胡志偉 宿 雯 李果營 黃 志 葉 濤
(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)
渤海海域?qū)儆诓澈撑璧氐暮S虿糠?,為典型的陸相斷陷盆地,盆?nèi)不同性質(zhì)、不同級別的斷裂廣泛發(fā)育[1-5]。斷裂作為斷陷盆地中最顯著的構(gòu)造要素,不僅控制著盆內(nèi)構(gòu)造格局和成藏要素發(fā)育,而且其作用貫穿油氣成藏的全過程。由于斷裂作用與油氣成藏密切相關(guān),眾多學(xué)者對兩者之間的關(guān)系進行了大量研究,充分證實了斷裂對油氣的生成、運移、聚集、保存以及后期調(diào)整破壞均具有重要影響。李明誠、馬劍、柴永波 等[6-8]探討了斷裂對烴源巖發(fā)育及初次生排烴的影響,羅群、吳智平、姜振學(xué) 等[9-11]總結(jié)了斷裂發(fā)育演化與油氣運聚之間的關(guān)系,呂延防、付廣、于明德、付曉飛 等[12-15]對斷裂封閉機制進行了較為系統(tǒng)的梳理。上述研究成果大多針對演化時間長、規(guī)模尺度大、斷裂級別高的深大斷裂,而對形成時間短、規(guī)模尺度小的小微斷裂,特別是新近紀廣義新構(gòu)造運動期(23.8 Ma以來)形成的大量小微斷裂與油氣成藏之間的關(guān)系研究比較少。
斷裂作為地質(zhì)體中發(fā)生明顯位移的一種破裂構(gòu)造,其發(fā)育演化經(jīng)歷了微裂紋、裂縫、裂隙、節(jié)理、小微斷層、深大斷裂乃至大裂谷等不同遞進演變階段[16-19]。演化程度不同導(dǎo)致斷裂大小尺度不一,級別規(guī)模差異也很大,其對油氣成藏的控制作用也不盡相同[20-21]。隨著渤海油田勘探程度的不斷提高,可供鉆探的深大斷裂控制的相對完整的大型構(gòu)造圈閉日漸稀少;而演化程度更低、規(guī)模尺度更小的小微斷裂控制的構(gòu)造圈閉逐漸成為未來重要的儲量接替陣地。但由于小微斷裂處于斷裂形成演化的初期,平面上延伸距離短,垂向上斷裂累積位移量小,導(dǎo)致小微斷裂在地震識別與構(gòu)造解釋、成因機理分析、控藏效應(yīng)等方面都面臨著諸多困難。近年來,通過對渤海海域南部小微斷裂的精細解釋和勘探實踐,先后在墾利9-1、渤中26-3和渤中34-1W等多個構(gòu)造和油田周邊獲得了良好的油氣發(fā)現(xiàn)。本文立足成盆動力學(xué)背景,充分利用鉆井和高覆蓋、高密度三維地震資料,探討渤海南部小微斷裂的構(gòu)造成因機制及控藏類型,以期推動小微斷裂發(fā)育區(qū)的勘探進程,這對渤海南部高勘探成熟區(qū)尋找新的儲量接替領(lǐng)域具有重要意義。
渤海南部海域?qū)儆诓澈撑璧貪栛晗莸暮S虿糠?,整體表現(xiàn)為受伸展與走滑雙重作用控制的“#”字型格局,著名的郯廬走滑斷裂在該地區(qū)分東、中、西三支穿插而過,其中東支和中支走滑特征更為明顯。平面上,NNE向郯廬走滑斷裂切割近E—W向伸展斷層,兩組斷裂呈現(xiàn)正交特征(圖1)。截至2015年,渤海南部海域累計發(fā)現(xiàn)三級石油地質(zhì)儲量超12×108m3,油氣發(fā)現(xiàn)主要集中于深大斷裂控制的陡坡帶和走滑帶,屬于渤海油田典型的高勘探成熟區(qū)[22]。相對于深大斷裂與油氣成藏已取得的豐碩成果,渤海廣義新構(gòu)造運動期以來形成的小微斷裂與成藏之間的關(guān)系研究尚處于起步階段。
圖1 渤海南部海域構(gòu)造地質(zhì)概況Fig .1 General tectonic geology of southern Bohai sea
按照斷陷盆地的演化模式,渤海南部海域分為古近紀斷陷和新近紀—第四紀拗陷兩大演化階段。需要特別指出的是,經(jīng)典裂谷盆地往往表現(xiàn)為明顯的斷-坳雙層結(jié)構(gòu),進入拗陷期除控凹邊界大斷裂繼續(xù)活動外,大多數(shù)斷裂活動明顯減弱或停止。例如,珠江口盆地惠州凹陷屬于被動大陸邊緣斷陷盆地,表現(xiàn)出明顯的斷-坳雙層結(jié)構(gòu),拗陷期僅有少量控洼斷裂繼續(xù)活動,少有新生斷裂發(fā)育(圖2)。與此不同,渤海南部海域新近紀拗陷期不僅斷裂活動明顯,而且造成大量小微斷裂新生,形成以花狀和似花狀為代表的豐富構(gòu)造樣式(圖3)。分析認為,這一特殊性與郯廬走滑斷裂渤南段“晚斷晚衰”的活動特征密切相關(guān),即新近紀拗陷期渤海南部海域郯廬走滑活動強烈,誘發(fā)了大量小微斷裂的新生和繁盛。
圖2 珠江口盆地惠州凹陷拗陷期斷裂活動特征Fig .2 Characteristics of fault activity in the depression period of Huizhou sag,Pearl River Mouth basin
圖3 黃河口東洼拗陷期小微斷裂構(gòu)造特征(剖面位置見圖1)Fig .3 Tectonic features of micro-faults in the depression period of the Eastern subsag in the Huanghekou sag(see Fig.1 for location)
斷裂作為地質(zhì)體中順破裂面發(fā)生明顯位移的一種破裂構(gòu)造,其形成必須滿足兩大基本條件:應(yīng)力條件和介質(zhì)條件。根據(jù)斷裂成因機制,其本質(zhì)是巖石介質(zhì)在構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下形成的破裂構(gòu)造,巖石體中破裂構(gòu)造順破裂面發(fā)生位移越大,相應(yīng)斷裂展布規(guī)模也越大,其活動特征和控藏效應(yīng)也越易于認識。在不同構(gòu)造應(yīng)力作用下,巖石會發(fā)生不同類型破裂,主要包括縱向破裂、剪切破裂和拉伸破裂,其中剪切破裂表現(xiàn)為巖石在剪切應(yīng)力作用下沿內(nèi)部裂紋形成平面破裂擴展,水平位移為主,垂向位移小。
伸展和剪切作為渤海南部海域2種主要的構(gòu)造應(yīng)力,不同地質(zhì)時期兩者的強弱大小和作用方式并不穩(wěn)定,導(dǎo)致其主導(dǎo)地位會發(fā)生轉(zhuǎn)變。古近紀早期,地幔熱隆起引發(fā)的區(qū)域伸展應(yīng)力對盆內(nèi)結(jié)構(gòu)具有明顯的主導(dǎo)作用,斷塊差異升降明顯,渤海南部為山高谷深的強烈斷陷期。古近紀中期,受太平洋板塊俯沖方向轉(zhuǎn)變的影響,郯廬斷裂帶開始發(fā)生右旋剪切作用,板塊邊界相對運動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力傳遞到板塊內(nèi)部,與地幔隆升形成的伸展應(yīng)力疊加,渤海南部表現(xiàn)出區(qū)域伸展應(yīng)力場疊加右旋走滑的特征。古近紀晚期,伸展作用有所減弱,而板塊構(gòu)造動力對郯廬斷裂帶引起的剪切應(yīng)力有所增強。進入新近紀,地幔隆升引發(fā)的伸展作用進一步減弱,由于太平洋板塊俯沖方向由NWW向、NW向的轉(zhuǎn)變和俯沖速率的加劇,伸展與剪切2種應(yīng)力的配比發(fā)生顯著變化,右旋剪切應(yīng)力開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[23-24],伸展斷陷活動不明顯,局部伸展作用多由走滑作用所派生。特別是5.1 Ma以來,太平洋板塊俯沖方向的又一次改變造成郯廬走滑斷裂在渤海南部的再次強烈活動,剪切應(yīng)力完全占據(jù)主導(dǎo)地位,導(dǎo)致新近系大量小微斷裂的新生和繁盛(圖4)。
采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件對研究區(qū)應(yīng)力場進行數(shù)值模擬,簡化工區(qū)地質(zhì)模型,將渤海南部作為一個整體,周圍非研究區(qū)簡化為剛性區(qū)塊,分別建立不同時期的地質(zhì)模型。模型建立遵循斷層、凸起、凹陷和圍巖不同地質(zhì)要素材料參數(shù)選取差異化原則,其中斷層為弱介質(zhì),楊氏模量較小,泊松比較大;凹陷區(qū)楊氏模量較小,泊松比較大;凸起區(qū)不易變形,楊氏模量較大,泊松比較小;圍巖為剛性物質(zhì),楊氏模量大,泊松比小。根據(jù)主走滑斷層的走向設(shè)定應(yīng)力邊界,為了防止應(yīng)力場漂移以及固定位移造成應(yīng)力集中,右旋應(yīng)力場施加時將NW—SE邊界節(jié)點設(shè)為固定邊界。數(shù)值模擬表明,自孔店組(Ek)沉積期至明化鎮(zhèn)組(Nm)沉積期,郯廬斷裂帶所主導(dǎo)的剪應(yīng)力逐漸增大,到新近紀時期達到高峰。拉張應(yīng)力則先增大后逐漸減小,沙三段(Es3)沉積期為拉張應(yīng)力最大時期,東營組(Ed)沉積末期經(jīng)歷了一個短暫的擠壓過程。進入新近紀,剪切應(yīng)力與伸展應(yīng)力的配比值達到最高,剪切應(yīng)力占據(jù)明顯的主導(dǎo)地位,為小微斷裂的形成提供了根本動力條件(圖5)。
圖4 太平洋板塊俯沖方向與速率(據(jù)文獻[23、24]修改)Fig .4 Subduction direction and rate of Pacific plate (adapted from references[23、24])
圖5 渤海南部海域新生代應(yīng)力載荷變化Fig .5 Variation of stress load in Cenozoic in southern Bohai sea
巖石作為一種特殊的材料介質(zhì),巖性組合、埋藏深度、圍壓圍溫及成巖階段等均影響其介質(zhì)屬性。渤海南部海域新近系館陶組主要發(fā)育辮狀河沉積體系,明化鎮(zhèn)組主要發(fā)育以極淺水湖泊為背景的極淺水三角洲與曲流河沉積體系。勘探實踐證實,以黃河口凹陷為代表的渤海南部海域,明下段泥質(zhì)含量普遍為70%~80%(表1),地層埋深大都小于2 000 m,地層溫度大都小于60 ℃,整體處于早成巖階段或中成巖階段A期[25]。相比深埋藏、固結(jié)程度高、晚成巖階段的巖石表現(xiàn)為明顯脆性形變,高泥質(zhì)含量、淺埋藏、早成巖階段的巖石多表現(xiàn)為脆—塑性或塑性形變特征。低成巖階段的泥巖作為典型的具有壓力塑性的巖類,對外在構(gòu)造應(yīng)力吸收能力強,導(dǎo)致斷裂平面規(guī)模和垂向滑動位移較小,地震響應(yīng)特征不明顯,識別難度大。因此,新近系明化鎮(zhèn)組高泥質(zhì)含量與早成巖階段的塑性巖石介質(zhì)屬性奠定了小微斷裂帶發(fā)育演化的物質(zhì)基礎(chǔ),塑性巖石介質(zhì)對外在構(gòu)造應(yīng)力的吸收是限制小微斷裂平面拓展規(guī)模和垂向斷距大小的重要因素。
表1 渤海南部海域新近系明下段泥質(zhì)含量Table 1 Mud content of Nm in southern Bohai sea
斷裂作為具有誘導(dǎo)裂縫帶、滑動破碎帶和斷層核三元結(jié)構(gòu)的不規(guī)則地質(zhì)體,其中斷層核是封堵油氣的關(guān)鍵要素,其形成經(jīng)歷了巖石碎裂化、細?;⒎勰┗闹鸺壋珊四J?。相應(yīng)地,斷裂演化程度越高,其規(guī)模尺度越大,斷層巖細?;⒎勰┗灿訃乐?,斷層泥更加發(fā)育,油氣封堵能力也越強。
根據(jù)上述分析可知,渤海南部海域新近紀郯廬走滑斷裂活動形成的強烈剪切應(yīng)力場和高泥質(zhì)含量、早成巖階段的地層巖石屬性分別界定了小微斷裂形成的構(gòu)造應(yīng)力條件和介質(zhì)屬性。相比伸展應(yīng)力主導(dǎo)下的拉伸破裂,剪切應(yīng)力條件下發(fā)生的剪切破裂平面擴展更快、尺度更大。例如,2001年昆侖Ms8.1地震形成的地表破裂帶長度達到426 km,最大地表同震左旋水平位移6.4 m,最大垂直位移僅有4 m;2008年汶川地震形成的北川-映秀斷裂帶的地表破裂帶長達240 km,最大右旋走滑位移4.9 m,最大垂直位移6.2 m[26-27]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論和地震活動觀測,渤海南部海域新近紀剪切應(yīng)力主導(dǎo)作用下小微斷裂的形成以剪切破裂機制為主,其特征表現(xiàn)為平面強烈擴展、剪切位移為主、垂向沉降較弱,平面破裂規(guī)模往往是斷裂水平或垂直位移量的四到五個數(shù)量級。另一方面,根據(jù)斷裂封堵油氣的主要類型,無論是巖性對接還是泥巖涂抹,其本質(zhì)是斷裂帶與目的層段的孔滲條件和排替壓力存在差異,當斷裂帶排替壓力大于目的層段壓力時,斷裂帶可以有效封堵油氣,兩者排替壓力差越大,相應(yīng)地斷裂帶可封閉的烴柱高度也就越大[28]??碧綄嵺`證實,斷裂帶泥質(zhì)含量越高,其物性條件越差,相應(yīng)的封堵油氣能力越強。
綜上所述,渤海南部小微斷裂是在剪切應(yīng)力主導(dǎo)下,高泥質(zhì)含量、早成巖階段的塑性巖石發(fā)生剪切破裂所形成的,其形成演化具有如下特征:①剪切破裂機制作用下巖石快速破裂成縫,成縫時間短,平面破裂規(guī)模大,但剪切位移和垂向滑動位移??;②剪切作用下未固結(jié)—半固結(jié)塑性巖石形成塑性泥質(zhì)流侵入斷裂帶,在斷裂帶內(nèi)形成泥巖剪切涂抹,泥質(zhì)流的侵入將極大地降低斷裂帶的孔滲物性,利于油氣封堵;③多期剪切破裂作用下斷裂平面規(guī)模持續(xù)擴展,垂向位移量逐漸累積,在斷裂帶附近形成破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶(圖6)。
圖6 剪切型小微斷裂成因演化模式Fig .6 Genesis evolution model of shear micro-fractures
時間上,渤海南部海域小微斷裂形成于走滑、剪切2種構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)地位逐漸發(fā)生更替的新近紀,剪切應(yīng)力體制下巖石發(fā)生大范圍破裂是其形成的根本原因??臻g上,該地區(qū)小微斷裂多分布于新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組,平面延伸短、垂向斷距小,多為依附于繼承性深大斷裂形成的晚期新生型斷裂,在新近系形成復(fù)雜斷塊構(gòu)造圈閉群。根據(jù)局部剪切應(yīng)力的成因機制及發(fā)育構(gòu)造特征,渤海南部小微斷裂可劃分為橫向調(diào)節(jié)型、垂向傳導(dǎo)型和斷間均衡型等3種類型。
伸展和走滑作為渤海南部最顯著的構(gòu)造應(yīng)力表現(xiàn)形式,2種應(yīng)力在時空上的疊合以及斷裂的不同排列組合往往形成張扭與壓扭2種應(yīng)力場。2種不同構(gòu)造應(yīng)力體制轉(zhuǎn)變、過渡的調(diào)節(jié)帶多為局部剪切應(yīng)力集中帶,易于形成小微斷裂,橫向調(diào)節(jié)型小微斷裂正是形成于2種不同構(gòu)造應(yīng)力體制發(fā)生轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)的區(qū)域。
渤中26-3油田位于渤南低凸起西段邊界大斷層的下降盤(圖1),是受邊界斷裂及其派生的次級斷裂聯(lián)合控制形成的斷塊圈閉群,油氣主要分布于明下段。平面上,位于構(gòu)造低部位的BZ26-3-1井獲得42 m油氣層,高部位的BZ26-3-2井只鉆遇5.4 m油層,厚砂全為水層,兩口井油水關(guān)系矛盾,應(yīng)為相互獨立油藏系統(tǒng);東側(cè)構(gòu)造與2井區(qū)高點幅度相當,按油藏油水關(guān)系判斷已無勘探潛力(圖7)。根據(jù)橫向調(diào)節(jié)型小微斷裂形成條件,1井區(qū)所處的東側(cè)構(gòu)造區(qū)相對寬緩穩(wěn)定,2井區(qū)所處的西側(cè)構(gòu)造帶地層產(chǎn)狀高陡多變,構(gòu)造東西兩側(cè)地層產(chǎn)狀差異明顯,斷層掉向相反,且1、2井區(qū)油水關(guān)系矛盾,兩者處于張扭與壓扭2種不同應(yīng)力轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)位置,具備小微斷裂形成的構(gòu)造條件。在上述模式指導(dǎo)下,運用基于斷層保邊算子的分頻傾角濾波組合技術(shù),最終成功識別并落實了小微斷裂F1,極大地改變了構(gòu)造圈閉的形態(tài)和高低關(guān)系,并最終在1井的構(gòu)造低部位鉆探BZ26-3-9井,獲得油氣層22.3 m,且為厚層砂體成藏,新增三級天然氣地質(zhì)儲量1.58×108m3,三級石油地質(zhì)儲量370×104t。
圖7 渤中26-3油田橫向調(diào)節(jié)型小微斷裂控藏類型Fig .7 Reservoir-control types of lateral adjustment micro-fractures in BZ26-3 oilfield
垂向傳導(dǎo)型小微斷裂是由基底或深部走滑斷裂活動過程中剪切應(yīng)力由深層向淺層蓋層傳導(dǎo)形成局部剪切應(yīng)力場,導(dǎo)致淺層巖石發(fā)生破裂而形成的。由于淺層巖石脆-塑性形變對剪切位移量的吸收,導(dǎo)致斷裂垂向尺度小而不易識別,此種類型小微斷裂多形成于基底早期走滑活動明顯,晚期活動明顯減弱或停止的走滑帶或凸起區(qū)。
墾利9-1油田處于東西均為郯廬走滑斷裂所夾持的萊西走滑帶,剖面上基底早期走滑特征明顯,內(nèi)幕發(fā)育一系列直立走滑斷裂,但淺層新近系無明顯斷裂響應(yīng)(圖8)。勝利油田在鄰近礦區(qū)邊界的高部位鉆探KD30井,僅獲得1.1 m油層,效果不佳。綜合前文,渤海走滑斷裂新生代具有多期強烈活動特征,基底走滑活動可以對上覆沉積地層傳導(dǎo)形成剪切破壞,具備小微斷裂發(fā)育的構(gòu)造動力條件。運用地震-地質(zhì)一體化手段精細解釋落實了小微斷裂F2,重新落實了墾利9-1構(gòu)造(圖8)。以F2斷層為界,墾利9-1構(gòu)造東側(cè)鉆探的1、2、3井分別在新近系鉆遇66.9、32.9和33.7 m油層,構(gòu)造西側(cè)鉆探的4井僅獲得3.6 m油層,充分證實了垂向傳導(dǎo)型小微斷裂控藏的有效性。最終,墾利9-1油田新增三級石油地質(zhì)儲量超4 000×104t,其中新增探明石油地質(zhì)儲量3 200×104t。
圖8 墾利9-1油田垂向傳導(dǎo)型小微斷裂控藏類型Fig .8 Reservoir-control types of vertical conduction micro-fractures in KL9-1 oilfield
斷間均衡型小微斷裂形成于多條大型伸展斷裂之間的產(chǎn)狀變化段或重疊交會區(qū)。一方面,大型斷裂平面走向上的突然拐折端或重疊區(qū)往往為不同應(yīng)力的集中帶和交會區(qū),導(dǎo)致巖石容易發(fā)生破裂形成斷裂;另一方面,不同大型伸展斷裂的伸展方向和伸展量不可能相同,在伸展斷裂的差異伸展作用下,調(diào)節(jié)斷層間位移量的區(qū)域往往也易形成局部剪切應(yīng)力場。因此,斷間均衡型小微斷裂往往分布于伸展斷裂之間的產(chǎn)狀變化段,起到調(diào)節(jié)斷裂差異伸展量的作用。
渤中34-1西構(gòu)造位于黃河口凹陷中央構(gòu)造脊,早期以深層古近系為主要目的層鉆探的BZ34-1-1井在新近系明化鎮(zhèn)組鉆遇12.6 m氣層,認為勘探潛力不大。隨著開發(fā)進程的深入,繼續(xù)在油田周邊尋找接替儲量,在上述模式指導(dǎo)下,將小微斷裂成因模式與高精度相干體切片等物探技術(shù)相結(jié)合,有效識別并精細解釋了小微斷裂F3,成功落實了渤中34-1西構(gòu)造圈閉形態(tài),部署的BZ34-1W-1D井在明化鎮(zhèn)組鉆遇油層47.8 m,氣層16.9 m,新增探明石油地質(zhì)儲量957.8×104t,新增探明天然氣3.96×108m3。BZ34-1W-1D井的油氣發(fā)現(xiàn)不僅證實了斷間均衡型小微斷裂控層的有效性,也是滾動勘探為油田增儲上產(chǎn)的成功案例(圖9)。
圖9 渤中34-1油田斷間均衡型小微斷裂控藏類型Fig .9 Reservoir-control types of inter-fault balanced micro-fractures in BZ34-1 oilfield
1) 郯廬走滑斷裂帶渤南段“晚斷晚衰”的活動特征奠定了渤海南部海域小微斷裂形成的宏觀地質(zhì)背景。新近紀以來渤海南部海域剪切應(yīng)力逐漸取代伸展應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位,為小微斷裂的大量新生提供了動力條件;高泥質(zhì)含量、早成巖階段的巖石介質(zhì)屬性決定了小微斷裂帶形成演化的介質(zhì)條件。小微斷裂具有剪切破裂機制主導(dǎo)下塑性泥質(zhì)流侵入剪切-涂抹成核的發(fā)育演化模式,泥質(zhì)流的侵入極大地改變了斷裂帶的孔滲條件是小微斷裂封堵油氣的重要原因。
2) 根據(jù)局部剪切應(yīng)力的形成環(huán)境及構(gòu)造特征,渤海南部小微斷裂可分為橫向調(diào)節(jié)型、垂向傳導(dǎo)型和斷間均衡型等3種類型。橫向調(diào)節(jié)型小微斷裂形成于2種不同構(gòu)造應(yīng)力體制發(fā)生轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)的區(qū)域;垂向傳導(dǎo)型小微斷裂多發(fā)育于基底早期走滑活動強烈,晚期活動明顯減弱或停止的走滑帶與凸起區(qū);斷間均衡型小微斷裂形成于多條大型伸展斷裂之間的產(chǎn)狀變化段或重疊交會區(qū),起到調(diào)節(jié)大型伸展斷裂不均衡伸展量的作用。小微斷裂精細識別與解釋技術(shù)在渤中26-3、墾利9-1和渤中34-1的成功應(yīng)用對于渤海油田高勘探成熟區(qū)的油氣勘探具有重要意義。