斷裂-砂體-潛山復(fù)式天然氣輸導(dǎo)體系及成藏模式
——以瓊東南盆地深水區(qū)為例

王耀華 ，甘軍 ，梁剛 ，李興 ，楊威 ，高之業(yè) ，熊書苓

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；3.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570312）

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，油氣成因及來源、油氣運移輸導(dǎo)體系及成藏各因素的配置關(guān)系成為油氣成藏模式研究的主要內(nèi)容［1-2］。20世紀(jì)初，Munn最早使用物理模擬實驗方法研究水流對石油分布情況的影響，此后國內(nèi)外學(xué)者利用物理模擬實驗，圍繞不同含油氣盆地優(yōu)勢輸導(dǎo)體系、油氣充注成藏過程及成藏理論模式的構(gòu)建開展一系列研究［3-4］。但之前的研究多圍繞陸地及大陸架淺水區(qū)油氣勘探領(lǐng)域開展［5-6］。目前，我國針對深水領(lǐng)域油氣運聚規(guī)律及成藏過程的研究依然薄弱。

我國南海北部的瓊東南盆地屬于準(zhǔn)被動大陸邊緣盆地，初步勘探表明，盆地深水區(qū)從烴源巖、油氣儲蓋組合、圈閉及油氣運聚成藏條件等方面均具備良好的油氣勘探前景與資源潛力［7］。然而，由于瓊東南盆地不同含氣構(gòu)造帶天然氣成藏機(jī)制存在差異［8-9］，長期以來對天然氣運聚規(guī)律認(rèn)識深度不夠，且深水區(qū)松南-寶島凹陷和松南低凸起區(qū)域構(gòu)造演化復(fù)雜，存在砂體、不整合、斷裂等復(fù)合輸導(dǎo)體系，對天然氣運移路徑、成藏機(jī)制及有利區(qū)帶特征的研究尚淺，制約了油氣持續(xù)勘探。

本文以瓊東南盆地松南-寶島凹陷Y1構(gòu)造帶和Y5構(gòu)造帶天然氣為研究對象，基于研究區(qū)已有的地質(zhì)資料及二維地震剖面建立地質(zhì)模型。以地質(zhì)模型為依據(jù)，針對不同構(gòu)造帶開展天然氣成藏物理模擬實驗，揭示不同構(gòu)造部位天然氣優(yōu)勢運移路徑，闡明研究區(qū)天然氣輸導(dǎo)體系，并構(gòu)建了瓊東南盆地深水區(qū)不同構(gòu)造帶天然氣成藏模式。研究成果對豐富含油氣盆地斷裂-砂體-潛山復(fù)式天然氣輸導(dǎo)體系下的天然氣運聚成藏理論及指導(dǎo)我國深水領(lǐng)域天然氣的效益勘探開發(fā)具有重要理論和現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瓊東南盆地位于海南島以南、西沙群島以北的海域中，其西以1號斷層與鶯歌海盆地分界，東北與神狐隆起及珠三坳陷相鄰，北為海南隆起，南與永樂隆起相接。研究區(qū)Y1構(gòu)造帶位于松南-寶島凹陷的凹中反轉(zhuǎn)帶［10］，Y5構(gòu)造帶位于松南-寶島凹陷的西南部（見圖1）。松南-寶島凹陷具有下斷上拗的雙層結(jié)構(gòu)，南部為松南低凸起北斜坡帶。松南低凸起位于瓊東南盆地中央坳陷中部，整體呈東西走向，新生代始新世—漸新世早期形成了一系列的斷鼻、斷背斜及斷塊構(gòu)造［11］。中新世及以后，構(gòu)造活動輕微，斷裂不發(fā)育。盆地內(nèi)的沉積巖主要由新近系和第四系地層組成，從下往上依次為始新統(tǒng)，漸新統(tǒng)的崖城組和陵水組，中新統(tǒng)的三亞組、梅山組和黃流組，上新統(tǒng)的鶯歌海組以及第四系［12］（見圖 2）。

圖1 瓊東南盆地區(qū)域構(gòu)造單元劃分示意

圖2 瓊東南盆地地層柱狀圖（據(jù)李才等［12］修改）

松南-寶島凹陷崖城組發(fā)育厚層品質(zhì)優(yōu)良的高成熟度海相烴源巖，為Y1，Y5構(gòu)造帶天然氣運移提供了豐富的氣源供給。Y1構(gòu)造帶廣泛發(fā)育崖一段、陵三段扇三角洲和濱淺海砂巖儲層，以及陵二段濱淺海相、淺海相泥巖、上覆地層的淺海—半深海相泥巖、鈣質(zhì)砂巖蓋層，兩者形成良好的儲蓋組合。天然氣主要來源于松南-寶島凹陷，且沿斷裂、構(gòu)造脊和砂巖層經(jīng)松南低凸起北斜坡帶長距離側(cè)向運移，在低凸起崖城組儲層及花崗巖古潛山風(fēng)化殼中聚集成藏。Y5構(gòu)造帶陵一段和三亞組濱淺海相、扇三角洲相砂巖儲層與三亞組—梅山組淺?！肷詈Ｏ嗄鄮r、鈣質(zhì)砂巖蓋層組成優(yōu)良的儲蓋組合，崖城組烴源巖直接披覆于古潛山構(gòu)造上，有利于天然氣向該潛山披覆圈閉帶直接充注成藏。

研究區(qū)的斷層以東西向和北西向為主，這些斷層在生排烴及后期油氣成藏過程中基本上不活動，處于半封閉狀態(tài)，輸導(dǎo)和運移油氣能力較弱?？傮w來看，研究區(qū)古近系陵水組砂巖儲集體承擔(dān)主要的油氣長距離側(cè)向輸導(dǎo)，而斷裂體系主要起封閉作用。

2 實驗?zāi)Ｐ团c步驟

為了揭示松南-寶島凹陷和松南低凸起天然氣的運聚過程及其控制因素，基于構(gòu)造帶砂體物性、斷裂體系發(fā)育特征，以及實際地層的斷裂-砂體輸導(dǎo)組合關(guān)系、二維地震剖面，建立了3類實驗?zāi)Ｐ停ㄒ妶D3。圖中數(shù)字序號為砂體編號）。根據(jù)理論地質(zhì)模型，分別設(shè)計與之對應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ陀糜谀M實驗。

模型一為“長砂體+半封閉斷裂”（見圖3a），進(jìn)行4組實驗（實驗1—4），研究Y1構(gòu)造帶長砂體輸導(dǎo)層物性和斷裂封閉性對天然氣的運移和聚集的影響。模型二為“烴源灶-潛山接觸”（見圖3b），進(jìn)行1組實驗（實驗5），研究烴源巖與潛山風(fēng)化殼直接接觸以及半封閉斷裂溝通烴源巖與砂體儲層時，天然氣沿油源斷層與潛山自源成藏的規(guī)律。模型三為“短砂體+半封閉斷裂”（見圖3c），進(jìn)行1組實驗（實驗6），研究砂體輸導(dǎo)層與潛山風(fēng)化殼側(cè)向接觸以及半封閉斷裂溝通烴源巖與砂體儲層時，天然氣沿油源斷層與潛山自源成藏的規(guī)律，并且對比分析了模型二與模型三這2種輸導(dǎo)模式下的天然氣運移差異。實驗?zāi)康脑谟谘芯刻烊粴鈧?cè)向運移模式中，砂體輸導(dǎo)層物性和斷層封閉性對天然氣運移和聚集的影響，模擬研究天然氣在斷裂-砂體復(fù)合型輸導(dǎo)體系中的運移方向、優(yōu)勢運移路徑和有利聚集部位，重構(gòu)天然氣運聚過程和特征。

圖3 天然氣成藏物理模擬實驗?zāi)Ｐ?/p>

烴源巖層砂體為過渡層，為了實現(xiàn)烴源巖到儲層的面狀充注，設(shè)置其與注氣口相連接。理論上源儲界面的毛細(xì)管力指向儲層，但是在實驗中由于使用的砂體為玻璃珠，其孔滲與實際相比過大。因此，對不同構(gòu)造部位充填不同粒徑的砂巖（見表1），使得各模擬構(gòu)造的砂體滲透性差異符合實際地質(zhì)背景。

表1 實驗?zāi)Ｐ蜕皫r物性參數(shù)

實驗步驟為：1）在橡膠板上繪制已建立好的等比縮小地質(zhì)模型，切割地質(zhì)模型；2）確定實驗?zāi)Ｐ蜕皫r物性參數(shù)；3）在成藏實驗裝置中固定橡膠模型，將不同粒徑的親水石英砂分層裝入模型，進(jìn)行振動、壓實；4）用吸耳球向模型注入紅墨水，利用HZ-1213B，RoHs 2種膠對模型氣密封加固；5）實驗前，利用平流泵向模型中砂體處注入紅墨水，將模型中的氣體驅(qū)出，直到注入量等于輸出量，模型中砂體飽和水，各部分砂體紅色均勻；6）實驗開始后，用ISCO泵由進(jìn)氣口向模型中注入0.01 MPa的恒壓氮氣，每間隔1.5 min增大充注壓力0.01 MPa，當(dāng)充注至6.0 min時，注氣壓力達(dá)到0.05 MPa，此后充注壓力每1.5 min增加0.05 MPa，氮氣注入最大壓力為0.25 MPa；7）用玻璃量筒收集出水口處排出的紅墨水；8）由于氣體充注進(jìn)入砂體，相應(yīng)部位的紅色液體被排出，導(dǎo)致該部位砂體紅色變淡，通過砂體顏色變淡，觀察氣體的運移軌跡和聚集部位，對氣體的運移聚集過程進(jìn)行觀察和拍攝，同時記錄固定時間下的注入壓力及排水量。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

3.1.1 “長砂體+半封閉斷裂”

2.1 問卷回收情況 調(diào)查醫(yī)療機(jī)構(gòu)共113所，其中省市級醫(yī)院24所，區(qū)級醫(yī)院21所，社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心/鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院等46所，民營醫(yī)院22所。發(fā)放調(diào)查問卷759份，有效回收689份，問卷有效回收率90.8%。其中省市級醫(yī)院164份，占23.8%；區(qū)級醫(yī)院154份，占22.4%；社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心/鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院等239份，占34.7%；民營醫(yī)院132份，占19.2%。

根據(jù)氣體充注過程中A，B出水口排水量與排水時間關(guān)系（見圖4實驗1—4），氣體充注過程主要分為3個階段。實驗初期為緩慢充注階段，由于起始充注壓力較低（0.01 MPa），此時氣體由烴源巖（砂體①）向長砂體（砂體②）緩慢充注，并沿長砂體不斷向上運移，在長砂體頂部聚集，A出水口開始排水，且相同時間段氣體在實驗3長砂體頂部充注區(qū)域明顯大于實驗1。當(dāng)氣體充注至3.0 min時，進(jìn)入快速充注階段，此時充注壓力達(dá)到0.03 MPa，氣體向長砂體快速充注，該階段A出水口排水量顯著增加，B出水口開始緩慢排水。最終實驗達(dá)到穩(wěn)定階段，此時長砂體內(nèi)基本充滿氣體，氣體開始向斷裂中運移，并且沿斷層處砂體（砂體③，④，⑤）側(cè)向運移至最高部位聚集，直至最終充滿模型。該階段A出水口排水速率逐漸變慢，B出水口排水速率隨壓力增加而逐漸加快。

圖4 排水量隨排水時間的變化

不同實驗達(dá)到穩(wěn)定階段的時間不同。長砂體滲透性較好的實驗1，2在氣體充注至7.5 min、充注壓力增大至0.10 MPa時，達(dá)到穩(wěn)定階段；長砂體滲透性較差的實驗3，4在氣體充注至9.0 min、充注壓力增大至0.15 MPa時，達(dá)到穩(wěn)定階段。含氣飽和度隨著充注壓力的增加而增大（見圖5）。在斷層滲透性相同的條件下，長砂體滲透性較好的實驗1最終含氣飽和度更大，為93.46%；長砂體滲透性較差的實驗3最終含氣飽和度相對較小，為89.23%。在長砂體滲透性相同的條件下，斷層滲透性較差的實驗組最終含氣飽和度更大，說明斷層處砂體③，④，⑤中有氣體聚集。

3.1.2 “烴源灶-潛山接觸”與“短砂體+半封閉斷裂”

由圖4實驗5，6可以看出，“烴源灶-潛山接觸”與“短砂體+半封閉斷裂”實驗中，氣體充注過程并未表現(xiàn)出明顯的階段性，即沒有明顯的緩慢充注階段與快速充注階段。實驗初期充注壓力較小時，實驗5氣體首先向砂體②運移至頂部聚集，相同時間段內(nèi)，實驗6氣體由短砂體（砂體⑧）向砂體②頂部運移，且實驗5天然氣在砂體②的聚集面積大于實驗6，A出水口排水迅速，B出水口排水緩慢。當(dāng)氣體充注至9.0 min、充注壓力為0.10 MPa時，實驗5砂體②中的氣體充注完全，氣體沿斷層F3向上運移至砂體⑤，⑥，⑦處聚集，斷層F1，F(xiàn)2及砂體③，④中基本無氣體充注現(xiàn)象，A出水口持續(xù)排水，B出水口停止排水。實驗6砂體②底部仍未被氣體充注，氣體沿斷層F2，F(xiàn)3向上運移至斷層處砂體中聚集。A，B出水口排水變緩。當(dāng)氣體充注至13.5 min、充注壓力為0.25 MPa時，2組實驗A，B出水口均不排水。當(dāng)實驗結(jié)束時，實驗5潛山頂部A出水口排水量為178 mL，斷層F3頂部砂體（砂體⑦）B出水口排水量為13 mL；實驗6潛山頂部A出水口排水量為160 mL，斷層F3頂部砂體（砂體⑦）B出水口排水量為28 mL。含氣飽和度隨著充注壓力的增加而逐漸增大（見圖5）。實驗5和實驗6的最終含氣飽和度分別為88.43%，87.04%。

圖5 含氣飽和度隨充注壓力的變化

3.2 實驗討論

3.2.1 “長砂體+半封閉斷裂”

Y1構(gòu)造帶處于超壓環(huán)境下，凹中反轉(zhuǎn)帶內(nèi)的油源斷裂基本上不活動，處于半封閉狀態(tài)。直接延伸至松南-寶島凹陷古近系崖城組烴源巖中的陵水組砂體具有厚度大、砂體連續(xù)、物性好的特點，成為有利的泄壓通道，生成的天然氣主要沿陵水組厚砂體進(jìn)行長距離側(cè)向運移，且于松南低凸起沿砂體向上運移至構(gòu)造高部位聚集成藏。當(dāng)油源斷裂活動性加強(qiáng)，源儲壓差較大時，對構(gòu)造帶超壓系統(tǒng)造成破壞，斷裂處形成泄壓帶，天然氣沿陵水組砂體進(jìn)行長距離側(cè)向運移的同時，沿油源斷裂逸散，且越靠近生烴中心的油源斷裂逸散作用越強(qiáng)。部分?jǐn)嗔褱贤\部三亞組儲層，天然氣沿斷裂垂向向上運移至三亞組砂體，且向砂體高部位運聚成藏。多組實驗結(jié)果對比表明，油源斷裂的封閉性強(qiáng)、源儲壓差大，有利于天然氣進(jìn)行長距離側(cè)向運移。

3.2.2 “烴源灶-潛山接觸”與“短砂體+半封閉斷裂”

4 輸導(dǎo)體系與成藏模式

瓊東南盆地Y1構(gòu)造帶橫跨松南-寶島凹陷凹中反轉(zhuǎn)帶和松南低凸起北斜坡帶，輸導(dǎo)體系為“它源-斷層-砂體復(fù)合型+砂體主導(dǎo)型”［11］。在凹中反轉(zhuǎn)帶，輸導(dǎo)體系為“油源斷裂垂向輸導(dǎo)+砂體側(cè)向輸導(dǎo)”。該研究區(qū)發(fā)育較密集的油源斷裂向下切穿至深部崖城組海岸平原相、淺海相烴源巖，向上溝通淺部三亞組物性較好的砂巖儲層。天然氣沿油源斷裂垂向運移至三亞組砂巖儲層中，并沿三亞組砂巖儲層進(jìn)行短距離側(cè)向運移至較高部位成藏。在松南低凸起的斜坡帶，輸導(dǎo)體系為“長砂體主導(dǎo)，遠(yuǎn)距離側(cè)向輸導(dǎo)型”。天然氣從松南-寶島凹陷陵水組連續(xù)分布的砂巖儲集體中沿大型鼻狀構(gòu)造脊聚集，并遠(yuǎn)距離側(cè)向運移至松南低凸起，最終于松南低凸起潛山頂部風(fēng)化殼中聚集。

總體來看，由于凹中反轉(zhuǎn)帶油源斷層活動性較差，陵水組高滲透性砂巖儲集體是Y1構(gòu)造帶天然氣優(yōu)勢輸導(dǎo)通道，使得松南-寶島凹陷深部崖城組烴源巖生成的天然氣大范圍、長距離側(cè)向運移。在Y1構(gòu)造帶形成“遠(yuǎn)源天然氣壓差充注、深層構(gòu)造脊匯聚、長砂體側(cè)向運移為主，溝源斷裂垂向運移為輔，潛山構(gòu)造風(fēng)化殼頂部成藏，厚層海相泥巖封蓋”的成藏模式（見圖 6a）［13］。

Y1構(gòu)造帶這種砂體主導(dǎo)的沿構(gòu)造脊遠(yuǎn)距離側(cè)向運移的成藏模式，在其他深水盆地同樣適用［14-15］。例如渤海灣盆地歧口凹陷南部斜坡區(qū)，自歧口主凹向斜坡區(qū)方向發(fā)育多處構(gòu)造脊，地質(zhì)構(gòu)造特征與瓊東南盆地較為接近，且凹陷區(qū)高壓特征也極為相似［16］。該地區(qū)新近系館陶組發(fā)育連通性及物性較好的大段儲層砂體，且各類砂體溝通至烴源巖中，有利于油氣進(jìn)入儲集層，并以連通“砂體-不整合-斷層”的復(fù)合輸導(dǎo)體系沿砂體上傾方向進(jìn)行油氣遠(yuǎn)距離側(cè)向運移，于遠(yuǎn)源構(gòu)造高部位成藏［17］。

瓊東南盆地松南-寶島凹陷Y5構(gòu)造帶的輸導(dǎo)體系為“自源-斷裂-砂體-古潛山風(fēng)化殼型”的復(fù)式輸導(dǎo)體系［18］。受燕山期造山運動控制，Y5構(gòu)造帶發(fā)育大型優(yōu)質(zhì)潛山。在長期風(fēng)化淋濾作用下，表層風(fēng)化殼花崗巖原始結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，促使大面積的砂質(zhì)風(fēng)化殼和風(fēng)化裂縫帶形成。隨著埋深增加，風(fēng)化淋濾作用減弱，花崗巖的原始結(jié)構(gòu)得以保留，縱向上具有明顯的分帶性，它們既是天然氣的輸導(dǎo)層，又是儲層。研究區(qū)崖城組烴源灶橫向上直接與古潛山接觸，油氣主要通過內(nèi)部的壓力釋放，向古潛山頂部風(fēng)化殼進(jìn)行充注。其次，Y5構(gòu)造帶周緣斷裂體系發(fā)育。一方面，近古潛山斷裂發(fā)育導(dǎo)致裂縫的發(fā)育，加速花崗巖基底的風(fēng)化淋濾進(jìn)程，在潛山頂部形成大面積優(yōu)質(zhì)儲層，從而促進(jìn)了近源天然氣向潛山頂部風(fēng)化殼的直接充注；另一方面，少部分?jǐn)嗔褱贤ㄏ虏垦鲁墙M烴源巖與上部三亞組砂巖儲集體，形成了研究區(qū)內(nèi)有效的運移通道。

輸導(dǎo)體系與成藏過程及成藏要素的時空耦合關(guān)系表明，潛山油氣藏是瓊東南盆地松南-寶島凹陷Y5構(gòu)造帶主要的油氣藏類型，其成藏模式為“陸源海相烴源巖供烴、潛山近源充注、頂部風(fēng)化殼成藏為主，溝源斷裂運移、三亞組構(gòu)造-巖性圈閉聚集成藏為輔，厚層泥巖封蓋”（見圖 6b）。

圖6 瓊東南盆地典型構(gòu)造帶天然氣成藏模式

遼河坳陷西部古潛山儲層油氣藏具有與瓊東南盆地Y5構(gòu)造帶相似的成藏模式［19-20］。該潛山位于西斜坡低部位，上覆沙四段泥巖，蓋層條件良好。由于強(qiáng)烈的溶蝕淋濾作用及斷裂作用的影響，潛山頂部形成的風(fēng)化殼發(fā)育大量溶蝕孔隙和裂縫，成為良好的儲集空間。潛山側(cè)翼與清水洼陷的沙四段烴源巖直接接觸，油氣在異常高壓和浮力作用下，直接進(jìn)入潛山頂部風(fēng)化殼儲層，形成良好的油氣藏。Y5構(gòu)造帶的烴源灶與潛山直接接觸，潛山近源充注成藏為主的成藏模式在深水盆地古潛山優(yōu)勢輸導(dǎo)體系控制下的成藏模式中具有普適性，遼河坳陷西部齊家潛山的成藏模式也可以從側(cè)面證實這一點。

5 結(jié)論

1）“長砂體+半封閉斷裂”實驗，證實了瓊東南盆地Y1構(gòu)造帶砂體輸導(dǎo)層物性好、斷層封閉性強(qiáng)，有利于天然氣進(jìn)行遠(yuǎn)距離側(cè)向運移?！盁N源灶-潛山接觸”與“短砂體+半封閉斷裂”實驗，明確了Y5構(gòu)造帶烴源巖與潛山風(fēng)化殼直接接觸的方式更有利于天然氣成藏。

2）瓊東南盆地Y1構(gòu)造帶的成藏模式為“遠(yuǎn)源天然氣壓差充注、深層構(gòu)造脊匯聚、長砂體側(cè)向運移為主，溝源斷裂垂向運移為輔，潛山構(gòu)造風(fēng)化殼頂部成藏，厚層海相泥巖封蓋”，Y5構(gòu)造帶的成藏模式為“陸源海相烴源巖供烴、潛山近源充注、頂部風(fēng)化殼成藏為主，溝源斷裂運移、三亞組構(gòu)造-巖性圈閉聚集成藏為輔，厚層泥巖封蓋”。

3）瓊東南盆地Y1構(gòu)造帶和Y5構(gòu)造帶輸導(dǎo)體系及成藏模式的確立，對我國含油氣盆地深水區(qū)環(huán)生烴凹陷“近源-遠(yuǎn)源天然氣運聚成藏”模式的理論研究及有利區(qū)預(yù)測具有重要參考價值。