拉石褶皱和冲断带中油气的生成和运移.docx
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拉石褶皱和冲断带中油气的生成和运移
运用构造和盆地热演化模型评价奥地利阿尔卑斯
中东部磨拉石褶皱和冲断带中油气的生成和运移
JuergenGusterhuber等
摘要：
磨拉石盆地代表了阿尔卑斯北部的前陆盆地。
经过几十年的勘探，该盆地已成为成熟的油气勘探盆地。
然而，其南端叠瓦状构造（磨拉石褶皱和冲断带）的地质演化和含油气潜力仍然知之甚少。
在这项研究中，整合构造模型和含油气系统模型，研究了奥地利磨拉石盆地西部Perwang叠瓦状构造的含油气潜力。
构造模型表明，模拟的南-北向剖面中，总的构造收缩至少为32.3 km（20.1 mi），这为含油气系统模型提供了真实的输入数据。
地层温度呈现出现今热流向南减少，从60mW/m2减少到41 mW/m2。
成熟度数据表明，极低的古热流向南减少，从43mW/m2减少到28 mW/m2。
现今热流较高可能说明上新世和更新世期间热流量增加。
除了叠瓦状构造带下伏生成的石油和捕获了前陆区原地磨拉石层的石油以外，Perwang叠瓦状构造中的油迹及烃源岩的相关分析还证实了基于叠瓦状构造内生成油气的二次运移体系。
这个推测也得到了本项研究所生成模型的支持。
然而，由模型推导的低转换速率（20%）说明存在油气充注的风险。
此外，将来勘探的成功与否很大程度上取决于充注期间沿逆冲断层面运移通道的存在与否和近代盆地抬升期间潜在圈闭完整性的保存程度。
1前言
该磨拉石盆地是一个新生代前陆盆地，位于阿尔卑斯山以北（图1A）。
始新世至中新世的磨拉石沉积岩覆盖在白垩纪到侏罗纪层系和波希米亚地块结晶基底之上（如Malzer等，1993）。
经过几十年的石油勘探和近200个新发现，该磨拉石盆地的油气勘探趋于成熟（Voron,2005）。
该盆地的奥地利辖区有两个相当清晰的含油气系统（Wagner,1996,1998）:
（1）热成因含油气系统，以渐新统烃源岩为基础；其在阿尔卑斯推覆体之下达到生油窗（Schmidt和Erdogan,1993;Schulz等,2002;Sachsenhofer和Schulz,2006;Gratzer等,2011）；
（2）生物成因干气系统，其仅限于渐新统和中新统层系（Schulz和vanBerk,2009;Schulz等,2009;Reischenbacher和Sachsenhofer,2011）。
与这个磨拉石盆地大体上未变形的部分相反，对于最南端的褶皱和叠瓦状构造区域（图1）仍然知之甚少，其油气潜力尚未得到充分开发。
新近的钻井，三维地震数据，以及平衡技术的应用极大地提高了对该磨拉石叠瓦状构造的认识（Linzer,2001,2002,2009;Covault等,2009）。
根据构造运动的时间，拆离层的位置，以及叠瓦状构造的几何形态，在盆地的奥地利辖区，沿地层走向可以确定三个不同的叠瓦状构造体系（Hinsch和Linzer,2010）。
Perwang西部叠瓦状滑脱构造（位置见图1A），位于上白垩统泥灰岩层。
东部两个叠瓦状构造体系中，滑脱构造位于渐新统烃源岩层系之上。
因此，逆冲岩席中烃源岩的存在仅限于Perwang叠瓦状构造。
本项研究的主要目的是侧重于褶皱和冲断带对盆地南缘磨拉石叠瓦状构造之内和之下含油气系统的影响。
为了达到这个目的，在Perwang叠瓦状构造东缘，沿南-北横剖面建立了一个二维热演化盆地模型（图1A）。
考虑到逆冲岩席复杂的水动力演化，热演化盆地模型是以构造正演模型为基础。
磨拉石盆地的近代抬升和侵蚀使得盆地结构更加复杂。
Gusterhuber等人（2012）运用抬升数据研究了热演化盆地模型中的这种效应。
图1（A）研究区地质概略图（地下叠瓦状磨拉石构造轮廓线）；Perwang叠瓦构造附近的二维剖面线（A-B），以及研究中假设构造模型是有效的，而且热演化模型对于满足热演化史（黄色阴影区）可能很重要的区域；井位（大约是2010年的状态）；插图（左上方）反映了研究区的位置。
黑色三角形表示校准的井位。
（B）二维地震剖面，覆盖层解解结果，包括校准的井和主要大地构造单元。
（C）综合构造正演模型，通常认为对于确定运移通道和重要地层单元，如始新统储集岩（金黄色）和烃源岩（深灰色）是有效的。
2地质背景
2.1盆地演化
该磨拉石盆地是早第三纪中期阿尔卑斯造山运动体系与欧洲地台南缘碰撞而形成（Roeder和Bachmann,1996;Sissingh,1997）。
根据盆地南部的深度朝阿尔卑斯冲断层前缘方向增加判断，这是一个典型的不对称前陆盆地。
磨拉石层序的基底由波希米亚地块的结晶岩构成，上覆侏罗系砂岩和台地相碳酸盐岩，以及上白垩统砂岩和泥灰岩。
局部地区，二叠纪-石炭纪地堑沉积成为中生代层序的基底（图2）。
新生代层序在结构上可细分成原地磨拉石层系和异地磨拉石层系（Steininger等,1986）。
原地磨拉石层系覆盖在结晶基底或中生代岩层之上，且基本未受扰动。
异地磨拉石层系（包括磨拉石叠瓦状构造）由插入阿尔卑斯冲断带、后续构造移入南部原地层序并位于原地层序之上的岩层构成。
图2磨拉石盆地奥地利辖区的地层（据Wagner,1998修改）
抬升和侵蚀留下一个准平原，始新世末期和渐新世初期，类特提斯海渐进地侵入这个准平原。
在这个阶段，该地区迅速地沉降成深水条件，并伴随东-西及北北西-南南东走向断裂体系的发育，这些断裂体系是由于欧洲板块向下弯曲诱发的（Wagner,1996,1998）。
细颗粒、通常富含有机质的沉积物沉积于鲁培尔期的深水环境［约800m（2600ft）;Dohmann,1991］。
在晚渐新世和中新世早期，磨拉石叠瓦状构造的形成引起的阿尔卑斯楔形体向北运动，并使源自南方的沉积物输入量增强（Kuhlemann和Kempf,2002）。
沿磨拉石盆地的轴形成了深水通道体系（Puchkirchen海槽;Linzer,2002;DeRuig和Hubbard,2006）。
深海沉积物向北逐渐变成含盐的粘土、砂及含煤的层系（Krenmayer,1999）。
同时，在阿尔卑斯楔形体顶部沉积了陆相砾岩和砂岩（Augenstein组）。
目前，阿尔卑斯山北部高原的钙质沉积物是这些沉积物唯一保存下来的少量残余物（Frisch等,2001）。
波尔迪早期Hall组下部沉积期间，沿盆地轴部继续维持深水条件。
此后，前积三角洲底部Hall海槽开始填充（Hinsch,2008;Hubbard等,2009;Grunert等,2013）。
Innviertel群上波尔迪的沉积物以潮汐控制的粉砂和含盐的冲积砂为特征（Roegl,1998;Grunert等,2012）。
这套层系指示盆地中海相沉积的终止。
在一个较大的间断之后，沉积了一套数百米厚的层序（图2），由含煤粘土、砂及河流砂砾（上部淡水磨拉石）构成。
今天，这些中-上中新世岩层多半已被侵蚀，因为大约在9Ma开始出现一次较大的抬升（Gusterhuber等,2012）。
2.2含油气系统
传统上，慕尼黑东部的磨拉石盆地分为两个含油气系统：
（1）下渐新统-中生代热成因含油气系统；
（2）渐新统-中新统生物成因气系统（Wagner,1996,1998）。
不过本项研究不涉及生物气系统。
2.2.1含油气系统1
上始新统底部砂岩是最重要的储油层，还有热成因气（图2）。
上始新统碳酸盐岩，以及中生代和下渐新统层序中也有含油气圈闭（Malzer等,1993）。
几乎所有的磨拉石盆地热成因的油气圈闭描述都提及数百米垂直断距的断裂体系特征（Nachtmann,1995）
磨拉石盆地潜在的烃源岩仅限于下渐新统层系，从底至顶有Schoeneck组、Dynow组及Eggerding组（表1）（Schulz等,2002;Sachsenhofer和Schulz,2006;Sachsenhofer等,2010）。
深水富含有机质页岩和Schoeneck组泥灰岩的烃源潜力最大。
上覆Dynow组由三套沉积旋回构成，每个沉积旋回都是从硬泥灰岩开始，然后渐变成富含有机质的页岩（Schulz等,2004）。
Eggerding组由灰色薄层泥质岩构成（Sachsenhofer等,2010）。
表1下渐新统烃源岩特性*
地层
平均厚度（m）
TOC（%）
HI（mgHC/gTOC）
Eggerding组
合并的烃源岩段
35-50
1.5-6.0
250-400
Dynow组
5-15
0.5-3.0
500-600
Schoeneck组
10-20
2.0-12.0
400-600
合并的烃源岩段
3
450
Oberhofen相
～50
～1.3
400
据Schulz等（2002），Sachsenhofer和Schulz（2006），以及Sachsenhofer等（2010）的数据修改。
lOC=总有机碳;HI=含氢指数
下渐新统岩层的现今分布受海底块体运动的控制（这些块体运动对前陆盆地的北部被动斜坡有影响），同时又受构造侵蚀的控制。
块体运动在烃源岩段结束沉积之后不久达到峰值，当时北部斜坡局部厚度达到70m（229ft）（Sachsenhofer等,2010）的渐新统层序被重力流剥蚀，重新沉积在盆地斜坡的低处，目前位于阿尔卑斯推覆体之下。
这样再沉积的烃源岩（称为Oberhofen相）在Lindach断层西部占优势（见图3A）。
而具有正常烃源岩相的下渐新统层系在这条断层东部的原地磨拉石层系中及Perwang叠瓦构造的西部均钻遇（Sachsenhofer和Schulz,2006;Sachsenhofer等,2011）。
注意，与正常烃源岩相相比，Oberhofen相烃源岩的潜力小一些（表1）（Sachsenhofer和Schulz,2006）。
前陆区原油的生物标志物和同位素组成均反映出原地磨拉石盆地层序（Lindach断层以西：
Oberhofen相；Lindach断层以东：
正常相）中不同的源岩相。
Gratzer等人（2011）的研究表明，研究区西部冲断层下方生成的油（以及在前陆区储集岩中找到的油）中的含硫生物标志物含量略多一些，而且这些油中的13C含量略高一些。
本文中将这类油称作A型油，而正常相生成的油称作B型油（图3A）。
B型油的DBT/Ph（二苯并噻吩与菲）比值非常低，说明还原硫进入有机质的有效性是有限的（Hughes等,1995）。
东-西向的异常包括Mlrt1井的油（图3A,B）、磨拉石叠瓦状构造正北方下渐新统砂岩中的石油聚集以及Perwang叠瓦状构造中的油迹[Oberhofenl（Obhf）1井;图3A,B;Gratzer等,2011;R.Gratzer,2012]，这些油呈现为B型油的特点。
2.2.2含油气系统2
渐新统-中新统Puchkirchen组和Hall组的同环境轻质气很可能由于细菌活动而生成（Malzer等,1993;Schulz和vanBerk,2009;Schulz等,2009）。
在Puchkirchen体系和Hall体系的不同亚相中都发现了有产能的油气藏（DeRuig和Hubbard,2006;Hubbard等,2009）。
图3（A）磨拉石盆地奥地利辖区原油生物标志物参数的空间分布（灰色阴影区为所研究的油田）（据Gratzer等,2011修改）；二维剖面线。
（B）图1B中地震剖面解释略图，及粗略估计的储集层压力梯度。
3数据及方法
3.1横剖面正演模型
Hinsch等人曾根据三维地震和录井数据、解释结果以及剖面平衡对叠瓦状磨拉石的构造运动学演化进行了评估（Hinsch和Linzer,2010;Hinsch,2013）。
运用横剖面恢复结果约束模拟Perwang叠瓦状构造演化的正演模型，尤其是Attergau区（图3A）。
选择正演模型法可略微简化大范围区域的构造演化。
此外，该方法可包含被侵蚀的沉积物，以及用其它方法不能描述的平衡和恢复剖面的早期演化阶段。
运用标准的综合断层-滑动算法和软件包LithoTect（version5000.0.1.0;HalliburtonLandmark,2010）进行了正演模拟。
LithoTect的正演模拟不能用于早渐新世至今。
单独的模拟步骤要么表现了变形增量，要么表现了造山运动前沿演化中的重要时间步。
为了模拟沉降、侵蚀及同构造期的沉积作用，中间模型增量通过手动编辑完成。
剖面的建模仅仅是以运动学特征为基础。
而个别的变形增量通过手动调整，以反映更真实的伪运动演化。
每一个变形增量之后增加沉降、侵蚀以及同构造期沉积，以体现已知的或似是而非的古地理条件，如同相分布一样。
上述论证详见下文。
因此，所介绍的模型起了具地球动力学背景的运动模型的作用。
充分的地球动力学建模远远超出了本项研究的范畴。
此外，太多的参数未知或不确定（例如，增生楔力学参数的分布，岩相分布，以及基底），而且结果对于本项研究的目标可能不太适用。
通常，单独模拟增量之后有以下几种做法：
（1）略微调整挠曲性载荷前陆板块的形态；
（2）重建一个相对海平面；（3）评估侵蚀和沉积作用。
手动调整采用的几个约束条件是：
（1）挠曲性载荷前陆板块的形态接近Andeweg和Cloetingh（1998）在文中所描述的形态。
他们的C剖面大致相当于我们研究区的位置。
每一次增加变形增量后，我们模型中挠曲的前陆板块凸出部分呈现出轻微地向北移动，而且受前移楔形体的影响，局部倾斜度有些增加。
因此，Andeweg和Cloetingh（1998）所模拟剖面的形态起了大致的引导作用，必须在有限变形状态（现今）下实现。
（2）要留意所给出的造山运动楔形体形态在视觉上是合理的几何形态，最近获得的古海平面和盆地形态都是根据已知时间步长的相分布得到的（参见Wagner,1996;Roegl,1998;Kuhlemann和Kempf,2002;DeRuig和Hubbard,2006;Bernhardt等,2012;Grunert等,2012,2013）。
（3）地形高点（达到海平面或呈现为陡坡的区域）都是手动侵蚀。
侵蚀沉积物的量大约等于在深海海槽沉积的量。
3.2热演化盆地建模
盆地建模集成了地质、地球物理和地球化学特性。
借助于这些特性，可以计算温度、压力演化以及油气的生成和运移（Welte和Yukler,1981;Hantschel和Kauerauf,2009）。
本项研究采用由斯伦贝谢PetroMod集团开发的PetroModTecLinkvl1（SP4）程序包进行建模。
为了模拟类似于冲断带这样的复杂构造环境，需要从构造和运动学的角度进行恢复。
本项研究中，运用几条平衡古地质剖面对剖面的温度和成熟度史进行了正演模拟。
根据PetroModTecLink的概念，有限元模拟器可以在一条垂直网格线上处理多个z值。
因此，每一条古地质剖面都分成若干块，这些小块通过其边界和典型的层状叠置指定。
3.2.1模型的输入
盆地建模的先决条件是把一致的地质概念转换成数字形式（Welte和Yalcin,1988）。
为了通过模拟器处理盆地的演化，必须再细分成连续的序列和离散的序列，命名为事件（Wygrala,1988）。
一个事件代表一个时间段，在这个时间段发生了地质作用（沉积，侵蚀，间断）（Bueker,1996）。
同一时间，盆地的不同地点可能发生不同的地质作用。
TecLink程序包中，一个古时间步长（剖面）可能合并了几个地质事件。
现有物理沉积单元在一定的时间点称作层。
每个层沉积于一个事件期间，而且可能在后来的侵蚀事件中受到侵蚀（Wygrala,1988）。
本项研究中的模型包括若干原始层。
根据岩心分析，运用软件提供的合成岩性混合物和具有的不同特性（如热导率）给每个层指定一个相（表2）。
表2给出了岩石基质的热导率值；注意孔隙度影响热导率的重要程度，因为孔隙流体的热导率低于岩石基质。
表2模型中各种相的指定岩石基质热传导率（在20℃和100℃温度条件下）*
岩石层位单元
岩性混合比（%）
热传导率（基质）
[W/（mK）]，20℃
[W/（mK）]，100℃
盆地填充
Innviertel群
40砂岩/40页岩/20泥灰岩
2.48
2.07
Hall组
60粉砂岩/20砂岩/20泥灰岩
2.37
2.03
上Puchkirchen组
40粉砂岩/40泥灰岩/20页岩
1.97
1.89
下Puchkirchen组
40页岩/40泥灰岩/20粉砂岩
1.86
1.85
烃源岩层段
75页岩/25泥灰岩
1.91
1.86
始新世砂岩（储集岩）
80砂岩/lO石灰岩/lO泥灰岩
3.75
2.52
中生代
白垩系
90泥灰岩/lO砂岩
2.17
1.96
侏罗系
40石灰岩/40白云岩/20砂岩
3.79
2.54
逆冲断层
复理石
80页岩/lO砂岩/lO泥灰岩
1.83
1.83
阿尔卑斯北部钙质岩
50石灰岩/50白云岩
3.71
2.51
*根据Hantschel和Kauerauf（2009）在综合文献述评中公布的热特性计算值
为了根据现今数据重建每个层的初始厚度，在PetroMod运行中，将去断裂程序与去压实程序相结合。
该软件的TecLink概念运用了预定义古地质剖面的几何形状来确定孔隙度的变化。
因此，在原始模型中首先计算原始沉积物的压实作用，随着时间的推移，通过逐渐增加推覆体厚度来模拟逆冲（运用PetroMods的盐运动工具）。
然后，用TecLink工具将所获得的压实数据导入热演化盆地建模中。
Schoeneck组、Dynow组、以及Eggerding组都被认为是烃源岩（Schulz等,2002;Sachsenhofer等,2010）。
由于这些层的厚度有限而存在模拟尺度的问题，所以将这三个组合并成一个烃源岩段（表1）。
这个层段的净厚度约为70m（230ft），其平均初始总有机碳含量（TOC）为3%，含氢指数为450mgHC/gTOC（Schulz等,2002;Sachsenhofer等,2010）。
干酪根向烃类的转换取决于温度和随时间变化的动态反应过程（Tissot和Welte,1984）。
波茨坦地理研究中心（GeoS4股份有限公司）以4个不同的实验室加热速率（0.7℃/min,2.0℃/min,5.0℃/min,以及15℃/min）和烃源岩分析仪，运用非等温开放系统裂解确定了体积运动学参数，包括活化能分布和磨拉石盆地下渐新统烃源岩5个未成熟样品的单频系数。
这些样品的运动学参数仅略微不同（图4）。
给烃源岩单元指定了相应的运动学数据集（磨拉石动能）。
3.2.2边界条件
Wagner（1996）根据盆地演化的基本认识选择了古水深。
根据沉积水体界面（SWI）温度确定了盆地中热传递的上界面条件。
根据古温度分布图（据Wygrala，1989修改）和古水深确定PetroMod中的历史平均表面温度值。
模拟剖面底部的热流演化表现出边界条件温度较低。
3.2.3校正数据
温度-敏感参数，如镜质体反射率、甾烷（20S/（20S+20R））和藿烷（22S/（22S+22R））的异构化比率（MacKenzie等,1980,1981;Mackenzie和McKenzie,1983），以及地层温度均用于校正盆地的热演化。
图4（A）用于模拟石油生成的动力学参数；（B）根据动力学参数和3.3℃/m.y的升温速率预测的下渐新统5块不同烃源岩样品的转化率。
粗黑线是为建模选择的样品（见图9）的预测结果。
虚线代表Ⅱ型干酪根的预测结果（Burnham,1989），这个结果用于敏感性分析。
镜质体反射率的计算是基于EASY%RO动力学算法（Sweeney和Burnham,1990）。
甾烷和藿烷异构化率的计算是运用Rullkottert和Marzi（1989）动力学方法。
Wagner等人（1986）在文中提供了大量Obhf1井的镜质体反射率数据。
唯一可靠的数据（引自岩心样品的若干测量值）采自中生代和新生代原地层序。
Gein1井、St1井、He3井的数据引自Xu（1991）。
为了补充老数据，一些追加岩心样品的镜质体反射率在本项研究框架内按既定的程序（Taylor等,1998）确定。
所有的新数据，以及引自Xu（1991）文献中的数据是根据煤或者肉眼可见的浮木的镜体质反射率。
因此，这些数据是高度可靠的，说明了与公开出版文献的老数据的对比结果，并综合至校准图中。
运用甲基菲指数（MPⅠ-1;Radke和Welte,1983）和RockEval参数Tmax（Espitalio等,1977）粗略评估了成熟度，并支持了实测的镜质体反射率数据，但没有用于模型的校准。
Radke等人（1984）曾论述了Ⅲ型干酪根MPⅠ-1与镜质体反射率[Ro（计算值）=0.60xMPⅠ-1+0.40]之间的关系。
然而，该经验关系对Ⅱ型干酪根的适用性一直有争议（Cassani等,1988）。
根据公式Ro（计算值）=0.0180xTmax-7.16，可将Tmax转换成反射率（Peters等,2005）。
该方程由一些页岩推导而出，可应用于低硫Ⅱ型和Ⅲ型干酪根。
甾烷和藿烷的异构化率、Tmax以及MPⅠ-1数据引自Schulz等（2002）。
为了校准现今热流，采用了三个不同的数据集：
（1）未校正的井底温度（BHT;Kamyar，2000）；
（2）已校正的井底温度，由于钻井液循环已停止，考虑了时间信息（Homer图;Homer,1951）。
（3）温度数据，据Obhf1井、He3井和地层测试。
运用Gein1、St1、He3及Obhf1等井的所有可用的校正数据绘制成随深度变化图（见图5，井的位置见图1）。
4结果
为了模拟Perwang叠瓦状构造中的含油气系统，构建了Attergau剖面的运动正演模型，在某种程度上，这个模型类似于以一种简化的方式进行地震解释的构造成像（图1B,C）。
除了图1B中的成像构造以外，该模型以两个小型前缘逆冲岩席为特点，向西更远处，这两个逆冲岩席可与Perwang叠瓦状构造对比，那里更多的逆冲岩席已发生演变。
该剖面穿过Obhf1深井，伸展到Penninic复理石层和Helvetic楔状体下伏的磨拉石叠瓦状构造中。
因此，该剖面可通过录井资料校准。
而且此结果可朝Perwang叠瓦状构造的主体部分外推。
图5成熟度（镜质体反射率，甾烷异构化，藿烷异构化）和温度随深度变化图。
Gein1是最北端的一口井，Obhf1是最南端的一口井。
通过不同的线条说明了不同热流的计算趋势。
4.1横剖面正演模拟
图6A-J为沿模拟南-北向剖面的10个时间/变形增量，这些图反映了晚渐新世（25Ma;逆冲开始）以来Perwang叠瓦状构造的运动演化。
在前缘加积之前，磨拉石盆地的层系被Penninic复理石层和Helvetic楔状体超覆（图6B）。
此后加积了一个大型逆冲岩席（Oberhofen逆冲岩席；图6C），沿变形带前缘发生了同构造期沉积。
图6D、E反映了小逆冲席的前缘加积层。
然后，楔形体中的变形作用后退，在层序外的逆冲断层上朝着前陆区移动（图6F-I）。
后续的抬升使前陆和阿尔卑斯楔形体都受到影响（图6J）。
正演模型剖面中，衍生微小构造的缩短最小长度为32.3km（20.1mi），这可根据Penninic和Helvetic楔状体前缘的位置推测。
考虑到只有构造收缩会影响磨拉石叠瓦状构造，所以15.1km（9.4mi）[L0-L]（L=变形长度;L0=未变形长度）相当于缩短
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