油氣“穿斷運移”模式、評價方法與應用
——以珠江口盆地恩平凹陷為例

朱定偉, 彭光榮, 張忠濤, 吳 靜, 許新明, 白海軍, 郭 偉, 趙 鵬

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

斷層不僅控制著構造和沉積發(fā)育, 而且控制油氣的聚散, 影響油氣的富集程度, 對油氣藏具有重要的控制作用。斷層對油氣藏的控制作用體現(xiàn)在斷層在油氣藏形成和演化過程中具有雙重作用, 既能輸導油氣, 又能封堵油氣(金崇泰等, 20 12; 葛巖等,2013; 許新明等, 2016; 付廣和王浩然, 2019)。究竟起哪種作用主要取決于斷層不同部位、不同層段封堵能力和輸導能力的差異性。前人對斷層封堵油氣和輸導油氣研究很多, 但主要集中在斷層縱向輸導油氣和橫向封堵油氣的角度(林鐵鋒等, 20 08; 付廣和王浩然, 2019; 楊超群等, 2021), 對于橫穿斷層運移油氣的研究較少。目前, 斷層側向封閉性評價方法主要分為定性和定量兩大類, 定性評價方法以Allan 圖解法和Knipe 圖解法為主(Allan, 1986; Larsen et al ., 1992; Hor bury an d R obinson, 1993; K nipe,1997), 其中Knipe 圖解法可快速判斷斷層兩側地層的并置情況, 當斷層兩側砂-砂并置時, 不利于油氣的縱向輸導, 而更利于油氣跨斷層橫向運移。定量評價方法主要包括泥巖涂抹潛力法(CSP)(Bouvier e t al., 1989)、泥巖涂抹因子法(SSF)(Lindsay et al., 19 93)和斷層泥比率法(SGR)(Yielding et al., 1997)等, 其中, SSF 法和SGR 法是定量評價斷層側向封閉性的主要方法。

斷層側向封閉油氣和側向運移油氣具有辯證關系, 當斷層側向封閉時, 可有效遮擋油氣聚集成藏;斷層側向開啟時, 油氣可橫穿斷層進行運移。通常,同一條斷層既具有一定的側向封閉能力, 又具有一定的橫向輸導能力。本文將傳統(tǒng)評價斷層側向封閉性的方法進行改良, 從斷裂活動速率、生長指數(shù)、泥巖涂抹因子(SSF)和斷層泥比率(SGR)等角度建立評價油氣穿斷運移的定量方法, 以準確判斷恩平凹陷新近系的油氣運移路徑。

1 區(qū)域地質背景

近年來, 在南海北部淺水富生烴凹陷接連發(fā)現(xiàn)一些大中型油氣田, 因此淺水區(qū)域仍然是當前南海北部油氣資源的重要接替區(qū)域(施和生等, 201 5; 何敏等, 2016; 夏慶龍, 2016; 朱偉林等; 2016; 米立軍,2018; 米立軍等, 2018; 張強等, 2018)。恩平凹陷位于珠江口盆地淺水區(qū)珠一坳陷最西端(圖1a), 面積約5000 km2, 水深80～100 m, 凹陷中心距香港約200 km。恩平凹陷西接陽江凹陷, 東臨西江凹陷, 南北分別被番禺低隆起和北部隆起帶夾持, 是中海石油(中國)有限公司深圳分公司最西端的原油產(chǎn)地。

恩平凹陷是前古近紀開始發(fā)育的負向構造單元,中-新生代經(jīng)歷了三個構造演化階段, 即晚白堊世-早漸新世的斷陷階段、晚漸新世-中中新世的拗陷階段及晚中新世至今的新構造運動階段(鐘志洪等,2014)。從構造單元上恩平凹陷可劃分為三個次級洼陷: 恩平17 洼、恩平12 洼和恩平18 洼(圖1b)。恩平凹陷的構造格局受控洼斷裂F1、F2和F3共同控制。F1呈NEE 向展布, 延伸長達60 km, 傾角平均為24°,斷面形態(tài)呈鏟式-坡坪式。F1斷裂水平斷距沿走向變化明顯, 呈“兩端大、中間小”特點, 在西段恩平17洼處最大, 達14 km, 在東部恩平12 洼處為8 km,中部最小為5 k m。F1斷裂西段與S-N 走向的F3斷裂共同控制了恩平17 洼的結構和沉積充填特征(圖1c), F1斷裂東段控制了恩平12 洼的發(fā)育(圖1d)。F2斷裂是由六條 NEE-EW 走向的高角度斷層(40°～60°)首尾相鄰組成的近E-W 向的南傾斷裂系,長約25 km, 直接控制了恩平18 洼的發(fā)育。F2斷裂系切割基底并最終收斂于F1斷面之上, 兩者具有聯(lián)動協(xié)同演化的特征。

鉆井揭示恩平凹陷自下而上發(fā)育: 始新統(tǒng)文昌組和恩平組, 漸新統(tǒng)珠海組, 中新統(tǒng)珠江組、韓江組和粵海組, 上新統(tǒng)萬山組及第四系(劉志峰等,2017)。其中, 文昌組為主力生烴層系。

圖1 恩平凹陷位置與結構Fig.1 T ectonic location and structures of the Enping Sag

2 油氣穿斷運移評價思路與方法

斷層對油氣的封閉作用機理是斷層帶物質(斷層巖)的毛細管壓力作用, 當油氣所受的浮力未超過斷層巖的毛細管壓力時, 斷層對油氣起遮擋作用(金崇泰等, 2012)。油氣能否橫穿斷層運移的控制因素主要有斷層的運動學特征(斷層的活動性)、斷層兩側的巖性配置關系和斷層兩側泥巖累計厚度與斷距的關系(SSF 和SGR)等(呂延防等, 2002), 因此, 本文擬通過穿斷運移臨界值的確定、穿斷運移部位評價、穿斷運移層段評價三個步驟, 對油氣橫穿斷層運移進行精細評價。

2.1 穿斷運移臨界值的確定

恩平凹陷具有“斷裂控藏”的特點, 幾乎所有的油氣發(fā)現(xiàn)均與斷層相關。斷層圈閉所能封閉油氣的規(guī)模, 除了受斷層圈閉幅度和面積制約外, 更重要的是受斷層側向封閉性強弱的影響。付廣和李建民(2014)研究表明: 斷裂斷距越大、活動性越強, 斷裂帶內部結構越發(fā)育, 斷層核與上/下盤誘導裂縫帶和滑動破碎帶越發(fā)育, 也就越有利于油氣的縱向輸導,而不利于油氣橫向穿斷運移。恩平凹陷以及整個珠一坳陷眾多斷圈油藏的實鉆情況也證實了這個規(guī)律。恩平凹陷油氣主成藏期是晚中新世粵海組沉積期, 當控運斷裂在粵海組沉積期活動速率>10 m/Ma 或生長指數(shù)>1.1 時, 有利于油氣的垂向輸導(圖2), 油氣能夠運移到淺層成藏; 而當粵海組沉積期活動速率<10 m/Ma或生長指數(shù)<1.1 時, 斷裂帶內部結構不發(fā)育, 縱向輸導能力較弱, 油氣難以運移到淺層構造中成藏, 而更容易穿斷運移。因此, 可將斷裂活動速率10 m/Ma 和生長指數(shù)1.1 作為油氣能夠穿斷運移的臨界值。

斷層活動過程中, 由于拖曳、擠壓、研磨和塑性流動等作用, 沿斷層分布的極細粒、非滲透性泥狀物附著在斷層面上, 增強了斷層的封閉性, 可用SGR、SSF 值等表征其側向封堵性(羅勝元等, 2012)。恩平凹陷實鉆斷圈油藏的分析數(shù)據(jù)表明: 不同層段斷層側向封堵性能具有差異性(圖3), 韓江組下段油藏的泥巖涂抹因子SSF<1.8 且斷層泥比率SGR>0.38(部分重質油藏具有特殊性, 為>0.26), 表明當恩平凹陷韓江組下段控圈斷層的斷面泥巖涂抹因子SSF<1.8 且斷層泥比率SGR>0.38 時, 才能夠有效封閉油氣, 故將韓江組下段斷層側向開啟性的SSF和SGR 臨界值分別定為1.8 和0.38。與此類似, 珠江組上段(江一段、珠二段、珠三段和珠四段上段)的SSF 和SGR 臨界值分別定為2.1 和0.35, 珠江組下段(珠四段下段和珠五段)的SSF 和SGR 臨界值分別定為1.8 和0.42。

2.2 穿斷運移部位評價

依據(jù)斷裂活動速率10 m/Ma 和生長指數(shù)1.1 的臨界值, 恩平凹陷北部隆起帶A3 構造控圈斷裂系FA3兩條斷裂交接部位和邊部的活動速率<10 m/Ma,是油氣容易穿斷運移的部位(圖4a)。

油氣除了在粵海組沉積期斷裂活動速率<10 m/Ma或生長指數(shù)<1.1 的部位易于穿斷運移外, 在斷層的軟連接部位、邊部, 由于斷距較小或沒有斷距, 油氣易于沿著連通砂體進行橫向運移。對于A3 構造的控圈斷層而言, 兩條斷層的交切部位、斷層的邊部是油氣容易穿透的部位。

此外, 斷層兩側砂巖并置區(qū)也是油氣容易穿透斷層的區(qū)域。采用Knipe 圖解法判別A3 構造兩條斷層的交切部位和斷層邊部砂-砂并置, 是油氣容易穿斷運移的部位(圖4b)。

2.3 穿斷運移層段評價

根據(jù)斷層兩側地層的巖性并置關系和計算的SSF 和SGR 值, 再結合區(qū)域擬合出的SSF 和SGR臨界值, 在砂-砂并置區(qū)尋找高SSF 值或低SGR 值的層段, 即是斷裂側向開啟層段, 也是有利于油氣穿斷運移的層段。對于A3 構造控圈斷層FA3而言,在珠江一段中上部、珠江二段中下部-珠江三段中部是油氣容易穿斷運移的層段(圖5)。

圖2 珠一坳陷斷裂粵海組沉積期活動速率(a)和恩平凹陷斷裂粵海組沉積期生長指數(shù)分布(b)(井位見圖1)Fig.2 Fault activity rates of the ZhuⅠ Depression (a) and growth rates of the Enping Sag (b)

圖3 恩平凹陷斷圈油藏斷面SSF 值(a)和SGR 值(b)分布Fig.3 SSF (a) and SGR (b) values of the faulted-trap reservoir in the Enping Sag

圖4 A3 構造控圈斷層FA3 活動速率分布(a)和珠江組上段兩側巖性并置關系(b)(FA3 的位置見圖1b)Fig.4 Activity rate of FA3 Fault (a) and stratigraphy on both sides of the Upper Zhujiang Formation (b)

3 穿斷運移方法應用效果的地球化學檢驗

3.1 恩平凹陷北部隆起帶應用效果的地球化學驗證

A1、A3 和A4 構造位于恩平凹陷北部隆起帶上, 均是在基底古隆起背景上發(fā)育起來的受NWWNE 向斷層控制的斷層相關構造(圖6), 構造繼承性較強, 從基底到韓江組均有圈閉發(fā)育。A1 是一個有待建產(chǎn)的中型油田, 在其周邊拓展勘探時遇到的最大瓶頸是其北邊存在多個凹槽。傳統(tǒng)地質理論認為,只有油氣充滿A1 構造時, 才能從溢出點溢出到A3和A4 等構造。油氣橫穿斷層運移模式的提出和對穿斷運移部位與層段的精細評價, 本文認為A1 油田的油氣能夠在控圈斷層中段的珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段等層段穿過斷層進行橫向運移, 并沿著斷裂下降盤的構造脊運移到A3構造聚集成藏, 并能進一步穿斷運移至A4 構造(圖6)。油氣穿斷運移創(chuàng)新模式推動了A3 和A4 兩個構造的鉆探, 并獲得了商業(yè)油氣發(fā)現(xiàn), 兩個構造均鉆遇數(shù)百米厚的油氣顯示和數(shù)十米油層也證實了油氣橫穿斷層運移模式在恩平凹陷北部隆起帶的適用性。

油氣穿斷運移模式也得到了地球化學方面的證實。恩平凹陷北部隆起帶存在兩種原油類型: 以高含量的C304-甲基甾烷(C304-MSt)、高含量的雙杜松烷為特征的半深湖+淺湖相混源油(Ⅰ類原油), 和以高含量的C304-甲基甾烷、低含量的雙杜松烷為特征的半深湖相原油(Ⅱ類原油)(圖7)。同時存在兩期原油充注, 第一期原油充注發(fā)生在13.8～9.1 Ma, 以Ⅰ類原油為主; 第二期原油充注發(fā)生在3. 9～0 Ma, 以Ⅱ類原油為主。

圖5 A3 構造控圈斷層FA3 斷面SSF 值(a)和SGR 值分布(b)Fig.5 SSF (a) and SGR (b) values of FA3 fault surface

圖6 恩平凹陷北部隆起帶T40 深度構造(a)和油氣穿斷運移剖面(b)Fig.6 T 40 isodepth map (a) and profile showing the oil-gas migration across faults (b) in the northern uplift belt of the Enping Sag

在第一期原油充注期, Ⅰ類原油首先在A1 構造富集成藏, 同時在珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段穿斷運移至A3 構造聚集, 并進一步穿斷運移至A4 構造聚集(圖8)。在第二期原油充注期, Ⅱ類原油首先充注A1 構造, 對Ⅰ類原油具有一定的驅替和改造作用, 且驅替和改造作用由近至遠、由下至上逐漸減弱, 導致不同構造兩類原油的比例不一致。A1 構造Ⅰ類原油僅剩7%, A 3 構造Ⅰ類原油占比49%, A4 構造Ⅰ類原油占比高達83%。A1 和A3 構造珠江組的Ⅰ類原油幾乎全部被Ⅱ類原油驅替, 韓江組則以Ⅰ類和Ⅱ類混源油為主; A4 構造由于距烴源最遠, Ⅰ類原油對Ⅱ類原油的驅替作用較弱, 以混源油為主, 部分層段依然保留有Ⅰ類原油。

圖7 恩平凹陷北部隆起帶2 類原油生物標志化合物特征Fig.7 Biomarkers of two types of crude oils in the northern uplift belt of the Enping Sag

圖8 恩平凹陷北部隆起帶第一期原油充注層段分布(a)和第二期原油充注層段分布(b)Fig.8 Di stribution of the first-stage (a) and second-stage (b) o il filli ng member s in the no rthern uplift belt of the Enping Sag

3.2 恩平凹陷南部隆起帶應用效果的地球化學驗證

恩平凹陷南部隆起帶的A22 構造位于A20 油田控圈斷層下降盤(圖9), A20 油田是發(fā)育在繼承性古隆起之上的斷鼻油藏, 是南部隆起帶的構造至高點,是傳統(tǒng)油氣運移理論認為的“運移終點”, 這也是影響A22 構造鉆探的最大障礙。在油氣穿斷運移模式認識的基礎上, 本文對A20 油田控圈斷層進行精細分析, 認為這一組雁列式斷層具有分段控藏、側向封堵與輸導并存的特點, 油氣能夠在各分支斷層的交接部位穿斷運移至下降盤, 并沿著構造脊運移至A22 構造聚集成藏。這些認識推動了A22 構造的鉆探, 并獲得中型油田發(fā)現(xiàn), 證實了穿斷運移模式在恩平凹陷南部隆起帶的適用性。

圖9 恩平凹陷南部隆起帶A20-A22 構造區(qū)T35 深度構造(a)和油氣穿斷運移剖面(b)Fig.9 T 35 isodepth map (a) and pr ofile showing the oil-gas migration across faults (b) of structures A20-A22 in the southern uplift belt of the Enping Sag

4 結 論

基于珠江口盆地恩平凹陷大量斷層圈閉油藏的實際鉆井數(shù)據(jù), 建立了油氣穿斷運移模式、評價方法和評價標準, 獲得以下認識。

(1) 方法的新穎性: 從辯證法的角度厘清斷層側向封閉油氣能力和側向運移油氣能力的關系, 將傳統(tǒng)評價斷層側向封閉性的方法進行改良, 從斷裂活動速率、生長指數(shù)、泥巖涂抹因子(SSF)和斷層泥比率(SGR)等角度建立了評價油氣穿斷運移的定量方法。

(2) 方法的有效性: 基于這套評價方法, 識別出FA3斷裂中段和邊部是油氣穿斷運移的部位; 珠江一段中上部、珠江二段中下部–珠江三段中部是油氣容易穿斷運移的層段。通過鉆井和地球化學分析對比, 證實了油氣能夠橫向穿過FA3斷層運移至A4構造富集成藏。

(3) 方法的適用性: 油氣穿斷運移模式和評價方法在恩平凹陷南、北兩帶的多個油氣勘探中得到了驗證, 發(fā)現(xiàn)了3 個商業(yè)油田和2 個含油構造, 推動了恩平凹陷含油氣系統(tǒng)邊界的拓展, 對具有相似斷裂發(fā)育背景的區(qū)域具有借鑒作用。