古近系斷裂控藏作用定量評(píng)價(jià)
——以珠江口盆地陸豐13洼為例

趙 慶,邱欣衛(wèi),肖張波,雷勝蘭,賈連凱,何雁兵

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東深圳 518054)

斷裂在油氣成藏過(guò)程中扮演著非常重要的作用,羅群等對(duì)全國(guó)重要盆地及典型油氣田的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,受斷裂控制的油氣藏占比高達(dá)70%以上[1]。斷裂控制著油氣的生成、運(yùn)移、聚集和保存,深入剖析斷裂在油氣成藏過(guò)程中所起的作用,對(duì)于揭示油氣運(yùn)移和聚集規(guī)律具有重要意義[2-7]。學(xué)者們對(duì)斷裂控藏作用做了大量的研究工作。劉峻橋等通過(guò)對(duì)廊固凹陷斷裂與油氣成藏關(guān)系研究,認(rèn)為斷裂活動(dòng)性、地層異常壓力、“中轉(zhuǎn)站”發(fā)育規(guī)模以及斷面脊等地質(zhì)參數(shù)與油藏地質(zhì)儲(chǔ)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,并據(jù)此建立了斷裂垂向輸導(dǎo)能力定量公式[8]。石波通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),確定活動(dòng)時(shí)期斷裂的走向與區(qū)域應(yīng)力方向的角度關(guān)系,進(jìn)而對(duì)活動(dòng)斷裂的輸導(dǎo)油氣能力進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。溫宏雷等在開(kāi)展黃河口凹陷斷裂控藏作用定量評(píng)價(jià)的過(guò)程中,分析了主成藏期斷裂活動(dòng)性、蓋層厚度與斷距關(guān)系及分形分維值,厘清了這三個(gè)參數(shù)對(duì)油氣成藏的控制作用,并建立了斷裂控藏定量評(píng)價(jià)方法[10]。李京昌等通過(guò)分析斷裂與烴源巖關(guān)系,建立了一種半定量分析斷裂與油氣成藏關(guān)系的方法[11]。

綜上可見(jiàn),現(xiàn)有技術(shù)中的斷裂控藏作用研究多是針對(duì)成藏期活動(dòng)的斷裂進(jìn)行定性分析,或者是針對(duì)單一因素的定量分析,缺少專門(mén)針對(duì)成藏期不活動(dòng)斷裂控藏作用的定量評(píng)價(jià)。近年來(lái),珠江口盆地古近系勘探不斷取得重大突破,陸豐13東洼中央隆起帶上發(fā)現(xiàn)了多個(gè)斷塊油田,古近系斷塊圈閉多且復(fù)雜,斷塊間油氣富集程度差別較大,而目前針對(duì)陸豐凹陷的成藏研究多是定性或半定量研究[12-15],由于其精度較低或考慮因素不夠全面,已無(wú)法滿足陸豐地區(qū)現(xiàn)階段的勘探需求。本文以陸豐13洼為例,綜合多因素分析斷裂在油氣成藏中的控制作用,嘗試建立斷裂控藏作用與儲(chǔ)量豐度的定量關(guān)系,為提高油氣勘探的鉆探成功率提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

陸豐凹陷為珠江口盆地北部坳陷帶內(nèi)部的一個(gè)次級(jí)單元,其東部和西部分別為韓江凹陷和惠州凹陷,是珠江口盆地重要的油氣主產(chǎn)區(qū)[12-13]。陸豐凹陷由6個(gè)次一級(jí)洼陷構(gòu)成,由南向北分別為陸豐15洼、陸豐13東洼、陸豐13西洼、陸豐7洼、惠州11洼和惠州5洼(圖1a)[13-15]。陸豐13東洼、陸豐13西洼(合稱陸豐13洼)勘探程度最高,淺、中、深層均有規(guī)模油氣發(fā)現(xiàn),其中古近系已發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)量超過(guò)1.2×108t。

圖1 陸豐凹陷古近系凹陷結(jié)構(gòu)及層序地層劃分

研究區(qū)古近系自下而上可劃分為文昌組、恩平組和珠海組,其中文昌組和恩平組為古近系油氣勘探的主要層系。文昌組可進(jìn)一步劃分為6個(gè)段,恩平組可進(jìn)一步劃分為4個(gè)段(圖1b)[15-16]。文昌組發(fā)育在前古近系基底之上,為T(mén)g(對(duì)應(yīng)56.0 Ma反射界面)和T80(對(duì)應(yīng)38.0 Ma反射界面)之間沉積的地層,最大厚度超過(guò)3 000 m。文六段分布較為局限,主要發(fā)育近源扇三角洲沉積,物性相對(duì)較差;文五段沉積時(shí)期湖盆范圍擴(kuò)大,在湖盆斜坡區(qū)和長(zhǎng)軸方向發(fā)育辮狀河三角洲砂巖,可作為好的儲(chǔ)層,向湖盆中心逐漸演變?yōu)闉I淺湖相泥巖沉積;文四段沉積時(shí)期湖盆廣泛擴(kuò)張,面積達(dá)到最大,為半深湖相沉積,泥巖質(zhì)純、厚度大,為文昌組優(yōu)質(zhì)烴源巖,洼陷整體為欠補(bǔ)償環(huán)境,三角洲規(guī)模受限,在湖盆邊緣發(fā)育湖相泥巖中夾雜重力流砂巖沉積;文三段-文一段湖水深度相對(duì)變淺,物源向湖盆推進(jìn)較遠(yuǎn),形成具有一定規(guī)模的辮狀河三角洲沉積體系。恩平組地層介于T80與T70(對(duì)應(yīng)33.9 Ma反射界面)之間,與下伏文昌組之間發(fā)育區(qū)域大型不整合,在局部隆起區(qū)恩平組直接超覆在基底之上,恩平組物源供給充足,為大型辮狀河三角洲沉積,發(fā)育良好的儲(chǔ)層(圖1b)[15-17]。

陸豐凹陷文四段厚層泥巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖,在10.0 Ma左右開(kāi)始進(jìn)入排烴高峰,現(xiàn)今凹陷內(nèi)文昌組烴源巖處于高熟熱演化階段[18]。

2 構(gòu)造演化及斷裂發(fā)育特征

陸豐凹陷古近系構(gòu)造演化可以分為3個(gè)階段,即裂陷階段(可細(xì)分為初始裂陷期、強(qiáng)烈裂陷期、弱裂陷期)、斷坳轉(zhuǎn)換階段(可細(xì)分為斷坳早期、斷坳晚期)和坳陷階段。裂陷階段對(duì)應(yīng)于文昌組沉積時(shí)期,在此階段,盆地發(fā)生了多次斷陷拉升運(yùn)動(dòng),斷裂密集發(fā)育,斷裂主要為NWW、NW走向。珠江口盆地自珠瓊二幕運(yùn)動(dòng)開(kāi)始進(jìn)入斷坳轉(zhuǎn)換階段,對(duì)應(yīng)于恩平組沉積時(shí)期,該時(shí)期地層抬升并受到強(qiáng)烈剝蝕,斷裂走向以EW向?yàn)橹鳌＿M(jìn)入坳陷階段的標(biāo)志為南海運(yùn)動(dòng)開(kāi)始,該階段以區(qū)域沉降為主,地層穩(wěn)定沉積,斷裂活動(dòng)性減弱[19-20]。

根據(jù)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大小、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短以及斷穿層位差別等,可將研究區(qū)內(nèi)斷裂劃分為3個(gè)級(jí)別(圖2、圖3)[21-23]。

圖2 陸豐凹陷不同級(jí)別斷裂的分布特征

圖3 陸豐凹陷不同級(jí)別斷裂的發(fā)育特征(剖面位置見(jiàn)圖1)

Ⅰ級(jí)斷裂為洼陷邊緣控制洼陷形成和演化的斷裂。研究區(qū)內(nèi)Ⅰ級(jí)斷裂為控制陸豐13東洼、陸豐13西洼形成的控洼斷裂,走向主要為NE向、近EW和NWW向,斷裂平面上延伸距離較長(zhǎng),超過(guò)30 km;斷裂持續(xù)活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、斷穿層位多,文四段沉積時(shí)期斷裂活動(dòng)最強(qiáng),斷面形態(tài)主要為鏟式。

Ⅱ級(jí)斷裂為洼陷內(nèi)部控制二級(jí)構(gòu)造帶形成和演化的斷裂。研究區(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)斷裂主要在陸豐13洼緩坡帶發(fā)育,斷裂走向主要為NE向、NWW和EW向,受北部邊界斷裂影響,總體表現(xiàn)為向南凸出弧形,延伸長(zhǎng)度多在10 km以上,斷裂持續(xù)活動(dòng)時(shí)間略短于Ⅰ級(jí)斷裂,斷穿層位多由基底向上在珠江組沉積后停止活動(dòng)。研究區(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)斷裂多數(shù)在主成藏期停止活動(dòng),勘探實(shí)踐證實(shí)這些斷裂可以作為油氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道。

Ⅲ級(jí)斷裂為洼陷內(nèi)部早期活動(dòng)斷裂,主要起分隔斷塊和控藏作用。研究區(qū)內(nèi)Ⅲ級(jí)斷裂延伸長(zhǎng)度小,走向與邊界斷裂走向基本一致,斷穿層位主要為文昌組和恩平組,斷距較小。平面上為平行式或側(cè)接式組合樣式,剖面上呈向心式或“Y”字形組合樣式。Ⅲ級(jí)斷裂向下切割文四段烴源巖,向上斷穿文一段-文三段及恩平組砂巖,盡管持續(xù)時(shí)間短,但勘探實(shí)踐證實(shí)該類斷裂具有溝通文四段烴源巖的能力,并在文一段-文三段及恩平組圈閉中聚集成藏,為研究區(qū)內(nèi)重要的油源斷裂。

3 斷裂控藏作用影響因素

近年來(lái),圍繞陸豐13洼生烴中心發(fā)現(xiàn)了D-4、D-8、B-1等以古近系為主要成藏層系的油田[13,20,23],呈現(xiàn)環(huán)洼滿帶含油的特征。研究區(qū)斷裂大多在T70前后停止活動(dòng),勘探實(shí)踐證實(shí)這些斷裂對(duì)油氣成藏發(fā)揮了關(guān)鍵控制作用,因此,研究這些斷裂的控藏作用,對(duì)認(rèn)識(shí)陸豐地區(qū)古近系油氣差異富集主控因素至關(guān)重要。本文以斷裂運(yùn)移過(guò)程為主線,從斷裂供油能力、斷裂輸導(dǎo)能力、充注能力三個(gè)方面綜合分析斷裂的控藏作用。

3.1 斷源切割關(guān)系決定供油能力

斷裂供油能力取決于斷裂與烴源巖側(cè)向接觸的供油窗口面積的大小,斷裂切割烴源巖面積越大供油能力越強(qiáng),反之供油能力越弱[24]。考慮到斷裂在不同位置切割烴源巖深度的不同,將斷裂分成若干段,計(jì)算每一段的斷裂與烴源巖接觸面積來(lái)表征供油能力,供油能力表達(dá)式為:

Si=LiH1i

(1)

式中:Si為供油能力,km2;Li為斷裂平面上分段長(zhǎng)度,km;H1i為斷裂與烴源巖接觸的縱向長(zhǎng)度,km;i為所評(píng)價(jià)分段斷層的自定義序號(hào)。

對(duì)陸豐13洼已發(fā)現(xiàn)的8個(gè)含油斷塊的控藏?cái)嗔亚性疵娣e進(jìn)行分析,結(jié)果表明,控藏?cái)嗔训挠行性疵娣e越大,對(duì)應(yīng)構(gòu)造發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量豐度也越大,控藏?cái)嗔亚性疵娣e與儲(chǔ)量豐度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖4)。B-1-1、D-8-2d兩口井所在的含油斷塊構(gòu)造位置相近(圖2),前者主要受控于F2、F3兩條通源斷裂,后者主要受控于F1、F4兩條通源斷裂,四條斷裂均是Ⅲ級(jí)斷裂,具有相近的成藏特征。利用供油能力計(jì)算公式計(jì)算得到兩個(gè)斷塊通源斷裂切割烴源巖面積差異較大,前者通源斷裂有效切源面積為1.77 km2,其油氣儲(chǔ)量豐度為90.0×104t/km2,后者通源斷裂有效切源面積為2.84 km2,其油氣儲(chǔ)量豐度為 247.0×104t/km2。

圖4 陸豐13洼油田控藏?cái)嗔亚性疵娣e與儲(chǔ)量豐度關(guān)系

3.2 斷砂匹配關(guān)系控制輸導(dǎo)能力

根據(jù)斷裂輸導(dǎo)油氣機(jī)理,斷裂的輸導(dǎo)能力受斷裂帶的閉合程度和斷裂帶中泥質(zhì)含量這兩個(gè)因素的影響[25-32]。陸豐13洼古近系通源斷裂主要為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)斷裂,在主成藏期(對(duì)應(yīng)T32反射層)這些通源斷裂處于靜止?fàn)顟B(tài)(圖3)。付廣針對(duì)靜止期斷裂輸導(dǎo)能力進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn),其結(jié)果在一定程度上定量地反映斷裂靜止期輸導(dǎo)油氣的能力,斷裂帶內(nèi)部原油的運(yùn)移速度與斷裂帶內(nèi)泥質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與斷層傾角呈正相關(guān)關(guān)系[27-30]。考慮到陸豐凹陷實(shí)際地質(zhì)情況,斷裂的輸導(dǎo)能力可用斷面正壓力和斷裂帶泥質(zhì)含量這兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示。

斷面正壓力大小可反映斷裂帶受壓實(shí)程度,其大小與斷面埋深和斷面傾角相關(guān),斷面正壓力越小,斷層垂向輸導(dǎo)能力就越好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,斷面正壓力表達(dá)式為[32]：

Pi=0.009 876H2i(ρr-ρw)cosθ

(2)

式中:Pi為斷面所受上覆地層正壓力,MPa;H2i為斷裂目的層段埋藏中深,m;ρr為上覆地層的平均密度,t/m3;ρw為地層水的密度,t/m3;θ為斷層傾角,(°)。

由式(2)可以看出,斷層傾角越大,斷面正壓力越小,所對(duì)應(yīng)的斷裂帶閉合程度越低,斷層輸導(dǎo)能力越好;反之,斷層輸導(dǎo)能力越差。

斷裂帶中泥質(zhì)成分含量越低,斷裂帶孔滲性就越好,越有利于油氣沿著斷裂帶運(yùn)移[27]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,斷裂帶中泥質(zhì)含量表達(dá)式為:

(3)

式中:Ri為斷裂帶泥質(zhì)含量,%;L1i為垂直斷距,m;Vsh為目的層的泥質(zhì)含量,%;H3i斷層兩盤(pán)目的層的平均厚度,m。

從式(3)可以看出,該方法利用斷裂斷距和斷移地層泥質(zhì)含量估算斷裂碎裂巖中的泥質(zhì)含量。Ri的值能夠較好地反映斷裂帶內(nèi)部泥質(zhì)含量,既考慮斷裂兩盤(pán)的巖性,又考慮了斷層斷距的影響[27-29]。

斷裂帶泥質(zhì)含量越低,斷面正壓力越小,斷裂的輸導(dǎo)能力越強(qiáng),輸導(dǎo)能力與斷面正壓力和斷裂帶泥質(zhì)含量分別呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,利用二者乘積的倒數(shù)表征輸導(dǎo)能力,計(jì)算公式為:

(4)

式中:Fi為斷裂輸導(dǎo)能力,無(wú)量綱。

利用上述公式定量計(jì)算陸豐13洼通源斷裂輸導(dǎo)能力的過(guò)程中,斷面正壓力公式中涉及的地層埋深取目的層與烴源巖頂面埋藏中深,地層水密度及上覆地層平均密度根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值得到,地層傾角利用地震剖面信息計(jì)算得到,斷裂帶泥質(zhì)含量公式中地層泥質(zhì)含量從研究目標(biāo)區(qū)周邊已鉆井獲得,斷層兩盤(pán)平均厚度及垂直斷距數(shù)據(jù)從地震剖面上獲得。將斷面正壓力值和斷裂帶泥質(zhì)含量值帶入斷裂輸導(dǎo)能力計(jì)算公式,計(jì)算結(jié)果表明,斷裂輸導(dǎo)能力一般為0～0.10,斷裂輸導(dǎo)能力高值段,斷裂輸導(dǎo)能力強(qiáng),有利于油氣縱向輸導(dǎo)。以F5和F7斷裂為例,F5斷裂的輸導(dǎo)能力平均值為0.04,對(duì)應(yīng)構(gòu)造儲(chǔ)量豐度為20.0×104t/km2;F7斷裂輸導(dǎo)能力平均值為0.07,對(duì)應(yīng)構(gòu)造儲(chǔ)量豐度為231.0×104t/km2。F5斷裂輸導(dǎo)能力差是導(dǎo)致其儲(chǔ)量豐度相對(duì)于其他斷塊較低的重要因素之一(圖5)。

圖5 斷裂輸導(dǎo)能力與儲(chǔ)量豐度關(guān)系

3.3 斷圈接觸關(guān)系決定充注能力

充注能力是指斷裂輸導(dǎo)的油氣向圈閉聚集的能力,斷裂橫向上與圈閉接觸長(zhǎng)度(斷圈接觸長(zhǎng)度)越長(zhǎng),斷裂的輸導(dǎo)能力越強(qiáng),斷裂輸導(dǎo)上來(lái)的油氣向圈閉充注能力越強(qiáng)。一條斷裂在平面上往往延伸很長(zhǎng),通過(guò)其運(yùn)移的油氣可能不會(huì)都向某個(gè)特定圈閉匯聚,利用斷層不同段的輸導(dǎo)能力與斷圈接觸長(zhǎng)度的積表征充注能力。充注能力表達(dá)式為:

Ci=LiFi

(5)

式中:Ci為充注能力,無(wú)量綱。

從式(5)可以看出,斷裂向圈閉的充注能力與斷圈接觸長(zhǎng)度和斷裂輸導(dǎo)能力有關(guān),斷圈接觸長(zhǎng)度越長(zhǎng),斷裂輸導(dǎo)能力越強(qiáng),越有利于油氣向圈閉匯聚。

3.4 耦合系數(shù)與儲(chǔ)量豐度預(yù)測(cè)模型

將上述供油能力、輸導(dǎo)能力、充注能力公式耦合,可得到斷裂控藏作用綜合評(píng)價(jià)表征模型,表達(dá)式為:

(6)

式中:K為斷裂控藏作用能力耦合系數(shù),無(wú)量綱;n為所評(píng)價(jià)斷層的分段總數(shù)。

從式(6)所涉及的參數(shù)可知,該公式綜合考慮了斷距、地層厚度、地層泥質(zhì)含量、地層傾角、埋深、斷裂與圈閉接觸關(guān)系等因素,能夠綜合反映斷裂控藏作用,K值越大表示成藏越有利。

4 評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

應(yīng)用斷裂控藏作用綜合評(píng)價(jià)模型公式對(duì)陸豐13洼古近系斷塊油田和含油構(gòu)造的斷裂控藏能力進(jìn)行評(píng)價(jià),并建立斷裂控藏能力耦合系數(shù)與儲(chǔ)量豐度之間的函數(shù)關(guān)系,二者之間表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系(圖6),斷裂控藏作用能力值越大,油田發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量豐度越大,該擬合結(jié)果能夠反映陸豐地區(qū)古近系斷裂控藏能力與儲(chǔ)量豐度之間的關(guān)系。

圖6 斷裂控藏作用能力與儲(chǔ)量豐度擬合關(guān)系

該方法在C-1油田滾動(dòng)勘探中取得了較好的應(yīng)用效果。C-1油田位于珠江口盆地北部坳陷帶東北部,是發(fā)育在北部坳陷帶基底隆起上的背斜構(gòu)造[33]。該油田于1993年投產(chǎn),滾動(dòng)勘探過(guò)程中,在東北部鉆探了C-1N-1井、C-1NE-1井兩口井(圖7),這兩口井均僅見(jiàn)幾米油層,未達(dá)到預(yù)期效果,這使得該地區(qū)勘探一度陷入僵局。在新一輪的滾動(dòng)評(píng)價(jià)過(guò)程中,利用本文所建立的斷裂控藏作用定量評(píng)價(jià)方法對(duì)路徑2和已有鉆井路徑1斷裂控藏作用能力進(jìn)行對(duì)比分析。從分析結(jié)果看(表1),路徑2主要通源斷裂的供油能力、輸導(dǎo)能力以及充注能力均優(yōu)于路徑1。計(jì)算得到耦合系數(shù)K值分別為60.07和6.25,利用儲(chǔ)量豐度綜合預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)路徑2和路徑1上斷塊圈閉的儲(chǔ)量豐度分別為894.0×104t/km2和5.3×104t/km2。

表1 路徑1與路徑2定量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 C-1油田恩平組頂面構(gòu)造圖

實(shí)鉆結(jié)果證實(shí),路徑2上的C-9-1井于古近系見(jiàn)油氣顯示121 m,油層凈厚50.5 m,同時(shí)與其鄰近的C-8-1井于古近系見(jiàn)油氣顯示131.0 m,油層凈厚22.8 m,兩個(gè)構(gòu)造共發(fā)現(xiàn)原油三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)3 000×104t,證實(shí)了路徑2的有效性,同時(shí)也揭示了油氣主要是通過(guò)路徑2運(yùn)移到C-1油田成藏。

5 結(jié)論

1)根據(jù)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大小、活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短以及斷穿層位差別等因素,結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)情況,對(duì)洼陷內(nèi)斷層劃分為3個(gè)級(jí)別,控制陸豐13東洼古近系成藏的斷裂主要為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)斷裂。

2)綜合多因素對(duì)斷裂的控藏作用進(jìn)行分析,結(jié)果表明斷源切割關(guān)系決定供油能力、斷砂匹配關(guān)系控制輸導(dǎo)能力、斷圈接觸關(guān)系決定充注能力,并利用三者定量化耦合結(jié)果來(lái)定量表征斷裂控藏作用能力。

3)建立了斷裂控藏作用能力定量化預(yù)測(cè)儲(chǔ)量豐度公式,并在定量評(píng)價(jià)方法的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中型油田(C-9油田),表明該定量評(píng)價(jià)方法符合陸豐地區(qū)實(shí)際地質(zhì)規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中,該方法既可以用來(lái)對(duì)比不同勘探目標(biāo)區(qū)的斷裂供油能力、輸導(dǎo)能力和充注能力的強(qiáng)弱,也可以利用擬合公式在眾多復(fù)雜斷塊圈閉中高效尋找油氣富集斷塊,從而有效提高油氣區(qū)帶和鉆探靶區(qū)的選擇精度,為提高油氣勘探的鉆探成功率提供技術(shù)支撐。