北大港潛山濱海斷層發育特征及其與上古生界二次生烴耦合成藏研究

李建紅,王延斌,繆 歡,張雨健,龔 訓,熊 幸

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0 引 言

歧口凹陷是渤海灣盆地油氣勘探的重點區塊，蘊藏豐富的油氣資源[1-2]。2015至2016年，在北大港潛山GG1-1、GG1501、GG1502井等鉆井過程中發現，該區上古生界存在多套中淺層、優質高產的含油氣新層系，顯示出上古生界原生油氣藏具有良好的勘探前景[3]。前人對北大港潛山的構造演化及油氣成藏進行了一系列的研究。路俊剛等[4]利用有機地球化學方法分析了北大港東翼深層天然氣勘探潛力；蔣有錄等[5]根據儲層瀝青和流體包裹體判識北大港第1期油氣成藏時間為中三疊世(235～223 Ma)，第2期為新近紀—第四紀(22～0 Ma)；陳昭年等[6]采用古構造分析和平衡剖面分析，指出北大港北翼奧陶系風化殼經歷穩定抬升、褶皺沖斷、斷塊翹傾和熱沉降坳陷4個演化階段；張東東等[7]利用北大港潛山三維地震數據體分析了北大港潛山的形成演化及其油氣意義；周均太[8]通過對歧口凹陷沉積中心的研究，認為歧口凹陷新生代具有右旋走滑拉分性質。

總結前人研究發現，目前歧口凹陷的生烴研究僅僅局限于潛山和斜坡帶，各次級凹陷烴源巖生烴演化研究甚少。濱海斷層作為北大港潛山南部邊界的控制斷層，對油氣成藏具有重大意義[9]，而其不同時期不同區段斷層的活動性、幾何樣式尚不清晰；濱海斷層發育演化規律與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴成藏匹配關系處于模糊階段。基于此，利用大量地震剖面、鉆井資料和各時期底面構造圖精細刻畫濱海斷層發育特征及北大港潛山油氣成藏模式，在分析岐口凹陷石炭系—二疊系烴源巖生烴演化的基礎上，綜合分析濱海斷層發育特征與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴成藏匹配關系，為下一步尋找上古生界原生油氣藏提供方向。

1 地質概況

歧口凹陷位于黃驊坳陷中北部，南起埕寧隆起，北至海河-新港斷層，是黃驊坳陷最大的沉積單元，凹陷面積約為1 700 km2，地勢南翼緩、北翼陡，整體形態似箕狀構造(圖1a)[10]。歧口凹陷沉積地層由老至新可劃分為13套地層，石炭系—二疊系發育煤系烴源巖和砂巖儲層，古近系發育湖湘暗色泥質烴源巖和泥質蓋層，奧陶系頂部發育風化殼儲層[11]。此次研究對象為石炭系—二疊系優質煤系烴源巖，山西組煤層厚度為8～10 m，暗色泥巖厚度為40～60 m，TOC平均值為1.96%；太原組煤層厚度為10～12 m，暗色泥巖厚度為60～80 m，TOC平均值為3.72%[12]。

圖1 歧口凹陷構造綱要和地層綜合柱狀圖(據文獻[8]修改)

北大港潛山是歧口凹陷中央隆起的重要組成部分，其南北邊界為大張坨斷層和濱海斷層，濱海斷層一側為北大港潛山構造高部位，對油氣成藏意義重大[10]。北大港潛山形成演化階段分為斷陷、坳陷及拗陷3個期次(圖1b)，其中，斷陷、坳陷期(Es3—Ed)主要受NW—SE向拉張應力作用，拗陷期(Ng—現今)主要受近WE向剪切應力作用[13]。

2 斷層發育特征

2.1 斷層幾何特征

濱海斷層位于北大港潛山東南側，是一條深切基底、具有右旋扭動的正斷層，南起翟莊，北至BS3-1井附近(圖2a)，走向為NE向，傾向SE向，傾角為25～55 °，長約為60 km，斷距一般可達1000 m，斷層向西控制歧北次凹的沉積，向東構成六間房似箕狀次級沉積體[14]。基于不同位置地震剖面，從垂向及走向上對濱海斷層幾何特征進行精細描述(圖2b)。

圖2 濱海斷層平面形態及地震剖面

垂向上，濱海斷層斷面上陡下緩，呈鏟式，且分期性明顯，東營組—館陶組地層中的斷層最為發育，次級斷層數量多且密度高，形成復雜的花狀構造組合樣式，該類構造樣式形成于右旋扭動，是走滑斷層的直接識別標志[14]。沙河街組地層下盤次級斷層規模明顯減小，傾向大多與主斷層相反，且組合樣式單一。

走向上，濱海斷層與港東斷層呈側列狀組合，局部發育小規模羽狀和網格狀組合樣式。歧口凹陷自燕山期斷層大規模發育以來，受NW—SE向拉張應力作用[15]，導致濱海斷層走向上分段明顯，根據發育特征可將濱海斷層分為東、中、西3段：①中段走向為NE向，其斷層發育程度復雜，斷塊完整性差，斷層帶影響范圍寬達4 km，下盤次級斷層發育，其傾向與濱海斷層相反，組合形成多米諾式構造樣式；②東段走向為NEE向，其斷層發育程度較中段更強，次級斷層十分發育，該斷層帶影響范圍較小，為2 km左右，下盤斷層集中發育且未切穿上覆地層，其傾向與主斷層相同，上盤次級斷層組合形成花狀構造樣式；③西段走向近NEE向，該段斷層發育程度最弱，斷塊完整性較好，僅上盤頂部發育少量次級斷層。

2.2 斷層活動性

基于各時代底面構造圖和地震剖面，獲取了濱海斷層Es3、Es2、Es1、Ed、Ng、Nm6個時期8個平面位置斷層落差，用于表征濱海斷層不同部位不同時期活動性。結果表明：濱海斷層Es3時期活動性最強，平均垂直活動速率達227.5 m/Ma，Ng時期平均垂直活動速率最小，僅為7.0 m/Ma，自Es3期以來，濱海斷層活動性呈現出先減后增再減的變化趨勢(圖3)。Es4早期，太平洋板塊對華北板塊的俯沖由Ek期NWW向轉為NW向[16]。Es3—Es1時期，在NW—SE向伸展區域應力場作用下，濱海斷層整體活動性強，此時斷裂展布以NE向為主。新近紀時期，由于印支板塊對西藏板塊的強烈擠壓和向北俯沖，歧口凹陷區域應力場轉變為以右旋剪切為主[17]，濱海斷層伸展活動逐漸減弱，部分區帶走向轉為近WE向。對不同位置斷層古落差分析可知，Es期濱海斷層活動中心處于斷層中段，Ed期以來，斷層活動中心移至東段，故中段下盤次級斷層十分發育，形成多米諾式構造樣式，這是伸展運動的典型識別標志，東段上盤形成花狀構造樣式。

圖3 濱海斷層活動性

據萬貴龍[18]研究發現，新構造運動期間，與歧口凹陷最大主應力方向平行的近NEE向斷層封堵性差，而NE向斷層封堵性好，該結果與斷層活動性呈現出極好的匹配關系。Ng—Nm期斷層東段活動性強、中段弱，這與其走向趨于NEE向相符，據此可定性判別濱海斷層不同區段封堵性強弱。

3 濱海斷層與石炭系—二疊系烴源巖二次生烴耦合成藏

3.1 石炭系-二疊系烴源巖生烴演化

負向構造單元因其埋深較大，有機質演化程度高，往往成為油氣藏的烴源灶[19]。北大港潛山與板橋次凹、歧口主凹和歧北次凹形成“三凹夾一隆”的構造格局，歧口主凹與歧北次凹為北大港南側油氣成藏提供了油氣來源。因地層埋深太大，缺乏鉆井資料，現今關于該地區石炭系—二疊系烴源巖生烴研究僅局限于隆起部位。基于前人對于歧口凹陷盆地沉降史的研究結果，結合地震數據，采用沉積速率法恢復剝蝕厚度[20]，并利用petro mod軟件模擬歧口主凹埋藏史，進而分析北大港地區生烴特征。

地層剝蝕厚度恢復基本原理如下：

(1)

(2)

(T-T1)V=HE

(3)

式中：H為沉積厚度，m；T為沉積時間，Ma；V為沉積速率，m/Ma；T0為沉積開始時間，Ma；HC為殘余地層厚度，m；T1為剝蝕開始時間，Ma；HE為剝蝕厚度，m。

結合區域構造演化可知，三疊世初期，石炭系—二疊系烴源巖達生烴門限(圖4)，但由于早期圈閉條件不足，無法形成大規模油氣藏。中生代時期，巖漿活動使歧口坳陷部分區域石炭系—二疊系烴源巖受熱生烴，但該次生烴范圍小。古近紀初期，邊界斷層開始伸展運動，各次級構造單元快速沉降，埋深增加，石炭系—二疊系烴源巖熱演化程度高，歧口主凹于Es3末期達生烴高峰期，此時Ro為0.9%左右，Ng末期Ro達到1.7%。新近紀以來，各邊界斷層以右旋剪切作用為主，歧口主凹沉降速率減慢，現今最大埋深約為8 800 m，其Ro達2.0%左右。北大港潛山Es3末期石炭系—二疊系烴源巖Ro為0.5%左右，現今實測Ro為1.0%左右，正處于生烴高峰階段。

圖4 歧口主凹地層埋藏史

3.2 石炭系—二疊系油氣成藏模式

北大港潛山發育有多套優質儲蓋組合：石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組砂巖平均孔隙度在10%左右，可作為石炭系—二疊系烴源巖油氣的優質儲集層，此外，奧陶系風化殼也是優質的油氣儲集層；中生界與古近系地層泥巖層厚度大，是良好的石炭系—二疊系油氣藏蓋層。

基于鉆遇石炭系—二疊系油氣的鉆井資料、地震剖面以及前人油源對比結果，認為北大港潛山的油氣藏類型分為斷塊-斷鼻、牽引背斜和古潛山(圖5)，其中，牽引背斜型油氣藏主要分布于北大港潛山東段，斷塊-斷鼻型油氣藏則分布于中段和西段，古潛山型油氣藏普遍分布(圖5)。牽引背斜型油氣藏主要形成于新近系的右旋剪切運動，斷塊-斷鼻型油氣藏則形成于Es時期的NW—SE向伸展運動。由此可見，濱海斷層的發育控制了北大港潛山圈閉的形成與演化。

圖5 北大港潛山單井成藏模式

3.3 濱海斷層對石炭系—二疊系油氣聚集保存的控制

烴源巖成熟生烴是油氣成藏的前提，優質的儲層提供了油氣的儲集空間，致密的蓋層是油氣良好的保存環境，開啟的斷層是油氣的運移通道，而封堵的斷層將阻擋油氣運移。生烴期、圈閉形成時間和斷層活動三者之間良好的匹配關系是形成現存油氣藏的關鍵。

油氣成藏組合圖可以很好地展示烴源巖生烴、排烴與圈閉定型的匹配關系(圖6)。印支期末，上古生界烴源巖一次生烴，強度低，且無動力使油氣向下運移至奧陶系風化殼儲層，故第1次生烴期無大規模油氣藏形成。中生代時期，北大港地區沉積中生界泥巖蓋層，與下伏二疊系砂巖儲層形成良好儲蓋組合，為古近系、新近系二次生烴準備了保存條件。Es3期各負向構造單元上古生界烴源巖迎來二次生烴高峰，但此時濱海斷層伸展運動強烈，油氣亦無法成藏。Ed期為北大港地區上古生界烴源巖二次生烴成藏關鍵時期，各要素匹配極好：負向構造單元石炭系—二疊系烴源巖進入高—過成熟階段，北大港潛山石炭系—二疊系有機質進入成熟階段，為北大港地區油氣成藏提供充足的油氣來源；以二疊系砂巖為儲層，中生界、沙河街組泥巖為蓋層的儲蓋組合普遍發育，北大港中段發育斷塊-斷鼻型成藏模式，東段發育牽引背斜成藏模式；濱海斷層以右旋扭動為主，為油氣提供了運移通道。

圖6 北大港油氣成藏組合

由以上分析可知，濱海斷層的發育演化對油氣成藏具有很強的控制作用，活動性弱、封堵性好的區段有利于油氣成藏，活動性強、封堵性差的區段不利于油氣成藏，因此，斷濱海斷層中段為石炭系—二疊系烴源巖油氣成藏有利區段，是下一步勘探的重點區域。

4 結 論

(1) 基于大量地震剖面分析，濱海斷層東段斷層發育程度最強，中段稍弱，西段最弱；上盤地層發育右旋扭動成因的花狀構造組合，下盤發育伸展運動成因的多米諾式構造樣式。

(2) 由斷層古落差可知，濱海斷層Es3期活動性最強，平均垂直活動速率達227.5 m/Ma，Ed期以來，斷層活動性逐漸減弱，垂直活動速率最低僅為7.0 m/Ma；斷層活動中心由Es期的中段轉移至Ed期的東段；現今濱海斷層東、西2段封堵性差，中段封堵性好。

(3) 經生烴演化史分析可知，歧口凹陷負向構造單元石炭系—二疊系烴源巖在Es期演化至生烴高峰，正向構造單元在新近紀達生烴高峰；北大港潛山東段發育牽引背斜成藏模式，中段發育斷塊-斷鼻成藏模式，古潛山型成藏模式普遍發育。

(4) Ed期為石炭系—二疊系烴源巖油氣成藏關鍵時期，各成藏要素匹配關系極好；據濱海斷層演化分析，濱海斷層中段為石炭系—二疊系油氣藏分布有利區段。