珠江口盆地白云凹陷東北部斷裂發(fā)育特征及其控油氣作用

余一欣，張靖，張忠濤，張功成，曾濺輝，余浪

1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

3.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518000

4.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

斷裂是含油氣盆地重要的構(gòu)造組成要素，不僅對(duì)盆地的形成、演化和圈閉發(fā)育等有重要影響，而且還可以作為油氣運(yùn)移的通道，與砂體、不整合等共同構(gòu)成油氣垂向和側(cè)向運(yùn)移的復(fù)合輸導(dǎo)體系，從而對(duì)油氣藏的形成與分布產(chǎn)生重要影響[1-6]。珠江口盆地白云凹陷是南海北部陸緣新生代最大的沉積凹陷，也是珠江口盆地重要的有利油氣勘探區(qū)[7]?？碧綄?shí)踐已經(jīng)證實(shí)白云凹陷主要是一個(gè)天然氣聚集區(qū)，但近些年在凹陷東北部及鄰區(qū)也發(fā)現(xiàn)了多個(gè)具有中等規(guī)模儲(chǔ)量的油田[8]。前人研究表明，白云凹陷的形成主要受幾乎斷穿地殼抵達(dá)莫霍面的殼幔拆離斷層系統(tǒng)控制[9]，新生界主要發(fā)育NWW向、近EW向和NE向伸展斷裂體系。斷裂是白云凹陷復(fù)式油氣輸導(dǎo)體系的重要組成部分，尤其是晚期（16 Ma以來）的活動(dòng)斷裂控制了油氣運(yùn)移過程，而斷裂的輸導(dǎo)性能主要受斷層性質(zhì)、活動(dòng)強(qiáng)度、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素影響[10-14]。相比較而言，目前，針對(duì)白云凹陷東北部斷裂發(fā)育特征開展的研究相對(duì)較少[15]，對(duì)斷裂在該地區(qū)油氣運(yùn)聚成藏過程中的作用仍需進(jìn)行深入研究。本文主要通過對(duì)最新的三維地震資料進(jìn)行解釋，并結(jié)合鉆探成果，解剖白云凹陷東北部斷裂發(fā)育特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析斷裂對(duì)油氣運(yùn)移和聚集的影響，擬為該地區(qū)的油氣勘探提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

珠江口盆地是南海北部大陸邊緣面積最大的含油氣盆地，地處太平洋板塊、歐亞板塊和印度-澳大利亞板塊的相互作用區(qū)，是在準(zhǔn)被動(dòng)大陸邊緣基礎(chǔ)上發(fā)育起來的新生代斷陷盆地，主要經(jīng)歷了裂谷期、裂后沉降期和新構(gòu)造活動(dòng)期等形成演化階段[16-17]。珠江口盆地由北向南包括北部隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶等次級(jí)構(gòu)造單元，白云凹陷位于南部坳陷帶的珠二坳陷內(nèi)，面積約1.2×104km2，凹陷南、北分別以斜坡形態(tài)與南部隆起帶和番禺低隆起相鄰，東、西兩側(cè)分別被東沙隆起和云開低凸起所圍限，凹陷內(nèi)部發(fā)育主洼、東洼、西洼和和南洼等多個(gè)生烴洼陷，其中白云東洼可進(jìn)一步劃分為東、西兩個(gè)次洼（圖1）。白云凹陷新生界最大沉積厚度超過10 000 m，除古新統(tǒng)神狐組未有鉆遇外，自下向上包括文昌組、恩平組、珠海組、珠江組、韓江組、粵海組、萬山組和第四系（圖2），其中文昌組和恩平組是主力烴源巖層系，珠江組下段濱岸-陸架三角洲/陸架邊緣三角洲復(fù)合沉積砂體與上覆珠江組上段大套泥巖構(gòu)成儲(chǔ)蓋組合，為油氣成藏提供了優(yōu)質(zhì)的生儲(chǔ)蓋配置條件（圖2）。

圖2 珠江口盆地白云凹陷地層綜合柱狀圖[20]Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Baiyun Sag in the Pearl River Mouth Basin[20]

白云凹陷是珠江口盆地深水區(qū)的一個(gè)富生氣凹陷[18]，目前已發(fā)現(xiàn)的氣田主要集中在凹陷北坡和東部地區(qū)。近些年在白云凹陷東北部及鄰區(qū)獲得了原油勘探突破，先后發(fā)現(xiàn)了L1、L2、L3等多個(gè)具有中等儲(chǔ)量規(guī)模的油田，油氣分布整體表現(xiàn)出“內(nèi)氣外油”的特點(diǎn)（圖1）。這些油氣田的發(fā)現(xiàn)不僅進(jìn)一步證實(shí)了白云東洼的生烴能力[19]，而且也使該地區(qū)成為珠江口盆地深水區(qū)油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)位置與主要油氣田分布Fig.1 Location and distribution of oil and gas fields in the study area

2 斷裂發(fā)育特征

白云凹陷東北部正斷層在平面上主要呈NWW和近EW向展布，傾向以NNE和SW向?yàn)橹?，除主干斷裂延伸長(zhǎng)度最大可達(dá)40 km外，多數(shù)斷裂延伸長(zhǎng)度約為10 km（圖3）。規(guī)模較大的斷裂主要圍繞白云東洼周緣分布，整體表現(xiàn)出向西發(fā)散、向東收斂的“喇叭口”型展布特征（圖3）。正斷層在剖面上的形態(tài)主要表現(xiàn)為鏟式和板式特征，常組合成多米諾式、“Y”型和“X”型等樣式（圖4）。從斷層切割層位來看，白云東洼的邊界斷層都是長(zhǎng)期發(fā)生活動(dòng)，從基底一直斷至淺層，在凹陷北部斜坡部位也發(fā)育多條早期發(fā)生活動(dòng)而斷至基底并向NE方向傾斜的次級(jí)斷裂（圖4）。此外，由于珠江組上段（T50-T40）泥巖含量較豐富，淺層多數(shù)晚期活動(dòng)形成的次級(jí)斷裂一般都在該地層附近終止（圖4）。

圖3 白云凹陷東北部主要斷裂分布Fig.3 Distribution of faults in the northeastern Baiyun Sag

圖4 白云凹陷東北部主要斷裂發(fā)育特征剖面位置見圖3。Fig.4 Characteristics of major faults in the northeastern Baiyun SagSee Fig.3 for line location.

從斷層活動(dòng)性來看，白云凹陷東北部不同地區(qū)斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度存在較明顯差異。計(jì)算結(jié)果表明，白云東洼邊界斷層的活動(dòng)性一般都較強(qiáng)，活動(dòng)速率最大可超過100 m/Ma，而且部分?jǐn)嗔言谕砥冢═32-T40，韓江組沉積期）的活動(dòng)性還有所增強(qiáng)（圖5a），而北部斜坡部位控制局部圈閉發(fā)育的斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度整體都相對(duì)較弱，而且不同時(shí)期變化都不大，活動(dòng)速率一般低于20 m/Ma（圖5b）。

圖5 白云凹陷東北部主要斷裂活動(dòng)速率a.油源斷裂活動(dòng)速率，b.控藏?cái)嗔鸦顒?dòng)速率。Fig.5 Activity rate of major faults in the northeastern Baiyun Sag(a) Activity rate of oil-source faults, (b) activity rate of trap-controlled faults.

3 斷裂控油氣作用

白云凹陷東北部斷裂對(duì)油氣成藏的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制油氣運(yùn)移過程，二是控制局部構(gòu)造圈閉的發(fā)育。據(jù)此，可以將白云凹陷東北部的主要斷裂劃分為油源斷裂和控圈斷裂兩類（圖3）。

3.1 油源斷裂

油源斷裂一般直接溝通烴源巖和儲(chǔ)層，其活動(dòng)時(shí)間與生排烴期匹配也較好，能起到有效的油氣運(yùn)移通道作用。白云凹陷東北部油源斷裂主要分布在白云東洼周緣地區(qū)，從古近紀(jì)裂陷早期開始發(fā)育，并一直持續(xù)活動(dòng)至新構(gòu)造期，幾乎斷開所有層位，并向生烴中心（白云東洼）傾斜，為向源型油源斷裂，有利于油氣沿油源斷裂發(fā)生垂向運(yùn)移（圖4）。

斷裂的活動(dòng)性與輸導(dǎo)性能存在密切關(guān)系，而且斷裂活動(dòng)期次與油氣運(yùn)移期的匹配關(guān)系對(duì)油氣運(yùn)移成藏也有重要影響[21-22]。研究表明，白云凹陷東北部油源斷裂在新生代的活動(dòng)性一直都較強(qiáng)，尤其在主成藏期（10.5 Ma以來）的活動(dòng)速率基本都大于40 m/Ma，部分?jǐn)嗔炎畲罂沙^80 m/Ma（圖5a）。所以，白云凹陷東北部油源斷裂有利于油氣的晚期輸導(dǎo)，這也得到了勘探實(shí)踐的證實(shí)。與此相反，白云凹陷西南部云開低凸起周緣的油源斷裂晚期（16 Ma以來）活動(dòng)性都較弱，一般都小于10 m/Ma，不利于油氣的晚期運(yùn)移[14]。

3.2 控圈斷裂

控圈斷裂主要控制局部構(gòu)造圈閉的發(fā)育，并能起到良好的側(cè)向封堵作用，有利于油氣聚集成藏。白云凹陷東北部除東洼周緣部分油源斷裂可以充當(dāng)控圈斷裂外，大部分控圈斷裂一般都離白云東洼較遠(yuǎn)，主要發(fā)育在北部斜坡部位，規(guī)模相對(duì)較小，斷裂傾向多與地層傾向相反，其下盤發(fā)育的翹傾斷塊圈閉是主要的勘探目標(biāo)（如圖4中X1鉆井）。

與油源斷裂相比，白云凹陷東北部控圈斷裂在不同時(shí)期的活動(dòng)性整體都較弱（圖5b），從而能起到較好的封堵作用，有利于油氣聚集成藏。

3.3 斷裂封閉性評(píng)價(jià)

斷裂帶的泥質(zhì)含量和斷面正壓力分別是控制斷裂側(cè)向和垂向封閉性的主要因素[2,23]。本文利用SGR（斷層泥巖比率）方法分別對(duì)白云凹陷東北部油源斷裂和控圈斷裂在主力儲(chǔ)層段（珠江組下段）的側(cè)向封閉性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，油源斷裂在珠江組下段的SGR多大于50%（表1），表明油源斷裂可以通過泥巖涂抹作用進(jìn)行側(cè)向封閉。但對(duì)于控圈斷裂而言，由于珠江組下段大套泥巖的涂抹作用，SGR值很大，一般都大于95%，側(cè)向封堵條件優(yōu)越，從而利于油氣在反向控圈斷裂下盤聚集成藏。

白云凹陷東北部主要油源斷裂的斷面正壓力為25～67 MPa（表1），超過了泥巖的極限抗壓強(qiáng)度（22 MPa），斷層泥易發(fā)生脆性破裂，進(jìn)而導(dǎo)致斷層垂向封閉性較差，有利于油氣沿?cái)嗔寻l(fā)生垂向輸導(dǎo)。與此相反，控圈斷裂的斷面正壓力多處于10～22 MPa（表1），小于泥巖的極限抗壓強(qiáng)度，斷層泥易發(fā)生塑性流變，從而填塞斷裂帶內(nèi)部的裂隙空間，導(dǎo)致斷裂的垂向封閉性較好，有利于油氣聚集。

表1 白云凹陷東北部主要斷裂珠江組下段SGR和斷面正壓力計(jì)算結(jié)果Table 1 Shale gouge ratio and positive pressure of major faults in the lower Zhujiang Formation in the northeastern Baiyun sag

4 油氣運(yùn)聚成藏特征

通過上述對(duì)斷裂發(fā)育特征以及斷裂在油氣運(yùn)聚成藏過程中所起作用的綜合分析，并結(jié)合實(shí)際勘探成果，建立了白云凹陷東北部油氣運(yùn)聚成藏模式（圖6）。白云東洼的文昌組和恩平組烴源巖生、排烴具有“早油晚氣”的特點(diǎn)[19]，但當(dāng)早期文昌組開始生成并排出原油時(shí)，珠江組內(nèi)的圈閉大部分都還未形成。當(dāng)恩平組大量生排油后，原油開始沿著向源型油源斷裂向上發(fā)生垂向運(yùn)移，并有少量原油在近源圈閉中發(fā)生聚集（圖6b）。向上繼續(xù)運(yùn)移的原油遇到廣覆式分布、連通性較好的珠江組下段砂體，發(fā)生側(cè)向分流向北部斜坡部位進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)移，最后被反向控圈斷裂阻擋，并受控圈斷裂與砂體產(chǎn)狀配置關(guān)系影響，原油在控圈斷裂下盤翹傾斷塊圈閉內(nèi)發(fā)生聚集（圖6c）。此外，原油樣品的地化特征還表明，后期生成的天然氣還驅(qū)替了近源圈閉中早期聚集的原油繼續(xù)向北部斜坡部位進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)移[15]，天然氣進(jìn)而在近源圈閉中發(fā)生聚集成藏（圖6d），從而形成了白云凹陷東北部及鄰區(qū)“內(nèi)氣外油”的油氣分布特點(diǎn)（圖1）。因此，白云凹陷東北部總體具有油氣差異聚集成藏的特點(diǎn)，其中斷裂起到了重要作用。油源斷裂和珠江組下段砂體聯(lián)合輸導(dǎo)油氣，遠(yuǎn)源反向控圈斷裂下盤高效封堵聚集原油，而天然氣則表現(xiàn)出近源聚集的特征（圖6）。

圖6 白云凹陷東北部油氣運(yùn)聚成藏模式Fig.6 Model of hydrocarbon migration and accumulation in the northeastern Baiyun Sag

5 結(jié)論

（1）白云凹陷東北部正斷層主要呈NWW向和近EW向展布。主干斷裂活動(dòng)性一般都較強(qiáng)，最大可超過100 m/Ma，而控制局部圈閉發(fā)育的斷裂活動(dòng)強(qiáng)度整體相對(duì)較弱，一般低于20 m/Ma。

（2）白云凹陷東北部發(fā)育向源型油源斷裂，其活動(dòng)速率大，而且在珠江組下段的SGR和斷面正壓力都有利于油氣發(fā)生垂向運(yùn)移。控圈斷裂活動(dòng)速率較小，在珠江組下段的SGR都大于95%，而且斷面正壓力都小于泥巖的極限抗壓強(qiáng)度，斷裂側(cè)封性能良好。

（3）白云凹陷東北部具有油氣差異聚集成藏的特點(diǎn)，遠(yuǎn)源反向控圈斷裂下盤高效封堵聚集原油，而天然氣則主要發(fā)生近源聚集，進(jìn)而形成“內(nèi)氣外油”的油氣分布特征。