膏盐岩对地层温度及烃源岩热演化的影响定量分析——以塔里木库车前陆盆地为例 吴海;赵孟军;卓勤功;鲁雪松;桂丽黎;李伟强;徐祖新
【摘 要】库车前陆盆地发育两套巨厚的膏盐岩,依据盆地东西向的二维地震剖面和边界条件,运用瞬态热流法进行模拟,定量分析膏盐岩厚度变化对地温及烃源岩热演化的影响.模拟结果表明:①当盐体总厚度一定时,盐体层数的变化不会对地温场造成影响;②地温随膏盐岩厚度的变化为:西部盐上地温增加0.3～0.6℃／/00 m,盐下地温减小0.6～1.0℃／/00 m;东部盐上地温增加1.9～2.3℃／/00 m,盐下地温减小0.2～2.6℃／/00 rn;③镜质体反射率Ro随膏盐岩厚度的变化为:西部平均滞后约0.02％/100m,东部平均滞后约0.05％/100 m.膏盐岩本身的热导率与温度呈负相关关系,东部盐体埋藏较浅,地温相对较低,其总体热导率较高,导致地温和Ro值变化率比西部高.相对于泥岩,膏盐岩使下伏烃源岩热演化滞后,导致库车东部迪那2凝析气田油气充注时间滞后7.5～9.0 Ma,使得其排烃充注时期与圈闭形成时期相匹配,有利于该地区的晚期成藏. 【期刊名称】《石油勘探与开发》
【年(卷),期】2016(043)004
鄂尔多斯现象
【总页数】9页(P550-558)
【关键词】膏盐岩;热导率;地层温度;烃源岩;热演化程度;盆地模拟;库车前陆盆地;塔里木盆地
【作 者】吴海;赵孟军;卓勤功;鲁雪松;桂丽黎;李伟强;徐祖新
【作者单位】中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室;中国石油勘探开发研究院;中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室;中国石油勘探开发研究院;中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室;中国石油勘探开发研究院;中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室;中国石油勘探开发研究院;中国石油天然气集团公司盆地构造与油气成藏重点实验室;中国石油勘探开发研究院;长江大学地球科学学院;中国石油勘探开发研究院
【正文语种】中 文
【中图分类】TE122.2
目前对沉积盆地中膏盐岩的研究主要集中在其所形成的各种圈闭及其作为盖层等特性上，膏盐岩的强烈塑性流动极大地影响了油气的运移、聚集，从而在盐上、盐间、盐下及盐体侧翼形成了多个有利油气探区[1-3]。沉积盆地中膏盐岩的出现经常会引起地温场的异常，这种现象最早在20世纪30年代被发现[4]，这种异常不仅发生在盐上地层，而且也发生在盐下地层中，其影响范围可达膏盐岩盐丘直径的2～3倍[5-6]。这种地温场的异常主要是由于膏盐岩的超高热导率及盐体的流动形成形态各异的盐构造造成的[7]。实验室测得室温条件下盐岩的热导率比其他大部分沉积岩（如泥岩、砂岩等）的热导率高2～4倍[8-9]，孔隙内杂基和流体可使其热导率比其他常见沉积岩高10～30倍[10-11]。
相对于非含盐地层的地温，膏盐岩的高热导率导致盐上地温偏高、盐下偏低、盐间为温度变化的过渡带，且不同形状盐体对地温的影响程度差别很大[8]。由于盐体在埋藏过程中流动性很大，前人依据盐体变形后的形状建立了圆柱状盐体模型、单峰盐体底辟模型、双峰盐体底辟模型、盐蘑菇底辟模型以及盐席底辟模型，并在稳态热流环境下探讨其对地温的影响[8]，发现盐体的埋深、规模和形状的变化会使其对地温的影响程度发生改变。地温场的异常会使盐上烃源岩热演化提前、盐下烃源岩热演化滞后，进而扩大生烃窗的范围；另外，石英成岩胶结从80 ℃开始并且随温度的上升呈指数增强[12-15]，因此膏盐岩的存在可
使盐下成岩胶结相对减弱，从而有利于孔隙的保存。
前人对于膏盐岩引起地温异常的研究主要是建立简单的理论盐体模型[8]或者直接通过实钻井温进行分析[16]，难以反映真实地质情况或受到膏盐岩层埋深的限制只能做定性分析。本文在前人研究的基础上，结合库车前陆盆地二维地震剖面，运用瞬态热流法进行模拟，定量分析膏盐岩厚度变化对地温及烃源岩热演化的影响，并进一步探讨其在油气成藏中的重要性。
现今的库车前陆盆地是晚二叠世到第四纪发展而成的，属于再生前陆盆地[17-18]或挤压继承性前陆盆地[19-20]。盆地东、西部分别发育一套巨厚膏盐岩层，西部主要位于古近系库姆格列木（E1—2km），厚度100～3 000 m，部分地区大于3 000 m，厚度最大地区分布在大宛1井—吐北4井—克深2井一线；东部主要位于新近系吉迪克组（N1j），厚度最大地区分布在东秋8井—东秋5井—迪那203井一带，东秋8井膏盐岩厚度超过2 700 m（见图1）。烃源岩主要为位于这两套盐体下部的三叠系湖相泥岩和侏罗系炭质泥岩[21]，但由于其埋藏较深，很少有井能直接钻遇，给直接研究烃源岩的热演化带来了困难。安倍访美
2.1 盐体模型的简化
在咸化湖盆的盐度由淡水向咸水再向淡水转化的过程中，其沉积物垂向分布会出现一个有规律的沉积序列，由底到顶分别为砂泥岩—白云岩—含膏泥岩—膏盐岩—盐岩—膏盐岩—含膏泥岩—白云岩—砂泥岩，有时在白云岩沉积之前还会出现薄层的灰岩沉积[22]。由于库车咸化湖盆时期具有多个这样的沉积序列，因此在以膏盐岩为主的岩性体中夹杂有部分泥岩等碎屑岩沉积，岩心观察时也明显可见该现象。而多层薄层泥岩的发育给地质模型的建立及刻画带来困难，因此在进行热模拟之前，先要分析当膏盐岩厚度一定时，其层数的变化是否会对地温场造成影响。
分别控制膏盐岩和泥岩的总厚度不变，通过改变膏盐岩及泥岩的层数来建立地质模型。以库车东部迪那201井地层为例，其膏盐岩及泥岩总厚度约1 685 m，控制岩性厚度变化，分别建立起双层盐体模型（685 m泥岩×1层+500 m膏盐岩×2层）、3层盐体模型（300 m泥岩×1层+385 m泥岩×1层+400 m膏盐岩×1层+300 m膏盐岩×2层）和4层盐体模型（200 m泥岩×2层+285 m泥岩×1层+250 m膏盐岩×4层）（见图2）。对建立的模型用同一边界条件进行模拟，通过对模拟后不同深度地温数据进行统计得知：不论是盐上还是盐下，同一深度的地温几乎相同，误差在1 ℃范围内。因此可认为当膏盐岩总厚度一定时，其层数变化不会对地温造成影响，多层盐体可简化为单层盐体且不会对热模拟结果造成影响。
2.2 模型建立及参数选取
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前人主要根据单井数据对库车前陆盆地的热演化史、埋藏史进行研究[23-24]，但单井数据难以考虑边界条件的变化，在区域上很难进行有效对比，而二维地震大剖面是基于精确的地震解释所建立的地层格架，能够更加准确地反映区域上的岩性、地层及构造情况。根据库车前陆盆地东、西部盐体分布的特点，选取东西向剖面进行对比研究，并运用平衡地质剖面技术对地质历史时期的剖面进行恢复。由于膏盐岩的强烈流动性，膏盐岩各历史时期的厚度恢复较为困难，主要难点有：膏盐岩的流动是在三维空间进行的，盐体的溶解及沉淀、重结晶等都会改变盐体在二维剖面的厚度；该区三维地震资料品质较差以及目前没有古盐体构造恢复的有效手段，使得精确恢复膏盐岩的历史厚度比较困难，目前还未到准确的方法[25-26]。由于泥岩厚度在地质历史演变过程中相对比较稳定[7]，而库车前陆盆地膏盐岩下伏或者上覆地层泥岩又比较发育，本文主要基于二维地震剖面的研究，通过控制泥岩层、膏盐岩层在二维剖面中的总面积不变，根据剖面中各个位置泥岩的历史厚度与膏盐岩厚度的比率，结合泥岩层与膏盐岩层二维面积比的关系，来恢复二维剖面中各个位置的古膏盐岩厚度。
数学模型的作用
对二甲苯库车前陆盆地属于低温冷盆，山前带和隆起区热流值较高，坳陷区热流值相对较低，平均大地热流值约为45 mW/m2[27]。基于前人[27-30]的大地热流值结果，选取经过克拉苏构造带及秋里塔格构造带东部的二维剖面，利用塔里木油田提供的迪那、东秋、大北地区实钻井的井温数据进行校正，得到的模拟结果与实际情况较为吻合（见图3）。自然界含盐盆地中膏盐岩由纯盐组成的很少，大多是由石膏、硬石膏、盐岩及膏泥岩组成的混合物[31]，因此在设置膏盐岩层的热导率时应考虑这种混合情况，一般纯盐岩的热导率在20 ℃下可达7 W/（m·K），300 ℃下仍然能够达到6.57 W/（m·K）[8]，PetroMod软件给出的盐岩在20 ℃下的热导率为5.69 W/（m·K），这种差异可能是盐岩的纯度差异造成的，而该软件给出的膏盐岩混合物在20 ℃的平均热导率为4.69 W/（m·K）。本文取膏盐岩在20 ℃的热导率为4.69 W/（m·K）。由于岩层对地温场的影响主要表现在岩石的热导率和生热率上，而沉积岩的生热率很小，其对地温场的影响不大，因此主要是岩石的热导率影响了库车前陆盆地的地温场。结合大地热流等边界条件对所选取的二维剖面建立地质模型并进行热模拟，得到地温的历史演化结果（见图4）及烃源岩的热演化结果（见图5）。
3.1 二维地质剖面模拟结果
依据库车东西向大剖面的热模拟结果（见图4、图5），选取部分虚拟井（见图6）来探讨盐上、盐下的地温分布及盐下烃源岩Ro值的变化。虚拟井的选取遵循两个原则：①提取盐下地层的地温时，必须使所有的虚拟井所钻遇盐体的下界面在同一深度，且必须使同一层位的温度测点也在同一深度界面，这样才能使盐体下界面到同一层位测点的距离相等，排除埋深对地温的影响，此处简称膏盐岩“底平取点”原则；同理，提取盐上地层的地温时，必须使所有的虚拟井所钻遇盐体的上界面在同一深度，且必须使同一层位的温度测点也在同一深度界面，在此简称膏盐岩“顶平取点”原则。提取同一层位的烃源岩Ro值也应遵循同样的原则。②多口虚拟井所钻遇的同一层位尽可能在同一深度具有多个点，这样有利于在同一层位同一深度选取地温点进行横向对比。由于定量化的要求会使可取到的有效数据点数量减少，这也是定量化评价膏盐岩对地层热影响机制的一个难点，因此合理选取地震剖面至关重要。
分别针对西部、东部膏盐岩盐体布设虚拟井，提取出地温及Ro值随深度的演化曲线（见图6），地温曲线显示在膏盐岩所在层位附近发生了一定程度的偏折，Ro曲线在不同膏盐岩厚度下的偏折程度不一样，但该曲线无法直接分析膏盐岩对地温及Ro值的具体影响程度，因此需要对这些数据进行分层位、分深度的对比分析。各层位的数据对比结果（见图7）显
示，不论是盆地西部还是东部，盐上地温与膏盐岩厚度呈正相关，盐下地温与膏盐岩厚度呈负相关。西部地温变化率为：膏盐岩厚度平均每增加100 m，盐上地温增加0.3～0.6 ℃，盐下地温减小0.6～1.0 ℃；东部地温变化率为：膏盐岩厚度平均每增加100 m，盐上地温增加1.9～2.3 ℃，盐下地温减小0.2～2.6 ℃。不同地质年代的地层由于埋深差别，变化率也会有所不同，东部地温变化率比西部稍微偏大。由于库车前陆盆地的烃源岩主要发育在盐下地层中，因此膏盐岩对其有“降温”作用，膏盐岩的厚度越大，其“降温”作用越强，烃源岩热演化滞后作用越强烈。由图7可知，随膏盐岩厚度增加，烃源岩的Ro值呈线性递减的趋势：膏盐岩每增加100 m，西部烃源岩Ro值平均降低0.02%，东部烃源岩Ro值平均降低0.05%，东部较西部偏大。造成东、西部热异常差异的原因主要有两点：①根据前人[8]研究，膏盐岩的热导率与温度呈负相关关系，因此浅埋藏的盐体其热导率相对更高，地温异常程度更大；②浅埋藏的非盐类碎屑岩沉积物由于孔隙度高，热导率更低。库车西部盐体主要位于古近系库姆格列木，东部盐体主要位于新近系的吉迪克组，后者埋藏相对较浅，因此其热传导能力更强，对地温及Ro值的影响程度更大。
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