珠江口盆地白云凹陷地温场特征及烃源岩热演化

2022-05-12黄玉平龙祖烈朱俊章张小龙

现代地质 2022年1期

黄玉平，龙祖烈，朱俊章，石创，张博，张小龙，陈聪

(1.中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518054；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518054)

0 引言

沉积盆地地热研究主要包括今、古地温场两方面，现今地温场不仅是岩石圈深部热状态的直接反映，也是盆地热演化史恢复的起点和检验热演化史恢复结果可靠性的参数之一[1]。烃源岩的热演化史及生排烃史受控于盆地的现今地温场，同样制约着油气生成、运移及成藏。前人对珠江口盆地地温场的研究始于20世纪70年代，米立军等首次研究了南海北部深水区地热特征及其成因[2]。随着白云凹陷油气勘探取得新的进展，不断增加了新的地热学资料，并报道了盆地的钻井地温梯度、热导率等热物性参数，对珠江口盆地的现今地温场有了基本认识[2]，该区域地热学的研究也越发深入。基于前人研究成果，本文系统地梳理了珠江口盆地300多口钻井的地温数据，明确不同类型数据的差异性及可靠性，重点分析并计算白云凹陷108口钻井的地温梯度；在此基础上，结合白云凹陷新生代以来岩石圈拉张减薄的构造演化史，重构白云凹陷现今地温场分布特征，明确地温场在三维空间上对烃源岩热演化史及排烃史的影响。本研究对白云凹陷的油气资源预测和有利勘探区带评价具有一定的应用价值。

1 区域地质背景

白云凹陷位于珠江口盆地南部坳陷带，是珠二坳陷的一个次级构造单元，包含白云主洼、白云东洼、白云西洼、白云南洼4个次级洼陷(图1)；整体呈现NEE向展布，水深变化较大，介于200～2 800 m之间。白云凹陷具“下断上坳”的典型二元结构和“先陆后海”的演化历史[3-6]，白云凹陷自下而上依次发育始新统文昌组、恩平组，渐新统珠海组，中新统珠江组、韩江组、粤海组，上新统万山组和第四系地层。其中，烃源岩主要分布在文昌组、恩平组及珠海组，文昌组烃源岩以半深湖-深湖相的泥岩或凝灰质泥岩、浅湖相的暗色泥岩为主，是白云凹陷的主力烃源岩；恩平组烃源岩主要以滨-浅湖相及河、湖沼泽相泥岩为主；珠海组烃源岩以海相泥岩为主[6]。

2 白云凹陷现今地温场特征

2.1 温度校正

2.1.1 校正方法

沉积盆地现今地温场研究主要是基于各种钻井温度数据开展的，截至目前，钻井测温数据一般有4类，即钻孔系统连续测温、地层试油温度(DST)、孔底温度(BHT)、地层随压测试温度(MDT)[7-11]。其中，地层试油温度静井时长较长，温度接近于地层真实温度，其数据可以用来研究真实的地温情况[7-8]；地层随压测试的温度段集中，静井时长小于DST测试时的静井时长，可靠性次之；孔底温度受限于泥浆循环和静井时间长短等因素，温度明显低于地层真实温度，需要校正后使用。Waples等[7]通过统计分析马来盆地测井井温数据，利用DST测温数据作为参考标准，提出了一种井底温度校正方法，本文中称之为Waples法。珠江口盆地是年轻的热盆，沉积物以碎屑岩为主，与马来盆地地质条件相近，所以Waples的校正方法也适用于珠江口盆地[7-8]。

Waples校正方法具体描述如下：

对于深度小于3 500 m的BHT数据：

TC=TS+f·(Tm-TS)

(1)

其中：TC为校正后的温度数据，℃；TS为地表温度，℃；f为校正因子；Tm为BHT测试数据，℃。

对于单个BHT测试数据，校正因子f由下式给出：

f=(-0.1462lntsc+1.699)/0.572Z0.075

(2)

其中：tsc为泥浆循环结束至温度测试间的时间，h；Z为温度数据所在深度，m。

对经过Honer校正后的温度数据，其校正因子f由下式给出：

f=-0.132lntsc+1.52

(3)

对于深度大于3 500 m的BHT数据，则有：

TC=TS+f(Tm-TS)-

0.001391(Z-4498)

(4)

其中：校正因子f=1.32866-0.005289tsc。

2.1.2 校正结果

采用上述方法，笔者对珠江口盆地376口钻井的BHT温度数据进行校正，综合对BHT原始温度、BHT校正温度、DST温度及MDT温度等数据的统计分析，发现：(1)BHT原始温度明显低于DST温度，二者之差随静井时长的增大而减小；(2)MDT温度低于DST温度，浅水区温度差普遍小于10 ℃，深水区温度差分布范围为5～27 ℃，普遍大于10 ℃(图2(a))；(3)以PYA井为例，BHT校正温度接近DST温度，因地层温度主要通过热传导传递，BHT校正温度与DST温度和深度均具有良好的近似线性关系(图2(b))。

2.2 现今地温梯度

采用最小二乘法拟合原始BHT以及校正后的BHT、DST、MDT温度得到PYA井(图2(b))地温梯度，分别为29 ℃/km、38 ℃/km、39 ℃/km、35 ℃/km，可以看出，利用校正后的BHT温度数据计算的地温梯度与DST温度数据计算出的地温梯度相似，而采用原始BHT和MDT温度计算的地温梯度偏低。

运用相同方法，选取白云凹陷108口钻井校正后的BHT数据，计算各单井地温梯度，并且分区域进行统计分析(表1)。结果显示：白云凹陷地温梯度主体分布在33～60 ℃/km之间，具有变地温场，整体呈现东高西低、南高北低的分布特征(表1、图3)。西洼地温梯度分布在34～39 ℃/km之间，平均值为35 ℃/km；主洼中心地温梯度分布在45～51 ℃/km之间，平均值为46 ℃/km；主洼北坡地温梯度分布在33～39 ℃/km之间，平均值为37 ℃/km；主洼东部地温梯度分布在39～58 ℃/km之间，平均值为48 ℃/km；东洼地温梯度分布在39～45 ℃/km之间，平均值为43 ℃/km；南洼地温梯度分布在48～54 ℃/km之间，平均值为50 ℃/km。根据实际钻井地温梯度数据，在唐晓音等人[7]研究基础上，综合白云凹陷莫霍面深度分布特征，绘制白云凹陷现今地温梯度平面分布图(图3)。白云凹陷地温梯度的分布变化与凹陷岩石圈和地壳厚度的变化密切相关，从陆架到陆坡区，地壳厚度强烈减薄，造成地温梯度增加[2]。

钻井的深度有限，对于无法通过直接测量获得的深部地层温度，可以根据钻井浅层测温数据进行外推获取。因此，分析重点井的温度剖面并向下预测深层温度具有重要意义。以BY-A井为例，通过对BY-A井的地层划分到段，逐层进行岩性统计。利用热导率与深度的经验公式得出每层各岩性的热导率，再使用调和加权平均得出单层热导率，加权平均得到各层生热率。以海底温度作为上边界条件，以测试得到的温度作为约束，忽略对流及平流传热，再根据有限差分法求解一维稳态热传导方程得出深层温度[7]。从BY-A两个温度剖面可以明显看出：浅层地温梯度高，深层地温梯度低(图4)。主要受岩性及压实作用的影响，不同地层的热导率存在差异，浅层泥质含量高，压实作用弱，热导率低；深层相反。以此明确白云凹陷地温梯度在垂向上的变化特征，对储层物性具有一定的重要意义。

2.3 现今大地热流

大地热流是指单位面积、单位时间内由地球内部传输到地表，而后散发的热量[9-11]。相对于其他地热参数而言，大地热流更能准确地反映地温场的特征。大地热流可利用地温梯度和调和平均热导率计算获得，其计算公式为：

q=-K·ΔT

(5)

式中：q为大地热流，mW/m2；K为地温梯度测量段对应的岩石热导率，W/(m·K)；ΔT为地温梯度，℃/km。

通过对白云凹陷韩江组、珠江组、珠海组、恩平组、文昌组以及前古近系等层位的各类岩石(砂岩、粉砂岩、泥岩、砾岩、灰岩)样品进行热导率测试，对测试结果统计分析得出热导率分布直方图(图5)，结果显示热导率值集中在1.05～4.18 W/(m·K)之间，平均值为(2.64±0.6)W/(m·K)，主体分布范围为 1.5～3.5 W/(m·K)；并建立了珠江口盆地岩石热导率柱(表2)。从实测数据可以看出，受控于地层压实作用，珠江口盆地地层热导率从上到下依次增加，且同一层位泥岩热导率小于砂岩，符合一般规律。根据大地热流计算公式，得出白云凹陷108口钻井大地热流，并结合唐晓音等[7]的研究成果，利用克里格插值法求取并绘制白云凹陷大地热流平面分布图。结果显示，白云凹陷大地热流平均值为81 mW/m2，热流分布格局具有北低南高的特点(图6)。

表2 珠江口盆地岩石热导率柱

3 白云凹陷烃源岩热演化

3.1 白云凹陷烃源岩热演化史

烃源岩有机质的热演化过程和生排烃过程直接受盆地在整个地质历史时期地温场的控制，不同时期的地温场又受控于盆地的沉积充填和盆地深部岩石圈结构[15-18]。在地温和镜质体反射率双重条件约束下，采用Easy-Ro动力学模型，利用Trinity盆地模拟软件对白云凹陷不同洼陷热演化史及生烃史进行模拟计算。

在明确单井模型烃源岩参数、热史模型等参数条件下，笔者建立了白云凹陷108口单井模型，并利用地温数据及Ro数据进行双重约束；应用美国Zetaware 公司的Genesis 盆地模拟软件，建立白云凹陷108口单井地史、热史模型，模拟计算各单井从盆地基底到海底的地温变化曲线，并利用一维热模拟结果和烃源岩层各时期古构造图相关性分析，制作烃源岩层各时期的地温场分布图，模拟计算白云凹陷烃源岩在三维空间的热演化史(图7—图9)。结果表明，受控于白云凹陷深水区高、变地温场的影响，不同洼陷烃源岩成熟度差异较大，且烃源岩生油门限和成熟阶段的深度具有较大的波动范围。

区域上，白云主洼文昌组、恩平组和珠海组烃源岩热演化程度均高于西洼、东洼和南洼：主洼文昌组地层埋深大(最大埋深约13 000 m)，地温梯度相对较高(45～58 ℃/km)，烃源岩现今整体处于高成熟-过成熟阶段；西洼文昌组地层埋深(最大埋深约9 000 m)浅于主洼，且地温梯度(34～38 ℃/km)低于主洼，烃源岩现今整体处于成熟至高成熟阶段；东洼文昌组地层埋深(最大约8 000 m)和南洼文昌组地层埋深(最大约6 000 m)浅于西洼，但地温梯度高于西洼，烃源岩成熟度居中，整体处于成熟至高成熟阶段，洼陷中心达到过成熟阶段。主洼恩平组烃源岩现今处于高成熟阶段，洼陷中心达到过成熟阶段；西洼、东洼和南洼恩平组烃源岩处于成熟阶段，洼陷中心达到高成熟阶段。珠海组烃源岩现今只在主洼达到成熟阶段。

垂向上，随地温梯度升高，存在烃源岩成熟门限快速变浅、生烃窗口变窄、烃源岩熟化率增大等特征(图8)：

(1)随地温梯度逐渐升高，烃源岩的成熟门限逐渐降低，生烃越来越早，生烃窗口也越来越窄(图8(a))。西洼地温梯度低(约35 ℃/km)，烃源岩生油门限埋深约2 350 m，达到成熟门限埋深约3 250 m，达到高成熟门限埋深约4 600 m；东洼地温梯度(约43 ℃/km)高于白云西洼，烃源岩生油门限埋深约2 100 m，达到成熟门限埋深约2 850 m，达到高成熟门限埋深约4 300 m，生油门限和成熟门限等均比西洼浅；相较于西洼，主洼地温梯度明显升高(46 ℃/km)，烃源岩成熟门限迅速降低，生油门限约2 000 m，成熟门限埋深约2 700 m，高成熟门限埋深约4 000 m，生烃窗口明显比西洼烃源岩生烃窗口窄；而南洼地温梯度最高(50 ℃/km)，烃源岩成熟门限比主洼低。

(2)随着地温梯度升高，文昌组烃源岩呈现高热快熟的特征(图8(b))。西洼地温梯度最低，烃源岩平均熟化率最低(约0.094%/Ma)；东洼地温梯度高于西洼，熟化率平均约为0.096%/Ma；主洼地温梯度高于东洼和西洼，烃源岩熟化率也相应增高，熟化率平均值约为0.11%/Ma；南洼烃源岩熟化率可能受埋藏深度影响，熟化率平均值(约0.097%/Ma)低于主洼，高于东洼和西洼。就恩平组烃源岩而言，熟化率在区域上的变化特征与文昌组相同，但整体熟化率均低于文昌组烃源岩的。而珠海组烃源岩只在主洼达到成熟阶段，无法进行对比。

(3)就不同时期而言，白云凹陷各洼陷文昌组烃源岩熟化率均呈现两期逐渐增大趋势，且表现为早低晚高特征(图8(b))：南海扩张以前(47.8～33.9 Ma)，文昌组烃源岩平均熟化率为0.01%/Ma～0.09%/Ma；南海扩张以后(23.03～0 Ma)，文昌组烃源岩平均熟化率为0.05%/Ma～0.22%/Ma。这一现象受控于白云凹陷两期拉张引起的构造增温：第一期(47.8～33.9 Ma)拉张自始新世发生，拉张强度较大，凹陷中心基底热流快速上升，烃源岩熟化率增大；第二期(23.03～13.82 Ma)拉张发生于中新世，此次拉张在白云凹陷南部更强烈，白云凹陷主体在13.82 Ma达到最高古基底热流，此后进入热沉降阶段，基底热流值一直缓慢下降[19-20]，烃源岩熟化率在韩江期达到最大，之后开始降低(粤海期至今)。恩平组地层熟化率同样存在两期增大趋势，但是熟化率变化幅度小于文昌组的。

3.2 白云凹陷烃源岩生烃史

在热史模拟基础上，结合烃源岩有机质参数等模拟白云凹陷的生烃史(图9)，结果显示，文昌组烃源岩生烃特征为主洼早于东洼、西洼和南洼：主洼文昌组烃源岩干酪根生油生气早，生油阶段主要在23.03 Ma以前，23.03 Ma之前的生油量占总生油量的80%，生气阶段主要在33.9～10.03 Ma之间，该期间的生气量占总生气量的82%，其中珠江期生气速率最大，油气共生，以气为主。西洼、东洼和南洼文昌组烃源岩主生油、主生气阶段为23.03～10.0 Ma之间，其中珠江期生油量大于韩江期的，而珠江期的生气量小于韩江期的，且西洼、东洼和南洼同样油气共生，以油为主。东洼、西洼和南洼文昌组烃源岩在23.03 Ma以来的生烃量分别占各自总生烃量的80%、67%、70%。此外，西洼在文昌期的生油量认为是临近主洼的文昌组烃源岩所生。白云凹陷各洼陷间生烃史差异特征与白云凹陷各洼陷文昌组烃源岩热演化史密切相关。白云凹陷文昌组为主力烃源岩，文昌组生烃量占总生烃量的93%。恩平组和珠海组烃源岩生烃史同样存在主洼早于东洼、西洼和南洼的特征。