复杂结构的烃类流体模型.docx

1、复杂结构的烃类流体模型复杂结构中的烃类流体模型（麦肯齐市盆地，加拿大）摘要位于加拿大西北北极的麦肯齐市盆地具有许多典型的陆相特征，是一个富天然气的沉积盆地，但是，重要的油气来源依然未知。这里用的三维盆地模型方法不仅已经改进，而且也是现今复杂地层和构造盆地结构模型的再生流动的潜在陷阱。特别是犁式断层构造仍然不能够在大多数运移模型中再造。通过合并单独的变形类型和引进层序地层方法来再现地层格架，我们能够识别源和藏间的暂时的和空间的关系。根据这些考虑，提出盆地的三个原油成因组：第一组主要与古生代烃源岩有关，第二组几乎全部与早成熟的烃源岩有关，和第三组与上白垩世Smoking Hills和Boundar

2、yCreek组有关。与原油聚集相反，天然气聚集主要是由晚中生代的充填事件产生，这被认为是晚中生代隆起和剥蚀事件期间的压力下降有关。因此麦肯齐市盆地是一个可以展示成熟含油气系统的天然气倾向的很好的例子，特别是如果有机质主要来自陆相，它主要是驱替效率和时间的函数，因此直接与盆地构造史有关。引言烃源岩-藏间的关系是油气勘探的主要问题。在过去的几十年间，在模拟粘性流和再现充填史上有了巨大的进步(Hindle, 1997; Hantschel et al., 2000; Welte et al.,2000; Hantschel和Kauerauf, 2008)。然而由于不充分的计算机技术或者将局限的地质要

3、素转变成模型上的困难性，模型依然不能表征地质上的复杂情况。除了空间复杂性，为了理解现今情况需要考虑另一个因素-时间。这些不仅要考虑到生烃的时间，而且也要考虑到影响油气运移和圈闭的构造的形成的时间(Poelchau et al., 1997)。加拿大西北极的麦肯齐市盆地（图1）是油气生成和运移期间发生同沉积的构造变形的不同样式的例子(Lane和Dietrich, 1995; Kroeger et al., 2008)。由于快速沉降和地层剥蚀，从潜在古新世烃源岩生成的主要油气局限在晚始新世和早渐新世间的相对短的时间间隔，而从始新世烃源岩产生是在这个间隔后发生，终止于晚中新世隆起(Kroeger e

4、t al., 2008)。本次研究局限在模型区到中始新世和更老时间潜在多产的地层间隔。然而此次观察并不足以确定的确立烃源岩-储层关系。不过，它显示了油气生成，运移，和圈闭形成的时间的再现对理解麦肯齐市盆地的含油气系统的理解必不可少。在研究中，我们企图再现麦肯齐市盆地的运移史和充填史和烃源岩-储层关系。为了这个目的，我们利用了Kroeger et al. (2008)的热模型的精确版本，这包括主要的断层系统。另外，它考虑了由影响整个盆地的海平面变化引起的岩性的系统变化。对于油气流模型，两个不同的模型，结合达西流与射线追踪的混合模型和渗流反演方法利用了Petromod 10版本。我们讨论了在再现已

5、知分布的这两种模型的优点和不足，从而证明敏感模型是怎样在复杂背景下创造的，特别是在犁式断层体系中，这是该方法的应用和烃源岩成熟时间。我们也探讨了麦肯齐市盆地的第三纪沉积物中白垩纪烃源岩对油气分布的潜在贡献，考虑了在这个区域范围内的不确定性因素。结论提出了对来自陆上的比来自近海成熟烃源岩间的原油多而自相矛盾情况的一种解释(Curiale, 1991)。这扩大和延伸了对Poelchau et al.(1997)提出的盆地模型的一种深刻见解。地质背景图1 模型区域的地理概貌和框架。线AB指示了图4中的横剖面位置，线AA指示图5中的横剖面位置。麦肯齐市盆地的第三纪盆地充填（图1）组成了高达9km厚的三

6、角洲沉积序列，叠加在中生代沉积物中(Young et al., 1976;Willumsen和Cote, 1982; Young和 McNeil, 1984; Dietrich et al., 1985; Dixon et al., 1992a, b)。三角洲序列细分为六个不整合边界的不同组(Aklak, Taglu, Richards,Kugmallit, Mackenzie Bay, and Iperk formations,图2)，这可通过地震反射和井资料识别(Dietrich et al., 1985; Dixon和Dietrich,1988; Dixon et al., 1992a,

7、 b; Kroeger et al., 2008)。正如Kroeger et al. (2008)，我们利用术语“Aklak段”和“Taglu段”，因为在不同的地层侦测中，它们等同于该区域的其他第三纪三角洲序列，这也需要从段到组的Reindeer等级的改变（图2）。这些单元将上白垩纪覆盖在古新世Fish River组和上白垩纪Smoking Hills和Boundary Creek段以及朱罗和下白垩世molassic沉积(Dixon et al., 1992a)。地层的时间框架是由McNeil和Birchard (1989)和McNeil(1997)确立的孔虫区为依据。 图2 地层概述图3 渐

8、新世库格玛利特地层顶部包括模型方案的构造元素图在构造上，麦肯齐市盆地可以分成4个单元(Lane和Dietrich, 1995)（图3）：1. 爱斯基摩湖区断层带，代表了大规模正断层的剩余的中生代被动边缘特征2. 盆地西部的博福特褶皱带，在始新世期间褶皱展开区，东北的缩短响应与布鲁克斯山脉的Laramide变形相关3. 盆地的南部中心带的Taglu断裂带（理查兹岛区），始新世时期正断层的转换带特征和中生代期间的反向断层与走滑断层4. 盆地北部近海的Tarsuit-Amuligak断裂带，中生代发展的犁式断层带沉积序列构成了麦肯齐市盆地的第三纪地层，形成了与构造抬升和海面升降变化的联合影响有响应。

9、底部和Kugmallit组内的大范围的富泥质间隔归因于全球海平面上升(Morrell 和Schmidt, 1988)。然而在大多数情况下，构造和海平面对麦肯齐市盆地的层序的形成的影响是很难区分的(Dixon, 1986)。可见有四个主要的抬升和剥蚀事件(Lane和Dietrich, 1995)。中始新世事件主要影响了盆地西南部，导致了Taglu组顶部的剥蚀。Richards组可能被影响整个盆地边缘和盆地近海北部的晚始新世事件部分或是完全剥蚀。根据Kroeger et al. (2008)提出的剥蚀模型，剥蚀在西南Richards岛达到最大，剥掉1400m（4593ft）厚的沉积物。影响盆地整个

10、南部的晚渐新世事件，在Kugmallit组顶部达到最大剥蚀厚度，这还是在西南的Richards岛。最显著的事件是晚中生代事件（Kerk沉积前，McNeil et al., 2001)，影响了除最北面近海部的整个盆地。局部上就Taglu组沉积物被剥蚀，加起来剥蚀掉的总厚度为1300m（4265ft）(Kroeger et al., 2008)。晚中生代隆起的顶部的不整合被认为是与Messinian全球海平面低水位和气候降低一致(McNeil et al., 2001)。麦肯齐市盆地的含油气系统-知识说明大的油气聚集区主要在渐新世Kugmallit组与中始新世Taglu组的三角洲砂和砂岩中。据19

11、98国家能源局报道，Amauligak油田位于麦肯齐市盆地的东北部，是至今波弗特海-麦肯齐区最大的油田。油气聚集区主要在Kugmallit组砂中(Dixon et al., 1994)。位于Richards 岛的Taglu油田，Taglu组砂岩(Dixon et al., 1994)包含了麦肯齐市盆地区的所有全部发现的五分之一天然气。第三纪盆地的南部边缘的油气大部分位于上白垩世储层中，这是帕森斯油田最大的储层（加拿大国家能源局，1998）。根据地球化学分析，麦肯齐市盆地的原油可分为若干个原油组。一般，麦肯齐市盆地中心（Richards岛和近海的中心和北部）的第三纪的储层中的油与在盆地边缘的上白

12、垩世和更老的储层中发现的有区别(南Richards岛和图克托亚图克半岛; Snowdon, 1979;Brooks, 1986; Curiale, 1991)。第三油族被进一步分为位于上始新世和更高的储层上以及中始新世和更低储层上(Curiale, 1991)。除了近海的原油样品中推断的烃源岩成熟度降低(Curiale, 1991)，McCaffrey et al. (1994)假定的油倾向近海增加。然而，原油族分的识别受到各种生物降解的程度限制。Snowdon（1979）和Lane和Jackson (1980)认为单靠地球化学特征识别原油族分很困难。Li et al.(2006)发现麦肯齐市

13、原油的变化不妨解释为从能生成但不足以排烃的第三纪烃源岩中挑选的生物标识化合物的白垩纪烃源岩中生成的油。麦肯齐市盆地烃源岩的识别更进一步受到热成熟度沉积物限制(Kroeger et al., 2008)。白垩纪潜在烃源岩识别是包含大量海相海藻来源的有机质的森诺曼阶到坎帕阶Boundary Creek和Smoking Hills组(Young et al., 1976; Snowdon, 1979; Creaney, 1980)的含沥青的海相页岩(Creaney, 1980)。地震资料解释说明这些单元只限于研究去东南部(Dixon et al.,1992a) 。主要包含陆相有机质的潜在烃源岩位于基

14、本的Taglu组(Snowdon et al., 2004)和Aklak组(A. Saison, 2007,个人通信)内。热模拟结果表明在中始新世以上的沉积物没有达到成熟而不能生油(Kroeger et al., 2008)。有机质的转变被认为是分布在由盆地的热史定义的相对短的时间间隔和终止在晚中生代隆起和上新世-更新世平面冷却。自渐新世Kugmallit组储层形成以来盆地中心部位的上新世和更老的岩石显示过成熟(Kroeger et al., 2008)。这些结论暗示了在渐新世油藏中的中始新世烃源岩生成油和潜在始新世油藏中的更老烃源岩生成油，但是不能充分的确定性的确立源-藏的关系。建立模型在建

15、立一个盆地的计算机模型中最大挑战之一是能寻找现实的正确的代表性和大量需要管理和计算的数据间的一个折中。麦肯齐市盆地是地质情况也就是岩性和反映变形的阶段和样式的构造上的复杂性的快速变化要怎样才能明显的超过1：1模型表示的一个主要的例子。然而，对盆地范围的流体运移具有重要影响的构造和沉积参数要存在于模型中。因此，我们仅仅考虑通过地震测线解释出的最突出的构造因素就可以了。为了再现三角洲层序的地层结构和相变，我们选择层序-地层方法来表征影响运移的沉积物储层属性的岩性的系统变化。地层结构，相和岩石学第三纪进积和退积单元的相分布基于地震测线和从Dixon et al. (1992a)相图中得到的岩性的解释

16、 Kroeger et al. (2008)使用了三维时间面。尽管根据总的相单元所分配的岩性在热模拟中是适当的，但是流动模型必须包括相结构，限定运载，储层，和盖层，以及在单元内的进积和退积和由海侵引起的页岩单元的夹层。Kugmallit组的井数据是最好的记录，因此可以作为第三纪三角洲单元沉积样式的一个例子。Kugmallit组根据从南部Richards岛(Taglu C-42井)到海上(KoakoakO-22井)的测井，重建没有显示出Kugmallit组纯进积（图4）。更明显的是三角洲平原和三角洲前缘相单元内的岩性变化。三角洲平原相以垂直叠加的薄的(10140 m 33459 ft)泥质单元与

17、总厚度达1000-m(3281-ft)的主砂体互层为特征。横向连续的泥质单元反映了与海平面上升有关的入海间隔和整个三角洲平原的淹没。由于组沉积过程中连续的沉降，河道切割成为次要。这些现象与James and Baxter (1988)在Richards岛北部Nipterk L-19 and L-19a井（图1）中的发现一致，在那里他们识别出了六个进积砂体单元，这六个进积砂体单元具有解释出的层序边界与更细粒的岩性互层，而且Morrell和Schmidt(1988)指出三个侧向连续的泥质单元。与三角洲平原相相反，三角洲前缘相内的叠加模式更不规则（图4），这很可能是激烈改造后的结果和更细粒有机质剥蚀

18、和局部斜坡倒塌的结果。这些过程导致了更强烈的砂体间的内在联系。具有砂岩夹层的横向连续泥质沉积物沉积在指状斜坡扇中，在此之前被称为位于海上的Kopanoar层序(Dixon et al., 1992a)。图4.测井得到的通过第三纪盆地Kugmallit组重建的岩性和相带的横切面。Dixon et al. (1992a)定义的一般单元界限。图1可见横切面的位置。Reindeer 组(Aklak和Taglu组)Reindeer 组的两个层序都是被明显的不整合(Dixon et al., 1992a)和Aklak层顶部的侧面连续的海相页岩夹层（Ministicoog会员；Young, 1975)分开的

19、进积三角洲单元。Aklak组信息缺少，而且北部Richards岛和近海的精确的三角洲沉积的相带信息也是未知。有人认为Taglu组是单一的海退事件的结果(Dixon,1981)。Taglu油田中作为储集岩的单一的横向连续砂岩体是三角洲前缘相的，而非三角洲平原相的(Dixon, 1981; Young和McNeil, 1984;Dixon et al., 1994)。Taglu组的三角洲平原相的页岩体很薄，并且它要较在Kugmallit组的井更难追踪，特别是因为只有很少井打穿整个序列。另外，同沉积褶皱和伴随的厚度的快速变化增加了情况的复杂性，特别是在南-西部Richards岛地区(Kroeger

20、et al., 2008)。Iperk 组Iperk组是一个多达4000-m(13,123-ft) 厚的来自上新世三角洲进积到现代陆架边缘的碎屑岩楔。Iperk组大部分是由未固结砂岩和砾岩组成，逐渐变成Richards岛西北部最细粒沉积物(Dixon et al., 1992b)。退积单元Richards组后退的Richards组的大部分沉积物是由有限范围的页岩和粉砂岩和砂岩以及砾岩体组成(Young和McNeil, 1984;Dixon et al., 1992b)。组的基部部分一般是由与主要海侵和与西部科迪勒拉变形相关的前缘地层的海相页岩组成(Young和McNeil, 1984)。麦肯齐

21、湾组麦肯齐湾组，主要是由海相页岩和粉砂岩组成，代表了一个三角洲体系的前三角洲和近海部分，而近端大多数被晚中生代隆起和剥蚀事件侵蚀(Young和McNeil, 1984; Dixon et al., 1992b; McNeil et al.,2001)。麦肯齐湾地层的基部页岩部分和在地震测线中识别出的下覆Kugmallit组的砂岩之间形成鲜明对比，证明了单元的后退特征。然而，Richards岛马力克5L-38研究井的结论说明了麦肯齐湾地层是以粉砂为主要岩性，对于麦肯齐湾地层的近海部这可能会具更多特性(Medioli et al., 2005)。中生代沉积物为了模拟麦肯齐市盆地三叠纪沉积物中从上白

22、垩纪烃源岩到储层的油气的生成，模型夸大，包括中到上白垩纪沉积物。SmokingHills组的页岩和次要的粉砂岩与下覆BoundaryCreek组类似，尽管可以用侵蚀不整合来分离这两个单元，但它们在地震上没有区别(Young et al., 1976; Dixon et al., 1992a)。除此，模型中还介绍了下覆侏罗纪到白垩纪的碎屑单元（见下面）。模型区的北部的地震数据库信息可外推到盆地北部，麦肯齐市序列聚集厚度最大达1000 m (3281 ft)。砂质，粉砂质和泥质Fish River组，构成Aklak组基础，扩展到麦斯里希特阶。流动特性Kugmallit组的砂质沉积物除了在稀有的碳酸

23、盐岩胶结间隔内主要是细粒和可渗透的(11000md和更大) (Nentwich和Yole, 1994; Katsube et al.,2005)，而泥质单元是有效的盖层(Dixon et al., 1994)。因此，我们断定三角洲平原相和前三角洲到近海相内的油气流动主要是侧向的。然而三角洲前缘相内的净流是垂直的，这是由于可渗透砂体的互相联络。Taglu组是个例外，因为泥质体在三角洲前缘相中量更多。Taglu砂岩的孔隙度在1000-m(3281-ft)以下可达24%。由于空间上的复杂的成因改变，孔隙度和渗透率比在Kugmallit组中变化更大(Nentwich和Yole, 1982)。在模型中，

24、只考虑机械压实。因此，所有单元的渗透率随着深度增加成指数降低，根据阿泰定律它是孔隙度下降的函数(Hantschel 和Kauerauf, 2008)，从大约1000m (3281 ft) 3000md到5000m (16,404 ft)为2.3md。Richards和Kugmallit组的孔隙度在5%到32% (Issler和Katsube, 1994;Nentwich和Yole, 1994)。Kugmallit组中大于1000md的极高的孔隙度和渗透率以及Reindeer D-27井中的倒转的孔隙度趋势是由于超压引起的(Issler et al.,2002)。然而，超压在局部规模上的变化，而

25、且超出了模型的分辨率(Issler和 Katsube, 1994)。岩性骨架模型沉积序列内特别是Kugmallit和Taglu组的岩性的垂直变化是影响整个相带和叠加了局部相变化，例如三角洲朵叶体的迁移和河道侵蚀的海平面相对变化的结果。韵律的岩性变化的本质在层序内，正如从测井解释中所推断出的表明是海平面升降变化以及局部沉降或沉积供应的变化的可容空间的变化的强烈影响。海平面变化导致了在三角洲平原的主要砂岩沉积上的入海体系的间歇形成和富泥质沉积物的沉积。盆地的快速沉降导致单个循环的保存。为了表示岩性体系变化，是用了层序地层模型方法，通过洪水周期将Kugmallit和Taglu组细分。在一个地层内代表

26、所有单个洪水周期超过了模型容量。因此，在模型中，根据Dixon et al. (1992a) 该地区存在三角洲平原相且此地区的Kugmallit组的垂直序列被分为三个海侵泥质单元，每个都被砂岩覆盖（图5）。建造的三角洲前缘相包括具有次要的泥岩的砂岩。前三角洲沉积是泥岩和粉砂的混合物。近海表示了具有砂岩单元夹层的泥岩，代表了指状扇（Kopanoar层序）。图5 通过模型的断面。位置见图1。Taglu组，三角洲前缘相模型是由三个侧向连续砂岩与泥岩单元夹层组成。三角洲平原相的更复杂的薄的泥岩单元和砂岩混合模型是砂岩和泥岩的混合。Kugmallit组的进积作用很小但是在Taglu组中很明显。退积单元是

27、以基底厚的泥岩单元为特征，被引入Richards和麦肯齐湾组的基本层。在麦肯齐湾组，底部粉砂单元是向陆区（图5）。Richards组的残余模型包括主要的泥岩和粉砂岩岩性。对于Aklak组，Kroeger et al. (2008)的带状配列未变，除了基本的富有机质海侵页岩和Ministicoog的引进，这被认为是Aklak组顶部的侧向连续泥岩层。构造地质最显著的麦肯齐市盆地的四个构造油区的构造(图3)可以从地震资料中成图。只有那些被追踪十几公里以上的大量断层构造才能在模型中被识别。特别是在盆地中心部位（Taglu断裂带），复杂断层镶嵌是不可能的。因此也包括限制构造高度和概述油藏潜力区的三个最大

28、的构造（图3）。 追踪分别超过60km（37mi）和100 km (62 mi)的两个断层确定了爱斯基摩湖断裂带的界线。盆地北部的四个60100-km(3762-mi)长的断层构成了Tarsiut-Amauligak断裂带。所有模型中包含的断层都是具有净的正常活动的断层。尽管它们中的很多都在中生代期间恢复为逆断层(Lane 和Dietrich, 1995)，在大多数大型断裂构造的上盘向下运移几百米到局部超过1000m（3281ft）。断层一般具有高角度（6090)以及轻微的向下弯曲。断层是否延伸进入Aklak组尚未知，因此忽略它。然而地震测线显示大的正断层是平坦的犁状，而在下第三系沉积序列中变

29、成底部水平（图5）。在模型中，断层必须要与单元格边界一致。因此，高角度正断层模拟为垂直，而铲状断层模拟为沿着单元格边界的阶梯状。中生代期间受压环境下的断层的激活和犁状平坦断层表明断层具有低的渗透率。不过在模型中我们试验了两种可能性：（1）断层与周围沉积物具有相同的渗透率和（2）断层具有低的渗透率和阻挡流体流动。热流和有机质成熟度图6 在所选的井的位置预测的温度和镜质体反射率值与测量值的比较。实线指的是在存在放射性热的情况下的预测值，虚线指的是没有放射热存在的情况下预测值。 Kroeger et al. (2008)提出的热流模型的一个主要不足是当时只有基部热流可应用，而不需要考虑从铀，钍和钾放

30、射性衰变产生的热量，这是在一些井中测量的温度和预测的温度值之间的差别。利用Rybach (1973)提出的方法，研究中使用的版本10的综合勘探系统石油模型方案需要考虑沉积物中的放射性热，计算从主要的三个放射性元素铀，钍和钾的放射性衰变产生的岩石-杂基热量。估计平均的1.3ppm(砂岩)和3.7ppm（页岩）的铀，和3.5ppm（砂岩）和12ppm（页岩）钍，以及1.3ppm（铀）和2.7%（页岩）的钾导致热流平均增加10%。相应的，我们将热流从Kroeger et al. (2008)使用的50mW/m2降低到4450mW/m2。井中镜质体反射率预测和温度测量的精度比2008模型中的相比明显提

31、高了（图6）。局部不一致显示了主要岩性为砂岩，这在我们模型中会产生相对低放射热以及在此处对流热的传送可能是一个很大原因(e.g., Adgo P-25 井, 图6)。盆地西部的热对流产生的相对高温是后中新世的特点(Chen et al., 2008)。因为这些现象是叠加在一般的与晚中生代隆起事件有关的冷却趋势上的，它可能对成熟度史有轻微影响。烃源岩的定义为了评价麦肯齐市盆地油和气的潜在烃源岩，需要考虑三个可能的具有烃源岩潜力的生烃单元：（1）上白垩纪烃源岩（(Smoking Hills和Boundary Creek 组)，(2) Aklak组底部的下古新世烃源岩，和（3）Aklak组底部页岩(

32、Creaney, 1980; Snowdon et al., 2004)。第三纪沉积物中的总有机碳数变化显著，在富含有机质间隔内超过20%(Snowdon et al., 2004)。Taglu组底部的采样间隔的氢指数大约在100mg HC /gTOC但是ZAI 100-m (328-ft)厚中超过300mg HC/gTOC，超过了大部分富有机质间隔(Snowdon et al., 2004)。Aklak组的三角洲平原和三角洲前缘相的烃源岩属性TOC变化更大，在几个页岩样品中为1.3%和在含煤间隔内40%，正如用岩石评价热解确定的，氢指数在小于100到大于500 mg HC/g TOC (A. Saison,2007, 个人通信)之间。考虑到分析样品之间有机相的变化，主要起源自近三角洲部分，我们应用平均烃源岩性质来替代从近端到三角洲远端推测的数据，在这里我们可以见到成熟烃源岩。选择3%TOC值来反映测量的有机质含量的范围，分布在模拟的烃源岩间隔内，以及测定了陆相烃源岩的平均氢指数300mgHC/g TOC (Taglu和Aklak 组)。尽管更具有海相特征的干酪根分布在海侵时间间隔和可能也在近海的三角洲体系中(A. Saison,2007,个人通信; McCaffrey et al.,1994)，但是在具有好