，主要考慮浮力、毛細管力、黏滯力等因素，描述油、氣、水的運移。③混合法，流線法和多相達西流法相結合。④侵入逾滲法，主要考慮毛細管力與浮力的關系，依據侵入逾滲法，描述油和氣的運移。綜合對比該次采用多項達西流法和侵入逾滲法(圖8)進行模擬，模擬結果基本一致，且效果較好。

下面從模擬結果具體分析油氣不同時期的運移、聚集規律。

3.1 石炭紀-三疊紀油氣運聚模擬

二疊系烴源巖在三疊紀處于低成熟階段，即源巖剛開始成熟，烴源巖內部壓力處于上升時期，未形成明顯的壓差。所以石炭紀-二疊紀時期沒有油氣運移，在三疊紀發生少量的油氣運移，屬油氣運移起始階段。

3.2 侏羅紀油氣運聚模擬

從模擬結果來看，二疊系烴源巖在侏羅紀達到成熟階段，油氣開始大量運聚。

早侏羅世(八道灣組-三工河組沉積期)，二疊系烴源巖已處于成熟階段，但該時期受區域異常壓力的釋放，而未形成較好的流體勢壓差，促使油氣大量運移，故該時期油氣運移有所增加，但運移量仍不是很大，僅在莫索灣凸起兩側斷裂帶、瑪湖凹陷和昌吉凹陷區域發生油氣運移。

中侏羅世西山窯組沉積期至侏羅紀末期，二疊系主力烴源巖大量成熟，且二疊系異常高壓重新形成，產生了較高的流體勢勢差，促使整個剖面油氣開始大量運移。在全剖面大量運移的情況下，油氣主要聚集在莫索灣凸起、霍瑪吐背斜帶和達巴松凸起區域，屬盆地的第一期主運聚期。

圖8 準噶爾盆地南北向侵入逾滲法模擬油氣運聚過程剖面圖(圖1所示位置A-A′)

3.3 白堊紀油氣運聚模擬

白堊紀是準噶爾盆地油氣運聚的主成藏期。該時期二疊系烴源巖為排烴高峰期，侏羅系烴源巖也開始大量成熟，異常高壓持續作用，流體勢勢差良好。在一切條件達到很好的匹配情況下，全剖面油氣進入運移高峰期，油氣聚集優勢帶仍位于莫索灣凸起、霍瑪吐背斜帶和達巴松凸起區域。

3.4 古近紀-現今油氣運聚模擬

古近紀至今，二疊系烴源巖已處于高成熟-過成熟階段，侏羅系烴源巖處于高成熟階段，異常高壓的持續存在，致使流體勢勢差在盆地腹部仍較明顯，故古近紀仍繼承白堊紀的油氣運聚規律。但受第四紀南部強擠壓逆沖推覆構造的影響，使得齊古斷褶帶異常破碎，流體勢差異明顯，在第四紀齊古斷褶帶油氣運聚明顯增強，使得齊古斷褶帶也成為主要的聚集區，相反瑪湖凹陷油氣運聚有減緩趨勢，其他區域仍繼承前期運聚規律。

4 結論

1)自二疊紀開始至今，準噶爾盆地經歷了二疊紀時期的前陸盆地演化、三疊紀-古近紀時期的陸內坳陷演化、新近紀至今的再生前陸盆地演化等3個構造演化階段。認識到大地構造演化背景對準噶爾盆地的大地熱流和地溫梯度起一定的控制作用，如強烈的擠壓逆沖，使得下盤快速沉降，使大地熱流和地溫梯度降低，形成異常超壓，延緩源巖的成熟。

2)準噶爾盆地烴源巖熱演化具有其特定的特征，擠壓逆沖、異常超壓、沉積或剝蝕速率過快引起熱流值的不均衡，一定程度控制了盆地烴源巖熱演化過程。擠壓逆沖發生在源巖成熟之前，促進烴源巖成熟；反之，不影響烴源巖成熟度。通過對超壓形成時期與烴源巖成熟度演化的對比分析，認識到超壓不僅促使油氣運移，而且影響著源巖的成熟度，三疊紀異常超壓影響二疊系源巖的演化，侏羅紀及后期的異常超壓主要影響侏羅系源巖的熱演化程度。

3)通過應用多相達西流和侵入逾滲法模擬剖面的油氣運聚規律，結合成熟度及壓力演化的模擬，認識到現今油氣聚集區主要分布在莫索灣凸起、霍瑪吐背斜帶、齊古斷褶帶及瑪湖凹陷中部次凸起區帶。

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