四川盆地原油裂解气的有利地温场分布及其演化特征

马德文，邱楠生，许 威，谢增业

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学（北京）盆地与油藏研究中心，北京 102249；3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

0 引 言

四川盆地是中国重要的天然气产区，目前已发现大量天然气田［1－2］。原油裂解气是四川盆地海相碳酸盐岩地层中天然气的一个重要来源［3－4］。四川盆地海相地层时代老、埋藏受热历史长、热演化程度高，古油藏在高温条件下极易发生热裂解，形成天然气藏，目前已经在四川盆地下三叠统飞仙关组中发现了普光、罗家寨、铁山坡等原油裂解型大型气田，显示了良好的勘探前景［4－10］。研究表明，原油裂解主要受温度控制，原油裂解的温度主要为160℃～220℃，低于160℃时原油基本不会裂解，而高于220℃时原油裂解基本完成［4，11－12］。很多学者对原油裂解的特征进行了一些研究和总结［3，13－15］，但是缺少对四川盆地原油裂解气平面分布范围及其演化的研究。笔者利用镜质体反射率重建四川盆地的热演化史，并根据原油裂解气温度条件确定四川盆地原油裂解气的有利地温场分布及其演化特征。

1 热演化特征

四川盆地是扬子准地台西部一个呈北东向延展的菱型含油气盆地。该盆地是一个在上扬子克拉通基础上发展起来的叠合盆地，经历了古生代—早中生代的早期克拉通坳陷阶段和晚三叠世—新生代晚期的前陆盆地阶段［16］。该盆地经历了多次构造运动，印支期是扬子板块重大变革阶段，此时形成了盆地雏形，后经喜马拉雅运动全面褶皱形成现今构造面貌［17－20］。在多次构造运动影响下，盆地遭受了多次抬升剥蚀［21－25］，因此地层的沉积埋深及地层温度必然经历了复杂的变化。

笔者利用镜质体反射率古温标模拟热历史。根据化学动力学模型［26］建立镜质体反射率（Ro）与温度及时间的关系。该方法计算热演化史的步骤为：①首先重建地层沉积埋藏史，根据钻井的钻测数据及剥蚀数据，利用回剥法重建地层沉积埋藏史；②根据研究区的宏观构造背景假定一地温梯度演化模型或热流演化模型，结合埋藏史计算目的层经历的古地温模式；③根据计算的古地温模式以及化学动力学模型，模拟计算Ro；④用实测的Ro和模拟计算的Ro进行对比，通过反复修改假设的热演化史模型，使模拟计算的Ro和实测Ro吻合较好，此时选定的热演化史及古地温模式即为该井的热历史［27］。

沉积埋藏史是热演化史恢复的基础和前提，而地层抬升剥蚀是重建沉积埋藏史的关键参数。从早白垩世末期至今，尤其在始新世中、晚期，由于受到喜山运动影响，四川盆地发生了强烈隆升和地层剥蚀。很多学者利用多种方法对四川盆地的剥蚀量进行了恢复［24，28－29］。从前人研究可以看出，四川盆地的抬升剥蚀主要发生在晚白垩世至今，其剥蚀总厚度普遍大于2 500m。晚白垩世之前虽然也发生了多期抬升剥蚀，但是剥蚀量较小。除剥蚀量外，其他地层分层、岩性、地层物性等参数采用钻井的实际测试分析数据。

根据上述热演化史恢复方法，结合单井实际钻测数据及镜质体反射率值，重建四川盆地典型井的埋藏史及热演化史（图1～3）。从川西北地区关基井模拟结果来看，古热流从三叠纪初期约60mW·m－2，逐渐降低至侏罗纪末期的54mW·m－2，到白垩纪末期降至51mW·m－2左右，之后热流基本维持不变。川中地区女基井的热演化史趋势与关基井相似，但在白垩纪之前其古热流明显小于关基井。川西地区油1井古热流最高，三叠纪热流高达62mW·m－2，此后热流逐渐降低，现今热流仍达55mW·m－2左右。川东北地区在晚二叠世热流较高，普光5井在该时期的热流为60mW·m－2左右，但是从晚二叠世末期至三叠纪末期，其大地热流迅速降低，在三叠纪末期，其热流降低至约45mW·m－2，此后热流基本维持在该水平。

图1 典型井沉积埋藏史和热演化史模拟结果Fig.1 Simulated Results of Burial and Thermal Evolution Histories in Typical Wells

图2 典型井镜质体反射率拟合结果Fig.2 Fitting Results of Vitrinite Reflectances in Typical Wells

前人对四川盆地的热演化史也进行了大量研究，伍大茂等利用Ro、流体包裹体等对四川盆地的热演化史进行了研究［30］；陈梅涛等利用热演化史波动模型及磷灰石裂变径迹重建了四川盆地北部地区的热演化史［31］；卢庆治等利用Ro反演获得了川东北地区的热演化史［32－34］；沈传波等利用裂变径迹研究了川东北地区中、新生代的热历史［35］；邱楠生等利用Ro等研究了川东北地区的热流演化特征［36－37］。磷灰石裂变径迹等低温热年代学方法对于模拟川东北地区白垩世以来的温度演化较为有效，对比结果表明，前人利用上述方法确定的川东北地区白垩世以来的地温演化史与本研究结果基本一致［29，35－36］。从早白垩世末期至今，由于构造抬升剥蚀，四川盆地地层温度发生了明显下降；由于剥蚀量的差异，不同地区地温下降幅度也不同。

图3 典型井热流演化结果Fig.3 Heat Flow Evolution Results of Typical Wells

总之，四川盆地各构造单元自三叠纪以来的热流演化是不一致的（图3）。川东北地区的热流在地质历史时期最低，川中地区热流也较低，而川西北和川西地区热流演化最高，这种差异可能与西部青藏高原隆升及西南部峨眉山玄武岩地幔柱有关。此外，从各地区的热演化史可以看出，二叠纪热流明显高于其他时期，这主要受二叠纪火山喷发的影响，使热流在短时间内迅速升高，但是火山喷发的影响在时间上相对较短，因此热流短暂升高之后又迅速降低。

2 有利地温场分布及其演化特征

四川盆地下三叠统飞仙关组是原油裂解气型大气田的主要分布层系，目前已在该层系发现了普光、罗家寨、铁山坡等大型气田。前人研究表明，飞仙关组不仅是现今各大气田的主要储层，而且也是古油藏的主要储集层系［38－39］，其烃源岩主要为二叠系龙潭组。因此，在热演化史恢复的基础上，有必要研究四川盆地原油裂解过程。以普光5井为例（图4），其烃源岩（下二叠统龙潭组）Ro在三叠纪初达到0.5%，烃源岩开始生、排烃并在飞仙关组形成古油藏，此后成熟度不断增高，在侏罗纪中期烃源岩Ro达到1.3%，因此从三叠纪初到侏罗纪中期为古油藏形成期。在距今160Ma左右，飞仙关组的地层温度达到160℃，因此从该时期开始，原油开始裂解；之后，随着地层的不断沉积，地层温度不断升高，原油不断裂解直到早白垩世构造抬升剥蚀之前，此阶段是原油裂解气形成的主要时期，此后发生构造抬升剥蚀地层温度降低，原油停止裂解。

图4 川东北地区普光5井烃源岩及储层温度演化及原油裂解过程Fig.4 Process of Oil Cracking and Temperature Evolution of Hydrocarbon Source Rock and Reservoir in Well Puguang5of Northeast Sichuan

根据原油裂解的地温条件，在热演化史恢复的基础上，结合四川盆地各层系的现今构造分布特征及前人对四川盆地抬升剥蚀的研究成果［27］，确定了四川盆地飞仙关组在主要地质历史时期原油裂解的有利地温场分布特征（图5）。

对比不同时期四川盆地飞仙关组的地温分布可以看出，不同时期的地温场分布存在明显差异，原油裂解气的有利地温分布区是不断变化的。侏罗纪末期，几乎整个四川盆地飞仙关组的地层温度都大于原油裂解气的初始裂解温度（160℃），具备了原油裂解的地温条件，在川东北、川西及川中部分地区地温甚至明显高于220℃，原油已经完全裂解；白垩纪末期，由于构造抬升剥蚀的影响，地层温度发生下降，在构造抬升剥蚀较强烈的川南和川东地区地温发生明显下降，使得这些地区地温小于原油裂解的初始温度，此时原油裂解的有利地温场主要分布在川西、川东北和川中地区；古近纪末期，由于地层持续抬升剥蚀地温仍持续下降，此时原油裂解气仅分布在川西、川东北及川中的部分地区；相对其他地质历史时期，现今飞仙关组的地层温度最低，原油裂解气的有利地温场仅分布于川西及川东北的部分地区。

图5 飞仙关组主要地质历史时期原油裂解气有利地温场分布Fig.5 Distributions of Favorable Geothermal Fields for Oil Cracking Gas in Feixianguan Formation During Main Geological Ages

从上述地温场分布及其演化特征可以看出，虽然有利于原油裂解的地温场分布范围逐渐减小，但是从原油裂解过程可以看出（图4），对原油裂解气分布影响最大的是早白垩世末期的地温场，因为该时期地温最高，之后发生构造抬升剥蚀，地温开始下降，原油停止裂解，此后地温分布特征对原油裂解基本不再产生影响。其他地区原油裂解的过程与川东北基本一致，因为其沉积埋藏史和热演化史的总体演化趋势基本一致（图1）。因此，早白垩世末期至今的地温场分布范围是逐渐变化的，现今地温场并不能代表原油裂解的分布范围，若用现今地温场分布来约束原油裂解气分布范围会使原油裂解气的分布范围明显偏小。从图3可以看出，在川东北主要裂解型大气田的分布区，虽然现今并未处于原油裂解气的有利温度分布区，但在地质历史时期明显发生过原油裂解。总之，控制原油裂解气分布区的是古地温场，尤其是地温最高时期的地温场，而不是现今地温场。

原油裂解型气田的实际分布主要受地温场、源岩类型、裂解后气田的保存等条件影响，但是温度是控制原油裂解的主要条件，地层温度高于原油裂解的门限温度是存在原油裂解气田的必要条件；因此，笔者主要从地温场角度来约束原油裂解气的分布范围。

3 结 语

（1）四川盆地各构造单元自三叠纪以来的热流演化是不一致的。川东北地区热流在地质历史时期最低，川中地区热流也较低，而川西北和川西地区热流演化最高。这种差异与青藏高原隆升及峨眉山玄武岩地幔柱有关。此外，四川盆地在二叠纪时期热流明显高于其他时期，但高热流持续时间较短，这主要受岩浆岩侵入的影响。

（2）四川盆地飞仙关组原油裂解气的有利地温分布区是不断变化的，侏罗纪末期范围最大，几乎遍及整个四川盆地，白垩纪末期范围缩小，古近纪末期收缩至川西和川中部分地区，现今范围最小，主要分布在川西部分地区。控制原油裂解气分布区的是古地温场，尤其是地温最高时期的地温场，而与现今地温场的关系并不密切。参考文献：

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