復雜構造區油氣構造保存條件分析:來自皖涇地1井的構造解析

譚元隆王宗秀馮興強肖偉峰季長軍吳 林周 磊張林炎

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;2.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室,北京 100081;3.中國地質調查局油氣地質力學重點實驗室,北京 100081

0 引言

近年來油氣公司和中國地質調查局在下揚子南部地區開展了大量油氣地質勘探工作,對區域二疊—三疊系油氣地質條件也進行了詳細的調查分析,并部署實施了數十項油氣鉆井工程,但是目前尚沒有取得大的突破和實現工業油氣流的開采(郭念發等,2002;潘繼平等,2011;曹駿,2013;黃保家等,2013;李建青等,2013;蔡周榮等,2015;宋騰等,2017;石剛等,2019; 張恒,2020)。相關學者對該區域二疊—三疊系沉積環境、物質基礎、熱演化程度等方面開展了大量的研究和測試分析工作,認為該區域具備良好的油氣基礎地質條件,如累積有效烴源巖厚度達150 m、熱演化程度在1.0%～2.2%之間、有機碳含量為0.8%～14.3%、儲層物性較為致密(徐偉民,1991;郭念發等,2002;劉子滿,2004;潘繼平等,2011;段宏亮和王紅偉,2012;陳平等,2013;李伶俐和馬偉竣,2013;潘磊等,2013;吳浩等,2013;曹濤濤等,2015;Pan et al., 2015;Jiang et al., 2016;Zou et al., 2019)。但是下揚子地區中生代以來發生了多期擠壓-伸展構造作用,形成了復雜且強烈的構造變形(安徽省地質礦產局,1987;王浩清和陳家治,1993;李海濱等,2011;徐曦等,2018;李錦軼等,2019;張岳橋和董樹文,2019)。尤其是印支—早燕山期的擠壓作用,造成下揚子地區大規模的褶皺變形和隆升剝蝕(姚柏平等,1999;丁道桂等,2008;李海濱等,2011;曹駿,2013;)。區域地質、地震、鉆井和地球物理等多方面資料表明,下揚子區大致以長江為界,北部的褶皺帶向南東逆沖,而南部的褶皺帶向北西逆沖,形成對沖構造(張永鴻,1991;姚柏平等,1999;李海濱等,2011)。但不同褶皺帶具有不同的變形樣式,研究者根據構造變形的差異將下揚子區劃分為不同的構造單元(李海濱等,2011;吳林等,2015)。不同構造單元的隆升剝蝕幅度亦存在顯著的差異,曾萍(2005)等采用鏡質體反射率、粘土礦物、裂變徑跡、包裹體測溫等研究方法,對下揚子區構造-熱演化進行了系統的研究,結果表明無為地區印支—早燕山期剝蝕量為2550 m,句容地區為3440 m,黃橋北部為3850 m,黃橋南部為1472 m。而白堊紀以來,下揚子區經歷了顯著的巖漿活動和伸展拉張作用,前期的擠壓構造發生了反轉,形成了不同規模的斷陷或凹陷盆地(李海濱等,2011;李建青等,2012;蔡周榮等,2015;徐曦等,2018)。白堊系—第四系在蘇北盆地厚度達5000 m,而在蘇南地區亦可達2500 m,但在下揚子西南地區的安慶、銅陵等地則厚度顯著減薄,大多在1500 m以內,指示不同區域伸展拉張幅度的差異性(安徽省地質礦產局,1987)。由于構造樣式、隆升剝蝕和伸展拉張幅度等不同構造作用對油氣的保存具有顯著的影響,但目前下揚子地區關于此問題的研究仍未取得很好的進展,這可能是制約該區域油氣勘探取得突破的重要原因(張永鴻,1991;姚柏平等,1999;李亞輝等,2010;李建青等,2012;彭金寧等,2015)。因此,文章通過地震剖面解釋資料和野外構造地質調查分析皖涇地1井周緣構造演化歷史,并結合鉆井獲取的巖芯資料和油氣發現情況綜合探討下揚子南部地區的有利構造保存條件,進一步預測該區域有利構造保存區帶,為下一步油氣勘探提供基礎性資料與參考。

1 區域地質概況

下揚子地塊南部以江紹斷裂帶與華夏地塊接壤,北部則以郯廬斷裂帶與華北地塊相接。下揚子地塊西南部主要以早古生代及更老的地層出露為特征,在地貌上表現為高聳的山地,被研究者稱之為江南隆起帶;而其東部和北部則在白堊紀以來發生了廣泛的伸展作用,形成了廣闊的陸源碎屑充填的斷陷盆地 (安徽省地質礦產局,1987);二者之間以江南斷裂帶為界。調查區則位于江南隆起帶北緣與斷陷盆地的過渡地帶,區內褶皺與斷裂以北東—北東東向展布為主(圖1)。區域地層出露及地質填圖資料顯示(安徽省地質礦產局,1987),下揚子南部地區自寒武系至第四系沉積總厚7000 m左右,工作區內地層由老到新如圖2,其中除下—中泥盆統及部分古近系地層缺失外,區內地層發育相對完整。地層巖性特征表明,下揚子南部地區主要賦存有下寒武統、上奧陶統—下志留統和中上二疊統共三套富有機質頁巖地層。根據地層巖性組合特征和地層接觸關系,下揚子南部地區沉積構造演化大致可分為七個階段(圖2):被動陸緣階段(震旦紀—中奧陶世)、前陸盆地階段(晚奧陶世—晚志留世)、穩定臺地階段(晚泥盆世—中三疊世)、擠壓凹陷階段(晚三疊世—中侏羅世)、斷陷火山盆地階段(晚侏羅世—早白堊世)、伸展斷陷階段(晚白堊世—始新世)及陸內凹陷階段(漸新世至今)。由此可見,下揚子地塊自震旦紀以來發生多期構造運動,中生代的構造變形尤其復雜。印支期華北板塊與揚子板塊的拼合,導致下揚子中三疊世前的沉積蓋層普遍褶皺變形。隨后進入擠壓凹陷階段(T3—J2),上三疊統—中侏羅統陸相沉積與下伏地層呈角度不整合接觸,并被下白堊統不整合覆蓋;晚侏羅世至早白堊世(J3—K1),可能受太平洋板塊俯沖影響,區內出現了大規模巖漿侵入和火山噴發活動,形成厚度較大的火山巖和火山沉積巖,并被上白堊統不整合覆蓋;晚白堊世—古近紀(K2—E1),下揚子南部地區發生大規模的伸展斷陷作用,形成了巨厚的河流湖泊相沉積;新近紀—第四紀斷裂活動微弱,調查區以陸內坳陷為主,坳陷盆地沉積不整合在下伏層序之上(安徽省地質礦產局,1987)。

圖1 下揚子及周緣大地構造簡圖Fig.1 Tectonic map of the Lower Yangtze plate and surrounding areas

圖2 下揚子南部地區顯生宙地層及構造演化階段圖Fig.2 Phanerozoic strata and tectonic evolution stages in southern Lower Yangtze

2 皖涇地1井工區構造

皖涇地1井地理位置為安徽省涇縣蔡村鎮,位于南陵盆地南緣蔡村向斜的南東翼。南陵盆地周圍零星出露北東向展布的志留系—三疊系及上白堊統和少量新近系,盆地內部被大面積的第四系所覆蓋。區域內褶皺以北東—北東東向展布,斷裂以北東向展布為主,控制了區域內地層的分布,而北西向斷裂為次級斷裂(圖3)。

2.1 深部構造解析

JX2019-DZ-02為過皖涇地1井,長度40 km,北西—南東向的地震測深剖面(圖3),并利用工區周邊的寶地1井和皖宣頁1井鉆遇地層對該地震剖面進行了標定和解釋,認為工區地質結構清晰。從圖4a中可以看出,二疊系泥頁巖夾砂巖的反射波組連續、清晰、信號強,其上為三疊系灰巖地層,且往北東方向三疊系保存厚度更大。三疊系上部由一套高頻、連續反射波組構成,為白堊系—新生代砂巖,底界清晰,表明南陵盆地第四系之下廣泛分布著古近系及上白堊統,厚度達3000 m,是發育于中晚侏羅世褶皺沖斷帶之上的中—新生代斷陷盆地。同時,地震剖面顯示北西側白堊系—第四系厚度大,而往南東側厚度逐漸減薄,指示南陵盆地為北斷南超的箕狀盆地。

圖3 皖涇地1井周緣地質圖(其中紅色五角星為皖涇地1井位置,過井黑色線段為部署實施的地震剖面測線JX2019-DZ-02,黃色AB線段為南東140°構造剖面)Fig.3 Regional geological map of the Well Wanjingdi-1 (Red pentagram is the location of the Well Wanjingdi-1, black line passing through the well is the seismic profile line JX2019-DZ-02, and the yellow line AB is the structural section by geological survey)

為了進一步揭示盆地深部構造和演化歷史,對地震剖面進行了構造解釋。由圖4b地質解釋剖面分析認為,整個剖面大致可分為三個構造層:下構造層,前震旦系結晶基底和變質基底組成,未卷入褶皺變形;中構造層,主要由古生界—下中生界的海相碳酸鹽巖、碎屑巖組成,變形強烈,表現為一系列的褶皺和逆沖斷層,斷層傾向南東,多個逆沖斷層與褶皺組成疊瓦式逆沖構造;上構造層,由白堊系—第四系地層組成,主要表現為地塹、半地塹的充填結構,褶皺不發育,為典型的負反轉構造,表現為一系列傾向南東的鏟式斷層,為部分早期逆沖斷層發生發轉的結果。因此,區內中生代可能主要經歷了兩期構造活動,第一期為二疊—三疊系地層的褶皺沖斷變形,主要表現為由南東向北西逆沖,可能為印支期揚子地塊與華北板塊拼合過程中北西—南東向擠壓作用的結果;而第二期則主要為伸展拉張作用,造成前期擠壓構造的反轉,剖面北西側斷距大,上白堊統—新生代地層沉積厚度大,而向南東側斷距逐漸減小,形成由斷層夾持的復雜斷塊群,為晚白堊世以來北西—南東向伸展作用所致。為了更清晰地反映皖涇地1井周邊深部地層展布和構造特征,地震剖面JX2019-DZ-02南東段進行了進一步詳細解析(圖4c)。解釋剖面清楚地反映志留系、二疊系泥頁巖的展布特征,其上依次為下三疊統殷坑組、和龍山組、南陵湖組以及中三疊統周村沖組。深部地層展布特征指示為一向斜構造,其南東翼地層相對平緩,而北西翼相對陡傾,皖涇地1井位于向斜的南東翼。其構造活動特征顯示早期為褶皺沖斷作用,主要表現為南東向北西的逆沖,而晚期則表現為伸展拉張活動,并沉積了部分白堊系地層,指示了北西—南東向的伸展作用。

圖4 過井地震測線(JX2019-DZ-02)及解釋(測線位置見圖3)Fig.4 Seismic profile line (JX2019-DZ-02) through the Well Wanjingdi-1 and the interpretation. (a) Interpretation section of the seismic line. (b) Geological interpretation of the seismic profile. (c) Detailed seismic fine interpretation profile of the SE part of the seismic line.

2.2 皖涇地1井周緣地表構造分析

為了與深部構造進行對比,研究對皖涇地1井周緣的地表構造進行了詳細的調查。皖涇地1井所在的蔡村向斜呈北東向展布,向斜核部地層為中三疊統周沖村組灰巖。從野外露頭觀察可見蔡村向斜核部向南東翼依次零星出露三疊系周沖村組、南陵湖組、和龍山組、殷坑組,二疊系大隆組、龍潭組、孤峰組、棲霞組,以及部分石炭系和泥盆系(圖3)。其中二疊系及三疊系地層平緩傾向北西,在二疊系孤峰組和三疊系南陵湖組地層中測得產狀分別為324°∠28°和321°∠20°(圖5a、5b)。蔡村向斜北西翼則地層產狀變化大,主要向南東陡傾,測得石炭系金陵組地層產狀為154°∠76°,依據地層產狀的恢復,認為蔡村向斜為南東翼平緩而北西翼陡傾的斜歪水平褶皺。

蔡村向斜內斷裂構造發育,走向北東—北東東向,主要表現為兩期斷裂活動。第一期表現為逆沖斷層,在向斜北西翼泥盆系及龍潭組地層測得逆沖斷層產狀分別為343°∠60°和340°∠47°(圖5c、5d),指示由北北西向南南東逆沖,在向斜南東翼逆沖斷層則表現為由南東向北西逆沖,可能為向斜同期或其后的北北西—南南東向擠壓作用下形成。第二期表現為正斷層活動,主要發育于向斜南東翼,斷層面傾向北西,在二疊系孤峰組下部測得正斷層產狀為322°∠57°,指示北西—南東向伸展作用。同時,在向斜北西翼下石炭統金陵組粉砂巖中觀察到晚期正斷層切割早期的逆沖斷層(圖5e、5f)。根據野外露頭地質調查和地質圖綜合分析,恢復出井區AB段構造變形剖面(圖6),該剖面圖與地震解釋剖面圖(圖4c)對比,二者具有很好的一致性,反映相似的構造變形表現和活動期次。

圖5 皖涇地1井周緣地層露頭及斷裂活動表現Fig.5 Outcrop and fault activity in the periphery of the Well Wanjingdi-1. (a) Limestone in the Lower Triassic Nanlinghu Formation. (b) Black siliceous shale in the Lower Permian Gufeng Formation. (c) Thrust fault in the Upper Devonian quartz sandstone. (d) Thrust fault in the Middle Permian Longtan Formation sandstone. (e, f) Thrust faults in siltstone of the Lower Carboniferous Jinling Formation cutting through by normal faults.

圖6 皖涇地1井區構造變形剖面(剖面位置見圖3)Fig.6 Structural deformation profile in the Well Wanjingdi-1 area(The profile location is shown in Fig.3).

3 皖涇地1井鉆遇地層及油氣顯示情況

皖涇地1井目的層段為二疊系上統大隆組、中統龍潭組以及下統孤峰組,完鉆層位為下二疊統棲霞組灰巖層。通過實鉆地層劃分(表1),皖涇地1井鉆遇地層為:第四系(Q);白堊系上統赤山組(K2c);三疊系中統周沖村組(T2z);三疊系下統南陵湖組(T1n)、和龍山組(T1h)、殷坑組(T1y);二疊系上統大隆組(P3d)、中統龍潭組(P2l)、下統孤峰組(P1g);棲霞組(P1q)未穿底。鉆遇地層產狀平緩,傾角在10°～25°之間。

表1 皖涇地1井實鉆地質分層數據表Table 1 Actual drilling stratification data of strata in the Well Wanjingdi-1

皖涇地1井在實鉆過程中于下三疊統殷坑組、中二疊統龍潭組和下二疊統孤峰組見油氣顯示。殷坑組以灰巖含油為主,龍潭組、孤峰組為頁巖氣顯示,各顯示層段累積厚度大、分布層位多。全井共鉆遇氣測異常顯示16層,累計視厚度92.00 m,其中三疊系下統殷坑組含油異常顯示6層,視厚度57.00 m,二疊系龍潭組、孤峰組含氣異常顯示層10.00 m,視厚度35.00 m。在1643～1761 m井段殷坑組中鉆遇油浸顯示9.00 m、油斑顯示16.10m、油跡顯示4.30 m、熒光顯示4.00 m,主要表現為灰巖縫洞型含油特征(圖7),原油金剛烷成熟度在1.37%～1.40%之間,顯示為凝析油,表明殷坑組是該工區重要的含油氣層系。在含氣量解吸取樣井段1899.23～2097.20 m的孤峰組及龍潭組中,共采取30個樣品。所取樣品平均含氣量為0.0533 m3/t,最高含氣量為0.3501 m3/t。

圖7 皖涇地1井下三疊統殷坑組油氣顯示情況Fig.7 Oil and gas display of the Yinkeng Formation in the Lower Triassic of the Well Wanjingdi-1

4 討論:皖涇地1井構造保存條件分析

印支期華北與華南的拼合,使下揚子地區前三疊紀地層發生廣泛的褶皺變形或隆升剝蝕,部分已出露地表(安徽省地質礦產局,1987)。早白堊世,中國東部大面積的巖漿侵入和火山作用可能提高了前期烴源巖系的熱演化成熟度。在晚白堊世后,下揚子地區發生廣泛的伸展斷陷活動,在三疊系之上又沉積了巨厚的白堊系及新生代地層,特別是在下揚子東部的蘇北盆地,白堊系及古近系總厚度可達5000 m。已有研究大多關注印支運動導致下揚子地區強烈而復雜的褶皺變形,而忽視了構造活動相對較弱的燕山、喜山運動(王浩清和陳家治,1993;姚柏平等,1999;丁道桂等,2008;宮龍等,2013;彭金寧等,2015;吳林等,2015)。但部分研究者通過流體包裹體測溫、熱演化史和油氣成藏期等方面的分析發現,下揚子地區二疊系在沉積后,主要的油氣充注期在晚白堊世—古新世期間(劉東鷹和王軍,2004;黎瓊,2012;李建青等,2013;劉光祥等,2014;袁玉松等,2016)。因此,印支期的擠壓褶皺作用可能控制油氣藏的構造樣式,但晚白堊世以來的伸展斷陷作用對區域油氣成藏的影響更大,控制油氣的運聚與成藏。

皖涇地1井周緣地震構造解釋剖面和地表地質調查分析均表明,該地區構造活動與斷裂發育期次主要分為兩個階段:①印支期形成北東—北東東向展布的褶皺及逆沖斷層;②白堊紀以來的伸展作用形成北東—北東東向正斷層。印支期的構造擠壓造就了下揚子南部褶皺變形樣式和逆沖斷層的發育,奠定了主要的構造格局,同時也使得前三疊紀地層發生隆升剝蝕。皖涇地1井白堊系之下即鉆遇中三疊統周沖村組314 m厚灰巖(表1),據區域地質資料分析,該區域周沖村組總厚約542 m,其上覆地層扁擔山組厚608 m,扁擔山組與黃馬青組呈角度不整合接觸,代表印支運動在該區域的構造響應(安徽省地質礦產局,1987)。因此印支期構造隆升造成該區域剝蝕厚度達836 m,相比于盆地中心地帶和沿江地區的剝蝕量明顯較小(曾萍,2005)。

區域地質調查表明該區大隆組與上覆殷坑組、下伏龍潭組為整合接觸關系(安徽省地質礦產局,1987)。皖涇地1井北側約10 km處的昌橋鄉公路旁出露二疊系較為完整的地層剖面,野外實測資料顯示大隆組厚61.35 m。在皖涇地1井北東方向約20 km處水東向斜實施的港地1井鉆探資料顯示,大隆組黑色富有機質頁巖地層傾角10°～25°,連續厚度約70 m(石剛等,2019)。大隆組沉積相與沉積厚度展布特征也表明涇縣地區大隆組平均厚度約50 m,而皖涇地1井實際鉆遇地層結果顯示大隆組只有2 m厚,表明該處大隆組缺失厚度約48 m,指示蔡村向斜形成后仍有顯著的正斷層活動,但斷距并不大。鉆井揭示白堊系和第四系總厚度為42 m,也表明該區域晚白堊世以來伸展拉張幅度小,沉積厚度薄。這與地震剖面揭露的南陵盆地深部結構特征具有一致性,盆地北部二疊—三疊系褶皺變形強烈,晚期伸展幅度大,晚白堊世以來沉積厚度大,可達2800 m;而南部變形弱,晚白堊世以來伸展幅度小,沉積厚度薄,僅數十米。此外,皖涇地1井在二疊系龍潭組、孤峰組和三疊系殷坑組中仍然有很好的油氣顯示,表明該向斜構造具備良好的成藏與保存條件。向斜兩翼斷層及殷坑組灰巖具有良好的封閉性能,向斜東南翼晚期的正斷層活動對油氣藏并沒有顯著的破壞作用,可能是正斷層中含有斷層泥,對斷層帶起了封閉作用。向斜北西翼主要為逆沖斷層,可能對向斜的北西翼形成側向封堵。綜合上述分析,皖涇地1井所在的蔡村向斜兩翼均具備良好的側向封閉條件,是有利的構造保存區域。

5 結論

(1)文章通過地震剖面解釋和地表調查結果表明,下揚子南部地區晚三疊世以來主要經歷了兩期構造活動和構造改造作用:第一期為印支期擠壓作用造成褶皺變形和逆沖斷層以及隆升剝蝕;第二期為晚白堊世以來的伸展作用,表現為正斷層活動和斷陷盆地的形成。

(2)構造保存條件分析表明皖涇地1井位于褶皺沖斷帶內的向斜部位,通過地層對比發現該區域印支期褶皺隆升剝蝕量相對較小,在晚白堊世以來伸展拉張幅度也較小。皖涇地1井在二疊系頁巖中獲得頁巖氣顯示,在下三疊統殷坑組灰巖中鉆遇輕質油,表明該區域拉張作用和正斷層活動對油氣藏并沒有顯著的破壞作用,說明上述構造部位具有良好的封閉性和成藏條件,是有利的構造保存區域。

(3)通過區域構造與鉆井資料綜合分析認為,在下揚子南部區域,針對二疊系—三疊系烴源巖尋找有利油氣區帶,應以三疊系剝蝕量小、晚白堊世以來伸展拉張作用弱的盆地南緣向斜構造帶為重點目標。