冀中坳陷东北部石炭冀中坳陷东北部石炭二叠系烃源岩热史及成熟史模拟

冀中坳陷东北部石炭冀中坳陷东北部石炭二叠系烃源岩热史及成熟史模拟

关中-区政府位于渤海盆地西部，向内陆分布的叠层-石炭系煤矿系地层具有残余盆地特征（梁盛正等，2001）。冀中坳陷东北部石炭—二叠系地层分布广泛,北起廊坊、大孟庄,南至卧佛堂、西自韩村、后奕、大留镇,东到静海、大城一带,南北长130km,东西宽40km,面积约5000km2,包括武清凹陷、杨村斜坡、河西务断折带、文安斜坡、大城凸起、里坦凹陷等6个构造单元(图1)。石炭—二叠系煤系是该区重要的烃源层之一,目前已发现油气储量150.64×108m3,资源量估算为536.60×108m3。区内的苏20、文23凝析气藏,是整个华北地区石炭—二叠系最早获得突破的地区。但由于本区后期构造活动频繁,成藏条件复杂,深化勘探难度很大,近几年油气勘探活动进展缓慢,其中石炭—二叠系地层的资源潜力问题成了下一步勘探开发决策的关键。为了定量的评价区内石炭—二叠系的油气资源,2000年以来一些学者运用盆地模拟技术取得了大量的成果。有学者建立了独自的成藏史数值模拟系统,结合流体包裹体均一温度、盐度、拉曼光谱和储集层自生伊利石K-Ar同位素测年的研究结果,指出文安斜坡古生界煤成烃油气藏的形成有两期:第一期发生在中生代末,但成藏后被其后的燕山运动破坏;第二期在古近纪,是油气藏形成的主要时期(李臣,2002;李臣和孟元林,2003,2004;孟元林等,2004;侯创业等,2004)。有学者运用EASY%Ro数值模拟技术,深入研究武清凹陷石炭—二叠系烃源岩的生烃演化历史,阐明了这一时期生烃作用发生的构造期次、生烃强度,揭示了武清凹陷石炭—二叠系烃源岩分别在燕山期与喜山晚期曾发生过2次重要的生烃作用过程(朱炎铭等,2004;蔡超等,2008)。此外,有学者通过盆地模拟技术,对残余煤系烃源岩的生烃史进行了恢复,得出石炭—二叠系不同构造带生烃史不同,三叠纪末期全区刚接触生烃门限就被抬升,中生代末期只有文安—杨村斜坡一带再次生烃,目前文安—杨村斜坡、河西务斜坡和深洼是二次生烃有利区(金强等,2012;张亮,2009)。对比以上研究,可知目前针对区内石炭—二叠系地层数值模拟还存在以下问题,一方面对中生代的埋藏史的认识还比较模糊,缺少对三叠系以及侏罗—白垩系沉积、剥蚀的详细论述,导致目前区内存在三叠纪末生烃还是中生代末期生烃两种不同观点;另一方面,岩浆热液侵入影响的时间不清,有观点认为在晚中生代、也有观点认为在新生代;此外还缺乏岩浆热液侵入对烃源岩热演化影响系统的单井数模分析。本文考虑上述三方面问题,采用数值模拟方法,分区块恢复了区内自晚石炭世以来石炭—二叠系的埋藏史、热史,划分了不同构造单元的烃源岩成熟史类型,厘清了研究区石炭—二叠系烃源岩的生烃期次和时间,为区内这一时期烃源岩生烃量精细计算和煤成气藏成藏配置研究奠定了基础,以期对该区的天然气进一步勘探起到指导作用。1晚三叠世—构造演化特征冀中坳陷东北部石炭—二叠系与华北地台其他地区一样,是在早、中奥陶世巨厚碳酸盐岩层1.3亿年风化夷平面上,自晚石炭世开始盆地整体下降形成的一套海陆交互相煤系沉积,现今残留厚度为0~1300m。关于研究区乃至渤海湾盆地的中生代以来的构造演化机制,学界存在多种认识(Xiaetal.,2006;朱晓青,2009;周立宏等,2003;徐振中等,2006;漆家福等,1995,2003;吴继龙和卢学祺,1986;尘福艳等,2013;杨明慧等,2002),尚未统一观点。但总体上认为印支期以伸展构造样式为主,燕山早期以收缩构造样式为主,燕山晚期—喜山早期以负反转构造样式为主,沙三—东营期以扭动构造样式为主,馆陶—明化镇期后由于盆地处于整体坳陷阶段,主要以伸展构造样式为主。综合前人研究结果,结合区内地层发育条件,总结区内构造演化历史如下。研究区古生代位于大华北地台,属于克拉通盆地的一部分。早、中三叠世研究区所在的整个华北地区,继承了晚海西期以来的构造格局和沉积特点,地势北西高、南东低,为一南陡北缓、呈NWW向展布的大型内陆沉积盆地。晚三叠世,受印支运动的影响,研究区西抬东降,造成了文安—信安镇一线以西地区,石炭系、二叠系和三叠系地层的减薄乃至尖灭。早中侏罗世,即燕山运动早期,虽然扬子板块与华北板块的碰撞挤压开始逐渐减弱,受该挤压应力影响区内仍缺失中下侏罗统。此外,从侏罗世开始,渤海湾地区就开始存在地幔柱活动。从晚侏罗世到白垩世区内经历了地幔柱热隆起阶段,发育了高角度的张裂断层控制的NEE山间地堑,并发育了同断裂期晚侏罗世—早白垩世沉积。进入新生带,渤海湾盆地进入热伸展阶段,广泛发育拆离断层,区内西侧的霸县凹陷区域则大幅度下沉,致使原来东倾的地层变为西倾的单斜,沧县隆起和霸县凹陷形成,石炭—二叠系又呈现区域性西倾,古近系逐渐超覆于中生代和上古生代的地层之上。从沙河街一段开始,渤海湾盆地开始进入热沉降阶段,在东营期发生了一次构造反转,至新近纪随着岩石圈均衡作用和幔隆收缩,文安斜坡断陷阶段转变为整体下沉的坳陷阶段,研究区处于稳定的沉降环境(表1)。关于三叠系以来各期地层的原始沉积厚度及剥蚀厚度,彭兆蒙等(2006)研究认为渤海湾盆地早三叠世有1500~2000m厚的稳定沉积。而晚侏罗—早白垩世沉积属山间盆地沉积,各区差别较大。纪友亮等(2006)研究了渤海湾盆地各期剥蚀量指出,三叠系剥蚀量在0~1200m不等,侏罗系相对剥蚀量较小,平均400~600m,下白垩统的剥蚀量差别较大,部分井区0~200m,最大地区可达1000m。本次模拟采用声波时差法计算剥蚀厚度(牟中海等,2005)。选取厚度大于2m的泥岩层的声波响应值,拟合本区晚三叠系地层剥蚀厚度可达2000m以上(图2),剥蚀厚度明显大于前人计算结果。由此推断认为,在早、中三叠世石炭二叠系地层达到最大埋深,而晚侏罗—早白垩世沉积厚度不能形成对三叠系剥蚀地层的补偿,研究区煤系正常的二次生烃应该发生在新生界。一般认为,中生代以来渤海湾盆地有两次重要的岩浆侵入,一次发生在燕山晚期,一次在喜山期早期。现有的模拟多认为对研究区主要的侵入期在燕山晚期,白垩纪末。而研究区文安斜坡古近系中含多层玄武岩、少数安山岩,下伏的石炭—二叠系中则有多层辉绿岩侵入体(何生等,1992),金春爽等(2012)指出冀中地区火山岩主要发育在孔店—沙4期;胡圣标等(1999)指出冀中凹陷古近纪古热流值可达70~90mW/m2,由此可见喜山早期阶段是区内的主要岩浆活动期,对区内烃源岩成熟度有重要影响。2岩石圈基底热流与成藏史热模拟的关系研究区煤系烃源岩热演化史借助BasinMod软件,结合各区单井埋藏史完成分析。BasinMod软件为盆地“5史”模拟提供了整套的可供选择的多重方案。本次模拟采用BasinMod1-D模块,压实校正采用Sclater和Christie的方程来描述(SclaterandChristie,1980),正常压实下,Sclater和Christie指数函数公式中不同岩性对应的压实系数分别为表2所示。大地热流计算采用瞬态模型,并用基底热流计算进行叠加。瞬态模型采用傅里叶热传导定律和能量守恒定律相结合的瞬态扩散公式:其中,T是温度,k为热导率,c为热容,t为时间;ρ为密度,Q为生热量。在模拟过程中需要输入,各地质历史时期地层恒温带温度,各时代地层岩石的平均热导率,以及大地热流值。地热学的研究表明,在恒温带以下,地层温度随埋深的增加而增加,二者呈正相关关系。古恒温带温度等于古地表温度再加上2~5℃(王钧,1990)。根据前人对本区及邻区的古气候(王明明,2000)研究成果,各时期的古恒温带温度见表3。各类岩石骨架的热导率见表4。大地热流值为单位时间内通过地球表面单位面积的热流量,是地球内热在地表最为直接的显示,也是影响成藏史热演化模拟的一项关键参数。其主要影响因素为区域构造和深部地壳结构(王钧,1992)。构造运动较为强烈的拉张盆地往往具有较高的大地热流值,而构造运动较弱的挤压盆地大地热流则相对较低。我国东部地区大地热流较高,与中、新生代拉张过程是直接相关的,所以大地热流的高低直接反应了盆地成因演化过程(王良书等,2002;汪集旸等,1985)。胡圣标等(1999)根据大地热流测量和利用磷灰石裂变径迹及镜质体反射率数据对渤海盆地热史进行恢复,结果表明盆地现今热流值为50~75mW/m2,背景热流值达63.6mW/m2,而古近纪砂河街组和东营组沉积时(25~50Ma)盆地古热流值为70~90mW/m2。参考林世辉等(2005)、侯创业等(2004)、蔡超等(2008)、李臣(2002)研究结果,结合实测Ro值对热流值的校正,区内各时期的热流取值见表5。根据“热折射”效应(Stephensonetal.,2009;王良书等,2002;熊亮萍和高维安,1982),当大地热流进入凹陷和斜坡区后会发生折射与再分配,造成能量向毗邻的凸起区集中,使得凹陷区具有较低的大地热流,而凸起区具有较高的大地热流。因此,在实际取值时,武清凹陷及文安斜坡深部取值较低,而大城凸起取值稍高。基底热流值计算是在瞬态热流计算方法上的叠加计算,是对热演化史模拟的优化,根据张恺(1993)、丁增勇等(2008)和左银辉等(2013)渤海湾中、新生代盆地深部岩石圈壳—幔结构和大地热流研究成果,确定岩石圈各圈层热物性见表6当存在火成岩侵入时,采用BasinMod的“deltaheat”选项,根据火成岩厚度及埋深,在石炭—二叠系地层中设置侵入层位,在deltaheat选项表中,设置火成岩侵入时间。由于本地区岩浆大量活动期为古近纪沙河街期,本次研究设定为42~32Ma,热流设置根据实测Ro值在正常埋深基础上进行叠加拟合。反映有机质的热演化程度指标较多,有镜质体反射率(Ro)、时间温度指数(TTI)、最高峰温(TMAX)和生物标记物等。其中镜质组反射率Ro是研究有机质热演化和评价有机质成熟度的最好指标,也是划分成岩阶段最重要的地化指标。目前有关Ro的定量计算方法较多,但一般认为精度最高的是化学动力学模型。本次研究采用莫尔国家实验室(LLNI)的Easy%Ro方法模拟烃源岩有机质成熟度(SweeneyandBurnham,1990),并根据实验实测结果与模拟结果的对比,调整模拟参数,优化最终模拟结果。3模拟结果按构造单元详述各区埋藏及热演化史如下。3.1石炭—大城凸起目前大部分地区地震完成详查,已完成各类探井、评价井15口。其中大参1井是大城凸起之上的第一口煤层气井,在煤层气地面开发实验中获6390m3/d的工业气流。大参1井石炭—二叠系地层顶部埋深891m,地层总厚度488m,其中泥岩92层厚246.5m,砂岩12层厚196m,灰岩5层厚13m,煤岩14层厚32.5m,缺失石千峰组和上石河子组顶部地层。石炭—二叠系之上直接覆盖新近系和古近系地层。其间中生界和古近系地层缺失。埋藏史分析结果表明大参1井石炭—二叠系总体上经历了“三沉两抬”的构造演化过程,在奥陶系遭受风化剥蚀形成准平原条件下,大城凸起于海西期下降接受沉积,堆积了一套厚近千米的石炭—二叠系海陆交互相含煤地层和厚2000余米的三叠纪地层。三叠纪末期受印支运动影响,地层抬升,整个三叠系、二叠系顶部石千峰组和部分上石盒子组遭受剥蚀;晚侏罗纪至早白垩世,本区在张应力的作用下发生断陷作用,沉积了一套陆相含煤碎屑组合,而随后的燕山运动和古近纪的喜山运动再次使本区遭受抬升剥蚀,中生界沉积地层剥蚀殆尽。新近纪,受喜马拉雅期构造运动影响,渤海湾盆地进入了坳陷期,基底稳定下沉,本区也沉积了厚达约900m的新近纪和第四纪地层(图3a)。热史分析表明三叠纪末石炭—二叠系达到最大埋藏深度,其底部古地温约100℃,随后由于地壳抬升,地层温度降低至30~50℃,古近系沙河街期受区域岩浆热液侵入影响,石炭—二叠系地层温度达到约200℃,随岩浆侵入结束地层温度又恢复到30~50℃。其后由于新近纪和第四纪地层沉积,石炭—二叠系埋深逐渐加大,地层温度逐渐增加至60~80℃。相应地在三叠纪末期,石炭—二叠系烃源岩有机质进入低成熟阶段,镜质体反射率为0.50%~0.70%,开始了一次生烃作用,但成熟度较低,生烃量有限。三叠纪末至新近纪沙河街期,由于地层温度降低,生烃作用停滞。在岩浆热液侵入期受古地温影响有机质快速成熟,实测煤岩镜质体反射率达到1.57%,石炭—二叠系有机质二次生烃,进入成熟—高成熟阶段。岩浆热作用后期,地层温度降低,有机质生烃作用停止。通过数值模拟结果和实测Ro值的对比,石炭—二叠系有机质成熟度演化模拟曲线与实测镜质组反射率数据基本吻合的,反映了模拟结果的可信性(图3b,c)。大城凸起之上的大8井具有和大参1井相近的埋藏史类型,然而大8井所在地区石炭二叠系地层在古近纪并未受到岩浆热液作用影响,有机质在三叠纪末一次生烃之后,生烃作用基本停止,由此可见古近系的岩浆热液作用影响,是大城凸起地区石炭—二叠系地层煤成气大量生成的关键(图4)。3.2晚侏罗—文安—杨村斜坡文安斜坡大部分地区已实现三维地震连片覆盖,覆盖面积1092.46km2,专探和兼探石炭—二叠系的井共有64口,已试油井20口,目前仅在苏20、文23、文53三口探井中获得工业油气流,苏11、苏23、苏29、苏61等四口井获得低产油流。苏50井是杨村斜坡南部地层保存较完整,井深较大的井之一。现今苏50井石炭—二叠系顶面埋深4024m,厚967m,其中泥岩120层总厚478.2m,砂岩86层总厚422.3m,灰岩5层厚35.2m,煤层7层厚31.3m。石炭—二叠系上覆地层,依次为中生界三叠系,古近系孔店组、沙河街组、东营组,新近系馆陶组、明化镇组和第四纪地层,中生界晚侏罗—早白垩世地层缺失。三叠系现今残留地层厚446m,古近系残留厚1542.5m,新近系和第四纪残留厚2206.3m。模拟结果表明:苏50井的石炭—二叠系同样经历了“三沉两抬”的构造演化过程。三叠纪末,石炭—二叠系地层埋深达3500m,煤系地层底部温度达到80~90℃,Ro为0.50%~0.60%,开始一次生烃,但生烃量较少。随后受印支运动影响,地层抬升,遭受剥蚀,地层温度降低,生烃作用停滞。中生代晚侏罗世—早白垩世,在张应力的作用下发生断陷沉降,沉积了一套陆相含煤砂泥岩地层,然而由于中生代末燕山运动的改造,该期地层剥蚀殆尽。整个晚中生代煤系地层温度变化于40~70℃,生烃作用持续停滞。古近纪,受喜马拉雅运动影响本区强烈下陷,煤系地层温度随埋深加大逐渐增加,在古近纪末期石炭—二叠系古地温超过三叠纪地层古地温,开始了二次生、排烃。新近纪,渤海湾盆地进入拗陷期,沉积了巨厚的Q+N地层,煤系地层温度持续增加至110~140℃,煤岩镜质体反射率增至1.0%,有机质热演化进入成熟阶段(图5)。文安斜坡上的苏13井,总体上与苏50井有相近的埋藏史曲线,与苏50井所不同的是印支期苏13井遭受剥蚀厚度较大,不仅缺失了三叠纪地层,而且,石炭—二叠纪地层顶部的石千峰组和上石盒子组也剥蚀殆尽。同样,热史模拟结果表明:在三叠纪末石炭—二叠系温度达到90~100℃,Ro为0.50~0.60%,达到一次生烃门限。随后至新近系沙河街组地层温度总体在30~50℃,生烃作用停滞。沙河街期岩浆热液侵入,煤系地层温度达到150℃,有机质Ro高值达到0.93%,进入成熟阶段,快速成烃。岩浆侵入期后,地层温度下降,有机质生烃再次停滞,现今地层温度在80~100℃(图6)。3.3石炭—武清凹陷总体上,武清凹陷石炭—二叠系煤烃源岩具有与苏50井相似的埋藏史和热史演化历程(图7),在三叠纪末煤系地层埋深在2000~3000m,石炭—二叠系地层温度在90~110℃之间,煤系烃源岩Ro开始大于0.5%,进入生烃门限,开始一次生烃过程。中生代中晚期由于地层总体抬升,地层温度降低至30~50℃,生烃停滞。古近纪末,地温又一次超过一次生烃的温度,烃源岩开始了二次生烃。由于武清凹陷新生代地层厚度较大,石炭—二叠系最大埋深可达8000m,地层温度达200℃以上,在盆地中心部位有机质现今镜质体反射率超过2%,达到了高熟乃至过熟阶段。4古近纪—成烃演化模式由以上模拟结果可知,冀中坳陷东北部在印支运动(三叠纪末)以前整个地区受控于华北大克拉通盆地,具有相似的沉积、埋藏及热演化史,而在三叠纪,特别是中