西湖凹陷中央反转构造带花港组致密砂岩储层埋藏史-热史

曹　冰

(中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200335)



西湖凹陷中央反转构造带花港组致密砂岩储层埋藏史-热史

曹冰

(中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海 200335)

探讨东海西湖凹陷中央反转构造带致密砂岩储层中相对优质储层的发育机理，为致密砂岩气的勘探开发提供依据。以实钻井裂变径迹年龄(AFT)实验数据为依据，锆石裂变径迹(ZFT)实验数据作为约束，利用Easy%Ro化学动力学模型，建立古近系花港组埋藏史-热史。结果表明:中央反转构造带的埋藏史-热史演化具有南北分带的特点。埋藏史北部和中部较为相近，中北部花港组自距今约34 Ma开始沉积，经历距今约14～10 Ma的抬升，玉泉组剥蚀厚度约为1.2 km；南部花港组从距今33.9 Ma开始沉积，经历了5 Ma(距今15～10 Ma)抬升，上覆的玉泉组被剥蚀近0.7 km。花港组地层温度由北向南呈逐渐降低的趋势，由北向南3个区带的烃源岩地层有机质开始成熟的时间分别为距今20 Ma、18 Ma和15 Ma。中央反转构造带北部曾经历更大的埋深和更高的地温梯度，相同埋深条件下北部储层比南部差。

西湖凹陷；花港组；致密砂岩储层；埋藏史-热史

西湖凹陷位于东海盆地东部，为东部拗陷带的一个次级凹陷，面积约52 000 km2。西湖凹陷中央反转构造带古近系花港组致密砂岩储层经勘探实践证明具有丰富的天然气资源，埋深为3.5～5 km，孔隙度为6%～12%，渗透率为(0.1～10)×10-3μm2，大部分渗透率为(0.1～1)×10-3μm2，属于低孔低渗-特低渗储层。砂岩层致密化过程中经历了复杂的成岩作用，受物源、岩性、构造演化、沉积埋藏速率、成岩环境演变等影响[1]，多套连续分布的大型储集体非均质性强。对于致密砂岩的定义和分类观点很多，不同学者针对不同研究区域采用不同的物性参数[2-5]，中海油上海分公司根据生产实践，将其划分为4个储层级别，渗透率为主要参数，其他参数作为辅助。Ⅰ类储层渗透率>10×10-3μm2、Ⅱ类储层渗透率为(10～1)×10-3μm2，Ⅲ类储层渗透率为(1～0.1)×10-3μm2，Ⅳ类储层渗透率<0.1×10-3μm2，其中Ⅰ类、Ⅱ类储层往往有自然产能。在埋深3.5～5 km的地层中，Ⅲ类和Ⅳ类储层占比超过70%。作者在前期研究中发现，西湖凹陷花港组虽然储层致密， Ⅲ类和Ⅳ类储层中也发育物性相对较好的Ⅰ类和Ⅱ类储层，称为致密砂岩储层中的相对优质储层，也称为“甜点”。形成“甜点”的控制因素很多，这些因素严格受构造带埋藏史和热史的控制[6,7]，经历了不同的埋藏史和热史的储层其储集性能明显不同；因此对中央反转构造带的埋藏史和热史的准确恢复可进一步深化致密砂岩储层“甜点”的发育机理研究，有助于下一步勘探目标的确定，对深层致密砂岩油气藏的勘探具有重要的借鉴意义。

有学者对西湖凹陷的油气地质做过大量研究并取得丰富的成果，但构造沉降历史及演化过程分析较薄弱且较为粗略，多限于西湖凹陷整体的埋藏史-热史研究[8-11]，没有体现出西湖凹陷中不同区带埋藏史-热史的差异性。何将启在西湖凹陷盆地结构、层序特征分析及剥蚀量模拟计算的基础上分析了埋藏史-热史，认为从渐新世开始，盆地沉积中心随着凹陷东部的隆升向西北方向转移，其中渐新统、中新统的沉积厚度随之发生变化；他在建立了热史模型后指出西湖凹陷在断陷和拗陷期的古地温有明显差异，热演化过程受到断陷和拗陷两种不同构造体系控制[12]。陶士振等在研究西湖凹陷成藏时对西湖凹陷热史分析，认为平湖组和花港组下部烃源岩已成熟，花港组上部烃源岩成熟度较低[13]。成熟烃源岩分布于整个西湖凹陷，烃源充足。

1　区域地质概况

按照构造区划，西湖凹陷由西往东可分成西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹和东部陡坡带(图1-A)。本文按南北方向将中央反转构造带划分为北部、中部和南部(图1-B)，且具有“东西分带，南北分块”之构造特征[14,15]。西湖凹陷的地层特征见表1和图1-B。本文将重点针对中央反转构造带南北各区带的埋藏史-热史的差异性进行对比研究，具体分区见图1。

2　裂变径迹退火效应

2.1磷灰石裂变径迹反演热历史方法

磷灰石裂变径迹分析的原理是当1个238U原子发生裂变时，分裂成2个电荷碎片，其质量相当且运动方向相反。它们在通过晶体的晶格过程中会留下一条直线损伤带，称为裂变径迹[16]。依据放射性元素衰变规律可以推得裂变径迹年龄，利用外探测器法[17]能得到可靠的年龄数据(图2)。

磷灰石裂变径迹分析用于热史模拟主要是利用其长度分布模式与地温历史的对应关系(图3)[18]。模式a代表的热史是从110℃以上急降至60℃以下，比如喷出岩的快速冷却。磷灰石裂变 径迹的长度分布反映了这一简单温度变化史：长度集中于原始长度附近(14～15 μm)，长度偏差较小(<1.0 μm)。模式b代表热史匀速变化，温度下降平缓，径迹长度分布是不对称的单峰型，左侧缓右侧陡。模式c代表的热史是样品温度从110℃以上降至100℃以下，长时间保持在90～100℃区间范围内，然后快速冷却至60℃以下，径迹长度分布呈双峰结构(图3-c)。

表1　东海西湖凹陷新生界地层特征Table 1　Characteristics of Cenozoic strata of Xihu sag

磷灰石裂变径迹在恢复热史时存在一定的误差，本文还采用锆石裂变径迹(ZFT)作为西湖凹陷埋藏史-热演化史模拟结果的一种约束和矫正。具体实验方法借鉴焦若鸿的文献[19]。

2.2西湖凹陷裂变径迹的退火效应

本次研究对西湖凹陷各构造位置的29个样品的磷灰石(表2)及10个样品的锆石裂变径迹(表3)进行了分析，获得了径迹年龄、径迹长度及径迹分布。随着埋藏深度增加，地层温度是增加的，磷灰石将会出现不同程度的退火效应，主要体现在径迹年龄和径迹长度及分布的变化上。

中央反转构造带样品的年龄分布和西次凹较为相似，但也存在一定的差别。在2.5 km深度界面以上，中央反转带几个样品的径迹年龄要老于西次凹；但此深度界面以上的变化趋势基本相同。2.5 km深度之下，相同深度样品的径迹年龄要比西次凹的较为年轻，但都小于地层的实际年龄。综合考虑中央反转带样品径迹年龄和深度的变化趋势可以发现，在2.5 km的深度界面附近，径迹的年龄存在一个“突变带”，其附近的年龄变化明显不同于西次凹和西斜坡构造带。即使同是中央反转带的样品，也有一定的区别。中央反转带北部和中部的样品，如M-2井、M-1井、N-1井等相同深度的样品比中央反转带南部样品(S-2井、S-1井、M-3井、M-4井等)的径迹年龄要年轻得多，表明其退火程度或退火率更为明显，可能暗示地质时期的埋深更大或者经历的构造活动更为强烈，或者其晚期构造运动在关键地质界面处有着较大的剥蚀量。

所分析的10个样品的锆石裂变径迹的池年龄多在149～100 Ma。裂变径迹的池年龄和深度变化关系表明，随深度增加，锆石的年龄有减小的趋势，表明锆石的裂变径迹也表现出一定程度的退火特征；但并没有像磷灰石样品那样表现出近乎完全退火的特征，也可能保留了部分物源区的信息。锆石裂变径迹的退火行为、特征及动力学仍处于探索阶段，在此不用其进行温度-时间轨迹的反演，仅将其作为磷灰石裂变径迹反演的约束条件。

表2　西湖凹陷磷灰石裂变径迹样品分析结果Table 2　Analysis of apatite fission track samples in Xihu sag

图1　西湖凹陷地质概况图Fig.1　Simplified geological map of Xihu sag(A)西湖凹陷构造分区图; (B)中央反转构造带剖面图

图2　外探测器法裂变径迹年龄测量的操作步骤Fig.2　Operation of fission track age measurement by external detector method (据文献[17])

3　热史及剥蚀量估算

主要地质界面的剥蚀量估算是应用Ketcham提出的方法和模型[20]，根据样品测试数据，对西湖凹陷不同实钻井进行热史模拟(图4)。图4为模拟的裂变径迹的温度-时间轨迹图，图中右边部分的直方图为实测裂变径迹长度分布特征，左边部分的带点曲线表示最优热史模拟趋势线，粉色区域和绿色区域代表温度-时间带的可信度，粉色区域可信度最高，绿色区域次之，表3为根据图4中样品所经历的温度的变化估算的地史时期的剥蚀量，分别以低温梯度0.3℃/km和0.4℃/km进行计算。从剥蚀量计算数据中可以看出，中央反转构造带在约距今12～10 Ma开始抬升，此时玉泉组受到剥蚀，北部和中部剥蚀量较为接近，约1～1.4 km，南部剥蚀量最小，约0.7～1 km。

图3　3种典型的地温史假设下的磷灰石裂变径迹长度分布特征Fig.3　Distribution characteristics of apatite fission track length under the assumption of three typical geothermal histories(据文献[18])下图的3行数值分别为裂变径迹表观年龄、平均径迹长度及标准差

4　花港组储层埋藏史-热演化史模拟

通过以上磷灰石样品裂变径迹样品测试，得到的埋藏史-热史模拟较为可靠。对西湖凹陷中央反转构造带选取典型实钻井进行埋藏史、生烃史和热史恢复(据Easy%Ro化学动力学模型[21])，结果如下。

4.1中央反转构造北部

N-1井位于中央反转构造带北部，花港组主要埋藏史-热演化史及生烃史如图5所示。花下段沉积时间从距今35.4 Ma开始，花上段在距今28.2 Ma开始沉积至距今23.03 Ma结束沉积进入埋藏阶段；至新近纪中期，距今14.8 Ma地层开始整体抬升，上覆的玉泉组被剥蚀近1.2 km；距今12.7 Ma再次持续埋藏至今。

花下段距今28 Ma开始温度达到75℃，距今约15 Ma时地层温度达到约130℃；之后地层抬升，温度降低，至距今13 Ma时温度降低至约 100℃；再后随着地层深埋温度再次升高，现今地层温度为120～125℃。

表3　西湖凹陷主要钻井的剥蚀量计算Table 3　Calculation of erosion from drilling wells of Xihu sag

花上段距今26 Ma开始温度达到75℃，距今约15 Ma时地层温度达到约120℃；之后地层抬升，温度降低，至距今13 Ma时温度降低至约70℃；再后随着地层深埋温度再次升高现今地层温度为95～120℃。

花下段的煤系烃源岩地层，在距今约20 Ma开始成熟(Ro=0.5%)，距今15 Ma大量生烃时的Ro值达0.75%。

4.2中央反转构造中部

M-2井位于中央反转构造带中部的玉泉构 造，花港组埋藏史、热演化史及生烃史如图6所示。玉泉构造的花港组为古近纪晚期沉积的渐新统，分上下段，花下段沉积时间从距今33.9 Ma开始，花上段距今28.4 Ma开始沉积至距今23.03 Ma结束沉积进入埋藏阶段；至新近纪中期，距今14 Ma地层开始整体抬升，上覆的玉泉组被剥蚀近1.2 km；距今10.5 Ma再次持续埋藏至今。

图4　西湖凹陷中央反转构造带各区域主要构造钻井的磷灰石裂变径迹温度-时间轨迹图Fig.4　t-T path chart of apatite fission track in different regions from the central reversal tectonic belt, Xihu sag

图5　N-1井埋藏史-热演化史分析图Fig.5　Diagram showing burial history and thermal evolution analysis from Well N-1(A)埋藏史-热演化史图; (B)地层温度实测值标定; (C)埋藏史-生烃史图; (D)实测Ro值标定

图6　M-2井埋藏史-热演化史分析图Fig.6　Diagram showing of burial history and thermal evolution analysis from Well M-2(A)埋藏史-热演化史图; (B)地层温度实测值标定; (C)埋藏史-生烃史图; (D)实测Ro值标定

图7　S-2井埋藏史-热演化史分析图Fig.7　Diagram showing of burial history and thermal evolution analysis from Well S-2(A)埋藏史-热演化史图; (B)地层温度实测值标定; (C)埋藏史-生烃史图; (D)实测Ro值标定

花下段距今22 Ma开始温度达到75℃，距今约14 Ma时温度达到120℃，距今约13 Ma时地层温度达到最大(约130℃)；之后地层抬升，温度逐渐降低，至距今约10 Ma地层温度<75℃；再后随着地层深埋温度再次增加，现今地层温度为120～130℃。

花上段距今18 Ma开始温度达到75℃，距今约13 Ma时地层温度达到最大，约为115℃；之后地层抬升，温度逐渐降低，至距今约10 Ma地层温度<60℃；再后随着地层深埋温度再次升高，现今地层温度为100～115℃。

花下段的煤系烃源岩地层，在距今约18 Ma开始成熟(Ro=0.5%)，距今约13 Ma时开始大量生烃(Ro=0.75%)。

4.3中央反转构造南部

S-2井位于中央反转构造带南部，花港组主要埋藏史-热演化史及生烃史(图7)如下。

花下段沉积时间从距今33.9 Ma开始，花上段距今28.4 Ma开始沉积至距今23.03 Ma结束沉积进入埋藏阶段；至新近纪中期，距今15 Ma地层开始整体抬升，上覆的玉泉组被剥蚀近700 m；距今10 Ma再次持续埋藏至今。

花下段距今15 Ma开始温度达到75℃，距今约10 Ma时地层温度达到约100℃；之后地层抬升，温度略有降低；再后随着地层深埋温度再次增加，现今地层温度为110～125℃。

花上段距今约18 Ma时地层温度达到75℃，之后地层抬升，温度略有降低，约降低10℃；再后随着地层深埋温度再次增加，现今地层温度为100～115℃。

花下段的煤系烃源岩地层，在距今约15 Ma开始成熟(Ro=0.5%)，至今未达到大量生烃的成熟阶段。

据以上分析可以看出，中央反转构造带中北部比南部地层温度相对较高，且有机质成熟较高，中北部比南部较早进入生烃门限。花港组埋藏史-热史的南北差异必然造成地层流体化学性质的不同[22-24]，从而导致储层成岩环境和成岩演化的差别。埋藏史-热史对致密砂岩储层的致密化过程和油气充注过程有着直接的影响，从而影响优质储层的发育和展布。因此，本文花港组致密砂岩埋藏史-热史研究的新成果，可为该区花港组致密砂岩储层发育机制和优质储层评价预测奠定基础。

5　结 论

a.中央反转构造带花港组埋藏史和热史的演化特征具有南北分带的特点。北部和中部埋藏史较为接近，中北部花港组自距今约34 Ma开始沉积，在距今14～10 Ma地层抬升，玉泉组遭受剥蚀，剥蚀厚度约1.2 km；南部花港组从距今33.9 Ma开始沉积，距今15 Ma地层开始整体抬升，上覆的玉泉组被剥蚀近700 m，距今10 Ma再次持续埋藏至今：暗示中央反转带中北部比南部的埋深更大，或者地质时期经历了更为强烈的构造活动。

b.中央反转构造带花港组地层温度由北向南呈降低的趋势，3个区带的烃源岩有机质开始成熟的时间分别为距今20 Ma、18 Ma和15 Ma。中央反转带中北部比南部地层温度相对较高，且有机质成熟较高，中北部比南部较早进入生烃门限。花港组埋藏史-热史的南北差异必然造成地层流体化学性质的不同，从而导致致密砂岩储层成岩环境和成岩演化的差别，并影响优质储层的发育和展布。埋藏史-热史研究表明，相同埋深条件下，中央反转构造带北部储层比南部差。

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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”国家科技重大专项(2016ZX05027-002)。

曹冰(1967-),男,高级工程师,主要从事石油地质勘探研究工作, E-mail:caobing @cnooc.com.cn。

TE122.21

A