沙南凹陷新生代斷裂發(fā)育特征及控藏作用

張正濤, 王興艷, 潘曉麗, 殷亮亮, 張國(guó)坤

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院, 西安 710018; 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 西安 710018; 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司, 西安 710001; 4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠, 西安 710021; 5.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300452)

渤海海域是中國(guó)近年來油氣勘探熱點(diǎn)區(qū)域[1],特別是渤海海域西部先后發(fā)現(xiàn)了曹妃甸11-1、曹妃甸6-4、渤中19-6等一系列大油氣田,但沙南凹陷缺一直未有勘探突破[2-3]。伴隨著渤海西部海域油氣勘探開發(fā)歷程,針對(duì)沙南凹陷的勘探存在兩個(gè)主要問題,其一是沙南凹陷資源量的問題[4],即沙南凹陷是否大量發(fā)育有效烴源巖,其二為沙南凹陷勘的探潛力問題[5]。針對(duì)第一個(gè)問題,近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了一系工作,雖然不同學(xué)者計(jì)算的資源量不盡相同,但以下三點(diǎn)認(rèn)識(shí)基本是沒有爭(zhēng)議的:①沙南凹陷縱向發(fā)育東營(yíng)組下段、沙河街組沙一+沙二段、沙三段三套有效烴源巖,東營(yíng)組下段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2及Ⅱ1型為主,沙一+沙二段以Ⅱ1型及Ⅰ型為主,沙三段以Ⅱ型及Ⅰ型為主;②生烴門限深度為2 500 m左右,排烴門限在3 000 m左右,其中三套烴源巖均進(jìn)入生烴門限,沙三段烴源巖全部進(jìn)入排烴門限[6];③考慮總有機(jī)碳、生烴潛力、氫指數(shù)等地化指標(biāo),結(jié)合烴源巖厚度及成熟度等參數(shù),認(rèn)為沙三段為主力烴源巖[7]?？傊?沙南凹陷是一個(gè)小而淺的富生烴凹陷。

斷裂發(fā)育對(duì)油氣運(yùn)聚成藏及富集規(guī)律具有重要的影響[8-11],表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)控制了基本的成藏要素。特別是在源區(qū)附近構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍區(qū)域,斷裂往往是油氣富集的決定性因素。如在對(duì)烴源巖的控制方面,魏真真等[12]通過對(duì)歧口凹陷大張坨等12條控洼斷層分析表明大落差、高活動(dòng)速率的同沉積斷層與源巖發(fā)育關(guān)系密切;劉天等[13]證實(shí)石崗段裂下降盤控制的三河次洼深凹帶是有效烴源巖最為發(fā)育區(qū)域。在對(duì)砂體的控制方面,林暢松等[14]研究表明同沉積斷裂控制了低位域三角洲和湖底扇的分布,決定了砂體的空間分布;鄧運(yùn)華[15]指出了大斷層下降盤往往發(fā)育近岸水下扇砂體,這些砂體與油源斷裂相互配合,構(gòu)成“中轉(zhuǎn)站”運(yùn)移模式。在對(duì)圈閉形成的控制方面,向雪梅等[16]發(fā)現(xiàn)斷層一方面直接控制了構(gòu)造圈閉的形成,另一方面斷裂控制的坡折帶也是巖性-地層圈閉發(fā)育的有利部位;鄧思哲等[17]證實(shí)南圖爾蓋盆地在斷裂控制下形成斷裂構(gòu)造帶附近的復(fù)雜斷塊圈閉和緩坡帶的巖性圈閉。在對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用方面,楊淑宏[18]探討了斷裂不同發(fā)育階段輸導(dǎo)油氣的特征;孫同文等[19]從斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā),論述了斷裂輸導(dǎo)油氣的機(jī)制及具體輸導(dǎo)形式。

針對(duì)沙南凹陷勘探潛力的問題,經(jīng)過20多年的持續(xù)勘探,除了東部地區(qū)C18-1、C18-2構(gòu)造外,在其他部位尚未有商業(yè)發(fā)現(xiàn)。因此,有必要對(duì)沙南凹陷斷裂的發(fā)育演化特征開展精細(xì)研究,進(jìn)而探討其對(duì)油氣富集的控制作用。為此,現(xiàn)充分利用已有高精度三維地震資料,在對(duì)新生代發(fā)育斷裂的靜、動(dòng)態(tài)特征精細(xì)描述基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探討其對(duì)烴源巖、砂體、油氣運(yùn)移的控制作用,建立針對(duì)研究區(qū)地質(zhì)特征的差異性“斷裂控藏”模式,并最終指明油氣資源有利發(fā)育區(qū),以期堅(jiān)定沙南凹陷后續(xù)勘探信心,明確下一步具體勘探思路。

1 沙南凹陷地質(zhì)背景及基礎(chǔ)資料

1.1 沙南凹陷地質(zhì)背景

沙南凹陷屬于渤海海域二級(jí)構(gòu)造單元之一,地理位置位于渤海西部海域[20],面積約3 000 km2,其北側(cè)通過南傾邊界主斷裂與沙壘田凸起連接,南側(cè)為埕子口凸起和埕北低凸起,西側(cè)據(jù)海河斷裂帶與歧口凹陷分隔開來,東部通過C18-2構(gòu)造至C23-1構(gòu)造一線與渤中凹陷相連(圖1)[7]。沙南凹陷呈近東西向展布,整體表現(xiàn)為北斷南超的新生代箕狀凹陷,相比于臨近的歧口凹陷、渤中凹陷等具有凹陷面積小、古近系地層厚度薄、淺斷淺凹、被中央分隔、有效烴源巖資源量較小等特征。新生代地層發(fā)育較全,由老至新發(fā)育有孔店組、沙河街組、東營(yíng)組、館陶組、明化鎮(zhèn)組及平原組地層。發(fā)育有孔店組底部(T8)不整合、館陶組組底部(T2)及平原組底部不整合3個(gè)主要的不整合面,反映了古近紀(jì)裂陷、新近紀(jì)裂后熱沉降凹陷及第四紀(jì)構(gòu)造再活化的區(qū)域構(gòu)造發(fā)育演化歷程[21-22]。沙南凹陷內(nèi)部可細(xì)分為沙中構(gòu)造帶、西北次洼、西南次洼、中部低隆起、東北斷階帶及東部次洼6個(gè)構(gòu)造單元(圖1)。該區(qū)已完鉆探井近30口,發(fā)現(xiàn)了C13-1、C14-1、C14-2、C15-1、C15-3等含油構(gòu)造及C18-1、C18-2等油氣田,從已發(fā)現(xiàn)的油氣圈閉類型來看主要為構(gòu)造圈閉,在平面上油氣主要分布在沙中構(gòu)造帶和東北斷階帶,從層位上看主要分布在深層(沙河街組、東營(yíng)組)。

圖1 沙南凹陷位置及構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Tectonic unit division and location of the Shanan Sag

1.2 資料及方法

本次研究主要利用高精度三維地震資料3塊,合計(jì)1 600 km2,30口井測(cè)井資料及8口井地化分析資料。具體方法及流程為:①將3塊高精度地震數(shù)據(jù)體加載進(jìn)Petrel中,并利用其地球物理模塊對(duì)斷層在剖面、平面進(jìn)行解釋,在靜態(tài)方面對(duì)其斷裂性質(zhì)、組合形式、幾何學(xué)特征、典型構(gòu)造樣式及斷裂系統(tǒng)劃分等內(nèi)容開展研究工作;②選過主要斷層典型剖面,通過定量計(jì)算主要斷層在不同時(shí)期的活動(dòng)速率及建立構(gòu)造演化剖面等方法論述主要斷裂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征;③結(jié)合井資料、地化分析資料及地震屬性資料等探討斷裂發(fā)育對(duì)油氣成藏的控制作用。

2 斷裂發(fā)育特征

沙南凹陷新生代構(gòu)造演化特征與整個(gè)渤西地區(qū)具有一致性,古近紀(jì)總體表現(xiàn)為近南北向伸展,新近系在近南北向伸展的基礎(chǔ)上疊加了弱左旋走滑過程,這也造成了研究區(qū)內(nèi)斷裂性質(zhì)為正斷層,局部發(fā)育弱張扭斷層,未見明顯逆斷層發(fā)育。

2.1 幾何學(xué)特征

受控于近南北向伸展的區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景,沙南凹陷在平面上以發(fā)育近東西向斷裂為主,僅局部發(fā)育東北向斷裂。斷裂在平面發(fā)育位置具有分區(qū)性,沙中構(gòu)造帶及凹陷北側(cè)邊界為主要斷裂發(fā)育區(qū),而在凹陷西南次洼、西北次洼斷裂基本不發(fā)育。在縱向上深層部位斷裂發(fā)育相對(duì)簡(jiǎn)單,由2 000 ms(T8界面附近)方差切面可見在沙河街組地層內(nèi)僅發(fā)育F1～F18共18條主干斷裂[圖2(a)],具有次級(jí)斷裂不發(fā)育,斷裂發(fā)育連續(xù)性好,單條斷裂延伸范圍長(zhǎng),斷距大等特點(diǎn);至淺層500 ms(相當(dāng)于明化鎮(zhèn)組上段)斷裂數(shù)量明顯增多[圖2(b)],次級(jí)斷裂大量發(fā)育,發(fā)育有斷裂密集帶,淺層斷裂與主斷裂帶具有較為密切關(guān)系,即淺層斷裂密集帶在平面上主只要沿深層主斷裂延伸方向分布。該現(xiàn)象一方面反映了主干斷裂及早期活動(dòng)斷裂的后期活化過程,另一方面說明后期形成的淺部斷裂體系主要依附于早期主干斷裂發(fā)育。

圖2 沙南凹陷深、淺部斷裂平面發(fā)育特征Fig.2 Characteristics of deep and shallow faults on plane in Shanan Sag

斷裂的分級(jí):根據(jù)斷裂在平面及空間發(fā)育規(guī)模,將沙南斷裂劃分為三級(jí)。一級(jí)斷裂主要為沙南凹陷北側(cè)控凹斷裂(F1～F8),均為邊界同沉積斷裂,其單條延伸長(zhǎng)度可達(dá)20 km以上[圖2(a)],古近紀(jì)斷距可達(dá)1 000 m以上,多為長(zhǎng)期活動(dòng)斷裂,切穿前古近系基底,對(duì)沙南凹陷的形成及沉積充填過程具有重要的控制作用;二級(jí)斷裂(F9～F18),主要發(fā)育在沙中構(gòu)造帶、東北斷階帶部位[圖2(a)],控制了沙南凹陷內(nèi)部二級(jí)構(gòu)造帶的形成發(fā)育及古近系的沉積充填過程,單條斷裂延伸長(zhǎng)度10～20 km,斷距可達(dá)數(shù)百米,多為油源斷裂,目前已發(fā)現(xiàn)油氣構(gòu)造多與二級(jí)斷裂密切相關(guān)。三級(jí)斷裂,以淺層發(fā)育為主(新近系),斷裂多且規(guī)模小,平面上常沿二級(jí)斷裂呈密集條帶狀展布[圖2(b)],控制了淺層斷塊、斷鼻、斷背斜等構(gòu)造圈閉的形成發(fā)育。

2.2 斷裂系統(tǒng)劃分

沙南凹陷新生界發(fā)育8個(gè)構(gòu)造層:古近系孔店組(Ek)、沙三段(E2s3)、沙一+沙二段(E2s1+2),東營(yíng)組(E3d)新近紀(jì)館陶組(N1g)、明化鎮(zhèn)組下段(N2ml)、明化鎮(zhèn)組上段(N2mu)、第四系平原組(Qp)。根據(jù)斷裂發(fā)育層位及活動(dòng)時(shí)間可分為早期活動(dòng)型斷裂、晚期活動(dòng)型斷裂及長(zhǎng)期活動(dòng)型斷裂三類。早期活動(dòng)型斷裂主要在古近系之中,部分下部切穿中生界及古生界基底,大部分上部消失于東營(yíng)組厚層泥巖地層中(圖3),均表現(xiàn)為正斷層,是古新世、始新世南北向強(qiáng)伸展作用的產(chǎn)物;晚期活動(dòng)型斷裂分布于新近系中,特別是明化鎮(zhèn)以淺地層中,該類斷裂表現(xiàn)為發(fā)育密集,規(guī)模小、數(shù)量眾多的正斷層,剖面上多呈復(fù)合Y字型、似花狀構(gòu)造(圖3),反映了在中新世晚期除了南北伸展作用,還有一定的走滑分量,即受控于弱張扭作用;長(zhǎng)期活動(dòng)型斷裂,這類斷裂主要是凹陷邊界的控邊同沉積斷裂及凹陷內(nèi)次級(jí)構(gòu)造單元邊界斷裂,下部斷穿基底,上部斷穿現(xiàn)代海底,數(shù)量較少,活動(dòng)時(shí)期自古新世至今,中間可能經(jīng)歷構(gòu)造沉寂期,并多次活化運(yùn)動(dòng)。據(jù)此,以主要界面館陶組底部(T2)可劃分為深部斷裂系統(tǒng)和淺層斷裂系統(tǒng)兩大類(圖3)。下部斷裂系統(tǒng)以早期活動(dòng)型斷裂為主,代表了沙南凹陷斷陷期斷裂的發(fā)育特征;上部斷裂系統(tǒng)以晚期活動(dòng)型斷裂為主,代表了坳陷期及現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活化期發(fā)育形成的斷裂。

圖3 沙南凹陷不同剖面斷裂發(fā)育特征及斷裂系統(tǒng)劃分Fig.3 Fault characteristics of different sections and fault system division in Shanan Sag

2.3 斷裂組合特征及構(gòu)造樣式

沙南凹陷不同級(jí)別斷裂在平面具有不同的組合特征,利用高精度三維地震方差切面識(shí)別出了5種主要的斷裂平面組合樣式:辮狀、帚狀、平行狀、雁列狀及分支狀。辮狀斷裂組合發(fā)育在沙中構(gòu)造帶西段,典型特征是南北兩側(cè)為主要斷裂,北側(cè)斷裂南傾,南側(cè)斷裂北傾,次級(jí)斷裂僅在南北兩側(cè)主斷裂之間發(fā)育,且雜亂切割,發(fā)育密集,呈辮狀分布,如圖4(a)和圖4(b)所示;帚狀斷裂組合發(fā)育在A區(qū)中北部,由一條主干斷裂及數(shù)條次級(jí)斷裂構(gòu)成,次級(jí)斷裂沿主斷裂尾端發(fā)散狀分布,在平面上形似一把掃帚[圖4(c)],相對(duì)于主斷裂次級(jí)斷裂傾向相同但斷距及規(guī)模要小得多;平行狀斷裂組合發(fā)育在A區(qū)中南部,由數(shù)條走向大致平行、性質(zhì)相同的斷裂構(gòu)成[圖4(d)],斷層傾向同向、反向均有發(fā)育,同向斷裂在橫剖面上表現(xiàn)為斷階組合,方向斷裂在橫剖面上表現(xiàn)為Y字組合;雁列狀斷裂組合主要發(fā)育在B區(qū),是張扭作用的結(jié)果,雁列整體呈北西向展布,具體到內(nèi)部每條斷裂這呈近東西向發(fā)育,典型特征是每條斷裂規(guī)模相近(長(zhǎng)度均在3～5 km),性質(zhì)相同(正斷層),兩條斷裂間距基本相同且基本平行,整體在平面上表行為雁行狀[圖4(e)],在垂直雁列延伸方向的剖面上表現(xiàn)為負(fù)花狀構(gòu)造;分支狀斷裂組合發(fā)育在C區(qū),多發(fā)育一條主干斷裂,在斷裂尾端兩側(cè)發(fā)育數(shù)條不同走向和傾向的次級(jí)斷裂,次級(jí)斷裂在平面上較為平直,一般以30°～45°與主斷裂相交[圖4(f)],次級(jí)斷裂傾向不具有規(guī)律性,在該類組合垂直方向剖面上斷裂可表現(xiàn)為壘塹組合或復(fù)式半地塹構(gòu)造。

圖4 沙南凹陷斷裂組合特征Fig.4 Assemblage characteristics of fault in Shanan Sag

主要構(gòu)造樣式:主要發(fā)育X型斷裂、復(fù)合Y字型、斷階型、簡(jiǎn)單鏟式正斷層及坡平式斷裂5種主要類型(圖5)。X型斷裂構(gòu)造樣式僅在A區(qū)西部發(fā)育,其剖面特征如圖5(a)所示,左右為兩條相交的主斷層,其下部較為簡(jiǎn)單,兩條主斷斷至基底,表現(xiàn)為地壘形態(tài)(圖3中A-A′剖面),上部較為復(fù)雜在主斷層間發(fā)育了大量伴生次級(jí)斷裂,表現(xiàn)為地塹形態(tài),該類構(gòu)造樣式是由在張性應(yīng)力場(chǎng)中由基底先存斷裂的復(fù)活及繼承活動(dòng)形成的;復(fù)合Y字型在研究區(qū)非常普遍,不同位置均有發(fā)育,其特征為發(fā)育有一條主斷裂(多為同沉積正斷層),沿主斷裂上部發(fā)育一系列的伴生斷裂,形似Y字[圖5(b)],該類組合早期受控于伸展應(yīng)力作用,晚期仍以伸展作用為主但疊加了弱走滑作用;斷階型主要發(fā)育在東北斷階帶,由一系列的同向生長(zhǎng)斷層規(guī)則排列構(gòu)成,斷層產(chǎn)狀與盆地邊界斷層相同且平行展布,下降盤逐次往盆地中心方向掉落,斷面相態(tài)多陡且平直[圖5(c)],是在南北向伸展應(yīng)力場(chǎng)下發(fā)育形成的典型構(gòu)造樣式;簡(jiǎn)單鏟式在全區(qū)均有發(fā)育,樣式簡(jiǎn)單,由一條上陡下緩的同沉積斷裂構(gòu)成,凹面朝上,空間上似一把鏟子[圖5(d)];坡坪式斷裂也稱為“座椅式”,由上部及下部?jī)A角較陡的 “斷坡”和中部較緩的“斷坪”組合而成,底部為主邊界斷裂,上部可伴生發(fā)育多個(gè)復(fù)合Y型斷裂[圖5(e)],主要發(fā)育在凹陷北側(cè)邊界斷層中間部位(F4、F5附近)。

圖5 沙南凹陷主要構(gòu)造樣式發(fā)育模式圖Fig.5 Developmental modle of main structural styles in Shanan Sag

2.4 斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

為了明確沙南凹陷斷裂活動(dòng)特征,對(duì)研究區(qū)8條一級(jí)斷裂(F1～F8)活動(dòng)速率進(jìn)行了計(jì)算(圖6),并結(jié)合過沙南凹陷南北向構(gòu)造演化剖面(圖7),重建了研究區(qū)斷裂演化過程。由于F1～F8斷裂均為沙南凹陷邊界同沉積斷裂,除F1及F3為北東向斷裂外其余均為近東西向發(fā)育,且處于相同動(dòng)力學(xué)背景之下,因而這些斷裂的活動(dòng)特征具有相似性,如圖6所示。總體而言古近紀(jì)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度明顯高于新近紀(jì)及第四紀(jì),這也與渤海西部海域早期斷陷晚期拗陷的宏觀構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景相一致。具體而言:孔店組～沙三段沉積期是新生代斷裂活動(dòng)的第一個(gè)高峰期,F2斷裂活動(dòng)速率最高可達(dá)140 m/Ma,8條一級(jí)斷裂平均活動(dòng)速率80 m/Ma,從橫切沙南凹陷的F-F′構(gòu)造演化剖面來看,此時(shí)凹陷南北兩側(cè)控凹邊界斷裂及沙中構(gòu)造帶主斷裂已發(fā)育形成(圖7);沙一～沙二段沉積時(shí)期斷裂活動(dòng)有所減弱,活動(dòng)速率30～50 m/Ma,邊界斷裂繼續(xù)發(fā)育,沙中構(gòu)造帶次級(jí)斷裂開始發(fā)育;東營(yíng)組沉積期是第二個(gè)斷裂活動(dòng)高峰期,活動(dòng)速率50～130 m/Ma,平均70 m/Ma,該階段構(gòu)造格局與沙一～沙二段變化不大,在凹陷內(nèi)部二級(jí)斷裂開始發(fā)育;館陶組～明化鎮(zhèn)組下段沉積期,斷裂活動(dòng)微弱,平均活動(dòng)度率分別為7、5 m/Ma,同沉積作用不明顯,此階段凹陷內(nèi)部二、三級(jí)斷裂開始增多(圖7);明化鎮(zhèn)組上段～第四系沉積期,斷裂活動(dòng)有所增強(qiáng),平均可達(dá)12 m/Ma,同時(shí)伴隨有較弱的右旋走滑作用,該階段淺層三級(jí)斷裂大量發(fā)育。

圖6 沙南凹陷主要斷裂新生代不同時(shí)期活動(dòng)速率Fig.6 Activity rate of main faults in different periods of Cenozoic in Shanan Sag

圖7 沙南凹陷E-E′剖面構(gòu)造演化發(fā)育特征Fig.7 Structural evolution and development characteristics of E-E′ section in Shanan Sag

3 斷裂對(duì)成藏要素的控制作用

沙南凹陷目前已發(fā)現(xiàn)油氣資源均與斷裂發(fā)育密切相關(guān),說明斷裂發(fā)育演化對(duì)油氣富集規(guī)律具有一定的控制作用,為明確研究區(qū)內(nèi)斷裂控藏作用機(jī)理,從斷裂對(duì)烴源巖、砂體、圈閉及油氣運(yùn)移輸導(dǎo)等方面的控制作用方面開展了研究。

3.1 對(duì)烴源巖及砂體的控制作用

前人針對(duì)同沉積斷裂對(duì)陸相斷陷盆地沉積充填序列及演化過程的控制作用開展了大量的研究工作[13-14,23-26],提出了斷裂坡折帶、構(gòu)造坡折帶等理論。沙南凹陷古近紀(jì)沙三段和東營(yíng)組是斷裂活動(dòng)的高峰期(圖6),同沉積斷裂對(duì)烴源巖及砂體分布的控制也主要體現(xiàn)在沙河街組和東營(yíng)組地層中,因此主要探討斷裂演化對(duì)沙河街組及東營(yíng)組烴源巖、儲(chǔ)層發(fā)育的控制作用。

根據(jù)沙南凹陷30余口井測(cè)井及8口井地化分析資料,對(duì)沙南凹陷古近紀(jì)主要斷層落差、活動(dòng)速率與烴源巖發(fā)育特征(暗色泥巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度)的關(guān)系進(jìn)行了研究。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),同沉積斷層的落差及活動(dòng)速率與暗色泥巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及鏡質(zhì)體反射率(Ro)具有很好的正相關(guān)性。以E-E′剖面為例自南向北依次為埕北低凸起緩坡帶、西南次洼、沙中隆起及西北次洼,主要斷層沙三段平均落差依次為120、300、180、350 m,暗色泥巖厚度依次為60、175、100、245 m,鏡質(zhì)體反射率依次為0.35%、0. 60%、0.50%、0.75%,有機(jī)質(zhì)類型分別為Ⅲ型、Ⅱ2型、Ⅱ2+Ⅲ型、Ⅱ2+Ⅰ型,可見在同一凹陷內(nèi)部主要同沉積斷裂下降盤附近是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的有利區(qū)。

斷陷湖盆中砂體分布的控制因素包括構(gòu)造沉降、物源供給可容空間變化、湖盆水體及氣候等,其中構(gòu)造作用往往起到?jīng)Q定性作用[27],特別是盆地邊界的同沉積斷裂常在平面及空間上組合成多種形式,控制碎屑沉積體系的沉積中心,制約砂體分散和堆積過程[14]。沙南凹陷古近紀(jì)物源主要來自北方的沙壘田凸起及南部的埕子口凸起和埕北低凸起,南側(cè)為次要物源,屬于遠(yuǎn)源物源,北側(cè)為主物源,屬于近源物源[28-29]。因此,沙南凹陷北側(cè)邊界同沉積斷裂對(duì)沙河街、東營(yíng)組的砂體發(fā)育情況具有重要的控制作用。依托覆蓋研究區(qū)的三維地震資料,精細(xì)解釋了30余條垂直沙南凹陷北側(cè)邊界斷層的地震剖面,從這些剖面上可知沙壘田凸起南側(cè)邊界同沉積斷裂具有不同的構(gòu)造特征,自東向西具體表現(xiàn)為:F1斷裂附近表現(xiàn)為高角度平直正斷裂、F2為低角度平緩正斷層、F3高角度平直正斷層、F4中-低角度據(jù)走滑性質(zhì)正斷層、F5-F6中等角度鏟式及坡坪式正斷層、F7-F8中-高角度斷階型正斷層。不同類型的斷層邊界構(gòu)造樣式產(chǎn)生不同類型的砂體分布模式及沉積類型,根據(jù)鉆測(cè)井資料及均方根平面屬性圖,認(rèn)為沙南凹陷古近紀(jì)斷裂控砂作用可大體劃分為三類:①F1、F3等高角度單斷模式,早期以發(fā)育湖底扇砂體、扇三角洲砂體為主,晚期隨著地形坡度變緩以辮狀河三角洲砂體沉積為主;②F2、F4、F5、F6等低角度單斷模式,以辮狀河三角洲砂體、遠(yuǎn)端濁積扇砂體為主;③F7、F8高角度斷階模式,早期在第二級(jí)臺(tái)階部位發(fā)育扇三角洲及湖底扇砂體,晚期在第一臺(tái)階發(fā)育扇三角洲或辮狀河三角洲砂體。值得注意的是在兩條主斷裂之間(如F3、F4之間,F7、F8之間)常發(fā)育構(gòu)造轉(zhuǎn)換斜坡,可構(gòu)成主要的物源通道,在其下部常有大范圍連片砂體發(fā)育,是有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。

3.2 對(duì)圈閉的控制作用

沙南凹陷新生代主要發(fā)育兩種類型的圈閉,即構(gòu)造圈閉和巖性圈閉。斷裂活動(dòng)對(duì)圈閉的控制作用,一方面體現(xiàn)在對(duì)圈閉形成過程的控制,另一方面體現(xiàn)在對(duì)圈閉有效性的控制。沙南凹陷目前已發(fā)現(xiàn)構(gòu)造圈閉主要分布于中部的沙中構(gòu)造帶,沙中構(gòu)造帶呈東西向展布,東西長(zhǎng)約35 km,南北寬10 km,為一組南掉大型生長(zhǎng)斷層控制下一系列局部構(gòu)造,沿主斷層延伸方向在兩側(cè)均有分布。圈閉類型為斷塊、斷鼻及斷背斜,發(fā)育層位以沙河街組和東營(yíng)組為主,圈閉長(zhǎng)軸方向與主斷層一致也為東西向,長(zhǎng)度多為幾千米至十幾千米,長(zhǎng)寬比可達(dá)3～6,閉合面積3～30 km2。該類圈閉的形成直接受控于古新世～始新世早期沙南凹陷斷陷作用,近南北向伸展作用形成了F11、F12、F13、F14等斷裂(圖2),并在這些斷裂附近初步發(fā)育了較大面積的斷塊、斷背斜圈閉,至始新世中期～晚期,隨著同沉積作用的發(fā)展,特別是到漸新世末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用,新發(fā)育的次級(jí)斷裂對(duì)圈閉進(jìn)行了切割改造,且伴隨著早期斷塊的翹傾及旋轉(zhuǎn)作用,造成原圈閉進(jìn)一步破碎和復(fù)雜化,最終形成現(xiàn)今小而多的復(fù)雜斷裂圈閉群。沙南構(gòu)造帶斷塊、斷背斜、斷鼻等構(gòu)造圈閉的有效性對(duì)斷裂側(cè)向封閉性要求較高,但研究區(qū)自古新世至漸新世均發(fā)育在明顯的南北向伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景之下,且沙河街、東營(yíng)沉積期正是斷裂活動(dòng)劇烈時(shí)期(圖6),即張性釋壓背景、高強(qiáng)度斷裂運(yùn)動(dòng)等因素綜合影響使得斷層的側(cè)向封堵性較差,進(jìn)而導(dǎo)致圈閉的有效性變差。實(shí)際勘探成果表明沙中地區(qū)含油構(gòu)造圈閉平均充滿度一般在20%～30%,這也反映了構(gòu)造圈閉有效性受控于斷裂活動(dòng)。因而,可以認(rèn)為斷裂因素控制下的圈閉條件是沙中地區(qū)油氣貧化的主因。

研究區(qū)另一類較為重要的圈閉類型為巖性圈閉,其發(fā)育位置主要位于凹陷北側(cè)沙壘田凸起南部陡坡帶和凹陷南部緩坡帶,發(fā)育層位以始新統(tǒng)沙河街組及漸新統(tǒng)東營(yíng)組。邊界同沉積斷裂控制下的構(gòu)造坡折決定了巖性圈閉的發(fā)育類型及分布位置,以凹陷北部為例,沙三段以近物源沉積為主,以發(fā)育扇三角洲沉積體系為主,發(fā)育辮狀河三角洲及湖底扇體系為輔,在邊界主斷裂下降盤附近易發(fā)育巖性上傾殲滅圈閉;沙二及沙一段邊界斷裂活動(dòng)相對(duì)變?nèi)?辮狀河三角洲、濱淺湖灘壩、扇三角洲及濁積扇沉積均有發(fā)育,常見發(fā)育砂巖透鏡體圈閉;進(jìn)入東營(yíng)組時(shí)期,斷裂活動(dòng)再次加強(qiáng),發(fā)育辮狀河沉積、扇三角洲沉積及,易形成巖性上傾殲滅圈閉及滑塌濁積扇砂體巖性圈閉。值得注意的是,研究區(qū)前期以構(gòu)造圈閉勘探為主,巖性圈閉較少關(guān)注,但巖性圈閉緊鄰烴源巖,東二下段、沙一段發(fā)育區(qū)域性泥巖蓋層,儲(chǔ)蓋條件優(yōu)越,因此西北次洼及東北斷階帶巖性圈閉可作為后續(xù)有利區(qū)勘探區(qū)域。

3.3 對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用

斷裂對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用,是近年來油氣成藏理論特別是“斷裂控藏”理論的核心內(nèi)容[9,30]。近年來中外不同學(xué)者從斷裂的運(yùn)移輸導(dǎo)機(jī)理[31-32],斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[33-34],斷裂封閉性[35-37]及斷裂輸導(dǎo)體系[19,38]等方面開展了大量工作。針對(duì)沙南凹陷,斷裂作用從兩個(gè)方面控制了油氣的運(yùn)移,首先主要油源斷裂構(gòu)成了油氣垂向運(yùn)移的通道,其次油源斷裂與(骨架)砂體輸導(dǎo)層配合決定了油氣的側(cè)向運(yùn)移優(yōu)勢(shì)方向。圖8(a)為沙中構(gòu)造帶(A區(qū))沙二段頂部(T4)構(gòu)造圖,可見在構(gòu)造高部分發(fā)育有A、B、C、D 4個(gè)含油氣圈閉,分別受控于斷層F11～F14,圈閉類型為斷塊和斷背斜。F11～F14均為油源斷裂,下部斷穿沙三段烴源巖,為同沉積斷裂,在該時(shí)期斷層生長(zhǎng)指數(shù)可達(dá)1.5～2.0,活動(dòng)速率60～70 m/Ma,說明沙二段時(shí)期油源斷裂具有較大的活動(dòng)性,沙三段優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的大量油氣可通過斷面構(gòu)造脊[圖8(a)棕色箭頭所示]垂向運(yùn)移至淺層圈閉,如構(gòu)造圈閉具有較好的側(cè)向封閉性就可富集成藏。

圖8 斷裂對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用Fig.8 Control of faults on hydrocarbon migration

圖8(b)為沙南凹陷東北部斷階帶(C區(qū))沙河街組底面構(gòu)造圖,可見在F8及F18同沉積斷層控制下形成了明顯的臺(tái)階狀構(gòu)造,該區(qū)發(fā)育E、F、G三個(gè)含油氣圈閉,在沙河街組底面(T8)向上20 ms內(nèi)范圍提取了均方根屬性,根據(jù)與鉆井實(shí)際鉆遇情況對(duì)比,均方根屬性與砂體實(shí)際分布情況具有較好的一致性,因此可以根據(jù)均方根屬性預(yù)測(cè)砂體橫向展布范圍。一臺(tái)階及二臺(tái)階上有明顯呈朵葉狀砂體發(fā)育[圖8(c)],為沙三段早期扇三角洲沉積,該套砂體具有較好的物性及橫向連續(xù)性,構(gòu)成了油氣層內(nèi)橫向運(yùn)移的重要通道。同樣,F8及F18斷層在沙三段時(shí)期活動(dòng)性較強(qiáng),為垂向運(yùn)移通道。斷裂輸導(dǎo)和骨架砂體輸導(dǎo)相配合,構(gòu)成了C區(qū)重要的立體輸導(dǎo)體系,首先,二臺(tái)階靠近F18斷層發(fā)育的沙三段扇三角洲砂體與凹陷內(nèi)部湖湘優(yōu)質(zhì)烴源巖呈指狀互層接觸,油氣可以通過扇三角洲砂體沿上傾方向運(yùn)移至F18斷面附近;之后,油氣沿F18斷面向上運(yùn)移,至一臺(tái)階后一部分油氣沿橫向骨架砂體運(yùn)移至一臺(tái)階內(nèi)部(即油氣發(fā)生側(cè)向分流),另一部分則沿F18斷面繼續(xù)向上運(yùn)移;最后,運(yùn)移至一臺(tái)階的油氣一部分遇到合適圈閉即聚集成藏,另一部分沿F8斷層繼續(xù)向上運(yùn)移至沙壘田凸起之上。

綜上,沙南地區(qū)斷裂對(duì)油氣運(yùn)移的控制可概括為:簡(jiǎn)單的斷面脊垂向運(yùn)移模式,斷面脊、骨架砂體耦合作用復(fù)合立體運(yùn)移模式兩種類型。

4 沙南地區(qū)斷裂控藏模式

沙南凹陷油氣資源分布具有不均一性,已發(fā)現(xiàn)的油氣資源主要分布與沙中構(gòu)造帶和東北斷階帶?；谇笆鰯嗔褜?duì)成藏要素的控制作用,結(jié)合沙南凹陷自身地質(zhì)特征,認(rèn)為研究區(qū)發(fā)育3種成藏模式:凹陷內(nèi)部中央隆起區(qū)南北兩側(cè)“斷控”雙通道近緣成藏模式、凹陷北側(cè)陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網(wǎng)毯輸導(dǎo)遠(yuǎn)源成藏模式、凹陷斜坡下部斷控前緣砂體源內(nèi)成藏模式(圖9)。

圖9 沙南凹陷斷裂控藏模式圖Fig.9 Mode of fault controlling reservoir in Shanan Sag

凹陷內(nèi)部中央隆起區(qū)南北兩側(cè)“斷控”雙通道近源成藏模式[圖9(a)]:以沙中構(gòu)造帶深層構(gòu)造油藏為典型代表。該地區(qū)是沙南凹陷勘探程度最高區(qū)域,目前已完鉆探井15口,鉆井證實(shí)發(fā)育3套儲(chǔ)蓋組合:沙三段及孔店組自生自儲(chǔ)組合,沙河街組一及二段儲(chǔ)層?xùn)|營(yíng)組蓋層組合,館陶組儲(chǔ)層明下段蓋層組合。前兩個(gè)組合為該區(qū)最重要儲(chǔ)蓋組合,油氣主要分布于沙二段及沙三段,鉆遇的多個(gè)構(gòu)造圈閉均見油氣顯示,但均未達(dá)到商業(yè)油氣聚集標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)造南側(cè)及北側(cè)分別為西南次洼、西北次洼,緊鄰優(yōu)質(zhì)烴源巖區(qū),烴源巖條件優(yōu)越;南北兩側(cè)均發(fā)育長(zhǎng)期活動(dòng)斷裂,特別在古近紀(jì)具有較高的活動(dòng)速率,兩側(cè)均可構(gòu)成良好的油氣輸導(dǎo)通道;沙河街組扇三角洲、辮狀河三角洲砂體普遍發(fā)育,儲(chǔ)層條件也較好;圈閉有效性是制約該區(qū)油區(qū)富集的核心因素,即斷裂的活動(dòng)導(dǎo)致構(gòu)造圈閉側(cè)向封閉性較差,進(jìn)而影響了圈閉的充滿度。

凹陷北側(cè)陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網(wǎng)毯輸導(dǎo)遠(yuǎn)源成藏模式[圖9(b)]:以東北斷階帶C區(qū)為代表。油氣主要富集于第一臺(tái)階東營(yíng)組及凸起上館陶組構(gòu)造圈閉中,凹陷深部生成的油氣經(jīng)與烴源巖呈指狀接觸的扇三角洲或辮狀河三角洲砂體高效排出,并橫向朝上傾方向運(yùn)移至斷層,經(jīng)由斷裂垂向向上運(yùn)移,至上部臺(tái)階油氣發(fā)生分流,即一部分繼續(xù)沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移另一部分沿臺(tái)階上的連通骨架砂體橫向運(yùn)移[圖8(c)],如存在多級(jí)臺(tái)階,可發(fā)生多次油氣分流過程,并最終在有效圈閉內(nèi)聚集成藏。該模式?jīng)Q定了油氣在中、淺層富集的特征,因此凹陷北側(cè)陡坡帶中淺部是后續(xù)勘探有利區(qū)之一。

由圖9(c)可知,凹陷斜坡下部斷控前緣砂體源內(nèi)成藏模式:前期并未針對(duì)凹陷內(nèi)巖性油氣藏開展系統(tǒng)的勘探工作,因此目前尚未有典型實(shí)例。該模式為陡坡帶前緣發(fā)育的孤立狀砂巖透鏡體及上傾殲滅狀砂體直接發(fā)育于烴源巖地層內(nèi)部,生成的油氣可優(yōu)先進(jìn)入巖性圈閉中成藏。預(yù)測(cè)該模式控制下的北側(cè)陡坡帶深層(沙二、沙三段)為研究區(qū)后續(xù)勘探重要有利區(qū)。

5 結(jié)論

(1)據(jù)斷裂幾何學(xué)特征將沙南凹陷斷裂分為一級(jí)“控凹”斷裂、二級(jí)“控帶”斷裂及三級(jí)“控圈”斷裂;據(jù)斷裂活動(dòng)特征,分為早期、晚期及長(zhǎng)期活動(dòng)斷裂;垂向上以T2為界發(fā)育上部、下部?jī)蓚€(gè)斷裂系統(tǒng)。

(2)斷裂在平面上發(fā)育辮狀、帚狀、平形狀、雁列狀及分支狀5種組合特征,發(fā)育X型、復(fù)合Y字型、斷階型、簡(jiǎn)單鏟式及坡平式5種構(gòu)造樣式。孔店組～沙三段沉積期是新生代斷裂活動(dòng)的第一個(gè)高峰期,沙一～沙二段沉積時(shí)期斷裂活動(dòng)有所減弱,東營(yíng)組沉積期是第二個(gè)斷裂活動(dòng)高峰期,館陶組～明化鎮(zhèn)組下段沉積期斷裂活動(dòng)微弱,化鎮(zhèn)組上段～第四系沉積期斷裂活動(dòng)有增強(qiáng)趨勢(shì)。

(3)新生代斷裂發(fā)育控制了沙南凹陷烴源巖、砂巖儲(chǔ)層、圈閉發(fā)育,同時(shí)控制了油氣運(yùn)移輸導(dǎo)過程。發(fā)育凹陷內(nèi)部中央隆起區(qū)南北兩側(cè)“斷控”雙通道近源成藏、凹陷北側(cè)陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網(wǎng)毯輸導(dǎo)遠(yuǎn)源成藏及凹陷斜坡下部“斷控”前緣砂體源內(nèi)成藏3種斷裂控藏模式,預(yù)測(cè)沙南凹陷北側(cè)深層巖性圈閉、凹陷北側(cè)陡坡帶中淺部構(gòu)造圈閉為后續(xù)有利勘探區(qū)。