Thermal evolution modeling and present geothermal field of the Lishui Sag of East China Sea Basin
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摘要: 东海陆架盆地丽水凹陷烃源岩埋深大、钻井少、油气发现少，至今对其生油气能力具有较大的争议。为明确烃源岩热演化史，从少量具备实测地层温度和镜质体反射率（Ro）资料的钻井出发，利用正演模拟方法，通过地温与地层深度相关性分析，将钻井地温研究结果外推到无井区。在恢复丽水凹陷探井岩石圈结构及其演化史的基础上，首次系统建立了丽水凹陷的区域地温场并分析其对烃源岩演化的作用。研究表明，古新统下段月桂峰组底界（T100）烃源岩大部分都已成熟，次洼中心局部过成熟；月桂峰组顶界（T90）烃源岩大部分处于低熟—成熟阶段，次洼中心局部高—过成熟；灵峰组顶界（T85）烃源岩处于未熟—低熟状态，西次洼中心有成熟烃源岩。烃源岩特征及演化分析表明，古新统下段月桂峰组烃源岩是丽水凹陷的主力生油气烃源岩。Abstract: Hydrocarbon source rocks are deeply buried in the Lishui Sag of East China Sea Basin, where drilling wells are rare and encountered only a few oil and gas discoveries. There are hot debates over the hydrocarbon generating capacity of the basin. Careful study has been made for this time to clarify the thermal evolutionary history of source rocks. Starting from drilling wells with measured formation temperature and vitrinite reflectance (Ro) data, using the forward simulation method, and through the correlation between temperature and stratum depth, we extrapolated the results of drilling temperature research to non-well areas. On the basis of restoring lithospheric structure and its evolution history, the regional geothermal field of the Lishui Sag has been systematically established for the first time. The impacts of geothermal field onto source rock evolution are analyzed. Data shows, most of the source rocks at the bottom of Yueguifeng Formation in the lower part of Paleocene are mature and the sub-depression center is partly over-matured; most of the source rocks at the top of Yueguifeng Formation are in the stage of low-maturity and maturity, the sub-depression center is partly high-mature to over-mature; the source rocks at the top of the Lingfeng Formation are immature to low-maturity, and there are mature source rocks at the center of the western sub-depression. According to the analysis of source rock characteristics and evolution, the source rocks in the lower Paleocene Yueguifeng Formation should be the main source rocks for hydrocarbon generation in the Lishui Sag.
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随着勘探开发工作的不断深入，高频层序地层划分正从定性向半定量、定量化发展[1]。受地震资料分辨率的限制，高级别的层序地层划分主要依赖于测井数据，但是缺乏一个统一的标准导致高频层序划分结果不可避免地受到人为因素的影响。米兰科维奇旋回理论广泛运用到前寒武纪至第四纪地层研究中，其相应的旋回周期可作为地层划分的天然尺度[2-4](一般认为四级层序受偏心率长周期控制，五级层序受控于偏心率短周期，六级层序受控于斜率以及岁差周期)，使得更为精细的地层划分与对比得以实现，同时避免了人为因素的干扰，保证了高频层序划分的统一性和精确性[5-7]。因此，本文选择平湖组三段地层为解剖对象，运用米氏旋回理论对平湖组三段地层进行高频旋回地层划分与对比，旨在为盆地内高频层序格架建立提供一种新的方法。
1. 区域地质背景
宝云亭油气田发育在东海陆架盆地平湖斜坡上(图 1)，经历了古新世—始新世断陷(裂谷期)、渐新世—中新世拗陷(准前陆期)及上新世至今区域沉降(陆架广盆)3个主要地质历史阶段。因其所处的构造位置特殊，又经历了瓯江运动、玉泉运动和龙井运动等构造运动，从而形成了一套具海陆交互相、多层序地层的沉积格局，具有良好的含油气前景。目前经钻探证实的就有宝云亭、平湖和武云亭油气田等。宝云亭构造明显受基底和断层的双重控制，是在一个向东北倾伏的基底鼻状隆起上形成的断背斜型构造。迄今为止发现的工业油气层均赋存于始新统平湖组中。
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图 1 研究区构造单元划分及取样井位置(据上海分公司研究院)Figure 1. Tectonic map with sampling locations in research area (From the Research Institute of CNOOC Shanghai branch)纵向上，宝云亭构造可以划分出7套新生界地层(图 2)，从老到新分别为：始新统(T40—T30)平湖组，渐新统(T30—T20)花港组，中新统(T20—T10)龙井组、玉泉组、柳浪组，上新统(T10—T0)三潭组和第四系东海群(图 3)。根据上海分公司研究成果，平湖组沉积时期为30~40.4Ma，共划分为5个三级层序：SQ1(T40—T34)、SQ2(T34—T33)、SQ3(T33—T32)、SQ4(T32—T31)、SQ5(T31—T30)。其中此次研究目的层为平湖组三段，根据前人研究结果其顶部年龄约为(34±0.5)Ma。
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图 2 宝云亭地区地层划分(据上海分公司研究院)Figure 2. Stratigraphic column from Baoyunting area (From the Research Institute of CNOOC Shanghai branch)![]()
图 3 30~40.4Ma理论偏心率频谱分析及小波变换(a)理论偏心率数据；(b)频谱分析；(c)小波分析Figure 3. Spectrum analysis and wavelet transform of eccentricity data during 30~40.4Ma(a)eccentricity data; (b)spectral analysis; (c)one-dimensional continuous wavelet transform2. 数据与分析方法
地球轨道参数偏心率、斜率、岁差周期性变化，直接导致地球表面日照量周期性变化，进而导致全球气候周期性变化，并以沉积构造、岩相的变化等方式记录在地层中。稳定沉积地层的岩心、露头以及与气候变化相关联的替代性指标均可用于米兰科维奇旋回的研究[8-10]，比如稳定的碳、氧同位素、CaCO3、GR等。自然伽马测井是测量岩层中放射性元素原子核衰变过程中放射出的伽玛射线强度，黏土物质和有机质对放射性物质的吸附能力较强，同时放射性元素的富集易受到气候、区域环境等外部因素的影响，总体来说当GR值较高时，说明地层中泥质含量丰富，反映弱水动力条件，水体较深，指示了降水多、潮湿的古气候。反之，低GR值对应含砂量较高，反映水体浅，水动力强，气候干燥。另外，平湖斜坡带宝云亭地区完备的测井数据资料为高频旋回研究提供了强有力的资料保障。因此，本文采用连续采样的测井数据GR作为高频旋回研究对象，采样间隔为0.125m。
自从米兰科维奇理论建立以来，许多学者采取了多种方法进行研究[11~13]，主要有傅里叶变换、Walsh频谱分析、小波变换法、Blackman-Tukey法等。例如郑兴平等对川东渝北下三叠统飞仙关组和塔里木盆地应买力地区奥陶系碳酸盐岩钍钾比、密度数据进行频谱分析和小波变换，识别出了短偏心率周期[14]。李培廉等以东海平湖油气田古近系为研究对象进行高频旋回研究，将米氏旋回与层序地层学相结合，从而提高等时性地层界面分辨率[15]等。此次研究主要采用频谱检测与小波变换进行高频旋回识别与划分，其中频谱检测采用Boris Priehs教授基于Matlab开发的Redfit图形用户界面，小波变换采用Matlab一维连续小波变换工具箱[16]。与其他频谱分析方法相比，Redfit频谱分析一大优势在于能直接应用无需插值；小波变换与傅里叶变换相比，可实现信号分析的时频局部化，可以很方便地从测井资料中提取地层的时频特征信息，进而获得有关沉积层序的旋回性等地质信息。
在开展高频旋回研究之前，首先需要对GR数据进行预处理，以消除其他非轨道因素对结果可能造成的影响。本次研究主要对GR数据进行了去噪和归一化处理：采用Matlab小波除噪工具对原始测井信号进行去噪，以达到消除噪声目的；归一化处理采用离差标准化法，对GR数据进行线性变换，使GR数据值映射到[0~1]之间，以消除不同测井仪器、刻度等因素造成的偏差，便于进行井间对比。在对原始自然伽马数据预处理基础上运用频谱检测及小波分析法对测井信号中的优势周期进行识别提取，并且借助于不同地史时期岁差、斜率、偏心率3个特征周期之间特有的比例来判定是否为米氏旋回响应。
3. 米氏旋回理论轨道周期
地质历史时期中，地球轨道参数并不是恒定不变的，平湖组沉积时期，平湖斜坡带宝云亭地区位于北纬30°附近，因此本文采用La(2004)方案计算北纬30°平湖组沉积时期30~40.4Ma的偏心率、斜率以及岁差变化的理论值，采样间隔为1ka。
以理论偏心率周期计算为例(图 3)，对30~40.4Ma的偏心率数据(图 3a)进行频谱分析以及小波变换，频谱分析(图 3b)上显示，位于99%置信度之上的偏心率周期有405、131、125、99、95ka，其中405ka振幅最大，125和95ka次之，小波分析图显示405ka周期的位置显示出强连续性特征(图 3c), 说明该周期在此期间保持了相当的稳定性。频谱分析获得与偏心率周期对应的频率，再从原始曲线中提取相对应频率组分，从而获得相应理论变化周期曲线(图 4)，理论变化周期曲线将作为建立天文标尺的调谐目标曲线。
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图 4 30~40.4Ma期间主要理论偏心率周期变化曲线Figure 4. Main theoretical eccentricity cycle curve during 30~40.4 Ma采用同样分析方法，对平湖组沉积时期(30~40.4Ma)的理论斜率周期、岁差周期进行计算。研究表明：该沉积时期主要存在52、40、39、29ka四个斜率周期，其中频谱分析显示40ka振幅最大，表明该周期比较稳定。岁差周期存在23、22、19ka三个周期, 其中23ka周期最为明显。
通过上述分析，分别计算了北纬30°、30~40.4Ma的理论偏心率、斜率以及岁差周期，这些周期之间存在着恒定的比例关系(表 1)，这些比例关系将作为地层中米氏旋回识别的依据。如果从平湖斜坡带宝云亭地区测井GR曲线中提取的地层旋回厚度比值与其相似，则认为这一厚度旋回受相应的天文周期所驱动。
表 1 平湖斜坡带30~40.4Ma理论地球轨道周期比值Table 1. The ratio of theoretical orbital period during 30~40.4Ma in Pinghu slope zone理论周期/ka 平湖斜坡带30~40.4Ma理论轨道周期比值 偏
心
率405 21.316 18.409 17.609 13.966 10.125 7.788 4.263 4.091 3.240 3.092 1.000 131 6.895 5.955 5.696 4.517 3.359 2.519 1.379 1.323 1.048 1.000 125 6.579 5.682 5.435 4.310 3.205 2.404 1.316 1.263 1.000 99 5.211 4.500 4.304 3.414 2.538 1.904 1.042 1.000 95 5.000 4.318 4.130 3.276 2.436 1.827 1.000 斜
率52 2.737 2.364 2.261 1.793 1.333 1.000 40 2.105 1.818 1.739 1.379 1.062 39 2.053 1.773 1.696 1.345 1.000 29 1.526 1.318 1.261 1.000 岁
差23 1.211 1.045 1.000 22 1.158 1.000 19 1.000 4. 宝云亭地区平三段米氏旋回的信息提取
4.1 频谱分析
对研究区深度域的GR数据进行频谱分析，根据频谱峰值对应的频率(旋回厚度倒数)比值与理论轨道周期比值进行比对(误差≤5%)，以确定相应天文周期。
以平湖斜坡带B-1井为例，对GR数据进行归一化、去噪预处理基础之上(图 5a，图 5b)进行频谱检测(图 5c)，分析显示处于99%可信度之上的主要旋回厚度为90.91、35.71、23、13m，比例关系约为21:8:5:3，与理论周期比(405ka:131ka:99ka: 52ka)21:7:5:3非常接近，认为旋回厚度90.91m对应于405ka的长偏心率周期，35.71、23m分别对应于131和99ka的短偏心率周期，13m对应于52ka的斜率周期，且405ka的长偏心率周期幅度最大，表明该层段受长偏心率周期影响最为明显。
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图 5 基于归一化、去噪处理后的B-1井频谱分析(a)B-1井测井曲线GR数据；(b)归一化、去噪处理之后GR数据；(c)频谱分析，x轴表示频率，其倒数代表旋回厚度，y轴表示振幅，代表频率的显著程度Figure 5. Spectrum analysis of well B-1 based on normalized and de-noised GR data(a) GR data of B-1well; (b) normalized and de-noised GR data; (c) spectrum analysis, X axis represents frequency, the count backwards represents the cycle thickness, Y axis represents the spectral amplitude which represents the significant degree of frequency4.2 小波分析
通过对研究区原始自然伽马测井信号归一化、去噪预处理之后，运用小波变换模极值法对测井信号优势周期进行识别提取，与米氏旋回固有周期比进行对比分析，判定该研究段是否为米氏旋回的响应[17-19]。
同样以B-1井为例，对预处理之后的GR数据(图 6a)进行小波变换，得到小波能量图谱(图 6b)，横坐标代表采样点序数，可换算成深度，纵坐标代表小波变换的尺度，其数值为该尺度所包含的采样点的个数，对小波系数取绝对值后平均化得到模均值曲线(图 6c)，模均值曲线中4个模极值点(80，153，234，593)，其主要旋回厚度即测井信号中包含的周期成分可利用公式①计算，式中：a代表尺度；Δ代表采样间隔，文中采样间隔均为0.125m，Fc为小波母函数的中心频率，本文小波分析是基于morlet小波展开，因此Fc=0.8125Hz，Fa为尺度a的准频率，其倒数即为尺度a对应的旋回厚度。
$$ {F_{\rm{a}}} = {F_{\rm{c}}}/\mathit{a\Delta } $$ (1) ![]()
图 6 B-1井测井信号小波变换(a)预处理之后B-1井测井GR数据，(b)小波变换能量图谱，(c)小波变换模均值曲线Figure 6. Wavelte transform of B-1 logging signal(a) normalized and de-noised GR data, (b) energy spectrum of wavelet transform, (c) modulus mean curve of wavelet transform通过计算，B-1井存在4个主要的旋回厚度12.3、23.54、36、91.23m，与频谱检测旋回厚度结果基本一致，可确定12.3、23.54、36、91.23m分别为斜率、短偏心率、长偏心率所控制的优势旋回层厚度。
4.3 天文年代标尺的建立
频谱检测及小波分析表明，宝云亭地区B1井平湖组三段沉积地层受405、131、99及52ka天文周期所驱动，其中以405ka旋回周期最为显著。以平湖组三段顶部年龄(34±0.5)Ma为时间控制点，从原始测井GR曲线中滤出的405ka滤波曲线为调谐曲线，131ka滤波曲线作为参考曲线，以理论偏心率周期405ka周期曲线为目标曲线，131ka理论斜率周期曲线为参考曲线，将GR序列405ka滤波曲线的峰值对应到405ka理论曲线的峰值，从而建立宝云亭地区平湖组三段高分辨天文年代标尺[20, 21](图 7)。
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图 7 B-1井平湖组三段天文年代标尺Figure 7. Astronomical timescale of the 3rd Member of Pinghu Formation, B-1 well在B-1井平湖组三段地层中共识别约4个405ka旋回周期，持续时间大约为1.62Ma，因此可推算出底部年龄为35.620Ma。天文年代标尺的建立比较精确地确定了不同深度所对应的地质年龄，为实现等时层序地层格架内高频层序划分与对比提供重要依据，同时也保证了划分结果的精确度和统一性。
5. 宝云亭地区平三段高频层序划分与对比
选取宝云亭地区西东向(WE)剖面，对所选井平湖组三段进行频谱检测、小波分析，从而对平三段地层进行米氏旋回识别(表 3)，在4口钻井中均识别出较明显的周期旋回，分别受控于405ka长偏心率、131、99ka短偏心率及52ka斜率周期。不同钻井中，米氏旋回厚度之比与4个特征周期固有比率(405、131、99、52ka)变化差异不大，其中长偏心率405ka周期所控制旋回厚度变化范围为86.81~100m，短偏心率131ka周期所控制旋回厚度变化范围为35.71~41.63m，短偏心率99ka周期控制的旋回厚度变化范围为18.14~20.38m，52ka斜率周期所控制旋回厚度变化范围为13~14m，表明利用米氏旋回理论对宝云亭地区平湖组三段进行高频层序划分与对比具有很好可行性。由于区域沉积环境的差异，斜率旋回保存不完整，并未在所有井中检测出52ka斜率周期所控制的旋回。
根据米氏旋回识别结果，以从原始GR曲线中滤出的长偏心率周期405ka为四级层序划分标尺，短偏心率131ka为五级层序划分标尺，并结合岩性以及GR曲线变化特征进行高频层序划分与对比，共在4口钻井中识别Sq1、Sq2、Sq3、Sq4共4个四级层序，约12个五级层序(图 8)，旋回个数的细微差异可能与不同井所处的位置以及断层影响因素有关。每个四级层序持续时间大约为405ka，每个五级层序持续时间大约为131ka。同时，利用米氏旋回理论进行高频层序划分，为宝云亭地区平三段地层沉积速率的计算提供了新的方法[22]。
表 2 宝云亭地区平三段地层米氏旋回信息识别Table 2. Identification of Milakovitch cycles for the 3rd Member of Pinghu Formation of Baoyunting area井号 优势旋回厚度/m 优势旋回厚度比 米氏旋回厚度/m 斜率52ka 短偏心率99ka 短偏心率131ka 长偏心率405ka B-1 13/23/35.71/90.91 3/5/8/21 13 23 35.71 90.91 B-2 18.14/41.63/96.81 4/9/21 18.14 41.63 96.81 B-3 14/20.41/40/96.73 3/4.4/8.6/21 14 20.41 40 96.73 B-4 20.38/40/100 4.1/8.4/21 20.38 40 100 6. 结论
(1) 采用La(2004)解决方案计算了平湖斜坡带30~40.4Ma期间地球轨道参数理论变化数据，确定该沉积时期较完整理论偏心率、斜率以及岁差周期及不同周期之间比值关系。
(2) 选取以对岩性敏感的自然伽马数据为处理对象，通过频谱检测及一维连续小波变换等技术手段对宝云亭地区平三段地层进行米氏旋回信息识别提取，分析结果显示，在不同钻井中，宝云亭地区平湖组三段地层主要受控于405ka长偏心率，131、99ka短偏心率以及52ka斜率天文周期；建立了平湖组三段高分辨天文年代标尺，将地层单元赋予年代意义，较为精确地确定了不同深度段对应的地质年龄。
(3) 以405ka长偏心率周期曲线作为四级层序划分参考曲线，131ka短偏心率周期曲线作为五级层序划分参考曲线，对宝云亭地区平湖组三段地层进行高频旋回地层划分与对比，共识别4个四级层序，12个五级层序，从而建立了宝云亭地区平三段地层高频年代地层格架。
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图 5 丽水凹陷钻井DST测温与BHT校正数据对比图（左：LS6，右：LS9）
Figure 5. Contrast of DST temperature and BHT calibration data in Lishui Sag （Left: LS6, Right: LS9）
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图 6 LS5井埋藏史及热史模拟标定
Figure 6. Burial history and simulated calibration of thermal history of LS5
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图 7 丽水凹陷钻井地温模拟曲线图（数据点为实测数据）
Figure 7. Modeling temperature curves of the wells in Lishui Sag （Data points are measured data）
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图 8 丽水凹陷钻井月桂峰组底界温度与T100埋深关系图
Figure 8. Diagram of the relationship between the bottom temperature of Yueguifeng Formation from wells and the buried depth of T100 in Lishui Sag
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图 13 丽水凹陷月桂峰组底界成熟度图
Figure 13. Maturity of source rocks at the bottom of Yueguifeng Formation in Lishui Sag
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图 14 丽水凹陷月桂峰组顶界成熟度图
Figure 14. Maturity of source rocks at the top of Yueguifeng Formation in Lishui Sag
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图 15 丽水凹陷灵峰组顶界成熟度图
Figure 15. Maturity of source rocks at the top of Lingfeng Formation in Lishui Sag
表 2 LS5井岩石圈模型参数
Table 2 Lithospheric modeling parameters of LS5
岩石圈原始厚度ho=125 km[21] 岩石圈现今厚度ho=80 km 上地壳放射性生热率Qr0=2.8 μW/m3 原始地壳厚度hc=35 km 现今地壳厚度hc=21.5 km 上地壳热导率=3.5 W/mK 原始上地幔厚度hm=90 km 现今上地幔厚度hm=52 km 下地壳热导率=3.1 W/mK 研究区现今纬度=27° 基底深度db=6 499 m 上地幔热导率=2.5 W/mK 软流圈顶部温度Tb=1 330 ℃ 上地壳密度ρc上 =2.7 g/cm3 上地壳比热容=900 J·kg−1·K−1 拉张时间ts=27.1 Ma 下地壳密度ρc下 =2.9 g/cm3 下地壳比热容=1 050 J·kg−1·K−1 地壳拉张系数βc=1.63 上地幔密度ρm =3.4 g/cm3 上地幔比热容=1 200 J·kg−1·K−1 
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表 3 丽水凹陷岩石密度和热属性参数
Table 3 Density and thermal properties of rocks encountered in Lishui Sag
岩性 密度
/(g/cm3)热导率
/(W/mK)生热率
/(μW/m3)比热容
/(J·kg−1·K−1)砾岩 2.7 4.18 0.85 820 砂岩 2.65 3.85 0.7 855 粉砂岩 2.65 3.35 0.96 910 泥岩 2.72 1.62 1.5 860 煤 1.6 0.46 0.38 1 300
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表 4 丽水凹陷热流值及相关参数
Table 4 Heat flow values and related parameters in Lishui Sag
井号 测温深度/m 平均地温梯度
/(℃/100 m)基底热流
/(mW/m2)LS1井 2 665.8 2.78 48.26 LS2井 2 000.5 3.17 50.16 LS3井 2 798 2.96 49.06 LS4井 2 801 3.14 53.95 LS5井 2 791 3.21 56.08 LS6井 2 902.7 2.59 48.53 LS7井 3 022.4 3.43 54.86 LS8井 2 574～2 587.5 2.60 54.30 LS9井 3 117 2.69 41.78 LS10井 − 3.24 54.88 LS11井 2 032.67 3.26 58.53 LS12井 2 467.26 3.27 56.81 LS13井 − 3.26 53.39 LS14井 2 698.1 3.33 53.48 LS15井 1 050 3.65 62.79 LS16井 2 325 3.21 61.46 LS17井 4 015 2.72 55.56 LS18井 3 803 2.78 47.55 LS19井 3 040 2.95 44.76
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