徐二社，李志明， 楊振恒

(1.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

彭水地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖熱演化史及生烴史研究
——以PY1井為例

徐二社1,2，李志明1,2， 楊振恒1,2

(1.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

利用盆地模擬軟件BasinMod 1-D，選用古地溫梯度法，采用鏡質(zhì)體反射率正演法厘定彭水地區(qū)各時(shí)期構(gòu)造剝蝕量及古地溫梯度。結(jié)果表明，該區(qū)自晚古生代以來古熱流經(jīng)歷了低—高—低的變化過程，其古地溫梯度具有相同特征；志留紀(jì)—中二疊世古地溫梯度平均值約為2.5～3.0 ℃/hm；晚二疊—早白堊世古地溫梯度平均值約為3.0～3.5 ℃/hm；早白堊世末期以來，古地溫梯度平均值介于2.0～2.5 ℃/hm；加里東期、印支期構(gòu)造抬升剝蝕量不足500 m，燕山、喜馬拉雅運(yùn)動構(gòu)造抬升剝蝕量可達(dá)4 300 m。成烴史研究表明，彭水地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖早泥盆世進(jìn)入生油門限，在晚二疊—晚三疊世進(jìn)入生油高峰，在早侏羅世進(jìn)入生氣期，中侏羅世進(jìn)入過成熟生干氣階段。后期燕山、喜馬拉雅運(yùn)動，致使地層抬升、剝蝕，研究區(qū)頁巖氣保存條件將成為下一步勘探的研究重點(diǎn)。

熱演化史；古地溫梯度；剝蝕量；生烴史；五峰—龍馬溪組；彭水地區(qū)；川東南

中國南方地區(qū)在漫長的沉積及構(gòu)造演化歷史中，經(jīng)歷多期和多向的邊緣深斷裂活動，具有多旋回的特點(diǎn)。沉積地層經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動，在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了揚(yáng)子、加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅6個(gè)主要構(gòu)造旋回。彭水地區(qū)及周緣整體上位于川東南，該地區(qū)構(gòu)造演化史整體受中國南方構(gòu)造運(yùn)動的控制，形成了川東南—湘鄂西“槽—檔”過渡區(qū)，其構(gòu)造形態(tài)以NE向復(fù)向斜和復(fù)背斜相間分布為主。區(qū)內(nèi)向斜構(gòu)造相對寬緩，在一定程度上有利于頁巖氣成藏。前人通過對研究區(qū)沉積、構(gòu)造演化及其頁巖地球化學(xué)特征的研究表明，研究區(qū)內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組為中上揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣勘探的主要方向和有利目標(biāo)區(qū)[1-5]。

近年來，中國石化在川東南構(gòu)造變形較弱的向斜內(nèi)開展頁巖氣勘探工作，目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組。PY1井是研究區(qū)內(nèi)武陵褶皺帶桑柘坪向斜上部署的第一口頁巖氣勘探參數(shù)井(圖1)，共揭示五峰—龍馬溪組厚度達(dá)103 m的優(yōu)質(zhì)頁巖，現(xiàn)場氣測全烴峰值達(dá)22.50%，現(xiàn)場解吸氣含量最高值達(dá)2.30 m3/t，壓裂測試最高日產(chǎn)氣達(dá)25 000 m3[3]。盡管如此，前人對本區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖的埋藏史及生烴史并未曾深入研究。本文在前人研究基礎(chǔ)上，梳理研究區(qū)各時(shí)期構(gòu)造演化史，采用構(gòu)造埋藏史結(jié)合鏡質(zhì)體反射率正演校驗(yàn)法，確定其各時(shí)期古地溫梯度及剝蝕量取值，選取典型井——PY1井，恢復(fù)其埋藏史；通過數(shù)值模擬其熱演化，明確其有機(jī)質(zhì)生烴史，以期為本區(qū)下一步頁巖氣勘探部署起到一定啟示作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

由區(qū)域構(gòu)造演化來看，晉寧運(yùn)動以后，研究區(qū)基底基本固結(jié)，并開始接受地層沉積，此后經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動的疊加和改造[2,6-11]。加里東運(yùn)動期，研究區(qū)受云南和東吳構(gòu)造運(yùn)動的影響，主要以沉積間斷和剝蝕為主，泥盆系和石炭系被剝蝕殆盡；印支運(yùn)動結(jié)束了區(qū)內(nèi)持續(xù)海相沉積的歷史，取而代之的是陸相沉積盆地的發(fā)育時(shí)期，區(qū)域整體抬升，遭受風(fēng)化剝蝕，形成了中、上三疊統(tǒng)之間的區(qū)域性不整合；燕山運(yùn)動基本奠定了區(qū)內(nèi)的主體構(gòu)造格架，晚三疊世—早白堊世，以陸相碎屑巖沉積為主，沉積厚度大，沉積穩(wěn)定。晚白堊世以來的喜馬拉雅運(yùn)動，才出現(xiàn)較大幅度的抬升、剝蝕作用?？焖俾∩饕l(fā)生在晚白堊世和新近紀(jì)，古近紀(jì)以緩慢隆升剝蝕為主。區(qū)內(nèi)地層層系發(fā)育較全，基底為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，上覆地層除局部缺失泥盆系，全區(qū)缺失石炭系、白堊系、第三系外，從震旦系至侏羅系其他沉積地層總厚度近萬米。區(qū)內(nèi)頁巖主要發(fā)育在下寒武統(tǒng)水井沱組和下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組中。PY1井自上而下依次鉆遇第四系、下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)，上二疊統(tǒng)長興組(P2c)、吳家坪組(P2w)，下二疊統(tǒng)茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、梁山組(P1l)，中上志留統(tǒng)韓家店組(S2h)、下志留統(tǒng)小河壩組(S1x)、龍馬溪組(S1l)，上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)、臨湘組(O3l)，中奧陶統(tǒng)寶塔組(O2b)。受加里東、印支及燕山、喜馬拉雅運(yùn)動影響，下二疊統(tǒng)梁山組與中上志留統(tǒng)韓家店組、第四系與三疊系大冶組呈不整合接觸(表1)。

圖1 川東南PY1井構(gòu)造位置

2 剝蝕量及古地溫梯度的取值

彭水地區(qū)及周緣具有“燕山運(yùn)動抬升暴露型”的構(gòu)造—埋藏特征，在漫長的構(gòu)造演化中，基本處在構(gòu)造沉積深埋的背景之下，僅在燕山期之后才出現(xiàn)較大幅度的抬升剝蝕作用[10]。前人對其加里東期、印支期、燕山期及喜馬拉雅期構(gòu)造剝蝕量的研究較多(表2)。其中徐國盛等[9]、孫瑋等[12]采用磷灰石裂變徑跡法恢復(fù)得到丁山1井晚白堊世以來燕山運(yùn)動、喜馬拉雅運(yùn)動間剝蝕量在3 500 m以上。王東等[13]通過對丁山構(gòu)造北西翼上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組砂巖中磷灰石裂變徑跡T-t熱史模擬，得到川東南地區(qū)燕山期以來的累計(jì)剝蝕厚度可達(dá)2 580 m左右。盧慶治等[14]根據(jù)研究區(qū)鄰近的建28、茶園1等10口井的鏡質(zhì)體反射率值，應(yīng)用古熱流值法反演擬合，結(jié)合埋藏史恢復(fù)，得出中生界與上覆新生界之間的不整合的剝蝕厚度為1 700～4 000 m；其他各不整合面剝蝕厚度均在300 m左右。袁玉松等[15]利用“沉積速率比值+古熱流反演+古地質(zhì)圖”法對四川盆地及其周緣加里東期的剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)，得到該區(qū)加里東期剝蝕量小于100 m。袁玉松等[16]基于鄂西渝東地區(qū)古溫標(biāo)鏡質(zhì)體反射率Ro剖面特征，采用古地溫梯度反演法對鄂西渝東地區(qū)鉆井剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)，表明晚燕山—喜馬拉雅期剝蝕量總體上由東往西逐漸變小，其中彭水地區(qū)的剝蝕量大于4 000 m。

前人對研究區(qū)及鄰區(qū)熱演化史研究表明，盡管各地古大地?zé)崃骷捌渥兓忻黠@的差異(大地?zé)崃鞣逯?、大地?zé)崃髦档纳邓俾屎痛蟮責(zé)崃鞲咧党掷m(xù)的時(shí)間不同)，但基本上都有一個(gè)共同的變化趨勢，自晚古生代以來，經(jīng)歷了低—高—低的變化過程。盧慶治等[14]對鄂西—渝東地區(qū)的熱史恢復(fù)結(jié)果表明，研究區(qū)及其周緣在晚二疊世初期達(dá)到最高古熱流(可達(dá)到68～78 mW/m2)，從志留紀(jì)到晚二疊世初持續(xù)增大，而從晚二疊世初到現(xiàn)今古熱流持續(xù)降低。姜本鴻等[17]總結(jié)出研究區(qū)現(xiàn)今地溫梯度為1.93～2.82 ℃/hm。劉進(jìn)[18]研究認(rèn)為鄰區(qū)(鄂西—渝東)的現(xiàn)今地溫梯度在1.8～2.2 ℃/hm之間，大地?zé)崃髦到橛?2～46 mW/m2之間。王瑋等[19]根據(jù)27口井的鏡質(zhì)體反射率剖面研究認(rèn)為，四川盆地早白堊世末—古新世時(shí)的古地溫梯度介于2.0～2.5 ℃/hm，并總體呈南部略大于北部、東部大于西部的分布特征。

表1 川東南 PY1井鉆遇地層

表2 川東南彭水地區(qū)各時(shí)期構(gòu)造剝蝕量已有研究成果

由于前人對研究區(qū)及周緣各時(shí)期的構(gòu)造剝蝕量及古地溫梯度的研究，所涉及的地區(qū)范圍遠(yuǎn)超于彭水地區(qū)，且其取值范圍較大，而對于研究區(qū)較小的范圍，尤其是典型井PY1井，構(gòu)造剝蝕量及古地溫梯度的取值，參考前人的研究成果，并結(jié)合埋藏史和鏡質(zhì)體反射率正演校驗(yàn)法來確定。

利用盆地模擬軟件BasinMod 1-D，選用古地溫梯度法，古地表溫度取平均溫度24 ℃；有機(jī)質(zhì)熱演化動力學(xué)模型采用Sweeney和Burnham提出的EASY%Ro[20]，在前人研究的取值范圍內(nèi)，以實(shí)測瀝青反射率等效值(等效鏡質(zhì)體反射率值)[21]為基準(zhǔn)，并輔以現(xiàn)今井底實(shí)測溫度校驗(yàn)。耦合各時(shí)期的剝蝕量與古地溫梯度，恢復(fù)其埋藏史，且使得熱成熟度—鏡質(zhì)體反射率模擬值與實(shí)測值一致，井底溫度模擬值與實(shí)測值相符(圖2，3)。

經(jīng)過耦合—模擬可知，研究區(qū)志留紀(jì)—中二疊世古地溫梯度平均值約為2.5～3.0 ℃/hm；晚二疊世—早白堊世古地溫梯度平均值約為3.0～3.5 ℃/hm；早白堊世末期以來，古地溫梯度平均值介于2.0～2.5 ℃/hm(圖4)。各時(shí)期的構(gòu)造剝蝕量見表3，取值結(jié)果均介于前人研究的取值范圍，且古地溫梯度演化趨勢與前人的研究一致。同時(shí)由圖3可以看出鏡質(zhì)體反射率模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果具有很好的一致性?，F(xiàn)今龍馬溪組地層井底溫度模擬值在75 ℃左右，與其水平壓裂井PYHF-1井龍馬溪組地層實(shí)測井底溫度78 ℃相符，說明其古地溫梯度及構(gòu)造剝蝕量取值合理。

圖2 剝蝕量及古地溫梯度厘定流程 據(jù)胡圣標(biāo)等[22]修改。He為各時(shí)期地層剝蝕厚度;G為各時(shí)期古地溫梯度

3 頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化及其生烴史

基于以上古地溫梯度及剝蝕量的厘定過程，PY1井五峰—龍馬溪組頁巖的埋藏史及其有機(jī)質(zhì)熱演化史得以重建(圖3，5)。其生烴史為有機(jī)質(zhì)熱演化史在油氣生成階段上的反映，頁巖不同的油氣生成階段對應(yīng)于所處不同的熱演化階段。地層連續(xù)增溫時(shí)，頁巖熱演化程度不斷增高，當(dāng)遭受抬升剝蝕冷卻，地層溫度降低時(shí)，會導(dǎo)致烴源巖生烴過程的中止，因此，PY1井五峰—龍馬溪組頁巖的生烴史受控于其熱演化史。

圖4 川東南PY1井晚奧陶世以來古地溫梯度史

表3 川東南PY1井各構(gòu)造運(yùn)動時(shí)期剝蝕量

Table 3 Erosion thickness of well PY1 in southeastern Sichuan Basin during various tectonic movements

構(gòu)造運(yùn)動大概時(shí)期剝蝕量/m加里東S末200印支T2末350燕山—喜馬拉雅K1末至今4300

圖3 川東南PY1井埋藏史及有機(jī)質(zhì)熱演化史

圖5 川東南PY1井五峰—龍馬溪組頁巖熱演化史及生烴史

PY1井五峰—龍馬溪組頁巖底部在早泥盆世進(jìn)入生油門限，后因加里東運(yùn)動的抬升作用，埋深變淺，鏡質(zhì)體反射率保持在0.5%左右，直至二疊系地層開始沉積，頁巖埋深再次增加，早二疊世末期Ro值達(dá)到0.7%左右，五峰—龍馬溪組頁巖處于未熟、低熟階段。其后，晚二疊世持續(xù)沉積至早三疊世，沉積厚度有限，Ro值變化不大；中三疊世遭受印支運(yùn)動的抬升剝蝕較弱，影響不大；至晚三疊世時(shí)Ro值達(dá)到1.0%。晚二疊世—晚三疊世期間，五峰—龍馬溪組頁巖達(dá)到成熟階段，有機(jī)質(zhì)以大量生油為主。隨著侏羅紀(jì)地層的快速沉降，至早侏羅世晚期時(shí)Ro值達(dá)到1.3%，早侏羅世期間，五峰—龍馬溪組頁巖以生成凝析油、氣為主。至中侏羅世Ro值達(dá)到2.0%，五峰—龍馬溪組頁巖達(dá)到高成熟階段，以生濕氣為主；晚侏羅世之后，達(dá)到過成熟階段，有機(jī)質(zhì)以干酪根裂解生干氣為主，同時(shí)頁巖中殘留瀝青多裂解成氣。至早白堊世晚期，頁巖氣的生成達(dá)到高峰(圖3)。

4 結(jié)論與討論

(1)彭水地區(qū)自晚古生代以來古熱流經(jīng)歷了低—高—低的變化過程，其古地溫梯度具有相似特征，志留紀(jì)—中二疊世古地溫梯度平均值約為2.5～3.0 ℃/hm；晚二疊世—早白堊世古地溫梯度平均值約為3.0～3.5 ℃/hm；早白堊世末期以來，古地溫梯度平均值介于2.0～2.5 ℃/hm。

(2)彭水地區(qū)加里東期、印支期構(gòu)造抬升剝蝕量不足500 m，燕山、喜馬拉雅運(yùn)動構(gòu)造抬升剝蝕量可達(dá)4 300 m。

(3)彭水地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖早泥盆世進(jìn)入生油門限，在晚二疊世—晚三疊世進(jìn)入生油高峰，在早侏羅世進(jìn)入生氣期，中侏羅世進(jìn)入過成熟生干氣階段。

(4)PY1井五峰—龍馬溪組頁巖氣烴源供給充足且多元化，不僅有干酪根生氣，更有瀝青裂解成氣，早白堊世晚期達(dá)到高峰，早于晚白堊世以來的燕山—喜馬拉雅運(yùn)動大幅抬升破壞。因此，彭水地區(qū)頁巖氣雖具有一定產(chǎn)能，但受致使“槽—檔”形成的構(gòu)造作用影響較大。對于該區(qū)頁巖氣的勘探而言，后期的構(gòu)造破壞作用對其保存條件的影響就變得至關(guān)重要，也將成為下一步研究的重點(diǎn)。

致謝：本文在研究過程中得到了中國石化華東分公司領(lǐng)導(dǎo)、專家及非常規(guī)項(xiàng)目部的大力支持，在此致以誠摯的感謝。

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(編輯 黃 娟)

Thermal and hydrocarbon generation history of Wufeng and Longmaxi shales in Pengshui area, eastern Sichuan Basin:A well PY1 case study

Xu Ershe1,2, Li Zhiming1,2, Yang Zhenheng1,2

(1.KeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China;2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

The erosion thickness and paleogeothermal gradient of the Pengshui area in the eastern Sichuan Basin during various tectonic movements were established by means of vitrinite reflectance forward modeling and basin modeling software (BasinMod 1-D). Since the Late Paleozoic, the paleo heat flow and paleogeothermal gradient in the study area first increased and then decreased. The average paleogeothermal gradients from Silurian to the Middle Permian, from the Middle Permian to the Early Cretaceous, and from the end of the Early Cretaceous until now were 25-30 °C/km, 30-35 °C/km, and 20-25 °C/km, respectively. In the Caledonian and Indosinian periods, the erosion thickness of the study area was less than 500 m; while in the Yanshanian and Himalayan periods, it reached 4 300 m. The Wufeng and Longmaxi shales entered the threshold of oil generation in the Early Devonian, and reached peak generation from the Late Permian to the Late Triassic. Gas generation started in the Early Jurassic, and over-mature dry gas was generated in the Middle Jurassic. In the following Yanshan and Himalayan movements, the study area was uplifted and eroded, which raised challenges for the preservation of shale gas.

thermal evolution history; paleogeothermal gradient; erosion thickness; hydrocarbon generation history; Wufeng and Longmaxi formations; Pengshui area; southeastern Sichuan

1001-6112(2015)04-0494-06

10.11781/sysydz201504494

2014-11-20；

2015-05-28。

徐二社(1981—)，男，碩士，工程師，從事非常規(guī)油氣地質(zhì)研究。E-mail:xues.syky@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司科技項(xiàng)目"烴源巖油氣形成新機(jī)制與評價(jià)體系研究"(P14040)資助。

TE122.1

A