中国科学SCIENCE IN CHINA2000　Vol.30　No.1　P.40-46

鄂尔多斯盆地下古生界油气地质动力学研究

叶加仁　赵鹏大　陆明德

摘　要：以鄂尔多斯盆地奥陶系烃源岩为主要研究对象，采用盆地动态数值模拟和成藏动力学的方法研究其地史、热史、生烃史及排烃史等油气地质动力学特征. 结果表明：奥陶系总体上经历了原始沉积、抬升剥蚀、快速沉降、升沉交替和差异抬升剥蚀阶段；盆地大地热流值总体较低，奥陶系的古热流演化可划分为白垩纪前的较高热流和白垩纪后的较低热流两大阶段. 奥陶系烃源岩有机质热演化整体都已进入高成熟-过成熟阶段，生气强度大于生油强度，烃类相态以天然气为主；单位时间的排油、排气曲线为“多峰型”，累计排气强度大于累计排油强度，具良好的天然气勘探远景。
关键词：动力学　天然气　模型　生排烃　鄂尔多斯盆地▲

　　作为我国重要的天然气生产基地的鄂尔多斯盆地，其盖层沉积历史漫长，构造性质稳定，属典型的壳内克拉通盆地，奥陶系碳酸盐岩系是下古生界主要的生储烃岩。本文主要采用动态数值模拟和成藏动力学的方法对盆地下古生界油气演化的整个地质动力学过程进行定量研究，以加深对盆地下古生界油气聚集规律的认识，加速盆地的天然气勘探进程。

1　动力学模型

　　油气地质动力学系统核心部分由地史、热史、生烃史和排烃史等子系统组成，各子系统结构上相对独立、依次排列、彼此耦合。
1.1　地史模型
1.1.1　地层压实校正模型　　对砂、泥岩的压实特征，一般选用Athy［1］提出的孔隙度-深度指数关系方程来表征。对碳酸盐岩是否存在压实作用，长期以来争议较大。选用盆地内的灰岩样品在高温高压下进行的压实模拟实验及奥陶系碳酸盐岩的镜下薄片观察和测井资料等均证实了碳酸盐岩压实作用的存在［2，3］。利用测井资料及根据岩电关系分析得到的孔隙度解释数学模型等拟合得出的碳酸盐岩的压实方程也呈指数形式。
　　根据地层压实原理［4］并经过一系列的公式推导与积分求解，可得砂岩、泥岩与碳酸盐岩共存地层剖面的压实校正式为　　(1)

式中Z1和Z2分别为地层的顶界与底界埋深(m)；Hs为岩石骨架厚度(m)；Ps，Pm和Pc分别为砂岩、泥岩和碳酸盐岩的含量；Φ0s，Φ0m和Φ0c分别为砂岩、泥岩及碳酸盐岩的原始地表孔隙度(%)；Cs，Cm和Cc分别为砂岩、泥岩及碳酸盐岩的压实因子(m-1)。
1.1.2　不整合处理模型　　鄂尔多斯盆地为一复合式减压实型盆地［3］，因此必须进行剥蚀校正。概括起来，盆地内地层沉积与剥蚀的地质模式有深埋-微升型、浅或中埋-波动-急升型、浅或中埋-波动型和浅或中埋-急升-波动型4种［5］。在处理剥蚀现象时，系统首先根据各层的厚度，判断其地质模式，查找匹配至最大埋深期，然后依据沉积压实原理，采用“回剥模式”逐层处理，恢复各层在不同地质时期的古厚度，进而得到各层的古埋深。
1.1.3　构造沉降分析模型　　根据盆地地壳结构特点选用区域均衡模式计算其构造沉降量：　(2)

式中Dt为盆地在时间t时构造沉降幅度(m)；λ为岩石圈弯曲系数；ρs为沉积层平均密度(g/cm3)；S为经压实校正后地层厚度(m)；Wd为古水深(m)；ΔSL为相对现今水位的海平面升降值(m)；ρm为地幔密度(g/cm3)；ρw为地层水密度(g/cm3)；x为计算点距盆地中心的距离(m).
1.2　热史模型
　　主要采用地球动力学-地球化学结合法来恢复研究区的地热演化史。
1.2.1　古热流模型　　诸如鄂尔多斯这样大地构造性质稳定的含油气盆地，其古热流与今热流遵循线性关系［6］，古热流的计算公式为　　(3)

式中Q为古热流(μcal/cm2.s)；β为古今热流关系因子(Ma-1)；Z为计算点在时间t时的埋深(m)；ti为现今地质年龄(Ma)；t为埋藏时间(0～ti)(Ma)；Kf为地层孔隙流体热导率(μcal/cm.s.℃)；Ks为岩石骨架热导率(μcal/cm.s.℃)；G为平均今地温梯度(℃/100 m)。
1.2.2　古地温模型　　根据热传导原理可求取时间t深度Z处的古地温(℃)为　　(4)

式中T0为地表恒温带的温度(℃)；K(Z)为地层热导率(μcal/cm.s.℃)。
1.3　油气生成动力学模型
　　油气生成动力学模型主要包括有机质成熟史和烃类生成史模型。
1.3.1　有机质成熟史模型　　选用Wood［7］根据Arrhenius方程推导出的时间-温度指数(TTIARR)模型来计算鄂尔多斯盆地的烃源岩成熟演化史，其数学表达式为　(5)

式中A为频率因子(Ma-1)；E为活化能(J/mol)；R为理想气体常数(J/mol.K)；Tn和Tn+1分别为10℃间隔的起、止绝对温度(K)；tn和tn+1分别为10℃间隔的起、止时间(Ma)。
1.3.2　成烃史数值模拟　　采用Ro-生烃率法恢复盆地的生烃史。对某一特定烃源岩，其在地质时间t时的生油或生气强度E(kg/m3)为

Ei(t)=TOC×Cf×d(t)×Ri(t),　　　　(6)

式中TOC为烃源岩残余有机碳含量(%)；Cf为有机碳恢复系数；d(t)为时间t时的烃源岩密度(kg/m3)；Ri(t)为流体i的产率(mg/g)；i为干酪根热演化的产物，油或气。
　　现代成烃理论表明，随着埋深的增加，温度上升，石油将被裂解成天然气［8］。因此，对生气量而言，当埋藏深度达到一定值后，则应加上由石油裂解成气的量，即

Eg(t)=Co(t)×d(t)×Rg(t)+Eo(t)×Ro/g(t)×Co/g,　　　(7)

式中Ro/g 为石油裂解成天然气的比率，Co/g为油气转化系数。
1.4　排烃动力学模型
　　综合排烃研究最新成果及若干碳酸盐岩烃源区的实际地质情况［9］，本文假定碳酸盐岩区的油气主要呈独立相沿微裂缝排出，含烃饱和度和破裂压力是控制烃类运移的两个主要因素.
　　根据有关物理化学原理，可推导出单位体积岩石在地下深埋过程中由于孔隙流体被压缩、油气生成后所产生的增压ΔP(Pa)为　　(8)

式中Mo，Mg和Mk分别为新生成的油、气及被降解的干酪根的质量(kg)；ρo ，ρg和ρk分别为油、气和干酪根在地下温度、压力下的密度(kg/m3)；Cpo，Cpg和Cpw分别为油、气、水的压缩率(Pa-1)；Vw为原有孔隙体积(m3). 因此，由含烃饱和度与岩石破裂压力双因素联合控制下的微裂缝排烃过程的动力学模型可综合表述为　　　(9)

式中Pf为岩层的破裂压力(Pa)；Sso为烃源岩排烃的临界含烃饱和度；VE，VG和VR分别为排烃量、生烃量和残烃量(kg/m3)。

2　油气地质动力学特征分析

　　根据上述原理和模型，合理选取各项参数，本文定量研究了盆地下古生界奥陶系地层的油气地质动力学特征。
2.1　地史特征
2.1.1　单井地史分析　　从盆地内若干典型井的地史图(图1)可知，奥陶纪地层总体上经历了原始沉积(493～476.1 Ma)、抬升剥蚀(476.1～322.8 Ma)、快速沉降(322.8～208 Ma)、升沉交替(208～97 Ma)和差异抬升剥蚀(97 Ma～现今)5个埋藏演化阶段。

图1　鄂尔多斯盆地两口典型井地史图（虚线为构造沉降曲线）
(a) 延深1井，(b) 永参1井

2.1.2　原始沉积构造演化史　　根据“回剥”模式模拟恢复得到的奥陶系顶面的时间-平面系列图，并结合地质发展史，盆地的原始沉积构造历经早古生代边缘沉降的克拉通坳陷、晚古生代-中三叠世边缘碰撞的克拉通坳陷、中生代大型内陆坳陷和新生代周缘断陷四大时期。
2.2　热史特征
　　热史反演模拟表明(表1)：(1) 鄂尔多斯盆地大地热流值总体较低，显示出稳定地台区的地热特征，但古热流高于今热流，且自古至今古热流和古地温梯度逐渐减小；(2) 盆地今热流多小于全球平均大地热流值，奥陶系的古热流演化可划分为白垩纪前的较高热流和白垩纪后的较低热流，这与前人的鄂尔多斯盆地一直处于低地温场控制的认识有所不同［10］，对重新评价盆地的油气资源远景特别是对浅部油藏的勘探与开发有重要的理论意义和实用价值。
2.3　生烃史特征
2.3.1　有机质成熟史　　盆地奥陶系烃源岩都已进入高成熟-过成熟阶段(表2)，烃类相态以天然气为主. 下马家沟组(O1xm)烃源岩进入成熟的时间较早，多在225 Ma以前，门限深度约1 200 m；进入高成熟的时间为160 Ma左右，门限深度为3 000～4 000 m；进入过成熟的时间差异较大，门限深度为3 600～4 300 m。上马家沟组(O1sm)的成熟规律与之基本相同，总的趋势为西部和南部早，北部迟；与有机质演化的一般阶段性相比，进入高成熟和过成熟的深度和温度均偏低，温度分别低于120℃和150℃，这主要是因为本区有机质经受热演化的时间较长，在一定程度上弥补了温度的不足，这是古老克拉通盆地烃源岩成熟的特征之一.
2.3.2　烃类演化史　　现今累计生气强度比累计生油强度大，且下马家沟组的生烃强度一般比上马家沟组的高(表3)。上、下马家沟组烃源岩多在安定组沉积末期进入生烃高峰期，单位时间生烃强度曲线为“单峰型”(图2)。马家沟组烃源岩生油在100 Ma前结束，而生气则延续至今。尽管马家沟组烃源岩的单位时间生烃强度较低，但由于其生烃时间长、面积大，导致其总生烃量，特别是总生气量十分巨大，具良好的油气勘探前景.

表1　盆地代表性井奥陶系地层热史
井号 年代/Ma 深度/m G/℃.100m-1 古地温/℃ 古热流/HFU
鄂1 476.10 1 043.98 3.05 43.82 1.76
300.00 　822.83 3.02 36.86 1.75
250.00 1 605.07 2.98 59.77 1.72
97.00 3 826.00 2.76 117.60 1.60
0.00 3 470.00 2.56 101.83 1.48
庆深1 476.10 　648.49 3.49 34.64 1.64
300.00 　101.07 3.41 15.45 1.60
250.00 1 031.25 3.39 46.96 1.59
97.00 4 131.27 3.21 144.66 1.51
0.00 3 961.27 2.98 130.05 1.40
陕参1 476.10 1 057.14 3.12 45.00 1.75
300.00 　904.78 3.03 39.41 1.70
250.00 1 539.93 3.01 58.40 1.69
97.00 4 253.45 2.82 132.09 1.58
0.00 4 068.45 2.62 119.59 1.47


表2　盆地代表性井上、下马家沟组生烃门限深度与时间
井号 源岩 Ro=0.5

Ro=1.3

 Ro=2.0
深度/m 时间/Ma 深度/m 时间/Ma 深度/m 时间/Ma
耀参 O1sm 1 239 380 3 787 190 4 019 82
1井 O1xm 1 171 408 3 994 196 3 852 109
陕参 O1sm 　723 313 3 389 168 3 936 85
1井 O1xm 1 019 359 3 633 175 3 766 98
天深 O1sm 1 212 362 3 799 166 4 052 104
1井 O1xm 1 127 379 2 913 180 4 274 128
伊9 O1sm 1 926 228 3 309 133 3 595 5
井 O1xm 1 970 229 3 344 134 3 604 9


表3　盆地代表性井上、下马家沟组在不同地质时期的累计生烃强度(kg/m3)
井号 源岩 油或气 石炭纪末 二叠纪末 三叠纪末 侏罗纪末 白垩纪末 现今
耀
参
1
井		 O1xm 生油强度 0.030 5 0.051 2 0.089 0 0.136 9 0.138 6 0.138 6
生气强度 0.015 0 0.020 7 0.029 4 0.081 3 0.175 6

0.205 4
O1sm 生油强度 0.018 3 0.033 1 0.064 2 0.124 1 0.130 4

0.130 4
生气强度 0.011 6 0.016 5 0.023 9 0.068 4 0.168 8

0.197 6
伊
25
井		 O1xm 生油强度 0.005 9 0.013 1 0.046 7 0.128 3 0.129 2 0.129 2
生气强度 0.009 0 0.013 6 0.022 1 0.070 8 0.188 9 0.226 1
O1sm 生油强度 0.001 4 0.003 6 0.027 4 0.106 7 0.109 1 0.109 1
生气强度 0.003 9 0.006 9 0.013 7 0.051 5 0.161 8 0.195 8
鄂
4
井		 O1xm 生油强度 0.077 4 0.143 7 0.404 6 1.180 4 1.497 8 1.497 8
生油强度 0.140 8 0.211 3 0.317 9 0.571 5 1.484 5 1.709 8
O1sm 生气强度 0.018 7 0.039 6 0.205 6 0.872 8 1.328 6 1.333 2
生油强度 0.047 6 0.091 6 0.176 7 0.375 7 1.190 6 1.408 8

2.4　排烃史特征
　　单位时间的排油、排气曲线为“多峰型”(图3)，尤其是从排气强度曲线可明显地区分出两期互不连续的排烃事件：第1期发生在260～280 Ma，其持续时间短，强度及变化均较小，为岩层在压实作用下，孔隙不断减少，且随着油气的不断生成，油、气积累到一定程度，孔隙压力超过破裂压力而发生的一次早期排烃事件；第2期包含多个排烃高峰，主高峰期与生烃高峰相对应，其延续时间长，排烃强度较大，系由于油气的大量生成，含烃饱和度大于临界含烃饱和度，孔隙压力超过岩层破裂压力，导致油气突破岩层封闭沿微裂缝排出，油气排出具幕式特点。累计排气强度明显大于累计排油强度(表4)，且排气效率高于排油效率，排气效率多高于50%，而排油效率一般小于30%。排气开始时间早，并一直延续至现今；排油开始时间较迟，且延续时间较短，现今已结束排油。

图2　鄂尔多斯盆地鄂4井马家沟组烃源岩的生烃史
(a) 下马家沟组，(b) 上马家沟组

图3　盆地耀参1井(a)和鄂4井(b)下马家沟组烃源岩的排烃史

3　结语

　　作为典型的壳内克拉通盆地，鄂尔多斯盆地具独特的油气地质动力学特征。
　　(1) 奥陶系总体上经历了原始沉积、抬升剥蚀、快速沉降、升沉交替和差异抬升剥蚀5个埋藏演化阶段；盆地的原始沉积构造演化史历经早古生代边缘沉降的克拉通坳陷、晚古生代-中三叠世边缘碰撞的克拉通坳陷、中生代大型内陆坳陷和新生代周缘断陷四大时期。
　　(2) 盆地大地热流值总体较低，显示出稳定地台区的热史特征；奥陶系的古热流演化可划分为白垩纪前的较高热流和白垩纪后的较低热流两大阶段.

表4　盆地代表性井上、下马家沟组在不同时期的累计排烃强度(kg/m3)和排烃效率(%)a)
井号 源岩 油或气 石炭纪末 二叠纪末 三叠纪末 侏罗纪末 白垩纪末 现今
耀
参
1
井		 O1xm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 8(0.6) 0.023 5(16.9) 0.025 9(18.7)
排气强度 0.007 5(50.2) 0.010 9(52.7) 0.015 4(52.3) 0.041 4(50.9) 0.088 6(50.5) 0.103 5(50.4)
O1sm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0)
排气强度 0.005 7(49.6) 0.014 9(90.1) 0.014 9(62.4) 0.023 0(33.7) 0.083 2(49.3) 0.101 3(51.3)
伊
25
井		 O1xm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.044 1(34.4) 0.093 4(72.3) 0.113 5(87.9)
排气强度 0.004 7(52.2) 0.007 2(52.9) 0.012 0(54.3) 0.061 5(86.8) 0.120 5(63.8) 0.139 1(61.5)
O1sm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.010 4(10.5) 0.059 6(54.6) 0.079 1(72.5)
排气强度 0.000 0(0.0) 0.004 1(59.4) 0.007 2(52.6) 0.037 6(72.4) 0.092 8(57.4) 0.109 8(56.1)
鄂
4
井		 O1xm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.966 1(81.8) 1.307 1(87.3) 1.318 4(88.0)
排气强度 0.126 8(90.1) 0.191 6(90.7) 0.244 9(77.1) 0.371 8(65.0) 0.828 2(55.8) 0.940 9(55.0)
O1sm 排油强度 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.000 0(0.0) 0.637 0(73.0) 1.114 3(83.9) 1.129 5(84.7)
排气强度 0.000 0(0.0) 0.047 5(51.9) 0.144 9(82.0) 0.271 3(72.2) 0.690 2(58.0) 0.802 5(57.0)
　　a) 括号内数字为排油(气)效率
　　(3) 奥陶系烃源岩有机质热演化整体都已进入高成熟-过成熟阶段，生烃总量巨大，且生气强度大于生油强度，烃类相态以天然气为主。
　　(4) 单位时间的排油、排气曲线为“多峰型”，可划分出两期互不连续的排烃事件，累计排气强度大于累计排油强度，排气效率高于排油效率，具良好的天然气勘探远景。
　　(5) 中央隆起带位于米脂和盐池两大生烃中心中间，两侧烃源岩厚度大，生烃强度高，长期的继承性隆起使其处于油气运移的有利部位，油气源充足，完全具备大中型气田形成的物质条件，应是下古生界气藏的首选有利勘探区域。■

资金项目：国家“八五”科技攻关资助项目(批准号：85-102-05-01-01)
作者单位：叶加仁(中国地质大学石油系，武汉 430074)
　　　　　赵鹏大(中国地质大学石油系，武汉 430074)
　　　　　陆明德(中国地质大学石油系，武汉 430074)

参考文献：

［1］Athy L F. Density, porosity and compaction of sedimentary rocks. AAPG Bulletin, 1930, 14(1): 1～24
［2］叶加仁, 陆明德. 盆地地史模拟述评. 地质科技情报，1995，14(2): 41～51
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［9］叶加仁. 碳酸盐岩烃源岩排烃过程的模拟. 地质科技情报，1996，15(3): 53～58
［10］张福礼, 黄舜兴, 杨昌贵, 等. 鄂尔多斯盆地天然气地质. 北京：地质出版社，1994

收稿日期：1999-05-26

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