渤海青東凹陷中部地壘帶油氣成藏條件與成藏模式

周 寬,徐國盛,余 箐,王飛龍,梁浩然

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

青東凹陷是濟(jì)陽拗陷東部的一個次級凹陷，面積近1 200 km2。“十一五”以來，科技人員對青東地區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的石油地質(zhì)特征研究，并在凹陷的斷裂帶結(jié)構(gòu)、新生界展布及其主力油層分布等方面取得重要進(jìn)展[1-4]。前人研究表明，青東凹陷除了在中北部深洼區(qū)存在成熟烴源巖外，烴源巖成熟度普遍偏低[5-6]，因此認(rèn)為其勘探前景不理想，勘探程度也不高。近年來，隨著濟(jì)陽拗陷勘探程度的不斷提高，對東營、沾化、車鎮(zhèn)等主要凹陷已有較深入的認(rèn)識和較高的勘探開發(fā)程度，勘探工作者開始轉(zhuǎn)變思路，發(fā)現(xiàn)了以沙三、沙四段為主力烴源巖的低-中熟油[7-8]。青東凹陷中部凹中壘環(huán)繞于深洼帶，具備優(yōu)越的油源條件和豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，勘探潛力較大，目前已有大量研究表明構(gòu)造活動對青東凹陷油氣成藏具有重要意義[1,4,9]。但對青東凹陷尤其是中部地壘帶油氣成藏規(guī)律研究程度較低，嚴(yán)重制約了勘探進(jìn)程。本文在青東凹陷已取得勘探成效的基礎(chǔ)上，充分利用區(qū)內(nèi)鉆井及測試資料，從油氣來源、儲蓋組合、圈閉類型、構(gòu)造活動等關(guān)鍵成藏條件入手進(jìn)行綜合研究，探討其油氣成藏規(guī)律，對該區(qū)油氣勘探部署具有重要指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

青東凹陷位于渤海灣南部海域，西北與墾東-青坨子凸起相接，西南與東營凹陷相連，東南以郯廬斷裂帶為界緊鄰濰北凸起，是一個受區(qū)域性拉張與走滑斷裂影響的陸相斷陷湖盆，具“東斷西超(剝)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[9]。該凹陷可進(jìn)一步劃分為中部地壘帶、南部地壘帶、青東12地壘帶、北次洼、中次洼、南次洼等主要次級構(gòu)造單元。研究區(qū)位于凹陷中部地壘帶(圖1)，剖面上表現(xiàn)為一系列正斷層經(jīng)后期擠壓向上拱起的背形似花狀構(gòu)造，環(huán)繞于北洼與中洼之間，具備充足的烴源基礎(chǔ)，復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)為油氣運(yùn)移提供了有利通道。

圖1 青東凹陷中部地區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location of the central portion of Qingdong Sag

青東凹陷古近紀(jì)以來經(jīng)歷了多階段的演化過程[10-11]：孔店組(E1-2k)-沙四段(E2s4)沉積期，主干斷裂的伸展活動使盆地形成北西向的展布格局，三塹兩壘構(gòu)造雛形顯現(xiàn)；沙三下亞段(E2s3L)沉積期，主干斷裂繼承性活動，斷階帶發(fā)育，塹壘相間構(gòu)造格局明朗；沙三段(E2s3)沉積末期，斷裂活動增強(qiáng)，伴生大量次生斷層；古近紀(jì)晚期受喜馬拉雅運(yùn)動影響其構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生反轉(zhuǎn)，并伴隨著區(qū)域性地層抬升；館陶組(N1g)沉積晚期處于弱擠壓背景，凹陷轉(zhuǎn)變?yōu)檗窒菔脚璧乩^續(xù)接受沉積。鉆井揭示研究區(qū)從下至上依次鉆遇古近系沙河街組(E2-3s)、東營組(E3d)，新近系館陶組(N1g)、明化鎮(zhèn)組(N1m)及第四紀(jì)平原組(Qp)。其中沙三段(E2s3)、沙四段(E2s4)地層中發(fā)育的半深湖相暗色泥巖為良好的烴源巖，沙三段扇三角洲前緣灘壩砂體為良好的儲集層。

2 油氣成藏條件

2.1 烴源條件

鉆探資料證實青東凹陷中部沙三段、沙四段均存在半深湖相暗色泥巖，且緊鄰北洼與中洼兩個沉積中心，泥巖沉積厚度大，具備較強(qiáng)的生烴潛力。根據(jù)研究區(qū)85個樣品地球化學(xué)分析表明：沙三段烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)為0.45%～2.18%，平均為1.14%；沙四段烴源巖wTOC為0.44%～3.24%，平均為1.30%(圖2-A)。沙三段巖石熱解參數(shù)(wS1+S2)為1.66‰～8.75‰，平均為4.71‰；沙四段wS1+S2為1.82‰～20.77‰，平均為6.27‰：表明二者生烴潛量高(圖2-B)。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型，有機(jī)質(zhì)類型好。鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.5%～1.0%，反映研究區(qū)烴源巖處于成熟階段，其演化程度處于生油窗中-后期(圖2-C)。綜合評價表明研究區(qū)發(fā)育沙三段、沙四段2套優(yōu)質(zhì)烴源巖，其中沙三下亞段和沙四上亞段為主力烴源層。

圖2 青東凹陷中部地區(qū)烴源巖綜合評價Fig.2 Synthetic evaluation of hydrocarbon source rocks in the central area of Qingdong Sag

葛海霞[8]依據(jù)Pr/Ph分布特征，兼顧伽馬蠟烷、三環(huán)萜烷、4-甲基甾烷等生物標(biāo)志物及碳同位素分布特征，將青東凹陷烴源巖劃分為A、B兩大類，并將B類進(jìn)一步劃分為B1、B2兩個亞類；同時將原油劃分為4類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。研究區(qū)沙三段烴源巖樣品4-甲基甾烷含量較高，規(guī)則甾烷/17α-藿烷比值低，平均為0.23，說明在烴源巖沉積時期有大量藻類和經(jīng)微生物改造的有機(jī)質(zhì)共同輸入；樣品中Pr/Ph平均為0.85，重排甾烷、伽馬蠟烷含量低，表明烴源巖沉積時期處于弱氧化-弱還原環(huán)境；水體的鹽度較低，為A類烴源巖(圖3-A、B)。沙四段烴源巖樣品中4-甲基甾烷含量也較高，但較高的規(guī)則甾烷/17α-藿烷比值顯示其有機(jī)質(zhì)主要來源于浮游或底棲的藻類；樣品Pr/Ph平均為0.30，具有明顯的植烷優(yōu)勢；伽馬蠟烷含量高，C32～C35升藿烷“倒轉(zhuǎn)”分布，出現(xiàn)C35>C34“翹尾”現(xiàn)象，表明烴源巖沉積時期水體鹽度較大，為強(qiáng)還原的弱堿性環(huán)境，可能與碳酸鹽巖或蒸發(fā)巖環(huán)境有關(guān)，為B類烴源巖(圖3-C、D)。

青東凹陷中部地區(qū)沙三段原油具有低-中Pr/Ph值、中等伽馬蠟烷指數(shù)(Gam/C30)、中等長鏈三環(huán)萜烷指數(shù)等特征，對應(yīng)的烴源巖沉積環(huán)境為弱氧化-弱還原的低鹽度或咸化水體之間的沉積環(huán)境；規(guī)則甾烷/17α-藿烷比值較低(<1.0)，中-高4-甲基甾烷/C29規(guī)則甾烷值，其對應(yīng)的烴源巖有機(jī)質(zhì)來源以藻類為主，沉積環(huán)境介于低鹽度和咸化水體之間(圖3-E、F)，具有混生源的特點(diǎn)，符合Ⅰ類原油特征：表明產(chǎn)于沙三段的原油應(yīng)為沙三段和沙四段烴源巖的混合來源。

圖3 渤海南部古近系烴源巖及原油部分生物標(biāo)志化合物質(zhì)量色譜圖Fig.3 Quality chromatograms of some biomarker compounds from Paleogene source rocks and crude oil in southern Bohai Sea

2.2 儲蓋組合條件

鉆井測試資料顯示研究區(qū)在沙三段獲得高產(chǎn)油氣流。巖心及鏡下薄片觀察表明，沙三段儲層巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，孔隙類型以原生孔隙為主。由于其凹中壘構(gòu)造之上地層埋藏較淺，成巖壓實作用較弱，處于中成巖作用階段，因此孔隙保存較好[10]。

沙三段沉積前，青東凹陷四面環(huán)凸，發(fā)育深湖-半深湖相。沙三段沉積時期，濰北凸起抬升遭受強(qiáng)烈剝蝕，成為凹陷沉積充填的主要物源區(qū)，凹陷東北部洼陷帶鄰近物源，在這一時期發(fā)育大量扇三角洲[12]。研究區(qū)處于扇三角洲前緣亞相，發(fā)育三角洲前緣席狀砂及環(huán)洼分布的灘壩沉積砂體，砂體連續(xù)性好且展布范圍廣，與洼陷帶深湖-半深湖相泥巖沉積體和上覆沙二段前三角洲、辮狀河三角洲前緣泥巖沉積體在垂向上相互疊置，形成良好的生儲蓋組合(圖4)。其中湖相沉積的泥巖既是烴源巖也是蓋層；而灘壩砂體由于物性較好，既可作為儲層，也是油氣運(yùn)移的通道，源儲匹配關(guān)系良好。

圖4 青東凹陷中部地壘帶沙三段沉積相及儲蓋組合圖Fig.4 Sedimentary facies and histogram of reservoir-caprock assemblage of the third member of Shahejie Formation in the central horst of Qingdong Sag

2.3 圈閉條件

凹中壘構(gòu)造在演化過程中可以形成多種圈閉[10]。初期在古隆起抬升作用下可以形成潛山塊狀圈閉；之后的沉積地層在古隆起上形成地層超覆、披覆背斜圈閉；而后期斷層的活動使得凹陷內(nèi)披覆背斜轉(zhuǎn)變?yōu)閿鄩K、斷背斜，在凹中壘構(gòu)造斜坡部位形成斷塊、斷背斜等多種構(gòu)造圈閉。

青東地區(qū)中部圈閉主要受構(gòu)造活動影響，其構(gòu)造條件復(fù)雜，基底斷層受古近紀(jì)盆地斷陷期張扭性活動和古近紀(jì)末期反轉(zhuǎn)階段壓扭性活動疊加影響[13]。沙河街組沉積時期，古潛山凸起上形成了地層超覆、披覆背斜圈閉；而由于基底斷裂張扭性活動，下部的古潛山基底形成斷塊潛山型圈閉，并產(chǎn)生一系列派生斷層將之前形成的地層超覆和披覆背斜圈閉切割為斷背斜圈閉。古近紀(jì)末期構(gòu)造帶由張扭性應(yīng)力反轉(zhuǎn)為壓扭性應(yīng)力，使之前的斷層進(jìn)一步復(fù)雜化，形成各種斷塊圈閉，油氣多分布在斷層的下盤，依靠斷層下盤的封閉性成藏，并伴隨著區(qū)域性抬升遭受剝蝕，在斜坡部位形成巖性圈閉；之后盆地轉(zhuǎn)為拗陷式盆地接受沉積，在不整合面之下形成不整合遮擋圈閉。地球化學(xué)分析表明沙三段、沙四段烴源巖在館陶組沉積之后才開始大量排油，而研究區(qū)的圈閉在館陶組沉積期之前已經(jīng)形成，雖然在古近紀(jì)末期因剝蝕受到一定程度破壞，但之后構(gòu)造活動較弱，且新沉積的新近系具有較好的封蓋能力，因此古近紀(jì)形成的圈閉總體保存較好，形成了大量有效的圈閉。

3 油氣成藏模式

3.1 油氣充注期次

目前主要通過流體包裹體法、生排烴法和盆地構(gòu)造分析法等來確定油氣充注期次[14-15]。其中油氣包裹體作為油氣運(yùn)聚時保留下來的原始油氣流體樣品，記錄了流體充注時間和期次。

據(jù)研究區(qū)典型井Qd20-1-A井巖屑樣品進(jìn)行分析，沙三段砂巖的巖屑內(nèi)部分粒間孔隙中顯示較強(qiáng)的淺黃色熒光，成巖礦物依次為原生石英顆粒及次生石英加大邊，發(fā)育1期油氣包裹體，油氣包裹體豐度(GOI)約為3%，包裹體呈線狀或帶狀沿石英加大邊內(nèi)側(cè)或沿石英碎屑微裂隙分布，均為深褐色液烴包裹體(圖5-A、B)，與液態(tài)烴類包裹體伴生的鹽水包裹體的均一化溫度為71～90℃，主要集中于75～85℃(表1)。沙四段砂巖的巖屑內(nèi)砂屑含量較低，大部分為泥屑，部分粒間孔隙中顯示較強(qiáng)的淺黃色及藍(lán)色熒光，成巖礦物依次為原生石英顆粒、石英次生加大邊、方解石膠結(jié)物，發(fā)育2期油氣包裹體：第一期的GOI約為4%，包裹體呈線狀或帶狀沿石英加大邊內(nèi)側(cè)或石英碎屑的微裂隙分布，均為深褐色、灰褐色的液烴包裹體；第二期的GOI為3%～4%，包裹體呈線狀或帶狀沿切穿石英碎屑顆?；蚱浼哟筮叺奈⒘严斗植?，或呈帶狀分布于方解石中，包裹體中的液烴呈淺黃色、淡黃色，顯示淺黃色、淺綠色、桔黃色及弱淺褐黃色熒光，氣烴呈灰色(圖5-C、D)，與液態(tài)烴類包裹體伴生的鹽水包裹體的均一化溫度為92～117℃，主要集中于95～110℃。

表1 青東凹陷流體包裹體均一溫度測試結(jié)果Table 1 Test results of fluid inclusion homogenization temperature from Qingdong Sag

圖5 青東凹陷中部地區(qū)Qd-20-1-A井包裹體特征及單井埋藏史圖Fig.5 Inclusion characteristics and single well burial history map of Well Qd-20-1-A in the central area of Qingdong Sag(A)沿石英加大邊內(nèi)側(cè)呈帶狀分布、深褐色的液烴包裹體，沙三段細(xì)砂巖，深度2 100～2 125 m，單偏光;(B)大部分巖屑內(nèi)粒間孔隙中顯示較強(qiáng)的淺黃色熒光，沙三段細(xì)砂巖，深度2 100～2 125 m，UV激發(fā)熒光;(C)方解石膠結(jié)礦物中帶狀分布的淡黃-灰色氣液烴包裹體,沙四段細(xì)砂巖，深度2 425～2 450 m，單偏光;(D)呈淡黃-灰色的氣液烴包裹體，顯示較強(qiáng)的桔黃色、淺綠色熒光，沙四段粉砂巖，深度2 425～2 450 m，UV激發(fā)熒光，與(C)處于同一視域

結(jié)合單井埋藏史和熱演化史分析，青東凹陷中部地壘帶沙三段、沙四段至少存在2期油氣充注(圖5)，第一期油氣充注時間為2.5～2.0 Ma B.P.，即新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組沉積時期；第二期油氣充注時間約為0.5 Ma B.P.，即第四紀(jì)平原組沉積時期。研究區(qū)2期油氣充注時間都較晚，第二期油氣充注一直持續(xù)至今，表明油氣具晚期成藏特點(diǎn)。

3.2 油氣成藏過程

3.2.1 斷層活動性與油氣成藏

斷層活動性對油氣運(yùn)聚具有重要意義，它既可以作為油氣垂向運(yùn)移的通道，又可以形成多種構(gòu)造類型的圈閉。姜麗娜等[15]對郯廬斷裂帶渤中-渤南段斷層活動性與油氣運(yùn)聚關(guān)系研究揭示了在強(qiáng)烈活動構(gòu)造背景下晚期油氣成藏機(jī)理，認(rèn)為主干斷裂活動較弱時有利于油氣保存，而斷裂活動較強(qiáng)時可作為油氣垂向運(yùn)移的通道或使油氣散失，同時活躍的主干斷裂及其產(chǎn)生的活動較弱的次級斷層有效組合有利于油氣運(yùn)聚和保存。

青東凹陷古近紀(jì)早期構(gòu)造活動表現(xiàn)為垂向斷陷，這種斷陷活動在沙三段沉積之前不斷加強(qiáng)，凹陷中部地區(qū)凹中壘差異性抬升，洼陷湖盆可容納空間不斷擴(kuò)大，沉積了沙三段、沙四段半深湖暗色泥巖的優(yōu)質(zhì)烴源巖；而在斜坡帶發(fā)育扇三角洲沉積，在其前緣形成了較為良好的灘壩砂體。古近紀(jì)末期，青東凹陷構(gòu)造活動表現(xiàn)為壓扭性特征，凹陷整體抬升，導(dǎo)致研究區(qū)凹中壘部位沙河街組成巖作用較弱，原生孔隙保存較好；同時壓扭性的構(gòu)造活動也使得之前形成的斷裂進(jìn)一步復(fù)雜化，并且有利于斷塊、斷背斜等構(gòu)造圈閉的形成(圖6)。新近紀(jì)以來，盆地整體構(gòu)造活動減弱，轉(zhuǎn)為拗陷式沉積。龔再升等[16]認(rèn)為青東凹陷東側(cè)邊界斷裂——郯廬斷裂帶西支至今仍受新構(gòu)造運(yùn)動影響而處于活躍狀態(tài)，青東凹陷中部地區(qū)基底斷裂受郯廬斷裂西支活動處于開啟狀態(tài)，成為溝通烴源巖的有效通道。盡管也會對油氣造成一定破壞作用，但當(dāng)油氣源豐富、油氣輸導(dǎo)系統(tǒng)暢通、油氣供給量大于逸散量時，能夠形成油氣動平衡成藏[17]。研究區(qū)油源充足，次級斷層活動較弱，沙三段之上又沉積了一套區(qū)域性蓋層，具備油氣動平衡成藏條件。

圖6 青東中部地壘帶油氣輸導(dǎo)體系與成藏模式圖Fig.6 Diagram showing oil and gas transport system and accumulation model of the horst belt in the central Qingdong

3.2.2 油氣成藏過程

通過油源對比、油氣充注期次研究，結(jié)合構(gòu)造演化和烴源巖演化及其與油氣成藏匹配關(guān)系分析[18-19]，恢復(fù)青東凹陷中部地壘帶油氣成藏過程如下：

青東凹陷中部地壘帶油氣來源于沙四上亞段、沙三下亞段2套優(yōu)質(zhì)烴源巖。其中沙四上亞段烴源巖在沙二段沉積時期進(jìn)入生油門限(Ro>0.5%)，在沙一段沉積末期開始大量生油(Ro>0.7%)，此時地層埋藏較淺，壓實作用弱，雖排烴效率高，但聚烴效率低；在東營組沉積期達(dá)到生油高峰期，但東營組后期地層開始抬升遭受剝蝕，且烴源巖埋藏深度減小，溫度下降，生油速率降低，不利于油氣成藏；新近紀(jì)以來，盆地由斷陷階段轉(zhuǎn)為拗陷階段，繼續(xù)接受沉積，直到館陶組沉積末期烴源巖再次達(dá)到生烴高峰期，隨著烴源巖剩余壓力逐步積累，最終在明化鎮(zhèn)組沉積時期隨著斷層活動開始大量排烴，并一直延續(xù)至今。沙三下亞段烴源巖在沙一段沉積時期達(dá)到生油門限，在東營組沉積時期開始大量生油；隨后地層抬升，在明化鎮(zhèn)組沉積時期再次開始大量生油，并在同一時期隨著斷層活動開始大量排烴。研究區(qū)沙三段沉積的灘壩砂體由于埋藏較淺，壓實作用較弱，物性較好，既可作為優(yōu)質(zhì)儲層，也可作為油氣橫向運(yùn)移通道；同時在烴源巖排烴之前就已形成大量有效圈閉，洼陷帶有效烴源巖生成的油氣沿著開啟的斷層向凹中壘高部位輸導(dǎo)，并在砂體中進(jìn)行橫向運(yùn)移，遇到有效圈閉便可聚集成藏；而沙三下亞段烴源巖生成的油氣可以直接通過初次運(yùn)移在巖性圈閉中聚集成藏。

3.3 油氣成藏模式

通過對研究區(qū)成藏條件和成藏過程分析，建立其成藏模式為：北次洼和中次洼雙向供烴的近源捕集條件。主成藏期2套優(yōu)質(zhì)成熟的烴源巖提供了充足的油氣來源，儲層與蓋層垂向上相互疊置構(gòu)成良好的儲蓋組合條件；烴源巖排烴之前已形成大量有效圈閉為油氣聚集提供了場所，排烴高峰期活躍的主干斷裂與活動性較弱的次級斷裂有效組合有利于油氣運(yùn)移和保存，高孔滲灘壩砂體的橫向輸導(dǎo)決定了油氣成藏范圍；油氣沿斷層、砂體呈“枝狀運(yùn)移”進(jìn)入構(gòu)造圈閉或直接由源到儲進(jìn)入巖性圈閉成藏，成藏期為明化鎮(zhèn)組沉積期-第四紀(jì)，具晚期大規(guī)模成藏特征(圖6)。

4 結(jié) 論

a.青東凹陷中部地壘帶主力烴源巖為沙四上亞段和沙三下亞段半深湖相暗色泥巖。沙三段發(fā)育大范圍展布的物性較好的扇三角洲前緣灘壩砂體，具備良好的生儲蓋組合，圈閉主要為斷塊型構(gòu)造圈閉。

b.青東凹陷中部地壘帶至少存在2期油氣充注，第一期距今2.5～2.0 Ma，第二期距今0.5 Ma左右，主力烴源巖在明化鎮(zhèn)沉積時期開始大量排烴至今，油氣充注時間較晚，具有晚期成藏特征。

c.青東凹陷中部地區(qū)凹中壘古近紀(jì)以來構(gòu)造活動與成藏要素匹配，活躍的主干斷裂與活動性較弱的次級斷裂形成油氣動平衡成藏，沙二期大面積沉積的一套泥巖可作為區(qū)域性蓋層，保障了大規(guī)模油氣藏的形成與保存。