王立鋒 李文龍 沈利霞 劉云芝 曾 超
中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司
潿西南凹陷是中國(guó)海上重要的富生烴凹陷之一,經(jīng)過(guò)40多年勘探,相繼發(fā)現(xiàn)了眾多的油氣田,連續(xù)多年保持了較高的勘探工作量,至今仍處于儲(chǔ)量快速增長(zhǎng)階段。隨著勘探程度的不斷提高,井網(wǎng)密度持續(xù)加大,近洼勘探區(qū)新發(fā)現(xiàn)的油氣藏規(guī)模逐漸變小,勘探效益趨于邊際化,尋找優(yōu)勢(shì)富集區(qū)塊是當(dāng)前亟待解決的勘探問(wèn)題。
潿西南凹陷近洼帶“背形負(fù)花狀”斷塊大量發(fā)育,油氣運(yùn)聚條件優(yōu)越,勘探風(fēng)險(xiǎn)低。雖然剩余圈閉規(guī)模較小,但落實(shí)圈閉條件好的優(yōu)質(zhì)斷塊,有望發(fā)現(xiàn)大烴柱高度且多層系富式成藏的富集塊。筆者認(rèn)為關(guān)鍵點(diǎn)是控圈斷層的側(cè)封能力。潿西南“背形負(fù)花狀”斷裂帶由一組組花狀斷裂組成,其內(nèi)部發(fā)育眾多的花心斷層,向外逐漸過(guò)渡到較大型的花瓣斷層,花瓣斷層呈側(cè)階傳遞的特征,即每組花瓣斷層依次連接下一組花狀斷層的花瓣斷層,相鄰兩條花瓣斷層的間隙形成了斷塊圈閉或斷塊+巖性圈閉。以往對(duì)于間隙較小的花瓣斷塊未引起足夠的重視,但實(shí)際上本研究區(qū)的花瓣斷層多為低傾角斷層,具有非常強(qiáng)的封堵能力,體現(xiàn)為斷層位移更長(zhǎng)、泥巖涂抹作用更強(qiáng),特別是斷面正應(yīng)力更大。
以往對(duì)于斷層封堵性的研究?jī)?nèi)容非常寬泛,包括斷層活動(dòng)性質(zhì)、斷距大小、砂泥對(duì)接關(guān)系、泥巖涂抹強(qiáng)度、斷面閉合程度、泥質(zhì)填充量以及后期成巖作用等,但應(yīng)用于目標(biāo)區(qū)時(shí)暴露出對(duì)斷層封堵性的主控因素了解得不夠透徹,斷層解釋充滿(mǎn)多解性。因此,筆者通過(guò)已鉆井的統(tǒng)計(jì)分析理順了該區(qū)斷層封堵性的主控因素,明確了本區(qū)斷層封堵性的最關(guān)鍵因素是斷層傾角大小,而斷層傾角大小和埋深直接決定斷面正應(yīng)力,斷面正應(yīng)力又直接制約圈閉有效性。故引入斷面正應(yīng)力評(píng)價(jià)參數(shù),建立研究區(qū)斷面正應(yīng)力與烴柱高度關(guān)系的預(yù)測(cè)圖版,預(yù)測(cè)斷層封堵能力。研究認(rèn)為低傾角斷層控制的圈閉保存條件好,斷層封堵能力更強(qiáng),能夠封住更高的烴柱高度。據(jù)此研究成果優(yōu)選了3個(gè)低傾角斷層控制的圈閉實(shí)施鉆探,共鉆探3井6眼,均發(fā)現(xiàn)了厚層油氣藏,實(shí)現(xiàn)了“小圈閉找到規(guī)模油氣藏”的勘探目的。
北部灣盆地位于我國(guó)南海北部大陸架西部,位于揚(yáng)子板塊南端粵桂古生代褶皺帶和海南褶皺帶之間的紅河走滑斷裂帶,是在中生代區(qū)域隆起背景下發(fā)育的新生代斷陷盆地[1]。盆地面積5.1×104km2,包括潿西南、烏石、海中、邁陳等多個(gè)富生烴或潛在富生烴凹陷。潿西南凹陷位于北部灣盆地的西北部,面積約3.8×103km2,是中國(guó)南海北部大陸架重要的富生烴凹陷之一,也是北部灣盆地最重要的油氣勘探區(qū)[2-4]。
北部灣盆地處于印度—澳大利亞板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的結(jié)合部位[5],與自新生代以來(lái),北部灣盆地經(jīng)歷了神弧運(yùn)動(dòng)、珠瓊運(yùn)動(dòng)、南海運(yùn)動(dòng)和東沙運(yùn)動(dòng)等多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[6]。潿西南凹陷的形成與演化受始新紀(jì)印支板塊與華南古陸碰撞的后新生代再活動(dòng),以及漸新紀(jì)的右旋扭張作用所控制。潿西南凹陷屬于典型的“下斷上拗”的斷陷湖盆,其構(gòu)造演化經(jīng)歷了古近紀(jì)張裂階段和新近紀(jì)裂后兩個(gè)階段[7]。古近紀(jì)張裂演化經(jīng)歷古新世、始新世初期、始新世中期和中晚漸新世四次張裂活動(dòng),張裂時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力不斷右旋,控凹斷層自西向東逐步發(fā)育。古近系斷陷期的早期發(fā)育3條NE—SW走向的大型張扭性斷裂,即一號(hào)斷裂、二號(hào)斷裂和三號(hào)斷裂(圖1),是盆地內(nèi)重要的控凹斷裂。組成斷裂帶的斷層多數(shù)為NE—SW走向,少數(shù)呈NS和NW—SE走向。3條張扭性斷裂帶控制了潿西南凹陷的構(gòu)造和沉積作用,控制了潿西南A洼、B洼和C洼的形成和發(fā)育,控制了烴源巖和油氣疏導(dǎo)體系的分布,控制了凹陷內(nèi)6個(gè)大型正向構(gòu)造單元的分布。潿西南凹陷是一個(gè)多層序油氣富集的富生烴凹陷,凹陷內(nèi)油氣具有復(fù)式聚集,滿(mǎn)洼分布的特征,是南海西部海域最重要的油氣田勘探、開(kāi)發(fā)基地。盆地內(nèi)油氣富集于二號(hào)斷裂帶、潿西南低凸起、南斜坡和斜陽(yáng)斜坡以及一號(hào)斷裂帶西構(gòu)造脊和東構(gòu)造脊6大大型正向構(gòu)造單元之內(nèi)。
圖1 潿西南凹陷區(qū)域構(gòu)造位置圖
在古近系斷陷期的晚期,隨著應(yīng)力場(chǎng)的右旋作用[8],在原有NE—SW走向的大型斷裂基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列近E—W向的雁列式斷層,在地震剖面上呈“背型負(fù)花狀”。成熟烴源巖范圍內(nèi)的二號(hào)斷裂帶、三號(hào)斷裂帶及洼中隆的斷塊圈閉是潿西南凹陷勘探最為成功的類(lèi)型,以反向斷層遮擋的斷塊圈閉或斷塊+巖性圈閉最為有利。具有埋深淺,儲(chǔ)量規(guī)模大,多層系復(fù)式成藏,儲(chǔ)層物性好,測(cè)試產(chǎn)能高,動(dòng)用程度高的特點(diǎn)[9]。
潿西南凹陷作為南海西部油氣勘探的主戰(zhàn)場(chǎng),歷經(jīng)40多年的勘探,已經(jīng)成為中國(guó)海上勘探程度最高的凹陷之一。目前,凹陷內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)全三維覆蓋,勘探程度高,連續(xù)多年保持了較高的勘探工作量,油氣勘探日趨精細(xì)化。隨著井網(wǎng)密度的持續(xù)加大,近洼勘探區(qū)面臨庫(kù)存目標(biāo)少,有利圈閉落實(shí)難度大,剩余圈閉碎塊化,發(fā)現(xiàn)的油氣藏規(guī)模逐漸變小,勘探效益逐漸趨于邊際化的現(xiàn)狀[10]。如何尋找優(yōu)勢(shì)富集區(qū)塊提高勘探成效是亟待解決的問(wèn)題[11]。
潿西南凹陷近洼帶在古近系晚期發(fā)育一系列近E—W向的雁列式斷層,地震剖面上呈“背型負(fù)花狀”結(jié)構(gòu),其中花瓣斷層傾角小且斷距大,向花心方向斷距逐漸變小,斷層傾角逐漸變大[12]。受不同類(lèi)型的斷層控制,本區(qū)斷塊圈閉及斷塊+巖性圈閉大量發(fā)育,斷層封堵性好壞決定了圈閉有效性,是控制成藏及儲(chǔ)量規(guī)模的關(guān)鍵因素。以二號(hào)斷裂帶為例,該區(qū)晚期走滑活動(dòng)強(qiáng)烈,花狀斷塊大量發(fā)育,油氣運(yùn)聚條件優(yōu)越,成藏概率高。但斷裂復(fù)雜、斷塊破碎,單個(gè)斷塊圈閉面積多小于0.3 km2。小構(gòu)造挖潛是當(dāng)前重要的增儲(chǔ)上產(chǎn)方法。鉆探證實(shí)反向斷層遮擋的“牙刷”式斷塊雖然面積小,但在局部富集塊具有一定的儲(chǔ)量規(guī)模,是當(dāng)前主要的勘探挖潛區(qū)。關(guān)鍵問(wèn)題是斷層封堵性對(duì)油氣成藏以及充滿(mǎn)度的控制作用,如何加強(qiáng)斷層封堵性研究,在小圈閉內(nèi)落實(shí)高封堵能力的控圈斷層,進(jìn)而在小構(gòu)造找到較大烴柱高度的富集塊落實(shí)規(guī)模儲(chǔ)量,是提高勘探成效的關(guān)鍵[13-14]。
斷層的封堵性是指斷層對(duì)油氣的封閉能力,同時(shí)受泥巖涂抹、斷層兩側(cè)巖性對(duì)接關(guān)系、斷面壓力、斷裂帶填隙物、地層成巖作用等多方面控制[15-17]。目前,業(yè)界對(duì)斷層封堵性的研究主要從斷層活動(dòng)性質(zhì)、斷距大小、砂泥對(duì)接關(guān)系、泥巖涂抹強(qiáng)度、泥巖剪切帶長(zhǎng)度、斷面閉合程度、泥質(zhì)填充量以及后期成巖作用等方面開(kāi)展[18-21],研究非常全面而系統(tǒng)。但對(duì)于特定的地區(qū),斷層封堵性往往受其中的某一因素主控,其他因素占的權(quán)重非常小。所以在未明確研究區(qū)斷層封堵性的主控因素之前泛泛地開(kāi)展研究,會(huì)導(dǎo)致研究套路化,缺乏針對(duì)性,研究的多解性高且可靠性不高。
研究發(fā)現(xiàn),制約本區(qū)斷層封堵性的最關(guān)鍵因素是斷層的開(kāi)啟性與封閉性[22],而對(duì)于斷層啟閉性的研究,目前國(guó)內(nèi)外主要進(jìn)展和成果體現(xiàn)在斷層封閉機(jī)理、封閉史和封閉性評(píng)價(jià)3個(gè)方面[23]。而斷層的啟閉程度直接受斷層產(chǎn)狀控制,這一點(diǎn)在潿西南凹陷表現(xiàn)最為突出。潿西南凹陷的二號(hào)斷裂帶為一系列“背形負(fù)花狀”斷層群組成,從一條主干斷層沿走向過(guò)渡到另一條主干斷層的構(gòu)造變形帶發(fā)育低傾角的鏟式斷層[24],對(duì)比發(fā)現(xiàn),低傾角斷層斷面正應(yīng)力更大,斷層位移更長(zhǎng)、泥巖涂抹作用更強(qiáng)、封閉性更強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),斷面正應(yīng)力和封堵能力有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此在原有的斷裂封堵性分析基礎(chǔ)上引入斷面正應(yīng)力評(píng)價(jià)參數(shù),以評(píng)估斷層的封堵性。
利用斷面正應(yīng)力評(píng)價(jià)封堵性的機(jī)理是:制約斷層封閉性的最關(guān)鍵因素是斷面的緊閉程度,當(dāng)斷裂活動(dòng)停止后,斷層面上受到上覆地層的壓力而發(fā)生愈合,斷層面承受的壓力越大,斷層愈合程度越高,封閉性能也就越好。由于地下巖石孔隙內(nèi)外地層水產(chǎn)生的靜水壓力可以完全抵消,靜水壓力對(duì)斷層封閉性不產(chǎn)生作用,斷層只受上覆地層巖石骨架的重力作用而施加的壓力,由此可通過(guò)斷層面所受正應(yīng)力判斷斷面的封堵性。斷面正應(yīng)力的計(jì)算公式為:
式中p表示斷面正應(yīng)力,Pa;ρr表示上覆地層的平均密度,kg/m3;ρw表示平均地層水密度,kg/m3;θ表示斷層面與水平面的夾角,(℃);g表示重力加速度,m/s2;h表示斷層面的埋深,m。
按照式(1),以潿西南凹陷二號(hào)斷裂帶中段斷塊圈閉群為靶區(qū),定量計(jì)算各斷面位置所對(duì)應(yīng)的斷面正應(yīng)力,作為評(píng)估斷層封堵性的依據(jù)(圖2)。
圖2 潿西南凹陷二號(hào)斷裂帶重點(diǎn)圈閉斷層傾角與斷面正應(yīng)力關(guān)系示意圖
隨后,通過(guò)對(duì)已鉆井的統(tǒng)計(jì)分析,建立了本區(qū)潿洲組下部(T74—T80)斷面正應(yīng)力與烴柱高度關(guān)系的預(yù)測(cè)圖版,將斷層封堵分析從原有的定性分析發(fā)展到半定量的計(jì)算。在研究的過(guò)程中,計(jì)算了潿西南凹陷二號(hào)斷裂帶多個(gè)油氣田不同圈閉控圈斷層的關(guān)鍵參數(shù),包括斷層傾角、垂直斷距、斷面正應(yīng)力等,并統(tǒng)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的烴柱高度。發(fā)現(xiàn)隨著斷層傾角的變小,斷層垂直斷距和斷面正應(yīng)力均增大,與烴柱高度的增大有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。即隨著斷層傾角的變小,斷層的封堵能力變強(qiáng),成藏的幾率增大,且同樣的埋深下斷層所封堵的烴柱高度也增大。
在對(duì)潿西南凹陷二號(hào)斷裂帶潿洲組下部斷面正應(yīng)力與烴柱高度的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上總結(jié)出3條規(guī)律(圖3):①當(dāng)斷面正應(yīng)力小于9 MPa時(shí),為成藏的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),鉆井多失利,這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層靠近花心的部位,斷面陡而直,斷距??;②當(dāng)斷面正應(yīng)力大于20 MPa時(shí),成藏概率高,且烴柱高度與斷面正應(yīng)力呈強(qiáng)相關(guān)的特點(diǎn),這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層外緣的花瓣斷層,以平緩的鏟式斷層為主,斷層斷距較大;③斷面正應(yīng)力大于9 MPa而小于20 MPa時(shí),成藏風(fēng)險(xiǎn)介于以上兩者之間,且烴柱高度與斷面正應(yīng)力相關(guān)性不強(qiáng),提示在這種情況除了斷面正應(yīng)力之外,還要其他因素對(duì)圈閉條件起控制作用,這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層的中部,即花瓣斷層與花心斷層之間。
圖3 潿西南凹陷二號(hào)斷裂帶斷面正應(yīng)力與烴柱高度關(guān)系圖
通過(guò)式(1)可明確斷面正應(yīng)力受埋深、斷層傾角、上覆蓋地層和地層水密度4個(gè)變量控制,后兩者相對(duì)恒定,前兩者是最重要的變量。結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析,可以得出明確的結(jié)論:在相同埋深下低傾角斷層斷面正應(yīng)力更大、封堵能力強(qiáng),是降低勘探風(fēng)險(xiǎn)和尋找高儲(chǔ)量豐度油氣藏的最為有利區(qū)帶。
3.2.1 有利勘探區(qū)的選擇
通過(guò)分析,潿西南凹陷斷層主要活動(dòng)期有3期。其中古近紀(jì)始新世為斷陷階段,NE—SW向大斷層貫穿整個(gè)凹陷,為典型的控凹控帶斷層;古近紀(jì)漸新世時(shí)期受右旋走滑作用影響,在原有斷層的基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列近E—W向斷層,呈現(xiàn)出雁列式展布的特征,此時(shí)為洼中絕大多數(shù)復(fù)雜斷塊圈閉群的定型期和油氣充注期;新近系時(shí)期僅洼中局部NW—SE向斷層有活動(dòng)。在二號(hào)斷裂帶中段,漸新統(tǒng)近E—W向雁列式斷層在地震剖面上表現(xiàn)為典型的花狀結(jié)構(gòu),其花瓣斷層在漸新統(tǒng)潿洲組底部有規(guī)律地發(fā)育低傾角的鏟式斷層,并與早期深入烴源巖的NE—SW向大斷層相對(duì)接,一方面溝通了深部烴源,另一方面提供了有利的斷層側(cè)封條件。因此,二號(hào)斷裂帶中段的油氣運(yùn)聚條件和圈閉條件都相對(duì)更為有利。
在二號(hào)斷裂帶中段,近E—W向的花瓣斷層一般只在南北兩個(gè)方向上控制圈閉的側(cè)封,在另兩個(gè)方向上,需要落實(shí)巖性尖滅或者向兩側(cè)下傾的構(gòu)造。在縱向時(shí)序約束、橫向相帶控制的基礎(chǔ)上,研究發(fā)現(xiàn)潿洲組底部低位—湖侵域發(fā)育辮狀河三角洲,其前緣主流線(xiàn)呈SW—NE方向,與近E—W向的斷層存在約45°的夾角,北西和南東兩個(gè)方向可由三角洲前緣主流線(xiàn)向兩翼尖滅形成巖性側(cè)封。依此,在辨狀河三角洲主流線(xiàn)與雁列斷裂耦合區(qū)可批量落實(shí)構(gòu)造圈或構(gòu)造+巖性圈閉。
二號(hào)斷裂帶活動(dòng)強(qiáng)度具有中部強(qiáng)、向東西兩側(cè)變?nèi)醯奶攸c(diǎn),中段低傾角斷層廣泛發(fā)育,因此于二號(hào)斷裂帶中段作為重點(diǎn)研究靶區(qū)(圖2中虛線(xiàn)圈),進(jìn)行了深入的斷層封堵能力研究,并指導(dǎo)鉆井部署。
3.2.2 低傾角斷層封堵能力的鉆探證實(shí)
通過(guò)以上研究,明確了低傾角斷層控圈能力更強(qiáng),是小圈閉實(shí)現(xiàn)大突破的首選目標(biāo)。因此,在二號(hào)斷裂帶中段漸新統(tǒng)潿洲組底部?jī)?yōu)選了若干斷塊,鎖定低傾角斷層發(fā)育區(qū)作為重要勘探靶區(qū)。研究過(guò)程中遇到了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題,即隨著斷層傾角變低,地層的傾角也隨之變大。例如,本次優(yōu)選的Z11-2E-12設(shè)計(jì)井區(qū)所在的斷塊圈閉處,斷層傾角僅有20°(圖4),這對(duì)油氣封堵是有利的條件。但同時(shí)目的層段地層傾角也高達(dá)到30°,不利于規(guī)模成藏。一方面低傾角斷層可控制更大幅度的油氣;另一方面大傾角地層導(dǎo)致圈閉幅度隨著距控圈閉斷層距離變大而迅速變大。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),本區(qū)斷塊圈閉平均烴柱高度為100 m,當(dāng)?shù)貙觾A角達(dá)到30°時(shí),按100 m的烴柱高度計(jì)算,含油范圍只有距斷層173 m的水位距離,可見(jiàn)大的地層傾角對(duì)形成較大的圈閉非常不利。有利條件和不利條件誰(shuí)占主導(dǎo)取決于低傾角斷層控制的烴柱能否遠(yuǎn)大于100 m。
圖4 Z11-2E-12d/sa設(shè)計(jì)井區(qū)地震解釋剖面及斷裂平面分布圖
通過(guò)前面所述的斷面正應(yīng)力對(duì)斷層封堵能力的半定量研究,選擇三個(gè)低傾角斷層控制的圈閉實(shí)施鉆探,依次鉆探了3個(gè)井眼(Z11-2E-8d井、Z11-2E-9d井、Z11-2E-12d井),鉆遇的烴柱高度均在140 m以上,且均未見(jiàn)水。因此3口井均分別向更低部位實(shí)踐側(cè)鉆井的鉆探(Z11-2E-8dsa井、Z11-2E-9dsa井、Z11-2E-12dsa井)。從鉆探結(jié)果發(fā)現(xiàn),低傾角斷層的確控制了更大的烴柱高度,克服了地層傾角大而帶來(lái)的不利因素。所鉆遇的3個(gè)圈閉斷層傾角逐漸減小,從39°到30°再到20°;斷層垂直斷距逐漸增大,從115 m到205 m再到434 m;斷面正應(yīng)力逐漸增大,從21.2 MPa到22.9 MPa再到25.9 MPa;最終鉆遇的烴柱高度均大于100 m,依次為360 m、190 m和275 m。3口側(cè)鉆井眼在目的層均未鉆遇水層,地下實(shí)際的烴柱高度應(yīng)遠(yuǎn)大于本區(qū)100 m的平均烴柱高度。
以上3井6眼均于小型斷塊圈閉發(fā)現(xiàn)了規(guī)模儲(chǔ)量。特別是控圈斷層傾角僅有20°的Z11-2E-12d/sa井(圖4),呈現(xiàn)多層復(fù)式成藏的特點(diǎn),雖然平均含油氣面積僅0.25 km2,但油氣發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量非??捎^。
綜上所述,斷層正應(yīng)力是控制斷層封堵能力的最關(guān)鍵因素之一,基于斷層正應(yīng)力評(píng)價(jià)參數(shù)的半定量研究肯定了低傾角斷層的封堵能力?;诘蛢A角斷層控圈研究和勘探實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了“小圈閉找規(guī)模油氣藏”的顯著成效。
制約該區(qū)斷層封堵性的最關(guān)鍵因素是斷層的開(kāi)啟性與封閉性,而斷層的啟閉程度直接受斷層產(chǎn)狀控制,相對(duì)而言,低傾角斷層斷面愈合程度更高,封閉性能更好,對(duì)油氣的封堵能力更強(qiáng)。
統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)斷面正應(yīng)力和控圈斷層的封堵能力呈正相關(guān)關(guān)系,在相同埋深下低傾角斷層斷面正應(yīng)力更大,形成的圈閉保存條件更好,能夠封住更高的烴柱高度。
3)斷面正應(yīng)力大于20 MPa時(shí),成藏概率高,這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層外緣的花瓣斷層,以平緩的鏟式斷層為主,斷層斷距較大;斷面正應(yīng)力小于9 MPa時(shí),為成藏的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層靠近花心的部位,斷面陡而直,斷距小;斷面正應(yīng)力大于9 MPa而小于20 MPa時(shí),成藏風(fēng)險(xiǎn)介于二者之間,這類(lèi)圈閉多位于花狀斷層的中部,即花瓣斷層與花心斷層之間。
4)在低傾角斷層發(fā)育區(qū)優(yōu)選了3個(gè)有利目標(biāo),鉆探了3井6眼,均獲得厚層油層,證實(shí)了斷層傾角、斷面正應(yīng)力與烴柱高度存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。