渤海青东凹陷中部地垒带油气成藏条件与成藏模式

2021-04-12徐国盛王飞龙梁浩然

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年2期

周宽,徐国盛,余箐,王飞龙,梁浩然

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

青东凹陷是济阳拗陷东部的一个次级凹陷，面积近1 200 km2。“十一五”以来，科技人员对青东地区进行了系统的石油地质特征研究，并在凹陷的断裂带结构、新生界展布及其主力油层分布等方面取得重要进展[1-4]。前人研究表明，青东凹陷除了在中北部深洼区存在成熟烃源岩外，烃源岩成熟度普遍偏低[5-6]，因此认为其勘探前景不理想，勘探程度也不高。近年来，随着济阳拗陷勘探程度的不断提高，对东营、沾化、车镇等主要凹陷已有较深入的认识和较高的勘探开发程度，勘探工作者开始转变思路，发现了以沙三、沙四段为主力烃源岩的低-中熟油[7-8]。青东凹陷中部凹中垒环绕于深洼带，具备优越的油源条件和丰富的物质基础，勘探潜力较大，目前已有大量研究表明构造活动对青东凹陷油气成藏具有重要意义[1,4,9]。但对青东凹陷尤其是中部地垒带油气成藏规律研究程度较低，严重制约了勘探进程。本文在青东凹陷已取得勘探成效的基础上，充分利用区内钻井及测试资料，从油气来源、储盖组合、圈闭类型、构造活动等关键成藏条件入手进行综合研究，探讨其油气成藏规律，对该区油气勘探部署具有重要指导意义。

1 区域地质背景

青东凹陷位于渤海湾南部海域，西北与垦东-青坨子凸起相接，西南与东营凹陷相连，东南以郯庐断裂带为界紧邻潍北凸起，是一个受区域性拉张与走滑断裂影响的陆相断陷湖盆，具“东断西超(剥)”的结构特点[9]。该凹陷可进一步划分为中部地垒带、南部地垒带、青东12地垒带、北次洼、中次洼、南次洼等主要次级构造单元。研究区位于凹陷中部地垒带(图1)，剖面上表现为一系列正断层经后期挤压向上拱起的背形似花状构造，环绕于北洼与中洼之间，具备充足的烃源基础，复杂的断裂系统为油气运移提供了有利通道。

图1 青东凹陷中部地区构造位置图Fig.1 Tectonic location of the central portion of Qingdong Sag

青东凹陷古近纪以来经历了多阶段的演化过程[10-11]：孔店组(E1-2k)-沙四段(E2s4)沉积期，主干断裂的伸展活动使盆地形成北西向的展布格局，三堑两垒构造雏形显现；沙三下亚段(E2s3L)沉积期，主干断裂继承性活动，断阶带发育，堑垒相间构造格局明朗；沙三段(E2s3)沉积末期，断裂活动增强，伴生大量次生断层；古近纪晚期受喜马拉雅运动影响其构造应力发生反转，并伴随着区域性地层抬升；馆陶组(N1g)沉积晚期处于弱挤压背景，凹陷转变为拗陷式盆地继续接受沉积。钻井揭示研究区从下至上依次钻遇古近系沙河街组(E2-3s)、东营组(E3d)，新近系馆陶组(N1g)、明化镇组(N1m)及第四纪平原组(Qp)。其中沙三段(E2s3)、沙四段(E2s4)地层中发育的半深湖相暗色泥岩为良好的烃源岩，沙三段扇三角洲前缘滩坝砂体为良好的储集层。

2 油气成藏条件

2.1 烃源条件

钻探资料证实青东凹陷中部沙三段、沙四段均存在半深湖相暗色泥岩，且紧邻北洼与中洼两个沉积中心，泥岩沉积厚度大，具备较强的生烃潜力。根据研究区85个样品地球化学分析表明：沙三段烃源岩有机碳质量分数(wTOC)为0.45%～2.18%，平均为1.14%；沙四段烃源岩wTOC为0.44%～3.24%，平均为1.30%(图2-A)。沙三段岩石热解参数(wS1+S2)为1.66‰～8.75‰，平均为4.71‰；沙四段wS1+S2为1.82‰～20.77‰，平均为6.27‰：表明二者生烃潜量高(图2-B)。有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型，有机质类型好。镜质体反射率(Ro)为0.5%～1.0%，反映研究区烃源岩处于成熟阶段，其演化程度处于生油窗中-后期(图2-C)。综合评价表明研究区发育沙三段、沙四段2套优质烃源岩，其中沙三下亚段和沙四上亚段为主力烃源层。

图2 青东凹陷中部地区烃源岩综合评价Fig.2 Synthetic evaluation of hydrocarbon source rocks in the central area of Qingdong Sag

葛海霞[8]依据Pr/Ph分布特征，兼顾伽马蜡烷、三环萜烷、4-甲基甾烷等生物标志物及碳同位素分布特征，将青东凹陷烃源岩划分为A、B两大类，并将B类进一步划分为B1、B2两个亚类；同时将原油划分为4类(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。研究区沙三段烃源岩样品4-甲基甾烷含量较高，规则甾烷/17α-藿烷比值低，平均为0.23，说明在烃源岩沉积时期有大量藻类和经微生物改造的有机质共同输入；样品中Pr/Ph平均为0.85，重排甾烷、伽马蜡烷含量低，表明烃源岩沉积时期处于弱氧化-弱还原环境；水体的盐度较低，为A类烃源岩(图3-A、B)。沙四段烃源岩样品中4-甲基甾烷含量也较高，但较高的规则甾烷/17α-藿烷比值显示其有机质主要来源于浮游或底栖的藻类；样品Pr/Ph平均为0.30，具有明显的植烷优势；伽马蜡烷含量高，C32～C35升藿烷“倒转”分布，出现C35>C34“翘尾”现象，表明烃源岩沉积时期水体盐度较大，为强还原的弱碱性环境，可能与碳酸盐岩或蒸发岩环境有关，为B类烃源岩(图3-C、D)。

青东凹陷中部地区沙三段原油具有低-中Pr/Ph值、中等伽马蜡烷指数(Gam/C30)、中等长链三环萜烷指数等特征，对应的烃源岩沉积环境为弱氧化-弱还原的低盐度或咸化水体之间的沉积环境；规则甾烷/17α-藿烷比值较低(<1.0)，中-高4-甲基甾烷/C29规则甾烷值，其对应的烃源岩有机质来源以藻类为主，沉积环境介于低盐度和咸化水体之间(图3-E、F)，具有混生源的特点，符合Ⅰ类原油特征：表明产于沙三段的原油应为沙三段和沙四段烃源岩的混合来源。

图3 渤海南部古近系烃源岩及原油部分生物标志化合物质量色谱图Fig.3 Quality chromatograms of some biomarker compounds from Paleogene source rocks and crude oil in southern Bohai Sea

2.2 储盖组合条件

钻井测试资料显示研究区在沙三段获得高产油气流。岩心及镜下薄片观察表明，沙三段储层岩性以细砂岩、粉砂岩为主，孔隙类型以原生孔隙为主。由于其凹中垒构造之上地层埋藏较浅，成岩压实作用较弱，处于中成岩作用阶段，因此孔隙保存较好[10]。

沙三段沉积前，青东凹陷四面环凸，发育深湖-半深湖相。沙三段沉积时期，潍北凸起抬升遭受强烈剥蚀，成为凹陷沉积充填的主要物源区，凹陷东北部洼陷带邻近物源，在这一时期发育大量扇三角洲[12]。研究区处于扇三角洲前缘亚相，发育三角洲前缘席状砂及环洼分布的滩坝沉积砂体，砂体连续性好且展布范围广，与洼陷带深湖-半深湖相泥岩沉积体和上覆沙二段前三角洲、辫状河三角洲前缘泥岩沉积体在垂向上相互叠置，形成良好的生储盖组合(图4)。其中湖相沉积的泥岩既是烃源岩也是盖层；而滩坝砂体由于物性较好，既可作为储层，也是油气运移的通道，源储匹配关系良好。

图4 青东凹陷中部地垒带沙三段沉积相及储盖组合图Fig.4 Sedimentary facies and histogram of reservoir-caprock assemblage of the third member of Shahejie Formation in the central horst of Qingdong Sag

2.3 圈闭条件

凹中垒构造在演化过程中可以形成多种圈闭[10]。初期在古隆起抬升作用下可以形成潜山块状圈闭；之后的沉积地层在古隆起上形成地层超覆、披覆背斜圈闭；而后期断层的活动使得凹陷内披覆背斜转变为断块、断背斜，在凹中垒构造斜坡部位形成断块、断背斜等多种构造圈闭。

青东地区中部圈闭主要受构造活动影响，其构造条件复杂，基底断层受古近纪盆地断陷期张扭性活动和古近纪末期反转阶段压扭性活动叠加影响[13]。沙河街组沉积时期，古潜山凸起上形成了地层超覆、披覆背斜圈闭；而由于基底断裂张扭性活动，下部的古潜山基底形成断块潜山型圈闭，并产生一系列派生断层将之前形成的地层超覆和披覆背斜圈闭切割为断背斜圈闭。古近纪末期构造带由张扭性应力反转为压扭性应力，使之前的断层进一步复杂化，形成各种断块圈闭，油气多分布在断层的下盘，依靠断层下盘的封闭性成藏，并伴随着区域性抬升遭受剥蚀，在斜坡部位形成岩性圈闭；之后盆地转为拗陷式盆地接受沉积，在不整合面之下形成不整合遮挡圈闭。地球化学分析表明沙三段、沙四段烃源岩在馆陶组沉积之后才开始大量排油，而研究区的圈闭在馆陶组沉积期之前已经形成，虽然在古近纪末期因剥蚀受到一定程度破坏，但之后构造活动较弱，且新沉积的新近系具有较好的封盖能力，因此古近纪形成的圈闭总体保存较好，形成了大量有效的圈闭。

3 油气成藏模式

3.1 油气充注期次

目前主要通过流体包裹体法、生排烃法和盆地构造分析法等来确定油气充注期次[14-15]。其中油气包裹体作为油气运聚时保留下来的原始油气流体样品，记录了流体充注时间和期次。

据研究区典型井Qd20-1-A井岩屑样品进行分析，沙三段砂岩的岩屑内部分粒间孔隙中显示较强的浅黄色荧光，成岩矿物依次为原生石英颗粒及次生石英加大边，发育1期油气包裹体，油气包裹体丰度(GOI)约为3%，包裹体呈线状或带状沿石英加大边内侧或沿石英碎屑微裂隙分布，均为深褐色液烃包裹体(图5-A、B)，与液态烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一化温度为71～90℃，主要集中于75～85℃(表1)。沙四段砂岩的岩屑内砂屑含量较低，大部分为泥屑，部分粒间孔隙中显示较强的浅黄色及蓝色荧光，成岩矿物依次为原生石英颗粒、石英次生加大边、方解石胶结物，发育2期油气包裹体：第一期的GOI约为4%，包裹体呈线状或带状沿石英加大边内侧或石英碎屑的微裂隙分布，均为深褐色、灰褐色的液烃包裹体；第二期的GOI为3%～4%，包裹体呈线状或带状沿切穿石英碎屑颗粒或其加大边的微裂隙分布，或呈带状分布于方解石中，包裹体中的液烃呈浅黄色、淡黄色，显示浅黄色、浅绿色、桔黄色及弱浅褐黄色荧光，气烃呈灰色(图5-C、D)，与液态烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一化温度为92～117℃，主要集中于95～110℃。

表1 青东凹陷流体包裹体均一温度测试结果Table 1 Test results of fluid inclusion homogenization temperature from Qingdong Sag

图5 青东凹陷中部地区Qd-20-1-A井包裹体特征及单井埋藏史图Fig.5 Inclusion characteristics and single well burial history map of Well Qd-20-1-A in the central area of Qingdong Sag(A)沿石英加大边内侧呈带状分布、深褐色的液烃包裹体，沙三段细砂岩，深度2 100～2 125 m，单偏光;(B)大部分岩屑内粒间孔隙中显示较强的浅黄色荧光，沙三段细砂岩，深度2 100～2 125 m，UV激发荧光;(C)方解石胶结矿物中带状分布的淡黄-灰色气液烃包裹体,沙四段细砂岩，深度2 425～2 450 m，单偏光;(D)呈淡黄-灰色的气液烃包裹体，显示较强的桔黄色、浅绿色荧光，沙四段粉砂岩，深度2 425～2 450 m，UV激发荧光，与(C)处于同一视域

结合单井埋藏史和热演化史分析，青东凹陷中部地垒带沙三段、沙四段至少存在2期油气充注(图5)，第一期油气充注时间为2.5～2.0 Ma B.P.，即新近纪明化镇组沉积时期；第二期油气充注时间约为0.5 Ma B.P.，即第四纪平原组沉积时期。研究区2期油气充注时间都较晚，第二期油气充注一直持续至今，表明油气具晚期成藏特点。

3.2 油气成藏过程

3.2.1 断层活动性与油气成藏

断层活动性对油气运聚具有重要意义，它既可以作为油气垂向运移的通道，又可以形成多种构造类型的圈闭。姜丽娜等[15]对郯庐断裂带渤中-渤南段断层活动性与油气运聚关系研究揭示了在强烈活动构造背景下晚期油气成藏机理，认为主干断裂活动较弱时有利于油气保存，而断裂活动较强时可作为油气垂向运移的通道或使油气散失，同时活跃的主干断裂及其产生的活动较弱的次级断层有效组合有利于油气运聚和保存。

青东凹陷古近纪早期构造活动表现为垂向断陷，这种断陷活动在沙三段沉积之前不断加强，凹陷中部地区凹中垒差异性抬升，洼陷湖盆可容纳空间不断扩大，沉积了沙三段、沙四段半深湖暗色泥岩的优质烃源岩；而在斜坡带发育扇三角洲沉积，在其前缘形成了较为良好的滩坝砂体。古近纪末期，青东凹陷构造活动表现为压扭性特征，凹陷整体抬升，导致研究区凹中垒部位沙河街组成岩作用较弱，原生孔隙保存较好；同时压扭性的构造活动也使得之前形成的断裂进一步复杂化，并且有利于断块、断背斜等构造圈闭的形成(图6)。新近纪以来，盆地整体构造活动减弱，转为拗陷式沉积。龚再升等[16]认为青东凹陷东侧边界断裂——郯庐断裂带西支至今仍受新构造运动影响而处于活跃状态，青东凹陷中部地区基底断裂受郯庐断裂西支活动处于开启状态，成为沟通烃源岩的有效通道。尽管也会对油气造成一定破坏作用，但当油气源丰富、油气输导系统畅通、油气供给量大于逸散量时，能够形成油气动平衡成藏[17]。研究区油源充足，次级断层活动较弱，沙三段之上又沉积了一套区域性盖层，具备油气动平衡成藏条件。

图6 青东中部地垒带油气输导体系与成藏模式图Fig.6 Diagram showing oil and gas transport system and accumulation model of the horst belt in the central Qingdong

3.2.2 油气成藏过程

通过油源对比、油气充注期次研究，结合构造演化和烃源岩演化及其与油气成藏匹配关系分析[18-19]，恢复青东凹陷中部地垒带油气成藏过程如下：

青东凹陷中部地垒带油气来源于沙四上亚段、沙三下亚段2套优质烃源岩。其中沙四上亚段烃源岩在沙二段沉积时期进入生油门限(Ro>0.5%)，在沙一段沉积末期开始大量生油(Ro>0.7%)，此时地层埋藏较浅，压实作用弱，虽排烃效率高，但聚烃效率低；在东营组沉积期达到生油高峰期，但东营组后期地层开始抬升遭受剥蚀，且烃源岩埋藏深度减小，温度下降，生油速率降低，不利于油气成藏；新近纪以来，盆地由断陷阶段转为拗陷阶段，继续接受沉积，直到馆陶组沉积末期烃源岩再次达到生烃高峰期，随着烃源岩剩余压力逐步积累，最终在明化镇组沉积时期随着断层活动开始大量排烃，并一直延续至今。沙三下亚段烃源岩在沙一段沉积时期达到生油门限，在东营组沉积时期开始大量生油；随后地层抬升，在明化镇组沉积时期再次开始大量生油，并在同一时期随着断层活动开始大量排烃。研究区沙三段沉积的滩坝砂体由于埋藏较浅，压实作用较弱，物性较好，既可作为优质储层，也可作为油气横向运移通道；同时在烃源岩排烃之前就已形成大量有效圈闭，洼陷带有效烃源岩生成的油气沿着开启的断层向凹中垒高部位输导，并在砂体中进行横向运移，遇到有效圈闭便可聚集成藏；而沙三下亚段烃源岩生成的油气可以直接通过初次运移在岩性圈闭中聚集成藏。

3.3 油气成藏模式

通过对研究区成藏条件和成藏过程分析，建立其成藏模式为：北次洼和中次洼双向供烃的近源捕集条件。主成藏期2套优质成熟的烃源岩提供了充足的油气来源，储层与盖层垂向上相互叠置构成良好的储盖组合条件；烃源岩排烃之前已形成大量有效圈闭为油气聚集提供了场所，排烃高峰期活跃的主干断裂与活动性较弱的次级断裂有效组合有利于油气运移和保存，高孔渗滩坝砂体的横向输导决定了油气成藏范围；油气沿断层、砂体呈“枝状运移”进入构造圈闭或直接由源到储进入岩性圈闭成藏，成藏期为明化镇组沉积期-第四纪，具晚期大规模成藏特征(图6)。