川東建南地區頁巖成熟度模擬分析

(長江大學地球球科學學院，湖北 荊州434023）

李坤運(中石油大港油田分公司開發事業部，天津300475）

頁巖成熟度表明有機質的成熟階段，也影響頁巖中吸附在有機物表面的天然氣量。據北美地區實際勘探情況，反映頁巖成熟度的鏡質體反射率（Ro）的變化大致從0．4%到1．9%[1]。低成熟Barnett頁巖的地方，產氣速率就比較低。在許多Barnett頁巖高成熟的井中，產氣速率比較高。在密歇根盆地的Antrim頁巖中，熱成因的頁巖氣含量向成熟度增加的方向不斷增加，含氣頁巖的生氣量和賦存的氣體量與成熟度成正比[2]。因此，成熟度是評價可能的高產頁巖氣的關鍵地球化學參數。鏡質體反射率隨溫度呈正比變化趨勢且不可逆，故被廣泛用于熱演化史恢復[3]。筆者利用相關測井資料對建南地區重點井太1井進行了剝蝕厚度恢復，結合四川盆地中生代地熱歷史資料，利用古熱流法反演得到了研究區上三疊-下侏羅統主要頁巖層段的古地溫演化史，再結合太1井樣點實測Ro值，恢復得到烴源巖的成熟度史。

1 地質概況

鄂西渝東地區的建南構造位于鄂西渝東的石柱復向斜上，屬川東-鄂西基底起伏構造帶的次級構造單元，在晚三疊世至侏羅紀時期屬四川盆地的一部分，侏羅紀以來經歷過多期褶皺和斷裂變形，新近紀形成現今格局[4]。研究區內區域性不整合面見于志留系與泥盆系之間、石炭系與二疊系之間、上二疊統與下二疊統之間、中三疊統與上三疊統之間和中生界與新生界之間[4]。

石柱復向斜地層發育的關鍵時期為海西-早印支期、晚印支-早燕山期，屬同造山前陸盆地演化階段，以湖泊相、河流相沉積為主，筆者研究的上三疊統-下侏羅統發育于該時期。下侏羅統以湖泊相沉積為主，泥頁巖相對發育，自流井組東岳廟段黑色頁巖為區域上主力烴源巖的最重要發育層位之一。上三疊統以河流相為主，須家河組暗色泥巖和黑色炭質頁巖，為區域上主力烴源巖的發育層位。總體來看，建南地區上三疊-下侏羅統主要以湖相沉積為主，生、儲、蓋成藏組合特征較明顯[5]（見圖1）。

2 成熟度史模擬分析

2．1 地層剝蝕量恢復分析

地層被剝蝕是多期沉積盆地中普遍存在的現象，它對沉積盆地中油氣的生成、運移和聚集等都會產生重要影響。目前恢復剝蝕厚度的方法主要有泥巖聲波時差法、鏡質體反射率法、包體測溫法、磷灰石裂變徑跡法、波動分析方法、鄰層厚度比值法、未被剝蝕地層厚度趨勢延伸法以及地質類比法、古地溫梯度法、沉積速率比值法等。利用聲波時差資料恢復剝蝕量的前提是泥質巖的壓實過程不受時間因素影響，而且壓實作用不可逆。該方法認為在有剝蝕的地區，當不整合面以上沉積物的厚度小于剝蝕厚度時，將不整合以下泥巖的壓實趨勢線上延至地表未固結泥巖的聲波時差值即為古地表[6]，古地表與不整合面之間的距離即為剝蝕厚度。這種方法依賴于正確地確定地下沉積層的孔隙度-深度和聲波時差-深度的關系，但當剝蝕面再度下沉至大于剝蝕厚度的深度以下時，因壓實趨勢改變，則無法算出剝蝕量的大小。

圖1 建南地區上三疊-下侏羅統沉積柱狀示意圖

地表聲波時差根據實際鉆井不整合面以上地層的泥巖壓實的趨勢線延伸至地表來計算。由于建南地區不整合面以上缺少聲波時差數據，根據正常的地表聲波時差范圍，結合該地區實際情況，選取635μs／m為該地區地表聲波時差值。

以典型井太1井作為研究對象，將其中泥質巖層段的平均深度與相對應的聲波時差值放在半對數坐標系中，除去異常壓實段和其他非正常點聲波時差數據后，得到太1井的聲波時差(AC）-厚度(H）關系圖及剝蝕厚度(見圖2）。從晚燕山到喜馬拉雅期，建南地區一直處于抬升剝蝕階段。太1井在沉積上三疊統至下侏羅統之后遭受強烈剝蝕，現今僅保留中下侏羅統，剝蝕強度較大，根據泥巖聲波時差法恢復剝蝕厚度，該井的剝蝕量為1486m。

圖2 太1井剝蝕厚度恢復

2．2 熱演化史恢復分析

建南所屬的鄂西-渝東地區古熱流在晚二疊世初期達到最高78mW／m2，到現今持續降低，在侏羅紀末期平均為54mW／m2[3]，考慮到利用古溫標只能反演出地層達到最高古地溫時及其之后的成熟度史[7]，故選用古熱流法[8]對太1井上三疊-下侏羅統進行成熟度史恢復較為適宜。該方法的基本原理確定剝蝕層的剝蝕厚度，將現今地層厚度回剝，恢復地層埋藏史，模擬該階段的沉積或剝蝕等熱體制變動事件，結合盆地熱流史，重建地層溫度史[3]。反演流程如圖3所示。

圖3 古熱流法熱史恢復原理流程

太1井熱史反演過程中的地質參數(如巖性，熱流等）及Ro樣點數據來源于中國石化江漢油田建南地區鉆井測試數據或文獻 [9-10]中的相關數據。在熱史恢復過程中，選用Easy%Ro[11]來進行烴類成熟史模擬，恢復結果如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，建南地區上三疊-下侏羅統的最高古地溫曾經到達165℃，現今溫度大概在60～75℃，根據有機質演化階段和特征，該溫度對應的階段為有機質的成熟階段，適合油氣的生成。

從圖5可以看出，上三疊統須家河組烴源巖進入生油門限(Ro=0．5%）的時間大致距今195Ma（早侏羅世），成熟度Ro達到1．0%的時間大致距今170Ma（中侏羅世），埋深達到3100m，溫度達到108℃。下侏羅統烴源巖進入生油門限(Ro=0．5%）的時間大致距今180Ma（早-中侏羅世），成熟度Ro達到1．0%的時間大致距今145Ma（晚侏羅世），埋深達到3500m，溫度達到105℃。

綜合分析認為，研究區上三疊-下侏羅系烴源巖早-中侏羅世開始生烴，以生油為主，其后不久在中-晚侏羅世達到了生烴高峰，以氣為主。侏羅紀末期的構造活動，有利地配合了烴源巖的排烴過程，同時形成的圈閉，有利于油氣聚集。

通過該區多個典型井的熱史恢復可知，區域內現今頁巖成熟度普遍處于1．0%以上，處于有機質的成熟階段，具有較大的生氣潛力。

圖4 太1井古地溫演化史

圖5 太1井頁巖成熟度演化史

3 結 論

1）頁巖氣藏中，有機質的成熟度不僅反映烴源巖生烴期次，而且影響著儲層有機質表面的吸附氣含量，北美地區勘探情況亦證明，成熟度是評價頁巖氣藏的重要參數。

2）晚燕山到喜馬拉雅期，建南地區一直處于抬升剝蝕階段。太1井在沉積上三疊統至下侏羅統之后遭受強烈剝蝕，現今僅保留中下侏羅統，剝蝕強度較大，根據泥巖聲波時差法恢復剝蝕厚度，該井的剝蝕量為1486m。

3）太1井成熟度史恢復結果表明，建南地區上三疊-下侏羅系烴源巖早-中侏羅世開始生烴，以生油為主，其后不久在中-晚侏羅世達到了生烴高峰，以生氣為主。侏羅紀末期的構造活動，有利地配合了烴源巖的排烴過程，同時形成的圈閉有利于油氣聚集。

[1]張金川，金之鈞，袁明生．頁巖氣成藏機理和分布 [J]．天然氣工業，2004，24（7）：15-18．

[2]蒲泊伶，包書景，王毅，等．頁巖氣成藏條件分析——以美國頁巖氣盆地為例 [J]．石油地質與工程，2008，22（3）：33-39．

[3]盧慶治，馬永生，郭彤樓，等．鄂西-渝東地區熱史恢復及烴源巖成烴史 [J]地質科學，2007（1）：55-58．

[4]馬力，陳煥疆，甘克文，等．中國南方大地構造和海相油氣地質 [M]．北京：地質出版社，2004．

[5]盛賢才，王韶華，文可東，等．鄂西渝東地區石柱古隆起構造沉積演化 [J]．海相油氣地質，2004，9（2）：43-52．

[6]劉磊，陸梅娟．聲波時差法恢復剝蝕量在二連盆地中的應用 [J]．小型油氣藏，2007，12（3）：15-18．

[7]胡圣標，張容燕，周禮成．油氣盆地地熱史恢復方法 [J]．勘探家，1998，3（4）：52-54．

[8]Lerche I，Yarzab R F，KendallC G．Determination of paleoheat flux from vitrinite reflectance data [J]．AAPG Bull，1984，68：1704-1717．

[9]韓永輝，吳春生．四川盆地地溫梯度及幾個深井的熱流值 [J]．石油與天然氣地質，1993，14（1）：80-84．

[10]王瑋，周祖翼，郭彤樓，等．四川盆地古地溫梯度和中-新生代構造熱歷史 [J]．同濟大學學報(自然科學版），2011，39（4）：606-612．

[11]Sweeney J J，Burnham A K．Evaluation of a simp le model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics [J]．AAPG Bull，1990，74（10）：1559-1570 ．