北大港潛山濱海斷層發(fā)育特征及其與上古生界二次生烴耦合成藏研究

李建紅,王延斌,繆 歡,張雨健,龔 訓(xùn),熊 幸

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

歧口凹陷是渤海灣盆地油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)塊，蘊(yùn)藏豐富的油氣資源[1-2]。2015至2016年，在北大港潛山GG1-1、GG1501、GG1502井等鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)上古生界存在多套中淺層、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的含油氣新層系，顯示出上古生界原生油氣藏具有良好的勘探前景[3]。前人對(duì)北大港潛山的構(gòu)造演化及油氣成藏進(jìn)行了一系列的研究。路俊剛等[4]利用有機(jī)地球化學(xué)方法分析了北大港東翼深層天然氣勘探潛力；蔣有錄等[5]根據(jù)儲(chǔ)層瀝青和流體包裹體判識(shí)北大港第1期油氣成藏時(shí)間為中三疊世(235～223 Ma)，第2期為新近紀(jì)—第四紀(jì)(22～0 Ma)；陳昭年等[6]采用古構(gòu)造分析和平衡剖面分析，指出北大港北翼奧陶系風(fēng)化殼經(jīng)歷穩(wěn)定抬升、褶皺沖斷、斷塊翹傾和熱沉降坳陷4個(gè)演化階段；張東東等[7]利用北大港潛山三維地震數(shù)據(jù)體分析了北大港潛山的形成演化及其油氣意義；周均太[8]通過(guò)對(duì)歧口凹陷沉積中心的研究，認(rèn)為歧口凹陷新生代具有右旋走滑拉分性質(zhì)。

總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，目前歧口凹陷的生烴研究?jī)H僅局限于潛山和斜坡帶，各次級(jí)凹陷烴源巖生烴演化研究甚少。濱海斷層作為北大港潛山南部邊界的控制斷層，對(duì)油氣成藏具有重大意義[9]，而其不同時(shí)期不同區(qū)段斷層的活動(dòng)性、幾何樣式尚不清晰；濱海斷層發(fā)育演化規(guī)律與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴成藏匹配關(guān)系處于模糊階段?；诖?，利用大量地震剖面、鉆井資料和各時(shí)期底面構(gòu)造圖精細(xì)刻畫(huà)濱海斷層發(fā)育特征及北大港潛山油氣成藏模式，在分析岐口凹陷石炭系—二疊系烴源巖生烴演化的基礎(chǔ)上，綜合分析濱海斷層發(fā)育特征與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴成藏匹配關(guān)系，為下一步尋找上古生界原生油氣藏提供方向。

1 地質(zhì)概況

歧口凹陷位于黃驊坳陷中北部，南起埕寧隆起，北至海河-新港斷層，是黃驊坳陷最大的沉積單元，凹陷面積約為1 700 km2，地勢(shì)南翼緩、北翼陡，整體形態(tài)似箕狀構(gòu)造(圖1a)[10]。歧口凹陷沉積地層由老至新可劃分為13套地層，石炭系—二疊系發(fā)育煤系烴源巖和砂巖儲(chǔ)層，古近系發(fā)育湖湘暗色泥質(zhì)烴源巖和泥質(zhì)蓋層，奧陶系頂部發(fā)育風(fēng)化殼儲(chǔ)層[11]。此次研究對(duì)象為石炭系—二疊系優(yōu)質(zhì)煤系烴源巖，山西組煤層厚度為8～10 m，暗色泥巖厚度為40～60 m，TOC平均值為1.96%；太原組煤層厚度為10～12 m，暗色泥巖厚度為60～80 m，TOC平均值為3.72%[12]。

圖1 歧口凹陷構(gòu)造綱要和地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[8]修改)

北大港潛山是歧口凹陷中央隆起的重要組成部分，其南北邊界為大張坨斷層和濱海斷層，濱海斷層一側(cè)為北大港潛山構(gòu)造高部位，對(duì)油氣成藏意義重大[10]。北大港潛山形成演化階段分為斷陷、坳陷及拗陷3個(gè)期次(圖1b)，其中，斷陷、坳陷期(Es3—Ed)主要受NW—SE向拉張應(yīng)力作用，拗陷期(Ng—現(xiàn)今)主要受近WE向剪切應(yīng)力作用[13]。

2 斷層發(fā)育特征

2.1 斷層幾何特征

濱海斷層位于北大港潛山東南側(cè)，是一條深切基底、具有右旋扭動(dòng)的正斷層，南起翟莊，北至BS3-1井附近(圖2a)，走向?yàn)镹E向，傾向SE向，傾角為25～55 °，長(zhǎng)約為60 km，斷距一般可達(dá)1000 m，斷層向西控制歧北次凹的沉積，向東構(gòu)成六間房似箕狀次級(jí)沉積體[14]。基于不同位置地震剖面，從垂向及走向上對(duì)濱海斷層幾何特征進(jìn)行精細(xì)描述(圖2b)。

圖2 濱海斷層平面形態(tài)及地震剖面

垂向上，濱海斷層斷面上陡下緩，呈鏟式，且分期性明顯，東營(yíng)組—館陶組地層中的斷層最為發(fā)育，次級(jí)斷層數(shù)量多且密度高，形成復(fù)雜的花狀構(gòu)造組合樣式，該類(lèi)構(gòu)造樣式形成于右旋扭動(dòng)，是走滑斷層的直接識(shí)別標(biāo)志[14]。沙河街組地層下盤(pán)次級(jí)斷層規(guī)模明顯減小，傾向大多與主斷層相反，且組合樣式單一。

走向上，濱海斷層與港東斷層呈側(cè)列狀組合，局部發(fā)育小規(guī)模羽狀和網(wǎng)格狀組合樣式。歧口凹陷自燕山期斷層大規(guī)模發(fā)育以來(lái)，受NW—SE向拉張應(yīng)力作用[15]，導(dǎo)致濱海斷層走向上分段明顯，根據(jù)發(fā)育特征可將濱海斷層分為東、中、西3段：①中段走向?yàn)镹E向，其斷層發(fā)育程度復(fù)雜，斷塊完整性差，斷層帶影響范圍寬達(dá)4 km，下盤(pán)次級(jí)斷層發(fā)育，其傾向與濱海斷層相反，組合形成多米諾式構(gòu)造樣式；②東段走向?yàn)镹EE向，其斷層發(fā)育程度較中段更強(qiáng)，次級(jí)斷層十分發(fā)育，該斷層帶影響范圍較小，為2 km左右，下盤(pán)斷層集中發(fā)育且未切穿上覆地層，其傾向與主斷層相同，上盤(pán)次級(jí)斷層組合形成花狀構(gòu)造樣式；③西段走向近NEE向，該段斷層發(fā)育程度最弱，斷塊完整性較好，僅上盤(pán)頂部發(fā)育少量次級(jí)斷層。

2.2 斷層活動(dòng)性

基于各時(shí)代底面構(gòu)造圖和地震剖面，獲取了濱海斷層Es3、Es2、Es1、Ed、Ng、Nm6個(gè)時(shí)期8個(gè)平面位置斷層落差，用于表征濱海斷層不同部位不同時(shí)期活動(dòng)性。結(jié)果表明：濱海斷層Es3時(shí)期活動(dòng)性最強(qiáng)，平均垂直活動(dòng)速率達(dá)227.5 m/Ma，Ng時(shí)期平均垂直活動(dòng)速率最小，僅為7.0 m/Ma，自Es3期以來(lái)，濱海斷層活動(dòng)性呈現(xiàn)出先減后增再減的變化趨勢(shì)(圖3)。Es4早期，太平洋板塊對(duì)華北板塊的俯沖由Ek期NWW向轉(zhuǎn)為NW向[16]。Es3—Es1時(shí)期，在NW—SE向伸展區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下，濱海斷層整體活動(dòng)性強(qiáng)，此時(shí)斷裂展布以NE向?yàn)橹?。新近紀(jì)時(shí)期，由于印支板塊對(duì)西藏板塊的強(qiáng)烈擠壓和向北俯沖，歧口凹陷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂倚羟袨橹鱗17]，濱海斷層伸展活動(dòng)逐漸減弱，部分區(qū)帶走向轉(zhuǎn)為近WE向。對(duì)不同位置斷層古落差分析可知，Es期濱海斷層活動(dòng)中心處于斷層中段，Ed期以來(lái)，斷層活動(dòng)中心移至東段，故中段下盤(pán)次級(jí)斷層十分發(fā)育，形成多米諾式構(gòu)造樣式，這是伸展運(yùn)動(dòng)的典型識(shí)別標(biāo)志，東段上盤(pán)形成花狀構(gòu)造樣式。

圖3 濱海斷層活動(dòng)性

據(jù)萬(wàn)貴龍[18]研究發(fā)現(xiàn)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間，與歧口凹陷最大主應(yīng)力方向平行的近NEE向斷層封堵性差，而NE向斷層封堵性好，該結(jié)果與斷層活動(dòng)性呈現(xiàn)出極好的匹配關(guān)系。Ng—Nm期斷層?xùn)|段活動(dòng)性強(qiáng)、中段弱，這與其走向趨于NEE向相符，據(jù)此可定性判別濱海斷層不同區(qū)段封堵性強(qiáng)弱。

3 濱海斷層與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴耦合成藏

3.1 石炭系-二疊系烴源巖生烴演化

負(fù)向構(gòu)造單元因其埋深較大，有機(jī)質(zhì)演化程度高，往往成為油氣藏的烴源灶[19]。北大港潛山與板橋次凹、歧口主凹和歧北次凹形成“三凹夾一隆”的構(gòu)造格局，歧口主凹與歧北次凹為北大港南側(cè)油氣成藏提供了油氣來(lái)源。因地層埋深太大，缺乏鉆井資料，現(xiàn)今關(guān)于該地區(qū)石炭系—二疊系烴源巖生烴研究?jī)H局限于隆起部位?；谇叭藢?duì)于歧口凹陷盆地沉降史的研究結(jié)果，結(jié)合地震數(shù)據(jù)，采用沉積速率法恢復(fù)剝蝕厚度[20]，并利用petro mod軟件模擬歧口主凹埋藏史，進(jìn)而分析北大港地區(qū)生烴特征。

地層剝蝕厚度恢復(fù)基本原理如下：

(1)

(2)

(T-T1)V=HE

(3)

式中：H為沉積厚度，m；T為沉積時(shí)間，Ma；V為沉積速率，m/Ma；T0為沉積開(kāi)始時(shí)間，Ma；HC為殘余地層厚度，m；T1為剝蝕開(kāi)始時(shí)間，Ma；HE為剝蝕厚度，m。

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化可知，三疊世初期，石炭系—二疊系烴源巖達(dá)生烴門(mén)限(圖4)，但由于早期圈閉條件不足，無(wú)法形成大規(guī)模油氣藏。中生代時(shí)期，巖漿活動(dòng)使歧口坳陷部分區(qū)域石炭系—二疊系烴源巖受熱生烴，但該次生烴范圍小。古近紀(jì)初期，邊界斷層開(kāi)始伸展運(yùn)動(dòng)，各次級(jí)構(gòu)造單元快速沉降，埋深增加，石炭系—二疊系烴源巖熱演化程度高，歧口主凹于Es3末期達(dá)生烴高峰期，此時(shí)Ro為0.9%左右，Ng末期Ro達(dá)到1.7%。新近紀(jì)以來(lái)，各邊界斷層以右旋剪切作用為主，歧口主凹沉降速率減慢，現(xiàn)今最大埋深約為8 800 m，其Ro達(dá)2.0%左右。北大港潛山Es3末期石炭系—二疊系烴源巖Ro為0.5%左右，現(xiàn)今實(shí)測(cè)Ro為1.0%左右，正處于生烴高峰階段。

圖4 歧口主凹地層埋藏史

3.2 石炭系—二疊系油氣成藏模式

北大港潛山發(fā)育有多套優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)蓋組合：石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組砂巖平均孔隙度在10%左右，可作為石炭系—二疊系烴源巖油氣的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層，此外，奧陶系風(fēng)化殼也是優(yōu)質(zhì)的油氣儲(chǔ)集層；中生界與古近系地層泥巖層厚度大，是良好的石炭系—二疊系油氣藏蓋層。

基于鉆遇石炭系—二疊系油氣的鉆井資料、地震剖面以及前人油源對(duì)比結(jié)果，認(rèn)為北大港潛山的油氣藏類(lèi)型分為斷塊-斷鼻、牽引背斜和古潛山(圖5)，其中，牽引背斜型油氣藏主要分布于北大港潛山東段，斷塊-斷鼻型油氣藏則分布于中段和西段，古潛山型油氣藏普遍分布(圖5)。牽引背斜型油氣藏主要形成于新近系的右旋剪切運(yùn)動(dòng)，斷塊-斷鼻型油氣藏則形成于Es時(shí)期的NW—SE向伸展運(yùn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，濱海斷層的發(fā)育控制了北大港潛山圈閉的形成與演化。

圖5 北大港潛山單井成藏模式

3.3 濱海斷層對(duì)石炭系—二疊系油氣聚集保存的控制

烴源巖成熟生烴是油氣成藏的前提，優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)層提供了油氣的儲(chǔ)集空間，致密的蓋層是油氣良好的保存環(huán)境，開(kāi)啟的斷層是油氣的運(yùn)移通道，而封堵的斷層將阻擋油氣運(yùn)移。生烴期、圈閉形成時(shí)間和斷層活動(dòng)三者之間良好的匹配關(guān)系是形成現(xiàn)存油氣藏的關(guān)鍵。

油氣成藏組合圖可以很好地展示烴源巖生烴、排烴與圈閉定型的匹配關(guān)系(圖6)。印支期末，上古生界烴源巖一次生烴，強(qiáng)度低，且無(wú)動(dòng)力使油氣向下運(yùn)移至奧陶系風(fēng)化殼儲(chǔ)層，故第1次生烴期無(wú)大規(guī)模油氣藏形成。中生代時(shí)期，北大港地區(qū)沉積中生界泥巖蓋層，與下伏二疊系砂巖儲(chǔ)層形成良好儲(chǔ)蓋組合，為古近系、新近系二次生烴準(zhǔn)備了保存條件。Es3期各負(fù)向構(gòu)造單元上古生界烴源巖迎來(lái)二次生烴高峰，但此時(shí)濱海斷層伸展運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，油氣亦無(wú)法成藏。Ed期為北大港地區(qū)上古生界烴源巖二次生烴成藏關(guān)鍵時(shí)期，各要素匹配極好：負(fù)向構(gòu)造單元石炭系—二疊系烴源巖進(jìn)入高—過(guò)成熟階段，北大港潛山石炭系—二疊系有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟階段，為北大港地區(qū)油氣成藏提供充足的油氣來(lái)源；以二疊系砂巖為儲(chǔ)層，中生界、沙河街組泥巖為蓋層的儲(chǔ)蓋組合普遍發(fā)育，北大港中段發(fā)育斷塊-斷鼻型成藏模式，東段發(fā)育牽引背斜成藏模式；濱海斷層以右旋扭動(dòng)為主，為油氣提供了運(yùn)移通道。

圖6 北大港油氣成藏組合

由以上分析可知，濱海斷層的發(fā)育演化對(duì)油氣成藏具有很強(qiáng)的控制作用，活動(dòng)性弱、封堵性好的區(qū)段有利于油氣成藏，活動(dòng)性強(qiáng)、封堵性差的區(qū)段不利于油氣成藏，因此，斷濱海斷層中段為石炭系—二疊系烴源巖油氣成藏有利區(qū)段，是下一步勘探的重點(diǎn)區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1) 基于大量地震剖面分析，濱海斷層?xùn)|段斷層發(fā)育程度最強(qiáng)，中段稍弱，西段最弱；上盤(pán)地層發(fā)育右旋扭動(dòng)成因的花狀構(gòu)造組合，下盤(pán)發(fā)育伸展運(yùn)動(dòng)成因的多米諾式構(gòu)造樣式。

(2) 由斷層古落差可知，濱海斷層Es3期活動(dòng)性最強(qiáng)，平均垂直活動(dòng)速率達(dá)227.5 m/Ma，Ed期以來(lái)，斷層活動(dòng)性逐漸減弱，垂直活動(dòng)速率最低僅為7.0 m/Ma；斷層活動(dòng)中心由Es期的中段轉(zhuǎn)移至Ed期的東段；現(xiàn)今濱海斷層?xùn)|、西2段封堵性差，中段封堵性好。

(3) 經(jīng)生烴演化史分析可知，歧口凹陷負(fù)向構(gòu)造單元石炭系—二疊系烴源巖在Es期演化至生烴高峰，正向構(gòu)造單元在新近紀(jì)達(dá)生烴高峰；北大港潛山東段發(fā)育牽引背斜成藏模式，中段發(fā)育斷塊-斷鼻成藏模式，古潛山型成藏模式普遍發(fā)育。

(4) Ed期為石炭系—二疊系烴源巖油氣成藏關(guān)鍵時(shí)期，各成藏要素匹配關(guān)系極好；據(jù)濱海斷層演化分析，濱海斷層中段為石炭系—二疊系油氣藏分布有利區(qū)段。