东海盆地西湖凹陷平北地区有机质热演化特征及其主控因素

2020-12-26陈践发朱心健刘凯旋刘金水

海相油气地质 2020年4期

章超，陈践发，朱心健，刘凯旋，张涛，刘金水

1油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京））；2中国石油浙江油田公司;3中海石油（中国）有限公司上海分公司

0 前言

东海盆地平北地区是西湖凹陷重要的油气聚集区，研究发现该区有机质热演化在垂向上具有明显的分段特征，深部地层相较浅部地层有机质热演化的速率明显偏大。前人对研究区有机质的垂向分段性演化开展了相关研究［1-3］，但大多仅根据有机质热演化剖面上镜质组反射率（Ro）数据的异常这一单因素来分析，研究结论缺乏其他有机地球化学参数证据的支持，且未对可能造成这一现象的原因进行深入的分析。有机质热演化受多种因素的影响，有机质组成的差异、流体活动、地层热导率的变化和超压作用均可能影响有机质的热演化［4］。

笔者在前人研究的基础上，以西湖凹陷平北地区重点井K2井和N25井为例，通过Ro在剖面上的演化特征，结合生物标志化合物成熟度指标、二苯并噻吩类（DBTs）成熟度参数综合分析研究区有机质的热演化特征，并对有机质组成的差异、流体活动、热导率和超压作用等可能造成有机质热演化差异的各个因素进行全面分析，查明西湖凹陷平北地区有机质热演化的主控因素。

1 区域地质概况

西湖凹陷位于东海陆架盆地东部，面积约为5.9×104km2，是东海盆地中沉积面积最大、勘探程度最高的沉积凹陷。凹陷形成主要经历了断陷期、拗陷-反转期和整体沉降期3 个阶段［5］，具有“东西分带、南北分块”的构造格局，从西往东依次分为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹、东部断阶带等5个构造单元。本文研究区平北（平湖构造带北部）地区位于西部斜坡带的中部，是西湖凹陷重要的油气聚集区（图1）。研究区自下而上依次发育古新统，始新统八角亭组—宝石组和平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组和柳浪组，上新统三潭组及第四系东海群。其中，始新统平湖组和渐新统花港组是研究区主要的烃源岩层［6-9］。

图1 区域构造及研究区位置图Fig. 1 Map of regional structure and location of study area

2 有机质热演化特征

镜质组反射率（Ro）是反映有机质热演化的最常用指标［4］。通过有机质热演化剖面图分析发现，西湖凹陷平北地区K2 井和N25 井有机质热演化在垂向上表现出以下特征：K2井Ro在垂向上表现为随深度的加深而增大，但热演化特征分为明显的两段，以4 100 m 深度为界，其以下Ro随深度的变化速率明显高于上段（图2）；N25井的有机质热演化也表现出类似的特征（图3），整体上随深度加深，Ro逐渐增大，但以3 500 m 深度为界，下段的Ro随深度的增大速率明显高于上段。甾烷的20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)常用于有机质成熟度的评价当中。从图2和图3 中可以看出，随着埋藏深度增大，C29甾烷的20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)值逐渐增大，这与有机质的热演化趋势一致；但这两个参数在K2井4 100 m深度和N25 井3 500 m 深度均有一个演化趋势的变化，即在该深度附近快速增大到一个较高水平，这个深度与Ro演化速率发生突变的深度基本一致。

由此可知，K2 井以4 100 m 深度为界，N25 井以3 500 m 深度为界，下段Ro值随深度增加而增大的速率比上段要大，即下段有机质的热演化速率相较于上段有很大的提高，有机质热演化呈现出分段性特征。

图2 K2井有机质热演化剖面Fig. 2 Thermal evolution profiles of organic matter in Well K2

图3 N25井有机质热演化剖面Fig. 3 Thermal evolution profiles of organic matter in Well N25

二苯并噻吩类化合物在烃源岩中广泛发育，可以作为良好的成熟度指标［10］。甲基二苯并噻吩（MD⁃BT）中C-4位甲基取代的异构体最为稳定，C-1位甲基取代的异构体最不稳定［11］，随着成熟度的增加，热稳定性差的异构体逐渐减少，而热稳定性高的异构体逐渐增多，故可用2,4-DMDBT/1,4-DMDBT（记为K2,4，DMDBT为二甲基二苯并噻吩）和4,6-DMDBT/1,4-DMDBT（记为K4,6）来反映烃源岩成熟度［10-14］。图4给出了K2井二甲基二苯并噻吩的分析结果，其变化趋势与Ro的相吻合：随深度的增大，有机质热演化程度增高，K2,4和K4,6也随之增大；在4 100 m 深度以下，有机质的热演化速率提高，K2,4和K4,6随深度增大的速率也明显增大。可见二甲基二苯并噻吩类参数在垂向上也表现出分段特征，而且分段的界线深度与Ro具有高度的吻合性。

图4 K2井二甲基二苯并噻吩参数K2,4和K4,6与埋深的关系Fig. 4 Relationship between dimethyldibenzothiophene parameters(K2,4, K4,6) and depth in Well K2

由K2井和N25井的分析结果可以看出，西湖凹陷平北地区有机质热演化具有明显的分段性特征，深部地层的有机质热演化速率明显高于浅部地层。

3 有机质热演化主控因素

通常情况下，造成垂向上有机质成熟度分段性的原因主要包括：①有机质组成特征对有机质热演化的影响［15-17］；②流体活动对有机质热演化的影响［18-20］；③岩石热导率的差异对有机质热演化的影响［21-22］；④超压对有机质热演化的影响［23-24］。

3.1 有机质组成特征的影响

平湖构造带主要发育始新统平湖组和渐新统花港组两套烃源岩层。在平北地区的烃源岩样品中，花港组和平湖组烃源岩氢指数（HI）整体上小于400 mg/g；平湖组烃源岩埋深更大，热演化程度更高，有机质热解峰温（Tmax）比花港组高；平湖组和花港组烃源岩有机质类型主要为Ⅲ—Ⅱ2型干酪根（图5）。

图5 平北地区烃源岩样品氢指数与热解峰温关系图Fig. 5 Rock-Eval hydrogen index versus Tmax of source rock samples in the Pinghu tectonic zone

由上述分析可知，研究区平湖组和花港组干酪根均以Ⅲ—Ⅱ2型为主，而且根据干酪根显微组分组成特征，K2井和N25 井以镜质组和惰质组占绝对优势（表1，表2），有机质组成特征在垂向上变化不大，因此有机质组成特征不是平北地区有机质热演化垂向上分段性的原因。

表1 西湖凹陷平北地区K2井干酪根有机显微组分Table 1 Maceral composition of kerogens from Well K2 in the Pinghu tectonic zone

表2 西湖凹陷平北地区N25井干酪根有机显微组分Table 2 Maceral composition of kerogens from Well N25 in the Pinghu tectonic zone

3.2 流体活动的影响

流体是热能的重要载体，流体活动可以引起沉积盆地传导与对流热场的叠加，从而影响有机质的热演化［18,20］。流体活动可以使地层温度发生改变，从而引起分段性的Ro梯度。根据前人对平湖构造带进行热史恢复的结果，虽然各地层的沉积速率有所差异，但基本上是一个连续沉降增温的过程，特别是从32 Ma 开始，连续沉降的特征尤为明显［25］。依据DST 钻柱测试数据，西湖凹陷现今的平均地温梯度约为3.4 ℃/100 m，而且不同的构造单元平均地温梯度也存在一定的差异。总体上看，中央反转构造带的平均地温梯度最高，可达3.8 ℃/100 m；而平湖构造带所在的西部斜坡带的平均地温梯度最低，为3.16 ℃/100 m（图6）。在平湖构造带内，不同区域的地温梯度也有所不同，平北地区地温梯度较低，约为3 ℃/100 m（图7），而且其深部的地温梯度更低，地温梯度的变化不会造成深部地层烃源岩Ro增加速率的加快，因此流体活动不是有机质热演化垂向上分段性的原因。

图6 西湖凹陷实测地温与深度关系图Fig. 6 Relationship between measured formation temperature and depth in Xihu Sag

图7 平湖构造带实测地温与深度关系图Fig. 7 Relationship between measured formation temperature and depth in Pinghu tectonic zone

3.3 热导率差异的影响

在热流恒定的情况下，热导率越低，地温梯度越高。因此，热导率较低的层段地温梯度较高，从而出现较高的Ro梯度。一方面，地质体的热导率受到岩石类型的影响，一般砂岩的热导率约为1.9～7.4 W/(m·K)，泥岩的热导率约为1.5～2.3 W/(m·K)；另一方面，在岩性相同的情况下，热导率还与孔隙发育状况有关，孔隙度越大，地层的热导率越低［26］。

西湖凹陷平北地区K2 井和N25 井不同层段岩性均以砂岩和泥岩为主，故岩性差异引起的热导率变化并不十分明显。根据岩心分析结果，K2井在有机质热演化分段界面4 100 m 上下的孔隙度约为10%～15%（表3），N25 井在有机质热演化分段界面3 500 m 上下的孔隙度约为15%～20%（表4），孔隙度变化并不十分显著，并且在该孔隙度范围内，地层的热导率约在5～6 W/(m·K)之间，仍然处于较高的水平。可见K2 井和N25 井岩性和孔隙度变化引起的热导率差异很小，因此热导率差异也不是引起有机质热演化垂向上分段性的原因。

表3 西湖凹陷平北地区K2井岩心的岩性与孔隙度Table 3 Lithology and porosity of core from Well K2 in the Pinghu tectonic zone

表4 西湖凹陷平北地区N25井岩心的岩性与孔隙度Table 4 Lithology and porosity of core from Well N25 in the Pinghu tectonic zone

3.4 超压发育的影响

关于超压作用对有机质热演化的影响，不同学者曾提出过不同的观点，可分为以下3类：①超压作用可以促进有机质的热演化［27］；②超压作用抑制有机质的热演化［28-29］；③超压作用对有机质的热演化无明显影响［30］。

测井数据是识别异常地层压力最基础同时也是最可靠的方法，其中声波测井、密度测井和电阻率测井是超压识别最常用的3 条测井曲线，对这3条测井曲线进行综合分析，能更加准确地确定超压的存在［31］。

分析西湖凹陷平北地区K2 井和N25 井的测井综合特征（图8，图9），可以看出：K2 井以4 100 m深度为界，N25 井以3 500 m 深度为界，其上随深度的增加，声波时差逐渐减小，密度和电阻率逐渐增大；但在其深度之下则发生了变化——K2 井声波时差增大，密度略有减小，电阻率增大的速率变快，N25 井声波时差增大，密度基本保持稳定，电阻率减小。以上特征表明：平北地区K2 井和N25 井分别在4 100 m 和3 500 m 深度之下发育超压，超压发育深度均位于平湖组内。超压发育的顶界面与Ro在垂向上演化速率增加的深度完全吻合，K2 井以4 100 m 深度为界，N25 井以3 500 m 深度为界，上部Ro演化特征对应浅部常压系统，下部Ro演化特征对应深部超压系统。

图8 K2井超压段测井组合识别图Fig. 8 Logging combination identification in overpressure section of Well K2

图9 N25井超压段测井组合识别图Fig. 9 Logging combination identification in overpressure section of Well N25

通过以上分析判断，有机质组成特征、流体性质和热导率的变化均不是K2 井和N25 井有机质热演化垂向上呈分段性的原因，超压作用是造成有机质热演化垂向上分段性的唯一可能原因。K2 井和N25井上下Ro梯度段与垂向上的两个压力系统完全对应，对比上部的常压地层，深部的超压地层Ro梯度明显偏大，同时在深度上二苯并噻吩类化合物参数的变化与Ro一致，这充分证明了超压作用是西湖凹陷平北地区有机质热演化分段性的主控因素。