油氣穿越未成巖斷裂運(yùn)移富集成藏模式與主控因素
——以珠江口盆地恩平凹陷為例

趙 鵬, 彭光榮, 吳 靜, 白海軍, 許新明, 李穎薇, 李孔森, 彭霄云

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

恩平凹陷勘探始于1983 年, 而在之后的27 年中一直未獲突破。2010～2012 年在其南部隆起內(nèi)帶獲得了一系列商業(yè)性油田, 證實(shí)其為富烴洼陷(劉麗華等, 2011; 劉再生等, 2014)。南部隆起內(nèi)帶集束勘探完成后, 恩平凹陷進(jìn)入勘探相對低潮期。2017 年起, 基于淺層油氣穿越未成巖斷裂遠(yuǎn)源運(yùn)移成藏模式, 研究人員相繼在恩平凹陷南、北隆起帶獲得重大勘探突破, 發(fā)現(xiàn)一批商業(yè)性油田(米立軍, 2018;吳哲等, 2020), 驗(yàn)證了此模式的合理性與推廣價(jià)值。

斷裂在淺層油氣成藏過程中具有重要的控制作用(汪立君等, 2006; 鄧運(yùn)華等, 2017; 郝鑫, 2017),國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究和論述, 且主要側(cè)重于斷裂封閉性對圈閉有效性的控制、斷裂作為垂向運(yùn)移通道輸導(dǎo)油氣運(yùn)移、定量評價(jià)斷裂封堵油柱高度等方面(呂延防和王帥, 2010; 吳智平等, 2010; 付曉飛等, 2012; 付廣等, 2014, 2017; 姜大朋等, 2014;呂延防等, 2016; 王超等, 2017)。淺層斷裂由于埋藏淺、活動(dòng)晚等因素影響, 其成巖作用一般較弱, 因此其對油氣的側(cè)向封堵和輸導(dǎo)具有特殊性, 近年研究報(bào)道較少(王超等, 2017; 付廣和葛思, 2018)。本文利用地震、測井、巖心、地球化學(xué)等資料, 對恩平凹陷南、北隆起帶淺層主要油田成藏特征進(jìn)行剖析,闡述淺層油氣穿越未成巖斷裂運(yùn)移成藏模式及其成因機(jī)制, 并總結(jié)富集成藏的主控因素。

1 恩平凹陷石油地質(zhì)背景

1.1 洼陷結(jié)構(gòu)

恩平凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷西端, 北部毗鄰海南隆起, 東部與恩西低凸起、西江凹陷相隔,南部為番禺低隆起。西部和西南部與珠三凹陷和神狐隆起相接。洼陷整體呈NE 走向、北斷南超, 面積5000 km2, 由恩平17 洼、恩平12 洼和恩平18 洼三個(gè)次級洼陷構(gòu)成(陳長民等, 2003)。自下到上地層依次為前寒武系花崗巖基底、文昌組、恩平組、珠海組、珠江組、韓江組、粵海組、萬山組和第四系。恩平凹陷屬于新生代凹陷, 經(jīng)歷了晚白堊世-早漸新世裂陷階段、晚漸新世-中中新世拗陷階段和中中新世之后的斷塊升降階段(王家豪等, 2011; 施和生等, 2014; 米立軍等, 2019)。

1.2 成藏區(qū)帶劃分

根據(jù)構(gòu)造背景和成藏要素特征, 將恩平凹陷劃分為南部隆起帶(外帶和內(nèi)帶)、洼陷區(qū)和北部隆起帶(外帶和內(nèi)帶)(圖1)。南、北隆起帶在裂陷期處于隆起風(fēng)化剝蝕狀態(tài), 文昌組、恩平組不發(fā)育。南部隆起帶新近系發(fā)育NWW 向張性斷裂, 北部隆起帶發(fā)育NE 向大型弧形斷裂。斷裂表現(xiàn)為高角度、同向傾斜, 多呈雁列式組合。斷裂活動(dòng)形成了一系列斷鼻、斷背斜等構(gòu)造。斷裂在韓江組上段–粵海組沉積期(10 Ma)強(qiáng)烈活動(dòng), 對晚期油氣成藏具有重要控制作用。

1.3 烴源巖條件

恩平17 洼是恩平凹陷珠江口盆地已證實(shí)的富烴洼陷(朱偉林等, 2018), 裂陷階段湖相沉積廣泛發(fā)育,文昌組面積343 km2, 最大厚度5 km, 是主力烴源巖發(fā)育層系, 烴源巖沉積類型為深湖-半深湖相泥巖,已發(fā)現(xiàn)原油具有高C304-甲基甾烷特征。恩平凹陷地溫梯度較高, 生烴階段較早, 主生油階段為33～10 Ma,文昌組處于高熟-過成熟階段, 生烴量約136 億噸(施和生, 2015; 朱明等, 2019)。

1.4 儲(chǔ)蓋組合

恩平凹陷新近系位于古珠江三角洲前緣, 地層含砂率 40%～60%, 儲(chǔ)蓋組合條件優(yōu)越。地層埋深1000～2500 m, 成巖作用弱。砂巖儲(chǔ)層物性良好, 孔隙度一般15%～30%, 屬于高孔高滲儲(chǔ)層。新近系區(qū)域性海泛泥巖構(gòu)成主要蓋層, 此類蓋層橫向穩(wěn)定,對油氣運(yùn)移和保存具有主要的控制作用, 此外也發(fā)育三角洲前緣間灣構(gòu)成的局部泥巖蓋層。目前, 恩平凹陷發(fā)現(xiàn)的商業(yè)性油氣主要分布在新近系韓江組和珠江組儲(chǔ)蓋組合中。

圖1 恩平凹陷位置與構(gòu)造區(qū)劃分Fig.1 Location and tectonic units of the Enping Sag

1.5 勘探實(shí)踐

2010～2012 年南部隆起內(nèi)帶鉆探的商業(yè)性油田是恩平凹陷的勘探突破, 恩平凹陷由此被證實(shí)為富烴洼陷。南部隆起帶是文昌組烴源巖優(yōu)勢指向區(qū),圈閉多為斷鼻或斷背斜, 前人總結(jié)了南部隆起內(nèi)帶的成藏模式, 提出文昌組生成的油氣受地層產(chǎn)狀控制向南部隆起帶方向匯聚, 經(jīng)不整合面及其附近粗碎屑巖進(jìn)入南部隆起帶下伏的“倉儲(chǔ)層”, 晚期活動(dòng)的斷裂輸導(dǎo)油氣進(jìn)入淺層韓江組、珠江組圈閉中成藏(何清吟等, 2014; 許新明等, 2014, 2015, 2016;謝飛等, 2015; 朱俊章等2015)。南部隆起內(nèi)帶具有基底古隆起的背景, 導(dǎo)致倉儲(chǔ)層僅局限于其下方難以向遠(yuǎn)端擴(kuò)展。同時(shí), 已發(fā)現(xiàn)油藏油柱低, 充注程度低, 向隆起外帶構(gòu)造運(yùn)移的風(fēng)險(xiǎn)更大。由于缺乏新的成藏模式指導(dǎo), 南部隆起外帶的勘探相對停滯。2017 年起, 基于對晚期未成巖斷裂特殊性的研究, 在南、北隆起帶向遠(yuǎn)端擴(kuò)展勘探取得成功, 相繼發(fā)現(xiàn)4 個(gè)商業(yè)性油田, 證實(shí)了隆起帶發(fā)育穿斷運(yùn)移富集成藏模式。

2 隆起帶油氣穿斷運(yùn)移成藏特征

穿斷運(yùn)移指斷層相關(guān)圈閉中, 由于斷裂封閉性弱, 油氣在圈閉中未聚集或聚集一定程度后漏失,穿越斷層進(jìn)入對盤地層中并向遠(yuǎn)端運(yùn)移的聚集成藏過程。恩平凹陷南、北隆起帶不發(fā)育烴源巖, 遠(yuǎn)端構(gòu)造帶韓江組、珠江組中的油氣均是通過穿越斷層的方式運(yùn)移成藏。結(jié)合平面、剖面特征, 恩平南部隆起內(nèi)帶的EPS-1 油田通過“烴源巖-不整合面-倉儲(chǔ)層-斷裂”模式成藏后發(fā)生穿斷運(yùn)移, 繼而依次形成EPS-2、EPS-3 兩個(gè)油田及EPS-4 含油構(gòu)造。恩平北部隆起內(nèi)帶EPN-1 油田以“烴源巖-斷裂-構(gòu)造脊”模式成藏后發(fā)生穿斷向北運(yùn)移, 依次形成 EPN-2、EPN-3 兩個(gè)油田及EPN-4 含油構(gòu)造(圖2)。綜述南、北隆起帶穿斷運(yùn)移成藏特征如下。

2.1 多次穿斷運(yùn)移、斷鼻圈閉為主、構(gòu)造脊連通

原油生物標(biāo)志化合物證實(shí), 南、北隆起帶各存在一條多次穿斷運(yùn)移路徑, 表現(xiàn)在: 恩平17 洼文昌組生成的原油, 在南部隆起帶EPS-1、EPS-2、EPS-3三個(gè)圈閉依次穿斷形成油田; 在北部隆起帶, 依次穿斷形成EPN-1、EPN-2、EPN-3 三個(gè)油田。因此, 南、北隆起帶油田的成藏過程中, 油氣連續(xù)發(fā)生3～4 次穿斷運(yùn)移, 并在穿斷運(yùn)移過程中富集成藏形成商業(yè)性油田(圖2)。發(fā)生穿斷運(yùn)移成藏的8 個(gè)油田或含油構(gòu)造中, 均為斷裂活動(dòng)形成的圈閉。由單條斷層或雁列式斷層組合控制形成的斷鼻或斷背斜, 在上升盤形成油藏。圈閉幅度范圍18～71 m, 斷距50～240 m,斷層傾角40°～75°(表1)。在連續(xù)穿斷運(yùn)移成藏的各油田之間, 存在構(gòu)造脊將穿斷的原油匯聚至下一個(gè)構(gòu)造; 若構(gòu)造脊不發(fā)育, 一般成藏較差或不能成藏,如圖3b 中所示EPS-5 構(gòu)造與EPS-2 油田之間不發(fā)育構(gòu)造脊, 圈閉就未能成藏。

圖2 過恩平凹陷地震剖面(剖面位置見圖1)Fig.2 The seismic section across the Enping Sag

2.2 晚期成藏、油柱高度普遍較低、成藏層位逐次爬升

油氣成藏層位整體較淺, 多分布在韓江組、珠江組上段, 埋深900～1740 m。隆起帶控圈斷裂多在韓江組上段及粵海組沉積期(10～5 Ma)活動(dòng)。伴隨晚期斷裂活動(dòng), 油氣大規(guī)模調(diào)整運(yùn)移進(jìn)入隆起帶成藏。流體包裹研究顯示, 韓江組油氣主要有13.8～7.7 Ma和4.9～0 Ma 兩個(gè)成藏期。韓江組油藏由于埋藏淺,受生物降解影響, 原油密度較大(熊萬林等, 2019)。南部隆起帶地層原油密度為0.95～0.961 g/cm3, 屬稠油。北部隆起帶油藏埋深較南部深, 地層原油密度低, 分布在0.839～0.939 g/cm3。珠江組油藏地面原油密度較韓江組低, 一般為中質(zhì)油。油藏的油柱高度整體較低, 大致分布在0～30 m 之間, 其中, 南部隆起帶較北部隆起帶稍高, 與其原油密度相對較高有關(guān)。向遠(yuǎn)端穿斷運(yùn)移成藏的過程中, 各油田主力成藏層段均有爬升變淺的特征。如, EPS-1 油田主力油層在韓江組下段; EPS-2 油田油層分布在韓江組, 但主力油層在韓江組上段; EPS-3 油田油層僅分布在韓江組上段。北部隆起帶EPN-1 油田主力油層段在珠江組, EPN-2 油田和EPN-3 油田主力油層段分布在韓江組下段(圖4)。

表1 圈閉與油藏要素特征Table 1 Characteristics of the traps and reservoir in the study area

圖3 北部隆起帶珠江組頂面構(gòu)造圖(a)與南部隆起帶韓江組下段頂面構(gòu)造圖(b)Fig.3 Top structural map of the Zhujiang Formation in the northern uplift area (a) and top structural map of the Lower Hanjiang Formation in the southern uplift area (b)

2.3 伴隨穿斷過程油氣運(yùn)聚強(qiáng)度減弱

斷裂活動(dòng)破壞輸導(dǎo)層的橫向連續(xù)性, 斷裂帶經(jīng)斷裂活動(dòng)形成了復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 其輸導(dǎo)性低于原生狀態(tài)下砂巖地層。運(yùn)移路徑上圈閉的捕獲作用截留部分油氣, 使得穿斷運(yùn)移路徑上油氣運(yùn)聚強(qiáng)度向遠(yuǎn)端遞減。圖5 所示是已證實(shí)的油氣穿斷運(yùn)移成藏路徑上的EPS-1、EPS-2、EPS-3 三個(gè)油田, 油藏的個(gè)數(shù)相對逐漸減少, 油藏的油柱高度逐漸降低(圖5)。此外, 最遠(yuǎn)端的EPS-4 含油構(gòu)造僅鉆遇2 個(gè)油藏, 恩平北部隆起帶最遠(yuǎn)端的EPN-4 構(gòu)造僅鉆遇1 個(gè)油藏。

3 成藏模式

經(jīng)過地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐的反復(fù)驗(yàn)證, 研究區(qū)穿斷運(yùn)移成藏過程由簡單穿斷成藏和有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷成藏兩種模式構(gòu)成, 共同控制了恩平凹陷南、北隆起帶的油氣富集成藏。分述如下。

3.1 簡單穿斷成藏模式

在油氣側(cè)向穿斷運(yùn)移到隆起帶的過程中, 斷裂帶內(nèi)斷層巖泥質(zhì)含量低, 難以有效封堵油氣, 油氣直接進(jìn)入斷層, 然后沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移, 或者直接進(jìn)入對盤, 向遠(yuǎn)端運(yùn)移; 另外, 斷裂連接處也是油氣容易穿過斷面的部位, 此過程為簡單穿斷成藏模式。此種情況下, 發(fā)生穿斷的圈閉難以成藏, 一般僅見油氣顯示或者無顯示, 此穿斷過程僅具油氣側(cè)向運(yùn)移或兼垂向調(diào)整的地質(zhì)意義。

圖5 油柱高度序列圖Fig.5 The chart of the oil-bearing sequences

3.2 有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷成藏模式

除簡單穿斷成藏模式之外, 還存在一種有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷成藏模式。此模式基于穿斷運(yùn)移路徑上的圈閉能夠連續(xù)成藏以及其油藏油柱高度普遍較低兩種地質(zhì)現(xiàn)象而建立。EPS-1、EPN-1 油田等發(fā)生穿斷運(yùn)移后仍可形成一系列油田, 因此, 其油柱高度偏低不能夠歸因于充注強(qiáng)度低。有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷成藏模式能夠合理解釋穿斷運(yùn)移與低油柱高度并存的成藏現(xiàn)象。

有限封堵, 即由于恩平凹陷韓江組、珠江組內(nèi)部發(fā)育的斷層巖形成晚、排替壓力低, 其能夠封堵的油柱高度有限, 區(qū)域性統(tǒng)計(jì)油柱高度范圍為5～30 m。動(dòng)態(tài)穿斷, 即在油氣充注過程中, 隨著油柱高度的不斷增加, 當(dāng)油柱高度超過斷層巖的最大封閉能力時(shí), 石油將穿越斷層發(fā)生漏失, 而當(dāng)油柱高度減小至最大封堵油柱高度后, 斷層再次處于封堵狀態(tài)。在油氣充注成藏過程中, 動(dòng)態(tài)穿斷過程可能反復(fù)多次發(fā)生直至運(yùn)移過程結(jié)束。穿斷過程既是油氣成藏的過程, 也是油氣穿越斷層向遠(yuǎn)端運(yùn)移的過程, 但并非所有穿越運(yùn)移路徑上油藏都會(huì)發(fā)生此過程, 只有油柱高度大于斷層封堵能力的條件下才會(huì)發(fā)生,同時(shí), 這也表明現(xiàn)今的油藏在地史成藏期可能發(fā)生過穿斷運(yùn)移。

該模式可分為三個(gè)階段, ①累積充注階段: 伴隨石油在斷圈中聚集, 斷層處于封堵狀態(tài), 油氣不斷在圈閉中聚集, 油柱高度增加(圖6a); ②過充注-漏失階段: 油藏形成的浮壓超過斷層巖排替壓力后,油氣穿斷漏失、油柱高度減小(圖6b); ③平衡階段:隨著油氣穿斷, 烴柱高度減小至斷層封堵最大高度后, 斷層處于重新封閉狀態(tài)。重復(fù)前兩個(gè)過程, 最終油氣運(yùn)移結(jié)束、油藏定型保存(圖6c)。

3.3 成藏機(jī)制

強(qiáng)油氣充注與弱斷層封堵是油氣穿越未成巖斷裂運(yùn)移成藏的機(jī)制, 而關(guān)鍵在于斷層弱封堵。斷圈油藏最大烴柱高度受控于斷層巖排替壓力, 成巖作用、填充物組成等方面共同控制斷層巖的排替壓力。由于缺乏斷層巖取心實(shí)測資料, 僅能通過近似埋深的地層巖心實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷。

南、北隆起帶主要成藏層段埋深大多小于1500 m。EPN-3、EPS-2 兩口井的黏土礦物特征表明, 韓江組地層處于早成巖階段, 以壓實(shí)作用為主, 井壁心多呈疏松特征(圖7)。控圈斷裂大多在晚期活動(dòng)(10～5 Ma),甚至粵海組沉積期之后仍在繼續(xù)活動(dòng), 斷層巖形成晚, 其成巖程度弱于同深度原生地層。

不同泥質(zhì)含量的沉積物排替壓力存在上限, 不同的泥巖含量對其封堵能力有重要的控制作用(付廣, 2018)。通過區(qū)域性統(tǒng)計(jì), 恩平地區(qū)斷層圈閉的油氣藏的斷層巖泥質(zhì)含量(SGR)介于40%～50%之間, 類似泥質(zhì)含量及埋深的巖心排替壓力為0.02～0.05 MPa,采用地層原油密度為0.9 g/cm3, 通過公式: 油柱高度H=排替壓力/(ρwater?ρoil)g 反推, 油柱高度為20～50 m?？紤]到斷層巖排替壓力小于原生地層, 因此斷層封閉油柱高度應(yīng)小于此值范圍。此結(jié)果與真實(shí)情況接近, 因此受埋藏淺、形成時(shí)間晚等因素影響, 隆起帶斷層巖成巖作用弱、排替壓力低, 導(dǎo)致油氣穿斷運(yùn)移成藏。

圖6 有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷成藏模式Fig.6 Accumulation model of limited lateral sealing and dynamic cross-fault migration of oils

4 富集成藏主控因素

4.1 “ 斷層-輸導(dǎo)砂體-構(gòu)造脊”構(gòu)建多次穿斷運(yùn)移格架

油藏控圈斷層、下降盤輸導(dǎo)砂層產(chǎn)狀、構(gòu)造脊三者組成的地層格架是油氣連續(xù)穿斷成藏的關(guān)鍵。下降盤發(fā)育的構(gòu)造脊匯聚并引導(dǎo)油氣向下一個(gè)圈閉運(yùn)移, 避免油氣散失, 才能夠連續(xù)穿斷并且富集成藏。例如, 番禺19 斷裂構(gòu)造帶中, EPS-2 油田發(fā)生穿斷運(yùn)移后, 其下降盤形成的構(gòu)造脊指向EPS-3 構(gòu)造且形成油田; 但是EPS-5 構(gòu)造均不存在有效的構(gòu)造脊匯聚油氣, 所以只有少量油氣發(fā)現(xiàn)(圖3)。

4.2 充注強(qiáng)度、圈閉匯聚能力的動(dòng)態(tài)平衡主導(dǎo)多次穿斷富集程度

有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷的成藏模式形成的條件是油氣充注形成的油柱高度超過斷層的封閉能力, 因此對于一個(gè)圈閉而言, 只有當(dāng)其充注強(qiáng)度足夠大,從該構(gòu)造穿斷后向下一個(gè)構(gòu)造運(yùn)移的油氣量才充足。同時(shí)圈閉面積愈小, 斷層封堵性愈弱, 圈閉捕獲油氣的能力愈弱, 則從該圈閉穿斷的油氣量就愈多。運(yùn)聚強(qiáng)度與圈閉匯聚能力的平衡控制穿斷運(yùn)移路徑上圈閉的富集程度。

4.3 斷-儲(chǔ)排替壓差控制油氣垂向側(cè)向分流, 正旋回巖性組合易成藏

油氣發(fā)生穿斷后有兩種潛在運(yùn)移路徑: 沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移或穿過斷裂直接運(yùn)移進(jìn)入斷裂對盤地層?？刂苾煞N運(yùn)移方式分別是斷層巖與對盤地層的排替壓力差。如斷層巖排替壓力大于對盤地層, 則油氣難以發(fā)生垂向運(yùn)移而進(jìn)入對盤地層; 如果對盤地層排替壓力大于斷層巖, 則油氣沿?cái)嗔褞Оl(fā)生垂向運(yùn)移。在已發(fā)現(xiàn)穿斷運(yùn)移而成藏的油田中, 正旋回巖性組合易于成藏。正旋回地層形成的斷層巖也具有向上泥巖含量增加的特征, 垂向排替壓力的增加阻止油氣垂向運(yùn)移使油氣易側(cè)向分流進(jìn)入圈閉成藏。如EPN-3 油田主要油氣成藏層段韓江組六段和珠江組一段、EPS-3 韓江組二段是典型的正旋回巖性組合。

圖7 EPN-3 和EPS-2 井巖心照片及黏土礦物特征Fig.7 Photographs of drilling cores and character of clay minerlas in EPN-3 and EPS-2 well

5 結(jié) 論

通過以上綜合分析, 本文提出以下新認(rèn)識:

(1) 恩平凹陷南、北隆起帶遠(yuǎn)離恩平17 洼生烴中心, 以連續(xù)多次穿斷運(yùn)移的成藏模式形成了一系列商業(yè)性油田。

(2) 穿斷運(yùn)移成藏包含簡單穿斷運(yùn)移與有限封堵-動(dòng)態(tài)穿斷兩種模式, 其形成機(jī)制是斷層巖成巖作用弱導(dǎo)致的低封閉油柱高度與油氣強(qiáng)充注, 而前者是關(guān)鍵。

(3) 斷層-輸導(dǎo)砂體-構(gòu)造脊構(gòu)成多次穿斷運(yùn)移的地層格架, 油氣充注強(qiáng)度與圈閉匯聚能力的平衡控制了穿斷運(yùn)移路徑上圈閉的富集程度, 斷-儲(chǔ)排替壓差控制了穿斷過程中油氣垂向側(cè)向分流。