朱定偉, 彭光榮, 張忠濤, 吳 靜, 許新明, 白海軍, 郭 偉, 趙 鵬

(中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

斷層不僅控制著構(gòu)造和沉積發(fā)育, 而且控制油氣的聚散, 影響油氣的富集程度, 對(duì)油氣藏具有重要的控制作用。斷層對(duì)油氣藏的控制作用體現(xiàn)在斷層在油氣藏形成和演化過(guò)程中具有雙重作用, 既能輸導(dǎo)油氣, 又能封堵油氣(金崇泰等, 20 12; 葛巖等,2013; 許新明等, 2016; 付廣和王浩然, 2019)。究竟起哪種作用主要取決于斷層不同部位、不同層段封堵能力和輸導(dǎo)能力的差異性。前人對(duì)斷層封堵油氣和輸導(dǎo)油氣研究很多, 但主要集中在斷層縱向輸導(dǎo)油氣和橫向封堵油氣的角度(林鐵鋒等, 20 08; 付廣和王浩然, 2019; 楊超群等, 2021), 對(duì)于橫穿斷層運(yùn)移油氣的研究較少。目前, 斷層側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)方法主要分為定性和定量?jī)纱箢? 定性評(píng)價(jià)方法以Allan 圖解法和Knipe 圖解法為主(Allan, 1986; Larsen et al ., 1992; Hor bury an d R obinson, 1993; K nipe,1997), 其中Knipe 圖解法可快速判斷斷層兩側(cè)地層的并置情況, 當(dāng)斷層兩側(cè)砂-砂并置時(shí), 不利于油氣的縱向輸導(dǎo), 而更利于油氣跨斷層橫向運(yùn)移。定量評(píng)價(jià)方法主要包括泥巖涂抹潛力法(CSP)(Bouvier e t al., 1989)、泥巖涂抹因子法(SSF)(Lindsay et al., 19 93)和斷層泥比率法(SGR)(Yielding et al., 1997)等, 其中, SSF 法和SGR 法是定量評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的主要方法。

斷層側(cè)向封閉油氣和側(cè)向運(yùn)移油氣具有辯證關(guān)系, 當(dāng)斷層側(cè)向封閉時(shí), 可有效遮擋油氣聚集成藏;斷層側(cè)向開啟時(shí), 油氣可橫穿斷層進(jìn)行運(yùn)移。通常,同一條斷層既具有一定的側(cè)向封閉能力, 又具有一定的橫向輸導(dǎo)能力。本文將傳統(tǒng)評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的方法進(jìn)行改良, 從斷裂活動(dòng)速率、生長(zhǎng)指數(shù)、泥巖涂抹因子(SSF)和斷層泥比率(SGR)等角度建立評(píng)價(jià)油氣穿斷運(yùn)移的定量方法, 以準(zhǔn)確判斷恩平凹陷新近系的油氣運(yùn)移路徑。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

近年來(lái), 在南海北部淺水富生烴凹陷接連發(fā)現(xiàn)一些大中型油氣田, 因此淺水區(qū)域仍然是當(dāng)前南海北部油氣資源的重要接替區(qū)域(施和生等, 201 5; 何敏等, 2016; 夏慶龍, 2016; 朱偉林等; 2016; 米立軍,2018; 米立軍等, 2018; 張強(qiáng)等, 2018)。恩平凹陷位于珠江口盆地淺水區(qū)珠一坳陷最西端(圖1a), 面積約5000 km2, 水深80～100 m, 凹陷中心距香港約200 km。恩平凹陷西接陽(yáng)江凹陷, 東臨西江凹陷, 南北分別被番禺低隆起和北部隆起帶夾持, 是中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司最西端的原油產(chǎn)地。

恩平凹陷是前古近紀(jì)開始發(fā)育的負(fù)向構(gòu)造單元,中-新生代經(jīng)歷了三個(gè)構(gòu)造演化階段, 即晚白堊世-早漸新世的斷陷階段、晚漸新世-中中新世的拗陷階段及晚中新世至今的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段(鐘志洪等,2014)。從構(gòu)造單元上恩平凹陷可劃分為三個(gè)次級(jí)洼陷: 恩平17 洼、恩平12 洼和恩平18 洼(圖1b)。恩平凹陷的構(gòu)造格局受控洼斷裂F1、F2和F3共同控制。F1呈NEE 向展布, 延伸長(zhǎng)達(dá)60 km, 傾角平均為24°,斷面形態(tài)呈鏟式-坡坪式。F1斷裂水平斷距沿走向變化明顯, 呈“兩端大、中間小”特點(diǎn), 在西段恩平17洼處最大, 達(dá)14 km, 在東部恩平12 洼處為8 km,中部最小為5 k m。F1斷裂西段與S-N 走向的F3斷裂共同控制了恩平17 洼的結(jié)構(gòu)和沉積充填特征(圖1c), F1斷裂東段控制了恩平12 洼的發(fā)育(圖1d)。F2斷裂是由六條 NEE-EW 走向的高角度斷層(40°～60°)首尾相鄰組成的近E-W 向的南傾斷裂系,長(zhǎng)約25 km, 直接控制了恩平18 洼的發(fā)育。F2斷裂系切割基底并最終收斂于F1斷面之上, 兩者具有聯(lián)動(dòng)協(xié)同演化的特征。

鉆井揭示恩平凹陷自下而上發(fā)育: 始新統(tǒng)文昌組和恩平組, 漸新統(tǒng)珠海組, 中新統(tǒng)珠江組、韓江組和粵海組, 上新統(tǒng)萬(wàn)山組及第四系(劉志峰等,2017)。其中, 文昌組為主力生烴層系。

圖1 恩平凹陷位置與結(jié)構(gòu)Fig.1 T ectonic location and structures of the Enping Sag

2 油氣穿斷運(yùn)移評(píng)價(jià)思路與方法

斷層對(duì)油氣的封閉作用機(jī)理是斷層帶物質(zhì)(斷層巖)的毛細(xì)管壓力作用, 當(dāng)油氣所受的浮力未超過(guò)斷層巖的毛細(xì)管壓力時(shí), 斷層對(duì)油氣起遮擋作用(金崇泰等, 2012)。油氣能否橫穿斷層運(yùn)移的控制因素主要有斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(斷層的活動(dòng)性)、斷層兩側(cè)的巖性配置關(guān)系和斷層兩側(cè)泥巖累計(jì)厚度與斷距的關(guān)系(SSF 和SGR)等(呂延防等, 2002), 因此, 本文擬通過(guò)穿斷運(yùn)移臨界值的確定、穿斷運(yùn)移部位評(píng)價(jià)、穿斷運(yùn)移層段評(píng)價(jià)三個(gè)步驟, 對(duì)油氣橫穿斷層運(yùn)移進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià)。

2.1 穿斷運(yùn)移臨界值的確定

恩平凹陷具有“斷裂控藏”的特點(diǎn), 幾乎所有的油氣發(fā)現(xiàn)均與斷層相關(guān)。斷層圈閉所能封閉油氣的規(guī)模, 除了受斷層圈閉幅度和面積制約外, 更重要的是受斷層側(cè)向封閉性強(qiáng)弱的影響。付廣和李建民(2014)研究表明: 斷裂斷距越大、活動(dòng)性越強(qiáng), 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)越發(fā)育, 斷層核與上/下盤誘導(dǎo)裂縫帶和滑動(dòng)破碎帶越發(fā)育, 也就越有利于油氣的縱向輸導(dǎo),而不利于油氣橫向穿斷運(yùn)移。恩平凹陷以及整個(gè)珠一坳陷眾多斷圈油藏的實(shí)鉆情況也證實(shí)了這個(gè)規(guī)律。恩平凹陷油氣主成藏期是晚中新世粵海組沉積期, 當(dāng)控運(yùn)斷裂在粵海組沉積期活動(dòng)速率>10 m/Ma 或生長(zhǎng)指數(shù)>1.1 時(shí), 有利于油氣的垂向輸導(dǎo)(圖2), 油氣能夠運(yùn)移到淺層成藏; 而當(dāng)粵海組沉積期活動(dòng)速率<10 m/Ma或生長(zhǎng)指數(shù)<1.1 時(shí), 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)育, 縱向輸導(dǎo)能力較弱, 油氣難以運(yùn)移到淺層構(gòu)造中成藏, 而更容易穿斷運(yùn)移。因此, 可將斷裂活動(dòng)速率10 m/Ma 和生長(zhǎng)指數(shù)1.1 作為油氣能夠穿斷運(yùn)移的臨界值。

斷層活動(dòng)過(guò)程中, 由于拖曳、擠壓、研磨和塑性流動(dòng)等作用, 沿?cái)鄬臃植嫉臉O細(xì)粒、非滲透性泥狀物附著在斷層面上, 增強(qiáng)了斷層的封閉性, 可用SGR、SSF 值等表征其側(cè)向封堵性(羅勝元等, 2012)。恩平凹陷實(shí)鉆斷圈油藏的分析數(shù)據(jù)表明: 不同層段斷層側(cè)向封堵性能具有差異性(圖3), 韓江組下段油藏的泥巖涂抹因子SSF<1.8 且斷層泥比率SGR>0.38(部分重質(zhì)油藏具有特殊性, 為>0.26), 表明當(dāng)恩平凹陷韓江組下段控圈斷層的斷面泥巖涂抹因子SSF<1.8 且斷層泥比率SGR>0.38 時(shí), 才能夠有效封閉油氣, 故將韓江組下段斷層側(cè)向開啟性的SSF和SGR 臨界值分別定為1.8 和0.38。與此類似, 珠江組上段(江一段、珠二段、珠三段和珠四段上段)的SSF 和SGR 臨界值分別定為2.1 和0.35, 珠江組下段(珠四段下段和珠五段)的SSF 和SGR 臨界值分別定為1.8 和0.42。

2.2 穿斷運(yùn)移部位評(píng)價(jià)

依據(jù)斷裂活動(dòng)速率10 m/Ma 和生長(zhǎng)指數(shù)1.1 的臨界值, 恩平凹陷北部隆起帶A3 構(gòu)造控圈斷裂系FA3兩條斷裂交接部位和邊部的活動(dòng)速率<10 m/Ma,是油氣容易穿斷運(yùn)移的部位(圖4a)。

油氣除了在粵海組沉積期斷裂活動(dòng)速率<10 m/Ma或生長(zhǎng)指數(shù)<1.1 的部位易于穿斷運(yùn)移外, 在斷層的軟連接部位、邊部, 由于斷距較小或沒有斷距, 油氣易于沿著連通砂體進(jìn)行橫向運(yùn)移。對(duì)于A3 構(gòu)造的控圈斷層而言, 兩條斷層的交切部位、斷層的邊部是油氣容易穿透的部位。

此外, 斷層兩側(cè)砂巖并置區(qū)也是油氣容易穿透斷層的區(qū)域。采用Knipe 圖解法判別A3 構(gòu)造兩條斷層的交切部位和斷層邊部砂-砂并置, 是油氣容易穿斷運(yùn)移的部位(圖4b)。

2.3 穿斷運(yùn)移層段評(píng)價(jià)

根據(jù)斷層兩側(cè)地層的巖性并置關(guān)系和計(jì)算的SSF 和SGR 值, 再結(jié)合區(qū)域擬合出的SSF 和SGR臨界值, 在砂-砂并置區(qū)尋找高SSF 值或低SGR 值的層段, 即是斷裂側(cè)向開啟層段, 也是有利于油氣穿斷運(yùn)移的層段。對(duì)于A3 構(gòu)造控圈斷層FA3而言,在珠江一段中上部、珠江二段中下部-珠江三段中部是油氣容易穿斷運(yùn)移的層段(圖5)。

圖2 珠一坳陷斷裂粵海組沉積期活動(dòng)速率(a)和恩平凹陷斷裂粵海組沉積期生長(zhǎng)指數(shù)分布(b)(井位見圖1)Fig.2 Fault activity rates of the ZhuⅠ Depression (a) and growth rates of the Enping Sag (b)

圖3 恩平凹陷斷圈油藏?cái)嗝鍿SF 值(a)和SGR 值(b)分布Fig.3 SSF (a) and SGR (b) values of the faulted-trap reservoir in the Enping Sag

圖4 A3 構(gòu)造控圈斷層FA3 活動(dòng)速率分布(a)和珠江組上段兩側(cè)巖性并置關(guān)系(b)(FA3 的位置見圖1b)Fig.4 Activity rate of FA3 Fault (a) and stratigraphy on both sides of the Upper Zhujiang Formation (b)

3 穿斷運(yùn)移方法應(yīng)用效果的地球化學(xué)檢驗(yàn)

3.1 恩平凹陷北部隆起帶應(yīng)用效果的地球化學(xué)驗(yàn)證

A1、A3 和A4 構(gòu)造位于恩平凹陷北部隆起帶上, 均是在基底古隆起背景上發(fā)育起來(lái)的受NWWNE 向斷層控制的斷層相關(guān)構(gòu)造(圖6), 構(gòu)造繼承性較強(qiáng), 從基底到韓江組均有圈閉發(fā)育。A1 是一個(gè)有待建產(chǎn)的中型油田, 在其周邊拓展勘探時(shí)遇到的最大瓶頸是其北邊存在多個(gè)凹槽。傳統(tǒng)地質(zhì)理論認(rèn)為,只有油氣充滿A1 構(gòu)造時(shí), 才能從溢出點(diǎn)溢出到A3和A4 等構(gòu)造。油氣橫穿斷層運(yùn)移模式的提出和對(duì)穿斷運(yùn)移部位與層段的精細(xì)評(píng)價(jià), 本文認(rèn)為A1 油田的油氣能夠在控圈斷層中段的珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段等層段穿過(guò)斷層進(jìn)行橫向運(yùn)移, 并沿著斷裂下降盤的構(gòu)造脊運(yùn)移到A3構(gòu)造聚集成藏, 并能進(jìn)一步穿斷運(yùn)移至A4 構(gòu)造(圖6)。油氣穿斷運(yùn)移創(chuàng)新模式推動(dòng)了A3 和A4 兩個(gè)構(gòu)造的鉆探, 并獲得了商業(yè)油氣發(fā)現(xiàn), 兩個(gè)構(gòu)造均鉆遇數(shù)百米厚的油氣顯示和數(shù)十米油層也證實(shí)了油氣橫穿斷層運(yùn)移模式在恩平凹陷北部隆起帶的適用性。

油氣穿斷運(yùn)移模式也得到了地球化學(xué)方面的證實(shí)。恩平凹陷北部隆起帶存在兩種原油類型: 以高含量的C304-甲基甾烷(C304-MSt)、高含量的雙杜松烷為特征的半深湖+淺湖相混源油(Ⅰ類原油), 和以高含量的C304-甲基甾烷、低含量的雙杜松烷為特征的半深湖相原油(Ⅱ類原油)(圖7)。同時(shí)存在兩期原油充注, 第一期原油充注發(fā)生在13.8～9.1 Ma, 以Ⅰ類原油為主; 第二期原油充注發(fā)生在3. 9～0 Ma, 以Ⅱ類原油為主。

圖5 A3 構(gòu)造控圈斷層FA3 斷面SSF 值(a)和SGR 值分布(b)Fig.5 SSF (a) and SGR (b) values of FA3 fault surface

圖6 恩平凹陷北部隆起帶T40 深度構(gòu)造(a)和油氣穿斷運(yùn)移剖面(b)Fig.6 T 40 isodepth map (a) and profile showing the oil-gas migration across faults (b) in the northern uplift belt of the Enping Sag

在第一期原油充注期, Ⅰ類原油首先在A1 構(gòu)造富集成藏, 同時(shí)在珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段穿斷運(yùn)移至A3 構(gòu)造聚集, 并進(jìn)一步穿斷運(yùn)移至A4 構(gòu)造聚集(圖8)。在第二期原油充注期, Ⅱ類原油首先充注A1 構(gòu)造, 對(duì)Ⅰ類原油具有一定的驅(qū)替和改造作用, 且驅(qū)替和改造作用由近至遠(yuǎn)、由下至上逐漸減弱, 導(dǎo)致不同構(gòu)造兩類原油的比例不一致。A1 構(gòu)造Ⅰ類原油僅剩7%, A 3 構(gòu)造Ⅰ類原油占比49%, A4 構(gòu)造Ⅰ類原油占比高達(dá)83%。A1 和A3 構(gòu)造珠江組的Ⅰ類原油幾乎全部被Ⅱ類原油驅(qū)替, 韓江組則以Ⅰ類和Ⅱ類混源油為主; A4 構(gòu)造由于距烴源最遠(yuǎn), Ⅰ類原油對(duì)Ⅱ類原油的驅(qū)替作用較弱, 以混源油為主, 部分層段依然保留有Ⅰ類原油。

圖7 恩平凹陷北部隆起帶2 類原油生物標(biāo)志化合物特征Fig.7 Biomarkers of two types of crude oils in the northern uplift belt of the Enping Sag

圖8 恩平凹陷北部隆起帶第一期原油充注層段分布(a)和第二期原油充注層段分布(b)Fig.8 Di stribution of the first-stage (a) and second-stage (b) o il filli ng member s in the no rthern uplift belt of the Enping Sag

3.2 恩平凹陷南部隆起帶應(yīng)用效果的地球化學(xué)驗(yàn)證

恩平凹陷南部隆起帶的A22 構(gòu)造位于A20 油田控圈斷層下降盤(圖9), A20 油田是發(fā)育在繼承性古隆起之上的斷鼻油藏, 是南部隆起帶的構(gòu)造至高點(diǎn),是傳統(tǒng)油氣運(yùn)移理論認(rèn)為的“運(yùn)移終點(diǎn)”, 這也是影響A22 構(gòu)造鉆探的最大障礙。在油氣穿斷運(yùn)移模式認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上, 本文對(duì)A20 油田控圈斷層進(jìn)行精細(xì)分析, 認(rèn)為這一組雁列式斷層具有分段控藏、側(cè)向封堵與輸導(dǎo)并存的特點(diǎn), 油氣能夠在各分支斷層的交接部位穿斷運(yùn)移至下降盤, 并沿著構(gòu)造脊運(yùn)移至A22 構(gòu)造聚集成藏。這些認(rèn)識(shí)推動(dòng)了A22 構(gòu)造的鉆探, 并獲得中型油田發(fā)現(xiàn), 證實(shí)了穿斷運(yùn)移模式在恩平凹陷南部隆起帶的適用性。

圖9 恩平凹陷南部隆起帶A20-A22 構(gòu)造區(qū)T35 深度構(gòu)造(a)和油氣穿斷運(yùn)移剖面(b)Fig.9 T 35 isodepth map (a) and pr ofile showing the oil-gas migration across faults (b) of structures A20-A22 in the southern uplift belt of the Enping Sag

4 結(jié) 論

基于珠江口盆地恩平凹陷大量斷層圈閉油藏的實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù), 建立了油氣穿斷運(yùn)移模式、評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 獲得以下認(rèn)識(shí)。

(1) 方法的新穎性: 從辯證法的角度厘清斷層側(cè)向封閉油氣能力和側(cè)向運(yùn)移油氣能力的關(guān)系, 將傳統(tǒng)評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的方法進(jìn)行改良, 從斷裂活動(dòng)速率、生長(zhǎng)指數(shù)、泥巖涂抹因子(SSF)和斷層泥比率(SGR)等角度建立了評(píng)價(jià)油氣穿斷運(yùn)移的定量方法。

(2) 方法的有效性: 基于這套評(píng)價(jià)方法, 識(shí)別出FA3斷裂中段和邊部是油氣穿斷運(yùn)移的部位; 珠江一段中上部、珠江二段中下部–珠江三段中部是油氣容易穿斷運(yùn)移的層段。通過(guò)鉆井和地球化學(xué)分析對(duì)比, 證實(shí)了油氣能夠橫向穿過(guò)FA3斷層運(yùn)移至A4構(gòu)造富集成藏。

(3) 方法的適用性: 油氣穿斷運(yùn)移模式和評(píng)價(jià)方法在恩平凹陷南、北兩帶的多個(gè)油氣勘探中得到了驗(yàn)證, 發(fā)現(xiàn)了3 個(gè)商業(yè)油田和2 個(gè)含油構(gòu)造, 推動(dòng)了恩平凹陷含油氣系統(tǒng)邊界的拓展, 對(duì)具有相似斷裂發(fā)育背景的區(qū)域具有借鑒作用。