應用TSM盆地模擬技術恢復準噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖熱演化史

周雨雙，賈存善，張奎華，趙永強，余琪祥，江興歌，曹 倩

(1.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發研究院，山東 東營 257061)

盆地模擬技術應用于盆地的定量和動態分析已有三十多年的歷史[1-5]，隨著石油勘探開發事業的蓬勃發展，地質學家和數學家在近十幾年的時間里使盆地數值模擬技術發生了質的飛躍，應用領域越來越廣泛，技術方法越來越成熟，在揭示盆地構造—熱演化[6]、烴源巖生排烴史[7]、運聚動態過程[8]和油氣資源預測[9]等方面都發揮了重要作用。目前國際上比較流行的盆地模擬軟件主要有德國IES公司研發的PetroMod、法國石油研究院開發的TemisFlow和美國Platte River公司的BasinMod，這些軟件商品化程度高、模型豐富，地質應用也非常成熟。近十年國內油公司和科研院所陸續研發了多款盆地模擬系統，其中，中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所持續投入和研發的“TSM盆地模擬系統”日趨成熟。TSM系統強調大地構造與油氣聚集的系統關系，由盆地分析、盆地模擬和資源分級評價3個系統模塊組成，在解決盆地分析方面有其獨到之處，在中國石化各大油田均得到了廣泛應用和推廣。

近年來準噶爾盆地東北緣陸東—五彩灣一帶源自石炭系烴源巖的油氣藏相繼被發現，展現了良好的勘探前景，但整體勘探和研究程度仍較低。前人使用野外露頭、鉆井取心樣品開展了烴源巖有機質豐度、成熟度、地球化學指標、生烴熱模擬實驗等研究[10-18]，基本明確了準東北緣不同凹陷、不同環境的烴源巖地球化學特征及其有效性。但對石炭系烴源巖的動態生烴過程缺乏系統的研究，不同凹陷烴源巖差異熱演化及控制因素不明，制約了準東北地區整體的油氣成藏規律認識和勘探進展。因此在地質條件和參數約束下，開展準東北緣盆地數值模擬工作對解決認識成藏規律具有重要的指導作用。本文在盆地原型演化與烴源巖發育特征研究的基礎上，應用TSM盆地模擬系統，對準東北地區不同構造單元石炭系烴源巖的演化史進行模擬，恢復不同時期油氣生成的動態演化過程，旨在為該區的勘探潛力評價提供參考。

1 地質背景

準噶爾盆地東北緣的北部為緊鄰青格里底山的烏倫古坳陷，南部為陸梁隆起的北斜坡。根據構造變形及沉積充填特征，可將二級構造單元劃分為多個凸起和凹陷，凸起包括紅巖斷階帶、滴北凸起、石英灘凸起和三個泉凸起；凹陷包括索索泉凹陷、滴水泉凹陷、三南凹陷和英西凹陷(圖1)。準噶爾盆地東北緣大部分地區缺失二疊系，以石炭系為基底，上覆沉積地層主要為上三疊統、侏羅系、白堊系和新生界。該地區油氣勘探工作始于20世紀80年代，先后鉆探了多口鉆井，其中位于烏倫古坳陷北部的L5井以及滴北凸起的DB1和Q1等井，在下侏羅統八道灣組、三工河組和石炭系見到了來自石炭系烴源的油氣。從天然氣的組分特征看，天然氣干燥系數平均為0.95，以干氣為主[12]，認為位于凸起周緣的各個凹陷都有提供烴源的可能。因此，對于石炭系烴源巖的研究關系到該地區油氣勘探的潛力。

圖1 準噶爾盆地東北緣構造單元劃分及地層柱狀圖據參考文獻[13]修改。Fig.1 Structural unit division and stratigraphic histogram of the northeastern margin of Junggar Basin

研究區發育多套石炭系烴源巖，而火山巖極為發育是石炭系的主要特征。石炭紀是該區構造活動強烈和火山活動噴發頻繁的時期，形成了與火山活動有關的斷陷和坳陷，烴源巖的發育受到強烈的影響，沉積了有利于烴源巖發育的弧—盆體系[19-20]。早石炭世準噶爾盆地北部為淺—半深海沉積環境，在火山活動的間歇期，形成了多套薄層的泥巖與凝灰巖反復疊置。烴源巖主要發育在下石炭統滴水泉組(南明水組)和姜巴斯套組，主要分布在烏倫古坳陷、滴水泉和三南凹陷，平均厚度為200～500 m。晚石炭世轉換為海—陸過渡相，以火山巖和火山碎屑巖充填為主，間歇地發育凝灰質砂巖、泥巖、泥質砂巖。烴源巖主要發育在上石炭統巴塔瑪依內山組，主要分布在陸梁隆起區的滴水泉及三南凹陷，平均厚度為50～100 m。石炭系烴源巖有機質類型以Ⅲ型為主，部分為Ⅱ2型。

2 盆地模擬方法

為了研究準噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖的演化特征，本次研究在盆地構造演化分析的基礎上，采集了石炭系的鉆井和露頭烴源巖樣品，開展烴源巖有機質豐度及成熟度的分析測試工作，獲取的數據用以確定熱史和生烴史參數，從而得到更合理的地質模型。采用無錫石油地質研究所自主研發的TSM盆地模擬資源評價系統開展模擬分析。該系統是以朱夏院士1983年提出的TSM 系統評價的思路[21]，把盆地油氣評價方法的系統性和動態性融匯在一起，形成了盆地定量模擬評價方法的指導思想。其定義就是從盆地構造環境演化(T)類比建立不同世代原型的基礎上，利用計算機對原型地質作用(S)和油氣物質響應(M)之間可能的各種方案和組合關系進行確定性的數值實驗以及原型更迭，從而開發形成的特色鮮明的定量盆地分析模擬系統方法[22-24]。

模擬過程中劃分模擬計算單元時，為了完全覆蓋研究區的范圍，把研究區放置在一個長方形的框架之內(圖1)，模擬的單元網格呈南北、東西的正交方向，模擬單元為4 km×4 km的四邊形規則網格，并假定平面上每4 km×4 km的方塊單位作為一個點的數據集。根據現今地層的埋深，利用回剝法恢復石炭紀以來該地區的埋藏演化過程。在埋藏史模擬的基礎之上，將熱史與生烴史聯合，根據盆地演化的不同階段和實測數據，獲得各凹陷大地熱流值隨時間的變化，用以計算古地溫，求取溫度變化的TTI(時間—溫度指數)值及其成熟度Ro，得到各個地質時期的成熟度，然后依據不同類型有機質Ro—產烴率的關系及烴源巖有機碳含量、厚度等，計算得到各層烴源巖的生烴量。

3 模擬參數選取

3.1 地質模型

埋藏史演化分析和模擬模型系統的確立，是正確表達地質概念的基礎，因此在構建地質模型中要合理地定量化各項地質參數。所涉及到的主要參數為地層埋深、時間、剝蝕量、巖性和孔—深關系。巖性分布主要根據沉積相的類型對巖性進行分配，孔隙度隨深度的變化關系利用收集的數據統計分析得到?；謴蜆嬙焯龝r期地層剝蝕量，對于追溯烴源巖的演化過程非常重要。本次研究充分利用前期研究成果[20，25-26]，根據關鍵的構造變革期來給定相應的剝蝕量。

石炭紀以來，準噶爾盆地東北緣經歷了長期和多階段的改造作用，除石炭系內部、侏羅系內部、白堊系內部發育的次級不整合面外，主要發育4大區域不整合面，分別為石炭系頂部的不整合面、上三疊統底的不整合面、侏羅系頂的削蝕不整合面和古近系底的削蝕不整合面。石炭—二疊紀整個區域隆升剝蝕，石炭系頂部地層缺失嚴重，不同構造單元石炭系與上覆不整合的地層組合略有差異，烏倫古坳陷缺失上石炭統、二疊系及中—下三疊統。該不整合面向南延伸至陸梁隆起的北緣滴北凸起一帶，而陸梁隆起的南緣殘留了上石炭統和中二疊統，之后直到三疊紀末又重新接受沉積，剝蝕厚度約350～1 500 m。晚侏羅世—白堊紀初，陸梁隆起的持續隆升，剝蝕中心遷移至陸梁隆起一帶，剝蝕厚度約50～800 m。白堊紀—古近紀斷裂大規模沖斷復活，造成研究區均有不同程度的剝蝕，紅巖斷階帶整個中生界全部遭受剝蝕，陸梁隆起幅度相對減小，剝蝕厚度約100～1 000 m。對比各凹陷來看，主要是石炭紀末和侏羅紀末的構造沉積差異。

3.2 古熱流參數

盆地在演化的過程中，地下溫度場不斷發生有規律的變化，地下溫度是烴源巖生烴的主要動力，控制著油氣的生成，因此在熱史模擬過程中，首先要模擬地溫的變化過程。烴源巖熱演化的主要參數包括大地熱流、地表溫度、巖石熱導率等。

本次熱史模擬主要根據以下2個方面來取參數：①通過前人實測的巖石熱導率和地溫梯度來約束模擬現今的大地熱流值[27-30]。研究區大地熱流與地溫梯度的分布比較相似，烏倫古坳陷平均為43.2 mW/m2，陸梁隆起區平均為45.4 mW/m2，屬于典型的“冷盆”(大地熱流值小于50 mW/m2)；②對于古熱流值的確定，主要通過研究區不同時期的盆地原型，結合不同盆地類型的熱體制條件對其進行初始賦值。準噶爾盆地北部構造演化可劃分為4個階段：早石炭世為島弧—弧后盆地；晚石炭世—二疊紀為洋—陸轉換后的陸內裂谷；三疊紀—白堊紀為穩定的陸內坳陷；白堊紀末—新近紀演化為大型前陸盆地[20,31-32]。這種晚期陸內前陸盆地疊加在早期伸展盆地之上的盆地性質對烴源巖的分布和演化具有控制作用[31]。由于區域伸展程度自二疊紀—古近紀逐漸變弱，古熱流值和古地溫梯度由老而新逐漸變低。第一階段盆地由弧后擠壓撓曲向弧內伸展裂陷階段轉換，帶來強烈火山活動和高大地熱流值，古大地熱流值平均在50 mW/m2以上；第二階段隨著盆地進入穩定陸內坳陷期，大地熱流值下降趨于穩定，古大地熱流值平均在40 mW/m2以上；第三階段是陸內前陸盆地，表現為隆起區熱流值較高、凹陷區熱流值相對低的特點(圖2)。最終計算得到的地溫值與有關測試數據及井中測溫等進行擬合校驗。

地表溫度參數多受氣候、緯度帶的影響，沉積水表面溫度是古氣候條件研究的重要內容之一，但其求取難度很大，而且準噶爾盆地也沒有相關研究。因此，根據WYGRALA(1989)提出的全球古氣候模型對沉積水表面溫度變化趨勢進行估算[28]，準噶爾盆地地處北半球東亞板塊(北緯45°)，截取石炭紀到現今準東北地區古地表溫度的變化曲線值，古地表溫度分布在15～40 ℃之間。而地層熱導率采用了胡圣標等[28]的中國大陸地區大地熱流數據匯編(第三版)及王社教等[29]的研究結果，確定準噶爾盆地巖石熱導率分布在1.16～3.06 W/(m·K)之間。

3.3 熱力學模型

在TSM盆地模擬系統中計算成熟度(Ro)主要采用TTI(時間—溫度指數)模型的算法。根據積分累計效應，計算得到的Ro應當與實測的Ro值相吻合，同時成熟度模擬結果需要與熱演化中的古大地熱流值相互校驗，來保證模擬結果的合理性。從模擬成熟度的趨勢線與實測趨勢線值之間的吻合程度(圖3)，檢驗了所建立地質模型和指定模擬參數的可靠性。從不同層位的成熟度看，成熟度具有隨埋深增加而增加的特點，侏羅系、三疊系、石炭系的Ro平均值分別為0.7%，0.95%，1.75%。

3.4 生烴史參數

生烴量計算方法主要采用干酪根熱降解理論，主要考慮各層有機碳含量、烴源巖厚度、烴源巖面積、烴源巖密度以及烴源巖Ro與烴產率的關系。研究區擁有豐富的鉆井資料，通過樣品的測試分析及生烴模擬實驗，能夠較為準確地獲取這些參數，從而使得生烴量和生烴強度的計算更加趨于合理。

從準噶爾盆地東北緣的石炭系烴源巖有機質豐度和成熟度對比來看(表1)，不同地區石炭系烴源巖的豐度和成熟度存在較大差異。滴北凸起的烴源巖有機質豐度最高，但演化程度較低；烏倫古坳陷的烴源巖有機質豐度一般，但演化程度較高。

圖2 準噶爾盆地東北緣地質歷史時期古熱流值據參考文獻 [11，27] 。Fig.2 Paleogeothermal flow values during geological histories on the northeastern margin of Junggar Basin

表1 準噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖有機質豐度和成熟度參數Table 1 Organic matter abundance and maturity parameters of the Carboniferous source rock samples from wells on the northeastern margin of Junggar Basin

圖3 準噶爾盆地東北緣實測 和模擬成熟度Ro隨深度的變化關系Fig.3 Relationship between measured and simulated maturity(Ro) with depth, northeastern margin of Junggar Basin

烏倫古坳陷下石炭統發育凝灰巖、凝灰質泥巖和泥巖，其中索索泉凹陷烴源巖厚度最大。如WC1井鉆遇1 412 m灰黑色凝灰質泥巖，烴源巖厚度推測達到300～500 m左右；TOC含量為0.43%～1.88%，平均為0.87%，其中73.2%的樣品TOC在0.5%～1.0%，為差烴源巖，22.5%的樣品TOC在1.0%～1.88%，為中等烴源巖；生烴潛量最高達到3.59 mg/g，平均為0.57 mg/g，氯仿瀝青“A”平均含量為607.26×10-6；Ro值分布于1.34%～2.91%，平均值達到1.75%，處于高—過成熟演化階段，具備一定的生烴潛量。陸梁隆起區下石炭統發育灰色凝灰巖、砂巖夾暗色泥巖，滴北凸起鉆井揭示的石炭系烴源巖有機質豐度較高，TOC平均值分布范圍為0.52%～3.70%；Ro平均值分布范圍為0.60%～0.66%，處于成熟演化階段。其中Q1井TOC值為2.64%～5.60%，平均值為3.70%，達到好烴源巖標準。

烴產率數據是生烴量模擬的基礎，不同類型的干酪根隨著溫度的變化，其生烴產率也不同。研究區石炭系烴源巖以Ⅱ2、Ⅲ型為主，本次研究選取WC1井下石炭統成熟度適中的烴源巖樣品，開展高壓釜生烴模擬實驗，來反映不同溫度下烴產率的變化。模擬結果表明，石炭系烴源巖油產率隨著模擬溫度的升高達到最高值后快速降低(圖4)，當模擬溫度達到359 ℃時，達到最大液態烴(油)產率為93.06 kg/t；從氣產率來看，當模擬溫度達到600 ℃時，氣產率為113.52 kg/t。反映出烏倫古坳陷下石炭統烴源巖有機質類型較好，具有較高的生油氣潛力。

圖4 準噶爾盆地東北緣WC1井下石炭統 烴源巖烴產率與溫度的關系Fig.4 Relationship between hydrocarbon production rate and temperature of the Lower Carboniferous source rocks from the well WC1 on the northeastern margin of Junggar Basin

4 模擬結果分析

本次模擬一方面利用已有鉆井進行單井一維模擬，另一方面對無鉆井凹陷開展虛擬井模擬，分別選取索索泉凹陷的WC1井、滴水泉和三南凹陷的虛擬井A和B(圖1)。根據準東北地區石炭系烴源巖的平面分布范圍，選取石炭紀末、三疊紀末和白堊紀末的平面成熟度來反映區域的演化趨勢，從而較為系統地對準噶爾盆地東北緣烴源巖熱演化過程及特征進行恢復，分析不同凹陷之間的演化差異。

4.1 熱成熟演化史

準噶爾盆地東北部的埋藏—熱演化史主要經歷了海西—燕山期多次構造活動改造。從不同構造單元的單井和平面演化史分析，研究區主要經歷了早期埋藏—區域隆升、中期持續沉降、晚期抬升—埋藏反復的構造演化過程。

早石炭世烏倫古坳陷繼承了早期相對穩定的構造—沉積格局，處于弧后盆地位置，沉積了一套厚度2 000～2 500 m的陸緣碎屑和火山碎屑沉積物，沉降速率和厚度遠大于其他地區(圖5a)。隨著大量火山物質的加入，受熱變質作用的影響，石炭紀末，下石炭統古地溫達到了140 ℃，Ro值達到0.5%～0.8%，進入低成熟演化階段并開始生排烴(圖6a)。此時陸梁隆起區處于島弧位置，弧內的斷陷即三南和滴水泉凹陷埋藏較淺(圖5b,c)，整個陸梁隆起區都處于未成熟演化階段(Ro<0.5%)，不具備生烴能力。晚石炭世—二疊紀呈現區域性的隆升，二疊紀處于長期剝蝕階段，造成準東北大部分地區二疊系缺失，石炭系烴源巖演化停滯，烏倫古坳陷部分石炭系烴源巖Ro<0.5%，早期生成的油氣也在海西期運動中遭受一定程度的破壞，延緩了三南和滴水泉凹陷烴源巖進入生烴窗的時間。

三疊紀末從斷陷型沉積向坳陷型沉積轉變，開始進入下陷沉積階段(圖5a-c)，此時準東北大部分地區石炭系烴源巖Ro值都大于0.5%，古地溫達到100～140 ℃(圖6b)。陸梁隆起區的滴水泉和三南凹陷烴源巖達到低成熟演化階段，開始生排烴；而北部的烏倫古坳陷烴源巖Ro值為0.8%～1.5%，上部石炭系烴源巖再次埋藏達到二次生烴門限，進入生油高峰；索索泉凹陷沉積中心已達到高成熟演化階段，開始大量生氣。

圖5 準噶爾盆地東北緣各凹陷單井埋藏史、熱史演化Fig.5 Burial and thermal evolution histories of single well in different sags, northeastern margin of Junggar Basin

侏羅紀—白堊紀末期，滴北凸起和紅巖斷階帶的持續隆升，造成侏羅—白堊系大量剝蝕，石炭系演化程度較低，Ro值分布在0.7%～0.9%(圖6c)。其余凹陷持續沉積至白堊紀末達到最大埋深(圖5a-c)，此時烏倫古坳陷整體進入高—過成熟演化階段，Ro值分布在1.5%～2.2%，以生干氣為主。三南凹陷Ro值分布在1.5%～1.9%，處于高成熟演化階段；而滴水泉凹陷受滴北凸起隆升影響，白堊紀末埋深較淺，Ro值分布在0.8%～1.3%，處于成熟演化階段。古近紀以后延續了白堊紀末的構造格局，不影響早期的成熟演化特征。

圖6 準噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖成熟度演化史模擬Fig.6 Maturity evolution sequence of Carboniferous source rocks on northeastern margin of Junggar Basin

4.2 生烴演化史

通過盆地模擬計算獲得了烏倫古坳陷石炭系烴源巖在石炭紀末期、白堊紀末期以及現今的生烴強度和累積生烴量。生烴能力的模擬計算可以反映出石炭系烴源巖在不同時期生烴貢獻的差異(圖7)。從不同時期的生烴量來看，石炭紀末最大生烴強度達到110×106t/km2，白堊紀末最大生烴強度達到210×106t/km2，到現今最大生烴強度達到290×106t/km2。白堊紀末是生烴高峰期，生烴中心位于索索泉凹陷LC1井附近，與烴源巖厚度分布中心較為一致。生烴強度沿著凹陷沉積中心呈北西向遷移，而紅巖斷階帶和烏倫古坳陷南斜坡的生烴強度較小，也反映出侏羅—白堊紀時期南北擠壓沖斷作用的效應對石炭系烴源巖生烴演化的影響。

圖7 準噶爾盆地烏倫古坳陷石炭系姜巴斯套組累計生烴強度模擬分布Fig.7 Simulated cumulative distribution of hydrocarbon generation intensity of Carboniferous Jiangbasitao Formation, Wulungu Depression, Junggar Basin

基于WC1井烴源巖模擬樣品得到的產烴率計算的生烴量結果表明，早期以生油為主，石炭紀末累計生烴量為103.0×108t，其中生油量達到73.6×108t，生氣量為29.4×108t，氣油比為2.5。白堊紀末氣產率增大，累計生烴量為184.4×108t，生氣量達到104.1×108t，生油量為80.3×108t。現今以生氣為主，累計生烴量為205.2×108t，生氣量達到146.0×108t。從不同時期生烴貢獻的差異看，石炭紀末為主要的生油高峰期，白堊紀末是主要的生氣高峰期。

5 結論

(1)準噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖具有分區演化、差異成熟的特點。烏倫古坳陷成熟早，且具有二次生烴的特點，石炭紀開始生烴，二疊紀末生烴停滯，晚期埋藏演化至過成熟演化階段，現今以生干氣為主；三南和滴水泉凹陷成熟晚，三疊紀才開始生烴，晚期埋藏演化至成熟—高成熟演化階段，現今以生凝析油氣為主。

(2)準噶爾盆地東北緣不同凹陷之間石炭系烴源巖熱演化差異，主要受控于不同構造單元埋藏演化史及不同盆地類型構造—熱體制的差異。石炭紀烏倫古坳陷處于弧后盆地位置，沉積厚度大且熱流值高；三南和滴水泉凹陷處于弧內裂陷盆地，沉積厚度薄且熱流值相對低。石炭紀末至二疊紀的強烈隆升剝蝕，造成烏倫古坳陷石炭系烴源巖熱演化停滯，三南和滴水泉凹陷的烴源巖成熟度增加緩慢。

(3)烏倫古坳陷石炭系姜巴斯套組烴源巖累計生烴量為205.2×108t。其中，石炭紀末生烴量為103.0×108t，是主要的生油高峰期；白堊紀末生烴量為184.4×108t，是主要的生氣高峰期。

致謝：本文得到了原勝利油田西部新區研究院提供的基礎資料，在此表示感謝！