潍北凹陷断裂系统特征及其控藏机制

潘守旭查 明梁书义程有义高长海

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;2.中国石化胜利油田分公司东胜公司,山东东营257001)

潍北凹陷断裂系统特征及其控藏机制

潘守旭1,查 明1,梁书义2,程有义2,高长海1

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;2.中国石化胜利油田分公司东胜公司,山东东营257001)

潍北凹陷断裂系统复杂且与油气藏分布关系密切,前人较少涉及凹陷整体断裂系统及其对油气成藏作用的研究。为此,基于地震及地球化学资料,系统研究了该区断裂的展布特征和活动特征,探讨了断裂系统对油气藏的控制作用。结果表明,根据断裂走向将潍北凹陷断裂划分为北西西向、北西向、利渔-灶户、北北东向4组断裂系统;4组断裂系统主要有断阶型、反“Y”字型、“Y”字型以及负花状等多种断裂组合样式,主要形成于凹陷拉张断陷期,并且受到走滑挤压的影响。结论认为,断裂系统中不同走向的断裂对油气运聚的控制作用明显,深大断裂控制了油气田的分布,北西向、北北东向断裂系统是油气运移的主要通道,利渔-灶户断裂系统控制了凹陷最主要的含油气圈闭。

潍北凹陷; 断裂系统; 油气运移; 油气成藏

断裂和裂陷活动是渤海湾盆地新生代含油气盆地形成的主导因素[1-3],断裂系统对油气藏的形成与保存有着显著的控制作用[4],深化断裂形成和演化过程是认识断陷盆地油气藏地质条件和探讨断裂对油气分布规律控制作用所必需的。

潍北凹陷是渤海湾盆地内典型的断陷盆地,断裂系统与关系十分密切,但前人对该地区的研究多集中在烃源岩特征、油气源对比、成藏期次等方面,对该区的断裂系统特征及其控藏作用较少涉及。此外,在断裂系统的研究中多依据断裂所处构造层序进行划分[5-7],由于潍北凹陷控制油藏的断裂均属于同一构造层,且断层走向对油气藏的控制作用十分明显,为此,基于地震资料,根据断裂走向对潍北凹陷断裂系统进行了划分,结合地化资料,探讨了断裂系统在油气成藏过程中的控制作用,为该区下一步的油气勘探工作提供帮助。

1 区域地质概况

潍北凹陷是新生代发育的陆相断陷盆地,昌潍盆地东北部的次级凹陷,勘探面积约为880 km2,地层自下而上为中生界白垩系王氏组、新生界古近系孔店组和沙河街组、新近系馆陶组和明化镇组、第四系平原组。凹陷在郯庐断裂的控制下,总体经历了走滑裂陷-拉张断陷-走滑挤压-区域坳陷的演化过程(见表1),形成了现今的“南断北超”与“东西双断”的构造格局与凹陷内发育的4组断裂系统,4组断裂系统的分布又将潍北凹陷进一步划分为4个二级构造单元(见图1):瓦城断阶带、北部洼陷带、灶户断鼻带以及南部斜坡带。研究区有效烃源岩仅为孔店组孔二段烃源岩,主要岩石类型有油页岩和暗色泥岩。孔一段砂岩是凹陷内最好的储集层。孔一上亚段、沙四段岩性主要为紫红色泥岩、含膏泥岩,是本区的主要盖层,具有厚度大、分布广而且稳定的特点。潍北凹陷的油气主要聚集于以灶户断鼻带为主的高断块,油藏平面多为窄而长的“油条状”,剖面上多为沿断层排列的“牙刷状”。

表1 潍北凹陷构造演化Table 1 The tectonic evolution of Weibei sag

图1 潍北凹陷构造单元划分Fig.1 The tectonic unit division of Weibei sag

2 断裂展布特征

2.1 断裂总体特征

根据区域地质特征、地层沉积特点、地震反射特征及测区内两个明显的不整合面,凹陷内的沉积盖层可划分为上、中、下共3个构造层[8]。从发育时代来看,边界控盘断层发育较早,在孔三段沉积之前便已经发育,属于下构造层,凹陷内的次级断层均位于中构造层(见图2),即孔店组和沙四段地层内,该构造层整体以拉张断陷为主,期间伴随着郯庐断裂的数次走滑;从其平面展布特征来看,潍北凹陷断裂主要分为北东、北西和近东西向3组,其中,西部以近东西向为主,东部以北东向和北西向断层为主,且由西向东断层的方向与数量进一步复杂化,在中部的利渔-灶户地区发育共轭变换断层组合;从断裂规模来看,西部断层延伸距离长,落差大,三级断层的数量较东部更多,东部断层规模相对较小,以少量三级及以下级别的断层为主;从断裂性质来看,主要以拉张-走滑作用形成的正断层为主,多呈高角度的同向和反向断层。

2.2 断裂系统划分

由于控制油气藏的断层均处于中构造层内,以拉张断陷作用为主,且油气藏的分布明显受断层走向控制,因此主要根据潍北凹陷断裂走向将潍北凹陷断裂划分为4组断裂系统,如表2和图3所示。

图2 潍北凹陷断裂类型Fig.2 The fault type of Weibei sag

表2 潍北凹陷断裂系统地质要素Table 2 The geology factors of Weibei Sag fault system

图3 潍北凹陷断裂系统划分Fig.3 The fault systems division of Weibei sag

2.2.1 北西西向断裂系统 主要分布在凹陷西部瓦城断阶带,断裂规模较大,以西利渔北断层为代表,多横贯整个瓦城断阶带。以南掉北倾的顺向正断层为主,表现出断阶构造样式,伴生的次级断裂与主干断层组成反“Y”字型。断层走向为北西西-近东西向,与凹陷南北部边界断层近于平行,整体上为凹陷拉张断陷期近南北向伸展的产物。

2.2.2 北西向断裂系统 主要分布在凹陷东北部区域,该组断裂将北部洼陷带与灶户断鼻带连接在一起,主要由数条规模较大的北西向断裂及其伴生断裂组成,表现出“Y”字型构造样式。断层走向以北西向为主,整体上在走滑裂陷期形成的北西西向断裂的基础上,继承性发展形成的该组断裂系统。

2.2.3 利渔-灶户断裂系统 主要分布在灶户断鼻带及其与瓦城断阶带的过渡地区,该组断裂系统控制着凹陷主力生油区块,断层规模较小,主要由近NS向、近EW向的三级断裂组成。该地区为走滑与拉张作用的叠加带,即断裂转换带[8],同为近东西走向的正断层由于倾向相反组成了共轭断层,在盆地东部边界的走滑挤压作用下产生了近南北向的调节断层,构造样式既有拉张形成的“Y”字型构造,又有走滑形成的花状构造。断层走向主要为近东西与近南北向,整体上为拉张断陷期形成的近东西向断层与走滑挤压期形成的近南北向调节断层一起组成了该组断裂系统。

2.2.4 北北东向断裂系统 主要分布在凹陷东南部边界,其中以南部斜坡带上的雁行断裂最为典型,断层规模较小,倾角较大,剖面上为典型的负花状构造。断层主要走向为北北东向,整体上为郯庐断裂数次走滑作用叠加形成的断裂系统。

2.3 断裂组合样式

潍北凹陷断裂在剖面上表现为高角度正向和反向正断层剖面构造样式基本类型可以分为走滑构造、伸展构造和挤压反转构造[9]。其中走滑构造以花状构造为主,主要发育在东部的昌邑大店断裂以及东南部的柳南断裂带附近;伸展构造样式主要以各种正断层构造样式为主(见图2),包括扫帚式、阶梯式、“反Y”字型、“Y”字型等,遍及整个凹陷;其中孔一、孔二段的反向断块是凹陷内最主要的圈闭类型;反转构造样式主要发育在灶户断鼻带,在地震剖面上体现为下部反射层断距大,中部断距变小,上部断距又变大,表明了灶户构造带受到边界断层的走滑挤压与南北向的区域拉张双重控制。

3 断裂活动特征

3.1 断裂剖面演化特征

潍北凹陷的构造演化主要受郯庐断裂走滑挤压与渤海湾盆地区域性拉张的控制,基于地震资料解释成果,选取了南北向690.8测线(见图3)进行平衡剖面构造恢复,结果如图4所示。研究表明,受控于郯庐断裂带的持续活动,潍北凹陷经历了走滑裂陷-拉张断陷-走滑挤压-区域坳陷4个构造演化阶段:

(1)孔三段沉积时期,由于郯庐断裂从左旋平移转变为右旋平移,在区域伸展的背景下,原以走滑为主的古城-潍河口断层转变为张性或张扭性断裂,在盆地北部呈现为NE向和NWW向两组“锯齿状”排列的断层,边界断层的剧烈下沉奠定了凹陷“南断北超”的构造格局;(2)孔二段沉积期的拉张断陷使凹陷快速沉积,形成了凹陷最主要的烃源岩,并使凹陷在这个时期广泛发育近东西向的正断层;孔一段沉积期构造较稳定,形成了区内主要的储层与盖层; (3)沙河街组沉积期末,昌邑-大店断裂走滑挤压加剧了北北东向断裂系统的走滑,并在凹陷东部形成了灶户断鼻带,该构造带是古地形控制继承性发育的、由北向南贯穿整个凹陷的大型正向构造带,是油气运移、聚集的主要指向区[10];(4)新近纪-第四纪,凹陷受渤海湾区域构造影响表现为整体坳陷,因此断裂在浅层不发育。

综上可知,边界控盘断层发育较早,在孔三段沉积之前便已经发育。孔二段沉积时为凹陷内次级断层主要形成期,孔一段沉积期发育了凹陷的主要储层与盖层,沙河街沉积期末,受走滑运动影响,主要发育了利渔-灶户断裂系统中的调节断层并使北北东向断裂系统走滑作用加剧。

图4 潍北凹陷南北向690.8剖面构造演化图Fig.4 The north-south profile 690.8 structure evolution of Weibei sag

3.2 断层活动期次及演化过程

(1)凹陷西部NWW向断裂系统主要是孔二段沉积期渤海湾凹陷的区域拉张作用的结果。该组断裂系统在孔二段沉积期开始活动,受南北向拉张持续活动到馆陶期,主要活动集中在孔一段沉积期,虽然断层规模较大,但整体活动性弱。

(2)凹陷东北部的NW向断裂系统即是在孔三段沉积期形成的古城-潍河口断层NWW向分支的基础上继承发育的,断层走向自下而上走向由NWW向向NW向转变,在纵向上切穿烃源岩层,该组断裂系统自形成以来整体活动性较大,由于潍北凹陷油气主要充注时期为沙四沉积中期至沙河街期构造运动时期[11-12],因此,该组断裂系统可以成为油气由北部洼陷带向灶户断鼻带运移的有效通道。

(3)国内外学者的模拟实验研究表明,深部走滑断层对上覆地层能产生伴生构造-雁行状断裂或褶皱[13]。凹陷东部边界的NNE向断裂系统即是在昌邑-大店断裂的走滑作用下形成的一系列雁列状走滑断层。该组断裂系统活动期次与昌邑大店断裂一致,孔三段沉积期活动性较强,孔二段到孔一段沉积期活动性较弱,沙河街期末与馆陶期末由于昌邑-大店断裂的走滑挤压活动性又一次变强。走滑断裂带因断裂作用造成应力集中释放,是流体势能的低势区,因此该组断裂可以成为油气运移的有效通道[14]。因此,该组断裂系统可以作为油气由东南成熟区向南部斜坡带运移的有效通道。

(4)利渔-灶户断裂系统主要由孔二段沉积期形成的近EW向共轭断层与孔一段沉积期昌邑大店断裂的走滑挤压作用形成的近NS向的调节断层所组成。调节带是断层分段生长过程中应力集中释放的区域,局部应力场复杂多变,伴生大量次级断层,往往形成油气聚集的有利构造圈闭[15-16],目前在灶户断鼻带已经发现了研究区绝大多数断块油藏。

综上可知,凹陷成藏期的断层活动性整体上表现为NW向与NNE向活动性较强,近NS向、NWW向断层活动性较弱(见表3)。结合现今油气分布(见图1)可以看出,孔二-孔一段沉积期发育的系统、尤其是沟通北部油源的北西向断层裂系统以及沟通南部油源北北东向断裂系统输导能力较强,控制了油气藏的形成和分布。

4 油气运移路径分析

前人对该地区的烃源岩评价以及油源对比发现[17-18]:该地区的主烃源岩灶位于于北部洼陷带以及东南隆起带上的孔二段,且油气均为近源油藏,原油均来自邻区的烃源岩。C29甾烷20Rαββ/ααα、∑、1,8/2,4-二甲基咔唑及1,8/2,7二甲基咔唑可以作为判识原油运移距离的有效指标[19-21]。

首先是生标化合物C29甾烷ααα20S/20R与C29甾烷20Rαββ/ααα对比,其中C29甾烷ααα20S/ 20R也是成熟度的参考指标,可以看到本地原油与邻区烃源岩成熟度相一致,体现为近源成藏,只有灶户断鼻带北部的原油才出现微弱的油气运移效应(图5(a)),此外,经过央5井、央6井以及南部斜坡带疃3井的岩心观察,发现在孔二段及孔一段发育大量裂缝,前人曾对裂缝充填物的包裹体进行测温[12],推测其形成时期为沙河街期末,与凹陷主要生烃期一致,对其中的气液包裹体进行激光拉曼光谱分析[8],其气态成分主要为甲烷及其他烃类,是北西向断裂系统以及北北东向断裂系统作为油气运移通道的有效证据。

表3 潍北凹陷4组断裂系统活动性评价Table 3 The faults activity evaluation of the four faults system in Weibei sag

图5 潍北凹陷C29甾烷运移示踪Fig.5 C29sterane migration trace of Weibei sag

图6 潍北凹陷油气运移路径Fig.6 The schematic diagram of hydrocarbon migration of Weibei sag

结合断裂展布特征及其活动期次与成藏配置关系可知:断层是潍北凹陷油气运移的主要通道,平面上潍北凹陷北部孔二段的油气沿北西向断裂系统以及平行于该方向的构造脊向灶户断鼻带运移,东南成熟区孔二段的油气沿北北东向断裂系统向邻区发生短距离的运移,均为近源成藏;剖面上,孔二段的油气从北向南呈阶梯状沿着继承性发育的油源断裂向上抬升运移到孔一段形成浅层的断块油藏,沿着孔三段顶部的不整合面至构造高位的玄武岩储集层,形成火山岩油气藏。

5 断层控藏机制

边界断裂长期继承性活动,控制了盆地生油洼陷的发育与大型圈闭的成带分布,次级断裂具有封闭、输导和分配油气的作用,二、三级主断层控制含油区块,四、五级小断层一般不改变压力系统,利于油气输导和改善储层[22]。凹陷内发育的断裂对油气的富集、运聚和保存起着显著的控制作用。

5.1 深大断裂控藏机制

根据潍北凹陷的发育特征,从始新世始,潍北凹陷表现为北断南超发育,各沉积层沉降中心都位于凹陷的北西部位;南部的柳疃断层也表现为西部落差大,东部落差小的特征;可见,西侧主动北移拉张控制了潍北凹陷的拉分断陷[23]。昌邑-大店断裂在本区的转向走滑形成了凹陷东部的局部沉降中心,在郯庐断裂的右旋走滑期,昌邑-大店断裂两侧地层也形成了相对错动,并加剧了凹陷东部的局部沉降,导致了北西走向、两翼不对称的大型造户鼻状构造的发育。该处构造形成并定型于排烃期之前,且处于油气运移路径之上,是该区最有效的圈闭带,目前潍北凹陷已发现的油气藏主要集中于此。

总之,边界断裂控制着凹陷的沉积和沉降中心以及大型圈闭成群分布,长期活动的油源断裂是油气重要指向区,这些深大断裂宏观上控藏机制。

5.2 北西向、北北东向断裂系统控藏机制

北西向断裂系统形成于走滑裂陷期且在拉张断陷期持续活动,断层开启且断穿孔二段烃源岩层,成为油气纵向运移的主要通道,在断层带附近可以形成多层叠置的油气藏。平面上,该组断裂系统连接了北部洼陷带与灶户断鼻带,且沿断裂走向发育了昌64-昌78-昌70方向的构造脊,地层的抬升为北部凹陷带的油气沿北西向断裂系统运移提供了动力,使其成为侧向运移的主要通道。同样,在凹陷的东南部,东南成熟区的原油沿着东部边界发育的北北东向断裂系统以及柳疃断裂向高处的东南斜坡带运移。低位的原油沿断层-不整合输导体运移到构造高部位的孔三段玄武岩储集层中(见图6)。瓦城断阶带尽管圈闭发育,但由于缺少深入烃源岩灶的油源断裂,源-储输导能力较弱,因此仍未发现大规模油气藏。

5.3 利渔-灶户断裂系统控藏机制

在古地形基础上长期继承发育的灶户鼻状构造,轴向西北,向东南抬起,被近南北-东西向断裂系统切割,使构造复杂化,断块破碎,储层物性得到有效改善,且该区断裂系统活动性与油气成藏期次配置关系较好,又处于油气运移的优势路径上,因此易于油气聚集,潍北凹陷主力含油断块都在此处。该区孔一上亚段为区域性泥岩盖层,孔二中亚段为主要烃源岩,也是很好的盖层,断层落差在60～100 m,上覆泥岩盖层厚度多在100 m之上,因此在该区可以形成较好的断-盖空间配置,且多数为反向断层,断层封闭性总体较好,油气沿断层成条带分布。

6 结论

(1)潍北凹陷有多期构造运动,从而造成该区断裂发育,控制油气藏的断裂均在中构造层,且油气藏明显受断层走向控制,因此,主要根据走向将断层划分为4组断裂系统。

(2)边界大断裂控制了凹陷的沉积演化与地层分布,长期活动的油源断裂控制了油气运移的方向,这些深大断裂控制了凹陷油气富集区带的分布。

(3)北部洼陷带的东部的北西向断裂系统活动期次与油气成藏期匹配关系较好,成为连接北部洼陷带油源与灶户断鼻带储层的关键断裂系统。同样,在南部斜坡带,走滑形成的北北东向断裂系统与柳疃断裂一起成为油气向南部斜坡带运移的主要通道。瓦城断阶带尽管断阶发育,但由于缺少油源断裂,因此仍未发现大规模油气藏。

(4)利渔-灶户地区发育近南北向调节断层,与该区块内的近东西向断层一起,既改善了储层,又能形成有效的遮挡圈闭,控制了断块油气藏的发育。

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(编辑 王亚新)

Characteristics of Fault Systems and Their Control Effect on Reservoirs in the Weibei Sag

Pan Shouxu1,Zha Ming1,Liang Shuyi2,Cheng Youyi2,Gao Changhai1
(1.School of Geoscience,China University of Petroleum,Qingdao Shandong266580,China; 2.Dongsheng Company,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying Shandong257001,China)

A fault system is one of the main geological factors controlling the formation and preservation of hydrocarbon reservoirs in Weibei Sag.The Weibei Sag is characterized by a complex fault system and multiple fault configurations. Unfortunately,previous studies had rarely focused on the overall fault systems and their controlling effect on hydrocarbon accumulation.Based on the seismic interpretation of the whole Weibei sag and geochemical data,the control of fault systems on hydrocarbon accumulation in this sag especially on the pathway of the sag was system atically studied.The following results were obtained:The faults can be grouped into 4 fault systems:NWW direction fault system,NW direction fault system,Liyu-Zaohu fault system and NNE direction fault system according to the fault strike.The fault configurations of the 4 fault systems mainly included strike-slip extensional fault configurations such as fault terrace type,“Y”-shaped type,anti-“Y”-shaped type and negative flower type.They were mostly formed in the extensional-rift period stage in which most faults of this sag were formed and influenced by several strike-slip extrusion.It was concluded that fault systems with different strikes played different rules in controlling hydrocarbon accumulation.The deep-rooted major faults exerted control effect on the distribution of gas fields and the evolution of the basin.The NW direction and NNE direction fault systems acted as the major pathways for hydrocarbon migration and indicated the direction of hydrocarbon,the Liyu-Zaohu fault system controlled the formation of most effective traps in the sag on account of it was on the dominant migration path and its good fault sealing and good reservoir property improved by minor faults.

Weibei Sag;Fault system;Hydrocarbon migration;Hydrocarbon accumulation

TE122

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.014

1006-396X(2017)01-0067-08投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-11-05

:2016-11-17

国家重点基础研究发展计划资助(2014CB239005);国家科技重大专项资助(2016ZX05001,2016ZX05006)。

潘守旭(1990-),男,硕士研究生,从事油气成藏机理研究;E-mail:cumtpsx@126.com。

查明(1958-),男,博士,教授,博士生导师,从事油气成藏机理研究;E-mail:mzha@upc.edu.cn。