瓊東南盆地深水區(qū)中央峽谷天然氣藏輸導模式研究

劉靜靜，劉 震，王子嵩，曹 尚,3，孫曉明

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油大學(北京)，北京 102249；3.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710075)

油氣輸導體系及運聚機理是石油地質(zhì)學研究的核心和難點[1]。近幾年，隨著深水區(qū)中央峽谷幾個大氣田的發(fā)現(xiàn)，瓊東南盆地油氣勘探再上一個新臺階。針對瓊東南深水區(qū)輸導體系，不少學者做過相關(guān)研究[2-4]?？傮w來說，前人主要從宏觀上分析了不同輸導要素或輸導體系的油氣輸導性能，且均從區(qū)域上進行分析預測，而針對斷裂這一重要輸導要素缺乏深入研究。

瓊東南盆地內(nèi)部主要發(fā)育始新統(tǒng)湖相、漸新統(tǒng)海陸過渡相—濱淺海相和中新統(tǒng)半深海—深海相3 套烴源巖[5-7]，其中漸新統(tǒng)崖城組海陸過渡相已被證實為該盆地的主力烴源巖。據(jù)最新勘探成果[8]，中央凹陷帶峽谷水道內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的天然氣主要來源于崖城組。因此，地質(zhì)學家們就面臨深層烴源巖生成的天然氣如何運移至淺層成藏這一問題。要解決這一問題，首先要考慮有無運移通道，即古近系生成的天然氣經(jīng)過什么樣的通道運移至淺層中央峽谷砂體成藏，斷裂是油氣垂向運移最有效的通道，而且瓊東南盆地斷裂也極其發(fā)育，這就為深部生成的天然氣運移至淺部聚集成藏提供了可能；其次要考慮輸導效率問題，中央峽谷天然氣成藏較晚(上新世至今)，而瓊東南盆地新近紀晚期斷裂活動較弱，斷裂能否作為天然氣運移通道值得進一步研究，且在中央峽谷下方未發(fā)現(xiàn)直接溝通源儲的大斷裂。本文在對瓊東南盆地主要斷裂發(fā)育特征和斷裂活動期次研究的基礎上，提出了斷裂旋回的概念，建立沉積盆地斷裂輸導旋回模式，結(jié)合基于分頻處理技術(shù)識別出的中央峽谷下方斷裂組合樣式，提出了淺層中央峽谷天然氣藏“多期斷裂—多斷層”接力輸導模式。

1 研究區(qū)概況

瓊東南盆地位于南海北部的西段，是一個在前新生代基底上發(fā)育起來的裂谷型含油氣盆地。盆地深水區(qū)主要由中央坳陷帶、北礁凸起、甘泉凹陷和華光凹陷組成，其中中央坳陷帶包括樂東、陵水、松南、寶島、北礁和長昌6個凹陷以及陵南和松南2個低凸起(圖1)。該區(qū)普遍發(fā)育高溫超壓[9]。深水區(qū)新生代演化經(jīng)歷了由陸相向海相疊合沉積演變的裂陷階段以及淺水向深水沉積轉(zhuǎn)變的裂后階段[2]。整個中央坳陷帶是一個完整的含油氣系統(tǒng)[10]，主要烴源巖是始新統(tǒng)的湖相和漸新統(tǒng)崖城組海陸過渡相烴源巖，目前鉆探成功的圈閉主要分布在中央峽谷沉積體系中，如LS22-1和LS17-2大型油氣田。

2 斷裂發(fā)育基本特征

瓊東南盆地經(jīng)歷了復雜的構(gòu)造變形，內(nèi)部發(fā)育斷裂數(shù)量較多，其發(fā)育特征具有很好的規(guī)律性。

2.1 斷裂分布特征

整體上來說，瓊東南盆地主要斷裂多分布于中央坳陷帶。中央坳陷帶以北，斷裂主要分布在北部坳陷；中央坳陷帶以南，斷裂主要分布在北礁凸起南部。中央坳陷內(nèi)又以東部斷陷斷裂分布居多，尤其是寶島和長昌凹陷，發(fā)育多組近乎平行的斷裂。斷裂級別不同，分布位置也不相同(圖1)。

2.2 斷裂活動期次

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造單元劃分及斷裂分布

2.2.1 始新世—早漸新世初始強烈活動期

該期斷裂活動對應盆地斷陷期，受到太平洋—歐亞板塊相互作用產(chǎn)生的NW向拉張應力場以及印支—歐亞板塊相互作用產(chǎn)生的近SN向拉張應力場的聯(lián)合作用，盆地快速張開，斷層活動表現(xiàn)為異常強烈。盆地內(nèi)斷層在該時期幾乎都處于活動狀態(tài)。

2.2.2 晚漸新世持續(xù)強烈活動期

該期斷裂活動對應盆地斷拗轉(zhuǎn)換期。盆地動力學背景為南海海底開始擴張，南海開始形成，產(chǎn)生了近SN向的拉張應力場，盆地整體進入斷陷與拗陷轉(zhuǎn)換階段，構(gòu)造活動仍較強烈，斷層活動也較強。盆地內(nèi)斷層在該時期也幾乎都處于活動狀態(tài)。

2.2.3 早—中中新世弱幅活動期

此時海洋脊向南躍遷，南海又開始發(fā)生NW—SE向擴張，盆地進入穩(wěn)定熱沉降階段，構(gòu)造作用以熱沉降時產(chǎn)生的差異壓實和重力滑塌作用為主。在SE向拉張應力場下，少數(shù)NE向和近EW向斷裂繼續(xù)活動(1號、3號、5號、7號、11號、14號、12號、15號、10號、寶島凹陷北部及陵水凹陷北部2號和2-1號斷裂)，但均發(fā)展成為隱伏斷裂，整體活動性較弱。

2.2.4 晚中新世—第四紀活化活動期

此時深部地幔對流導致巖石圈強烈減薄，盆地進入加速熱沉降階段。同時，菲律賓板塊逆時針旋轉(zhuǎn)碰撞亞洲大陸產(chǎn)生了NW向運動，即紅河斷裂開始由左行走滑變?yōu)橛倚凶呋?，因此在盆地?nèi)部產(chǎn)生NW向左旋平移扭動力。應力場在盆地內(nèi)形成一系列晚期壓扭性斷裂，它們或是早期斷裂繼承性活動，或是新發(fā)育斷裂。由于壓扭作用較弱，盆地內(nèi)活動斷裂數(shù)量非常少(僅5號、1號、2號、11號、7號、15號、10號、陵水凹陷北部2-1號、寶島凹陷2號和2-1號、長昌凹陷2-1號斷層活動)，且對早期斷層正斷距影響不大。

3 斷裂輸導旋回

綜合前人研究成果，杜春國等[11]將斷裂帶輸導流體的動力學機制劃分為4類：(1)突發(fā)性構(gòu)造事件型。該類型地層處于常壓或弱超壓狀態(tài)下，構(gòu)造運動引起地震泵，圍巖中的流體被吸入斷裂帶產(chǎn)生運移；(2)超壓主導型。該類型地層壓力達到斷裂門限開啟壓力或超過地層破裂壓力，流體壓力使處于封閉狀態(tài)的斷層開啟，流體在剩余壓力驅(qū)動下快速涌流；(3)超壓與構(gòu)造活動聯(lián)控型。該類型地層也處于超壓或強超壓環(huán)境，但未達到斷層門限開啟壓力或未超過地層破裂壓力，流體沿斷裂的幕式流動是通過超壓和構(gòu)造活動共同控制實現(xiàn)的；(4)浮力驅(qū)動型。斷層處于靜止期且地層壓力為常壓，流體在浮力驅(qū)動下沿斷裂帶發(fā)生緩慢滲流。前3種均是非穩(wěn)態(tài)流體流動行為，流體主要發(fā)生幕式快速流動。相比較而言，緩慢穩(wěn)態(tài)滲流機制可能不是斷裂輸導流體的主要方式[12-14]，其輸導能力也微乎其微，但如果斷層靜止期發(fā)育超壓，超壓并未達到斷層門限開啟壓力或未超過地層破裂壓力，這樣在超壓的驅(qū)動下可以加快滲流的流速，提高其輸導效率。因此，筆者認為高壓斷陷可以存在斷層活動期快速涌流和斷層靜止期有效滲流2種油氣輸導模式。

3.1 斷裂活動期快速涌流輸導模式

前人一般認為，有溝通烴源巖與儲集層的斷層，油氣就必然會順利充注進入砂體。實際上并非如此，良好的儲集體是油氣充注的必要條件，但并非所有砂巖體都能夠充注油氣。地層水和石油幾乎不可壓縮，天然氣可壓縮性也有限，如果砂體中儲層孔隙空間始終被地層水占據(jù)，那么油氣將無法充注；只有砂體中地層水通過其他泄水口流走，讓出儲集空間，油氣才能夠充注。在地層中，泄水口通常為切割砂體的斷裂。鑒于此，劉震等[15]提出了雙斷層或多斷層控藏模式。

驅(qū)動流體流動的動力類型很多，包括超壓、浮力、地震泵和構(gòu)造活動等，它們共同影響油氣成藏過程。勘探實踐表明，瓊東南盆地強超壓對天然氣成藏起到了重要的控制作用。構(gòu)造活動期，盆地內(nèi)超壓流體沿斷裂帶流動以幕式快速涌流為主，國內(nèi)外許多學者對涌流驅(qū)動機制進行了探討[12-14]。瓊東南盆地關(guān)鍵成藏期為晚中新世—現(xiàn)今，對應新構(gòu)造運動期，此運動導致盆地內(nèi)多條斷裂繼續(xù)活動或再次活化，為油氣輸導提供了條件。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多個以斷裂活動期快速涌流輸導而成藏的典型實例，如寶島19-2氣藏(圖2)。該氣藏位于寶島凹陷北部陡坡帶，目的層陵水組扇三角洲砂體被多條“階梯狀”斷層所切割，主控斷裂(長期活動的2-1號斷裂)在成藏期處于活動狀態(tài)，下部烴源巖生成的天然氣在超壓的驅(qū)動下以快速涌流方式運移至圈閉聚集成藏。

超壓流體沿斷裂帶垂向運移時，斷裂帶內(nèi)部孔隙并不是真空。隨著構(gòu)造運動加劇，地層受構(gòu)造應力作用發(fā)生變形，在構(gòu)造應力集中部位首先發(fā)育微裂縫帶。由于微裂縫帶形成較為緩慢，因此其自始至終均充滿地層水。隨著應力的進一步增加，微裂縫帶逐漸轉(zhuǎn)化為宏觀的斷裂帶。在形成斷層的瞬間，地層水在“斷層泵”的作用下迅速充滿斷裂帶空間。該過程用時遠遠小于底部油氣沿斷層垂向運移所需時間，因此當?shù)撞坑蜌忾_始向上運移時，斷層內(nèi)已充滿地層水。油氣受超壓驅(qū)動在狹小的斷裂帶空間內(nèi)只能推著上覆地層水發(fā)生涌流，在斷層空間內(nèi)形成上段地層水、下段油氣的運移現(xiàn)象。結(jié)合雙斷層控藏理論[15]建立了斷層活動期涌流輸導模式(圖3)：超壓烴源巖與砂體之間有斷層溝通，且砂體被2條或多條斷裂切割，烴源巖生成的油氣和地層水一起在超壓作用下沿斷層快速涌流，向上運移，被斷層切割的砂體中地層水通過上傾方向斷層排出，為油氣充注讓出空間，因此油氣能夠通過下傾方向的斷層充注砂體。在油氣供給充足情況下，可以將斷層間砂體充滿，而更多的油氣則沿斷層繼續(xù)向上運移。

圖2 瓊東南盆地BD19-2氣藏成藏模式

圖3 斷層活動期涌流輸導模式

需要指出，斷層活動期涌流模式強調(diào)油氣充注方式，與油氣的保存并不矛盾。在地質(zhì)時期內(nèi)，斷層活動期相對短暫，可看作是瞬間完成的，斷層活動停止后，排水口閉合，砂體中未泄露的油氣被保存下來，經(jīng)過后期的調(diào)整形成現(xiàn)今的油氣藏。

3.2 斷層靜止期有效滲流輸導模式

斷層活動期，斷層開啟，油氣發(fā)生幕式快速涌流；斷層靜止期，深部斷層大多表現(xiàn)為垂向封閉，但是在淺層某深度范圍內(nèi)斷層未封閉，油氣仍可以通過斷裂帶發(fā)生滲流。

斷層靜止期，斷層從淺部未封閉狀態(tài)過渡到深部封閉狀態(tài)，存在一個臨界封閉深度[15]。斷層在臨界封閉深度以下起封閉作用，流體幾乎不發(fā)生流動；在臨界封閉深度以上，斷裂帶內(nèi)部流體仍可能發(fā)生流動。劉震等[15]認為，斷層靜止期油氣能否發(fā)生有效滲流主要取決于超壓頂面與斷層臨界封閉深度的位置關(guān)系，即超壓頂面在斷層臨界封閉深度之上才有可能發(fā)生有效滲流。油氣有效滲流的動力和通道條件滿足之后，還需油氣源，油氣源可以是烴源巖中生成的油氣，也可以是前期快速涌流聚集在儲集體中的油氣。如果在斷層未封閉段地層內(nèi)存在油氣，且周圍地層中又存在超壓，那么這些油氣會在超壓驅(qū)動下沿斷裂帶向上運移。此時油氣在斷裂帶中的運移為有效滲流輸導，其滲流輸導能力取決于超壓的強弱。

瓊東南盆地也發(fā)現(xiàn)了多個油氣成藏期明顯晚于斷裂活動期的油氣藏，如崖城13-1大氣田。該氣田位于崖西低凸起之上，以1號斷裂帶為界與鶯歌海盆地相鄰，產(chǎn)層包括陵三段、陵二段和三亞組砂巖，天然氣主要來自崖南凹陷崖城組含煤地層[16]。晚中新世以后，崖西低凸起除1號斷裂外，其余斷層都處于靜止期，由于地層埋藏較淺，斷層大部分處于未封閉狀態(tài)，在超壓驅(qū)動下，深部崖城組烴源巖生成的天然氣可以通過緩慢滲流的方式運移至陵水組砂體，然后經(jīng)過側(cè)向運移至構(gòu)造高部位聚集成藏。由此可見，斷層靜止期緩慢滲流也可以形成大型油氣田。

3.3 斷裂輸導旋回基本模式

瓊東南盆地斷裂活動具有明顯的周期性，斷裂活動期與靜止期交互出現(xiàn)，表現(xiàn)為旋回的特征。因此，斷裂對油氣的輸導作用也表現(xiàn)出旋回性。

一個斷裂活動周期包含了短暫的斷層活動期和較長的斷層靜止期，這2個階段斷裂對油氣運移都可以起到輸導作用。斷裂活動期對應著流速較快的斷裂輸導模式，斷裂靜止期對應著流速相對緩慢的斷裂輸導模式，只是這2種輸導模式輸導油氣的速率不同。斷裂活動階段隨著活動強度的減弱以及超壓的釋放，快速輸導模式的輸導速率逐漸變小，逐漸過渡到慢速輸導模式的輸導速率?？梢姡粋€完整的斷裂活動周期內(nèi)，斷裂對油氣的輸導作用包括相當短時間內(nèi)的快速輸導和較長時間內(nèi)的慢速輸導。在沉積盆地發(fā)育演化過程中，往往發(fā)育多期斷裂活動，對應著多個斷裂輸導旋回，它們在時間上疊加，組成斷裂多旋回輸導樣式。隨地質(zhì)演化，斷裂多旋回輸導樣式表現(xiàn)為快速涌流輸導和慢速有效滲流輸導交替出現(xiàn)的特征，2種模式交替輸導可以增強油氣運移效率，從而使深部生成的油氣運移至淺層聚集成藏。

4 中央峽谷天然氣成藏模式

已經(jīng)證實中央峽谷水道天然氣來源于古近系崖城組烴源巖。前期研究認為底辟構(gòu)造是南海北部盆地油氣成藏的關(guān)鍵，因此，提出瓊東南盆地深部烴源巖生成的天然氣在超壓的驅(qū)動下，通過峽谷下方底辟模糊帶內(nèi)微裂隙進入儲集體聚集成藏[17]的觀點。瓊東南盆地陵水凹陷發(fā)育強超壓，可以為天然氣運移提供動力，這點已經(jīng)達成共識，但是天然氣通過峽谷下方底辟模糊帶內(nèi)微裂隙運移的說法有些含糊，而且在地震剖面上并沒有識別出明顯的底劈構(gòu)造。通過分頻處理技術(shù)，在提高深層地震資料分辨率的基礎上，本文在中央峽谷陵水段下方深層識別出一系列溝通烴源巖的同向斷階狀斷層，同時在淺層識別出許多高角度小斷層。筆者認為，這些斷層才是天然氣從深部運移至淺部黃流組聚集的重要通道。

分頻處理技術(shù)對于提高斷裂識別能力效果較好。筆者利用小波分頻處理技術(shù)，對中央峽谷陵水段三維地震數(shù)據(jù)幾條聯(lián)絡測線分別進行10，15，20，25，30，34，40 Hz分頻處理，將分頻后剖面與原始剖面對比，發(fā)現(xiàn)10 Hz分頻處理剖面斷層成像較清晰，對識別峽谷下方斷層效果最好。因此，以10 Hz分頻處理剖面為載體，在中央峽谷下方深層識別出一系列溝通烴源巖的同向斷階狀斷層。這些斷層多斷至陵水組頂部，是早期構(gòu)造活動的產(chǎn)物；同時淺層三亞組內(nèi)部近直立的多邊形斷層極其發(fā)育，是中期構(gòu)造活動產(chǎn)物(圖4)。平面上，三亞組內(nèi)部多邊形斷層主要分布在研究區(qū)的西北部，LS22-A和LS17-A井區(qū)峽谷水道砂體分布在多邊形斷層發(fā)育區(qū)。

圖4 瓊東南盆地中央峽谷下方10 Hz分頻剖面斷裂解釋測線位置見圖1。

斷裂多旋回輸導使崖城組烴源巖生成的天然氣在超壓驅(qū)動下，通過峽谷下方的斷裂體系在黃流組—鶯歌海組中央斜谷圈閉內(nèi)聚集成藏。天然氣充注帶位于研究區(qū)的西北部多邊形斷層發(fā)育區(qū)。對于中央峽谷下方斷裂明顯不發(fā)育且遠離主生烴中心的砂巖體而言，其成藏則主要依賴于砂體的側(cè)向輸導，即油氣從就近充注帶側(cè)向運移，最終在適合的砂巖體圈閉聚集成藏(圖6)。

圖5 瓊東南盆地中央峽谷天然氣“多期斷裂—多斷層”接力輸導模式

瓊東南盆地陵水凹陷中央峽谷發(fā)育多層濁積砂體，砂體規(guī)模中等，但單層厚度大且物性整體較好，縱向上砂體被深水泥巖或者塊體流沉積隔開，具有良好的蓋層條件。圈閉的形成與陵水凹陷的生排烴高峰期匹配較好，后期保存條件也較好。陵水凹陷屬于富生烴凹陷，中央峽谷天然氣來源充足，因此，圈閉和輸導系統(tǒng)是天然氣富集的關(guān)鍵要素。在有效輸導體系確定的基礎上，只要找到大型有效圈閉，就能找到大規(guī)模聚集的天然氣。

5 結(jié)論

(1)瓊東南盆地深水區(qū)發(fā)育4期斷裂活動，且斷裂活動具有明顯周期性；提出了斷裂旋回的概念，一個斷裂旋回包括了較短時間的斷層活動期和較長時間的斷層靜止期。

(2)根據(jù)斷裂活動特征，提出斷層活動期高效涌流輸導模式和斷層靜止期有效滲流輸導模式，建立了斷裂輸導旋回模式。在沉積盆地發(fā)育演化過程中，發(fā)育多期斷裂活動，對應著多個基本斷裂輸導旋回，它們在時間上疊加，組成斷裂多旋回輸導樣式，超壓斷陷盆地高效涌流和有效滲流交替輸導，可以增強油氣輸導效率。

(3)利用地震分頻處理技術(shù)，以10 Hz分頻處理剖面為載體，在中央峽谷下方深層識別出一系列溝通烴源巖的同向斷階狀斷層，多斷至陵水組頂部；在淺層三亞組內(nèi)部識別出許多近直立的小斷裂，多邊形斷層極其發(fā)育。這些斷裂是深部天然氣運移至淺層聚集成藏的重要通道。

圖6 瓊東南盆地中央峽谷天然氣成藏模式剖面位置見圖1。

(4)建立了瓊東南盆地中央峽谷天然氣“多期斷裂—多斷層”接力輸導成藏模式，對于中央峽谷下方斷裂明顯不發(fā)育且遠離主生烴中心的砂巖體而言，其成藏則主要依賴于砂體的側(cè)向輸導。