岩盐的热传导效应对烃源岩热演化的影响库车前陆盆地古近系岩盐对烃源岩生气高峰期的迟缓作用及其意义

岩盐的热传导效应对烃源岩热演化的影响库车前陆盆地古近系岩盐对烃源岩生气高峰期的迟缓作用及其意义

0岩盐的热传导效应岩盐对泉岩的形成和发育也有重要影响。首先,岩盐的形成环境有利于有机质的保存;其次,岩盐的高热导率影响着烃源岩后期生烃演化。在含油气盆地沉积岩中,煤岩的热导率最低,如中国西部的准噶尔盆地侏罗系煤的热导率为0.169W/(m·K);泥岩、砂岩的热导率次之,如中国西部库车前陆盆地新生界和白垩系泥岩和砂岩的热导率分别为1.606~1.964W/(m·K)和1.716~2.358W/(m·K);岩盐和石膏的热导率最大,如中国东部东营凹陷沙四段膏盐岩的热导率为5.48W/(m·K),德国IES公司研发的Petromodel盆模软件中膏泥岩和岩盐的热导率分别为3.87W/(m·K)和4.69W/(m·K)。因此,岩盐热导率是泥岩和砂岩的2~3倍,岩盐的存在影响周围地层的温度。Yu等研究发现,盐墙下部围岩地层的温度比远处同等埋深地层温度有所较低,其上地层的温度相对升高,命名为盐烟囱效应。渤海湾盆地的东营凹陷和东濮凹陷广泛发育古近系岩盐层,烃源岩层与之紧临,一定程度上影响着烃源岩的地层温度和热演化程度,位于岩盐层之间或之上的烃源岩有利于热成熟生烃,岩盐层之下的烃源岩热演化程度有所降低。库车前陆盆地古近系底部库姆格列木群膏盐岩和新近系底部吉迪克组膏泥岩全区分布,平面上几乎覆盖了整个侏罗系和三叠系烃源岩,二者垂向上相隔中生界白垩系砂、泥岩,白垩系地层北厚南薄,厚度为350~2200m(图1)。相对于盐墙的局部烟囱效应,含盐盆地中呈层分布的高热导率膏盐岩对烃源岩热演化生烃史的影响是广泛的,本文称之为岩盐的热传导效应。基于盆地的沉积埋藏史和热演化史,在不考虑岩盐的热传导效应情况下,研究认为库车前陆盆地烃源岩生烃高峰为新近纪康村期至库车期,这与库车前陆盆地大规模构造挤压和冲断带盐下大型构造圈闭的形成期(库车中晚期至第四纪)不匹配;另一方面,杨树春等认识到岩盐热传导效应是影响深层烃源岩热演化的因素之一,并计算了不同厚度岩盐对烃源岩热成熟度的影响程度,如当岩盐层厚度为3187m,不考虑岩盐时烃源岩现今RO值为2.07%,考虑岩盐时烃源岩现今RO值为1.69%,岩盐对现今有机质成熟度影响幅度达18.3%。由此将盆地周边烃源岩(库北1井、明南1井、阳霞1井等)实测成熟度值当作盆地内主力烃源岩的热演化程度,认为三叠系和侏罗系烃源岩现今主体处于生油晚期和生油高峰期,这与盐下克拉2、大北1等大气田的发现不相符,可能夸大了膏盐岩的热传导效应。因此,深入论证膏盐岩对深层烃源岩的影响具有重要的意义。1地质概况1.1中新生代陆相叠合盆地库车前陆盆地位于中国塔里木盆地的北部、南天山的山前,由北部单斜带、克拉苏构造带、依奇克里克构造带、秋里塔格构造带、南部斜坡隆起带和乌什凹陷、拜城凹陷和阳霞凹陷5个正向构造单元和3个凹陷组成(图1)。库车前陆盆地是以塔里木板块古生代地台北缘为基底的中新生代陆相叠合盆地。中生代至新生代古近纪为断陷—拗陷盆地,新近纪—第四纪为再生前陆盆地,断陷—拗陷盆地早期形成三叠系—侏罗系湖相烃源岩和煤系烃源岩;断陷—拗陷盆地晚期发育古近纪底部膏盐岩;喜玛拉雅运动晚期为前陆盆地形成期,南天山强烈挤压推覆,特别是库车期至第四纪,北部冲断带以古近系底部库姆格列木群膏盐岩为滑脱层,形成“上褶下断”构造样式、盐下叠瓦状构造以及盐相关圈闭,盐下发育数条向北倾斜的逆断裂,断裂沟通深部三叠系—侏罗系烃源岩和盐下白垩系巴什基奇克组砂岩,盐下形成克拉2、大北1、克深2等大型气田。南部斜坡—隆起带大部分区域无烃源岩发育,膏盐岩局部薄层分布,以砂体和不整合面为输导通道,并于白垩系、古近系、新近系多套储盖组合中形成油藏、凝析油气藏。1.2古近纪构造岩厚度分布库车前陆盆地以库车河为界,库车河以西为古近系库姆格列木群膏盐岩层,库车河以东为新近系吉迪克组膏盐岩层。2套膏盐岩层分布广泛,尤其是古近系膏盐岩,覆盖了库车前陆盆地大部分区带,主要分布在克拉苏构造带、拜城凹陷带、秋里塔格构造带、依奇克里克构造带和阳霞凹陷,南部斜坡—隆起带北侧也有分布(图1)。古近系底部库姆格列木群为膏盐岩、膏泥岩、泥岩间互沉积。由于膏盐岩沉积和塑性流动的差异,其厚度分布差别较大,钻井揭示厚度数十米至几千米,大多数地区膏盐岩层厚度超过1500m,最厚区位于克深2井—吐北4井—大宛1井一线,厚度为2000~3500m,局部可达4000m以上,其次是秋里塔格构造带中西段,厚度为1500~3000m。新近系底部吉迪克组主要为膏泥岩、膏岩沉积,厚度中心位于迪那地区,为1000~2000m。以岩盐层为界,库车前陆盆地中新生界地层可划分为3个构造层,即盐上构造层、盐层和盐下构造层,盐下构造层发育主力烃源岩和储集层。1.3库车前陆盆地烃源岩库车前陆盆地三叠系—侏罗系自下而上发育5套主力烃源岩,包括上三叠统黄山街组湖相烃源岩,上三叠统塔里奇克组和中下侏罗统克孜勒努尔组、阳霞组煤系烃源岩,中侏罗统恰克马克组湖相烃源岩。烃源岩形成于断陷盆地发育期,具有厚度大、分布范围广的特点,多数地区厚度可达1000m。受原始沉积和后期冲断叠置因素的影响,烃源岩厚度中心位于北部冲断带的克拉苏构造带—依奇克里克构造带,即大北2井—克深2井—依南2井一线。三叠系烃源岩分布范围最大,除秋里塔格构造带西部却勒地区、南部斜坡—隆起构造带外均有分布(图1),厚度一般为200~600m,大北2井—克拉2井一带最厚,为550~600m,其中,黄山街组湖相泥质烃源岩是库车前陆盆地原油的主要来源。侏罗系烃源岩分布范围变窄,北部单斜带北侧地层被剥蚀,南部斜坡—隆起带、秋里塔格构造带中西段,甚至拜城凹陷南部烃源岩缺失(图1),烃源岩厚度一般为300~700m,其中中下侏罗统煤系烃源岩于克拉3井北至依南2井地区最厚,达700~800m,其次为大北2井区,厚度可达500m。中侏罗统恰克马克组烃源岩主要发育在库车前陆盆地中西部地区,具有东、西2个沉积中心,即大北2井—博孜1井区和克拉2井—东秋8井区,烃源岩厚度分别为100~250m、100~120m。湖相烃源岩有机质类型主要为Ⅱ型,泥岩TOC值为1.05%~1.1%,最高达3%,有机质偏腐泥型,以生油为主;煤系烃源岩有机质类型主要为Ⅲ型,泥岩、炭质泥岩和煤的TOC值分别为2%~3%、6.3%~23.7%和55%~70%,有机显微组分组成以镜质组、半镜质组和半惰性组为主,最显著特点是过渡显微组分含量较高,属于富生气型烃源岩。南北对比,由于北部单斜带后期被冲断抬升,而北部冲断带烃源岩沉积厚、埋藏深、冲断叠置以及北部地温梯度较高等,晚期烃源岩生油和生气中心位于北部冲断带之下,特别是克拉苏构造带和依奇克里克构造带,烃源岩镜质体反射率值为1.0%~2.4%,局部地区可达3%~3.4%,处于高—过成熟的干气阶段。拜城凹陷和阳霞凹陷烃源岩晚期虽然埋深大,但该区地温梯度相对较低,烃源岩成熟演化晚,烃源岩镜质体反射率值为0.8%~1.6%,处于成熟—高成熟的凝析油气阶段。东西对比,总体上东西两端乌什凹陷和阳霞凹陷及各自冲断带的烃源岩成熟度小于中间拜城凹陷及北部冲断带烃源岩的成熟度,神木1井区、阿瓦3井—博孜1井区、大北1井—克拉2井区和迪那2井—阳北1井区侏罗系烃源岩底界现今镜质体反射率值分别为0.6%~1.2%、1.4%~2.4%、2.4%~3.4%和1.4%~2.6%,克深5井区最高,可达3.4%。2不同热导率岩盐上地层的温度分布岩盐热导率是泥岩和砂岩的2~3倍,因此,在一个地层柱上,受地层岩性影响,地温梯度会发生不同程度的变化。高热导率的岩盐将盐下层热量快速向上传递,一定程度上降低了盐下地层的温度、升高了盐上地层的温度;岩盐高热导率造成盐下构造层的地温梯度比正常的有所降低、盐上构造层的地温梯度比正常的有所升高。2.1盐上构造层的地温梯度库车前陆盆地不同区带、不同地区的地温梯度不同,因此分别统计库车前陆盆地北部冲断带大北和克拉苏地区、南部斜坡—隆起带英买力和牙哈地区钻井地层测温。结果表明,北部冲断带大北地区和克拉苏地区古近系库姆格列木群膏盐岩上下地层的温度均存在明显的跳跃现象(图2),甚至含盐地层的温度高于下伏砂岩的温度,可能是不同埋深膏盐岩侧向快速传热所致。盐层及其上覆地层的温度高于盐层下伏地层的温度,盐层上、下构造层具有不同的地温梯度,盐上构造层的地温梯度大于盐下构造层的地温梯度,主要原因是岩盐的高热传导率将盐下地层的热量快速传到了盐上地层。大北地区和克拉苏地区盐上构造层的地温梯度与前人有关该区地温梯度值较相近(表1)。与北部冲断带岩盐发育区不同,南部斜坡—隆起带基本上无岩盐沉积,如英买力地区和牙哈地区,自下部寒武系—奥陶系到上部新近系和第四系,2个地区的地层温度均呈现统一的变化趋势,即各自存在单一地温梯度(图2),并与前人的地温梯度值接近(表1)。2.2岩盐层厚度与地层温度的关系如果不考虑岩盐层高热导率的影响,以盐上构造层的地温梯度计算盐下构造层不同埋深的地层温度,结果比实测的地层温度高。计算值与实测值之间的温差大小与各自岩盐层的厚度有关,岩盐层厚度越大,温差越大(图3),进一步证实了岩盐确实降低了盐下构造层的地层温度,且岩盐层越厚温度降低幅度越大。库车前陆盆地膏盐岩普遍厚度为1500~2000m,受此影响,盐下构造层白垩系地层温度大约降低20~30℃。3深层烃源岩作用实测地温数据统计表明,岩盐高热导率对下部白垩系地层温度确有降低作用。Jensen研究认为膏盐岩造成的温度异常垂向波及的范围接近膏盐层埋深的2~3倍,库车前陆盆地古近系膏盐岩层中部埋深为2000~6000m不等,烃源岩埋深达8000~11000m,因此,古近系膏盐岩热传导效应的影响深度可达4000~12000m,深层烃源岩在其作用范围之内。由于库车前陆盆地烃源岩埋藏太深,除了北部单斜带、东部依奇克里克构造带有几口井打到烃源岩外,膏盐岩覆盖区至今没有钻井钻遇深层烃源岩,盐下构造层大多只钻到白垩系巴什基奇克组,个别井钻达白垩系巴西盖组或舒善河组,因此,没有深层烃源岩的地温数据,只能通过数值模拟技术来研究膏盐岩对深层烃源岩地层温度及热演化的影响作用。3.1深部侏罗系地层温度和ro值克拉2井钻遇膏盐岩厚485m,与上文论述一致,相对盐下构造层的地层温度,岩盐层中上部现今地温突然跳跃增大,上、下构造层具有明显不同的地温梯度[图4(a)]。根据克拉2井实际地质剖面,增大E1-2km膏盐岩的厚度、相应减小上覆碎屑岩层的厚度,运用Petromodel软件来模拟单井烃源岩埋藏史和热演化史,分析膏盐岩层对深部侏罗系烃源岩地温和RO值的影响。结果表明:相对于泥岩,膏盐岩确实降低了烃源岩的地层温度和热演化成熟度RO值,且膏盐岩厚度越大,对深部侏罗系烃源岩地层温度和RO值减小的幅度越大[图4(b),图4(c)]。以膏盐岩增厚至1500m为例,深部侏罗系地层温度为150℃,烃源岩成熟度RO值为1.1%;对于1500m泥岩盖层,深部侏罗系地层温度为165℃,烃源岩RO值为1.45%,两相比较深部侏罗系地层温度大约降低了15℃,成熟度降低了大约0.35%。因此,库车前陆盆地巨厚膏盐岩影响了深部三叠系—侏罗系烃源岩的生烃演化,将迟缓烃源岩的生烃高峰期。3.2不同层系烃源岩的热演化鉴于岩盐对地温梯度的影响以及不同时期、不同区带地温梯度非恒定值,而一个地区大地热流值不受介质的影响,它能从本质上揭示区域地温场的固有特征,因此采用稳态热流法模拟烃源岩热演化史,并根据构造演化平衡剖面定量获取不同时期岩盐层的厚度数据。烃源岩热演化史数值模拟表明,北部冲断带深层三叠系—侏罗系烃源岩古近纪以前埋深一直很浅,白垩系沉积末侏罗系RO值仍小于0.7%,之后白垩系抬升剥蚀,生烃相对停滞一段时间;古近纪末期达到成熟生油阶段;新近纪以来快速埋藏,特别是库车组沉积厚度巨大,烃源岩RO值快速增大,在库车期中晚期侏罗系烃源岩RO值达到1.0%~2.2%,三叠系烃源岩RO值达到1.3%~2.8%,局部达到3.2%,进入生气高峰期;第四系沉积厚度虽然很大,但由于古热流和古地温梯度降低,烃源岩的RO值仅少量增加。库车期中晚期至第四纪,烃源岩已达生干气阶段。拜城凹陷和阳霞凹陷烃源岩埋藏史和热演化史特征相似,最大埋深是在库车末期和第四纪才达到,由于晚期古热流快速降低,虽然凹陷中心现今埋深很大,但烃源岩RO值升高较小,三叠系—侏罗系烃源岩成熟度为1.0%~1.6%,仍处在生油窗和湿气阶段。由北部单斜带、克拉苏构造带—依奇克里克构造带、拜城—阳霞凹陷带至南部斜坡带局部,烃源岩最大成熟中心位于克拉苏构造带—依奇克里克构造带一线,进入生干气阶段,是北部冲断带盐下大气田的供气区。现今拜城凹陷、阳霞凹陷、秋里塔里构造带烃源岩达到生湿气阶段,南部斜坡—隆起带的油气主要来源于此。由烃源岩热演化史来看,古近纪末期,烃源岩进入生油高峰阶段,库车期中晚期至第四纪,烃源岩达到高成熟—过成熟的湿气—干气阶段。深层烃源岩热演化趋势与现今发现的天然气成熟度分布十分吻合(表2),如大北1气田天然气成熟度在1.64%~1.78%之间;克拉2气田和克深2气田天然气成熟度最大,达到1.90%~2.25%;南部斜坡带的英买7油气田、牙哈1油气田天然气成熟度为0.91%~1.35%。北部冲断带克深2井区三叠系烃源岩底部埋深已达11000m,按该区盐上构造层地温梯度2.95℃/100m计算,烃源岩地层温度达到340℃,依照地温与RO值的关系,烃源岩底部RO值为4.5%,远高于本文热演化史模拟的最大值(3.4%)和已发现天然气的成熟度(1.90%~2.25%)。对于拜城凹陷侏罗系烃源岩的热演化程度,前人没有考虑膏盐岩的热传导效应,以地温梯度2℃/100m,运用Easy—RO模拟计算,RO值高达2.09%;而考虑了膏盐岩的热传导效应,按照地温梯度1.6℃/100m(表1),运用Petromodel模拟计算,拜城凹陷侏罗系烃源岩RO值为1.0%~1.4%,此与南部斜坡—隆起带上已发现油气的成