二连盆地巴音都兰凹陷反转构造及其对油气成藏的影响*

2019-02-18陈树光张以明崔永谦田建章刘喜恒周从安

中国海上油气 2019年1期

陈树光张以明崔永谦田建章刘喜恒周从安秦琛吴锐

(1.中国石油华北油田公司勘探开发研究院河北任丘 062552； 2.中国石油华北油田公司河北任丘 062552；3.大庆油田有限责任公司第二采油厂黑龙江大庆 163414； 4.长江大学地球科学学院湖北武汉 430100)

反转构造主要指构造运动(或位移)极性在倒转过程中所形成的叠加构造变形现象[1]。随着构造地质学的发展和3D地震技术在油气勘探中的应用，反转构造已引起地质学家的广泛关注和高度重视，目前对反转构造的类型、几何学特征、运动学特征以及反转程度的定性与定量表征等方面均进行了大量研究[2-7]。漆家福等[8]将反转构造的类型划分为六类，包括伸展构造的反转、收缩构造的反转、沉降构造的反转、隆起构造的反转、左旋走滑构造的反转和右旋走滑构造的反转。针对底辟或热点活动(如泥底辟、盐底辟、岩浆底辟、深部异常体上隆等)形成的背斜是否属于反转构造范畴，有的学者提出了不同看法[9]，杨风丽等[10]认为沉积盆地反转的动力学机制中包含了底辟作用和热点活动；杨克基等[11]通过对渤海湾盆地辽中凹陷反转构造的研究，认为走滑活动可形成反转背斜，同时局部形成的泥底辟也作为一种反转加以探讨。

早白垩世，二连盆地各个凹陷广泛发育反转构造，且在巴音都兰、洪浩尔舒特、阿尔等凹陷发现了反转构造带上形成的圈闭和油气藏[12]，但在反转构造的类型、成因及其对油气成藏的影响方面的研究较少。另外，巴音都兰凹陷油气资源丰富，但大型构造圈闭与有利储集相带不匹配，历经20 余年构造油藏勘探一直未能取得突破；从2001年起通过构建构造-岩性油藏模式，隐蔽油藏勘探才取得重大突破[13]，但其成藏机制及反转作用对隐蔽油藏的影响研究依然较弱。本文主要探讨了二连盆地巴音都兰凹陷反转构造的类型识别与成因机制以及对油气成藏的影响，对于正确认识二连盆地乃至中国东部盆地群在早白垩世发育的反转构造的成因类型、动力机制及其对油气成藏的影响等方面具有重要的借鉴意义。

1 地质概况

二连盆地位于内蒙古自治区中部，东起大兴安岭隆起，西至索伦山隆起，南北分别为温都尔庙隆起和巴音宝力格隆起,是一个在海西褶皱基底上发育起来的中新生代断陷盆地[14]。巴音都兰凹陷是二连盆地马尼特坳陷东北部的一个次级凹陷，其北面和西面与巴音宝力格隆起区相接，东南依布林凸起，西南邻阿拉坦合力凹陷。该凹陷构造演化复杂，内部可划分为南洼、中洼和北洼三部分(图1)，发育多成因、多期次的反转构造，尤其是在中洼地区。因此，本文重点探讨巴音都兰凹陷中洼的反转构造及其对油气成藏的影响。另外，早白垩世为二连盆地最重要的构造演化阶段，发育了一个完整的从裂陷到坳陷的构造演化旋回，成为本区最重要的油气勘探层系，自下而上主要包括阿尔善组(K1ba)、腾格尔组(K1bt)以及赛汉塔拉组(K1bs)(图2)。

巴音都兰凹陷中洼构造可划分为巴一号构造带和包楞构造带两部分(图1)，沉积地层以早白垩世裂陷期的阿尔善组和腾格尔组为主，阿四段为最重要的烃源岩和储集层发育层段;裂后期赛汉塔拉组沉积较薄，且后期盆地整体抬升遭受剥蚀严重。另外，该地区发育了NE向、NNE向和NW向三组断裂。其中，以NE走向的东部控盆边界断裂最为发育，控制了阿三段和阿四段沉积；其次为NNE走向的巴一号断层及一些小断裂，主要控制腾格尔组沉积；而NW走向的断裂仅发育两条，且主要是在腾格尔组沉积晚期发育，位于包楞构造带的西部边界，将包楞构造带与巴一号构造带分割开来。

图1 巴音都兰凹陷构造单元划分Fig.1 Tectonic units division in Bayindulan sag

图2 巴音都兰凹陷地层综合柱状图Fig.2 Stratigraphic comprehensive histogram of Bayindulan sag

在阿尔善组沉积期，中洼为盆地的主要沉降中心，沉积了较厚地层，主要受控于东南侧NE向的控盆边界断裂；该断裂呈铲式形态，其中段、西段较为发育，中东段的断裂活动性明显减弱，从而使阿尔善组具有南洼、中洼厚，向北洼方向延伸逐渐变薄的特点(图3)。

腾格尔组沉积初期基本延续了阿尔善组的地层结构特点，沉降中心没有发生大的改变，但湖水明显变深。到腾二段沉积时期，包楞构造带沉降速率变慢，沉积地层开始逐渐减薄，晚期构造反转，并遭受严重剥蚀(图3)。巴一号构造带b51井区在腾二段沉积前地层较厚，为盆地的沉降中心；腾二段沉积时期表现为正形负花状构造形态，为上凸状的背斜形态，地层变薄，超覆现象明显(图3、4)。另外，中洼、南洼控盆边界断裂活动明显减弱，盆地已由早期的断陷型演变成了断坳转换型。因此，腾二段沉积时期盆地的构造格局发生了较大变化，中洼由原来盆地的沉降中心演变为包楞构造带低凸起和巴一号构造带次级沉降中心，并使整个巴音都兰凹陷的沉降中心分别向北洼和南洼的中部迁移(图3～5)。

图3 包楞构造带和b51井区NE—SW向反转构造特征(剖面位置见图1)Fig.3 NE—SW inversion structure feature in Baoleng structure belt and the b51 wellblock(see Fig.1 for location)

图4 b51井区腾二段沉积期走滑反转构造特征(剖面位置见图1)Fig.4 Inversion structure feature caused by the strike-slip movement in K1bt2 in the b51 wellblock(see Fig.1 for location)

图5 包楞构造带NW—SE向反转构造特征(剖面位置见图1)Fig.5 NW—SE inversion structure feature in Baoleng structure belt(see Fig.1 for location)

2 反转构造类型识别与成因机制

反转构造的识别主要依据断层活动性质及地震反射特征[15]。巴音都兰凹陷的正反转构造具有不同的表现特征，通过3D地震精细构造解释，根据反转构造成因将研究区反转构造划分为基底隆升型和走滑牵引型。

2.1 基底隆升型

包楞构造带目前残余地层为阿三段和阿四段，从残余地层厚度和平衡演化剖面(图6)分析发现，该地区在阿尔善组沉积期为盆地的沉降中心，其沉积厚度不亚于南洼的沉降中心。到腾一段沉积期，沉降中心开始向南洼迁移。但到腾二段沉积期，北洼NNE向的弧形控盆断裂突然发生强烈的区域左旋走滑伸展活动，导致该时期的沉降中心向北洼靠近NNE向的弧形控盆断裂处迁移，沉积了巨厚地层，而NNE向断层在左旋走滑作用下形成局部挤压应力环境，故产生了褶皱和窄向斜构造。结合三维地震剖面及地层趋势综合分析认为，腾二段沉积末期包楞构造带发生了强烈的隆升现象，导致该地区沉积地层发生强烈的剥蚀，该地区b34井钻井揭示最大剥蚀厚度达797 m。此外，基底面及以上地层均表现为背斜(或断背斜)形态(图3、5)，平面上表现为近椭圆形态(图7)，且早白垩世区域上一直处于伸展应力环境中，所以推测该构造带的隆升应与地幔异常体侵入作用密切相关。因此，推断控制包楞构造带的边界断裂早期也应为铲式形态，只是受到深部异常体的侵入影响导致基底界面以下断面模糊。

图6 巴音都兰凹陷反转构造发育演化过程Fig.6 Development evolution of the inversion structure in Bayindulan sag

图7 巴音都兰凹陷中洼时间切片解释(1 000 ms)Fig.7 Interpreted time slice in the middle Bayindulan sag (1 000 ms)

另外，该时期中国东部处于北部西伯利亚板块、南部华北板块和东部古太平洋板块的深度调整期[16]，深部地幔物质较为活跃，为深部异常体的发育及上隆提供了动力条件。因此，推断包楞构造带应是在腾二段沉积末期由深部异常体的侵入引起的基底隆升形成的反转构造。

2.2 走滑牵引型

b51井区的阿尔善组和腾一段地层较厚，为盆地早期的沉降中心(图4、6)。目前阿三段地层产状较为平缓，但阿四段和腾一段已开始表现为明显的上凸状，腾二段沉积期地层相对周边开始逐渐变薄，并具有向中心高点上超的现象(图3、4)，形成背斜构造，且背斜脊部发育正离距断层，具有正形负花状构造特点，表现为走滑伸展构造特征。究其原因，在腾二段沉积中后期，古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲方向由早期的NW向转为正北方向，使得整个中国东部地区均处于明显的左旋走滑应力环境中[17-18]，尤其以郯庐断裂带最为显著[19]。二连盆地在该时期除了受到NW—SE向伸展作用外，还受到了区域左旋走滑应力场的影响，盆地内开始普遍发育具有走滑伸展特征的构造样式，盆内的巴一号断层正是在区域左旋走滑伸展应力的动力学背景下发生了走滑伸展构造活动。

b51井区位于巴一号断层(S型)由NE走向转为NNE走向的转折部位，处于上升盘(S型中部)(图1、7)。首先，巴一号断裂的走滑运动牵引非强硬盖层产生褶皱和滑脱，相继形成了b51背斜(褶皱)和窄向斜构造(图3)，且其背斜脊部和向斜轴部呈近南北向展布(图7)；其次，在左旋走滑和区域伸展的共同作用下，盖层滑脱形成背斜同时会产生核部的空位，并在伸展和重力双重作用下便发生断裂-塌落，形成的断层在平面上近南北走向(图7)，与主走滑伸展断层(巴一号断层)呈锐夹角，似R剪切，剖面上表现为正形负花状构造形态。

因此，该地区在腾二段沉积期发生的构造反转是在走滑伸展的动力学背景下由走滑伸展断层牵引非强硬盖层形成的背斜褶皱和负花状构造，主要经历了走滑牵引作用形成反转背斜和背斜脊部断裂-塌落两个阶段，这与前人针对渤海湾盆地南堡凹陷新近纪发生的正形负花状构造的原理是一致的[20]，均是在走滑伸展的动力学背景下发生的走滑牵引型反转构造。

3 反转构造对油气成藏的影响

不同类型的反转构造对盆地结构格局往往具有不同程度的影响，进而对盆地内油气的生成、运移和聚集等油气成藏过程产生重要影响。

3.1 反转构造影响盆地结构格局

据前面所述，在包楞构造带构造,反转之前，巴音都兰凹陷南洼和北洼为一体的单个凹陷；到腾二段沉积末期，岩浆底辟作用导致包楞构造带发生强烈的沉降构造反转，使得南洼和北洼被完全分开，并形成现今的结构格局。由于包楞构造带的隆升反转，导致构造带东侧早期下倾的砂体尖灭演变为上倾尖灭，从而为该地区岩性油气藏的形成提供了绝佳场所。

研究区b51井区位于巴一号断层的下盘，在腾二段沉积期，NE走向的巴一号断层发生左旋走滑运动，导致该断裂的下盘受到走滑牵引作用影响，先形成背斜褶皱，接着在背斜脊部发育正离距断层，形成正形负花状构造，b51井区完成了走滑牵引型构造反转。而巴一号断层上盘在走滑伸展应力下沉降速率增强，使盆地的沉降中心由先前的b51井区所在断层下盘迁移到了巴一号断层上盘，盆地结构也由早期东断西超的半地堑断陷盆地演变为腾二段沉积期的近坳陷型盆地格局。这种盆地结构格局的改变对b51井区油气的运移和聚集成藏起到了关键性作用。

3.2 反转构造影响古地温和生油门限

通过对巴音都兰凹陷3D地震精细解释以及钻井古地温恢复，发现位于巴一号断层附近的b1井古地温梯度高达5.12 ℃/100 m，而远离巴一号断层的b5井古地温梯度仅为4.80 ℃/100 m[21]，且两井间距仅2.78 km。究其原因，在b1井以北沿巴一号断层早期发生过中心-裂隙式火山喷发及岩浆底辟活动，而b5井远离巴一号断层，这表明岩浆(火山)作用对古地温升高具有重要影响。另外，通过对这两口井现今地层测温，同样发现b1井的地层温度梯度(4.2 ℃/100 m)要高于b5井(约3.9 ℃/100 m)，且远高于b23井(3.1 ℃/100 m)，说明现今地层依然受到古岩浆(火山)通道的影响。

此外，通过综合分析镜质体反射率(Ro)、烃源岩最大热解峰温(Tmax)及正构烷烃的碳数奇偶优势(OEP)等成熟度指标特点，发现巴音都兰凹陷从西向东，b9井生油门限为1 400 m，b1、b5井为1 100 m，x3井为700 m，b27井为1 100 m，b23井为1 300 m，反映了生油门限值以包楞构造带为中心向东、西两侧逐渐加深的规律，并且与盆地基底的隆升活动以包楞构造带为中心向东、西两侧逐渐减弱的趋势相一致。因此，包楞构造带基底的隆升活动很可能与盆地深部异常体(或岩浆底辟体)的侵入密切相关。由于基底隆升导致包楞构造带发生构造反转，其古地温梯度显著提高，生油门限值大大降低，这就为包楞构造带浅层(<1000 m)油气的生成提供了重要依据。

3.3 基底隆升型反转构造影响原油性质

通过对巴音都兰凹陷中洼槽原油物理性质分析(表1)，发现该地区原油具有高密度(>0.9 g/cm3)高黏度(>130 mPa·s)、高含硫低蜡、高胶质沥青质、高初馏点的特点。根据前人对重质稠油的定义：在地层条件下原油黏度≥50 mPa·s或油层条件下原油脱气黏度≥100 mPa·s[22-23]，认为研究区的原油均属于重质稠油。

关于重质稠油的成因，主要包括原生稠油和次生稠油两种。其中，原生稠油包括未成熟—低成熟稠油和油气运聚过程中的分异作用；次生稠油根据稠变影响因素又主要分为生物降解型、氧化和水洗三种[22-23]。但不论是哪种成因的稠油,其形成均与该地区构造运动息息相关。

在包楞构造带，腾二段沉积末期同样为油气生成运移的主要时期。在基底隆升导致构造反转后，地层强烈抬升并遭受剥蚀，钻井揭示位于b32井区的b34井剥蚀厚度达797m。同样位于b32井区的bd4井在146～158 m处油藏表现为高密度(0.962 1 g/cm3)、高黏度(581.81 mPa·s)的特点;而b32井原油的饱和烃气相色谱分析显示，该井的正构烷烃奇偶优势比(OEP=1.15)小于1.2，饱和烃/芳香烃值在1～3，姥鲛烷/植烷值(Pr/Ph≥0.74)较高，这些指标(包括甾、萜烷烃等其他一些参数)都说明该井稠油主要由生物降解的次生稠变作用所形成[22]。究其原因，尽管该地区基底隆升导致构造反转、地层强烈抬升并遭受剥蚀，但深部异常体的侵入使得古地温梯度并未降低，进而未影响烃源岩的成熟演化，使得该地区的烃源岩成熟度相对较高，初始生成的原油相对较稀，只是由于埋藏变浅，上部盖层遭到破坏，因而遭受次生稠变作用形成了稠油。由此可见，基底隆升型反转构造对烃源岩的成熟演化影响有限，但对油气成藏及保存却构成了严重挑战，尤其是在包楞构造带，基底隆升导致地层抬升过高，后期剥蚀过于严重，以致于生成的油气发生散失和次生稠变作用且难以保存。

表1 巴音都兰凹陷中洼原油物理性质Table 1 Physical properties of crude oil in the middle subsag of Bayindulan sag

3.4 走滑牵引型反转构造有利于特殊岩性储层(裂缝)的发育及油气成藏

在巴一号构造带尤其是b51井区，腾二段沉积末期到赛汉塔拉组沉积期为油气生成运移的主要阶段[24]，但腾二段沉积早中期便开始发生了走滑牵引型构造反转，一方面导致b51井区地层抬升，形成上拱的正形负花状反转构造形态，发育背斜构造圈闭，有利于油气的运移和聚集；另一方面也使得早期烃源岩埋深变浅，不利于烃源岩的成熟演化，导致该地区烃源岩的成熟度较低，均为未成熟—低成熟稠油。另外，根据该地区的稠油物理性质及饱和烃气相色谱特征，发现b51井区的稠油具有地层越深密度越大、黏度越高的特点，这可能主要与该地区断裂作用导致脆性岩石裂缝较为发育(图8)，使得油气中的较轻质组分沿着裂缝和断裂在重力分异作用下向上逸散至浅部圈闭中聚集有关。而根据断层活动性特征分析，该构造带断裂直到腾二段沉积期才开始发育，所以推断该构造带早期地层裂缝的发育与腾二段沉积期发育的走滑伸展断裂密不可分。总之，b51井区的构造反转导致埋深变浅是该地区发育未成熟—低成熟稠油的主要因素，走滑牵引作用引起裂缝和断裂较为发育，有效改善了白云质脆性岩石储层物性(平均孔隙度达17.42%)，从而为油气的重力分异作用及浅层油气成藏提供了便利条件。