北部湾盆地涠西南凹陷C洼烃源岩热史及成熟史模拟

洋地质与第四纪地质　　　　　

Vol.30,No.2Apr.,2010

GEOLOGY&QUATERNARYGEOLOGY　

DOI:10.3724/SP.J.1140.2010.02087

北部湾盆地涠西南凹陷C洼烃源岩热史及成熟史模拟

郭飞飞,郭小文,孙建峰,曹强,张洋

(中国地质大学(武汉)资源学院,武汉430074)

摘要:北部湾盆地涠西南凹陷C洼流沙港组烃源岩热史及成熟史研究,对C洼深水油气勘探具有指导意义。在恢复涠西南凹陷C洼地史和热史的基础上,利用EASY%Ro模型计算了流沙港组烃源岩的成熟度史。研究结果表明,在涠西南凹陷发展的裂陷阶段初始期热流值较高,最大值约为77mW/m2,其后热流值逐渐减小,现今热流值约为54mW/m2;涠西南凹陷C洼流沙港组烃源岩开始生烃(Ro=0.5%)时间为51MaBP,达到生烃高峰(Ro=1%)时间为42MaBP,达到高成熟演化阶段(Ro=1.3%)时间为17MaBP;对比涠1井流沙港组烃源岩演化特征,处于C洼深水勘探区的流沙港组烃源岩成熟度较高,生烃能力较强,拥有广阔的油气勘探前景。

关键词:埋藏史;热史;成熟史;盆地模拟;涠西南凹陷

中图分类号:P744.4　　　文献标识码:A　　　文章编号:0256-1492(2010)02-0087-07

　　涠西南凹陷地处北部湾盆地西南部,是在古新世神狐运动晚期发育起来的北断南超的箕状断陷,凹陷总体呈北东向展布,面积约3000km2,是北部湾盆地内油气勘探程度相对较高的构造单元(图

1)。根据古近系流沙港组沉降中心分布,凹陷中又可分出A、B、C3个次一级洼陷[2]。本次研究选取过C洼的BW66测线,运用盆地模拟技术,在恢复C洼热史的基础上,应用Easy%Ro模型恢复流沙港组烃源岩的成熟史,从而为涠西南凹陷C洼深水油气勘探提供依据。

[1]

1　构造和地层特征

北部湾盆地的形成和演化可分为3个阶段:古新世—始新世断陷阶段、渐新世断拗过渡阶段及中新世以后(包括中新世)区域沉降阶段(图2)。受古太平洋板块消减及南海扩张的影响,北部湾盆地经历了古新世早期第1期张裂、古新世末期第2期张裂、始新世末期第3次张裂、渐新世末期第1次海底扩张、中新世中期第2次海底扩张、中新世末期反转运动等多期构造运动的改造,形成了多个呈北东向展布的凸凹相间的次级构造单元,涠西南凹陷就是位于北部坳陷东北部的一个三级单元,其北接涠西南断层,南靠海中凹陷及企西隆起,东临涠洲岛,是一典型的东北深、西南浅的箕状断陷。

涠西南凹陷以新生代沉积为主,其基底为中、古生界碳酸盐岩和变质岩,沉积盖层由古近系、新近系及第四系组成,总厚度1500～7000m,自下而上依次为古近系古新统长流组(E1ch)、始新统流沙港组(E2l)、渐新统涠洲组(E3w),新近系中新统下洋组

[3]

图1　北部湾盆地涠西南凹陷地理位置及地质背景

Fig.1　GeologicalmapandthelocationofWeixinandepressionintheBeibuGulf

(N1x)、角尾组(N1j)、灯楼角组(N1d)、上新统望楼

[4]港组(N2w)和第四系(Q)。其中流沙港组是涠西

南凹陷油气勘探的主要目的层。流沙港组以湖相、三角洲相沉积为主,岩性以深灰色、褐灰色泥岩、页岩为主,夹有灰白色砂岩、粉砂岩,具有粗-细-粗的旋回,自下而上可进一步分为流三段(E2l3)、流二段(E2l2)和流一段(E2l1);其中流二段是该区的主力烃源岩。

基金项目:国家自然科学基金项目(40238060)

作者简介:郭飞飞(1981—),男,博士生,主要从事构造地质和油气成藏机理研究,E-mail:yigehaoren99999@163.com

收稿日期:2009-06-10;改回日期:2009-10-11.　周立君编辑

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海洋地质与第四纪地质88

2010年　

图2　涠西南凹陷综合地质柱状图

Fig.2　GeneralizedgeologicalsectionofWeixinandepression

2　热史恢复

2.1　方法原理

热史恢复的主要功能是重建含油气盆地的古温度史和古热流史,并为以后的烃源岩成熟史、生排烃史及聚烃史模拟提供温度场。归纳起来,目前用于恢复盆地热史的方法可分为地球热动力学法(正演技术)、古温标法(反演技术)和综合法三大类[5]。综合法是在已知今热流与今地温的基础上,依据一定的热流演化模型来求取古热流与古地温的一种正、反演结合技术。本次研究采用综合法对涠西南凹陷C洼热史进行恢复,并用实测的镜质体反射率来检验。“Basinmod”系统提供了一系列热史模型以进行盆地热演化史的模拟恢复,其中最常用的有BHT井底温度法和热流法,热流法又包括稳态热流法、瞬变热流法和裂谷热流法等。本次研究采用瞬变热流法,该方法考虑了不同岩石单元的热容和热流随时间的变化过程,并基于把热传导的Fou-rier定律和能量守恒定律相结合的瞬变扩散方程来计算瞬变热流。在一维(单井)模拟时,只考虑垂向的热传导;如有突发热事件(如岩浆侵入),则附加热源项。计算古地温(T)的公式为:

Cv T t- x(λ T x

)-Q=0式中,Cv为体积热容(J/m3·K);T为温度(K);t为时间(s);λ为岩石热导率(W/m·K);x为深度(m);Q为附加热源项(J)。

在计算出古地温后,即可利用下式求得古热流值:

HF=λddT

x

式中,HF为古热流(mW/m2),其他参数意义同前。2.2　模拟参数

应用综合法进行热史恢复时涉及地层埋藏史模拟和瞬变热流计算两大类参数,其中地层埋藏史恢复参数及其获取途径如表1所列,压实模型选择软件自带的指数压实模型。

表1　地层埋藏史模拟参数

Table1　Parametersforburialhistorymodeling

参数

表示方式获取途径地层厚度单井地层厚度

钻井、地震

地层岩性砂岩和泥岩百分比含量录井资料、测井资料地层年龄与地层单元对应给出标准地层年代表地层压力

实测地层压力

钻井实测、测井资料换算地层剥蚀量单井点数据参考层厚度变化率法或声波时差测井法恢复孔渗参数

实测点数据

岩心分析资料

瞬变热流模型中涉及的现今热流值(HF)由井

底实测温度(BHT)与岩石热导率计算得到;岩石体积热容(Cv)和热导率(λ)根据钻井实测数据统计获取,今地层温度和镜质体反射率(Ro)由钻井与实验室实测获得,现今地表温度取14.1℃。2.3　古地温史及古地温梯度演化

热史包括古地温史和古热流史两大部分,其中古地温史一般以温度值、地温梯度等来表征,热流史则表现为热流值的演化过程。

选择涠西南凹陷C洼邻区4口钻井的21个测温数据作分析,拟合结果表明温度与深度的关系具有同一趋势,温度随埋深增加线性变化较为明显,具有典型的传导型地温场特征,现今平均地温梯度为3.23℃/100m,高于世界范围内其他沉积盆地地温

梯度的平均值(3.00℃/100m)[6]

,根据拟合直线可计算出地表温度为14.1℃(图3)。

涠1井古地温恢复结果表明(图4):古新世初期(长流组沉积初期),盆地处于较为强烈的拉张阶

　第2期　　郭飞飞,等:北部湾盆地涠西南凹陷C洼烃源岩热史及成熟史模拟

89

段,众多切割基底的大断裂沟通了深部热岩浆源,此时的古地温梯度最高;之后,热散发作用强烈,岩石圈的热膨胀转为冷缩,地温梯度持续降低。流二段

底部不断接受上覆岩层的压实作用,并随着渐新统地层沉积加大,埋藏加深,地温连续增大;渐新世末期(涠洲组沉积末期),盆地发生强烈的基底抬升,拉张作用明显减弱,整体抬升遭受剥蚀,涠西南凹陷进入拗陷阶段,地热活动随之衰退,地温增长趋于缓慢。总之,自古新世至今,全区的地温梯度总体上逐渐变小,地温逐渐增大。2.4　古热流演化

运用实测数据资料通过瞬时热流模型计算,得到涠1井、涠11-4井、涠11-7井和涠11-8井现今热流值分别为54、59.2、61、61.2mW/m2,从南西向北东方向热流值有逐渐增大的趋势。

涠1井长流组底部古热流恢复结果表明(图5):涠西南凹陷在裂陷阶段初始期,由于地壳拉张、减薄,基底热流强烈上涌,导致高的热流值,最高热

流值可达77mW/m2,其后古热流逐渐减小,流沙港组和涠洲组沉积末期,受地层抬升剥蚀作用影响,热流值短暂回升,总体上热流值呈减小趋势,现今热流值为54mW/m2。

镜质体反射率是反映烃源岩成熟度的可靠指标,是受地热作用的直接反映,而且镜质体反射率的模拟方法研究较为深入,因此,是一个检验热史恢复的很好指标[7]。涠1井模拟结果(图6)表明,在模拟的地温随深度的变化趋势与实测值拟合关系较好的前提下,模拟的镜质体反射率随深度的变化趋势与实测Ro拟合很好,从而说明采用模拟方法恢复涠西南凹陷C洼热史具有一定的可靠性。

图3　涠西南凹陷实测地层温度

随深度变化关系

Fig.3　Relationshipbetweenthetemperatureanddepthinthe

Weixinandepression

图4　涠1井流二段底部古地温

及古地温梯度演化史Fig.4　TemperaturehistoryofthebottomofLiushagangFormationandtemperaturegradienthistoryinwellWei1

图5　涠1井长流组底部热流演化史Fig.5　HeatflowhistorydiagramofthebottomofChangliuFormation

inwellWei1

图6　涠西南凹陷涠1井模拟地温(a)和Ro(b)与实测值拟合关系

Fig.6　RelationsofmodelingtemperatureandRotrendandmeasuredvaluesinwellWei1ofWeixinandepression

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海洋地质与第四纪地质90

2010年　

表2　EASY%Ro模型使用的化学计量因子

3　有机质成熟度模拟

3.1　成熟度史模型

本次研究采用Easy%Ro法来计算研究区有机质的成熟度史。“Easy%Ro”模型以热模拟实验为基础,系由Sweeney和Burnham于1990年提出的一种计算有机质成熟度的简化实用的动力学模型。和活化能值(据苏玉平,2006)

Table2　Chemistryscorefactorsandactivation

energyfactorsofEASY%Romodel

i1234fi0.030.030.040.04Ei(kcal/mol)

34363840i11121314fi0.060.060.060.05Ei(kcal/mol)

54565860该模型将原来分别生成4种产物(H2O、CO2、CH4和CHn)的35个平行反应统一地简化成20个平行反应,并认为这20个平行反应都可用化学动力学的Arrhennius一级反应方程描述,即第i个反应在温度T时的化学动力学方程可表示为[8]:

dWidt=Wi×A×exp-Ei

RT

式中,Wi为参与第i个反应的残留组分浓度;Ei为第i个反应的活化能;A为频率因子,其值为1013

s-1

;

R为理想气体常数,R=8.341J/(mol·K);T为绝对温度,为时间的函数;t为时间。

解上述方程可得:

WiWoi

=exp-∫

i

exp-Ei

0ARTdt式中,Woi为参与第i个反应的物质的原始浓度。

第i个反应镜质体转化率为:

Fi=fi1-Wi

W

oi

由此,镜质体的总转化率或反应强度可表示为:20

F=∑Wi

i=1fi1-Woi

式中,F为镜质体的转化率;fi为参与第i个反应的物质在镜质体中所占的比例(i=1,2,3,……,20(1～20是活化能的个数,见表2)),称为化学计算因子[9]

。镜质体反射率与其转化率之间的关系

为:

Ro(%)=exp(-1.6+3.7Fj)

(j=1,2,3,……,直到现在)

式中,Fj为某一地层底界的第j个埋藏点的化学动力学反应程度(镜质体的转化率),取值范围为0～0.85。因此,基于Easy%Ro模型计算得到的Ro值的变化范围为0.2%～4.7%,适用于大多数沉积盆地。

由此,可模拟恢复有机质的成熟演化历史,并用研究区实测的镜质体反射率值进行检验和校正。

50.0542150.056260.0544160.046470.0646170.036680.0448180.026890.0450190.027010

0.07

52

20

0.01

72

　　注:换算为SI单位,1cal=4.1868J.

3.2　模拟结果

本次研究选取涠1井作单井成熟史模拟,应用

涠1井参数对BW66测线作了二维成熟史模拟,并在测线最大埋深处建一口虚拟井涠2井。

涠1井所取的烃源岩样品有机质成熟度Ro=0.28%～0.57%,均未达到成熟阶段。利用“Basin-mod”软件对涠1井进行模拟,结果显示流三段底部烃源岩Ro小于0.6%,表明流沙港组烃源岩基本没有达到成熟门限,不具备大量生烃的能力(图7)。即涠1井地区烃源岩本身不具备供油条件,油气藏的形成只能从邻近的生烃灶运移而来。涠2井模拟结果表明,流一段中部烃源岩埋深大于2200m,进入油气生成阶段,流二段底部烃源岩埋深大于2800m,处于中等成熟阶段,长流组中部的Ro已经大于1.3%,达到高成熟阶段(图8)。涠1井位于涠西南凹陷边缘部位,靠近涠西南大断裂,流沙港组烃源岩埋深浅;而虚拟井涠2井被设计为位于BW66测线的最大埋深处,因此,造成涠1井与涠2井成熟史模拟结果存在较大差别。

通过对BW66测线作二维成熟度史模拟,结果表明流沙港组烃源岩成熟的门限深度约为2200m,埋深2800m以下进入中等成熟阶段,长流组底部埋深3300m以下进入高成熟阶段(图9)。在BW66测线模拟的基础上,可以得到流沙港组底部烃源岩成熟度随时间演化的剖面,模拟结果表明现今流沙港组底部烃源岩基本处于中等成熟演化阶段,部分埋深较大处处于高成熟演化阶段。流沙港组底部最大埋深处烃源岩51MaBP开始生烃,42

　第2期　　郭飞飞,等:北部湾盆地涠西南凹陷C洼烃源岩热史及成熟史模拟

91

图7　涠1井成熟度史

Fig.7　MapshowingthematurityhistoryinwellWei1

图8　虚拟井涠2井成熟度史

Fig.8　MapshowingthematurityhistoryinpseudowellWei2

图9　涠西南凹陷BW66测线现今二维剖面成熟度分布

Fig.9　MapshowingmaturitydistributionatpresentalongLineBW66inWeixinandepression

MaBP达到生烃高峰,17MaBP进入高成熟阶段,

Ro值为0.5%～2.0%是烃源岩生成油气的主要阶段,可见流沙港组烃源岩现今仍处于油气生成阶段(图10)。对比涠1井流沙港组烃源岩演化特征,处于C洼深水勘探区的烃源岩生烃时间更早,成熟度更高,生烃能力更强,可为C洼油气藏的形成提供充足的烃源,因此具有广阔的勘探前景。

4　结论

(1)热史模拟结果表明古新世初期(长流组沉积初期),盆地处于较为强烈的拉张阶段,众多切割基底的大断裂沟通了深部热岩浆源,此时的古地温梯度和热流值较高,最大热流值约为77mW/m;之后,

2

图10　涠西南凹陷C洼流沙港组底部

烃源岩成熟度(Ro)演化

Fig.10　MaturityevolutionofthebottomofLiushagang

FormationintheCsagofWeixinandepression

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海洋地质与第四纪地质92

2010年　

热散发作用强烈,岩石圈的热膨胀转为冷缩,地温梯度和热流值持续降低,现今热流值约为54mW/m2。流二段底部不断接受上覆岩层的压实作用,并随着渐新统地层沉积加大,埋藏加深,地温连续增大;渐新世末期(涠洲组沉积末期),盆地发生强烈的基底抬升,拉张作用明显减弱,整体抬升遭受剥蚀,涠西南凹陷进入拗陷阶段,地热活动随之衰退,地温增长趋于缓慢。

[3]　卢林,王企浩,黄建军.北部湾盆地涠西南和海中凹陷新生代局

部构造演化史[J].海洋石油,2007,27(1):25-29.[LULin,WANGQihao,HUANGJianjun.Structuralevolvementhisto-ryofWeixinanandHaizhongdepressioninBeibuwanBasinduringCenozoicEra[J].OffshoreOil,2007,27(1):25-29.][4]　肖军,王华,马丽娟,等.北部湾盆地涠西南凹陷W61潜山油气

成藏条件分析[J].新疆石油学院学报,2003,15(4):30-37.[XIAOJun,WANGHua,MALijuan,etal.CharacteristicsofburiedhilloilpoolofW61areainWeixinandepression,Beibu-(2)BW66测线二维成熟度史模拟结果表明,流沙港组烃源岩成熟的门限深度约为2200m,埋深2800m以下进入中等成熟阶段,长流组底部埋深3300m以下进入高成熟阶段。涠西南凹陷C洼流沙港组烃源岩开始生烃(Ro=0.5%)时间为51MaBP,达到生烃高峰(Ro=1.0%)时间为42MaBP,达到高成熟演化阶段(Ro=1.3%)时间为17MaBP。

(3)对比涠1井流沙港组烃源岩演化特征,处于C洼深水勘探区的烃源岩生烃时间更早,成熟度更高,生烃能力更强,可为C洼油气藏的形成提供充足的烃源,因此,具有广阔的勘探前景。

参考文献(References)

[1]　陈亮,甘华军,祝春荣,等.北部湾盆地涠西南凹陷沉降史研究

[J].新疆石油学院学报,2002,14(4):12-17.[CHENLiang,GANHuajun,ZHUChunrong,etal.StudyonsubsistencehistoryofWeixinandepressioninBeibuwanBasin[J].JournalofXinjiangPetroleumInstitute,2002,14(4):12-17.]

[2]　刘平,夏斌,唐在秋,等.北部湾盆地涠西南凹陷储集层流体包

裹体[J].石油勘探与开发,2008,35(2):164-169.[LIUPing,XIABin,TANGZaiqiu,etal.FluidinclusionsinreservoirsofWeixinansag,BaibuwanBasin[J].PetroleumExplorationandDevelopment,2008,35(2):164-169.]

wanBasin[J].JorunalofXinjiangPetroleumInstitute,2003,15(4):30-37.]

[5]　胡圣标,汪集旸.沉积盆地热体制研究的基本原理和进展[J].

地学前缘,1995,2(3):171-180.[HUShengbiao,WANGJiy-ang.Principlesandprogressesonthermalregimeofsedimenta-rybasins-:anoverview[J].EarthScienceFrontiers,1995,2(3):171-180.]

[6]　康西栋,李思田,李雨梁,等.北部湾盆地今古地温场特征及热

史演化[J].长春地质学院学报,1995,25(2):173-177.[KANGXidong,LISitian,LIYuliang,etal.StudyonthegeothermalcharacteristicsandthermalhistoryofBeibuwanBasin[J].JournalofChangchunUniversityofEarthScience,1995,25(2):173-177.]

[7]　陈刚,赵重远,李丕龙,等.Ro反演的盆地热史恢复方法与相关

问题[J].石油与天然气地质,2002,23(4):343-346.[CHENGang,ZHAOChongyuan,LIPilong,etal.Roinversionofthermalhistoryreconstructioninsedimentarybasinanditsre-latedproblems[J].OilandGasGeology,2002,23(4):343-346.]

[8]　SweeneyJJ,BurnhamAK.Evaluationofasimplemodelof

vitrinitereflectancebasedonchemicalkinetics[J].AAPGBull.,1990,74:1559-1570.

[9]　苏玉平,付晓飞,吴大成,等.EASY%Ro法在滨北地区热演化

史中的应用[J].大庆石油学院学报,2006,30(2):5-8.[SUYuping,FUXiaofei,WUDacheng,etal.ApplicationofEAS-Y%RomodeltotheresearchofthermalevolutioninBinbei[J].JournalofDaqingPetroleumInstitute,2006,30(2):5-8.]

　第2期　　郭飞飞,等:北部湾盆地涠西南凹陷C洼烃源岩热史及成熟史模拟

93

SOURCEROCKTHERMALANDMATURITYHISTORYMODELINGIN

CSAGOFTHEWEIXINANDEPRESSION,BEIBUWANBASIN

GUOFeifei,GUOXiaowen,SUNJianfeng,CAOQiang,ZHANGYang

(FacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:ItissignificanttostudythesourcerockmaturityhistoryintheCsagoftheWeixinandepressionforthedeepwaterexplorationinthisareaofBeibuwanbasin.BasedongeohistoryandthermalhistoryoftheCsag,thesourcerockmaturityhistoryofthesagisreconstructedwiththeusageofEasy%Romodel.

Thestudiesindicate:(1)Intheearlyriftingstage,theheatflowintheCsagoftheWeixinandepressionreachedthemaximum(77mW/m2),thendecreasedgraduallyandisabout54mW/m2atpresent.(2)TheLiushagangFormationsourcerockintheCsagbegantogeneratehydrocarbon(Ro=0.5%)atabout51Ma,reachedthehydrocarbongenerationpeak(Ro=1%)atabout42Ma,andthehighmaturity(Ro=1.3%)atabout17Ma.(3)Comparatively,maturityoftheLiushagangFormationsourcerockofWellWei1,inthedeepwaterexplorationareaishigherandthehydrocarbongenerationcapacityisstronger,sothedeepwaterexplorationareahasmorecheerfulprospect.Keywords:burialhistory;thermalhistory;maturityhistory;basinmodeling;Weixinandepression