鄂爾多斯盆地熱動力演化史及其對油氣成藏與富集的控制作用

任戰利，祁 凱，李進步，霍小菊，崔軍平，楊 鵬，王 琨，陳占軍，楊桂林

(1.西北大學 地質學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069； 2.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發重點實驗室，陜西 西安 710075； 3.中國石油 長慶油田公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018； 4.中國石油 長慶油田公司 第二采油廠，甘肅 慶陽 745100； 5.隴東學院，甘肅 西峰 745000)

鄂爾多斯盆地為大型疊合盆地，油氣資源豐富。僅延長組7段(簡稱長7段)剩余頁巖油資源量就達59.49×108t[1-2]。2020年中國石油長慶油田油氣產量已突破6 000×104t，延長集團油氣產量突破1 100×104t，中國石化華北分公司油氣產量接近500×104t，盆地油氣總產量超過7 600×104t。鄂爾多斯盆地發育多套烴源巖，有多套含油層系。盆地熱演化史對油氣生成、成藏有重要控制作用。鄂爾多斯盆地現今為中溫型盆地，盆地后期強烈抬升，遭受剝蝕，處于降溫過程。筆者研究發現中生代晚期構造熱事件對油氣生成及成藏具有重要控制作用，并對其進行了深入的研究[3-5]，熱事件及熱演化史研究在油氣成藏評價及指導勘探中發揮了重要作用[6-7]。但從深部巖石圈熱動力學形成機制及演化角度，研究鄂爾多斯盆地熱動力學演化與油氣分布、富集規律工作相對較薄弱[5]。

隨著油氣勘探工作及深部巖石圈結構研究的深入，很有必要將盆地熱演化程度、熱演化史與深部巖石圈熱動力學演化相結合，從更大范圍及更深層次來研究油氣分布及富集規律。在國家自然科學重點基金重點項目及國家科技重大專項等的支持下，近年來筆者對鄂爾多斯盆地巖石圈熱動力學演化特征進行了研究，研究表明盆地早白堊世熱巖石圈厚度明顯減薄，早白堊世構造熱事件具有明顯的深部熱背景，盆地熱巖石圈動力學演化及早白堊世構造熱事件對油氣生成、成藏及富集有重要控制作用[5,8]。本文根據鄂爾多斯盆地油氣勘探新進展，從盆地深部熱動力學及盆地熱演化史角度研究了盆地中生代晚期早白堊世巖石圈深部熱動力對油氣生成、成藏期的控制作用，探討了熱異常對生烴量的影響及油氣富集原因，從盆地深部熱動力學及盆地熱演化史角度指出了鄂爾多斯盆地今后油氣勘探的方向。

1 盆地構造熱事件與巖石圈熱演化史

鄂爾多斯盆地為大型疊合盆地，經歷了長期的演化，不同時期盆地范圍、盆地性質、沉積儲層差異大[9-10]。不同時期的盆地縱向疊置，發育多套烴源巖，形成了多套含油層系。盆地主體部位熱演化程度鏡質體反射率(Ro)隨深度增加而逐漸增高，不同深度及層位并未出現熱演化程度的明顯錯斷現象，不同區塊鏡質體反射率隨深度變化曲線差異主要是曲線斜率及后期剝蝕厚度的差異，表明盆地熱演化程度是隨深度增加而逐漸增高的，為連續增溫型(圖1)，盆地在早白堊世末達到最大埋深及最高熱演化程度[3-4]。

鄂爾多斯盆地現今地溫梯度及熱流值較低，不同時期盆地類型、范圍及動力學背景不同，根據作者提出的疊合盆地熱演化史恢復原理及恢復方法，對鄂爾多斯盆地構造熱演史研究發現中生代晚期早白堊世地溫梯度及大地熱流明顯增高，存在構造熱事件(圖2)[3-4,11]，表明鄂爾多斯盆地并非一直穩定，在中生代晚期經歷了強烈改造，表現出活化的特征，在地熱場表現明顯[3-5]。根據熱傳導方程及不同圈層巖石熱參數，對不同時期熱巖石圈厚度進行了恢復。恢復結果表明盆地現今熱巖石圈厚度分布在90～170 km，早白堊世熱巖石圈厚度為50～75 km，相比現今巖石圈厚度發生了明顯的減薄，在盆地渭北隆起、陜北斜坡南部巖石圈厚度更薄(圖3)。早白堊世構造熱事件的發生時間與華北克拉通破壞時間具有同時性，構造熱事件是盆地深部熱活動性增強、巖石圈減薄的結果[8,12-14]。伊盟隆起上出露的早白堊世玄武巖、晉西撓褶帶早白堊世紫金山巖體、盆地西南緣早白堊世桐城巖體等提供了軟流圈上涌巖石圈減薄的直接證據。鄂爾多斯盆地早白堊世巖石圈厚度明顯減薄，晚白堊世以來巖石圈厚度為逐漸加厚的過程[8,12]。

圖1 鄂爾多斯盆地典型井鏡質體反射率與深度關系Fig.1 Vitrinite reflectance vs.depth of samples from typical wells,Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地大地熱流演化史Fig.2 Evolution history of terrestrial heat flow in the Ordos Basin

2 熱成熟度異常與生烴量增加

2.1 熱演化程度及異常分布

鄂爾多斯盆地早白堊世由于巖石圈減薄，地溫梯度、熱流值高，多套烴源巖在早白堊世達到最大埋深及最高熱演化程度，盆地南部不同層位烴源巖熱演化程度普遍高于北部。南部下古生界烴源巖熱演化程度高，Ro值可達3.0%；上古生界煤系烴源巖Ro普遍大于2.0%，高值可達2.8%以上；三疊系延長組烴源巖Ro值普遍大于0.8%，高值達到1.1%以上；侏羅系延安組Ro值最高可達0.8%。盆地不同層位熱演化程度Ro值高值區及熱異常主要分布于盆地中南部(圖4)[5,8,12,15]。

如果按照正常地溫梯度30 ℃/km計算，早白堊世末延長組烴源巖在南部熱演化程度Ro值可達0.70%，上古生界煤系烴源巖Ro值可達1.30%，下古生界烴源巖Ro值可達1.75%。盆地現今不同層位烴源巖熱演化程度是在早白堊世末達到的，現今熱演化程度高值異常區明顯高于正常地溫梯度值達到的熱演化程度。以延長組為例計算熱異常程度，現今延長組最高熱演化程度減去按正常地溫梯度計算在早白堊世末達到的熱演化程度為熱異常值，以此繪制熱異常程度分布圖(圖5)，可以看出鄂爾多斯盆地延長組熱異常區近乎全盆分布，熱異常程度高值區主要分布于盆地中南部，熱演化程度Ro差值普遍大于0.28%，在盆地南部異常幅度更大，熱異常程度高值區與不同層位熱演化程度高值區有明顯的對應關系(圖4)。

2.2 熱異常增加的生烴量探討

由于早白堊世構造熱事件的存在，在盆地中南部形成了明顯的熱異常，熱異常的存在提高了熱演化程度。熱事件導致的熱演化程度的增加對生烴量有明顯的影響，但這方面缺乏分析及討論。

圖3 鄂爾多斯盆地現今(a)及早白堊世(b)不同構造單元熱巖石圈厚度Fig.3 Thermal lithospheric thickness of different structural units at present (a) and in the Early Cretaceous (b),Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地不同層位熱演化程度疊合分布Fig.4 Overlapped thermal maturity contours of different layers,Ordos Basin

根據盆地熱演化史模擬結果，長7段有效烴源巖在中侏羅世末期開始生烴，主要在早白堊世由于達到最大埋深及發生構造熱事件而大量生排烴，而晚白堊世以來發生的盆地整體構造抬升，盆地周緣抬升早，盆地新生代以來快速抬升[5,16-18]，古地溫明顯高于今地溫，使得生烴作用停止[3-5]。長7段優質源巖在盆地南部已達到成熟-高成熟演化階段(Ro值為0.90%～1.15 %)，模擬實驗結果表明長7段優質油源巖液態烴產出高峰對應的溫度在280～320 ℃(等效Ro為0.71 %～1.30 %),液態烴產率達357～417 mg/g[19]，按照正常熱演化程度Ro為0.71%，異常熱演化程度Ro為1.14%計算，則由于熱演化程度的增高，液態烴生成量約為100.7 mg/g。從長7段烴源巖不同加熱速率的模擬實驗重烴產率變化來看，長7段烴源巖生油高峰期Ro約為1.00%，按照正常熱演化程度Ro為0.70%，則正常生成液態烴為81 mg/g，以異常熱演化程度Ro為1.00%計算，熱異常時生成的液態烴量為230 mg/g，由于熱演化程度的增高液態烴多生成量約為149 mg/g[20]。根據齊玉林等對長7段不同類型的烴源巖熱模擬實驗表明黑色頁巖主要生烴期對應的Ro值為0.70%～0.87%，低于暗色泥巖(主要生烴期對應Ro值為1.06%～1.72%)，且以生油為主，黑色頁巖的總烴產率、生油量均高于暗色泥巖[21]，黑色頁巖已完全進入主生烴期大量生油階段，黑色頁巖生烴高峰對應的Ro值低于暗色泥巖，由于熱演化程度的增高，黑色頁巖單位重量有機碳液態烴生成的量約為200 mg/g，液態烴生成量比暗色泥巖更高。長7段烴源巖不同加熱過程的熱模擬實驗分析表明，隨著熱演化程度的增高，生油量明顯增加，生烴曲線最高值出現在Ro值為1.28%(圖6)。根據模擬結果由于熱異常增加了烴源巖的熱演化程度，每克干酪根由于熱異常成熟度增加多生成的液態烴量約為129 mg/g，單位質量的烴源巖由于熱異常多生成的液態烴量可達7 mg/g以上。

圖5 早白堊世熱事件導致鄂爾多斯盆地中生界延長組熱演化異常程度分布Fig.5 Abnormal maturity distribution of the Yanchang Formation caused by thermal events in the Early Cretaceous,Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地中生界延長組烴源熱演化程度與生成液態烴量關系對比Fig.6 Thermal maturity vs.liquid hydrocarbon generation amount of source rocks in the Yanchang Formation,Ordos Basin

對于下古生界奧陶系烴源巖由于熱異常烴源巖鏡質體反射率按正常1.75%增加到異常2.50%計算，根據模擬實驗結果中間值計算，則由于熱異常單位質量有機碳多產氣約330 m3/t(圖7)[22-23]。上古生界石炭系-二疊系煤層熱演化程度鏡質體反射率按正常值1.30%計算，異常值按2.00%計算，殘煤產氣率按模擬曲線中間值分別為60及125 m3/t計算，鏡質體反射率從1.30%增加到2.00%單位質量有機碳多產氣65 m3/t(圖8)[24-25]。由此可見由于熱異常提高了烴源巖熱演化程度，導致單位質量的烴源巖生烴量明顯增加。僅以中生界長7段黑色頁巖為例來計算由于熱異常多產生的生烴量，長7段暗色泥巖兩類烴源巖，黑色頁巖有機質類型好，有機質豐度高，黑色頁巖和暗色泥巖構成了中生界大規模成藏的豐富油源物質基礎。盆地南部長7段優質烴源巖黑色泥巖厚度取較小值11.2 m，熱異常區優質烴源巖分布范圍按小值2.5×104km2，熱異常值Ro值按1.0%，油頁巖密度為2.21 g/cm3[26]，根據我們的熱模擬結果結合前人研究結果，中生界長7段黑色頁巖烴源巖由于熱異常液態烴多生成量低值為4 mg/g[27]，高值在28～47.7 mg/g[19-21]，分別用4 mg/g及28 mg/g值計算，由于熱異常僅長7段黑色頁巖烴源巖多增加的生烴量計算在(23.52～164.64)×108t。由此可見早白堊熱事件導致烴源巖生烴量顯著增加。黑色頁巖的單位重量有機碳含量是暗色泥巖的 2～3倍，長7段暗色泥巖生烴量還未計算在內，如果加上暗色泥巖生烴量則總生烴量會更大。

上古生界煤層及中生界延長組烴源巖大面積分布，由于盆地熱異常分布面積大，熱異常明顯的增大了不同層位烴源巖的生烴量。盆地南部雖然煤層較薄，但由于構造熱事件導致煤層熱演化程度增加，明顯增加的生烴量在某種程度上可以彌補煤層厚度的不足。

圖7 鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系碳酸鹽巖熱模擬產氣量對比[22-23]Fig.7 Gas productivity curves of thermal simulations on different Ordovician carbonate rock samples,Ordos Basin[22-23]

圖8 鄂爾多斯盆地上古生界煤層熱模擬產氣量對比[24-25]Fig.8 Gas productivity curves of thermal simulations on the Upper Paleozoic coal seam samples,Ordos Basin[24-25]

鄂爾多斯爾盆地由于中生代晚期早白堊世巖石圈減薄發生的構造熱事件，產生了明顯的熱異常，導致不同層位烴源巖熱演化程度增高及烴源巖生烴量顯著增加。因此深部熱巖石圈減薄，構造熱事件的存在也是鄂爾多斯盆地油氣更加富集的重要原因之一。

3 盆地熱動力學演化對油氣生成、成藏及富集的控制作用

盆地熱動力學演化過程控制了盆地的熱演化史，進而控制了油氣的生成、成藏、富集及分布[8,28-29]。

3.1 熱動力演化與生烴、成藏關系

根據多種古地溫恢復方法及熱傳導方程，恢復了盆地的熱演化史及熱巖石圈動力學演化，研究結果表明在古生代及中生代早期，盆地地溫梯度、大地熱流較低，熱巖石圈厚度較大，中生代晚期早白堊世存在熱巖石圈減薄及區域構造熱事件[3-5,15]。

根據多種方法確定了鄂爾多斯盆地油氣藏主要充注期及形成時期為早白堊世[4-5,8,30]，油氣藏有中、晚侏羅世及早白堊世兩期充注。下古生界奧陶系烴源巖主要在晚三疊世—早、中侏羅世生油，早白堊世生成的油發生裂解及烴源巖進入過成熟大量生氣階段，形成氣藏。上古生界煤系烴源巖在中、晚侏羅世—早白堊世大量生成天然氣，有中晚侏羅世及早白堊世兩期充注，主要在早白堊世充注及成藏。奧陶系、石炭系-二疊系大規模生氣及成藏時期、中生界延長組湖相烴源巖大規模生油時期及主要成藏時期均在早白堊世。晚白堊世—新生代，主要是盆地內部已形成油氣藏的調整及盆地邊緣油氣的逸散。鄂爾多斯盆地不同層位烴源巖在早白堊世大規模生油、生氣及成藏主要受早白堊世巖石圈減薄深部熱動力學背景及構造熱事件控制(圖9)[4-5,8]。

3.2 熱成熟度對油氣富集的控制作用

鄂爾多斯盆地下古生界近年來天然氣勘探取得重要進展，在中央古隆起西斜坡區奧陶系烏拉力克組碳酸鹽巖中發現了天然氣藏及頁巖氣藏[31-32]，發現了一批高產井，含氣范圍不斷擴大。下古生界原生天然氣藏主要分布于中央古隆起西北斜坡、東部斜坡、南部隆起北斜坡及東部鹽洼。古生界烴源巖主要分布于中央古隆起西部、東部、南部及東部鹽洼，鏡質體反射率在盆地南部最高達3.0%以上。可以看出下古生界原生氣藏分布主要受下古生界及上古生界烴源分布、熱演化程度、儲層及古構造控制，熱演化程度及深部熱異常對天然氣分布有重要控制作用。

上古生界煤系烴源巖熱演化程度南高北低，北部鏡質體反射率為1.2%～2.0%，南部可達3.0%[12,15]。華北公司在盆地北部、長慶油田在盆地西南及東北部、延長油田在盆地南部均發現了氣田，盆地具有滿盆含氣的特點[31,33-35]。氣田主要分布于鏡質體反射率達1.3%～2.8%的熱演化程度較高地區，天然氣藏分布受煤系烴源巖分布、熱演化程度及儲層控制(圖10)。盆地南部煤層厚度較薄，過去認為含氣性差，筆者對盆地南部古生界烴源巖分布與熱演化史的關系及生排烴特征進行了研究，雖然上古生界煤層厚度較薄，但熱演化程度高，熱演化程度提高可以明顯增加生氣量。盆地南部發育上古生界煤系烴源巖及下古生界兩套烴源巖，因此具有天然氣勘探潛力[36](1)任戰利，李浩，陳西泮，等.陜北斜坡東部古生界烴源巖評價[R].陜西：陜西延長石油(集團)有限責任公司，2013.，煤層分布區及熱演化程度控制了氣田分布，預測結果被以后的天然氣勘探實踐及大氣田發現證實[31,35]。

長7段烴源巖熱演化程度分布具有南高北低的特點，南部鏡質體反射率已達0.9%～1.1%，已進入生油高峰階段[3-5]。盆地南部也是長7段湖盆中心，烴源巖發育。中生界延長組油田鏡質體反射率為0.8%～1.0%，正好處于盆地南部的熱異常區。油田的分布主要受烴源巖、熱演化程度及砂體控制。盆地深部熱動力條件增強，烴源巖的生油量明顯增加，這也是盆地南部油更豐富的原因之一(圖11)。

4 從熱演化程度及熱演化史看油氣勘探方向

鄂爾多斯盆地為大型疊合盆地，不同時代盆地的疊合在縱向上形成了多套烴源巖[37]，不同時代盆地由于后期的疊置，多套烴源巖達到最高熱演化程度及大規模生烴成藏時期主要為中生代晚期的早白堊世[3-5,8]。從前面論述可知盆地油氣分布主要受烴源巖、熱演化程度及儲層控制。因此本文從烴源巖發育層系及熱演化程度角度分析認為今后油氣勘探需要重視以下方向。

4.1 長7段致密油、頁巖油勘探潛力巨大，是石油勘探的重要接替領域

鄂爾多斯盆地延長組致密油剩余資源量為34.90×108t，頁巖油剩余資源量為59.49×108t[1]，資源豐富，勘探潛力大。盆地南部深湖區長7段烴源巖分布面積大，厚度大，熱演化程度高，處于高峰生油階段，是致密油、頁巖油今后主要勘探區(圖11)[38]。特別是隨著油氣勘探開發技術的進步，長7段頁巖油勘探開發具有巨大潛力[39]，是石油勘探的重要接替領域。長7段頁巖有機質熱成熟度對氣油比有重要控制作用，影響著頁巖油資源的可采性，值得進一步研究。長73亞段是烴源巖最發育層段，更為致密，砂巖不發育，頁巖油需要繼續攻關，盆地南部長73亞段熱演化程度高，氣油比高，長7段黑色頁巖發育區是實現頁巖油轉化的有利區，頁巖油原位轉化是未來努力的方向。

圖9 鄂爾多斯盆地油氣成藏時期與熱事件對應關系Fig.9 Corresponding relationship between hydrocarbon accumulation periods and thermal events in the Ordos Basin

4.2 上古生界石炭系-二疊系煤系地層天然氣勘探前景廣闊

上古生界石炭系-二疊系煤系烴源巖廣泛分布，東北厚西南薄，熱演化程度南高北低，是大氣田形成的物質基礎。煤系烴源巖的分布、熱演化程度及儲層控制了天然氣藏的分布，天然氣分布具有全盆廣泛分布的特點(圖10)。盆地南部煤層較薄但熱演化程度高，可明顯的增加生烴量，煤層雖薄但熱演化程度高可在某種程度彌補厚度的不足。石炭系-二疊系煤系烴源巖全盆地分布，具有雄厚的天然氣資源基礎，天然氣勘探具有良好的前景。盆地北部神木-米脂地區及盆地南部隴東、宜川-黃龍勘探新區具有良好的勘探潛力，已獲勘探突破就是例證[31]。

4.3 深層下古生界碳酸鹽巖層系具有形成大氣田的條件

下古生界碳酸鹽巖層系發育，其中寒武系張夏組、奧陶系烴源巖較好，烴源巖熱演化程度高，盆地南部鏡質體反射率已達3.00%以上。馬家溝期中央古隆起控制了烴源巖及儲層的發育，烴源巖分布于中央隆起西部斜坡、南部斜坡及中央古隆起內側的東部鹽洼[22-23]。中央古隆起、熱演化程度及儲層控制了下古生界天然氣富集區，預測的中央古隆起東斜坡、西斜坡、南部隆起北斜坡區天然氣勘探有利區不斷有天然氣勘探發現及突破[31,34-35](2)任戰利，崔軍平.構造演化與下古生界碳酸鹽巖層系天然氣成藏歷史[R].北京：中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，2010.。近年來在靖邊西側奧陶系、盆地中部奧陶系馬家溝組中部組合及東部鹽洼膏鹽下等層位勘探取得重要突破，發現了高產氣流[31]，盆地西部奧陶系烏拉力克組泥質碳酸鹽巖中也獲高產氣流。表明深層下古生界奧陶系碳酸鹽巖層系具有形成大氣田的條件，盆地南部古隆起北斜坡、東部鹽洼鹽下、中央隆起西斜坡、東斜坡值得進一步勘探。今后需要進一步明確奧陶系碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力。

4.4 深層中-新元古界需要明確規模烴源巖分布

鄂爾多斯盆地深層元古界發育長城系、薊縣系及震旦系，長城系具有裂谷性質，發育一系列北東向斷陷，盆地范圍大，主要為一套碎屑巖沉積。薊縣系及震旦系為坳陷沉積，范圍減小，主要為碳酸鹽巖及冰磧礫巖沉積。盆地內元古界埋藏深，烴源巖熱演化程度高，已進入干氣階段，主要是尋找天然氣[28]。中-新元古界油氣勘探關鍵是找到有一定規模的斷陷及規模烴源巖，筆者2014年在盆地西緣賀蘭山蘇峪口剖面發現中-新元古界長城系存在薄層暗色頁巖，有機質豐度較高，有機碳含量達3%，鏡質體反射率為2.35%[40](3)任戰利,郭科,董欣，等.鄂爾多斯地區中晚元古代祁連海槽原型恢復與古構造演化[R].北京：中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院，2013.。近幾年在盆地南部、北部周緣區也發現了元古界長城系烴源巖，有機質豐度較高[41-44]，在盆地周緣區崇信薊縣系也發現有一定規模瀝青，說明中-新元古界有生油及聚集過程。但在盆地內部發現的長城系烴源巖厚度小，有機質豐度低，缺乏規模烴源巖的發現，需要進一步研究確定規模烴源巖分布及生烴潛力。

5 結論

1) 鄂爾多斯盆地熱巖石圈厚度恢復表明中生代晚期早白堊世構造熱事件具有深部軟流圈上涌，熱巖石圈減薄的動力學背景。不同層位烴源巖在盆地中南部熱演化程度高，熱流值及地溫梯度高，熱異常明顯，盆地中南部巖石圈厚度在早白堊世明顯減薄。

2) 烴源巖熱模擬實驗及盆地熱動力演化史研究揭示早白堊世熱事件及熱異常明顯地提高了不同層位烴源巖的熱演化程度，使不同層位烴源巖生烴量明顯增加。以長7段黑色頁巖為例計算的因于熱異常多而增加的生烴量就達23.52×108～164.64×108t。熱事件及熱異常是鄂爾多斯盆地油氣富集的重要原因之一。

3) 早白堊世深部巖石圈減薄熱動力學過程控制了不同層位烴源巖在早白堊世達到最高熱演化程度，并發生大規模生油、生氣與成藏。古生界、中生界不同層位油氣田分布主要受烴源巖分布、熱演化程度及儲層控制。

4) 從烴源巖發育層位及熱演化程度來看，盆地中南部長7段烴源巖熱演化程度較高，分布面積廣，致密油、頁巖油勘探潛力巨大，是石油勘探的重要接替領域；石炭系-二疊系煤系烴源巖全盆地分布，熱演化程度高，處于生氣階段，天然氣勘探前景廣闊；深層下古生界碳酸鹽巖層系具有形成大氣田條件，需要進一步明確烴源巖生烴潛力；深層中-新元古界值得進一步勘探，關鍵是明確規模烴源巖的分布及生烴潛力。