澳大利亚波拿巴盆地Petrel次盆古生界页岩有机质热演化的差异及其地质意义

段 威，侯宇光，何 生，涂伟伟，殷世艳，权永彬

(1.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉430074;2.中国地质大学资源学院，湖北武汉430074;3.中国石油辽河油田茨榆坨采油厂，辽宁辽中110206;4.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009)

页岩油气是一种潜在的、资源量巨大的非常规油气资源。其形成机制与常规油气藏基本相似，但属原地成藏，主要受控于盆地烃源岩热演化程度［1-2］。根据世界页岩油气资源量分布特征最新研究进展和页岩油气资源评价标准，Petrel次盆地的海陆过渡相页岩具有巨大的页岩油气资源潜力。Petrel次盆地位于澳大利亚波拿马盆地东南部，是一个北西-南东走向的不对称古生代裂谷［3-5］。最近国际石油公司在Petrel次盆相继发现了Petrel和Tern两个大型气田［6］，预示该区具有良好的油气勘探前景。目前研究区少数几口探井资料揭示Petrel次盆油气藏类型包括常规砂岩油气藏和非常规页岩油气藏，均为自生自储类型［7-10］。由于该区勘探程度低，区域地质构造复杂，对Petrel次盆内勘探目的层——古生界烃源岩，尤其是对其页岩层内有机质的热演化过程、烃类的赋存状态及其空间分布特征至今仍然没有清晰的认识，这直接关系到油气勘探开发方案的制定及其经济效益的好坏。综合地质、地球物理和地球化学资料，运用含油气系统模拟技术可以揭示地质历史时期有效源岩生烃的动态演化过程，从而在时-空四维尺度呈现勘探目的层内烃类的赋存状态［11-13］，这对含油气盆地油气勘探，尤其是具有自生自储特征的页岩油气勘探具有重要指导意义。因此，笔者运用盆地模拟技术对Petrel次盆古生界3套页岩地质历史过程中有机质的演变特征进行研究。

1 地质背景

波拿巴盆地位于澳大利亚西北大陆架的最北端，盆地自西向东可分为7个一级构造单元(图1)。其内部构造格局受南部北西-南东走向的古生代构造带和北部北东-南西走向的中生代构造带控制［14］。石炭纪以来，波拿巴盆地先后经历了石炭纪末—早二叠世克拉通裂陷阶段、晚二叠世—早三叠世大陆边缘坳陷阶段、三叠纪末构造反转阶段、早中侏罗世—早白垩世大陆边缘裂陷阶段、早白垩世晚期—晚白垩世坳陷阶段、晚白垩世末—古新世构造反转阶段和始新世至今被动大陆边缘发展阶段等七期构造运动［5］，发育了古生界和中生界两大烃源岩层系［5-6］。古生界烃源岩主要发育于研究区波拿巴盆地东南部的Petrel次盆内，自下而上分别为下石炭统Milliigans组页岩、下二叠统Keyling组页岩和上二叠统 Hyland Bay组前三角洲页岩(图2)［14］;总有机碳含量平均值分别为0.58%、3.79%和1.14%，有机质类型以III型和Ⅱ2型为主。

图1 波拿巴盆地南部模拟测线和井位位置Fig.1 Well and modeling seismic line positions in south of Bonaparte Basin

图2 波拿巴盆地南部古生界地层综合柱状图Fig.2 Stratum profile of Paleozoic strata in south of Bonaparte Basin

2 模型选择及参数选取

根据Petrel次盆区域构造和沉积特征，选择通过该次盆地沉积和沉降中心的二维地震测线line R9710005和line R9710003进行模拟。这两条测线地层发育完整，地层的分布形态具有代表性，且附近有可以借鉴的模拟参数资料可用。

根据区域构造-热历史状况，选用瞬变的裂谷热流模型进行区域热流史恢复［15］。有机质成熟度计算采用目前较为流行的EASY%Ro模型［16-18］。

模拟过程中所需的资料有:①地层岩性，来源于研究区内的岩性录井资料;②地层厚度，来源于地震解释资料;③岩石物性，来源于岩心分析及测井资料;④地层剥蚀厚度，根据单井声波时差测井法恢复获得;⑤岩石体积热容和热导率，采用软件提供的参数;⑥烃源岩地球化学参数，下石炭统Milliigans组页岩、下二叠统Keyling组页岩和上二叠统Hyland Bay组前三角洲页岩TOC平均值分别为0.58%、3.79%和1.14%，有机质类型分别为Ⅱ2型、III型和Ⅱ2型;⑦古温标，实测镜质体反射率数据。

3 模拟结果

Petrel 2井位于两条测线附近，从现今地层温度及有机质成熟度模拟结果与实测值比较(图3)来看，两者差别不大，具有较高的拟合度。这说明模型选择比较切合实际地质状况，模拟结果具有较高的实用价值。

图3 Petrel次盆地Petrel 2井模拟地温、Ro与实测值拟合关系Fig.3 Relations of modeling temperature and Rotrend and measured values of well Petrel 2 in Petrel subbasin

Petrel次盆内页岩主要发育在下石炭统、下二叠统和上二叠统。受区域沉积-构造控制，不同层系页岩有机质热演化具有显著差异性(图4)。在测线line R9710005上，目前石炭系埋深一般大于7.0 km，地层温度大于200℃，有机质大都处于过成熟阶段，镜质体反射率(Ro)大于2.0%。下石炭统位于石炭系下部，地层温度多大于360℃，Ro大于4.0%。在Petrel次盆南部深凹区，下二叠统现今埋深多为6.0～7.0 km，地层温度一般为160～240℃，Ro为2.0% ～3.0%;上二叠统现今埋深多为5.0～6.0 km，地层温度一般为140～200℃，Ro为1.0%～2.0%。在Petrel次盆北部，受区域构造活动影响，二叠系埋深相对较小，为2.0～5.0 km，地层温度为80～150℃，Ro为0.5% ～1.3%。

在测线 line R9710003上，在 Petrel次盆深凹区，石炭系埋深一般大于6.0 km，地层温度大于160℃，Ro＞2.0%;二叠系埋深为4.0～6.0 km，地层温度为120～160℃，Ro为1.3% ～2.0%。在 Petrel次盆周缘邻近Londonderry隆起和Darwin陆架的区域，古生界页岩埋深相对较小，为2.0～6.0 km，地层温度为80～160℃，Ro为0.5% ～2.0%。

图4 测线line R9710005和line R9710003现今二维剖面温度和成熟度分布Fig.4 Two-dimensional profiles of current maturity and temperature distribution along Line R9710005 and Line R9710003

与现今研究区古生界页岩热演化特征类似，地质历史过程中古生界页岩有机质的热演化同样延续了区域上的差异性(图5)。在测线line R9710005上，Petrel次盆南部石炭系Milliigans组、下二叠统Keyling组和上二叠统Hyland Bay组页岩进入生烃高峰期分别约为二叠纪早期290 Ma、侏罗纪早期195 Ma和侏罗纪中期167 Ma;进入高成熟演化阶段分别约为早二叠纪末275 Ma、早侏罗纪181 Ma和早白垩纪132 Ma;目前，石炭系Milliigans组页岩有机质热演化程度Ro大于4.5%，下二叠统Keyling组页岩Ro为1.0% ～3.0%，上二叠统 Hyland Bay组页岩Ro为0.5% ～3.0%。由于研究区北部地层埋深相对较浅，邻近Malita地堑的页岩所含有机质热演化速率和程度相对较低，但石炭系Milliigans组页岩Ro仍然大于4.5%，下二叠统Keyling组页岩Ro为1.0% ～1.3%，上二叠统Hyland Bay组页岩Ro为0.5% ～1.0%。

在测线 line R9710003上，Petrel次盆石炭系Milliigans组、下二叠统Keyling组和上二叠统Hyland Bay组页岩进入生烃高峰期分别约为二叠纪早期290 Ma、侏罗纪早期175 Ma和侏罗纪中期100 Ma;进入高成熟演化阶段分别约为早二叠纪末275 Ma、侏罗纪末150 Ma和早第三纪25 Ma。目前，深凹区石炭系Milliigans组页岩Ro大于4.0%，下二叠统Keyling组页岩 Ro为1.0% ～2.0%，上二叠统Hyland Bay组页岩Ro为0.5% ～1.3%。

受地层差异沉降影响和控制，邻近Londonderry隆起和Darwin陆架的地层埋深相对较浅，页岩有机质热演化速率和程度相对较低。石炭系Milliigans组页岩Ro为1.0% ～3.0%，下二叠统Keyling组页岩Ro为0.5% ～1.0%，上二叠统Hyland Bay组页岩Ro为0.5%～0.7%。

图5 Petrel次盆地Hyland Bay组、Keyling组和Milliigans组烃源岩成熟度Ro演化Fig.5 Maturity evolution(Ro)of Hyland Bay，Keyling and Milliigans formation in Petrel subbasin

4 地质意义

美国Fort Worth盆地Barnett页岩气勘探取得巨大成功，被认为是非常规热成因页岩气系统的典范［19］。这种热成因气既有来自干酪根初次裂解生成的气体，也有液态原油二次裂解生成的气体［19］。研究证实有机质演化过程中，极性化合物的形成与其裂解同时进行，原油二次裂解气的生成量将远远超过干酪根初次裂解气量［20］。从Petrel次盆三套古生界页岩的演化历史来看，石炭系Milliigans组页岩在二叠纪早期进入生烃高峰期，早二叠纪末进入高成熟演化阶段，在三叠纪早期进入过成熟阶段，目前整体处于过成熟度阶段Ro大于4.0%。对于含有Ⅱ2型干酪根的石炭系页岩而言，这意味着二叠纪是石炭系页岩生成天然气的高峰期，二叠纪中-晚期可能是原油二次裂解气生成的高峰期，侏罗纪至今石炭系Milliigans组页岩Ro大于4.0%，如此高的演化程度对于页岩气的保存不利，这一时期初步认为是页岩气的破坏期，现今页岩层内保存的天然气可能较为有限。

对于二叠系页岩而言，下二叠统Keyling组页岩在三叠纪末期进入生烃高峰，在晚侏罗纪进入高成熟阶段，在晚白垩纪进入过成熟阶段，现今整体Ro为1.3%～2.0%。对于含有III型干酪根的下二叠统Keyling组页岩来说，这可能意味着侏罗纪可能是Keyling组页岩生成天然气的高峰期，白垩纪至今是生成的少量液态烃发生裂解的时期，这一演化历程表明下二叠统Keyling组页岩可以成为该区页岩气勘探的主要目的层。上二叠统Hyland Bay组页岩在晚白垩纪进入生烃高峰，在古近纪末期进入高成熟阶段，现今整体Ro为1.0% ～2.0%。这对于含有Ⅱ2型干酪根的上二叠统Hyland Bay组页岩而言意味着第三纪以来它一直处于生气高峰期，新近纪至今可能是原油二次裂解气生成的高峰期。因此，它是该区页岩气勘探的又一主要目的层。

受区域沉积-构造影响和控制，古生界三套页岩在Petrel次盆周缘有机质演化程度相对于深凹区偏低。Petrel次盆周缘现今石炭系Milliigans组页岩Ro大于1.0%，二叠系页岩Ro为0.5% ～1.3%。这意味着Petrel次盆周缘尤其是邻近Londonderry隆起和Darwin陆架的区域则可能是页岩油勘探的相对有利地区。

综上所述，在Petrel次盆深凹区二叠系是该区页岩气勘探的主要目的层。下覆石炭系页岩由于有机质演化程度高，页岩气勘探潜力相对较为有限。在Petrel次盆周缘，尤其是次盆周缘邻近Londonderry隆起和Darwin陆架的区域则应是古生界页岩油勘探的相对有利地区。这一结论也已被油气勘探实践所证实。截至目前，Petrel次盆地共有14口气井和6口油井。其中气井主要分布在研究区中-北部，二叠系页岩是主要的含气层，尤为引人注意的是，在研究区中部发现了Petrel和Tern两个二叠系大型气田;油井主要分布在东-西两侧邻近Londonderry隆起和Darwin陆架的区域。

5 结论

(1)Petrel次盆内古生界页岩有机质热演化历史模拟结果显示，二叠纪是石炭系页岩生成天然气的高峰期，二叠纪中—晚期可能是原油二次裂解气生成的高峰期，侏罗纪至今是石炭系Milliigans组页岩气的破坏期，现今页岩层内保存的天然气可能较为有限;侏罗纪是下二叠统Keyling组页岩生成天然气的高峰期;第三纪以来上二叠统Hyland Bay组页岩一直处于生气高峰期，新近纪至今可能是其原油二次裂解气生成的高峰期。

(2)受区域差异沉降的控制和影响，Petrel次盆中-北部烃源岩埋深大，有机质演化程度高，东-西部烃源岩埋深小，热演化程度相对较低。Petrel次盆深凹区二叠系地层是该区页岩气勘探的主要目的层，这种页岩气是干酪根初次裂解气和原油二次裂解气的混合物;页岩油勘探则应集中在Petrel次盆周缘东-西部有机质热演化相对较低的区域。

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