沙南凹陷新生代斷裂發育特征及控藏作用

張正濤, 王興艷, 潘曉麗, 殷亮亮, 張國坤

(1.中國石油長慶油田公司勘探開發研究院, 西安 710018; 2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室, 西安 710018; 3.中國石油長慶工程設計有限公司, 西安 710001; 4.中國石油長慶油田公司第一采氣廠, 西安 710021; 5.中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300452)

渤海海域是中國近年來油氣勘探熱點區域[1],特別是渤海海域西部先后發現了曹妃甸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歷程,針對沙南凹陷的勘探存在兩個主要問題,其一是沙南凹陷資源量的問題[4],即沙南凹陷是否大量發育有效烴源巖,其二為沙南凹陷勘的探潛力問題[5]。針對第一個問題,近年來國內學者開展了一系工作,雖然不同學者計算的資源量不盡相同,但以下三點認識基本是沒有爭議的:①沙南凹陷縱向發育東營組下段、沙河街組沙一+沙二段、沙三段三套有效烴源巖,東營組下段烴源巖有機質類型以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入生烴門限,沙三段烴源巖全部進入排烴門限[6];③考慮總有機碳、生烴潛力、氫指數等地化指標,結合烴源巖厚度及成熟度等參數,認為沙三段為主力烴源巖[7]。總之,沙南凹陷是一個小而淺的富生烴凹陷。

斷裂發育對油氣運聚成藏及富集規律具有重要的影響[8-11],表現為斷裂活動控制了基本的成藏要素。特別是在源區附近構造運動活躍區域,斷裂往往是油氣富集的決定性因素。如在對烴源巖的控制方面,魏真真等[12]通過對歧口凹陷大張坨等12條控洼斷層分析表明大落差、高活動速率的同沉積斷層與源巖發育關系密切;劉天等[13]證實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育區域。在對砂體的控制方面,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;鄧運華[15]指出了大斷層下降盤往往發育近岸水下扇砂體,這些砂體與油源斷裂相互配合,構成“中轉站”運移模式。在對圈閉形成的控制方面,向雪梅等[16]發現斷層一方面直接控制了構造圈閉的形成,另一方面斷裂控制的坡折帶也是巖性-地層圈閉發育的有利部位;鄧思哲等[17]證實南圖爾蓋盆地在斷裂控制下形成斷裂構造帶附近的復雜斷塊圈閉和緩坡帶的巖性圈閉。在對油氣運移的控制作用方面,楊淑宏[18]探討了斷裂不同發育階段輸導油氣的特征;孫同文等[19]從斷裂內部結構出發,論述了斷裂輸導油氣的機制及具體輸導形式。

針對沙南凹陷勘探潛力的問題,經過20多年的持續勘探,除了東部地區C18-1、C18-2構造外,在其他部位尚未有商業發現。因此,有必要對沙南凹陷斷裂的發育演化特征開展精細研究,進而探討其對油氣富集的控制作用。為此,現充分利用已有高精度三維地震資料,在對新生代發育斷裂的靜、動態特征精細描述基礎上,重點探討其對烴源巖、砂體、油氣運移的控制作用,建立針對研究區地質特征的差異性“斷裂控藏”模式,并最終指明油氣資源有利發育區,以期堅定沙南凹陷后續勘探信心,明確下一步具體勘探思路。

1 沙南凹陷地質背景及基礎資料

1.1 沙南凹陷地質背景

沙南凹陷屬于渤海海域二級構造單元之一,地理位置位于渤海西部海域[20],面積約3 000 km2,其北側通過南傾邊界主斷裂與沙壘田凸起連接,南側為埕子口凸起和埕北低凸起,西側據海河斷裂帶與歧口凹陷分隔開來,東部通過C18-2構造至C23-1構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。新生代地層發育較全,由老至新發育有孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮組及平原組地層。發育有孔店組底部(T8)不整合、館陶組組底部(T2)及平原組底部不整合3個主要的不整合面,反映了古近紀裂陷、新近紀裂后熱沉降凹陷及第四紀構造再活化的區域構造發育演化歷程[21-22]。沙南凹陷內部可細分為沙中構造帶、西北次洼、西南次洼、中部低隆起、東北斷階帶及東部次洼6個構造單元(圖1)。該區已完鉆探井近30口,發現了C13-1、C14-1、C14-2、C15-1、C15-3等含油構造及C18-1、C18-2等油氣田,從已發現的油氣圈閉類型來看主要為構造圈閉,在平面上油氣主要分布在沙中構造帶和東北斷階帶,從層位上看主要分布在深層(沙河街組、東營組)。

圖1 沙南凹陷位置及構造單元劃分Fig.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1 600 km2,30口井測井資料及8口井地化分析資料。具體方法及流程為:①將3塊高精度地震數據體加載進Petrel中,并利用其地球物理模塊對斷層在剖面、平面進行解釋,在靜態方面對其斷裂性質、組合形式、幾何學特征、典型構造樣式及斷裂系統劃分等內容開展研究工作;②選過主要斷層典型剖面,通過定量計算主要斷層在不同時期的活動速率及建立構造演化剖面等方法論述主要斷裂的運動學特征;③結合井資料、地化分析資料及地震屬性資料等探討斷裂發育對油氣成藏的控制作用。

2 斷裂發育特征

沙南凹陷新生代構造演化特征與整個渤西地區具有一致性,古近紀總體表現為近南北向伸展,新近系在近南北向伸展的基礎上疊加了弱左旋走滑過程,這也造成了研究區內斷裂性質為正斷層,局部發育弱張扭斷層,未見明顯逆斷層發育。

2.1 幾何學特征

受控于近南北向伸展的區域動力學背景,沙南凹陷在平面上以發育近東西向斷裂為主,僅局部發育東北向斷裂。斷裂在平面發育位置具有分區性,沙中構造帶及凹陷北側邊界為主要斷裂發育區,而在凹陷西南次洼、西北次洼斷裂基本不發育。在縱向上深層部位斷裂發育相對簡單,由2 000 ms(T8界面附近)方差切面可見在沙河街組地層內僅發育F1～F18共18條主干斷裂[圖2(a)],具有次級斷裂不發育,斷裂發育連續性好,單條斷裂延伸范圍長,斷距大等特點;至淺層500 ms(相當于明化鎮組上段)斷裂數量明顯增多[圖2(b)],次級斷裂大量發育,發育有斷裂密集帶,淺層斷裂與主斷裂帶具有較為密切關系,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。該現象一方面反映了主干斷裂及早期活動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育。

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

斷裂的分級:根據斷裂在平面及空間發育規模,將沙南斷裂劃分為三級。一級斷裂主要為沙南凹陷北側控凹斷裂(F1～F8),均為邊界同沉積斷裂,其單條延伸長度可達20 km以上[圖2(a)],古近紀斷距可達1 000 m以上,多為長期活動斷裂,切穿前古近系基底,對沙南凹陷的形成及沉積充填過程具有重要的控制作用;二級斷裂(F9～F18),主要發育在沙中構造帶、東北斷階帶部位[圖2(a)],控制了沙南凹陷內部二級構造帶的形成發育及古近系的沉積充填過程,單條斷裂延伸長度10～20 km,斷距可達數百米,多為油源斷裂,目前已發現油氣構造多與二級斷裂密切相關。三級斷裂,以淺層發育為主(新近系),斷裂多且規模小,平面上常沿二級斷裂呈密集條帶狀展布[圖2(b)],控制了淺層斷塊、斷鼻、斷背斜等構造圈閉的形成發育。

2.2 斷裂系統劃分

沙南凹陷新生界發育8個構造層:古近系孔店組(Ek)、沙三段(E2s3)、沙一+沙二段(E2s1+2),東營組(E3d)新近紀館陶組(N1g)、明化鎮組下段(N2ml)、明化鎮組上段(N2mu)、第四系平原組(Qp)。根據斷裂發育層位及活動時間可分為早期活動型斷裂、晚期活動型斷裂及長期活動型斷裂三類。早期活動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組厚層泥巖地層中(圖3),均表現為正斷層,是古新世、始新世南北向強伸展作用的產物;晚期活動型斷裂分布于新近系中,特別是明化鎮以淺地層中,該類斷裂表現為發育密集,規模小、數量眾多的正斷層,剖面上多呈復合Y字型、似花狀構造(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;長期活動型斷裂,這類斷裂主要是凹陷邊界的控邊同沉積斷裂及凹陷內次級構造單元邊界斷裂,下部斷穿基底,上部斷穿現代海底,數量較少,活動時期自古新世至今,中間可能經歷構造沉寂期,并多次活化運動。據此,以主要界面館陶組底部(T2)可劃分為深部斷裂系統和淺層斷裂系統兩大類(圖3)。下部斷裂系統以早期活動型斷裂為主,代表了沙南凹陷斷陷期斷裂的發育特征;上部斷裂系統以晚期活動型斷裂為主,代表了坳陷期及現今構造運動活化期發育形成的斷裂。

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

2.3 斷裂組合特征及構造樣式

沙南凹陷不同級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。辮狀斷裂組合發育在沙中構造帶西段,典型特征是南北兩側為主要斷裂,北側斷裂南傾,南側斷裂北傾,次級斷裂僅在南北兩側主斷裂之間發育,且雜亂切割,發育密集,呈辮狀分布,如圖4(a)和圖4(b)所示;帚狀斷裂組合發育在A區中北部,由一條主干斷裂及數條次級斷裂構成,次級斷裂沿主斷裂尾端發散狀分布,在平面上形似一把掃帚[圖4(c)],相對于主斷裂次級斷裂傾向相同但斷距及規模要小得多;平行狀斷裂組合發育在A區中南部,由數條走向大致平行、性質相同的斷裂構成[圖4(d)],斷層傾向同向、反向均有發育,同向斷裂在橫剖面上表現為斷階組合,方向斷裂在橫剖面上表現為Y字組合;雁列狀斷裂組合主要發育在B區,是張扭作用的結果,雁列整體呈北西向展布,具體到內部每條斷裂這呈近東西向發育,典型特征是每條斷裂規模相近(長度均在3～5 km),性質相同(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為負花狀構造;分支狀斷裂組合發育在C區,多發育一條主干斷裂,在斷裂尾端兩側發育數條不同走向和傾向的次級斷裂,次級斷裂在平面上較為平直,一般以30°～45°與主斷裂相交[圖4(f)],次級斷裂傾向不具有規律性,在該類組合垂直方向剖面上斷裂可表現為壘塹組合或復式半地塹構造。

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

主要構造樣式:主要發育X型斷裂、復合Y字型、斷階型、簡單鏟式正斷層及坡平式斷裂5種主要類型(圖5)。X型斷裂構造樣式僅在A區西部發育,其剖面特征如圖5(a)所示,左右為兩條相交的主斷層,其下部較為簡單,兩條主斷斷至基底,表現為地壘形態(圖3中A-A′剖面),上部較為復雜在主斷層間發育了大量伴生次級斷裂,表現為地塹形態,該類構造樣式是由在張性應力場中由基底先存斷裂的復活及繼承活動形成的;復合Y字型在研究區非常普遍,不同位置均有發育,其特征為發育有一條主斷裂(多為同沉積正斷層),沿主斷裂上部發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;斷階型主要發育在東北斷階帶,由一系列的同向生長斷層規則排列構成,斷層產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,斷面相態多陡且平直[圖5(c)],是在南北向伸展應力場下發育形成的典型構造樣式;簡單鏟式在全區均有發育,樣式簡單,由一條上陡下緩的同沉積斷裂構成,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”,由上部及下部傾角較陡的 “斷坡”和中部較緩的“斷坪”組合而成,底部為主邊界斷裂,上部可伴生發育多個復合Y型斷裂[圖5(e)],主要發育在凹陷北側邊界斷層中間部位(F4、F5附近)。

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

2.4 斷裂運動學特征

為了明確沙南凹陷斷裂活動特征,對研究區8條一級斷裂(F1～F8)活動速率進行了計算(圖6),并結合過沙南凹陷南北向構造演化剖面(圖7),重建了研究區斷裂演化過程。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育,且處于相同動力學背景之下,因而這些斷裂的活動特征具有相似性,如圖6所示。總體而言古近紀斷裂活動強度明顯高于新近紀及第四紀,這也與渤海西部海域早期斷陷晚期拗陷的宏觀構造動力學背景相一致。具體而言:孔店組～沙三段沉積期是新生代斷裂活動的第一個高峰期,F2斷裂活動速率最高可達140 m/Ma,8條一級斷裂平均活動速率80 m/Ma,從橫切沙南凹陷的F-F′構造演化剖面來看,此時凹陷南北兩側控凹邊界斷裂及沙中構造帶主斷裂已發育形成(圖7);沙一～沙二段沉積時期斷裂活動有所減弱,活動速率30～50 m/Ma,邊界斷裂繼續發育,沙中構造帶次級斷裂開始發育;東營組沉積期是第二個斷裂活動高峰期,活動速率50～130 m/Ma,平均70 m/Ma,該階段構造格局與沙一～沙二段變化不大,在凹陷內部二級斷裂開始發育;館陶組～明化鎮組下段沉積期,斷裂活動微弱,平均活動度率分別為7、5 m/Ma,同沉積作用不明顯,此階段凹陷內部二、三級斷裂開始增多(圖7);明化鎮組上段～第四系沉積期,斷裂活動有所增強,平均可達12 m/Ma,同時伴隨有較弱的右旋走滑作用,該階段淺層三級斷裂大量發育。

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

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

3 斷裂對成藏要素的控制作用

沙南凹陷目前已發現油氣資源均與斷裂發育密切相關,說明斷裂發育演化對油氣富集規律具有一定的控制作用,為明確研究區內斷裂控藏作用機理,從斷裂對烴源巖、砂體、圈閉及油氣運移輸導等方面的控制作用方面開展了研究。

3.1 對烴源巖及砂體的控制作用

前人針對同沉積斷裂對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、構造坡折帶等理論。沙南凹陷古近紀沙三段和東營組是斷裂活動的高峰期(圖6),同沉積斷裂對烴源巖及砂體分布的控制也主要體現在沙河街組和東營組地層中,因此主要探討斷裂演化對沙河街組及東營組烴源巖、儲層發育的控制作用。

根據沙南凹陷30余口井測井及8口井地化分析資料,對沙南凹陷古近紀主要斷層落差、活動速率與烴源巖發育特征(暗色泥巖厚度、有機質豐度、類型、成熟度)的關系進行了研究。統計發現,同沉積斷層的落差及活動速率與暗色泥巖厚度、有機質豐度及鏡質體反射率(Ro)具有很好的正相關性。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,鏡質體反射率依次為0.35%、0. 60%、0.50%、0.75%,有機質類型分別為Ⅲ型、Ⅱ2型、Ⅱ2+Ⅲ型、Ⅱ2+Ⅰ型,可見在同一凹陷內部主要同沉積斷裂下降盤附近是優質烴源巖發育的有利區。

斷陷湖盆中砂體分布的控制因素包括構造沉降、物源供給可容空間變化、湖盆水體及氣候等,其中構造作用往往起到決定性作用[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,南側為次要物源,屬于遠源物源,北側為主物源,屬于近源物源[28-29]。因此,沙南凹陷北側邊界同沉積斷裂對沙河街、東營組的砂體發育情況具有重要的控制作用。依托覆蓋研究區的三維地震資料,精細解釋了30余條垂直沙南凹陷北側邊界斷層的地震剖面,從這些剖面上可知沙壘田凸起南側邊界同沉積斷裂具有不同的構造特征,自東向西具體表現為:F1斷裂附近表現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-低角度據走滑性質正斷層、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造樣式產生不同類型的砂體分布模式及沉積類型,根據鉆測井資料及均方根平面屬性圖,認為沙南凹陷古近紀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、遠端濁積扇砂體為主;③F7、F8高角度斷階模式,早期在第二級臺階部位發育扇三角洲及湖底扇砂體,晚期在第一臺階發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)常發育構造轉換斜坡,可構成主要的物源通道,在其下部常有大范圍連片砂體發育,是有利儲層發育區。

3.2 對圈閉的控制作用

沙南凹陷新生代主要發育兩種類型的圈閉,即構造圈閉和巖性圈閉。斷裂活動對圈閉的控制作用,一方面體現在對圈閉形成過程的控制,另一方面體現在對圈閉有效性的控制。沙南凹陷目前已發現構造圈閉主要分布于中部的沙中構造帶,沙中構造帶呈東西向展布,東西長約35 km,南北寬10 km,為一組南掉大型生長斷層控制下一系列局部構造,沿主斷層延伸方向在兩側均有分布。圈閉類型為斷塊、斷鼻及斷背斜,發育層位以沙河街組和東營組為主,圈閉長軸方向與主斷層一致也為東西向,長度多為幾千米至十幾千米,長寬比可達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展,特別是到漸新世末期的構造反轉作用,新發育的次級斷裂對圈閉進行了切割改造,且伴隨著早期斷塊的翹傾及旋轉作用,造成原圈閉進一步破碎和復雜化,最終形成現今小而多的復雜斷裂圈閉群。沙南構造帶斷塊、斷背斜、斷鼻等構造圈閉的有效性對斷裂側向封閉性要求較高,但研究區自古新世至漸新世均發育在明顯的南北向伸展構造運動背景之下,且沙河街、東營沉積期正是斷裂活動劇烈時期(圖6),即張性釋壓背景、高強度斷裂運動等因素綜合影響使得斷層的側向封堵性較差,進而導致圈閉的有效性變差。實際勘探成果表明沙中地區含油構造圈閉平均充滿度一般在20%～30%,這也反映了構造圈閉有效性受控于斷裂活動。因而,可以認為斷裂因素控制下的圈閉條件是沙中地區油氣貧化的主因。

研究區另一類較為重要的圈閉類型為巖性圈閉,其發育位置主要位于凹陷北側沙壘田凸起南部陡坡帶和凹陷南部緩坡帶,發育層位以始新統沙河街組及漸新統東營組。邊界同沉積斷裂控制下的構造坡折決定了巖性圈閉的發育類型及分布位置,以凹陷北部為例,沙三段以近物源沉積為主,以發育扇三角洲沉積體系為主,發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育巖性上傾殲滅圈閉;沙二及沙一段邊界斷裂活動相對變弱,辮狀河三角洲、濱淺湖灘壩、扇三角洲及濁積扇沉積均有發育,常見發育砂巖透鏡體圈閉;進入東營組時期,斷裂活動再次加強,發育辮狀河沉積、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,研究區前期以構造圈閉勘探為主,巖性圈閉較少關注,但巖性圈閉緊鄰烴源巖,東二下段、沙一段發育區域性泥巖蓋層,儲蓋條件優越,因此西北次洼及東北斷階帶巖性圈閉可作為后續有利區勘探區域。

3.3 對油氣運移的控制作用

斷裂對油氣運移的控制作用,是近年來油氣成藏理論特別是“斷裂控藏”理論的核心內容[9,30]。近年來中外不同學者從斷裂的運移輸導機理[31-32],斷裂帶的內部結構特征[33-34],斷裂封閉性[35-37]及斷裂輸導體系[19,38]等方面開展了大量工作。針對沙南凹陷,斷裂作用從兩個方面控制了油氣的運移,首先主要油源斷裂構成了油氣垂向運移的通道,其次油源斷裂與(骨架)砂體輸導層配合決定了油氣的側向運移優勢方向。圖8(a)為沙中構造帶(A區)沙二段頂部(T4)構造圖,可見在構造高部分發育有A、B、C、D 4個含油氣圈閉,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,在該時期斷層生長指數可達1.5～2.0,活動速率60～70 m/Ma,說明沙二段時期油源斷裂具有較大的活動性,沙三段優質烴源巖生成的大量油氣可通過斷面構造脊[圖8(a)棕色箭頭所示]垂向運移至淺層圈閉,如構造圈閉具有較好的側向封閉性就可富集成藏。

圖8 斷裂對油氣運移的控制作用Fig.8 Control of faults on hydrocarbon migration

圖8(b)為沙南凹陷東北部斷階帶(C區)沙河街組底面構造圖,可見在F8及F18同沉積斷層控制下形成了明顯的臺階狀構造,該區發育E、F、G三個含油氣圈閉,在沙河街組底面(T8)向上20 ms內范圍提取了均方根屬性,根據與鉆井實際鉆遇情況對比,均方根屬性與砂體實際分布情況具有較好的一致性,因此可以根據均方根屬性預測砂體橫向展布范圍。一臺階及二臺階上有明顯呈朵葉狀砂體發育[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性,構成了油氣層內橫向運移的重要通道。同樣,F8及F18斷層在沙三段時期活動性較強,為垂向運移通道。斷裂輸導和骨架砂體輸導相配合,構成了C區重要的立體輸導體系,首先,二臺階靠近F18斷層發育的沙三段扇三角洲砂體與凹陷內部湖湘優質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移至F18斷面附近;之后,油氣沿F18斷面向上運移,至一臺階后一部分油氣沿橫向骨架砂體運移至一臺階內部(即油氣發生側向分流),另一部分則沿F18斷面繼續向上運移;最后,運移至一臺階的油氣一部分遇到合適圈閉即聚集成藏,另一部分沿F8斷層繼續向上運移至沙壘田凸起之上。

綜上,沙南地區斷裂對油氣運移的控制可概括為:簡單的斷面脊垂向運移模式,斷面脊、骨架砂體耦合作用復合立體運移模式兩種類型。

4 沙南地區斷裂控藏模式

沙南凹陷油氣資源分布具有不均一性,已發現的油氣資源主要分布與沙中構造帶和東北斷階帶。基于前述斷裂對成藏要素的控制作用,結合沙南凹陷自身地質特征,認為研究區發育3種成藏模式:凹陷內部中央隆起區南北兩側“斷控”雙通道近緣成藏模式、凹陷北側陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網毯輸導遠源成藏模式、凹陷斜坡下部斷控前緣砂體源內成藏模式(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

凹陷內部中央隆起區南北兩側“斷控”雙通道近源成藏模式[圖9(a)]:以沙中構造帶深層構造油藏為典型代表。該地區是沙南凹陷勘探程度最高區域,目前已完鉆探井15口,鉆井證實發育3套儲蓋組合:沙三段及孔店組自生自儲組合,沙河街組一及二段儲層東營組蓋層組合,館陶組儲層明下段蓋層組合。前兩個組合為該區最重要儲蓋組合,油氣主要分布于沙二段及沙三段,鉆遇的多個構造圈閉均見油氣顯示,但均未達到商業油氣聚集標準。構造南側及北側分別為西南次洼、西北次洼,緊鄰優質烴源巖區,烴源巖條件優越;南北兩側均發育長期活動斷裂,特別在古近紀具有較高的活動速率,兩側均可構成良好的油氣輸導通道;沙河街組扇三角洲、辮狀河三角洲砂體普遍發育,儲層條件也較好;圈閉有效性是制約該區油區富集的核心因素,即斷裂的活動導致構造圈閉側向封閉性較差,進而影響了圈閉的充滿度。

凹陷北側陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網毯輸導遠源成藏模式[圖9(b)]:以東北斷階帶C區為代表。油氣主要富集于第一臺階東營組及凸起上館陶組構造圈閉中,凹陷深部生成的油氣經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移至斷層,經由斷裂垂向向上運移,至上部臺階油氣發生分流,即一部分繼續沿斷裂向上運移另一部分沿臺階上的連通骨架砂體橫向運移[圖8(c)],如存在多級臺階,可發生多次油氣分流過程,并最終在有效圈閉內聚集成藏。該模式決定了油氣在中、淺層富集的特征,因此凹陷北側陡坡帶中淺部是后續勘探有利區之一。

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

5 結論

(1)據斷裂幾何學特征將沙南凹陷斷裂分為一級“控凹”斷裂、二級“控帶”斷裂及三級“控圈”斷裂;據斷裂活動特征,分為早期、晚期及長期活動斷裂;垂向上以T2為界發育上部、下部兩個斷裂系統。

(2)斷裂在平面上發育辮狀、帚狀、平形狀、雁列狀及分支狀5種組合特征,發育X型、復合Y字型、斷階型、簡單鏟式及坡平式5種構造樣式。孔店組～沙三段沉積期是新生代斷裂活動的第一個高峰期,沙一～沙二段沉積時期斷裂活動有所減弱,東營組沉積期是第二個斷裂活動高峰期,館陶組～明化鎮組下段沉積期斷裂活動微弱,化鎮組上段～第四系沉積期斷裂活動有增強趨勢。

(3)新生代斷裂發育控制了沙南凹陷烴源巖、砂巖儲層、圈閉發育,同時控制了油氣運移輸導過程。發育凹陷內部中央隆起區南北兩側“斷控”雙通道近源成藏、凹陷北側陡坡帶“斷-砂耦合”階梯狀網毯輸導遠源成藏及凹陷斜坡下部“斷控”前緣砂體源內成藏3種斷裂控藏模式,預測沙南凹陷北側深層巖性圈閉、凹陷北側陡坡帶中淺部構造圈閉為后續有利勘探區。