不同叠合构造单元烃源岩动态分析
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发布时间：2022-04-25 00:19
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时间：2023-10-17 06:54
区域构造演化史研究结果证明，印支期—喜马拉雅期构造运动，在华北东部表现较为强烈，差异块断活动造成构造的分隔性，中、新生界沉积厚度变化极大，古地温场的不均衡性愈加明显。在前面章节中已对前古近系所经历的构造-热史进行了详细的论述，并将研究区受印支期之后的构造运动影响划分了3大类6小类的不同叠合构造单元。
由生烃动力学参数与精确的热史数据相结合，可以算出烃源岩形成以来，受地质作用而发生的所有的排烃过程。根据所标定的生烃动力学参数，结合及不同地区源岩所经历的沉积埋藏史和热史的研究，分别计算不同层位源岩在不同时刻所生成的油、气的转化率（表4-3-3），从而对不同叠合构造单元烃源岩的生烃过程进行动态分析。其中中—新元古界分布局限，仅位于冀北和冀中凹陷北部地区，其叠合构造单元为II3型，将在II3型叠合构造单元中对其进行详细描述，对寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系和中生界烃源岩分不同叠合构造单元进行选择系统探讨。
表4-3-3 不同层位生烃动力学计算分布地区一览表
1.Ⅰ型叠合构造单元
为持续沉降型，该类型叠合构造单元在中、新生代均处于沉降区，接受沉积。其生烃-埋藏演化史可分2种情况：一种过早过快的继承性沉降则往往导致烃源岩过早成熟而失去生油能力，甚至生气能力。以临清坳陷的邱县凹陷为例，早—中三叠世，邱县凹陷继承了晚二叠世的古地理格局，只是盆地范围有所缩小，地层横向沉积稳定，厚度变化不大。印支期由于受华北板块与扬子板块自东向西碰撞的影响，华北地区东部抬升早、剧烈，西部抬升晚，邱县凹陷表现为大型的褶皱隆升，但下—中三叠统剥蚀相对较小。早—中侏罗世本区继承了晚三叠世的褶皱背景，于向斜低洼处沉积了数百米厚的下—中侏罗统。就晚侏罗世—早白垩世盆地而言，现今邱县凹陷深部下白垩统自东向西超覆减薄于广宗、新河凸起之上。早白垩世末期本区又发生一次褶皱运动，邱县凹陷处表现为向斜核部，沉积了近千米的上白垩统，进入古近纪本区开始表现为明显的断陷盆地发育时期，邱县凹陷西部沉积了巨厚的古近系。
根据埋藏史和到达不同深度样品的有机质成熟度可以对热史进行较为精确的标定，生烃动力学计算邱县凹陷坳陷深部石炭系—二叠系煤系烃源岩在240Ma（海西期）已经进入生烃门限，150Ma以前，甲烷转化率即达到了0.94，此后的持续深埋使得甲烷生气转化率在130Ma前即基本达到100%（图4-3-9），即石炭系—二叠系烃源岩在早白垩世已完成生烃过程，此后不再具备生烃能力。因此继承性沉降有可能存在主生烃期过早的问题，而过早完成的生、排烃过程对油气藏的保存是不利的。这种条件下烃源岩有机质成熟度一般较高。但如果现今仍处在生气窗，则对生气是有利的，仍为有效的气源岩。如临清坳陷靠近斜坡的位置，喜马拉雅期至现今仍有气态烃的生成。
图4-3-9 临清坳陷邱县凹陷石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率
另一种情况是黄骅坳陷的乌深1井同样经历继承性沉降，但降幅缓慢。生烃动力学计算结果表明奥陶系烃源岩在印支期末Ro值仅为0.7%，燕山期末也仅为0.95%，生油转化率仅为0.2，喜马拉雅期以来的持续沉降也仅使有机质成熟度达到了1.65%，喜马拉雅期以来奥陶系烃源岩还有液态烃的生成（图4-3-10）。由此可见，喜马拉雅期以前的小幅沉降对油气生成不利影响较小。而根据对于乌深1井J1+2烃源岩生烃动力学计算结果来看，现今J1+2地层EASYRo值仅为0.77%，相对来讲有机质成熟度较低，甲烷转化率仅为0.08（图4-3-11），生油期主要为17.4Ma至今，且现今仍处在生油阶段。因此如果有机质总量较大，或后期沉降速度增大，埋深厚度较大，仍有可能排出相当数量的烃，并形成油气藏。
2.Ⅱ型叠合构造单元
该构造单元为复杂叠合型，在中、新生代时期，有的阶段处于沉降区，有的阶段处于隆升剥蚀区，又可细分为中沉新剥型（Ⅱ1）、中复新沉型（Ⅱ2）、中复新剥型（Ⅱ3）和中剥新沉型（Ⅱ4）4种次级类型。
图4-3-10 乌深1井奥陶系烃源岩成熟度演化图
图4-3-11 黄骅坳陷乌深1井J1+2地层有机质成熟度及甲烷转化率
（1）Ⅱ1型（中沉新剥型）叠合构造单元
这种叠合构造单元主要位于中生代坳陷区，中、古生界源岩在白垩纪末期之前可能就已经历了初次或二次生排烃，古近纪长期处于剥蚀状态，不可能再次生排烃，而且造成了早期形成的油气藏破坏，石油地质条件不利。Ⅱ1型叠合构造单元较典型的例子是临清堂邑凹陷（图4-3-12），堂邑凹陷奥陶系烃源岩在燕山期末有机质成熟度达到1.6%，生油转化率为1，达到终点，而后地壳抬升，地层遭受剥蚀，再无生烃过程。
图4-3-12 临清坳陷堂邑奥陶系烃源岩有机质成熟演化及生烃转化率图
（2）Ⅱ2型（中复新沉型）叠合构造单元
这种叠合构造单元中生代沉积厚度不大，中生代末期前古近系源岩热演化程度不高，多在古近纪末期或新近纪初期达到初次或二次生排烃，为有利的生烃叠合构造单元之一，目前在多个Ⅱ2型（中复新沉型）叠合构造单元发现了源自前古近系源岩的油气，以冀中坳陷的苏桥地区、武清凹陷和黄骅坳陷的孔西潜山为例进行动态分析。
冀中坳陷的苏桥地区、武清凹陷在早—中三叠世本区继承了晚古生代以来的构造格局和沉积特点，地层横向沉积稳定；晚三叠世受印支运动影响，本区整体抬升遭受剥蚀；早—中侏罗世本区再次进入区域性沉降阶段；晚侏罗世—早白垩世冀中坳陷整体发育一个大型的背斜带，从而使得苏桥-文安地区整体东倾，沉积了数百米厚的晚侏罗世—早白垩世地层；晚白垩世受区域压应力影响，本区整体抬升遭受剥蚀，晚侏罗世—早白垩世、早—中侏罗世地层均被剥蚀殆尽，并剥蚀掉了部分早—中三叠世地层；新生代古近纪霸州凹陷控凹的牛东断层开始活动，本区整体西倾，进入断陷盆地发育阶段；新近纪—第四纪本区进入整体坳陷发育阶段。经过动力学计算，苏8井石炭系有机质成熟度最高为Ro=1.12%（图4-3-13），最高地温在158℃左右。但有机质甲烷的转化率仅为0.226，C2～C5气态烃的转化率为0.54左右。而武清凹陷石炭系在喜马拉雅期以前受热作用较小，甲烷转化率不足0.02；65Ma以来，地层快速沉降，可达10000m以上，生烃量持续增加。目前甲烷转化率基本接近1.0，即烃转化率消耗殆尽。而乙烷的转化率在30Ma即已达到90%以上（图4-3-14）。可见，后期沉降速率对油气的生成具有较大的影响。
图4-3-13 冀中坳陷石炭系苏8井有机质成熟度演化及生烃转化率
图4-3-14 冀中坳陷武清凹陷石炭系成熟演化及气态烃转化率
孔西潜山带在早—中三叠世本区继承了晚古生代以来的构造格局和沉积特点，地层横向沉积稳定；晚三叠世受印支运动影响，本区整体挤压抬升剥蚀，早—中三叠世地层被剥蚀殆尽，还剥蚀掉了部分古生代地层；早—中侏罗世逆冲断层的活动性有所减弱，沉积了数百米的下—中侏罗统；晚侏罗世—早白垩世沧东断层发生了负向反转，转为张性伸展，早期活动性较低，沉积了较薄的上侏罗统—下白垩统；晚白垩世受燕山运动尾幕影响，本区整体抬升剥蚀，部分地区上侏罗统—下白垩统被剥蚀殆尽，并剥蚀掉了部分下—中侏罗统；古近纪沧东断层开始了大规模的伸展活动，本区进入断陷盆地发育阶段，地层沉积具有单断式盆地发育特征，自北西向南东方向超覆；新近纪—第四纪沧东断层活动性减弱，并逐渐消亡，本区进入区域性坳陷演化阶段。据生烃动力学计算结果表明黄骅坳陷歧古1井有机质成熟度所对应的EASY Ro值为1.09%，处于生油阶段。歧古1井生油过程可分3个阶段：245～230Ma；123～97Ma及14.2Ma至今。奥陶系烃源岩在245～230Ma（海西期）发生一次生烃作用，但生烃演化幅度小，生烃量少，阶段油转化率仅为0.09，晚三叠世的构造抬升使得生烃作用停止，在123～97Ma（燕山期）进入二次生烃阶段，生油转化率为0.34，随后晚白垩世的构造抬升使其生烃停止，古近纪本区进入断陷盆地发育阶段，古近纪末期至新近纪寒武系—奥陶系埋深已超过3000m，于新近纪—第四纪发生了大规模的二次生烃作用，14.2Ma至今为成油转化率可达0.5以上（图4-3-15）。且歧古1井奥陶系烃源岩目前仍在生烃，但仅具有较小的生烃潜力（为原始样品生烃转化率的0.05）。
图4-3-15 歧古1井奥陶系有机质成熟演化及生烃转化率
（3）Ⅱ3（中复新剥型）型叠合构造单元
这种叠合构造单元中生代沉积厚度不大，中生代末期前古近系源岩热演化程度不至过高，但是由于古近纪长期处于剥蚀状态，不可能再次生排烃。在中生界尤其是J3+K1本身盖层条件较好的情况下，若后期改造程度较弱且前古近系源岩达到了生排烃的程度，也有可能形成古生古储型原生油气藏，典型如冀北和冀中北部地区和下辽河坳陷西部凹陷的宋家洼陷。
蓟县系铁岭组、洪水庄组、青白口系下马岭组有机质丰度相对较高，有机质类型较好，同时成熟度不高，有利生烃，为中—新元古界主力烃源岩层系。早元古代末，冀北和冀中北部开始了华北地台初期坳拉谷的发展演化过程。中、新元古代期间本区地壳的活动性和岩浆活动减弱，没有明显的褶皱作用，但升降活动仍相当频繁，差异升降活动也很明显。本区中、新元古代冀辽坳拉谷的沉积被*在北面的内蒙古隆起、西面的五台隆起和东南面的内黄-渤海隆起之间。坳拉沉积区与周线隆起区长期继承性发展。至三叠纪之前，华北地区为稳定克拉通内部沉降型盆地，沉积了一套岩性厚度横向稳定的海相、陆相和海陆交互相地层。印支期，该区遭受强烈的挤压作用，产生了大量的推覆构造，并对地层残留起控制作用。燕山期，该区构造活动强烈，产生大量断裂，对其有明显的改造作用。新生代期间，由于张性或张扭性断裂的差异性活动，导致了断块升降的显著差异。北部地区（燕山地区和太行山北段）主要表现为抬升，南部平原区（第四系覆盖区）主要为下降。北部地区断裂活动相对较弱，南部地区相对较强。正是由于这种差异性造成了对中—新元古界改造程度的不同，表现为北弱南强。
据生烃动力学计算结果表明，北部平泉地区洪水庄组有机质成熟度Ro目前为1.3%（图4-3-16），对于Ⅰ型干酪根而言，已达到生油上限，不再具备生油能力。平泉地区主生烃期在210～130Ma之间，生油的转化率为100%，而生气的转化率也达到0.7，但130Ma之后即抬升，并终止生烃（图4-3-17）。从这一点来讲，平泉地区这种凹陷类型对烃类的保存是不利的。在130Ma后，地壳经历大规模的构造运动，可能造成油、气藏无法保存。同样，这种现象对于其他中—新元古界而言，也存在相同的问题。铁岭组有机质成熟度略低，但也达到1.27，其生油转化率基本达到100%，而生气转化率达到0.68，主生烃期和洪水庄组相同。下马岭组有机质成熟度更低，约为1.19%，而生油转化率同样可达1，生气转化率达到0.58，主生烃期与前两者相同。
图4-3-16 洪水庄组有机质成熟度演化史
图4-3-17 平泉地区洪水庄组生油、生气转化率
冀中京101井则受喜马拉雅期构造运动作用较大，洪水庄组烃源岩现今有机质成熟度Ro为0.95%（图4-3-16）。古地温值表明，本地区有机质进入成熟的时间较晚。到二叠纪末时，各烃源岩层地温还低于门限温度，仅10.8～19.3℃，没有成熟，中生界缺失。古近纪末各烃源岩层地温达到82.6～90.3℃，超过门限温度，主生烃期在36～25Ma，这一阶段洪水庄组生油转化率达到0.92，而此前则几乎为0，生气转化率则为0.31（图4-3-18），冀中京101井铁岭组有机质成熟度为0.93%，主生烃期生油转化率为0.89，生气转化率为0.28左右。下马岭组有机质成熟度为0.83%，主生烃期生油转化率为0.63，生气转化率则更低，仅为0.15左右。说明本区中—新元古界烃源岩进入古近纪后才开始大量生油。对比2个地区中—新元古界烃源岩生烃过程，可以看出，埋藏深度是这两个地区烃源岩生烃过程的控制因素。
图4-3-18 冀中京101井洪水庄组生油、生气转化率
自早古生代开始，宋家洼陷总体沉积较薄，晚古生代末期表现为低隆起。早—中三叠世至晚三叠世受印支运动影响，本区褶皱隆升遭受剥蚀。至晚侏罗世晚期，宋家洼陷仍未接受沉积。早白垩世构造运动表现为伸展作用，宋家洼陷进入强烈的断陷盆地发育期，开始形成，早期以强烈的火山喷发为主，中、晚期主要发育一系列的北北东向展布的断陷盆地，以湖相、沼泽相建造为主，据生烃动力学计算结果可见（图4-3-19），中生界烃源岩在燕山期末已经进入生烃门限，生烃时期在105～70Ma，Ro由0.5%升至0.66%，生油转化率最大可至0.2。晚白垩世受燕山运动尾幕影响本区结束了断陷盆地发育阶段，整体挤压抬升遭受剥蚀。进入古近纪以来，宋家洼陷处于具断层较远的凸起地区未接受沉积，继续遭受剥蚀，生烃过程停止，直至新近纪整个华北东部进入区域性坳陷沉降阶段才继续下沉接受沉积，但较薄的埋深和较低的地温梯度使中生界烃源岩再也没有发生生烃过程。
图4-3-19 辽河坳陷宋1井中生界有机质成熟度演化及生油转化率
（4）Ⅱ4型（中剥新沉型）叠合构造单元
这种叠合构造单元主要处于中生代沉积凸起区或在中生代没有接受沉积，前中生代源岩均在古近纪末期或新近纪达到二次生排烃。以东濮坳陷为代表对此类叠合构造单元进行动态分析。
东濮凹陷在早—中三叠世基本继承了晚古生代以来的沉积格局，只是盆地范围有所缩小，转为大型内陆坳陷发育阶段，总体而言，地层横向沉积稳定，厚度变化不大。晚三叠世印支期渤海湾盆地开始进入整体挤压隆升阶段，本区位于兰聊大断层的西侧，下—中三叠统剥蚀相对较小；燕山期北部边界马陵断层（J3+K1期北倾正断）的影响东濮坳陷仍然表现为隆升剥蚀，直至新生代古新世以后才开始再次下陷接受沉积；古近纪沙四期之后沉积了沙河街组地层，古近纪末期渤海湾盆地区域性隆升剥蚀，至新近纪各断层活动性普遍降低，趋于消亡，进入坳陷盆地发育阶段，沉积了近1000m的新近纪—第四纪地层。文留地区燕山期三叠系剥蚀量达1830m，历经1.8亿年，煤系以上地层剖面中又无良好封盖层，一次生烃期间运移出来的天然气很难保存下来。但经剥蚀后，石炭系—二叠系煤系地层埋深仍达1000～1700m，煤系有机质和煤层吸附气得以保存。古近纪时期构造沉积分异加大，文留*隆起带下古近系沉积速率为124.5m/Ma，最大沉积厚度3300m；而两侧洼陷下古近系沉积速率达226.4m/Ma，沉积厚度超过6000m，由此导致文留地垒带与两侧洼陷带石炭系—二叠系煤系地层埋藏受热史不同，二次生气发生的时期和强度不一致。
据生烃动力学计算结果表明，文留*古隆起石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期以前甲烷转化率仅为0.05左右（图4-3-20），而喜马拉雅期以来持续沉降，在20.7Ma甲烷转化率达到0.51左右。但此后地壳再次抬升，中止生烃。而喜马拉雅期以来乙烷的转化率为0.12，至20.7Ma地壳抬升停止生烃时，乙烷转化率达到了0.87。前梨园凹陷石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期以前气态烃生烃特征与文留*古隆起相似，甲烷转化率仅为0.07，略高于古隆起，乙烷转化率此时达到了0.2左右。自喜马拉雅期以来剧烈的沉降作用，使石炭系—二叠系煤系烃源岩大量生烃，在23Ma左右，甲烷转化率即达到0.99，而乙烷转化率在35Ma即达到0.99（图4-3-21），此后便迅速裂解，在20Ma左右乙烷即完全裂解，使得此时生成的天然气具有很高的干燥系数。由此可见，生烃量与沉降深度有直接关系，因此前梨园凹陷甲烷转化率明显大于文留*古隆起。
图4-3-20 东濮坳陷文留*古隆起石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率
图4-3-21 东濮坳陷前梨园凹陷石炭系有机质成熟演化及气态烃转化率
3.Ⅲ型叠合构造单元
该构造单元为持续隆剥型，在中、新生代均处于隆升区，遭受剥蚀。毫无疑问，持续隆剥型对有机质生烃转化来讲意义不大，隆起构造主要油气意义在于形成油气圈闭。纵使这种构造体系下的烃源岩有过生烃的过程，由于生烃期在中生代以前，在后期的多期构造运动中，可能也早已破坏殆尽。
根据以上不同叠合构造单元生烃动力学动态评价来看，有机质生烃与热史具有直接关系，而热史受控于埋藏史及地温梯度，因此通过盆地埋藏史类型的分析即可以对生烃史、生烃特征给出简单的评价，但详细的评价则需通过生烃动力学计算来进行，各阶段的埋深及地温梯度是主生烃期及生烃转化率的决定因素。总体来看，生烃动力学结果表明大多数凹陷的寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系烃源岩在喜马拉雅期都具有明显的二次生烃现象，二次生成甲烷的量一般都超过总生烃量的一半以上，有些盆地甚至是主要生烃时期，部分地区生烃转化率已至终点，中生界烃源岩主要为一次生烃。喜马拉雅期以来地壳沉降对生烃最为有利的，而前期地壳浅埋为喜马拉雅期生烃保留了物质基础，因此Ⅱ2型和Ⅱ4型埋藏模式对生烃，尤其是生油最为有利，同时由于喜马拉雅期二次生烃成藏时间短，因而散失较少，具有较好的保存条件。目前已在Ⅱ2型和Ⅱ4型构造叠合构造单元发现了源自前古近系的油气藏，如冀中坳陷苏桥-文安地区、黄骅坳陷的孔西潜山和东濮坳陷的文留气田。此外，对于持续沉降的I型叠合构造单元，如果早期沉降速度小，沉积厚度薄，也是有利的前古近系烃源岩生烃区，如乌马营气藏。
