彰武断陷东部陡坡带断裂特征与控储模式

2021-07-02郭丽彬杜学斌李祥权

海洋石油 2021年2期

郭丽彬，杜学斌，李祥权

（1. 中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北武汉 430223；2. 中国地质大学（武汉），湖北武汉 430074）

松南断陷群位于松辽盆地南缘，为早白垩世期间形成的众多小规模断陷盆地[1]。由于断陷盆地具有“多阶段演化和后期强烈改造”特征[2-4]，加上钻井资料较少，整体上松南地区勘探程度仍较低。近年来随着油气勘探与开发强度加大，在彰武断陷中部发现了彰武油田，提交石油地质储量1 996×104t，显示该区具有一定的勘探潜力。近些年，对彰武断陷重新开展了构造-沉积-成藏再认识，并于2019年底部署了彰武斜13井并成功获得工业油流（义县组），从而大大拓展了该区勘探领域。这一发现对松南地区具有相似特征小断陷群的油气勘探具有重要启示和借鉴意义。本文通过对彰武断陷主要断裂的空间展布、活动性、断裂组合及断裂对沉积的控制作用研究，阐明盆地断陷期应力机制、原型盆地性质及盆地陡坡带有利储集体发育模式，以期对盆地东部陡坡带油气进一步勘探提供依据。

1 地质背景

彰武断陷位于松南断陷盆地群中部，勘探面积150 km2（图1A），是松南地区勘探程度相对较高的次级构造单元，到目前为止盆地整体处于评价勘探阶段。盆内充填以上白垩统断陷期地层为主，坳陷期地层由于后期的构造抬升剥蚀殆尽[5]。主要地层包括义县组(K1y)、沙海组(K1sh)、九佛堂组(K1jf)、阜新组(K1f)等地层[6]。义县组时期，整体为火山岩及其相关的岩相，是断陷发育的前奏。九佛堂组沉积时期，为断陷充填阶段，东部为陡坡带，西部为缓坡带[7]。岩性为砂岩、页岩及泥岩的组合，地层厚度350～800 m，是主要的目的层系。由上至下划分出7个砂组。沙海组时期沉积范围明显扩大，充填大套粗粒砂砾岩沉积物，地层厚度440～690 m[8]，属于准平原化阶段。阜新组沉积时期，发育棕红色泥岩夹杂色砂砾岩，具有明显的平原化特征（图1B）。

图1 彰武断陷九佛堂组断裂体系图（A）与综合柱状图（B，数据来源于ZW2井）Fig. 1 Fault system map (A) and synthesis columnar chart (B, the data is from well ZW2) of Jiufotang Formation in Zhangwu Depression

2 断裂发育特征

2.1 边界断裂空间展布厘定及活动性分析

彰武断陷东部边界断层为彰武断裂，属于基底断裂，走向为NNE-NW向。因后期隆升剥蚀、岩浆侵入及构造变形等因素的影响导致盆地部分区段边界断裂地震响应特征不明显（图2、图3），在以往研究中均将其视为一条空间上连贯的断裂（图1A）。本次通过人工解释投影及断裂空间活动性分析方法相结合对其开展研究，人工解释好处是加入了人为主观因素的分析、推断和解释，从而突破地震资料本身对于解释工作的限制[9]。断裂空间活动性分析对于断裂的空间展布特征、演化历史及其对沉积、地貌的控制等方面具有重要意义[10-11]。

图2 彰武断陷AA′剖面构造地层格架解释（剖面位置见图1A）Fig. 2 Structural stratigraphic framework interpretation of AA′ section in Zhangwu Depression (the section location is shown in Fig. 1A)

图3 彰武断陷BB′剖面构造地层格架解释（剖面位置见图1A）Fig. 3 Structural stratigraphic framework interpretation of BB′ section in Zhangwu Depression (the section location is shown in Fig. 1A)

选取21条三维地震数据主测线对彰武断裂进行剖面解释和九佛堂组顶T41界面平面投影（图4）。根据这些剖面上彰武断裂在T41界面上的投影点，可以将彰武断裂在空间上大致分为四段，四段断裂在空间上沿NE走向错开排列，整体呈右阶式展布（图4）。据此，我们推断彰武断裂在空间上并非是一条完整的断裂，而是由多条呈右阶式排列，空间上近于衔接的系列断裂形成的盆缘控盆断裂带。

图4 彰武断陷T41界面彰武断裂平面投影及展布图Fig. 4 Fault plane projection and distribution of T41 interface in Zhangwu Depression

同沉积张性断裂下降盘地层厚度的空间变化能够反映该断裂空间活动性的差异，上述21条三维地震主测线上彰武断裂下降盘九佛堂组和沙海组时间地层厚度的统计显示九佛堂组和沙海组地层厚度在空间上具有明显的分段性（图5）。九佛堂组地层厚度在主测线L720线-L920线区间地层厚度最大，在主测线L300线附近、L600线-L720线、L920线-L980线出现三个地层厚度相对低值区段，以其为分隔可以将彰武断裂空间上分为四段。沙海组地层断距整体表现为南侧数值大，北侧数据小，同时与九佛堂组相似，在主测线L300线附近、L600线-L720线、L920线-L980线区段地层厚度值亦出现相对低值拐点区段。将彰武断层的平面投影点所控制的断裂平面展布形态与其下降盘地层厚度的空间变化进行对比，地层厚度在L300线附近、L600线-L720线、L920线-L980线三个相对低值区段与彰武断裂分段断裂的衔接区段正好吻合，二者共同印证了彰武控盆断裂在盆地断陷期具有分段活动的特征。

图5 彰武断陷九佛堂组、沙海组地层厚度-距离统计曲线图Fig. 5 Statistical curve of the formation thickness-distance of Jiufotang Formation and Shahai Formation in Zhangwu Depression

2.2 盆内断裂空间展布特征及活动性分析

彰武断陷内发育腰堡、孟堡-关家村及何西-何堡-关西3个主要次级断裂带(图1A、图4)，断裂带与断裂带或断裂带内部次级断裂之间具斜向排列或低角度相交关系[12]，在垂直盆地走向剖面上各断裂带以同向阶梯式构造样式为主（图2、图3），其中腰堡、关西断裂带发育单条断裂，孟堡-关家村断裂带由主断裂和次级断裂组成[13]。

对选取的AA′和BB′两条地震测线（图1A、图2和图3）九佛堂组和沙海组顶底面埋深、垂直断距及断层生长指数进行统计分析（图6）。AA′线主要存在两个断层，从西至东依次为何堡断层和腰堡断层。其中腰堡断层在九佛堂组和沙海组生长指数均大于1，表明其在九佛堂组和沙海组沉积时期均具有同沉积活动性。相比较而言，九佛堂组的断层生长指数大于沙海组的断层生长指数，代表九佛堂组时期断层的活动性更强，从两套地层顶界面断距的增量来看，也反映了这一特征[14]。其中何堡断层只断穿T41和T42，表明其主要在九佛堂组时期活动。横向比较，九佛堂组地层腰堡断层的生长指数和顶底界面断距增量最大，代表腰堡断层在九佛堂组沉积时期是盆内相对活动较强的一个断层，且在沙海组沉积时期持续活动[15]。

图6 九佛堂-沙海组断层断距-埋深曲线及生长指数统计图(A-AA′线，B- BB′线，地震剖面及位置见图1A）Fig. 6 The curve of fault distance-buried depth and the statistical chart of growth index of Jiufotang-Shahai Formation fault(A-AA′ line, B- BB′ line, seismic profile and location are shown in Fig. 1A)

BB′线主要经过彰武断陷内的关西断层和关家村断层，因盆地晚白垩区域隆升活动沙海组顶部地层遭受剥蚀。从断层生长指数而言，关西断层和关家村断层在九佛堂组和沙海组生长指数均大于1，表明其在九佛堂组和沙海组沉积时期均具有同沉积活动性。整体而言，九佛堂组的断层生长指数大于沙海组的断层生长指数，地层界面垂直断距的增量也反映了上述特征。横向比较，关西断层的生长指数和地层界面的垂直断距增量大于关家村断层，代表同时期关西断层的活动性相对较强。

2.3 盆地同沉积地貌格局及其与断裂展布的耦合关系

对彰武断陷九佛堂组残余地层厚度进行剥蚀量恢复、古水深恢复和去压实校正，恢复彰武断陷九佛堂组沉积时期同沉积古地貌（图7）。九佛堂组沉积期盆地西侧缓坡带和东侧陡坡断阶带地貌特征明显，盆地最大沉积沉降中心并非紧靠盆地边缘控盆断裂展布，盆地自南至北发育Ⅰ～Ⅳ四个洼陷中心，其中Ⅰ洼、Ⅱ洼和Ⅳ洼的长轴走向与盆地整体构造走向基本一致，为NNE -NE向，Ⅲ洼长轴方向为NNW向。四个次洼中心长轴走向近斜列排列，Ⅰ洼和Ⅲ洼规模相对较大。盆地次洼中心与盆内部分断裂具有较好的对应性，反映断裂对次洼中心的控制作用。其中Ⅰ洼和关西断层相对应，Ⅱ洼和关家村断层相对应，Ⅲ洼和腰堡断层及孟保断层相对应，Ⅳ洼和腰堡断层相对应。盆地轴线整体呈大角度“V”字形态，转换带位置位于中部近ZW1井-ZW2井-ZW8井一线，以该转换带位置为轴线在盆地缓坡带形成伸入盆地洼陷内的宽缓鼻状背斜[16]，而使盆地的洼陷带在该处变窄，形成盆地中部“束腰”形地貌特征，向南、北两侧盆地洼陷带变宽，其中盆地南侧洼陷区宽度大于北侧洼陷区（图7）。

图7 彰武断陷九佛堂组同沉积古地貌及其与盆地主要断裂叠合图Fig. 7 Superimposed map of synsedimentary paleogeomorphology and main faults in the basin of Jiufotang Formation in Zhangwu Depression

3 原型盆地应力机制分析及断裂控砂模式

3.1 原型盆地应力机制分析

盆地同沉积期断裂体系及地貌格局是分析成盆期应力体制的主要内容。九佛堂组沉积期彰武断陷盆内断裂均为伸展正断层，断裂以右阶斜列式为主[17]，结合该时期彰武控盆断裂与盆内断裂的运动学关系及盆地次洼中心的展布，不难看出其具有典型的左旋右阶式扭动伸展应力体制特征（图8）。盆地在斜向伸展应力作用下，派生与彰武断裂近平行的NE向左旋张扭应力，彰武控盆断裂具分段式左旋右阶式展布，盆内次级断裂主体走向为NNE-NNW向，与彰武断裂呈斜列派生关系，而盆地中部构造转换带推测其成因先存的NW向的盆地基底隐伏断裂形成的构造调节活动有关[18]。早白垩世彰武断陷周缘深大断裂如嫩江-八里罕断裂、孙吴-大庆阜新断裂、佳木斯-伊通断裂、敦化-密山断裂在发生左旋错动[19]，彰武断裂九佛堂组沉积时期所表现出来的左旋张扭应力体制与该时期的区域应力背景相吻合。基于上述特征，本次研究将九佛堂组沉积时期的原型盆地称之为“分隔斜列转换伸展盆地”。

图8 彰武断陷九佛堂组时期成盆应力机制分析图Fig. 8 Analysis of basin forming stress mechanism during sedimentary period of Jiufotang Formation in Zhangwu Depression

3.2 陡坡带断裂体系控砂模式

在断裂精细研究的基础上，选取了目的层段九佛堂四砂组来研究沉积体系与断裂的匹配关系。图9A是该时期沉积体系空间展布格局（借助单井分析、砂岩厚图、地震属性等完成）。可以看到，在东部陡坡带，存在很明显的转换带物源，即大的沉积朵体均沿断层和断层的衔接部位进入。这些转换带物源在盆地实际上可以推进很远。这种砂体空间分布格局实际上改变了原来认为砂体只能在断层下降盘近源堆积的认识，为有利储集体的预测提供了一种新的思路。结合古地貌格局、断裂格局、沉积格局，提出了陡坡带“转换控砂”储层发育模型（图9B）。盆地陡坡带物源入口主要受盆地边界断裂（彰武断层）转换带控制[20]，边界断裂的斜列分段式形成多个地貌上的构造转换斜坡，成为控制盆地陡坡带物源入口的主要通道。

图9 彰武断陷九佛堂组断层控砂模式（A：九佛堂组沉积体系图；B：断裂控砂模式图）Fig. 9 Sand control model of Jiufotang Formation fault in Zhangwu Depression (A: Sedimentary system map of Jiufotang Formation; B: sand control model map of fault)

4 有利区预测的启示

彰武东部陡坡带钻探了彰武13井在九佛堂组钻遇扇端砂岩132 m/39层，其中油层4.6 m/1层，在义县组顶部风化壳火成岩储层中钻遇油层23 m/2层，不仅证实了陡坡带物源体系的存在，同时，也表明了油气顺着运移到了断阶带，结合“转换控砂”的认识，增强了陡坡带勘探的信心。

通过油藏解剖、烃源岩位置及输导体系分析认为彰武地区油气成藏模式可归纳为源内-侧向多期运聚成藏、源外-侧向-垂向多期运聚成藏模式（图10）。

图10 彰武断陷油气成藏模式图Fig. 10 Hydrocarbon accumulation model map of Zhangwu Depression

（1）源内-侧向-多期运聚成藏模式

此种油藏主要分布在西部缓坡带。九佛堂组是主力生油层，烃源条件好，西缓坡、东部陡坡两大物源体系砂体延伸至洼陷带与烃源岩直接接触，烃源岩成熟之后生成的油沿砂体向高部位侧向运移，在烃源岩层内的砂体中受构造或自身岩性干带封堵形成岩性油气藏，含油层系主要为九佛堂组。

（2）源外-侧向-垂向多期运聚成藏模式

此类油藏在东部陡坡带和西部缓坡带都有分布。东部陡坡带含油层系主要为九佛堂组、义县组，西部缓坡带含油层位为沙海组。断阶带九佛堂组埋藏浅、演化程度不够，不具备生油能力，盆内的沙海组、义县组也不具备生油能力。盆内九佛堂组生成的油气通过砂体、断层输导才能运移至断阶带或者断上盘成藏，如彰武13井发育东部陡坡带转换带发育扇三角洲砂体，砂岩厚度大，埋藏浅物性好，九佛堂组烃源岩生成的油气沿着砂体侧向运移然后顺延断层垂向运移至圈闭中，受反向断层封堵形成油藏。

通过新一轮的构造精细解释，剩余的构造圈闭主要分布在东部陡坡带，同时，根据研究区油源、输导体系、圈闭发育程度等因素[21]，提出下一步勘探两大方向。①转换带九佛堂组勘探领域，在台阶带构造圈闭领域找到优质储层发育区，就有望在九佛堂组发现厚油层；同时，如果转换带物源延伸距离比较远，扇三角洲前缘砂体伸到生烃次洼内部，则油气容易沿着砂体向高部位运移，如果有比较好的封隔条件，则也可以形成岩性油气藏；②台阶带义县组勘探领域，由于断层的错断，使得东部陡坡带义县组顶部早期遭受风化的地层被抬升到相对高部位，从而形成优质的风化壳火成岩储层，分布广泛，断层成为沟通油源和储层的关键要素，彰武斜13义县组油藏有望继续扩大。