烏石凹陷東洼“似花狀”斷裂發(fā)育機制及控藏作用*

向飛 鄧勇 胡林 胡德勝 陳麗君 柳智萱

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057；2.中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南?？?570000）

北部灣盆地烏石凹陷鉆井證實為富生烴凹陷［1-4］，近年來逐漸成為北部灣盆地最重要的原油儲量增長接替區(qū)，目前儲量發(fā)現(xiàn)主要集中在深層，其油氣探明儲量占比達到95%，而中淺層只有零星發(fā)現(xiàn)，未獲規(guī)模儲量，主要原因是對控制中淺層斷裂格架和構造格局的“似花狀”斷裂的發(fā)育機制和控藏作用認識不清。前人對該凹陷斷裂的研究主要集中在幕式活動事件、構造控沉積、邊界斷裂演化、局部構造演化等［5-6］方面，而缺乏對各類型斷裂發(fā)育機制的研究，尤其是“似花狀”斷裂的發(fā)育機制及其控藏作用方面的研究，制約了中淺層油氣勘探進程。本文主要通過區(qū)域應力背景、先存構造、平衡剖面、斷裂特征及活動性等方面的分析，研究“似花狀”斷裂的發(fā)育機制及其控藏作用，以指導研究區(qū)中淺層油氣勘探工作。

1 地質背景

烏石凹陷位于北部灣盆地南部坳陷帶，其北部以企西隆起南緣為界，與紀家凹陷相隔，南部以流沙凸起北緣為界，與邁陳凹陷相隔（圖1），總體上呈北東向展布，面積約為2 600 km2，分為東、西2個洼陷，其中東洼受控于先存七號斷裂，西洼受控于先存六號斷裂［7］。

圖1 烏石凹陷區(qū)域位置Fig.1 Location of Wushi sag

烏石凹陷經歷了古近系的斷陷階段以及新近系的熱沉降拗陷階段（圖2），形成了“下斷上坳”、“下陸上?！钡碾p層結構［8］。其中斷陷階段可劃分為三期幕式構造運動：古新世—早始新世的初始斷陷期、中—晚始新世強斷陷期、漸新世斷陷期，形成北東向、東西向以及北西向三組主要走向的斷裂。長流組、流三段沉積時期，主要發(fā)育沖積扇和扇三角洲沉積；流二段沉積時期，控凹斷裂活動強度達到鼎盛，湖盆水體快速加深，呈中深湖相沉積環(huán)境，凹陷內沉積了巨厚的暗色泥巖，為烏石凹陷最重要的烴源巖層；流一段、潿洲組沉積時期，辮狀河三角洲發(fā)育，以厚層砂巖沉積為主，整體表現(xiàn)為富砂地層。拗陷階段烏石凹陷逐漸步入海相沉積環(huán)境，斷陷期形成的斷裂在該階段基本停止活動，少數斷裂活動至中新世，同時由于海侵作用，形成T60（古近系頂面）區(qū)域不整合面，標志斷陷期的結束，拗陷期的開始。

圖2 烏石凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic composite histogram of Wushi sag

2 烏石凹陷“似花狀”斷裂發(fā)育機制

2.1 區(qū)域構造演化特征

烏石凹陷所在的北部灣盆地位于亞歐板塊、印度板塊和太平洋板塊之間的三角地帶，是中生代區(qū)域隆起背景下發(fā)育起來的新生代陸內裂谷盆地，構造演化受控于特提斯-喜馬拉雅、瀕太平洋兩大構造域［9-11］。盆地受多種構造作用的影響，主要包括：亞歐板塊和印澳板塊的碰撞作用、太平洋板塊的俯沖作用、印支塊體旋扭和華南塊體向東逃逸導致的走滑作用以及南海擴張和地幔上涌產生的拉張作用，其形成動力學背景異常復雜，但是從區(qū)域斷裂系統(tǒng)來看，南海北部陸緣區(qū)主要發(fā)育伸展斷裂體系，因此南海擴張和地幔上涌是烏石凹陷形成的主要動力機制，即烏石凹陷的構造演化過程主要受區(qū)域伸展應力場作用控制。同時從過烏石凹陷東洼X1井不同方向的平衡剖面伸展率來看（圖3），中始新世，伸展應力場呈北西向，晚始新世—早漸新世，伸展應力場呈近南北向，到了漸新世末至中新世，伸展應力場旋轉至北東向，因此，控制烏石凹陷形成的區(qū)域伸展應力場作用具有明顯的順時針旋轉特征。

圖3 過X1井不同方向平衡剖面伸展率（井點位置見圖1）Fig.3 Balanced section elongation in different directions of Well X1（see Fig.1 for well location）

近年來，諸多學者逐漸認識到應力場的特征與先存斷裂共同控制盆地的演化過程［12-15］：如果伸展應力場方向與先存斷裂走向之間的夾角接近垂直，盆地呈正向拉伸演化模式，發(fā)育伸展斷裂體系；若伸展應力場方向與先存斷裂走向之間為小角度相交，盆地表現(xiàn)為斜向拉伸演化模式，在斜向拉伸作用下，受走滑分量的作用，發(fā)育扭張斷裂體系，斷裂既具有伸展特征，又具有走滑特征，夾角越小，走滑特征越明顯。烏石凹陷在形成之前就存在中生代的北東、北西向兩組先存斷裂，這兩組斷裂是華南陸塊陸地上的北東、北西向中生代深大斷裂在南海北部陸緣區(qū)的自然延伸［16］，結合烏石凹陷伸展應力場順時針旋轉特征，烏石凹陷東洼在中始新世之前，伸展應力場與先存的北東向七號斷裂接近垂直，這一時期，烏石凹陷東洼呈正向拉伸演化模式（圖4a）；晚始新世至中新世，伸展應力場與先存的北東向七號斷裂呈小角度相交，烏石凹陷東洼在這一時期表現(xiàn)為斜向拉伸演化模式（圖4b）。因此，烏石凹陷東洼在整個斷陷期具有“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”的演化特征。

圖4 烏石凹陷東洼演化模式Fig.4 Evolution model of Wushi East subsag

2.2 “似花狀”斷裂發(fā)育機制

2.2.1 斷裂特征

烏石凹陷東洼在“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”的演化過程中，主要形成了北東向、東西向及北西向三組斷裂體系，根據斷層性質可以具體劃分為五類斷裂體系：復活的先存斷裂體系、伴生正斷層體系、伸展滑脫斷裂體系、同向走滑斷裂體系以及“似花狀”斷裂體系（圖5、6），其中“似花狀”斷裂體系在烏石東洼分布最為廣泛，平面上主要分布于伸展滑脫斷裂體系和先存七號斷裂之間，剖面上主要分布于中淺層地層，對烏石凹陷構造格局和斷裂格架具有重要控制作用。

圖5 烏石凹陷東洼斷裂體系平面圖（位置見圖1黑色框）Fig.5 Plan figure of the fault system in Wushi East subsag（see black frame in Fig.1 for location）

2.2.2 發(fā)育機制

從地震剖面上可以看出（圖6），“似花狀”斷裂上盤與下盤地層厚度基本一致，控沉積作用不明顯，多為一次性活動斷層，根據斷層向上斷至的地層，可以看出花瓣處斷裂多形成于中漸新世，花心處斷裂多形成于晚漸新世—中新世。晚始新世到中新世，烏石凹陷東洼處于“后期斜向拉伸”演化階段，伸展應力場呈南北向到北東向，與早期正向拉伸階段形成的北東向斷裂呈小角度相交，根據應力分解，伸展應力場分量包括拉張應力分量和走滑應力分量（圖4b），其中拉張應力分量垂直先存七號斷裂以及早期北東向伴生正斷層，走滑應力分量平行于先存七號斷裂以及早期北東向伴生正斷層。在拉張應力分量作用下，先存七號斷裂和南掉伸展滑脫斷裂在早期正向拉伸基礎上進一步產生可容空間（圖7d），導致先存七號斷裂和伸展滑脫斷裂下降盤地層呈持續(xù)性漏斗式下沉，這一過程是一個逐漸向下收縮應變的過程，由于先存七號斷裂的活動速率大于伸展滑脫斷裂的活動速率，在靠近伸展滑脫斷裂下降盤的部位地層發(fā)生明顯的撓曲作用，造成地層向洼中旋轉，形成斷隆構造（圖7e），當撓曲部位應變達到一定程度時，開始產生一組正反向斷裂來調節(jié)應變，如果是單純地受到拉張作用，一般調節(jié)斷裂只會形成對傾張性結構，而在這一時期調節(jié)斷裂受到持續(xù)性走滑應力分量帶來的扭動作用，最終構成似花狀形態(tài)并向下收斂于伸展滑脫斷裂（圖7f），這一過程形成的“似花狀”斷裂與走滑斷裂存在明顯的差異：典型的走滑斷裂一般有一條直插基底的主斷裂，而烏石凹陷東洼“似花狀”斷裂并沒有直插基底的主斷裂，而是向下逐漸收斂于伸展滑脫斷裂。同時從區(qū)域構造背景來看：①南海西部區(qū)域大型走滑斷裂—紅河斷裂呈北西向展布［15］，而烏石凹陷東洼“似花狀”斷裂多呈近東西向、北西向展布，與區(qū)域走滑斷裂走向不一致；②“似花狀”斷裂形成時期，南海西部盆地內發(fā)育大量的近東西向斷裂，顯然是在同一區(qū)域應力場作用下而形成，這只有在區(qū)域范圍近南北向拉伸應力場的作用下而形成，并非走滑作用能夠形成，因此，烏石凹陷東洼“似花狀”斷裂不屬于走滑斷裂范疇，而是斜向拉伸的產物，是伸展構造樣式向走滑構造樣式的一種過渡。由于伸展滑脫斷裂下降盤撓曲部位一般會形成一組“似花狀”斷裂并向下逐漸收斂于伸展滑脫斷裂，因此，亦可將烏石凹陷東洼的“似花狀”斷裂和伸展滑脫斷裂看成是復合型斷裂體系。

圖6 過烏石凹陷東洼地震剖面（剖面位置見圖5）Fig.6 Seismic cross-sections of Wushi East subsag（see Fig.5 for location）

圖7 烏石凹陷東洼北西向構造演化平衡剖面（剖面位置見圖5）Fig.7 North-west-trending balanced section of Wushi East subsag（see Fig.5 for location）

2.2.3 演化差異性

烏石凹陷東洼“似花狀”斷裂在平面上主要呈北東向和北西向展布，其走向主要受伸展滑脫斷裂東西段演化的差異性控制：根據伸展滑脫斷裂Fa東西段各沉積時期古落差統(tǒng)計分析來看（圖8），中始新世流二段沉積時期，伸展滑脫斷裂只有東段（線號10～50之間）活動，西段（線號0～10之間）基本不活動；晚始新世流一段沉積時期，西段開始活動；早漸新世潿三段沉積時期至中漸新世潿二段沉積時期，東段活動強，西段活動弱，控制了烏石16區(qū)、23區(qū)斷隆構造的形成，這一時期，拉張應力主要呈近南北向，導致烏石16區(qū)、23區(qū)的“似花狀”斷裂呈近東西向展布；晚漸新世潿一段沉積時期，伸展滑脫斷裂東段活動減弱，而西段活動增強，控制了烏石29區(qū)斷隆構造的形成，這一時期，拉張應力主要呈北東—南西向，導致烏石29區(qū)的“似花狀”斷裂最終呈北西向展布。

圖8 伸展滑脫斷裂Fa活動性（線號位置見圖5）Fig.8 Activity of extensional decollement fault Fa（see Fig.5 for location）

剖面上“似花狀”斷裂向下由一根花瓣斷裂作為主斷裂收斂于伸展滑脫斷裂，向上呈多級Y字形撒開（圖6）。平面上“似花狀”斷裂的幾何學特征受走滑應力分量作用強弱的控制具有一定的空間差異性：靠近先存七號斷裂，由于受到七號斷裂派生的走滑應力分量作用強，“似花狀”斷裂（如烏石23區(qū)）平面上單條斷裂彎曲扭動特征明顯，組合上呈右行左階特征；遠離先存七號斷裂，受到走滑應力分量作用弱，“似花狀”斷裂（如烏石16區(qū)、29區(qū)）平面上單條斷裂多表現(xiàn)為平直型，組合呈近平行式特征。

3 “似花狀”斷裂控藏作用

基于“似花狀”斷裂的發(fā)育機制和演化差異特征分析，其控藏作用主要表現(xiàn)在以下3方面。

1）控制中淺層圈閉的形成、類型和分布?！八苹睢睌嗔言诮Y構上表現(xiàn)為花瓣處斷裂向下切割流二段地層，花心處斷裂多收斂流二段地層之上，即“似花狀”斷裂主要控制中淺層圈閉的形成，經“似花狀”斷裂切割破碎化，中淺層地層主要形成斷塊、斷鼻等兩類構造型圈閉，其在平面上的分布受扭動強弱作用的控制表現(xiàn)出一定的差異性：越靠近七號斷裂，“似花狀”斷裂扭動特征越明顯，在斷裂彎曲部位多形成大型斷鼻類圈閉，例如烏石23區(qū)發(fā)育斷鼻圈閉群；遠離七號斷裂，“似花狀”斷裂扭動特征變弱，斷裂多呈平直型，多與次級斷裂形成大型斷塊類圈閉，例如烏石16區(qū)、29區(qū)發(fā)育斷塊圈閉群，同時局部彎曲部位發(fā)育小型斷鼻圈閉，其資源規(guī)模小，只能作為兼探目的層（圖5）。

2）控制中淺層圈閉的有效性。從“似花狀”斷裂的發(fā)育機制和形成過程來看，雖然烏石凹陷東洼的“似花狀”斷裂不是受控于走滑動力機制演化而形成，但是其受到的斜向拉伸作用類似走滑作用會在一定程度上提升斷層的側封能力，具體體現(xiàn)在以下兩個方面：①斜向拉伸過程中斷面除了垂向滑動還會產生一定的斜向滑動位移以提升泥巖涂抹效果，越靠近七號斷裂，斷裂斜向滑動位移越大，泥巖涂抹效果越好，同時更易形成橫向截斷面，阻斷油氣垂向和縱向漏失，極大提升斷裂的側封能力；②走滑盆地在走滑作用下，會形成一些增壓區(qū)，尤其是斷裂彎曲部位或者右行走滑作用下形成的右行左階斷裂帶內，易形成良好的增壓效果，斷面閉合程度高，斷裂側封能力好。斷層側封能力的提升在空間上具有差異性：斜向拉伸過程中，越靠近七號斷裂，走滑應力分量帶來的扭動作用越強，易形成良好的增壓區(qū)，圈閉有效性就越好。例如靠近七號斷裂的烏石23區(qū)，其斷裂組合上具有右行左階特征，為良好的增壓斷裂，斷裂側封能力強，圈閉有效性好，而烏石16區(qū)、29區(qū)遠離七號斷裂，其斷裂組合上呈近平行式，增壓效果變差，圈閉有效性差，局部彎曲部位可能有一定的增壓效果。

3）控制中淺層圈閉的油氣運移。中淺層圈閉與下覆流二段烴源巖組成源上成藏組合，因此垂向輸導能力是中淺層圈閉成藏的關鍵。烏石凹陷具有兩期生排烴高峰，第一期是漸新世，第二期是角尾組至今，從活動性來看，“似花狀”斷裂活動時間為漸新世至中新世，因此圈閉在漸新世開始形成，在中新世最終定型，與兩期生排烴高峰匹配較好，有利于流二段生成的油氣運移至中淺層圈閉聚集成藏。剖面上“似花狀”斷裂花瓣附近的斷層切穿流二段烴源巖層段較深，特別是主斷裂，一般切穿整個流二段地層并收斂于伸展滑脫斷層，是油氣向中淺層運移的主要溝源斷裂，油氣經花瓣附近斷裂運移至淺層后，再沿砂體側向運移并通過“似花狀”斷裂的其它分支斷裂逐步分配和調節(jié)運移至花心處（圖6），從整個油氣運移路徑來判斷，油氣首先充注花瓣附近處的圈閉，達到控圈斷層的漏失點后再向花心附近圈閉充注，因此花瓣附近的油氣運移條件好。

4 勘探實踐

2013年之前，針對斷隆構造帶上的烏石16區(qū)、29區(qū)中淺層圈閉鉆探了多口井，均有大量顯示，偶見薄層油層，未規(guī)模成藏，鉆后分析認為：①“似花狀”斷裂是受控于純伸展應力場作用而形成，整體處于拉張應力環(huán)境，斷面閉合程度低；②“似花狀”斷裂斷距小，同時純伸展應力場作用下斷面主要是垂向滑動，不能形成有效的泥巖涂抹效果以及橫向截斷面，油氣易漏失；③烏石凹陷中淺層整體富砂，目標盤與對盤容易形成砂砂對接的情況，導致油氣側向漏失。因此控圈斷層側封能力弱導致圈閉有效性差是烏石16區(qū)、29區(qū)鉆探失利的主要原因。這兩個區(qū)鉆探失利后，長期認為烏石凹陷中淺層不具備規(guī)模成藏的可能，因此多年來針對中淺層的勘探一直沒有實質性進展。

基于本文對“似花狀”斷裂發(fā)育機制的新認識，斜向拉伸作用下烏石凹陷中淺層能夠形成局部增壓區(qū)，增壓區(qū)內的斷層側封能力強，圈閉有效性好，通過比選，靠近先存七號斷裂的烏石23區(qū)具備規(guī)模成藏的有利條件：①發(fā)育大型斷鼻圈閉群，潛力大，圈閉類型好，單條斷裂彎曲程度高，斷裂平面組合上呈右行左階特征，說明受斜向拉伸作用強，為良好增壓區(qū)，控圈斷裂側封能力強；②位于斷隆帶向主洼的傾末端，下伏成熟烴源巖，油氣匯聚背景優(yōu)越，花瓣斷裂切割流二段，溝源能力強。因此近年來優(yōu)選烏石23區(qū)作為中淺層勘探突破口，相繼部署多口井，除了花心附近鉆井失利外，花瓣附近鉆井都獲得油層發(fā)現(xiàn)（圖9），總計探明儲量超千萬方，實現(xiàn)了烏石凹陷中淺層油氣勘探的突破。

圖9 烏石23區(qū)成藏模式（剖面位置見圖5）Fig.9 Accumulation model of Wushi 23 structural area（see Fig.5 for location）

烏石23區(qū)鉆探成功進一步證實本文認識的正確性，同時也為下一步烏石凹陷中淺層的拓展勘探指明了方向：優(yōu)選靠近先存七號斷裂附近的圈閉進行重點評價，花瓣附近的圈閉優(yōu)先鉆探；遠離先存七號斷裂以花瓣附近的斷鼻圈閉評價為主。

5 結論

1）烏石凹陷東洼受順時針旋轉伸展應力場和先存七號斷裂控制，斷陷期具有“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”演化特征，后期斜向拉伸過程中先存七號斷裂派生的走滑應力分量控制“似花狀”斷裂的發(fā)育。

2）“似花狀”斷裂控制形成的圈閉類型及有效性在空間上具有一定的差異性：靠近先存七號斷裂，多發(fā)育斷鼻圈閉，圈閉有效性好；遠離先存七號斷裂，以斷塊圈閉為主，圈閉有效性較差?！八苹睢睌嗔巡煌恢糜蜌膺\移條件具有一定的差異性：花瓣處斷裂切割流二段烴源巖，而花心處斷裂多收斂于流二段之上，因此花瓣附近圈閉的油氣運移條件好。

3）下一步烏石凹陷中淺層的拓展勘探應主攻靠近先存七號斷裂附近的圈閉，先花瓣后花心進行鉆探部署；其次是評價遠離先存七號斷裂花瓣附近的斷鼻圈閉。