祁 鵬 張功成 王 鵬 劉志峰 崔 敏 蔡 佳 沈 嬌 王 欣 張文昭
(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)
南黃海盆地經(jīng)歷了50多年的油氣勘探,已鉆探20余口井,其中南部坳陷共鉆探12口井,僅在1口探井中發(fā)現(xiàn)了油氣流,表明南部坳陷具備了形成油氣藏的基本地質(zhì)條件[1]。近年來的勘探實踐表明,南部坳陷的南五凹是南黃海盆地最有希望實現(xiàn)商業(yè)突破的地區(qū)[2]。自20世紀70年代開始在南五凹進行地震采集和油氣資源調(diào)查工作以來[3],截至2017年,南五凹已累計鉆井3口,在邊緣凸起上鉆井1口,二維地震基本實現(xiàn)了全覆蓋,但密度不均,部分地區(qū)已達到1 km×1 km,部分部位僅有2 km×4 km。雖然鉆井揭示阜寧組烴源巖已經(jīng)成熟,但是南部坳陷整體地溫梯度較近中國近海其他盆地要低[4]。前人對于南五凹油氣資源前景不樂觀,估算其石油地質(zhì)資源量為(0.91~1.67)×108t油當(dāng)量[5-7]。本文在總結(jié)前人大量研究成果的基礎(chǔ)上,綜合利用重處理的二維地震資料及鉆井資料,對南五凹油氣地質(zhì)條件進行了較為全面的分析,認為南五凹在阜寧組沉積時期處于拗陷階段,經(jīng)歷了廣湖咸化過程;在此基礎(chǔ)上,進一步探討了阜寧組烴源巖段廣湖咸化的主要識別標(biāo)志和形成機制,并分析了研究區(qū)油氣勘探的潛力區(qū)。本文研究結(jié)果對未來南黃海盆地的油氣勘探實踐具有指導(dǎo)意義。
南五凹位于南黃海盆地南部坳陷,其南部以邊界斷層與勿南沙隆起相鄰,西南與南二凹以斷層相接,西北與南一凸起相鄰,北部逐漸過渡為南二低凸起。南五凹整體呈北西走向,長約100 km,最寬處25 km,面積近1800 km2。南五凹在結(jié)構(gòu)上具有極大的分異性,呈現(xiàn)出東西分塊、南北分帶的特征。根據(jù)構(gòu)造樣式的不同,南五凹自南向北可劃分為南部陡斷帶、中部反轉(zhuǎn)帶和北部緩坡帶(圖1)。
地震、鉆井和生物地層等資料揭示,南五凹地層由前白堊紀基底和上白堊統(tǒng)—新生界蓋層構(gòu)成,自下往上為白堊統(tǒng)赤山組及泰州組、古新統(tǒng)阜寧組、始新統(tǒng)戴南組及三垛組、新近系鹽城組和第四系,但缺失漸新統(tǒng)。
圖1 南黃海盆地南五凹構(gòu)造單元劃分Fig.1 Tectonic division in Nanwu sag of South Yellow Sea basin
受控于下?lián)P子板塊周緣前陸盆地在白堊紀末—早古新世的后造山期轉(zhuǎn)換伸展作用[8],南五凹發(fā)生儀征運動進入盆地沉降階段,沉積了上白堊統(tǒng)泰州組和古新統(tǒng)阜寧組,邊界斷裂對泰州組沉積控制作用微弱。阜寧組在凹陷斜坡上的厚度與深洼區(qū)相似,表明這一時期整體處于拗陷階段(圖2)。阜寧組沉積末期吳堡運動的發(fā)生使阜寧組和泰州組遭受了不同程度的剝蝕。
圖2 南黃海盆地南五凹結(jié)構(gòu)及構(gòu)造演化階段(剖面位置見圖1)Fig.2 Structure and tectonic evolution of Nanwu sag in South Yellow Sea basin(see Fig.1 for location)
戴南組沉積時期,南五凹呈現(xiàn)出明顯斷陷的特征,南部邊界斷裂控凹作用明顯。戴南組沉積后,整個蘇北-南黃海盆地經(jīng)歷了真武運動,發(fā)生了局部抬升剝蝕。三垛組沉積時期,凹陷快速拉張沉降,仍然處于斷陷演化階段,南五凹現(xiàn)今復(fù)式半地塹結(jié)構(gòu)就是在這一構(gòu)造演化階段逐漸成型。三垛組沉積末期,太平洋板塊俯沖方向突然轉(zhuǎn)向,導(dǎo)致其向北西西向的俯沖作用突然加強[9],使南黃海盆地區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生巨大改變,發(fā)生了以整體抬升和近東西向擠壓為主的三垛運動。南五凹表現(xiàn)為強烈的擠壓-抬升-剝蝕過程,剝蝕量最大約900 m[10]。三垛運動一直持續(xù)到漸新世末,使得包括南五凹在內(nèi)的整個南黃海盆地缺失了漸新統(tǒng)。南黃海盆地直到中新世才再次接受沉積,進入了拗陷期,其中南五凹整體表現(xiàn)為穩(wěn)定熱沉降作用。
南五凹構(gòu)造演化分析表明,不同于中國東部和近海絕大多數(shù)新生代凹陷的“下斷上坳型”的雙層結(jié)構(gòu)[11],南五凹具有特殊的“坳-斷-坳”的三層結(jié)構(gòu)。
南五凹與陸上的蘇北盆地高郵凹陷同屬于蘇北-南黃海新生代構(gòu)造體系。高郵凹陷阜寧組以面積廣、厚度大的湖相沉積為主要特征,最大厚度約為2 200 m,而南五凹阜寧組最大厚度約為2 500 m。構(gòu)造背景和地層厚度的相似表明了兩者沉積環(huán)境具有可比性,即南五凹阜寧組也可能形成廣闊湖泊。
南五凹及其周緣鉆探的4口井中,有3口鉆遇阜寧組。I井位于南二凸起之上,僅鉆遇阜二段(厚度為225 m),錄井揭示其下部富含灰?guī)r,單層厚度2.0~13.5 m,灰?guī)r之間夾1~2 m厚的泥巖或粉砂巖,測井GR曲線呈鋸齒型,為湖相碳酸鹽巖淺灘沉積;上部為濱淺湖碎屑巖沉積,為灰色砂巖與棕色泥巖互層,砂巖、泥巖單層厚度均在3 m左右,且覆蓋了南五凹周緣凸起。II井位于南五凹中部反轉(zhuǎn)帶之上,鉆穿了完整的阜寧組。阜二段發(fā)育大套灰黑色、深灰色泥巖夾薄層砂巖,上部泥巖段厚度為75 m,下部泥巖段厚度為97 m(含2 m油頁巖);地化分析結(jié)果表明,泥巖中富含4-甲基甾烷和伽馬蠟烷,反映半深湖沉積環(huán)境。阜四段發(fā)育較厚的灰黑色、深灰色泥巖,泥巖含量97.6%,測井GR曲線平滑,為半深—深湖相沉積。III井位于中部反轉(zhuǎn)帶的南翼,僅鉆遇阜四段上部125 m厚的地層,其中頂部發(fā)育3層1.0~1.5 m厚的灰黑色粉砂巖,中部發(fā)育厚層灰黑色泥巖,測井GR曲線較為平滑,反映泥巖較純,含量93%;下部發(fā)育2層2~3 m厚的灰黑色、灰棕色泥質(zhì)白云巖,為淺湖—半深湖沉積。
上述3口鉆井揭示南五凹中部反轉(zhuǎn)帶和周緣凸起之上均有阜寧組湖相沉積,表明其在該沉積期表現(xiàn)為廣闊的湖盆,發(fā)育面積較大的半深—深湖,甚至可能與其他凹陷相連通。
前人研究認為,中國近海新生代盆地湖相泥巖在地震剖面上表現(xiàn)為“低頻-連續(xù)-強反射”的特征,這已經(jīng)成為識別湖相沉積的重要標(biāo)志[12-13]。但是,湖相沉積在不同的構(gòu)造部位表現(xiàn)出不同的地震相特征,這與不同構(gòu)造部位上的砂泥巖比值或者沉積構(gòu)造的差異有關(guān)。南五凹阜寧組湖相沉積表現(xiàn)為4種典型的地震相特征(表1)。
表1 南黃海盆地南五凹阜寧組典型地震相特征Table1 Typical seismic facies characteristics of Funing Formation in Nanwu sag,South Yellow Sea basin
I類地震相為較低頻-連續(xù)-平行-中強反射,主要分布在陡斷帶的深洼區(qū),較容易識別,雖然沒有鉆井鉆遇,但是該套反射波組向中部反轉(zhuǎn)帶或緩坡帶延伸而被鉆井所證實。在緊鄰斷層處阜一段和阜三段表現(xiàn)為微弱的下超現(xiàn)象,表明該時期水位下降,三角洲沉積進入到凹陷內(nèi),而阜二段和阜四段則是明顯的低頻連續(xù)中強反射,表明該時期水位上升,半深—深湖覆蓋了整個凹陷。
II類地震相為低頻-中連續(xù)-平行-強反射,主要分布在中部反轉(zhuǎn)帶的南翼。III井揭示該套波組頂部的強反射為阜四段的半深湖相泥巖,中部的低頻-平行-強反射波組則代表了阜二段的厚層深湖相泥巖,由于受到斷層的影響,表現(xiàn)為局部的弱連續(xù)。
III類地震相為低頻-連續(xù)-平行-強反射,主要分布在緩坡帶,最突出的特點是阜二段湖相泥巖的紅-黑雙軌同相軸的特征,下部的弱反射表現(xiàn)為低角度的下超,代表了阜一段發(fā)育的小規(guī)模三角洲沉積。
IV類地震相為雜亂弱反射,主要分布在南五凹周緣凸起之上。I井揭示該套雜亂弱反射為阜二段底部的一套湖相碳酸鹽巖淺灘沉積,表明在高水位期時,湖相沉積已經(jīng)覆蓋了整個南五凹,并且有可能延伸得更遠。
通過對南五凹的單井相和地震相分析,認為阜寧組湖相泥巖不僅分布在凹陷的深洼中,也分布于中部反轉(zhuǎn)帶、北部緩坡帶及周緣凸起。其中,阜二段半深—深湖相分布廣泛,面積約1 050 km2;阜四段缺少碳酸鹽巖淺灘沉積,但半深—深湖相面積比阜二段略大(約1 400 km2)。對南部坳陷其他凹陷地震測線的精細解釋發(fā)現(xiàn),阜寧組與上覆地層在這些凹陷的邊緣為削截關(guān)系,說明阜寧組在沉積之后遭受了剝蝕,原始沉積的阜寧組不僅覆蓋了現(xiàn)今的凹陷,而且可能延伸到周緣凸起之上;阜寧組沉積時期南五凹和南部坳陷的其他凹陷很可能為一個統(tǒng)一的湖盆(圖3),具有“廣湖”的沉積特征[14]。
圖3 南黃海盆地南部坳陷阜寧組一段+二段沉積相簡圖[13]Fig.3 Sedimentary facies of E1f 1+2 in South depression of South Yellow Sea basin[13]
中國東部盆地中有多個凹陷的古新統(tǒng)—始新統(tǒng)烴源巖形成于咸水沉積環(huán)境,如渤海灣盆地東營凹陷、東濮凹陷、歧口凹陷等[15-17]。南五凹阜寧組廣闊湖盆發(fā)育時期亦為咸水沉積環(huán)境,分析認為主要是由于海侵作用造成的,表現(xiàn)為以下標(biāo)志性特征。
1)微量元素指標(biāo)。研究表明,泥巖的硼鎵比(B/Ga)和鍶鋇比(Sr/Ba)能指示沉積環(huán)境。南部坳陷鉆井揭示,在阜四段泥巖樣品中,B/Ga>3.3的樣品比例達到了50%,Sr/Ba≥1的樣品比例達到了43.3%。這表明阜寧組沉積于水體偏咸的環(huán)境[18]。
此外,蘇北盆地阜寧組碳酸鹽巖膠結(jié)物的碳氧同位素分析指示了阜二段和阜四段沉積于咸水沉積環(huán)境[19]。洪澤凹陷阜寧組鹽巖及鹽巖膠結(jié)物的微量元素分析表明,阜四段的微量元素值與海水最為接近,與內(nèi)陸咸化湖盆相差比較大,說明蘇北盆地在阜二段、阜四段沉積時期湖盆的咸化受到了海侵的影響[20]。高郵凹陷三垛組和戴南組原油的含硫量為0.7%~0.9%,阜寧組原油的含硫量最高為1.42%[21],約屬于中等含硫原油(0.5%~2.0%),與海相泥巖生烴特征相似。這些證據(jù)表明蘇北盆地遭受過一定程度的海侵作用,也從側(cè)面證明了更接近古海洋一側(cè)的南黃海盆地在阜寧組沉積時期遭受過海侵的影響。
2)古生物指標(biāo)。III井揭示阜四段含有溝鞭藻、疑源類蟲牙和少量海相介形蟲等,具有海相古生物的特征,其中蟲牙為海生環(huán)節(jié)動物門多毛綱用來攝取食物的顎器,屬于典型的海相化石[22]。蘇北盆地阜寧組露頭中發(fā)現(xiàn)了多毛綱蟲管(蟲牙)、海相藻類(疊層石)、有孔蟲(圓盤蟲)及海相魚類(六合鯡、洞庭鮨)化石[23],說明當(dāng)時海侵程度非常高。因此,南五凹也不可避免地遭受了海侵。
3)特殊巖性指標(biāo)。I井在南二凸起上鉆遇了阜二段下部的含泥質(zhì)灰色灰?guī)r,這種碳酸鹽巖發(fā)育需要特定的地質(zhì)條件,當(dāng)水體中碳酸鈣達到飽和或過飽和條件時,會促使碳酸鈣晶體大量析出而固結(jié)成巖。碳酸鹽巖的發(fā)育同樣說明了南五凹阜二段沉積時期水體鹽度偏大。
4)生物標(biāo)志物指標(biāo)。伽馬蠟烷是指示咸水環(huán)境的最常用的生物標(biāo)志物指標(biāo),如經(jīng)歷過海侵作用的松遼盆地微咸水環(huán)境的烴源巖中就含有較高的伽馬蠟烷[24]。雖然Ⅱ井鉆遇的阜二段泥巖的生物標(biāo)志物表現(xiàn)為偏C29甾烷優(yōu)勢分布,伽馬蠟烷含量偏低,指示了一種偏陸相的沉積環(huán)境,但是在相鄰的南四凹阜四段湖相泥巖的色譜和質(zhì)譜數(shù)據(jù)表明該段泥巖C27—C29甾烷生物構(gòu)型為標(biāo)準(zhǔn)的C27、C29甾烷均勢,具有高含量4-甲基甾烷,伽馬蠟烷含量中等,表明其沉積環(huán)境為具有一定鹽度的還原水體環(huán)境。
研究表明,中國近海及東部陸上富烴凹陷的半深—深湖相烴源巖層的沉降速率均高于200 m/Ma。從南黃海盆地阜寧組的沉積速率來看,主要凹陷的沉積速率值比較大,其中南四凹和南五凹都超過了200 m/Ma[25],這也間接證實了南部坳陷應(yīng)發(fā)育半深—深湖相。
蘇北盆地和南黃海盆地南部坳陷在新生代早期實際上是一個統(tǒng)一的盆地,在阜寧組沉積時期呈現(xiàn)出三角洲—濱淺湖—深湖相的沉積格局,阜二段至阜四段沉積時期經(jīng)歷了水進—水退—水進的旋回過程。依據(jù)全球海平面變化,該時期也是地質(zhì)歷史上最大的基準(zhǔn)面上升期,此時古東海海平面上升,為蘇北-南黃海盆地遭受海侵提供了海水來源[26]。阜二段沉積時期是第一次水進期,整體沉降速率在80 m/Ma左右,相對海平面上升幅度有限,在蘇北盆地東部及南黃海盆地南二凹和南五凹發(fā)育大面積半深—深湖相,蘇北盆地西部及南四凹、勿南沙隆起上的勿一凹、勿二凹為濱淺湖相,南五凹東部和南二凸起發(fā)育零星的淺水碳酸鹽巖淺灘,表明該時期的海侵作用影響范圍較小。阜四段沉積時期是第二次水進期,也是湖盆的全盛期,整體沉降速率超過200 m/Ma,相對海平面大幅度上升,古東海為蘇北-南黃海南部坳陷提供源源不斷的海水,在南黃海地區(qū)形成指狀古海灣,海侵作用一直深入到蘇北盆地的中西部,形成一個連片發(fā)育的大型坳陷型半深—深湖區(qū)[27](圖4)。
圖4 蘇北-南黃海盆地南部坳陷阜寧組四段殘留沉積相[27]Fig.4 Sedimentary facies of E1f 4 in Subei basin and South depression of South Yellow Sea basin[27]
基于鉆井分析和地震測線精細解釋,認為南五凹在阜寧組沉積期的廣湖咸化背景下半深—深湖相烴源巖分布廣泛,阜二段和阜四段半深—深湖相面積分別約為1 050 km2和1 440 km2。阜寧組最大厚度超過了蘇北盆地,達到2 500 m,具備了生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。
咸化湖泊烴源巖具有三個特點:一是能形成以浮游藻類及無定形為主的II型干酪根;二是咸水弱還原條件有利于有機質(zhì)保存;三是生烴活化能低,生、排烴時刻早,使得生、排烴時間大幅延長。南五凹阜四段和阜二段半深—深湖相烴源巖地球化學(xué)分析結(jié)果也符合以上規(guī)律,干酪根以I型和II1型為主,總有機碳含量平均為1.75%,生烴潛量平均為6.3 mg/g,氫指數(shù)平均為343 mg/g,綜合評價屬于中等—好烴源巖。熱模擬實驗表明,南五凹阜寧組湖相烴源巖Ro為0.53%~0.65%,已經(jīng)進入低成熟階段;阜寧組烴源巖生烴活化能為209 kJ/mol,低于典型湖相烴源巖(為221 kJ/mol),兩者之間的差異不僅將南五凹生烴門限深度由3 200 m提升到2 500 m,阜四段成熟烴源巖面積由150 km2增加到650 km2,而且生烴時間提前,延長了排烴持續(xù)時間。這一重大變化使得原來認為的未成熟烴源巖也能參與到油氣資源潛力計算,南五凹資源量從不到1.3×108m3油當(dāng)量提升至4.1×108m3[28],與高郵凹陷(為4.9×108m3油當(dāng)量)處于同一數(shù)量級,表明南五凹具有很大的油氣生成潛力。
南五凹新生界自下而上發(fā)育阜寧組、戴南組和三垛組等3套儲蓋組合,其中,阜寧組儲蓋組合鉆井揭露較少,三垛組儲蓋組合的蓋層因遭受剝蝕而風(fēng)險較高,而戴南組儲蓋組合配置關(guān)系最好。從高郵凹陷勘探成果看,戴南組也是重要的油氣產(chǎn)層。
在始新世斷陷期,南五凹總體發(fā)育扇三角洲-湖泊沉積體系。南部的勿南沙隆起是長期的物源供給區(qū)。在低水位期,沉積物在南部邊界斷裂下降盤形成扇三角洲,并進一步向凹陷內(nèi)部延伸,可一直延續(xù)沉積于反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶。分析表明,反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶上III井鉆遇的戴南組扇三角洲前緣砂巖為含長石巖屑質(zhì)石英砂巖,基質(zhì)和膠結(jié)物含量低,巖石結(jié)構(gòu)疏松,有利于形成好的儲層;實測砂巖孔隙度一般大于15%,滲透率為20~183 mD,總體上是中—好級別的儲層。在高水位期,扇三角洲規(guī)模收縮,以濱淺湖相沉積為主,泥巖十分發(fā)育,鉆井揭示戴南組泥巖累計厚度約為643.5 m,單層最大厚度為52 m,可以作為良好的蓋層。
基準(zhǔn)面的旋回變化控制了戴南組儲蓋組合的配置關(guān)系,自下而上可形成3套有利儲蓋組合:①戴一段退積型扇三角洲前緣砂巖和濱湖泥巖形成的儲蓋組合;②戴二段沉積早期退積型扇三角洲前緣砂巖、濱岸砂壩和淺湖泥巖形成的儲蓋組合;③戴南組沉積晚期進積型扇三角洲前緣砂巖和濱湖泥巖形成的儲蓋組合。
南五凹新生代構(gòu)造變形復(fù)雜,形成了南部陡斷帶、中部反轉(zhuǎn)帶和北部緩坡帶等3個構(gòu)造帶,每一個構(gòu)造帶上都發(fā)育多種類型的圈閉。南部陡斷帶緊鄰邊界斷層,形成了受斷裂控制的斷鼻或斷背斜型圈閉,以及與大型扇體共同控制的構(gòu)造-巖性復(fù)合型圈閉。中部反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶上斷裂十分發(fā)育,呈復(fù)雜化的Y字形特征,背斜頂部晚期斷層較為發(fā)育,破碎化程度較高,在頂部常形成小型斷塊或者斷背斜圈閉,在翼部常形成單斷層控制的斷鼻型圈閉。北部緩坡帶遠離深洼區(qū),由一系列產(chǎn)狀平緩的順向正斷層組成,這些斷層基本上都滑脫到阜寧組泥巖層中,Y字形構(gòu)造樣式較為常見,圈閉類型以斷塊為主,數(shù)量較少。
南五凹大型正向構(gòu)造單元不僅自身發(fā)育了溝通深部烴源巖和中淺層儲層的斷層,而且深受邊界斷層的影響。邊界斷層及其上盤發(fā)育的次級斷層在始新世活動較強,能夠作為高效的油氣運移通道,將阜寧組生成的油氣運送到戴南組儲集體中,而戴南組富集的砂巖形成的低勢區(qū)也能進一步輔助油氣運移。
南五凹邊界斷層呈現(xiàn)出始新世活動較強的特征,活動速率普遍大于50 m/Ma,最大可達250 m/Ma;該區(qū)次級斷裂在主要活動時期的速率普遍大于30 m/Ma,最大約為90 m/Ma。同時,南部邊界斷層在該區(qū)域表現(xiàn)為上凸的特征,是油氣向上運移的有利構(gòu)造脊,其下陡上緩的幾何形態(tài)決定了該斷層不僅有利于將深部油氣向上高效運移,還能促使油氣在其上盤的背斜型儲蓋組合中聚集,形成下生上儲型油氣藏(圖5)。綜合分析認為,在南五凹的3個構(gòu)造帶中,南部陡斷帶距離阜寧組生烴中心最近,油氣成藏條件最為優(yōu)越,是最有潛力的勘探區(qū)帶;其次為中部反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶。
圖5 南黃海盆地南五凹陡斷帶預(yù)測成藏模式(剖面位置見圖1)Fig.5 Hydrocarbon accumulation model of the steep faulted belt in Nanwu sag,South Yellow Sea basin(see Fig.1 for location)
1)南黃海盆地南部坳陷新生界具有“坳-斷-坳”三層結(jié)構(gòu)。晚白堊世—古新世,南五凹整體處于拗陷作用階段,發(fā)育廣湖沉積;始新世,南五凹進入強烈斷陷階段,斷層強烈活動,發(fā)育扇三角洲-濱淺湖沉積;漸新世,南五凹受到三垛運動的影響,遭受大規(guī)模隆升剝蝕;新近紀之后,南五凹處于穩(wěn)定熱沉降階段。
2)南五凹在阜寧組沉積時期形成了獨特的廣湖咸化沉積特征;阜寧組二段和四段半深—深湖相泥巖在凹陷深洼、緩坡帶及周緣凸起上均有發(fā)育,具有面積廣、厚度大的特點。古東海自東向西的海侵作用,是廣湖發(fā)生咸化的形成機制。
3)南五凹阜寧組咸化湖泊烴源巖不僅規(guī)模大,而且生排烴早,生烴潛力大;戴南組扇三角洲-濱淺湖相沉積在縱向上形成了3套良好的儲蓋組合;邊界斷層及凹陷內(nèi)部的次級斷層長期發(fā)育,形成了良好的油源通道;南部陡斷帶和中部反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶上發(fā)育了多個規(guī)模較大的斷背斜或斷鼻型圈閉,是有利的油氣運移指向區(qū),也是南五凹最有潛力的勘探方向。