蓬莱9-1潜山花岗岩油藏成藏时间的裂变径迹热年代学约束

刘　伟, 王国芝, 范　蕾, 徐亚飞, 唐晓挺

(1.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059； 2.中国石化 中原油田采油四厂，河南 濮阳 457176)



蓬莱9-1潜山花岗岩油藏成藏时间的裂变径迹热年代学约束

刘伟1, 王国芝1, 范蕾1, 徐亚飞2, 唐晓挺2

(1.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059； 2.中国石化 中原油田采油四厂，河南 濮阳 457176)

[摘要]油气藏成藏时间的确定一直是石油地质研究领域的难点。该文利用磷灰石裂变径迹测龄及温度-时间热史模拟技术探索了如何精确限定油气藏的成藏时间。从渤海蓬莱9-1潜山花岗岩储层裂缝带和基岩带分别获取2件磷灰石样品，根据磷灰石裂变径迹的长度、年龄和径迹分布，利用AFT Solve软件模拟获得了它们的温度-时间热史轨迹。2件样品相似的温度-时间热史轨迹表明，在3.8~2.6 Ma B.P.期间，由于受石油流体充注的影响，样品发生异常热扰动和温度突变，在3.2 Ma B.P.时期受扰动的温度达到最大。根据受异常热扰动的起始时间，确定蓬莱9-1潜山花岗岩石油充注时间为3.8~2.6 Ma B.P.，油气藏的主成藏期为3.2 Ma B.P.。

[关键词]蓬莱9-1;潜山花岗岩;油藏;成藏期;磷灰石;裂变径迹

油气成藏期是油气成藏研究中的难点，也是油气勘探开发研究中的关键问题之一[1-5]。油气成藏期研究方法以传统的圈闭形成时间[6-8]、生排烃史[7,8]、饱和压力与露点压力分析法[5-8]，以及新兴的储层矿物同位素测龄[3,6,8-10]、流体包裹体[3,4,6,8,10]、有机地球化学[5,8,9]、油气水界面追溯[4,5,7]、储层固体沥青[3,4,6]、油田卤水碘同位素测龄[3,4]、油储磁性矿物古地磁学[3-5]等分析方法为主。除了同位素测龄能精确确定油气成藏时间外，大多数方法只能定性或大致确定油气成藏时间范围，而且不同的研究方法所获得的油气藏形成时间仍具有一定的不确定性和多解性[8-10]，因而，油气成藏期研究仍是石油地质学研究领域的薄弱环节[2]。

磷灰石裂变径迹技术作为一种成熟的热年代学分析研究手段，被广泛地用于沉积盆地热演化史模拟[11]、地质构造演化[12]、沉积物源分析[11,13]、油气勘探[14]等领域。同时，由于磷灰石自发裂变径迹的退火温度区间(60~120℃)和时间区间(1~100 Ma B.P.)与液态烃生成的温度、时间区间正好一致[15]，因而，磷灰石裂变径迹被广泛用于油气成藏历史的定量评价中。本文尝试利用磷灰石裂变径迹测龄及温度-时间热史模拟技术对油气藏成藏时间进行较为精确的限定。

1区域地质背景

蓬莱9-1构造潜山位于渤海湾盆地庙西北凸起至渤东凹陷东部斜坡之上，主要由古元古代辽河群变质岩和燕山期花岗岩构成，其顶面具有南北两侧2个元古界大山，中间为宽缓的鞍部，其中潜山鞍部的花岗岩油藏约占蓬莱9-1油田储量的80%[16]。潜山花岗岩油藏储层类型主要为风化壳储层，储集空间类型具有孔-缝双重介质性质，在垂向上具有明显的分带性，从上到下依次为砂质风化带、砾质风化带、裂缝带、基岩带，受风化作用控制明显。油层主要呈似层状分布，为不规则的“似层状油藏”(图1)。通过对潜山花岗闪长岩、二长花岗岩分别选取其中的锆石，采用LICP-MS测龄技术进行U-Pb同位素测龄，分别获得163 Ma和164 Ma的同位素年龄，属于中侏罗世，为燕山期侵入，与中国东部地区广泛分布的花岗岩形成时代相当[16]。新近系直接披覆于潜山花岗岩之上，从上至下，依次为平原组(N2p)、明化镇组(N2m)、馆陶组(N1g)。

2样品特征及分析测试

2.1样品特征

图1　PL9-1-3井-PL9-1-4井油藏剖面图Fig.1　Oil reservoir profile of Well PL9-1-3 to Well PL9-1-4(据中海油天津分公司渤海勘探研究院，2012)

图2　裂变径迹取样位置图Fig.2　Sampling locations for fission track analysis(据中海油天津分公司渤海勘探研究院，2012)A.二长花岗岩分布区; B.花岗闪长岩分布区; D.变质岩分布区

本次研究所采集的2件磷灰石裂变径迹样品分别来自潜山花岗岩裂缝带和基岩带储层(图2)的花岗岩岩心样品。其中，701号样品取自PL9-1-5井1 383.5～1 384.1 m深度的裂缝带，704号样品取自PL9-1-13井1 516.3～1 516.8 m深度的基岩带，两岩心样品均含油。现今钻井、取心、测井等资料显示，潜山花岗岩油藏主力油层深度约为1 260～1 600 m，而研究中2样品取样深度均在此深度范围之内。研究区裂缝带与基岩带储层裂缝发育，易于油气运聚，取样深度处于主力油层深度范围，油气充填度较高，且所采集到岩心样品均含油，说明所采集的磷灰石裂变径迹样品在地质历史上曾充分接受了油气充注成藏的热影响。同时，虽然潜山花岗岩储层发育受风化作用控制明显，但裂缝带与基岩带储层埋深大，基本脱离了风化作用波及范围，因此该带磷灰石样品受风化作用影响较小。综上所述，本次研究所采集的磷灰石裂变径迹样品既充分记录了潜山花岗岩油气成藏的热影响，又极少受到后期地质作用改造，是理想的分析模拟样品。

2.2分析测试

首先将采集的岩石样品粉碎，样品经粉碎后的粒径应与岩石中矿物粒度相适应，经传统方法粗选后，利用电磁选、重液选等方法，分选出足够数量的磷灰石单矿物。再将磷灰石颗粒置于玻璃片上，用环氧树脂滴固，然后进行研磨和抛光，使矿物内表面露出。接着在25℃下用7% HNO3蚀刻30 s，揭示自发径迹;将低铀白云母外探测器与矿物一并放入反应堆辐照，之后在25℃下40% HF蚀刻20 s，揭示诱发径迹，中子注量利用CN5铀玻璃标定。最后，根据IUGS推荐的ξ常数法和标准裂变径迹年龄方程计算年龄值(表1)。

如前所述，潜山花岗岩形成于约163~164 Ma B.P.。通过裂变径迹获得的样品中值年龄最大为40±5 Ma(表1)，远远小于潜山花岗岩的形成年龄，说明所有样品经历了完全退火，其裂变径迹是由于后期构造抬升后再度冷却，并重新累计的结果。

3温度-时间热史模拟

表1　磷灰石裂变径迹分析结果

ρs、ρi、ρd分别为自发径迹密度、诱发径迹密度和标准径迹密度；Ns、Ni、Nd分别为自发径迹数、诱发径迹数和标准径迹数；P为检验的概率。年龄和平均径迹长度的误差取±1σ。

本次研究中采用的是AFT Slove软件。在模拟过程中，选择以下参数：限制任意搜索项(CRS)，曲线拟合采用Monte Carlo算法，拟合曲线数选取20 000条，约束条件为地层年龄、已知确定的可能隆升阶段及地表温度(20℃)。在条件设定基础上，软件通过阶梯式近似法生成若干温度-时间热史模拟曲线，并将模拟曲线划分为“可以接受的”、“好的”、“最佳的”3类，并给出相应的K-S和GOF检验值。其中，K-S检验值表示径迹长度模拟值与观测值之间的吻合程度，GOF检验值表示径迹年龄模拟值和观测值之间的吻合程度，二值越高越好。据此，结合实际地质演化史和模拟结果，将正演结果与实测的径迹长度、年龄值进行比较，寻取最优目标函数和最优正演模拟，最终分析获得最佳结果。

钻井及测井资料显示，701号样品所在的PL9-1-5井上覆馆陶组厚度168.5 m，明化镇组厚度631 m，平原组厚度500 m；704号样品所在的PL9-1-13井上覆馆陶组厚度155 m，明化镇组厚度为803 m，平原组厚度500 m。据此设置本次模拟研究中潜山花岗岩的热史限制条件。同时，设定古地表温度为20℃；根据区域地层对比和古生物研究成果，将馆陶组的初始沉积时间定为23.3 Ma B.P.；现今实测地温梯度31.8℃/km，假定古地温梯度与现今地温梯度大致相同。

根据实测样品的径迹年龄、径迹长度、径迹分布、地层厚度和其他约束条件，采用AFT Slove软件模拟所获得的样品的温度-时间热史轨迹如图3所示。其中，实测样品701号的池年龄为49.0±6 Ma，裂变径迹长度为11.2±1.8 μm，利用AFT Solve软件模拟的池年龄为49.6±4 Ma，裂变径迹长度为11.3±1.8 μm，模拟的数学K-S检验值为100%，年龄拟合程度为98%；实测样品704号的池年龄为40.0±5 Ma，裂变径迹长度为11.7±1.8 μm，利用AFT Solve软件模拟的池年龄为41.1±4 Ma，裂变径迹长度为10.9±1.8 μm，模拟的数学K-S检验值为87%，年龄拟合程度为93%。2个样品的K-S检验值与GOF检验值均较高。

4讨论与结论

图3　磷灰石径迹温度-时间历史轨迹以及实测与模拟长度分布图Fig.3　History of temperature-time of apatite track and the distribution of measured and simulated length results(A)样品701,PL9-1-5井,深度1 383.5~1 384.1 m; (B)样品704,PL9-1-13井,深度1 516.3~1 516.8 m

从热史模拟轨迹图中不难发现，样品701号与704号模拟结果的最佳曲线有着较高程度的相似性(图3)。2个样品的模拟结果均显示，潜山花岗岩以23.3 Ma B.P.为转换点，在23.3 Ma B.P.之前经历了快速隆升[(70.7~63.4 Ma B.P.)—(59.3~53.5 Ma B.P.)]→构造稳定[(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.]的总体隆升过程；23.3 Ma B.P.之后则进入构造反转期，由快速隆升转为缓慢沉降，潜山上覆馆陶组、明化镇组、平原组均在此期间沉积。

值得注意的是，701号与704号样品的温度-时间热史模拟结果中，在3.8~2.6 Ma B.P.期间，即明化镇组沉积末期均出现明显的温度突变现象，表现在温度-时间热史轨迹形态上为一个较明显的曲线下凹(图3)。这样的温度突变，是研究区潜山花岗岩在地质历史上曾受到过明显热扰动的证据。究其原因，无外乎为由构造变动引起的潜山花岗岩快速沉降或异常热源的影响。显而易见，在2个磷灰石温度-时间模拟结果中，701号样品的温度-时间热史曲线从3.8 Ma B.P.时的42.9℃升到3.2 Ma B.P.的94.2℃，若以潜山花岗岩的快速沉降论，取31.8℃/km地温梯度，14.4~3.2 Ma B.P.沉积时期(对应于明化镇组)的沉积厚度应当高达1 127 m，与前述实际测井分层数据显示的明化镇组厚度仅为631 m相差甚远。706号样品亦复如是。由此可见，这样的温度突变现象不可能是由于潜山花岗岩的快速沉降所引起的。

结合研究区地质背景，磷灰石裂变径迹样品取自潜山花岗岩裂缝带与基岩带储层，裂缝发育，流体运移方便，则外来高温流体的充注必然是影响地温变化最可能的热能来源。参照现今潜山花岗岩油藏的主力油层埋深，磷灰石裂变径迹样品取样深度恰在此范围之内，可以认为，磷灰石裂变径迹温度-时间热史轨迹中的温度突变极有可能是由于油气充注引起的。温度-时间热史轨迹图中，温度突变发生于明化镇组沉积末期。在温度-时间热史轨迹图中，701号与704号样品在3.8~2.6 Ma B.P.期间热突变开始时的起始温度分别为42.9℃、40.8℃，而液态烃生成的温度范围为60~120℃[15]，明显高于温度-时间热史轨迹图中温度开始发生剧变时的温度。因此，当石油充注于潜山花岗岩储层时，必然引起储层温度的显著上升；待充注的石油与储层完成充分的热交换后，储层温度又会趋向稳定。这样的变化过程，与温度-时间热史模拟图中的温度-时间轨迹变化正好符合。因而，这个温度的突变可能是油气充注所引起。烃源岩的油气生成史从另一个侧面也证实了这种可能性。从油气的生成史来看，早在明化镇组下段沉积末期，即5.3 Ma B.P.前后，邻近渤东凹陷沙河街组烃源岩基本已进入生烃门限，Ro>0.5%，生烃中心沙河街组烃源岩Ro≈0.7%，进入大量生排烃阶段；庙西凹陷沙河街组烃源岩Ro>0.5%，也开始进入生烃门限。也就是说，在5.3 Ma B.P.前后2个凹陷的油气才开始形成并发生初次运移，其二次运移和成藏的时间必定晚于生烃时间或与生烃时间相近。现今实际钻井、测井资料显示，研究区潜山花岗岩油藏主要含油层系均位于明化镇组下段以下的层位，这也说明，潜山花岗岩油藏的油气成藏时间应当在明化镇组下段沉积结束后，即5.3 Ma B.P.之后。

2个磷灰石样品的温度-时间热史轨迹显示，701号样品温度-时间热史轨迹从3.8 Ma B.P.开始发生，到3.2 Ma B.P.温度上升到最高，到2.6 Ma B.P.趋于稳定；704号样品温度-时间热史轨迹从3.7 Ma B.P.开始发生，同样在3.2 Ma B.P.时温度达到最高，到2.8 Ma B.P.温度稳定。由此可见，实际模拟的温度-时间热史轨迹显示的油气充注时间，也在5.3 Ma B.P.之后。

综上所述，2个磷灰石裂变径迹模拟的温度-时间热史轨迹在约3.8~2.6 Ma B.P.期间的温度突变为蓬莱9-1潜山花岗岩油藏的油气充注期，其主成藏期在3.2 Ma B.P.前后。

5结 论

a.渤海湾蓬莱9-1潜山花岗岩在23.3 Ma B.P.之前，经历了快速隆升→构造稳定→快速隆升的总体隆升过程，23.3 Ma B.P.之后则转为缓慢沉降。

b.蓬莱9-1潜山花岗岩温度-时间热史轨迹表明，油气成藏期为3.8~2.6 Ma B.P.期间，其中3.2 Ma B.P.为主成藏期。

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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

[文献标志码][分类号] TE122.222; P597.3 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.04

[文章编号]1671-9727(2016)01-0044-06

[收稿日期]2014-11-17。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41273060)。

[第一作者] 刘伟(1986-),男,硕士研究生,研究方向：含油气盆地分析, E-mail:290991565@qq.com。

[通信作者]王国芝(1964-),男,博士,教授,研究方向：地质流体与成岩成矿, E-mail:wangguozhi66@163.com。