油气“穿断运移”模式、评价方法与应用<br/>——以珠江口盆地恩平凹陷为例

油气“穿断运移”模式、评价方法与应用
——以珠江口盆地恩平凹陷为例

2021-03-30朱定伟彭光荣张忠涛许新明白海军

大地构造与成矿学 2021年1期

朱定伟, 彭光荣, 张忠涛, 吴静, 许新明, 白海军, 郭伟, 赵鹏

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东深圳 518000)

0 引言

断层不仅控制着构造和沉积发育, 而且控制油气的聚散, 影响油气的富集程度, 对油气藏具有重要的控制作用。断层对油气藏的控制作用体现在断层在油气藏形成和演化过程中具有双重作用, 既能输导油气, 又能封堵油气(金崇泰等, 20 12; 葛岩等,2013; 许新明等, 2016; 付广和王浩然, 2019)。究竟起哪种作用主要取决于断层不同部位、不同层段封堵能力和输导能力的差异性。前人对断层封堵油气和输导油气研究很多, 但主要集中在断层纵向输导油气和横向封堵油气的角度(林铁锋等, 20 08; 付广和王浩然, 2019; 杨超群等, 2021), 对于横穿断层运移油气的研究较少。目前, 断层侧向封闭性评价方法主要分为定性和定量两大类, 定性评价方法以Allan 图解法和Knipe 图解法为主(Allan, 1986; Larsen et al ., 1992; Hor bury an d R obinson, 1993; K nipe,1997), 其中Knipe 图解法可快速判断断层两侧地层的并置情况, 当断层两侧砂-砂并置时, 不利于油气的纵向输导, 而更利于油气跨断层横向运移。定量评价方法主要包括泥岩涂抹潜力法(CSP)(Bouvier e t al., 1989)、泥岩涂抹因子法(SSF)(Lindsay et al., 19 93)和断层泥比率法(SGR)(Yielding et al., 1997)等, 其中, SSF 法和SGR 法是定量评价断层侧向封闭性的主要方法。

断层侧向封闭油气和侧向运移油气具有辩证关系, 当断层侧向封闭时, 可有效遮挡油气聚集成藏;断层侧向开启时, 油气可横穿断层进行运移。通常,同一条断层既具有一定的侧向封闭能力, 又具有一定的横向输导能力。本文将传统评价断层侧向封闭性的方法进行改良, 从断裂活动速率、生长指数、泥岩涂抹因子(SSF)和断层泥比率(SGR)等角度建立评价油气穿断运移的定量方法, 以准确判断恩平凹陷新近系的油气运移路径。

1 区域地质背景

近年来, 在南海北部浅水富生烃凹陷接连发现一些大中型油气田, 因此浅水区域仍然是当前南海北部油气资源的重要接替区域(施和生等, 201 5; 何敏等, 2016; 夏庆龙, 2016; 朱伟林等; 2016; 米立军,2018; 米立军等, 2018; 张强等, 2018)。恩平凹陷位于珠江口盆地浅水区珠一坳陷最西端(图1a), 面积约5000 km2, 水深80～100 m, 凹陷中心距香港约200 km。恩平凹陷西接阳江凹陷, 东临西江凹陷, 南北分别被番禺低隆起和北部隆起带夹持, 是中海石油(中国)有限公司深圳分公司最西端的原油产地。

恩平凹陷是前古近纪开始发育的负向构造单元,中-新生代经历了三个构造演化阶段, 即晚白垩世-早渐新世的断陷阶段、晚渐新世-中中新世的拗陷阶段及晚中新世至今的新构造运动阶段(钟志洪等,2014)。从构造单元上恩平凹陷可划分为三个次级洼陷: 恩平17 洼、恩平12 洼和恩平18 洼(图1b)。恩平凹陷的构造格局受控洼断裂F1、F2和F3共同控制。F1呈NEE 向展布, 延伸长达60 km, 倾角平均为24°,断面形态呈铲式-坡坪式。F1断裂水平断距沿走向变化明显, 呈“两端大、中间小”特点, 在西段恩平17洼处最大, 达14 km, 在东部恩平12 洼处为8 km,中部最小为5 k m。F1断裂西段与S-N 走向的F3断裂共同控制了恩平17 洼的结构和沉积充填特征(图1c), F1断裂东段控制了恩平12 洼的发育(图1d)。F2断裂是由六条 NEE-EW 走向的高角度断层(40°～60°)首尾相邻组成的近E-W 向的南倾断裂系,长约25 km, 直接控制了恩平18 洼的发育。F2断裂系切割基底并最终收敛于F1断面之上, 两者具有联动协同演化的特征。

钻井揭示恩平凹陷自下而上发育: 始新统文昌组和恩平组, 渐新统珠海组, 中新统珠江组、韩江组和粤海组, 上新统万山组及第四系(刘志峰等,2017)。其中, 文昌组为主力生烃层系。

图1 恩平凹陷位置与结构Fig.1 T ectonic location and structures of the Enping Sag

2 油气穿断运移评价思路与方法

断层对油气的封闭作用机理是断层带物质(断层岩)的毛细管压力作用, 当油气所受的浮力未超过断层岩的毛细管压力时, 断层对油气起遮挡作用(金崇泰等, 2012)。油气能否横穿断层运移的控制因素主要有断层的运动学特征(断层的活动性)、断层两侧的岩性配置关系和断层两侧泥岩累计厚度与断距的关系(SSF 和SGR)等(吕延防等, 2002), 因此, 本文拟通过穿断运移临界值的确定、穿断运移部位评价、穿断运移层段评价三个步骤, 对油气横穿断层运移进行精细评价。

2.1 穿断运移临界值的确定

恩平凹陷具有“断裂控藏”的特点, 几乎所有的油气发现均与断层相关。断层圈闭所能封闭油气的规模, 除了受断层圈闭幅度和面积制约外, 更重要的是受断层侧向封闭性强弱的影响。付广和李建民(2014)研究表明: 断裂断距越大、活动性越强, 断裂带内部结构越发育, 断层核与上/下盘诱导裂缝带和滑动破碎带越发育, 也就越有利于油气的纵向输导,而不利于油气横向穿断运移。恩平凹陷以及整个珠一坳陷众多断圈油藏的实钻情况也证实了这个规律。恩平凹陷油气主成藏期是晚中新世粤海组沉积期, 当控运断裂在粤海组沉积期活动速率>10 m/Ma 或生长指数>1.1 时, 有利于油气的垂向输导(图2), 油气能够运移到浅层成藏; 而当粤海组沉积期活动速率<10 m/Ma或生长指数<1.1 时, 断裂带内部结构不发育, 纵向输导能力较弱, 油气难以运移到浅层构造中成藏, 而更容易穿断运移。因此, 可将断裂活动速率10 m/Ma 和生长指数1.1 作为油气能够穿断运移的临界值。

断层活动过程中, 由于拖曳、挤压、研磨和塑性流动等作用, 沿断层分布的极细粒、非渗透性泥状物附着在断层面上, 增强了断层的封闭性, 可用SGR、SSF 值等表征其侧向封堵性(罗胜元等, 2012)。恩平凹陷实钻断圈油藏的分析数据表明: 不同层段断层侧向封堵性能具有差异性(图3), 韩江组下段油藏的泥岩涂抹因子SSF<1.8 且断层泥比率SGR>0.38(部分重质油藏具有特殊性, 为>0.26), 表明当恩平凹陷韩江组下段控圈断层的断面泥岩涂抹因子SSF<1.8 且断层泥比率SGR>0.38 时, 才能够有效封闭油气, 故将韩江组下段断层侧向开启性的SSF和SGR 临界值分别定为1.8 和0.38。与此类似, 珠江组上段(江一段、珠二段、珠三段和珠四段上段)的SSF 和SGR 临界值分别定为2.1 和0.35, 珠江组下段(珠四段下段和珠五段)的SSF 和SGR 临界值分别定为1.8 和0.42。

2.2 穿断运移部位评价

依据断裂活动速率10 m/Ma 和生长指数1.1 的临界值, 恩平凹陷北部隆起带A3 构造控圈断裂系FA3两条断裂交接部位和边部的活动速率<10 m/Ma,是油气容易穿断运移的部位(图4a)。

油气除了在粤海组沉积期断裂活动速率<10 m/Ma或生长指数<1.1 的部位易于穿断运移外, 在断层的软连接部位、边部, 由于断距较小或没有断距, 油气易于沿着连通砂体进行横向运移。对于A3 构造的控圈断层而言, 两条断层的交切部位、断层的边部是油气容易穿透的部位。

此外, 断层两侧砂岩并置区也是油气容易穿透断层的区域。采用Knipe 图解法判别A3 构造两条断层的交切部位和断层边部砂-砂并置, 是油气容易穿断运移的部位(图4b)。

2.3 穿断运移层段评价

根据断层两侧地层的岩性并置关系和计算的SSF 和SGR 值, 再结合区域拟合出的SSF 和SGR临界值, 在砂-砂并置区寻找高SSF 值或低SGR 值的层段, 即是断裂侧向开启层段, 也是有利于油气穿断运移的层段。对于A3 构造控圈断层FA3而言,在珠江一段中上部、珠江二段中下部-珠江三段中部是油气容易穿断运移的层段(图5)。

图2 珠一坳陷断裂粤海组沉积期活动速率(a)和恩平凹陷断裂粤海组沉积期生长指数分布(b)(井位见图1)Fig.2 Fault activity rates of the ZhuⅠ Depression (a) and growth rates of the Enping Sag (b)

图3 恩平凹陷断圈油藏断面SSF 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

图4 A3 构造控圈断层FA3 活动速率分布(a)和珠江组上段两侧岩性并置关系(b)(FA3 的位置见图1b)Fig.4 Activity rate of FA3 Fault (a) and stratigraphy on both sides of the Upper Zhujiang Formation (b)

3 穿断运移方法应用效果的地球化学检验

3.1 恩平凹陷北部隆起带应用效果的地球化学验证

A1、A3 和A4 构造位于恩平凹陷北部隆起带上, 均是在基底古隆起背景上发育起来的受NWWNE 向断层控制的断层相关构造(图6), 构造继承性较强, 从基底到韩江组均有圈闭发育。A1 是一个有待建产的中型油田, 在其周边拓展勘探时遇到的最大瓶颈是其北边存在多个凹槽。传统地质理论认为,只有油气充满A1 构造时, 才能从溢出点溢出到A3和A4 等构造。油气横穿断层运移模式的提出和对穿断运移部位与层段的精细评价, 本文认为A1 油田的油气能够在控圈断层中段的珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段等层段穿过断层进行横向运移, 并沿着断裂下降盘的构造脊运移到A3构造聚集成藏, 并能进一步穿断运移至A4 构造(图6)。油气穿断运移创新模式推动了A3 和A4 两个构造的钻探, 并获得了商业油气发现, 两个构造均钻遇数百米厚的油气显示和数十米油层也证实了油气横穿断层运移模式在恩平凹陷北部隆起带的适用性。

油气穿断运移模式也得到了地球化学方面的证实。恩平凹陷北部隆起带存在两种原油类型: 以高含量的C304-甲基甾烷(C304-MSt)、高含量的双杜松烷为特征的半深湖+浅湖相混源油(Ⅰ类原油), 和以高含量的C304-甲基甾烷、低含量的双杜松烷为特征的半深湖相原油(Ⅱ类原油)(图7)。同时存在两期原油充注, 第一期原油充注发生在13.8～9.1 Ma, 以Ⅰ类原油为主; 第二期原油充注发生在3. 9～0 Ma, 以Ⅱ类原油为主。

图5 A3 构造控圈断层FA3 断面SSF 值(a)和SGR 值分布(b)Fig.5 SSF (a) and SGR (b) values of FA3 fault surface

图6 恩平凹陷北部隆起带T40 深度构造(a)和油气穿断运移剖面(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类原油首先在A1 构造富集成藏, 同时在珠江一段中下部、珠江二段中下部和珠江三段穿断运移至A3 构造聚集, 并进一步穿断运移至A4 构造聚集(图8)。在第二期原油充注期, Ⅱ类原油首先充注A1 构造, 对Ⅰ类原油具有一定的驱替和改造作用, 且驱替和改造作用由近至远、由下至上逐渐减弱, 导致不同构造两类原油的比例不一致。A1 构造Ⅰ类原油仅剩7%, A 3 构造Ⅰ类原油占比49%, A4 构造Ⅰ类原油占比高达83%。A1 和A3 构造珠江组的Ⅰ类原油几乎全部被Ⅱ类原油驱替, 韩江组则以Ⅰ类和Ⅱ类混源油为主; A4 构造由于距烃源最远, Ⅰ类原油对Ⅱ类原油的驱替作用较弱, 以混源油为主, 部分层段依然保留有Ⅰ类原油。

图7 恩平凹陷北部隆起带2 类原油生物标志化合物特征Fig.7 Biomarkers of two types of crude oils in the northern uplift belt of the Enping Sag

图8 恩平凹陷北部隆起带第一期原油充注层段分布(a)和第二期原油充注层段分布(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 恩平凹陷南部隆起带应用效果的地球化学验证

恩平凹陷南部隆起带的A22 构造位于A20 油田控圈断层下降盘(图9), A20 油田是发育在继承性古隆起之上的断鼻油藏, 是南部隆起带的构造至高点,是传统油气运移理论认为的“运移终点”, 这也是影响A22 构造钻探的最大障碍。在油气穿断运移模式认识的基础上, 本文对A20 油田控圈断层进行精细分析, 认为这一组雁列式断层具有分段控藏、侧向封堵与输导并存的特点, 油气能够在各分支断层的交接部位穿断运移至下降盘, 并沿着构造脊运移至A22 构造聚集成藏。这些认识推动了A22 构造的钻探, 并获得中型油田发现, 证实了穿断运移模式在恩平凹陷南部隆起带的适用性。

图9 恩平凹陷南部隆起带A20-A22 构造区T35 深度构造(a)和油气穿断运移剖面(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