王東曄
(中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,山東東營(yíng) 257015)
形成于區(qū)域伸展背景的陸相斷陷盆地是中國(guó)東部最具代表性的含油氣盆地,盆地伸展拉張過(guò)程中往往伴隨著不同程度的走滑運(yùn)動(dòng),“張”與“扭”的相對(duì)強(qiáng)弱決定了斷陷盆地的油氣分布,走滑作用和扭張構(gòu)造的研究成為近年來(lái)中國(guó)東部斷陷盆地研究的重要領(lǐng)域[1-3]。臨南地區(qū)位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷惠民凹陷的西南部,勘探面積約為1 800 km2,已發(fā)現(xiàn)臨盤(pán)、商河、玉皇廟、臨南、曲堤和江家店等6個(gè)油田,是勝利油區(qū)重要的增儲(chǔ)陣地。臨南地區(qū)是中國(guó)東部一個(gè)典型的扭張型斷陷盆地,發(fā)育臨商、夏口兩大帚狀斷裂體系,整個(gè)地區(qū)具有構(gòu)造扭張、分割性強(qiáng)、多物源體系的特點(diǎn),平面上臨商和夏口2個(gè)扭張構(gòu)造呈共軛菱形分布,中間夾持研究區(qū)主要的生油洼陷——臨南洼陷[4-8]。從目前的勘探發(fā)現(xiàn)來(lái)看,臨南地區(qū)已探明的石油地質(zhì)儲(chǔ)量多富集在扭張構(gòu)造帶上,油氣分布明顯受扭張構(gòu)造系統(tǒng)控制。以往對(duì)臨南地區(qū)的研究主要集中在斷層的發(fā)育特征及其對(duì)油氣成藏的控制作用方面,往往將拉張和走滑割裂開(kāi)來(lái)考慮,針對(duì)拉張斷層發(fā)育特征及控藏作用闡述較多,對(duì)走滑構(gòu)造發(fā)育偏重宏觀認(rèn)識(shí)總結(jié),而對(duì)扭張構(gòu)造形成機(jī)制、扭張活動(dòng)的定量研究、扭張控砂及控藏作用等方面涉及相對(duì)較少,缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí),成為制約臨南地區(qū)下一步油氣勘探的關(guān)鍵問(wèn)題。筆者通過(guò)對(duì)臨南地區(qū)扭張構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示了扭張構(gòu)造形成機(jī)制,建立了扭張構(gòu)造定量表征方法,明確了扭張構(gòu)造對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育和油氣成藏的控制作用,以期為該區(qū)下步勘探方向優(yōu)選提供支撐。
臨南地區(qū)具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的構(gòu)造樣式,且前古近紀(jì)斷陷期與古近紀(jì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征迥異[9-10]。研究區(qū)剖面上多為大型半地塹盆地背景上疊合多個(gè)復(fù)雜的壘塹結(jié)構(gòu),平面上不同地質(zhì)體存在不同變形方式,表現(xiàn)為張性或扭性,構(gòu)造樣式多發(fā)育以帚狀為特色的扭張斷裂系統(tǒng),沿拉張方向延伸的構(gòu)造調(diào)節(jié)斷層大量發(fā)育。依據(jù)應(yīng)力場(chǎng)“扭、張”性質(zhì)不同,可以劃分為扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū)、弱扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū)和拉張構(gòu)造發(fā)育區(qū)(圖1)。
扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū) 主要受2 條主控?cái)鄬訆A持,但斷層差異性活動(dòng)造成主控?cái)鄬酉陆当P(pán)塊體差異性活動(dòng),或在同一主控?cái)鄬拥淖呦蜣D(zhuǎn)折處產(chǎn)生扭動(dòng)構(gòu)造脊和扭動(dòng)溝槽。扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū)構(gòu)造樣式表現(xiàn)為中間多發(fā)育花狀構(gòu)造,兩側(cè)為斷階帶,且斷層傾向方向相反,走向上中間發(fā)育近南北走滑調(diào)節(jié)斷層,兩側(cè)為近東西向雁列分布的拉張斷層。
弱扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū) 主要表現(xiàn)在臨商和夏口兩大主干斷裂的各自撒開(kāi)端,臨商斷層向東撒開(kāi),夏口斷層向西撒開(kāi),這些區(qū)域是“扭”動(dòng)力的釋放處,撒開(kāi)端方向由“扭”向“張”過(guò)渡。構(gòu)造樣式為多級(jí)主控?cái)嗔压泊?,主控?cái)嗔褳槠叫惺綎|西走向,呈階梯式,次級(jí)斷裂為平行式南北走向,二者呈棋盤(pán)狀疊合。
拉張構(gòu)造發(fā)育區(qū) 主要表現(xiàn)在走向近東西或北東東向的主控?cái)鄬酉陆当P(pán)一側(cè),與區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)相垂直,斷層以拉張為主,在斷層下降盤(pán)一側(cè)產(chǎn)生調(diào)節(jié)斷層。該構(gòu)造發(fā)育區(qū)的構(gòu)造樣式以Y字型或多級(jí)Y 字型剖面組合樣式為主,次級(jí)斷層走向與主斷層近平行或小角度相交,次級(jí)斷層之間呈近東西向平行展布。
圖1 臨南地區(qū)不同構(gòu)造發(fā)育區(qū)平面分布及剖面構(gòu)造樣式Fig.1 Plane distribution and sections of different tectonic structures in Linnan area
斷陷盆地形成之前,多存在一系列基底斷層,這些基底斷層是地殼內(nèi)的薄弱帶,在古近紀(jì)斷陷盆地發(fā)育期的南北向拉張區(qū)域伸展背景下,優(yōu)勢(shì)走向的基底斷層首先復(fù)活,從而影響盆地內(nèi)的斷裂系統(tǒng)及相應(yīng)的沉降與沉積格局[11-12]。通過(guò)區(qū)域動(dòng)力學(xué)背景、基底結(jié)構(gòu)、扭張構(gòu)造樣式、物理及數(shù)值模擬等研究認(rèn)為,臨南地區(qū)形成于伸展性動(dòng)力學(xué)背景下的斜向拉伸運(yùn)動(dòng),由于復(fù)活的基底斷層走向斜交于區(qū)域拉伸方向,從而使斷裂表現(xiàn)出走滑與正斷2 種性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特征(圖2)。前古近紀(jì)發(fā)育北北東、北東東與北西向3 組基底斷層,其中北北東向左行平移斷層形成于晚侏羅世,北東東向基底斷層是北北東向左行平移斷層旁側(cè)派生的逆沖斷層,北西向基底斷層形成于中三疊世印支期。通過(guò)周邊盆地實(shí)測(cè)正斷層擦痕和反演的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果表明,古近紀(jì)為近南北向的區(qū)域伸展應(yīng)力狀態(tài),這些基底斷層與區(qū)域應(yīng)力方向斜交,在古近紀(jì)復(fù)活過(guò)程中處于斜向拉張狀態(tài)而呈扭張性活動(dòng),同時(shí)北東東向斷層呈現(xiàn)出連續(xù)斷開(kāi)或雁列正斷等顯著特征,是基底斷層復(fù)活的典型模式,處于這些復(fù)活基底斷層之間的近南北向斷層多屬于調(diào)節(jié)斷層或變換斷層。
區(qū)域拉張方向的準(zhǔn)確確定和基底斷裂的精細(xì)解析是扭張構(gòu)造定量表征尤其是走滑運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)是否準(zhǔn)確的前提。運(yùn)用新生張性正斷層伸展方向、調(diào)節(jié)斷層走向、露頭區(qū)正斷層擦痕應(yīng)力場(chǎng)反演、實(shí)測(cè)地應(yīng)力等方法,可以確定區(qū)域拉張方向;運(yùn)用三維地震資料構(gòu)造解析、伴生和派生斷層分布特征分析,進(jìn)而可以確定基底斷層分布。
扭張構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征主要表現(xiàn)為三維運(yùn)動(dòng),即水平伸展、垂向塊斷運(yùn)動(dòng)和側(cè)向走滑運(yùn)動(dòng),三者在扭張構(gòu)造活動(dòng)中是相伴而生的,前人很少將三者作為有機(jī)整體來(lái)開(kāi)展定量研究。筆者基于扭張作用的三維運(yùn)動(dòng),建立了相應(yīng)的定量表征方法:一是運(yùn)用構(gòu)造平衡剖面技術(shù)定量表征伸展量和伸展率;二是利用斷層生長(zhǎng)指數(shù)、古落差、斷層活動(dòng)速率等參數(shù)表征垂向塊斷運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱;三是通過(guò)斷面視傾角(α)、斷層走向與拉張方向夾角(θ)和古落差(h)等參數(shù)求取走向滑距,定量表征走滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱(走滑量為古落差與斷面視傾角的余切、斷層走向與拉張方向夾角的正弦三者的乘積)。
通過(guò)定量計(jì)算水平伸展率、斷層古落差、走滑量等參數(shù),明確了臨南地區(qū)不同時(shí)期扭張構(gòu)造的發(fā)育演化特征。臨南地區(qū)伸展率時(shí)空上均具有明顯波狀變化的特征,其變化與扭張強(qiáng)弱和構(gòu)造轉(zhuǎn)換有關(guān);垂向運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為不同地質(zhì)單元顯著的差異升降運(yùn)動(dòng),控制多凸多洼的構(gòu)造格局、古地貌背景、多物源沉積體系和儲(chǔ)層差異性發(fā)育;走滑伴隨著整個(gè)斷陷盆地發(fā)育期,走滑運(yùn)動(dòng)呈波狀變化,強(qiáng)走滑作用對(duì)應(yīng)臨南洼陷主裂陷期;臨南地區(qū)走滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,但仍以拉張作用占主導(dǎo)。通過(guò)計(jì)算走滑量/斷層古落差,可以表征不同時(shí)期扭張活動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)弱,研究區(qū)扭張活動(dòng)強(qiáng)度最大接近1,平均約為0.4(圖3)。
圖2 臨南地區(qū)典型帚狀斷裂體系構(gòu)造物理模擬和數(shù)值模擬Fig.2 Physical and numerical simulation of typical broom-shaped fault system in Linnan area
圖3 臨南地區(qū)典型斷裂走滑量/斷層古落差變化Fig.3 Strike slip/paleo-drop variation of typical faults in Linnan area
扭張斷裂活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育具有明顯的控制作用,扭張作用形成的強(qiáng)分割、差異沉降的古地貌背景決定了多物源體系的沉積成巖差異性。扭張作用下斷裂幕式活動(dòng)的時(shí)空差異性控制了地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化與多旋回、多物源沉積體系分布,同沉積斷裂的扭張性質(zhì)影響物源入湖方式,扭性較強(qiáng)的同沉積斷裂控制斜列式沉積體系入湖,張性同沉積斷裂控制直列式的沉積充填。扭張盆地層序充填與斷裂幕式活動(dòng)密切相關(guān),邊界斷裂不同周期的幕式活動(dòng)控制不同級(jí)別的層序發(fā)育,每一個(gè)幕式活動(dòng)周期內(nèi),斷層的生長(zhǎng)速率變化控制基準(zhǔn)面旋回的周期性,從而影響砂體的發(fā)育和分布。受邊界斷層、扭張應(yīng)力場(chǎng)的影響,臨商、夏口帚狀斷裂體系存在很大的不同。根據(jù)斷層性質(zhì)和古沉積坡度,可劃分為3 類(lèi)斜坡控砂模式,相應(yīng)的沉積相類(lèi)型由弱進(jìn)積三角洲向強(qiáng)進(jìn)積三角洲過(guò)渡(圖4)。
穩(wěn)定沉降緩坡模式 主要發(fā)育在帚狀扭張構(gòu)造撒開(kāi)端,以雙豐三角洲體系為代表。斷層活動(dòng)相對(duì)較弱,地形坡度較小,淺水區(qū)域較廣,控砂機(jī)制表現(xiàn)為基準(zhǔn)面頻繁震蕩控制砂體分布。三角洲進(jìn)積作用較弱,平原相發(fā)育,巖性組合以薄砂、薄泥頻繁互層為主,可形成大量“斷層切香腸”式的河道砂巖性-構(gòu)造圈閉和“斷層+砂體側(cè)向尖滅”的河口壩構(gòu)造-巖性圈閉。
同沉積斷坡模式 主要發(fā)育在帚狀扭張構(gòu)造收斂端,以江家店—瓦屋體系為代表。有一條或多條持續(xù)活動(dòng)的大型同沉積斷層控制沉積坡折和湖岸線,控砂機(jī)制表現(xiàn)為同生坡折控制砂體分布,三角洲進(jìn)積作用較強(qiáng),斷坡控制三角洲前緣砂體發(fā)育,巖性總體呈厚砂、薄泥的交互組合,隱蔽圈閉以“斷層+砂體側(cè)向尖滅”的河口壩構(gòu)造-巖性圈閉為主。
持續(xù)遷移下陷緩坡模式 主要發(fā)育在同沉積斷裂帶控制的側(cè)向持續(xù)下陷區(qū),以盤(pán)河—基山體系為代表。湖水相對(duì)較深,斷裂帶差異活動(dòng)導(dǎo)致的可容空間持續(xù)側(cè)向遷移控制了砂體展布,三角洲多期進(jìn)積過(guò)程中伴隨較強(qiáng)的側(cè)積遷移作用,巖性總體呈厚砂、厚泥、多旋回交互組合,可形成多個(gè)砂體側(cè)向尖滅帶,以發(fā)育大型斷層-巖性圈閉為典型特征。
隨著斷裂規(guī)模、走滑強(qiáng)度、埋藏深度的增大,斷裂帶結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜[13-14]。按照走滑活動(dòng)強(qiáng)弱,斷裂帶結(jié)構(gòu)可劃分為4類(lèi):①三元型結(jié)構(gòu)模式,以發(fā)育上、下盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶、滑動(dòng)破碎帶(斷層泥)為特征;②二元型結(jié)構(gòu)模式,以發(fā)育上、下盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶為特征,滑動(dòng)破碎帶不發(fā)育;③一元型結(jié)構(gòu)模式,主要發(fā)育單一盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶,滑動(dòng)破碎帶與另一盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶不發(fā)育;④無(wú)結(jié)構(gòu)型,僅可識(shí)別出斷點(diǎn),誘導(dǎo)裂縫帶和滑動(dòng)破碎帶均不發(fā)育(圖5)。
斷裂帶結(jié)構(gòu)差異性主要受扭張斷裂活動(dòng)強(qiáng)度影響,臨南地區(qū)三元型結(jié)構(gòu)的斷裂主要為走滑活動(dòng)較強(qiáng)的一、二級(jí)斷裂,主要發(fā)育在扭張強(qiáng)度大、走滑量大于40 m 的區(qū)域,二元型和一元型結(jié)構(gòu)的斷層主要為走滑活動(dòng)強(qiáng)度中等的三、四級(jí)斷層,四級(jí)以下的“毛毛”斷層多為無(wú)結(jié)構(gòu)型斷層(圖6)。此外,大斷層深層結(jié)構(gòu)大多數(shù)發(fā)育比較完整,淺層結(jié)構(gòu)則相對(duì)簡(jiǎn)單。
圖4 不同扭張構(gòu)造斜坡控砂模式Fig.4 Slope sand control modes of different transtensional structures
圖5 不同斷裂帶結(jié)構(gòu)模式Fig.5 Internal structural patterns of different fault zones
臨南地區(qū)油氣平面上呈環(huán)帶狀分布,從洼陷中心向外,依次可分出內(nèi)環(huán)帶(洼陷帶江家店巖性油藏分布區(qū))、中環(huán)帶(臨商扭張斷裂帶及夏口扭張斷裂帶構(gòu)造油藏環(huán)帶、構(gòu)造-巖性油藏環(huán)帶)和外環(huán)帶(曲堤斷階巖性-構(gòu)造油藏、地層油藏環(huán)帶)。臨南地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量以構(gòu)造油藏占絕大部分,其次是構(gòu)造-巖性油藏[15-18]。構(gòu)造油藏中又以斷塊類(lèi)油 藏為主,含油斷塊寬度平均為436 m,最大為1 031 m,各砂組油水間互,均具有獨(dú)立的油水界面。自洼陷帶向北部、南部扭張斷裂帶,油藏類(lèi)型、儲(chǔ)層特征呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,油藏空間分布呈現(xiàn)一定的序列[19-21]。洼陷帶以席狀砂、濁積巖等構(gòu)成的巖性油氣藏為主,扭張斷裂帶為三角洲前緣分流河道、河口壩等構(gòu)成的構(gòu)造油氣藏和構(gòu)造-巖性油氣藏,向南過(guò)渡到曲堤地壘,發(fā)育地層不整合油氣藏。
圖6 斷裂帶結(jié)構(gòu)類(lèi)型與走滑量、埋深的關(guān)系Fig.6 Relationships of internal structures of fault zones with strike slip and buried depth
油氣富集成藏主要受斷層輸導(dǎo)與封閉的耦合作用所控制[22-26]。臨南地區(qū)扭張斷裂性質(zhì)、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、活動(dòng)強(qiáng)度、期次與油氣成藏富集密切相關(guān),斷裂帶結(jié)構(gòu)差異性影響了斷層輸導(dǎo)性能,具有三元型、二元型結(jié)構(gòu)的斷裂帶,斷層泥及誘導(dǎo)裂縫帶發(fā)育,側(cè)向封閉性好,垂向輸導(dǎo)能力強(qiáng);具有一元型或無(wú)結(jié)構(gòu)型的斷裂帶,斷層泥及誘導(dǎo)裂縫帶不發(fā)育,垂向封閉性好,側(cè)向輸導(dǎo)能力強(qiáng)。根據(jù)夏503 井巖心觀察,沙三段下亞段3 372.00~3 402.83 m,進(jìn)尺為30.83 m,心長(zhǎng)為30.71 m,收獲率為99.6%,斷面深度約為3 401.6 m,斷面結(jié)構(gòu)特征十分明顯,斷層泥厚度約為0.6 m。從巖心的掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn),斷層泥的方解石、白云石、重晶石等呈網(wǎng)狀分布,正是由于這個(gè)原因堵塞了孔隙,并造成喉道顯著變小,喉道半徑、滲透率約降低1個(gè)數(shù)量級(jí),巖石排驅(qū)壓力顯著增大,此外從測(cè)井響應(yīng)特征上看,相比較正常砂巖,斷層泥自然電位幅度變小,聲波時(shí)差變小,反映物性變差。由于斷層泥與正常儲(chǔ)層間存在較大排驅(qū)壓力差異,從而能封堵一定高度的油藏。通過(guò)理論計(jì)算表明,斷層泥可封堵約40 m 左右的油柱高度,這同臨南地區(qū)廣泛發(fā)育的“窄油條、短毛牙刷式”的油氣藏相符合,同時(shí)也可解釋一些砂地比高達(dá)70%地區(qū)斷層封堵成藏的現(xiàn)象。
扭張斷裂活動(dòng)強(qiáng)度越大,活動(dòng)時(shí)間持續(xù)越長(zhǎng),斷裂活動(dòng)結(jié)束時(shí)間越晚,油氣運(yùn)移通道越通暢,與之相關(guān)圈閉的含油層系越多。受不同扭張構(gòu)造發(fā)育帶的影響,在不同構(gòu)造部位油氣聚集成藏有明顯的差異性。通過(guò)深入研究臨南地區(qū)不同構(gòu)造單元油氣分布特征及成藏要素配置關(guān)系,認(rèn)為扭張構(gòu)造與烴源巖發(fā)育差異造成不同地區(qū)生烴和資源潛力“貧富不均”[27-29]。在扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū),主要位于臨南地區(qū)中央高砂地比的扭張斷裂帶,主干扭張斷層直接溝通油源,活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),分支斷層構(gòu)成垂向輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),斷裂帶結(jié)構(gòu)以三元型、二元型為主,油氣垂向運(yùn)移通暢,側(cè)向可形成斷層泥封堵,油氣沿多級(jí)斷裂垂向運(yùn)移,油氣運(yùn)移動(dòng)力與封閉層毛管壓力之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡而形成油氣聚集,主要形成多層系富集的層狀斷塊油藏,含油層系多、油氣豐度高,從深層到淺層呈“多層樓”含油(圖7)。在弱扭張構(gòu)造發(fā)育帶,主要位于臨南地區(qū)的斜坡部位,斷裂帶多為二元型和一元型結(jié)構(gòu),垂向輸導(dǎo)能力相對(duì)較差,油氣沿階梯狀斷層和骨架砂體側(cè)向運(yùn)移為主,在運(yùn)移路徑上的地層、構(gòu)造等類(lèi)型圈閉聚集成藏。臨南地區(qū)洼陷帶扭張構(gòu)造基本不發(fā)育,三角洲砂體包裹于深湖相成熟烴源巖之中,洼陷帶沙三段壓力系數(shù)為1.1~1.5,異常壓力的存在成為成藏期主要油氣運(yùn)聚動(dòng)力,油氣富集受烴源巖超壓和有效儲(chǔ)層的控制,主要形成自生自?xún)?chǔ)型巖性油藏,高壓區(qū)可形成大面積疊合連片的巖性油藏。
圖7 扭張斷裂帶結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)平衡成藏模式Fig.7 Structure of transtensional fault zone and dynamic equilibrium mode of accumulation
臨南地區(qū)發(fā)育以“帚狀”為特色的扭張斷裂系統(tǒng),依據(jù)應(yīng)力場(chǎng)“扭、張”性質(zhì)不同,可以劃分為扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū)、弱扭張構(gòu)造發(fā)育區(qū)和拉張構(gòu)造發(fā)育區(qū)?;谘芯繀^(qū)基底結(jié)構(gòu)、扭張構(gòu)造樣式、物理及數(shù)值模擬等,認(rèn)為臨南地區(qū)由于復(fù)活的基底斷層走向斜交于區(qū)域拉伸方向,從而形成扭張構(gòu)造體系。通過(guò)計(jì)算走滑量/斷層古落差,明確了孔店組—平原組不同沉積時(shí)期扭張構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱,最大接近1,平均為0.4。
根據(jù)斷層性質(zhì)和古沉積坡度,劃分為3 種斜坡控砂模式,控制形成不同的圈閉類(lèi)型,穩(wěn)定沉降緩坡主要發(fā)育河道砂巖性-構(gòu)造圈閉和河口壩構(gòu)造-巖性圈閉,同沉積斷坡主要發(fā)育河口壩構(gòu)造-巖性圈閉,持續(xù)遷移下陷緩坡主要發(fā)育大型斷層-巖性圈閉。
自洼陷帶向北部、南部扭張斷裂帶,油藏呈現(xiàn)有序分布規(guī)律,基于斷裂帶結(jié)構(gòu)模式,建立了扭張斷裂帶動(dòng)態(tài)平衡成藏、斜坡帶側(cè)向運(yùn)聚成藏、洼陷帶自生自?xún)?chǔ)成藏等不同構(gòu)造單元油氣差異成藏模式。