長沙嶺轉換帶構造演化特征及其與油氣的關系

高 陽 張文萍 孫學棟 周在華 張寶權 白 軍

(①長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710064； ②東方地球物理公司研究院地質研究中心，河北涿州 072751；③中國石油玉門油田勘探開發研究院，甘肅酒泉 735200)

0 概況

營爾凹陷位于酒泉盆地酒東坳陷，是酒泉盆地重要的油氣勘探領域之一，呈“兩凹一隆”、“東斷西超”的構造格局，其中長沙嶺構造轉換帶是被一系列斷層復雜化的大型鼻狀隆起(圖1b)，整體疊覆于主力生油凹陷之上，緊鄰南、北兩個生油次凹，具備雙向供油的條件，石油地質條件優越，是油氣勘探有利區[1]。營爾凹陷的基底主要由下古生界志留系和上古生界石炭系—二疊系構成，沉積地層包括侏羅系、下白堊統、古近系、新近系和第四系(表1)。下白堊統是營爾凹陷的主要烴源巖層，自下而上劃分為赤金堡組(K1c)、下溝組(K1g)和中溝組(K1z)，凹陷南緣的K1z在晚白堊世遭受剝蝕，使古近系直接沉積于K1g之上。區內主要勘探目的層為K1g，自下而上細分為K1g1、K1g2、K1g3三段，目前已發現K1g3和K1g1兩個重要產油層。

前人認為：營尓凹陷南、北次凹的結構差異在長沙嶺地區產生了構造轉換，在凹陷中部南、北斷層消亡處形成長沙嶺水下低凸起，調節南、北次凹的伸展應變[2-4]；長沙嶺構造在斷陷初期已具雛形，后期持續發育，長期處于構造較高部位，是油氣運移指向區。勘探證實，長沙嶺構造帶發育復雜斷塊—巖性油氣藏，受多期構造運動影響，斷裂發育、切割關系復雜，且斷裂發育帶地震資料成像品質較差，導致斷裂識別難度大、發育期次認識不清、成藏規律認識不系統[5]。依據前人研究成果，在系統分析構造演化史的基礎上精細解釋構造，分析斷裂期次和圈閉特征，研究構造控砂、斷裂與油氣運聚關系，明確了油氣富集規律，對長沙嶺轉換帶下溝組的勘探、開發具有現實意義。

1 長沙嶺地區構造演化特征

長沙嶺地區構造演化與整個酒泉盆地尤其是營爾凹陷的構造演化有著不可分割的聯系。酒泉盆地是中、新生代斷坳疊合型盆地，燕山期西伯利亞板塊發生了輕微的右旋，在興蒙褶皺帶南側形成了左行走滑,產生了北西—南東向拉張應力，在中蒙邊界地區形成了一個北東向展布的伸展斷陷盆地體系，酒泉斷陷盆地位于該體系西南緣[6-7]。盆地內形成了多組南北對稱的由北北東、北東向和與之伴生的北西西向斷裂組成的“狗腿狀”控邊斷裂,盆地南部凹陷的控邊斷裂呈“7”字形，北部凹陷的控邊斷裂呈“倒7”字型(圖1a)，整體上形成了北東向隆、坳相間格局，控制了各凹陷的沉積和規模。在這樣的構造背景下，營爾凹陷受北部雙二井斷層和東部下河清斷層共同控制，發育了南部次凹和北部次凹，這兩個次級凹陷的構造變形、地質結構和沉積特征存在很大差異，長沙嶺構造帶位于兩個次級凹陷之間，處于南黑梁斷層和北黑梁斷層消亡處(圖1b)。在新生代，祁連褶皺帶持續由南南西向北北東方向逆沖推覆，酒泉盆地為陸內坳陷盆地，營爾凹陷整體沉降，對斷裂和成藏無明顯改造作用。

結合區域構造演化史研究，認為長沙嶺地區經歷了早白堊世拉張斷陷期、晚白堊世—古新世隆升剝蝕期和漸新世—第四紀擠壓拗陷期三個構造演化階段(圖2)。早白堊世拉張斷陷期為斷裂主要發育階段，控制了下白堊統烴源巖和儲集相帶展布，進一步劃分為兩期伸展構造運動。

(1)斷陷早期的基底卷入伸展構造運動(K1c—K1g1)。基底斷裂在發育過程中南、北分化：北部次凹具有“東西雙斷”的結構，東部受西傾下河清斷層控制，西部受東傾北黑梁斷層控制(圖3a)；南部次凹具有“東斷西超”的結構，內部發育多條西傾正斷層，形成了一系列多米諾式半地塹(圖3b)。遠離長沙嶺地區的南、北次凹斷層斷距大、活動相對劇烈，地層沉積較厚，長沙嶺地區斷層斷距小、沉積地層厚度相對小，長沙嶺轉換帶初步形成，表現為一水下低凸起。

表1 營爾凹陷地層簡表

圖1 酒泉盆地下白堊統區域構造單元劃分(a)及營爾凹陷構造單元劃分(b)

圖2 長沙嶺構造帶東西向構造演化剖面(剖面位置見圖1)

(2)斷陷晚期的蓋層滑脫伸展構造運動(K1z1)。為構造主要成形期，北部次凹斷裂繼承性發育，凹陷結構與斷陷早期相同；長沙嶺及南部次凹在重力差異壓實作用下，沿不同滑脫面發育了多條東傾犁式正斷層(南黑梁、長1和長2等斷層)，大規模切割早期西傾斷層(圖3c)。北部次凹西側的東傾北黑梁斷層在長沙嶺地區轉換為南部次凹西側的東傾南黑梁斷層(圖1b)，在南黑梁斷層和北黑梁斷層控制下，長沙嶺地區表現為同向轉換帶(圖4)。此期間長沙嶺低凸起的斷層斷距逐漸減小，水下低凸起進一步擴張，構造主體為逆牽引滾動背斜，發育多組斷裂，形成被斷層復雜化的大型鼻狀構造。

圖4 長沙嶺斷陷晚期同向轉換帶構造模型

2 轉換帶構造演化對油氣的影響

轉換帶的構造演化在一定程度上控制著古構造發育和斷裂形成，影響沉積體系的分布，控制油氣的運移、聚集和保存[8]。對構造演化的認識直接影響解釋方案的確定。

2.1 構造演化對斷裂和圈閉的影響

構造演化與斷裂活動通常具有一定的對應關系，對斷裂分析具有重要的指示作用。構造演化分析表明，長沙嶺轉換帶主要形成于早白堊世拉張斷陷期，受兩期伸展構造運動影響，發育了兩期斷裂：早期為西傾斷層，控制K1c和K1g1沉積； K1g2和K1g3沉積時期是一個轉換期，斷裂不發育，K1z1沉積后發育了一系列東傾斷層，切割早期西傾斷層。

在構造演化分析基礎上，結合構造導向濾波屬性技術精細刻畫小斷層[9]，落實了兩期斷裂：①早期北東走向的西傾正斷層，是斷陷初期基底同沉積斷層，主要分布在長沙嶺構造帶及以南地區，在長沙嶺構造帶識別出薛家莊斷層、f1斷層和f2斷層，受晚期斷層切割改造強烈，結構較復雜；在南部次凹識別出5條早期西傾斷層，受晚期斷層切割改造相對較弱，多米諾式半地塹結構清晰，發育大型斷階。②晚期北東向東傾正斷層。長沙嶺地區主要發育南黑梁斷層、長1斷層和長2斷層(圖3c)，這些斷層延伸距離長(15～20km)、斷距大(100～200m)，自西向東將長沙嶺構造分割成長1斷背斜、長2斷背斜和長3斷鼻，形成向東逐級下掉的構造格局。由于南、北次凹不均衡拉張作用，長沙嶺構造帶又發育一系列北北西向調節斷層(主要分布于長1斷背斜和長2斷背斜)和北東東向張扭性斷層(主要發育在長2斷背斜和長3斷鼻)，兩組斷層呈共軛形式，將長2斷背斜和長3斷鼻進一步分割成一系列菱形斷塊群。

長沙嶺構造帶K1g1地層在東西向表現為壘、塹相間的結構特征，中部壘塊帶是最有利的勘探區，分為長2斷背斜和長3斷鼻。長2斷背斜主要發育北東向張性正斷層和北北西向調節斷層以及北東東向張扭性斷層，落實了7個斷塊圈閉；長3斷鼻主要受北東向張性斷層和北東東向張扭性斷層控制，落實了8個斷塊圈閉(圖5)。

2.2 構造演化對砂體分布的影響

沉積盆地研究強調構造—古地貌對沉積的控制作用[10]，構造—古地貌是控制沉積體系發育的關鍵因素之一，沉積體系直接影響儲集體分布。盆地內的隆坳格局、古隆起與古斜坡地貌、同沉積構造活動形成的構造古地貌等是盆地古地貌研究的重要內容，古地貌形態的差異導致砂體推進距離、范圍和規模的差異[11]。斷裂活動是陸相斷陷湖盆最主要的構造活動，同沉積斷裂及其組合直接控制盆內的沉積體系展布和儲集體類型[12]；其次，轉換帶對沉積體系也具重要控制作用，一方面是構成相對低地勢成為水系通道，另一方面則是作為構造高點對沉積水系起分割和阻擋作用[13-15]。因此研究構造—古地貌有助于揭示物源體系、沉積體系的發育特征及其空間配置關系。

長沙嶺構造帶位于營爾斷陷湖盆西斜坡，為一個典型構造轉換帶，早期西傾斷層和北北西向調節斷層及其組合共同控制古地貌，繼而控制可容納空間，影響沉積物的推進方向及砂體展布樣式[16]。早白堊世長沙嶺地區為一水下低凸起，將營爾凹陷分為彼此獨立的南、北次凹，兩次凹發育各自的沉積中心。在K1c沉積時期，斷陷初始活動，湖盆范圍最小； 至K1g沉積時期，斷陷快速發育，沉積速率最大，沉積范圍明顯擴大；K1z沉積時期為拗陷階段，沉降速率最小，湖盆范圍最大。

圖5 長2斷背斜、長3斷鼻K1g1頂面構造圖

單位：m

早白堊世K1c—K1g1沉積時期，長沙嶺構造帶具有背向構造轉換的特點，在銜接部位構造活動較弱，是西部物源主要注入口[17]。受洪水或者山區河流的作用，西部文殊山凸起的大量物源沿長沙嶺轉換帶注入營爾凹陷，由于薛家莊、f1和f2等早期西傾斷層的落差和沉降幅度存在差異，控制形成了多級斷階帶，物源受多級斷階帶控制，沿長沙嶺南翼走向斜坡注入南部次凹，在長沙嶺地區形成辮狀河三角洲(圖6)。構造轉換帶內部的斷層、斷階控制了長沙嶺辮狀河三角洲沉積體系的平面展布，在北黑梁斷層和薛家莊斷層以西發育了大規模辮狀河三角洲平原；在北黑梁斷層以東的長1斷背斜、長2斷背斜沉積體系以辮狀河三角洲前緣水下分流河道為主，平面上呈條帶狀展布；長3斷鼻處于三角洲前緣亞相前端，發育了席狀砂，平面上呈朵葉狀展布；長4斷塊處于前三角洲亞相，發育水下濁積扇。

早白堊世K1c—K1g3沉積時期，轉換帶內北北西向調節斷層為“被動”同沉積斷層，在長1斷背斜、長2斷背斜形成了“斷槽”、“斷梁”相間的古地貌(圖7)，進而控制可容納空間的局部變化，直接影響砂體的分散過程。鉆井資料表明，鉆遇斷槽的C2井揭示目的層段砂體發育，單層厚度大，鉆遇斷梁的C19井揭示目的層段砂體相對不發育，單層厚度也較小。因此，斷層間的古斷槽是主要的輸砂通道。長3斷鼻、長4斷塊由于同沉積斷層和調節斷層相對不發育，古斷槽和古斷梁不明顯，發育了席狀砂和濁積砂體，呈朵葉狀展布。古地貌特征表明：長1斷背斜、長2斷背斜K1g1主要發育兩支輸砂通道(圖6)，由YT1井經C2、C21井向南次凹注入，砂體呈條帶狀展布，厚度較大； 在長3斷鼻砂體發育多支朵葉體； 在北部C301井區和西洼槽可能發育另外兩支朵葉體。

圖6 長沙嶺構造帶K1g1沉積模式

圖7 長2斷背斜北北西向調節斷層控砂模式

以上分析表明，在長沙嶺轉換帶白堊系下溝組沉積時期，具有“斷槽輸砂、古地貌控砂”的沉積特征。綜合構造演化、古地貌特征和鉆井砂地比統計結果，指導相控波阻抗反演[18]，刻畫長沙嶺轉換帶砂體(圖8)，在K1g1下段落實砂體面積達40km2。

圖8 反演預測砂體展布與構造疊合圖

2.3 構造演化對油氣生成和運移的影響

在一些盆地的局部地區，存在構造低部位含油氣、構造高部位不含油氣的現象，這是由斷裂特征和構造演化特征的關系決定的[19-21]。斷層既可以作為油氣運移通道，也可以封堵油氣藏。一般來說，斷層在活動期具油氣通道作用，在靜止期具油氣封堵作用，斷層的封堵作用利于圈閉成藏[22-25]。多期構造運動使斷裂頻繁活動，產生了多期次、多種類型的斷層，不同時期、不同性質斷層的側向封堵與運移能力決定了油氣富集程度。因此，分析研究區的構造演化特征有助于了解構造對油氣的控制作用及油氣藏特征。

長沙嶺轉換帶是被兩期斷裂復雜化的大型鼻狀隆起，是良好的油氣指向區，數量眾多的斷層為局部圈閉的形成和油氣運聚創造了有利條件，形成了K1g1油藏。構造演化分析表明，K1g1油藏的形成受早白堊世拉張斷陷期兩期伸展構造運動形成的兩組斷裂共同控制，兩組斷裂的產狀、發育歷史以及活動特征存在明顯差異，從而對K1g1油藏具有截然不同的控制作用(圖9)。主要表現為： ①早期西傾斷層基本終止于K1g1頂部或K1g2底部，活動時間短，后期基本不活動[26-27]，且高部位砂體相對集中，單層厚度大，反向斷層錯動使下盤K1g1砂體對接上盤K1g2泥巖，對下傾方向的油氣形成良好封堵。因此，早期西傾斷層形成反向斷層遮擋油氣藏，反向斷層下盤的圈閉是有利的勘探目標。②晚期東傾斷層發育于早白堊世末期，斷面上陡下緩，與區域地層傾向一致，表現為順向張性斷層，具有良好的開啟性，向上斷穿K1g3，終止于K1z，向下大多收斂滑移、消失于K1c烴源巖內，將油氣向高壘塊運移，對油氣起輸導作用，對油氣藏具逸散和破壞作用，導致有效的斷層相關圈閉較少。因此，順向斷層控制的圈閉勘探風險較大。

C3井K1g1油源對比分析表明，K1g1原油油樣中混合了一部分K1c的原油，說明油氣發生了垂向運移。YC1井排烴模擬結果表明，在K1z1沉積時期，K1c烴源巖就開始大量生油，K1g1烴源巖也進入了生油門限，說明晚期斷層活動期與生、排烴期基本一致，油氣通過晚期斷層向高壘塊運移成藏。

綜上所述，認為K1g1油藏是復雜斷塊油藏，油氣由低斷塊沿晚期東傾順向斷層向高斷塊運移，匯聚于早期西傾反向斷層控制的高斷塊、高壘塊(圖10)，早期西傾斷層與晚期東傾斷層共同控制形成斷壘塊油氣藏，具有“構造控油、一塊一藏、高塊富集”的特點。鉆井資料表明，獲工業油流的井均處于兩期斷裂控制的高壘塊，失利井都處于兩期斷裂控制的地塹中。因此K1g1油藏發育多個富含油氣的斷塊—巖性圈閉。在長2斷背斜、長3斷鼻共有7個相對高壘塊目標，部署鉆探了7口井，并提交了百萬噸級的控制儲量。

圖9 斷裂系統控油機理及油氣聚集模式

圖10 營爾凹陷長沙嶺構造帶東西向油藏模式

3 結論

長沙嶺轉換帶構造演化與油氣關系密切，分析構造演化有助于了解轉換帶的形成和構造特征以及油氣成藏過程，獲得以下認識。

(1)長沙嶺轉換帶斷裂主要形成于早白堊世拉張斷陷期，該階段發生了兩期伸展構造運動，早期為基底卷入伸展構造運動，主要發育西傾正斷層；晚期為蓋層滑脫伸展構造運動，主要發育東傾犁式正斷層，對早期斷層切割強烈。

(2)長沙嶺轉換帶早期西傾同沉積斷層形成多級斷階帶，控制沉積體系的平面展布；調節斷層控制形成“斷槽”、“斷梁”相間的古地貌。白堊系下溝組沉積時期，具有“斷槽輸砂、古地貌控砂”沉積特征。

(3)早期西傾斷層對油氣主要起封堵、保存作用，晚期東傾斷層主要起運移、輸導作用，在兩期斷層共同控制作用下長沙嶺轉換帶形成斷壘塊油氣藏，具有“構造控油、一塊一藏、高塊富集”的特點。