东濮凹陷新生代热史研究
2016-02-05左银辉唐书恒张松航
李 雷，左银辉，唐书恒，张松航
(1.中国地质大学能源学院，北京 100083；2.成都理工大学能源学院，四川成都 610059)
东濮凹陷新生代热史研究
李 雷1，左银辉2，唐书恒1，张松航1
(1.中国地质大学能源学院，北京 100083；2.成都理工大学能源学院，四川成都 610059)
东濮凹陷是渤海湾盆地南缘极具油气开采潜力的凹陷，本文揭示该凹陷新生代埋藏史、热史及烃源岩演化史。利用凹陷各构造单元18口井的镜质体反射率数据，恢复其埋藏史、热史。结果显示，东濮凹陷经历“一升两降”的构造沉降，并具有“马鞍型”的热演化特征。自沙四段沉积开始至沙三段，地温梯度逐渐增加，在沙三段沉积末期达到最大，为45.2℃～48℃/km。自沙二段沉积开始至今，地温梯度总体逐渐降低，仅在东营组沉积时期出现微弱回升，现今地温梯度为30℃～34℃/km。以埋藏史和热史为基础，结合构造及有机地球化学资料，对东濮凹陷18口井烃源岩演化史进行模拟。结果表明，烃源岩热演化受东营组沉积时期的古地温控制，3套烃源岩成熟度均在27Ma(东营组沉积时期)达到最大。
东濮凹陷 埋藏史 热史 烃源岩 地温梯度
Li Lei，Zuo Yin-hui，Tang Shu-heng，Zhang Song-hang. The cenozoic thermal history in the Dongpu sag，Bohai Bay basin[J]. Geology and Exploration，2016,52(3):0594-0600.
油气的形成和聚集是在一定的温度和深度条件下，经历漫长的地质时期的结果。在这个时期中，地层的温度、深度及形态受构造运动的影响而不断地发生变化，进而导致烃源岩经历复杂的热演化与生烃过程，从而影响油气的聚集成藏。同时，油气的分布也会受到烃源岩热演化和生烃作用的控制，所以盆地热演化与油气有着密切的联系。东濮凹陷位于渤海湾盆地南缘，含油气量十分丰富，经勘探证实，东濮凹陷蕴含原油约12.37×108t，含气量达到3.675×1011m3。(Zuoetal.，2014b)但热史的研究相对比较薄弱，仍然处于定性研究阶段，制约着对东濮凹陷热演化、烃源岩演化及生排烃等方面的正确认识。近年来，随着人们对东濮凹陷认识的持续加深以及勘探的不断深入，研究人员从钻探井中获得了大量的镜质体反射率数据，为后期的热史研究提供了丰富的资料。因此，本文将利用镜质体反射率数据对东濮凹陷埋藏史及热史进行恢复，并在此基础上实现对东濮凹陷烃源岩演化史的模拟，并进一步探讨东濮凹陷不同构造单元烃源岩的演化差异。
1 地质背景
东濮凹陷位于中国渤海湾盆地南缘，北窄南宽，NNE走向,总面积约为5300km2(庞尚明等，2005；陈洁等2012)，东濮凹陷受到兰聊、黄河以及长垣三条大的基底断裂差异活动的影响，其构造格局呈现为“两洼一隆一斜坡”，自西向东依次发育西部斜坡带、西部洼陷、中央隆起带、东部洼陷及东部断裂带(图1)。此外，受到局部断层的控制作用，中央隆起带内部还发育有濮卫洼陷，这种洼陷正是古近系烃源岩分布的主要地带(周新科等，2007；刘景东等，2013)。地层包括古近纪沙河街组(Es)(分四段)、东营组(Ed)、新近纪馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)、第四纪平原组(Qp)。研究区经历了三期构造演化(苏惠等，2000;汤良杰等，2008；程秀申等，2009)：(1)断陷期，主要发生在沙四段至沙三段沉积时期，以沙三段最为强烈；(2)断坳期，主要发生在沙二段至沙一段沉积时期中，期间既有断裂活动发生，又有热沉降作用影响；(3)坳陷期，主要发生于馆陶组至今，地层处于热沉降阶段。
图1 东濮凹陷构造划分及井位(据左银辉等，2014a)Fig.1 Structural division and well locations in the Dongpu sag(after Zuo et al.,2014a) 1-井位；2-断层；3-凹陷边界；4-洼陷区；5-隆起区或构造带；6-二级构造单元边界；7-三级构造单元边界1-well position;2-fault;3-sag boundary;4-depression area;5-uplifted area or tectonic belt;6-secondary tectonic boundary;7-third-order tectonic boundary
2 方法与参数
2.1 研究方法
现今关于盆地的热史研究方法包括三类：一是采用古温标对盆地尺度的热史进行恢复(常俊河等，2004；邱楠生等，2004,2006；薛爱民等，1993；胡圣标等，1998；程本合等，2000,2001)；二是采用地球动力学模型对岩石圈尺度的热史进行恢复；三是结合前两种方法来进行热史恢复。目前，古温标中的有机质镜质体反射率和矿物裂变径迹(王立志等，1994；任战利，1995)相对比较成熟，本文主要利用镜质体反射率对东濮凹陷古近纪至今的热史进行恢复。
2.2 基本参数
模拟中，主要运用的参数有两类，古温标数据和基础地质参数(左银辉等，2013，2014a)。
此次采用东濮凹陷各构造单元18口典型井总计216个镜质体反射率数据进行研究，并得到镜质体反射率与深度的关系(图2)，即镜质体反射率与深度具有一定的线性关系，也表明该凹陷烃源岩热演化受同一地温场控制。
图2 深度与镜质体反射率(Ro)关系图Fig.2 Vitrinite reflectance data versus depth
基础地质参数包括岩性参数(油田收集)、现今地表温度(取15℃)、现今地温梯度、大地热流、岩石热物理数值(Zuoetal.,2014b)、地层分层、地质年代(油田收集)及地层剥蚀量等数据。其中，岩性参数主要是指岩石孔隙度、渗透率以及各个岩层的砂泥含量等；岩石的热物理参数包括岩石生热率、岩石热导率、比热和热容等(Zuoetal.,2014b)；东濮凹陷的地层分层数据采用钻孔实际测量值；地层剥蚀量主要参考东濮凹陷剥蚀量等值线图,个别井位剥蚀量由镜质体反射率(Ro)的计算而得出(Barker C Hetal.，1987；胡圣标等,1999)。
3 模拟结果
3.1 埋藏史及热史
本文以海通集洼陷胡41井(H41)、胡83井(H83)、濮深13井(P13)和濮深14(P14)等4口井进行解释(图3)。模拟结果显示实测镜质体反射率与模拟计算值吻合度很好，4口井均经历 “一升两降”的构造沉降史，两期沉降分别发生在46Ma～27Ma(沙河街组-东营组沉积早期)和17Ma～今(馆陶组-今)，且沉降速率逐渐降低；在27Ma～17Ma(东营组沉积时期)，4口井均受到抬升剥蚀。温度随深度的增加而增加，在28Ma(东营组沉积时期)，温度达到最高，其中胡41井超过 160℃、胡83井超过180℃、濮深13井超过200℃以及濮深14井超过180℃，此时，烃源岩成熟度也达到最大。
从热史演化看，4口井的初期地温梯度较高，为41℃～44℃/km；自沙三段沉积开始，受强烈裂陷构造运动和地幔热流上涌的影响，地温梯度迅速升高，到沙三段沉积末期达到最大，为45℃～48℃/km；随着裂陷运动减弱和后期热沉降作用的影响，地温梯度总体上呈逐渐降低的趋势，后期受东营运动影响而出现微弱回升；现今地温梯度为32℃～35℃/km，具有中型地温场的特点(图4)。
3.2 烃源岩演化特征
以海通集洼陷4口井烃源岩演化进行解释(图5)。模拟结果显示，4口井烃源岩成熟度均在27Ma(东营组沉积时期)达到最大。其中，濮深13井的烃源岩成熟度最高，沙三段已达到生干气阶段，沙二段顶部为中度成熟阶段，底部进入过成熟阶段；其次是胡83井和濮深14井，沙三段顶部处于中-高成熟阶段，底部进入生干气阶段，沙二段处于低-中成熟阶段；而胡41井烃源岩演化程度较低，但烃源岩均已进入生油阶段。
4 讨论
4.1 不同构造单元热史演化差异
以研究区各构造单元平均地温梯度值进行对比分析(图6)。结果表明，各构造单元演化趋势基本一致，呈“马鞍型”，但峰值大小有差异。地温梯度均在沙三段沉积末期均取得最大值，为45.2℃～48℃/km，其中，卫城-文明寨断凸(中央隆起带)的值最大，为 48℃/km，卫城-柳屯洼陷(西部洼陷)最低，为45.2℃/km。第二次回升发生在东营组沉积时期，但回升幅度较小，自沙二段沉积至今，地温梯度总体呈逐渐降低的趋势。现今地温梯度为30℃～34℃/km，具有中型地温场的特点。
4.2 不同构造单元烃源岩演化差异
沙三段(Es3)烃源岩分布范围广，厚度大，在各构造单元均有较好发育，因此取各构造单元沙三段平均成熟度进行对比分析(图7)。通过分析可知，东西部洼陷的烃源岩演化程度最高，其中海通集和三春集洼陷烃源岩已达到过成熟阶段；兰聊断裂带烃源岩的演化程度次之，达到高成熟阶段；卫城-文明寨断凸烃源岩的演化程度最低，仅达到中度成熟阶段。在各构造单元中，烃源岩成熟度均在27Ma(东营组沉积时期)达到最大。此外，仅长垣东洼陷烃源岩出现过二次生烃。
图3 典型井埋藏史、热史及生烃史Fig.3 Burial，thermal and hydrocarbon generation histories of typical wells 1-低成熟阶段(0.5%
图4 海通集洼陷典型井地温梯度演化形态Fig.4 Evolution history of geothermal gradients of typical wells in Haitongji depression
4.3 热史与构造演化耦合关系
东濮凹陷经历了三期构造演化，即断陷期、断坳期和坳陷期(苏惠等，2000；汤良杰等，2008；程秀申等，2009)。沙四段和沙三段沉积时期为断陷期，强烈的断陷作用导致地层快速沉降，同时受地壳深部热流影响，地温梯度迅速增加；沙二段和东营组沉积时期为断坳期，期间，断裂活动逐渐萎缩，相比断陷期，地温梯度仍在降低，东营组沉积时期，受东营运动影响，地温梯度逐渐加；馆陶组至今这段时期为坳陷期，期间热沉降作用起主导作用，地层大面积的稳定下沉，地温梯度持续降低。通过对比可以得出，东濮凹陷的热史与构造演化具有较好的耦合关系(图8)。
5 结论
(1)东濮凹陷各构造单元均经历“一升两降”的构造沉降史。抬升发生在27 Ma～17Ma(东营组沉积时期)，两期沉降分别发生在46Ma～27Ma(沙河街组-东营组沉积早期)和17Ma～今(馆陶组-今)，且沉降速率逐渐减小。
图5 海通集洼陷典型井烃源岩成熟度演化史Fig.5 Maturation histories of typical wells in the Haitongji depression
图6 各构造单元平均地温梯度演化史Fig.6 Evolution of average geothermal gradients in tectonic units
图7 各构造单元Es3烃源岩成熟度演化史Fig.7 Maturation histories of Es3 source rock in tectonic units
图8 热史与构造演化耦合关系Fig.8 Coupling relationship between thermal history and tectonic evolution
(2)东濮凹陷热史演化形态总体呈“马鞍型”。期间经历两次回升，分别发生在50Ma ～42Ma(沙四段-沙三段沉积时期)和33Ma～24 Ma(东营组沉积期)。最大值在沙三段沉积末期取得，为45.2℃～48℃/km。自第二次回升后，即东营组沉积至今，地温梯度持续降低，现今地温梯度为30℃～34℃/km，具有中型地温场的特点。
(3)东濮凹陷主要有三套烃源岩(沙二段、沙三段和沙四段)，其热演化受东营组沉积时期地温梯度控制。三套烃源岩成熟度均在27Ma(东营组沉积时期)达到最大，但演化程度存在差异，其中沙四段烃源岩已过成熟阶段，以生气为主，沙三段烃源岩正经历生烃高峰，生烃潜力巨大，沙二段烃源岩处于中度成熟阶段，并未经历生烃高峰，生烃潜力较小。
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[附中文参考文献]
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Cenozoic Thermal History of the Dongpu Sag, Bohai Bay Basin
LI Lei1，ZUO Yin-hui2，TANG Shu-heng1，ZHANG Song-hang1
(1.CollegeofEnergyResources，ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083；2.CollegeofEnergyResources，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu，Sichuan610059)
The Dongpu sag, located in the south of the Bohai Bay Basin, has a great potential for oil and gas exploration. This study is to reveal the burial history, thermal history and maturation evolution history of source rock in this area. The burial history and thermal history were modeled using vitrinite reflectance data from 18 wells of this sag. The modeling results show that the sag has experienced one uplift and two depressions, and its thermal history is characterized by the “saddle-shape type”. The geothermal gradients increased gradually from the fourth member to the third member of the Shahejie Formation, reaching the maximum values (45.2-48℃/km) at the end of the third member epoch. Then the thermal gradient decreased gradually from the second member of Shahejie Formation to the present day, only increasing weakly at the late Dongying Formation, with thermal gradients 30-34℃/km in the present day. Meanwhile, based on the burial history and the thermal history above, combining the tectonic and organic geochemistry, the maturation evolution history was simulated. The results show the maturation evolution of source rocks is controlled by geothermal fields, of which 3 sets of source rocks culminated at the time of Dongying Formation (27Ma).
Dongpu sag,thermal history,burial history,source rocks,geothermal gradient
2015-10-23；
2016-03-03；[责任编辑]陈伟军。
国家十二五重大专项(2011XZ05006-004)，深层油气资源潜力评价资助。
李 雷(1992年-)，男，中国地质大学(北京)在读硕士研究生，专业方向为矿产普查与资源勘探。E-mail: 773480170@qq.com。
P314.9
A
0495-5331(2016)03-0594-07
