鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界烃源岩热演化特征模拟研究

赵桂萍

(1.中国科学院 计算地球动力学重点实验室，北京　100049； 2.中国科学院大学 地球科学学院，北京　100049；)



鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界烃源岩热演化特征模拟研究

赵桂萍1,2

(1.中国科学院 计算地球动力学重点实验室，北京100049； 2.中国科学院大学 地球科学学院，北京100049；)

以表征烃源岩热演化程度的实测镜质组反射率(Ro)为标定值，以PetroMod盆地模拟软件为工具，在剥蚀厚度恢复、古大地热流值选取的基础上，利用鄂尔多斯盆地杭锦旗地区70余口探井的录井、测井资料确定了不同地层的岩性组成，建立了相应的单井地质模拟，对上古生界太原组和山西组山1段、山2段烃源岩的演化历史进行了模拟。结果表明，研究区西部、南部的新召、十里加汗、阿镇和浩饶召区带Ro值达到0.65%进入生烃门限的时间为晚三叠世中晚期，北部的公卡汗和什股壕区带Ro值达到0.65%进入生烃门限的时期为早侏罗世早期。平面上，烃源岩热演化程度总体表现为自西南向东北方向逐渐降低的趋势：西部、南部的新召区带、十里加汗区带南部现今Ro值最大为1.43%和1.46%，达到了过成熟演化阶段；北部、东部的什股壕、阿镇区带现今Ro值为0.85%～1.0%，处于生烃高峰期的早期阶段。

烃源岩；热演化；盆地模拟；上古生界；杭锦旗；鄂尔多斯盆地

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部，横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个构造单元，该区是鄂尔多斯盆地天然气勘探的重点区域之一。杭锦旗地区的烃源岩和天然气来源的认识尚不一致，早期认为杭锦旗地区烃源岩厚度较小、热演化程度较低，难以大量生气为本区提供气源，天然气主要来源于区带南部乌审旗生气中心[1-5]；随着勘探程度的深入和认识程度的深化，逐步认识到杭锦旗地区石炭系太原组、二叠系山西组的煤及碳质泥岩、暗色泥岩等，也能够作为有效烃源岩向本区供气[6-9]。薛会等[8]对杭锦旗地区石炭—二叠系10块样品进行镜质组反射率测定，Ro为0.8%～1.3%，认为烃源岩成熟度整体处于成熟—高成熟的演化阶段；纪文明等[9]认为，该区上古生界有机质成熟度分布范围在0.6%～1.3%之间，且表现出由南向北Ro值逐渐降低的特征。受钻井取心资料较少、烃源岩样品测试结果较少的限制，对烃源岩热演化程度及热演化历史的认识，还需要借助其他研究手段进行研究和评价。

本文以PetroMod盆地模拟软件为工具，对该区上古生界太原组和山西组山1段、山2段烃源岩的演化历史进行了模拟。

1　模拟参数选取与地质模型建立

盆地模拟需要的参数可分为定量和定性2种。定量参数主要有地质年代、沉积地层厚度、地层岩性组成等；定性参数主要是一些不能实测但可以通过地质思维定出参数类型及数值范围的参数，如地层的剥蚀厚度、古地温梯度、古大地热流值等。

1.1剥蚀厚度

剥蚀厚度是盆地模拟的重要参数之一。剥蚀厚度的大小对埋藏史、烃源岩热演化史有很大的影响。研究表明，晚古生代—新生代期间，包括杭锦旗在内的鄂尔多斯盆地共经历了晚三叠世末期、早侏罗世末期、晚侏罗世末期和晚白垩世4期抬升剥蚀作用，抬升剥蚀作用强弱不同、剥蚀量大小也显著不同。陈瑞银等[10]通过钻井资料“点连线、线线相交闭合”的方式，确定出杭锦旗地区4期抬升剥蚀的剥蚀量分别为150～200，120～160，120～200，600～1 200 m；翁望飞等[11]利用声波时差对晚白垩世的剥蚀量进行了研究，认为该期的剥蚀量在300～500 m之间，少于陈瑞银等[10]的剥蚀量恢复结果。

在前人研究成果的基础上，笔者利用声波时差法对杭锦旗地区南部白垩纪未被剥蚀完全的地区，选取15口钻井对晚白垩世的剥蚀厚度进行了恢复，如锦86、89、90、94、33、72井剥蚀厚度分别为318，759，644，901，1 007，1 175 m。从恢复结果看，与陈瑞银等[10]估算的剥蚀厚度比较一致。

在前人研究成果的基础上，结合笔者本次研究，杭锦旗地区晚三叠世末期、早侏罗世末期、晚侏罗世末期、晚白垩世的剥蚀厚度分别选取150～200,120～160,120～200 ，400～1 200 m。

1.2地温场特征及演化历史

地温场特征及其演化历史是影响盆地模拟结果的另外一个重要参数，对烃源岩的成熟、演化及油气生成有重要影响。前人对鄂尔多斯盆地的古地温场及其演化历史研究较多[12-16]，较为一致的认识是早古生代地温梯度为2.6～2.4 ℃/hm，晚古生代为2.2～2.4 ℃/hm，随后持续增加，到了早白垩世晚期达到最大的3.8～4.3 ℃/hm，之后逐渐降低到现今的2.9 ℃/hm。

大地热流数值等于地温梯度与热导的乘积，在热导率一定的情况下，大地热流与地温梯度是正向比例关系。由于PetroMod盆地模拟软件是采用大地热流值作为输入参数，笔者在前人研究成果的基础上，通过换算采用杭锦旗地区早古生代大地热流均值为60 mW/m2，晚古生代石炭—二叠纪为60～64 mW/m2，中生代三叠纪为65～68 mW/m2，侏罗纪—早白垩世晚期达到最高的75～85 mW/m2，现今大地热流均值为60 mW/m2左右。

1.3单井地质模型的建立

地层岩性特征也是影响模拟结果的重要因素。为了统计各钻井地层岩性特征，笔者依据钻井的综合录井资料并结合测井资料对地层岩性进行识别，主要分为泥质岩、碳质泥岩、煤、粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩，并通过对不同区带68口钻井不同地层岩性的统计，利用PetroMod软件的岩性混合器模块生成混合岩性，混合岩性的密度、孔隙度、热导率、热容等物性参数则由PetroMod通过对纯岩性参数的算术平均或几何平均计算生成，同时根据各纯岩性的压实模型构建混合岩性的压实模型来满足模拟需要。

1.4模拟结果的标定

在前人研究的基础上，根据烃源岩样品分布情况，本次研究补充采集了锦30井等8口钻井的山西组、下石盒子组盒1段烃源岩样品，对其成熟度进行了测试，Ro值的范围为1.01%～1.27%。为验证关于剥蚀厚度、古地温场演化历史等参数及所建立的地质模型是否可靠，我们依据烃源岩成熟度的测试结果，以锦10井、锦6井为例，在建立的模型中输入以上参数运行模型，得到了任一地质时间的温度场模拟结果，并选取了以能够敏感反映热史的Ro值作为古地温场模拟结果的标定参数，进行了模拟验证。从验证情况看(图1)，模拟结果与以现今实测温度和实测Ro作为标定值的实测值吻合较好，反映出模拟参数选取较为可靠。

2　不同区带单井模拟结果

杭锦旗地区可划分为公卡汗、新召、十里加汗、阿镇、浩饶召和什股壕6个区带，其中什股壕、十里加汗区带是天然气发现最多的2个区带。针对不同区带，利用PetroMod盆地模拟软件，选取了典型钻井采用Sweeney 和Burnham 提出的EASY%Ro模型对主要探井的埋藏史、烃源岩热演化史进行模拟。

图1　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区镜质体反射率与模拟结果对比

2.1公卡汗区带

公卡汗区带位于公卡汗凸起、三眼井断裂以北。该区带锦100井的烃源岩热演化史图(图2)表明，山西组烃源岩在早侏罗世早期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在中侏罗世中期Ro值达到0.70%进入主生烃窗；虽然在晚侏罗世、早白垩世经历了沉积埋藏，热演化程度有所增加，但Ro最大值仅达到1.00%，仍处于主生烃窗内。

2.2新召区带

新召区带位于杭锦旗地区西南部，三眼井断裂带南侧。锦80井的模拟结果(图3)表明，该区带太原组、山西组烃源岩在晚三叠世中期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在早侏罗世中期Ro值达到0.70%进入主生烃窗；在早白垩世中期Ro值达到1.0%进入主生烃期后期；早白垩世晚期Ro值达到1.3%；虽然晚白垩世遭受抬升剥蚀，但时间的叠加效应使烃源岩热演化程度有所增加，太原组烃源岩Ro值最大达到1.43%，进入过成熟演化阶段。

图2　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区公卡汗区带锦100井烃源岩热演化史

图3　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区新召区带锦80井烃源岩热演化史

2.3十里加汗区带

十里加汗区带是杭锦旗地区天然气勘探的重点区带，有多口探井钻获工业气流；在构造位置上，属于伊陕斜坡，位于泊尔江海子—乌兰吉林庙断裂南侧。考虑到十里加汗区带范围较大，单井模拟过程中选取了位于区带南部的锦56井和位于区带北部的锦90井进行模拟。

受沉积埋藏历史和古地温场演化历史的控制，区带北部的锦90井的模拟结果(图4a)表明，太原组、山西组烃源岩在晚三叠世中期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在早侏罗世晚期Ro值达到0.70%进入主生烃窗；在早白垩世末期Ro值达到1.0%进入主生烃期后期；晚白垩世以后，由于时间的叠加效应而使烃源岩热演化程度有所增加，Ro最大值达到1.26%，达到生烃高峰期后期的演化阶段。区带南部的锦56井的模拟结果(图4b)表明，太原组、山西组烃源岩在晚三叠世早期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在早侏罗世初期Ro值达到0.70%进入主生烃窗；在早白垩世中期Ro值达到1.0%进入主生烃期后期；早白垩世晚期Ro值最大达到1.46%进入过成熟演化阶段。

2.4阿镇区带

阿镇区带位于杭锦旗地区东南部，泊尔江海子断裂带南侧。该区烃源岩发育，同时构造发育，已获得天然气产能的井主要位于断裂附近的局部构造上，表明该区气藏类型为构造圈闭气藏。锦94井太原组、山西组烃源岩在晚三叠世末—早侏罗世早期Ro值达到0.55%进入生烃门限(图5)；在早白垩世Ro值达到0.70%进入主生烃窗；虽然晚白垩世以后由于时间的叠加效应而使烃源岩热演化程度有所增加，但Ro最大值仅达到0.94%，仍处于主生烃后期的演化阶段。

图4　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区十里加汗区带烃源岩热演化史

图5　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区阿镇区带锦94井烃源岩热演化史

2.5浩绕召区带

浩绕召区带位于杭锦旗地区北部中段，构造上位于杭锦旗断阶，下石盒子组地层由南向北逐渐尖灭，山西组煤层仅在区带以南地区有少量分布。区带内锦53井的模拟结果(图6)表明，太原组、山西组烃源岩在晚三叠世中期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在早侏罗世—中侏罗世Ro值达到0.70%进入主生烃窗；虽晚侏罗世—早白垩世期间又经历了一定厚度的沉积埋藏，热演化程度有所增加，Ro最大达到1.00%，仍处于主生烃后期的演化阶段。

2.6什股壕区带

什股壕区带位于杭锦旗区块北部，南部边界为泊尔江海子断裂带，区带内缺失太原组烃源岩。锦97井的模拟结果(图7)表明，山西组烃源岩在晚三叠世末期—早侏罗世早期Ro值达到0.55%进入生烃门限；在中侏罗世—晚侏罗世Ro值达到0.70%进入主生烃窗；虽然晚白垩世以后由于时间的叠加效应而使烃源岩热演化程度有所增加，Ro值最大仅达到0.85%～0.95%，仍处于生烃高峰期前期的演化阶段(图7)。

图6　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区浩绕召区带锦53井烃源岩热演化史

图7　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区什股壕区带锦97井烃源岩热演化史

3　烃源岩热演化程度平面分布特征

为使模拟结果尽可能准确反映杭锦旗地区的实际地质情况，在模拟中使用68口井的资料作为控制点，针对这68口井，根据各井实际钻遇地层的厚度、岩性等实际资料，进行地层岩性组成的统计，进而建立了每口井的地质模型，并依据前述各种参数的选取结果，对太原组和山西组山1段、山2段烃源岩的热演化历史进行了模拟，并依据单井模拟结果对烃源岩热演化史在平面上的分布特征进行了分析。下面以太原组为例，对烃源岩热演化程度的平面分布特征及演化历史进行讨论。

晚三叠世末，太原组烃源岩整体演化程度较低，仅在新召区带、乌兰吉林庙区带、十里加汗区带南部的Ro值达到或超过0.6%进入生烃门限。早侏罗世末，太原组烃源岩热演化程度增高，除阿镇区带北部外的大部分地区均进入了生烃门限范围，新召区带、乌兰吉林庙区带、十里加汗区带部分地区的Ro值超过0.9%进入生烃高峰期。中侏罗世末，太原组烃源岩热演化程度进一步增高，阿镇区带北部外的也进入了生烃门限范围，新召区带、乌兰吉林庙区带、十里加汗区带的Ro值超过0.9%进入生烃高峰期的范围进一步扩大。晚侏罗世末，太原组烃源岩整体维持东部、北部演化程度低，西部、南部演化程度高的格局(图8a)；在新召、乌兰吉林庙、十里加汗区带的Ro值超过0.9%进入生烃高峰期的范围进一步扩大(图8a)。早白垩世末，太原组烃源岩除东部的阿镇区带外，大部分进入生烃高峰期，新召区带、乌兰吉林庙区带的大部分地区和十里加汗区带的南部Ro值超过1.3%进入生烃高峰后期。现今，太原组烃源岩的热演化程度维持了晚白垩世末的格局，叠加时间效应的影响，演化程度略有增大，新召区带、乌兰吉林庙区带的大部分地区和十里加汗区带的南部Ro值超过1.3%，仍处于生烃高峰后期(图8b)。

4　认识与结论

(1)杭锦旗地区晚白垩世期间遭受较为强烈的抬升剥蚀，声波时差法确定的该期剥蚀厚度为300～1 200 m。

图8　鄂尔多斯盆地杭锦旗地区太原组烃源岩热演化程度分布

(2)杭锦旗地区太原组、山西组烃源岩Ro值达到0.55%进入生烃门限的时期为晚三叠世中期—早侏罗世早期。其中位于西部、南部的新召、十里加汗、阿镇和浩饶召区带进入生烃门限的时间为晚三叠世中晚期；位于北部的公卡汗区带、什股壕区带进入生烃门限的时间为早侏罗世早期。

(3)从模拟结果看，太原组、山西组烃源岩现今热演化程度差异较大，总体表现为自西南向东北方向烃源岩热演化程度逐渐降低的趋势。位于西部、南部的新召区带、十里加汗区带南部的烃源岩Ro值最大分别为1.43%和1.46%，达到了过成熟演化阶段；而位于北部、东部的什股壕区带、阿镇区带的烃源岩Ro值为0.85%～1.0%，仍处于生烃高峰期的早期阶段。

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(编辑徐文明)

Thermal evolution modeling of Neopaleozoic source rocks in Hangjinqi region, Ordos Basin

Zhao Guiping1,2

(1.KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 2.SchoolofEarthSciences,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Taking the measuredRovalues which reflected the characteristics of thermal evolution degree of source rocks as calibration, the thermal evolution history of source rocks of the Taiyuan Formation and members 1 and 2 of the Shanxi Formation in Neopaleozoic was modeled through erosion thickness restoration and the selection of ancient heat flow. We analyzed well logging data of different strata from more than 70 wells, and established a corresponding geological model. Source rocks reached the threshold of hydrocarbon generation (Ro>0.65%) during the mid-late stage of Late Triassic in Xinzhao, Shilijiahan, Azhen and Haoraozhao areas in the western and southern Hangjinqi region and during the early stage of Early Jurassic in Gongkahan and Shiguhao areas in the northern Hangjinqi region. The thermal evolution degree of source rocks decreases from southwest to northeast in the study area. The maximumRovalues in Xinzhao and southern Shilijiahan are 1.43% and 1.46% respectively, reaching the over-mature stage of evolution. However, theRovalues in Shiguhao and Azhen areas in the northern and eastern Hangjinqi region range from 0.85%-1.0%, showing that the source rocks are still in the early stage of hydrocarbon generation peak.

source rock; thermal evolution; basin modeling; Neopaleozoic; Hangjinqi; Basin Ordos

1001-6112(2016)05-0641-06doi：10.11781/sysydz201605641

2016-07-06；

2016-08-25。

赵桂萍(1972—)，女，博士，副教授，从事构造地质学和油气地质学的教学和研究。E-mail:zhaogp@ucas.ac.cn。

中国科学院知识创新工程重要方向项目(Y225014EA2)资助。

TE122.1

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