蓬萊9-1潛山花崗巖油藏成藏時間的裂變徑跡熱年代學約束

劉　偉, 王國芝, 范　蕾, 徐亞飛, 唐曉挺

(1.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059； 2.中國石化 中原油田采油四廠，河南 濮陽 457176)

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蓬萊9-1潛山花崗巖油藏成藏時間的裂變徑跡熱年代學約束

劉偉1, 王國芝1, 范蕾1, 徐亞飛2, 唐曉挺2

(1.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059； 2.中國石化 中原油田采油四廠，河南 濮陽 457176)

[摘要]油氣藏成藏時間的確定一直是石油地質研究領域的難點。該文利用磷灰石裂變徑跡測齡及溫度-時間熱史模擬技術探索了如何精確限定油氣藏的成藏時間。從渤海蓬萊9-1潛山花崗巖儲層裂縫帶和基巖帶分別獲取2件磷灰石樣品，根據磷灰石裂變徑跡的長度、年齡和徑跡分布，利用AFT Solve軟件模擬獲得了它們的溫度-時間熱史軌跡。2件樣品相似的溫度-時間熱史軌跡表明，在3.8~2.6 Ma B.P.期間，由于受石油流體充注的影響，樣品發生異常熱擾動和溫度突變，在3.2 Ma B.P.時期受擾動的溫度達到最大。根據受異常熱擾動的起始時間，確定蓬萊9-1潛山花崗巖石油充注時間為3.8~2.6 Ma B.P.，油氣藏的主成藏期為3.2 Ma B.P.。

[關鍵詞]蓬萊9-1;潛山花崗巖;油藏;成藏期;磷灰石;裂變徑跡

油氣成藏期是油氣成藏研究中的難點，也是油氣勘探開發研究中的關鍵問題之一[1-5]。油氣成藏期研究方法以傳統的圈閉形成時間[6-8]、生排烴史[7,8]、飽和壓力與露點壓力分析法[5-8]，以及新興的儲層礦物同位素測齡[3,6,8-10]、流體包裹體[3,4,6,8,10]、有機地球化學[5,8,9]、油氣水界面追溯[4,5,7]、儲層固體瀝青[3,4,6]、油田鹵水碘同位素測齡[3,4]、油儲磁性礦物古地磁學[3-5]等分析方法為主。除了同位素測齡能精確確定油氣成藏時間外，大多數方法只能定性或大致確定油氣成藏時間范圍，而且不同的研究方法所獲得的油氣藏形成時間仍具有一定的不確定性和多解性[8-10]，因而，油氣成藏期研究仍是石油地質學研究領域的薄弱環節[2]。

磷灰石裂變徑跡技術作為一種成熟的熱年代學分析研究手段，被廣泛地用于沉積盆地熱演化史模擬[11]、地質構造演化[12]、沉積物源分析[11,13]、油氣勘探[14]等領域。同時，由于磷灰石自發裂變徑跡的退火溫度區間(60~120℃)和時間區間(1~100 Ma B.P.)與液態烴生成的溫度、時間區間正好一致[15]，因而，磷灰石裂變徑跡被廣泛用于油氣成藏歷史的定量評價中。本文嘗試利用磷灰石裂變徑跡測齡及溫度-時間熱史模擬技術對油氣藏成藏時間進行較為精確的限定。

1區域地質背景

蓬萊9-1構造潛山位于渤海灣盆地廟西北凸起至渤東凹陷東部斜坡之上，主要由古元古代遼河群變質巖和燕山期花崗巖構成，其頂面具有南北兩側2個元古界大山，中間為寬緩的鞍部，其中潛山鞍部的花崗巖油藏約占蓬萊9-1油田儲量的80%[16]。潛山花崗巖油藏儲層類型主要為風化殼儲層，儲集空間類型具有孔-縫雙重介質性質，在垂向上具有明顯的分帶性，從上到下依次為砂質風化帶、礫質風化帶、裂縫帶、基巖帶，受風化作用控制明顯。油層主要呈似層狀分布，為不規則的“似層狀油藏”(圖1)。通過對潛山花崗閃長巖、二長花崗巖分別選取其中的鋯石，采用LICP-MS測齡技術進行U-Pb同位素測齡，分別獲得163 Ma和164 Ma的同位素年齡，屬于中侏羅世，為燕山期侵入，與中國東部地區廣泛分布的花崗巖形成時代相當[16]。新近系直接披覆于潛山花崗巖之上，從上至下，依次為平原組(N2p)、明化鎮組(N2m)、館陶組(N1g)。

2樣品特征及分析測試

2.1樣品特征

圖1　PL9-1-3井-PL9-1-4井油藏剖面圖Fig.1　Oil reservoir profile of Well PL9-1-3 to Well PL9-1-4(據中海油天津分公司渤?？碧窖芯吭?，2012)

圖2　裂變徑跡取樣位置圖Fig.2　Sampling locations for fission track analysis(據中海油天津分公司渤?？碧窖芯吭?，2012)A.二長花崗巖分布區; B.花崗閃長巖分布區; D.變質巖分布區

本次研究所采集的2件磷灰石裂變徑跡樣品分別來自潛山花崗巖裂縫帶和基巖帶儲層(圖2)的花崗巖巖心樣品。其中，701號樣品取自PL9-1-5井1 383.5～1 384.1 m深度的裂縫帶，704號樣品取自PL9-1-13井1 516.3～1 516.8 m深度的基巖帶，兩巖心樣品均含油?，F今鉆井、取心、測井等資料顯示，潛山花崗巖油藏主力油層深度約為1 260～1 600 m，而研究中2樣品取樣深度均在此深度范圍之內。研究區裂縫帶與基巖帶儲層裂縫發育，易于油氣運聚，取樣深度處于主力油層深度范圍，油氣充填度較高，且所采集到巖心樣品均含油，說明所采集的磷灰石裂變徑跡樣品在地質歷史上曾充分接受了油氣充注成藏的熱影響。同時，雖然潛山花崗巖儲層發育受風化作用控制明顯，但裂縫帶與基巖帶儲層埋深大，基本脫離了風化作用波及范圍，因此該帶磷灰石樣品受風化作用影響較小。綜上所述，本次研究所采集的磷灰石裂變徑跡樣品既充分記錄了潛山花崗巖油氣成藏的熱影響，又極少受到后期地質作用改造，是理想的分析模擬樣品。

2.2分析測試

首先將采集的巖石樣品粉碎，樣品經粉碎后的粒徑應與巖石中礦物粒度相適應，經傳統方法粗選后，利用電磁選、重液選等方法，分選出足夠數量的磷灰石單礦物。再將磷灰石顆粒置于玻璃片上，用環氧樹脂滴固，然后進行研磨和拋光，使礦物內表面露出。接著在25℃下用7% HNO3蝕刻30 s，揭示自發徑跡;將低鈾白云母外探測器與礦物一并放入反應堆輻照，之后在25℃下40% HF蝕刻20 s，揭示誘發徑跡，中子注量利用CN5鈾玻璃標定。最后，根據IUGS推薦的ξ常數法和標準裂變徑跡年齡方程計算年齡值(表1)。

如前所述，潛山花崗巖形成于約163~164 Ma B.P.。通過裂變徑跡獲得的樣品中值年齡最大為40±5 Ma(表1)，遠遠小于潛山花崗巖的形成年齡，說明所有樣品經歷了完全退火，其裂變徑跡是由于后期構造抬升后再度冷卻，并重新累計的結果。

3溫度-時間熱史模擬

表1　磷灰石裂變徑跡分析結果

ρs、ρi、ρd分別為自發徑跡密度、誘發徑跡密度和標準徑跡密度；Ns、Ni、Nd分別為自發徑跡數、誘發徑跡數和標準徑跡數；P為檢驗的概率。年齡和平均徑跡長度的誤差取±1σ。

本次研究中采用的是AFT Slove軟件。在模擬過程中，選擇以下參數：限制任意搜索項(CRS)，曲線擬合采用Monte Carlo算法，擬合曲線數選取20 000條，約束條件為地層年齡、已知確定的可能隆升階段及地表溫度(20℃)。在條件設定基礎上，軟件通過階梯式近似法生成若干溫度-時間熱史模擬曲線，并將模擬曲線劃分為“可以接受的”、“好的”、“最佳的”3類，并給出相應的K-S和GOF檢驗值。其中，K-S檢驗值表示徑跡長度模擬值與觀測值之間的吻合程度，GOF檢驗值表示徑跡年齡模擬值和觀測值之間的吻合程度，二值越高越好。據此，結合實際地質演化史和模擬結果，將正演結果與實測的徑跡長度、年齡值進行比較，尋取最優目標函數和最優正演模擬，最終分析獲得最佳結果。

鉆井及測井資料顯示，701號樣品所在的PL9-1-5井上覆館陶組厚度168.5 m，明化鎮組厚度631 m，平原組厚度500 m；704號樣品所在的PL9-1-13井上覆館陶組厚度155 m，明化鎮組厚度為803 m，平原組厚度500 m。據此設置本次模擬研究中潛山花崗巖的熱史限制條件。同時，設定古地表溫度為20℃；根據區域地層對比和古生物研究成果，將館陶組的初始沉積時間定為23.3 Ma B.P.；現今實測地溫梯度31.8℃/km，假定古地溫梯度與現今地溫梯度大致相同。

根據實測樣品的徑跡年齡、徑跡長度、徑跡分布、地層厚度和其他約束條件，采用AFT Slove軟件模擬所獲得的樣品的溫度-時間熱史軌跡如圖3所示。其中，實測樣品701號的池年齡為49.0±6 Ma，裂變徑跡長度為11.2±1.8 μm，利用AFT Solve軟件模擬的池年齡為49.6±4 Ma，裂變徑跡長度為11.3±1.8 μm，模擬的數學K-S檢驗值為100%，年齡擬合程度為98%；實測樣品704號的池年齡為40.0±5 Ma，裂變徑跡長度為11.7±1.8 μm，利用AFT Solve軟件模擬的池年齡為41.1±4 Ma，裂變徑跡長度為10.9±1.8 μm，模擬的數學K-S檢驗值為87%，年齡擬合程度為93%。2個樣品的K-S檢驗值與GOF檢驗值均較高。

4討論與結論

圖3　磷灰石徑跡溫度-時間歷史軌跡以及實測與模擬長度分布圖Fig.3　History of temperature-time of apatite track and the distribution of measured and simulated length results(A)樣品701,PL9-1-5井,深度1 383.5~1 384.1 m; (B)樣品704,PL9-1-13井,深度1 516.3~1 516.8 m

從熱史模擬軌跡圖中不難發現，樣品701號與704號模擬結果的最佳曲線有著較高程度的相似性(圖3)。2個樣品的模擬結果均顯示，潛山花崗巖以23.3 Ma B.P.為轉換點，在23.3 Ma B.P.之前經歷了快速隆升[(70.7~63.4 Ma B.P.)—(59.3~53.5 Ma B.P.)]→構造穩定[(59.3~53.5 Ma B.P.)—(35.5~33.5 Ma B.P.)]→快速隆升[(35.5~33.5 Ma B.P.)—23.3 Ma B.P.]的總體隆升過程；23.3 Ma B.P.之后則進入構造反轉期，由快速隆升轉為緩慢沉降，潛山上覆館陶組、明化鎮組、平原組均在此期間沉積。

值得注意的是，701號與704號樣品的溫度-時間熱史模擬結果中，在3.8~2.6 Ma B.P.期間，即明化鎮組沉積末期均出現明顯的溫度突變現象，表現在溫度-時間熱史軌跡形態上為一個較明顯的曲線下凹(圖3)。這樣的溫度突變，是研究區潛山花崗巖在地質歷史上曾受到過明顯熱擾動的證據。究其原因，無外乎為由構造變動引起的潛山花崗巖快速沉降或異常熱源的影響。顯而易見，在2個磷灰石溫度-時間模擬結果中，701號樣品的溫度-時間熱史曲線從3.8 Ma B.P.時的42.9℃升到3.2 Ma B.P.的94.2℃，若以潛山花崗巖的快速沉降論，取31.8℃/km地溫梯度，14.4~3.2 Ma B.P.沉積時期(對應于明化鎮組)的沉積厚度應當高達1 127 m，與前述實際測井分層數據顯示的明化鎮組厚度僅為631 m相差甚遠。706號樣品亦復如是。由此可見，這樣的溫度突變現象不可能是由于潛山花崗巖的快速沉降所引起的。

結合研究區地質背景，磷灰石裂變徑跡樣品取自潛山花崗巖裂縫帶與基巖帶儲層，裂縫發育，流體運移方便，則外來高溫流體的充注必然是影響地溫變化最可能的熱能來源。參照現今潛山花崗巖油藏的主力油層埋深，磷灰石裂變徑跡樣品取樣深度恰在此范圍之內，可以認為，磷灰石裂變徑跡溫度-時間熱史軌跡中的溫度突變極有可能是由于油氣充注引起的。溫度-時間熱史軌跡圖中，溫度突變發生于明化鎮組沉積末期。在溫度-時間熱史軌跡圖中，701號與704號樣品在3.8~2.6 Ma B.P.期間熱突變開始時的起始溫度分別為42.9℃、40.8℃，而液態烴生成的溫度范圍為60~120℃[15]，明顯高于溫度-時間熱史軌跡圖中溫度開始發生劇變時的溫度。因此，當石油充注于潛山花崗巖儲層時，必然引起儲層溫度的顯著上升；待充注的石油與儲層完成充分的熱交換后，儲層溫度又會趨向穩定。這樣的變化過程，與溫度-時間熱史模擬圖中的溫度-時間軌跡變化正好符合。因而，這個溫度的突變可能是油氣充注所引起。烴源巖的油氣生成史從另一個側面也證實了這種可能性。從油氣的生成史來看，早在明化鎮組下段沉積末期，即5.3 Ma B.P.前后，鄰近渤東凹陷沙河街組烴源巖基本已進入生烴門限，Ro>0.5%，生烴中心沙河街組烴源巖Ro≈0.7%，進入大量生排烴階段；廟西凹陷沙河街組烴源巖Ro>0.5%，也開始進入生烴門限。也就是說，在5.3 Ma B.P.前后2個凹陷的油氣才開始形成并發生初次運移，其二次運移和成藏的時間必定晚于生烴時間或與生烴時間相近?，F今實際鉆井、測井資料顯示，研究區潛山花崗巖油藏主要含油層系均位于明化鎮組下段以下的層位，這也說明，潛山花崗巖油藏的油氣成藏時間應當在明化鎮組下段沉積結束后，即5.3 Ma B.P.之后。

2個磷灰石樣品的溫度-時間熱史軌跡顯示，701號樣品溫度-時間熱史軌跡從3.8 Ma B.P.開始發生，到3.2 Ma B.P.溫度上升到最高，到2.6 Ma B.P.趨于穩定；704號樣品溫度-時間熱史軌跡從3.7 Ma B.P.開始發生，同樣在3.2 Ma B.P.時溫度達到最高，到2.8 Ma B.P.溫度穩定。由此可見，實際模擬的溫度-時間熱史軌跡顯示的油氣充注時間，也在5.3 Ma B.P.之后。

綜上所述，2個磷灰石裂變徑跡模擬的溫度-時間熱史軌跡在約3.8~2.6 Ma B.P.期間的溫度突變為蓬萊9-1潛山花崗巖油藏的油氣充注期，其主成藏期在3.2 Ma B.P.前后。

5結 論

a.渤海灣蓬萊9-1潛山花崗巖在23.3 Ma B.P.之前，經歷了快速隆升→構造穩定→快速隆升的總體隆升過程，23.3 Ma B.P.之后則轉為緩慢沉降。

b.蓬萊9-1潛山花崗巖溫度-時間熱史軌跡表明，油氣成藏期為3.8~2.6 Ma B.P.期間，其中3.2 Ma B.P.為主成藏期。

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Thermochronologic constraints on hydrocarbon accumulation period

of the Penglai 9-1 granite buried-hill oil pool in Bohai, China

LIU Wei1, WANG Guo-zhi1, FAN Lei1, XU Ya-fei2, TANG Xiao-ting2

1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;

2.The4thOilProductionFactory,ZhongyuanOilfield,SINOPEC,Puyang457176,China

Abstract:The research of pool-forming period is always a difficult subject in petroleum geology. Apatite fission track technology and thermal history simulation are used to determine the hydrocarbon accumulation period accurately. Two apatite samples from fissured zone and fresh basement zone in Penglai 9-1 buried-hill in Bohai area are selected to analysis the length, age and distribution of track, then to obtain the thermal history by imitating via AFT Solve software. The results indicate that there is abnormal thermal disturbance because of the hydrocarbon accumulation happened during 3.8~2.6 Ma B.P.. The unusual temperature turned to be highest when the time is 3.2 Ma. Based on the starting time of the temperature disturbance, 3.8~2.6 Ma B.P. is considered as the hydrocarbon accumulation period of the Penglai 9-1 granite buried-hill oil pool, and the main period is 3.2 Ma B.P..

Key words:Penglai 9-1; granite buried-hill; main pool-forming period; apatite; fission track

[文獻標志碼][分類號] TE122.222; P597.3 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.04

[文章編號]1671-9727(2016)01-0044-06

[收稿日期]2014-11-17。

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41273060)。

[第一作者] 劉偉(1986-),男,碩士研究生,研究方向：含油氣盆地分析, E-mail:290991565@qq.com。

[通信作者]王國芝(1964-),男,博士,教授,研究方向：地質流體與成巖成礦, E-mail:wangguozhi66@163.com。