西湖凹陷中央反轉構造帶花港組致密砂巖儲層埋藏史-熱史

曹　冰

(中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200335)

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西湖凹陷中央反轉構造帶花港組致密砂巖儲層埋藏史-熱史

曹冰

(中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200335)

探討東海西湖凹陷中央反轉構造帶致密砂巖儲層中相對優質儲層的發育機理，為致密砂巖氣的勘探開發提供依據。以實鉆井裂變徑跡年齡(AFT)實驗數據為依據，鋯石裂變徑跡(ZFT)實驗數據作為約束，利用Easy%Ro化學動力學模型，建立古近系花港組埋藏史-熱史。結果表明:中央反轉構造帶的埋藏史-熱史演化具有南北分帶的特點。埋藏史北部和中部較為相近，中北部花港組自距今約34 Ma開始沉積，經歷距今約14～10 Ma的抬升，玉泉組剝蝕厚度約為1.2 km；南部花港組從距今33.9 Ma開始沉積，經歷了5 Ma(距今15～10 Ma)抬升，上覆的玉泉組被剝蝕近0.7 km?；ǜ劢M地層溫度由北向南呈逐漸降低的趨勢，由北向南3個區帶的烴源巖地層有機質開始成熟的時間分別為距今20 Ma、18 Ma和15 Ma。中央反轉構造帶北部曾經歷更大的埋深和更高的地溫梯度，相同埋深條件下北部儲層比南部差。

西湖凹陷；花港組；致密砂巖儲層；埋藏史-熱史

西湖凹陷位于東海盆地東部，為東部拗陷帶的一個次級凹陷，面積約52 000 km2。西湖凹陷中央反轉構造帶古近系花港組致密砂巖儲層經勘探實踐證明具有豐富的天然氣資源，埋深為3.5～5 km，孔隙度為6%～12%，滲透率為(0.1～10)×10-3μm2，大部分滲透率為(0.1～1)×10-3μm2，屬于低孔低滲-特低滲儲層。砂巖層致密化過程中經歷了復雜的成巖作用，受物源、巖性、構造演化、沉積埋藏速率、成巖環境演變等影響[1]，多套連續分布的大型儲集體非均質性強。對于致密砂巖的定義和分類觀點很多，不同學者針對不同研究區域采用不同的物性參數[2-5]，中海油上海分公司根據生產實踐，將其劃分為4個儲層級別，滲透率為主要參數，其他參數作為輔助。Ⅰ類儲層滲透率>10×10-3μm2、Ⅱ類儲層滲透率為(10～1)×10-3μm2，Ⅲ類儲層滲透率為(1～0.1)×10-3μm2，Ⅳ類儲層滲透率<0.1×10-3μm2，其中Ⅰ類、Ⅱ類儲層往往有自然產能。在埋深3.5～5 km的地層中，Ⅲ類和Ⅳ類儲層占比超過70%。作者在前期研究中發現，西湖凹陷花港組雖然儲層致密， Ⅲ類和Ⅳ類儲層中也發育物性相對較好的Ⅰ類和Ⅱ類儲層，稱為致密砂巖儲層中的相對優質儲層，也稱為“甜點”。形成“甜點”的控制因素很多，這些因素嚴格受構造帶埋藏史和熱史的控制[6,7]，經歷了不同的埋藏史和熱史的儲層其儲集性能明顯不同；因此對中央反轉構造帶的埋藏史和熱史的準確恢復可進一步深化致密砂巖儲層“甜點”的發育機理研究，有助于下一步勘探目標的確定，對深層致密砂巖油氣藏的勘探具有重要的借鑒意義。

有學者對西湖凹陷的油氣地質做過大量研究并取得豐富的成果，但構造沉降歷史及演化過程分析較薄弱且較為粗略，多限于西湖凹陷整體的埋藏史-熱史研究[8-11]，沒有體現出西湖凹陷中不同區帶埋藏史-熱史的差異性。何將啟在西湖凹陷盆地結構、層序特征分析及剝蝕量模擬計算的基礎上分析了埋藏史-熱史，認為從漸新世開始，盆地沉積中心隨著凹陷東部的隆升向西北方向轉移，其中漸新統、中新統的沉積厚度隨之發生變化；他在建立了熱史模型后指出西湖凹陷在斷陷和拗陷期的古地溫有明顯差異，熱演化過程受到斷陷和拗陷兩種不同構造體系控制[12]。陶士振等在研究西湖凹陷成藏時對西湖凹陷熱史分析，認為平湖組和花港組下部烴源巖已成熟，花港組上部烴源巖成熟度較低[13]。成熟烴源巖分布于整個西湖凹陷，烴源充足。

1　區域地質概況

按照構造區劃，西湖凹陷由西往東可分成西部斜坡帶、西次凹、中央反轉構造帶、東次凹和東部陡坡帶(圖1-A)。本文按南北方向將中央反轉構造帶劃分為北部、中部和南部(圖1-B)，且具有“東西分帶，南北分塊”之構造特征[14,15]。西湖凹陷的地層特征見表1和圖1-B。本文將重點針對中央反轉構造帶南北各區帶的埋藏史-熱史的差異性進行對比研究，具體分區見圖1。

2　裂變徑跡退火效應

2.1磷灰石裂變徑跡反演熱歷史方法

磷灰石裂變徑跡分析的原理是當1個238U原子發生裂變時，分裂成2個電荷碎片，其質量相當且運動方向相反。它們在通過晶體的晶格過程中會留下一條直線損傷帶，稱為裂變徑跡[16]。依據放射性元素衰變規律可以推得裂變徑跡年齡，利用外探測器法[17]能得到可靠的年齡數據(圖2)。

磷灰石裂變徑跡分析用于熱史模擬主要是利用其長度分布模式與地溫歷史的對應關系(圖3)[18]。模式a代表的熱史是從110℃以上急降至60℃以下，比如噴出巖的快速冷卻。磷灰石裂變 徑跡的長度分布反映了這一簡單溫度變化史：長度集中于原始長度附近(14～15 μm)，長度偏差較小(<1.0 μm)。模式b代表熱史勻速變化，溫度下降平緩，徑跡長度分布是不對稱的單峰型，左側緩右側陡。模式c代表的熱史是樣品溫度從110℃以上降至100℃以下，長時間保持在90～100℃區間范圍內，然后快速冷卻至60℃以下，徑跡長度分布呈雙峰結構(圖3-c)。

表1　東海西湖凹陷新生界地層特征Table 1　Characteristics of Cenozoic strata of Xihu sag

磷灰石裂變徑跡在恢復熱史時存在一定的誤差，本文還采用鋯石裂變徑跡(ZFT)作為西湖凹陷埋藏史-熱演化史模擬結果的一種約束和矯正。具體實驗方法借鑒焦若鴻的文獻[19]。

2.2西湖凹陷裂變徑跡的退火效應

本次研究對西湖凹陷各構造位置的29個樣品的磷灰石(表2)及10個樣品的鋯石裂變徑跡(表3)進行了分析，獲得了徑跡年齡、徑跡長度及徑跡分布。隨著埋藏深度增加，地層溫度是增加的，磷灰石將會出現不同程度的退火效應，主要體現在徑跡年齡和徑跡長度及分布的變化上。

中央反轉構造帶樣品的年齡分布和西次凹較為相似，但也存在一定的差別。在2.5 km深度界面以上，中央反轉帶幾個樣品的徑跡年齡要老于西次凹；但此深度界面以上的變化趨勢基本相同。2.5 km深度之下，相同深度樣品的徑跡年齡要比西次凹的較為年輕，但都小于地層的實際年齡。綜合考慮中央反轉帶樣品徑跡年齡和深度的變化趨勢可以發現，在2.5 km的深度界面附近，徑跡的年齡存在一個“突變帶”，其附近的年齡變化明顯不同于西次凹和西斜坡構造帶。即使同是中央反轉帶的樣品，也有一定的區別。中央反轉帶北部和中部的樣品，如M-2井、M-1井、N-1井等相同深度的樣品比中央反轉帶南部樣品(S-2井、S-1井、M-3井、M-4井等)的徑跡年齡要年輕得多，表明其退火程度或退火率更為明顯，可能暗示地質時期的埋深更大或者經歷的構造活動更為強烈，或者其晚期構造運動在關鍵地質界面處有著較大的剝蝕量。

所分析的10個樣品的鋯石裂變徑跡的池年齡多在149～100 Ma。裂變徑跡的池年齡和深度變化關系表明，隨深度增加，鋯石的年齡有減小的趨勢，表明鋯石的裂變徑跡也表現出一定程度的退火特征；但并沒有像磷灰石樣品那樣表現出近乎完全退火的特征，也可能保留了部分物源區的信息。鋯石裂變徑跡的退火行為、特征及動力學仍處于探索階段，在此不用其進行溫度-時間軌跡的反演，僅將其作為磷灰石裂變徑跡反演的約束條件。

表2　西湖凹陷磷灰石裂變徑跡樣品分析結果Table 2　Analysis of apatite fission track samples in Xihu sag

圖1　西湖凹陷地質概況圖Fig.1　Simplified geological map of Xihu sag(A)西湖凹陷構造分區圖; (B)中央反轉構造帶剖面圖

圖2　外探測器法裂變徑跡年齡測量的操作步驟Fig.2　Operation of fission track age measurement by external detector method (據文獻[17])

3　熱史及剝蝕量估算

主要地質界面的剝蝕量估算是應用Ketcham提出的方法和模型[20]，根據樣品測試數據，對西湖凹陷不同實鉆井進行熱史模擬(圖4)。圖4為模擬的裂變徑跡的溫度-時間軌跡圖，圖中右邊部分的直方圖為實測裂變徑跡長度分布特征，左邊部分的帶點曲線表示最優熱史模擬趨勢線，粉色區域和綠色區域代表溫度-時間帶的可信度，粉色區域可信度最高，綠色區域次之，表3為根據圖4中樣品所經歷的溫度的變化估算的地史時期的剝蝕量，分別以低溫梯度0.3℃/km和0.4℃/km進行計算。從剝蝕量計算數據中可以看出，中央反轉構造帶在約距今12～10 Ma開始抬升，此時玉泉組受到剝蝕，北部和中部剝蝕量較為接近，約1～1.4 km，南部剝蝕量最小，約0.7～1 km。

圖3　3種典型的地溫史假設下的磷灰石裂變徑跡長度分布特征Fig.3　Distribution characteristics of apatite fission track length under the assumption of three typical geothermal histories(據文獻[18])下圖的3行數值分別為裂變徑跡表觀年齡、平均徑跡長度及標準差

4　花港組儲層埋藏史-熱演化史模擬

通過以上磷灰石樣品裂變徑跡樣品測試，得到的埋藏史-熱史模擬較為可靠。對西湖凹陷中央反轉構造帶選取典型實鉆井進行埋藏史、生烴史和熱史恢復(據Easy%Ro化學動力學模型[21])，結果如下。

4.1中央反轉構造北部

N-1井位于中央反轉構造帶北部，花港組主要埋藏史-熱演化史及生烴史如圖5所示?；ㄏ露纬练e時間從距今35.4 Ma開始，花上段在距今28.2 Ma開始沉積至距今23.03 Ma結束沉積進入埋藏階段；至新近紀中期，距今14.8 Ma地層開始整體抬升，上覆的玉泉組被剝蝕近1.2 km；距今12.7 Ma再次持續埋藏至今。

花下段距今28 Ma開始溫度達到75℃，距今約15 Ma時地層溫度達到約130℃；之后地層抬升，溫度降低，至距今13 Ma時溫度降低至約 100℃；再后隨著地層深埋溫度再次升高，現今地層溫度為120～125℃。

表3　西湖凹陷主要鉆井的剝蝕量計算Table 3　Calculation of erosion from drilling wells of Xihu sag

花上段距今26 Ma開始溫度達到75℃，距今約15 Ma時地層溫度達到約120℃；之后地層抬升，溫度降低，至距今13 Ma時溫度降低至約70℃；再后隨著地層深埋溫度再次升高現今地層溫度為95～120℃。

花下段的煤系烴源巖地層，在距今約20 Ma開始成熟(Ro=0.5%)，距今15 Ma大量生烴時的Ro值達0.75%。

4.2中央反轉構造中部

M-2井位于中央反轉構造帶中部的玉泉構 造，花港組埋藏史、熱演化史及生烴史如圖6所示。玉泉構造的花港組為古近紀晚期沉積的漸新統，分上下段，花下段沉積時間從距今33.9 Ma開始，花上段距今28.4 Ma開始沉積至距今23.03 Ma結束沉積進入埋藏階段；至新近紀中期，距今14 Ma地層開始整體抬升，上覆的玉泉組被剝蝕近1.2 km；距今10.5 Ma再次持續埋藏至今。

圖4　西湖凹陷中央反轉構造帶各區域主要構造鉆井的磷灰石裂變徑跡溫度-時間軌跡圖Fig.4　t-T path chart of apatite fission track in different regions from the central reversal tectonic belt, Xihu sag

圖5　N-1井埋藏史-熱演化史分析圖Fig.5　Diagram showing burial history and thermal evolution analysis from Well N-1(A)埋藏史-熱演化史圖; (B)地層溫度實測值標定; (C)埋藏史-生烴史圖; (D)實測Ro值標定

圖6　M-2井埋藏史-熱演化史分析圖Fig.6　Diagram showing of burial history and thermal evolution analysis from Well M-2(A)埋藏史-熱演化史圖; (B)地層溫度實測值標定; (C)埋藏史-生烴史圖; (D)實測Ro值標定

圖7　S-2井埋藏史-熱演化史分析圖Fig.7　Diagram showing of burial history and thermal evolution analysis from Well S-2(A)埋藏史-熱演化史圖; (B)地層溫度實測值標定; (C)埋藏史-生烴史圖; (D)實測Ro值標定

花下段距今22 Ma開始溫度達到75℃，距今約14 Ma時溫度達到120℃，距今約13 Ma時地層溫度達到最大(約130℃)；之后地層抬升，溫度逐漸降低，至距今約10 Ma地層溫度<75℃；再后隨著地層深埋溫度再次增加，現今地層溫度為120～130℃。

花上段距今18 Ma開始溫度達到75℃，距今約13 Ma時地層溫度達到最大，約為115℃；之后地層抬升，溫度逐漸降低，至距今約10 Ma地層溫度<60℃；再后隨著地層深埋溫度再次升高，現今地層溫度為100～115℃。

花下段的煤系烴源巖地層，在距今約18 Ma開始成熟(Ro=0.5%)，距今約13 Ma時開始大量生烴(Ro=0.75%)。

4.3中央反轉構造南部

S-2井位于中央反轉構造帶南部，花港組主要埋藏史-熱演化史及生烴史(圖7)如下。

花下段沉積時間從距今33.9 Ma開始，花上段距今28.4 Ma開始沉積至距今23.03 Ma結束沉積進入埋藏階段；至新近紀中期，距今15 Ma地層開始整體抬升，上覆的玉泉組被剝蝕近700 m；距今10 Ma再次持續埋藏至今。

花下段距今15 Ma開始溫度達到75℃，距今約10 Ma時地層溫度達到約100℃；之后地層抬升，溫度略有降低；再后隨著地層深埋溫度再次增加，現今地層溫度為110～125℃。

花上段距今約18 Ma時地層溫度達到75℃，之后地層抬升，溫度略有降低，約降低10℃；再后隨著地層深埋溫度再次增加，現今地層溫度為100～115℃。

花下段的煤系烴源巖地層，在距今約15 Ma開始成熟(Ro=0.5%)，至今未達到大量生烴的成熟階段。

據以上分析可以看出，中央反轉構造帶中北部比南部地層溫度相對較高，且有機質成熟較高，中北部比南部較早進入生烴門限?；ǜ劢M埋藏史-熱史的南北差異必然造成地層流體化學性質的不同[22-24]，從而導致儲層成巖環境和成巖演化的差別。埋藏史-熱史對致密砂巖儲層的致密化過程和油氣充注過程有著直接的影響，從而影響優質儲層的發育和展布。因此，本文花港組致密砂巖埋藏史-熱史研究的新成果，可為該區花港組致密砂巖儲層發育機制和優質儲層評價預測奠定基礎。

5　結 論

a.中央反轉構造帶花港組埋藏史和熱史的演化特征具有南北分帶的特點。北部和中部埋藏史較為接近，中北部花港組自距今約34 Ma開始沉積，在距今14～10 Ma地層抬升，玉泉組遭受剝蝕，剝蝕厚度約1.2 km；南部花港組從距今33.9 Ma開始沉積，距今15 Ma地層開始整體抬升，上覆的玉泉組被剝蝕近700 m，距今10 Ma再次持續埋藏至今：暗示中央反轉帶中北部比南部的埋深更大，或者地質時期經歷了更為強烈的構造活動。

b.中央反轉構造帶花港組地層溫度由北向南呈降低的趨勢，3個區帶的烴源巖有機質開始成熟的時間分別為距今20 Ma、18 Ma和15 Ma。中央反轉帶中北部比南部地層溫度相對較高，且有機質成熟較高，中北部比南部較早進入生烴門限?；ǜ劢M埋藏史-熱史的南北差異必然造成地層流體化學性質的不同，從而導致致密砂巖儲層成巖環境和成巖演化的差別，并影響優質儲層的發育和展布。埋藏史-熱史研究表明，相同埋深條件下，中央反轉構造帶北部儲層比南部差。

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Study of burial and thermal history of Huagang Formation tight sandstone reservoir in central reversal structural belt,Xihu Depression, East China Sea

CAO Bing

ShanghaiBranchofCNOOC(China)Ltd.,Shanghai200335,China

The deep tight sandstone reservoir of Huagang Formation, buried in the central reversal tectonic belt in Xihu sag of the East China Sea basin, is convinced of abundant natural gas resources through explorations and experiments. However, the research of burial history and thermal history of the central reversal tectonic belt is still insufficient, which affects the quality of reservoir exploration and development progress. Based on the fission track age (AFT) from the drilling wells and experimental data of zircon fission track (ZFT), combined with the application of Easy%Ro chemical kinetics model, the burial history and thermal history of Huagang Formation are established. It reveals that the evolution of burial history and thermal history of central reversal tectonic belt is characterized by north-south zonation. Burial history in northern area is analogous to that of central area and the Huagang Formation in the northern and central area initiates deposition about 34 Ma B.P, followed by uplift about 14～10 Ma B.P with an amount of 1.2 km of exhumation of overlaying Yuquan Formation. While the Huagang Formation in the southern area starts deposition about 33.9 Ma B.P., followed by uplift about 15～10 Ma B.P., with nearly 700 m denudation of overlying Yuquan Formation. The temperature of Huagang Formation degrades gradually from north to south and maturing times of organic matter contained in hydrocarbon source rocks from north to south are 20 Ma B.P., 18 Ma B.P. and 15 Ma B.P. respectively.

Xihu depression; Huagang Formation; deep tight sandstone; burial and thermal history

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.04.03

1671-9727(2016)04-0405-10

2015-04-30。

“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05027-002)。

曹冰(1967-),男,高級工程師,主要從事石油地質勘探研究工作, E-mail:caobing @cnooc.com.cn。

TE122.21

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