乌石凹陷东洼“似花状”断裂发育机制及控藏作用*

向飞 邓勇 胡林 胡德胜 陈丽君 柳智萱

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司 广东湛江 524057；2.中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南海口 570000）

北部湾盆地乌石凹陷钻井证实为富生烃凹陷［1-4］，近年来逐渐成为北部湾盆地最重要的原油储量增长接替区，目前储量发现主要集中在深层，其油气探明储量占比达到95%，而中浅层只有零星发现，未获规模储量，主要原因是对控制中浅层断裂格架和构造格局的“似花状”断裂的发育机制和控藏作用认识不清。前人对该凹陷断裂的研究主要集中在幕式活动事件、构造控沉积、边界断裂演化、局部构造演化等［5-6］方面，而缺乏对各类型断裂发育机制的研究，尤其是“似花状”断裂的发育机制及其控藏作用方面的研究，制约了中浅层油气勘探进程。本文主要通过区域应力背景、先存构造、平衡剖面、断裂特征及活动性等方面的分析，研究“似花状”断裂的发育机制及其控藏作用，以指导研究区中浅层油气勘探工作。

1 地质背景

乌石凹陷位于北部湾盆地南部坳陷带，其北部以企西隆起南缘为界，与纪家凹陷相隔，南部以流沙凸起北缘为界，与迈陈凹陷相隔（图1），总体上呈北东向展布，面积约为2 600 km2，分为东、西2个洼陷，其中东洼受控于先存七号断裂，西洼受控于先存六号断裂［7］。

图1 乌石凹陷区域位置Fig.1 Location of Wushi sag

乌石凹陷经历了古近系的断陷阶段以及新近系的热沉降拗陷阶段（图2），形成了“下断上坳”、“下陆上海”的双层结构［8］。其中断陷阶段可划分为三期幕式构造运动：古新世—早始新世的初始断陷期、中—晚始新世强断陷期、渐新世断陷期，形成北东向、东西向以及北西向三组主要走向的断裂。长流组、流三段沉积时期，主要发育冲积扇和扇三角洲沉积；流二段沉积时期，控凹断裂活动强度达到鼎盛，湖盆水体快速加深，呈中深湖相沉积环境，凹陷内沉积了巨厚的暗色泥岩，为乌石凹陷最重要的烃源岩层；流一段、涠洲组沉积时期，辫状河三角洲发育，以厚层砂岩沉积为主，整体表现为富砂地层。拗陷阶段乌石凹陷逐渐步入海相沉积环境，断陷期形成的断裂在该阶段基本停止活动，少数断裂活动至中新世，同时由于海侵作用，形成T60（古近系顶面）区域不整合面，标志断陷期的结束，拗陷期的开始。

图2 乌石凹陷地层综合柱状图Fig.2 Stratigraphic composite histogram of Wushi sag

2 乌石凹陷“似花状”断裂发育机制

2.1 区域构造演化特征

乌石凹陷所在的北部湾盆地位于亚欧板块、印度板块和太平洋板块之间的三角地带，是中生代区域隆起背景下发育起来的新生代陆内裂谷盆地，构造演化受控于特提斯-喜马拉雅、濒太平洋两大构造域［9-11］。盆地受多种构造作用的影响，主要包括：亚欧板块和印澳板块的碰撞作用、太平洋板块的俯冲作用、印支块体旋扭和华南块体向东逃逸导致的走滑作用以及南海扩张和地幔上涌产生的拉张作用，其形成动力学背景异常复杂，但是从区域断裂系统来看，南海北部陆缘区主要发育伸展断裂体系，因此南海扩张和地幔上涌是乌石凹陷形成的主要动力机制，即乌石凹陷的构造演化过程主要受区域伸展应力场作用控制。同时从过乌石凹陷东洼X1井不同方向的平衡剖面伸展率来看（图3），中始新世，伸展应力场呈北西向，晚始新世—早渐新世，伸展应力场呈近南北向，到了渐新世末至中新世，伸展应力场旋转至北东向，因此，控制乌石凹陷形成的区域伸展应力场作用具有明显的顺时针旋转特征。

图3 过X1井不同方向平衡剖面伸展率（井点位置见图1）Fig.3 Balanced section elongation in different directions of Well X1（see Fig.1 for well location）

近年来，诸多学者逐渐认识到应力场的特征与先存断裂共同控制盆地的演化过程［12-15］：如果伸展应力场方向与先存断裂走向之间的夹角接近垂直，盆地呈正向拉伸演化模式，发育伸展断裂体系；若伸展应力场方向与先存断裂走向之间为小角度相交，盆地表现为斜向拉伸演化模式，在斜向拉伸作用下，受走滑分量的作用，发育扭张断裂体系，断裂既具有伸展特征，又具有走滑特征，夹角越小，走滑特征越明显。乌石凹陷在形成之前就存在中生代的北东、北西向两组先存断裂，这两组断裂是华南陆块陆地上的北东、北西向中生代深大断裂在南海北部陆缘区的自然延伸［16］，结合乌石凹陷伸展应力场顺时针旋转特征，乌石凹陷东洼在中始新世之前，伸展应力场与先存的北东向七号断裂接近垂直，这一时期，乌石凹陷东洼呈正向拉伸演化模式（图4a）；晚始新世至中新世，伸展应力场与先存的北东向七号断裂呈小角度相交，乌石凹陷东洼在这一时期表现为斜向拉伸演化模式（图4b）。因此，乌石凹陷东洼在整个断陷期具有“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”的演化特征。

图4 乌石凹陷东洼演化模式Fig.4 Evolution model of Wushi East subsag

2.2 “似花状”断裂发育机制

2.2.1 断裂特征

乌石凹陷东洼在“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”的演化过程中，主要形成了北东向、东西向及北西向三组断裂体系，根据断层性质可以具体划分为五类断裂体系：复活的先存断裂体系、伴生正断层体系、伸展滑脱断裂体系、同向走滑断裂体系以及“似花状”断裂体系（图5、6），其中“似花状”断裂体系在乌石东洼分布最为广泛，平面上主要分布于伸展滑脱断裂体系和先存七号断裂之间，剖面上主要分布于中浅层地层，对乌石凹陷构造格局和断裂格架具有重要控制作用。

图5 乌石凹陷东洼断裂体系平面图（位置见图1黑色框）Fig.5 Plan figure of the fault system in Wushi East subsag（see black frame in Fig.1 for location）

2.2.2 发育机制

从地震剖面上可以看出（图6），“似花状”断裂上盘与下盘地层厚度基本一致，控沉积作用不明显，多为一次性活动断层，根据断层向上断至的地层，可以看出花瓣处断裂多形成于中渐新世，花心处断裂多形成于晚渐新世—中新世。晚始新世到中新世，乌石凹陷东洼处于“后期斜向拉伸”演化阶段，伸展应力场呈南北向到北东向，与早期正向拉伸阶段形成的北东向断裂呈小角度相交，根据应力分解，伸展应力场分量包括拉张应力分量和走滑应力分量（图4b），其中拉张应力分量垂直先存七号断裂以及早期北东向伴生正断层，走滑应力分量平行于先存七号断裂以及早期北东向伴生正断层。在拉张应力分量作用下，先存七号断裂和南掉伸展滑脱断裂在早期正向拉伸基础上进一步产生可容空间（图7d），导致先存七号断裂和伸展滑脱断裂下降盘地层呈持续性漏斗式下沉，这一过程是一个逐渐向下收缩应变的过程，由于先存七号断裂的活动速率大于伸展滑脱断裂的活动速率，在靠近伸展滑脱断裂下降盘的部位地层发生明显的挠曲作用，造成地层向洼中旋转，形成断隆构造（图7e），当挠曲部位应变达到一定程度时，开始产生一组正反向断裂来调节应变，如果是单纯地受到拉张作用，一般调节断裂只会形成对倾张性结构，而在这一时期调节断裂受到持续性走滑应力分量带来的扭动作用，最终构成似花状形态并向下收敛于伸展滑脱断裂（图7f），这一过程形成的“似花状”断裂与走滑断裂存在明显的差异：典型的走滑断裂一般有一条直插基底的主断裂，而乌石凹陷东洼“似花状”断裂并没有直插基底的主断裂，而是向下逐渐收敛于伸展滑脱断裂。同时从区域构造背景来看：①南海西部区域大型走滑断裂—红河断裂呈北西向展布［15］，而乌石凹陷东洼“似花状”断裂多呈近东西向、北西向展布，与区域走滑断裂走向不一致；②“似花状”断裂形成时期，南海西部盆地内发育大量的近东西向断裂，显然是在同一区域应力场作用下而形成，这只有在区域范围近南北向拉伸应力场的作用下而形成，并非走滑作用能够形成，因此，乌石凹陷东洼“似花状”断裂不属于走滑断裂范畴，而是斜向拉伸的产物，是伸展构造样式向走滑构造样式的一种过渡。由于伸展滑脱断裂下降盘挠曲部位一般会形成一组“似花状”断裂并向下逐渐收敛于伸展滑脱断裂，因此，亦可将乌石凹陷东洼的“似花状”断裂和伸展滑脱断裂看成是复合型断裂体系。

图6 过乌石凹陷东洼地震剖面（剖面位置见图5）Fig.6 Seismic cross-sections of Wushi East subsag（see Fig.5 for location）

图7 乌石凹陷东洼北西向构造演化平衡剖面（剖面位置见图5）Fig.7 North-west-trending balanced section of Wushi East subsag（see Fig.5 for location）

2.2.3 演化差异性

乌石凹陷东洼“似花状”断裂在平面上主要呈北东向和北西向展布，其走向主要受伸展滑脱断裂东西段演化的差异性控制：根据伸展滑脱断裂Fa东西段各沉积时期古落差统计分析来看（图8），中始新世流二段沉积时期，伸展滑脱断裂只有东段（线号10～50之间）活动，西段（线号0～10之间）基本不活动；晚始新世流一段沉积时期，西段开始活动；早渐新世涠三段沉积时期至中渐新世涠二段沉积时期，东段活动强，西段活动弱，控制了乌石16区、23区断隆构造的形成，这一时期，拉张应力主要呈近南北向，导致乌石16区、23区的“似花状”断裂呈近东西向展布；晚渐新世涠一段沉积时期，伸展滑脱断裂东段活动减弱，而西段活动增强，控制了乌石29区断隆构造的形成，这一时期，拉张应力主要呈北东—南西向，导致乌石29区的“似花状”断裂最终呈北西向展布。

图8 伸展滑脱断裂Fa活动性（线号位置见图5）Fig.8 Activity of extensional decollement fault Fa（see Fig.5 for location）

剖面上“似花状”断裂向下由一根花瓣断裂作为主断裂收敛于伸展滑脱断裂，向上呈多级Y字形撒开（图6）。平面上“似花状”断裂的几何学特征受走滑应力分量作用强弱的控制具有一定的空间差异性：靠近先存七号断裂，由于受到七号断裂派生的走滑应力分量作用强，“似花状”断裂（如乌石23区）平面上单条断裂弯曲扭动特征明显，组合上呈右行左阶特征；远离先存七号断裂，受到走滑应力分量作用弱，“似花状”断裂（如乌石16区、29区）平面上单条断裂多表现为平直型，组合呈近平行式特征。

3 “似花状”断裂控藏作用

基于“似花状”断裂的发育机制和演化差异特征分析，其控藏作用主要表现在以下3方面。

1）控制中浅层圈闭的形成、类型和分布。“似花状”断裂在结构上表现为花瓣处断裂向下切割流二段地层，花心处断裂多收敛流二段地层之上，即“似花状”断裂主要控制中浅层圈闭的形成，经“似花状”断裂切割破碎化，中浅层地层主要形成断块、断鼻等两类构造型圈闭，其在平面上的分布受扭动强弱作用的控制表现出一定的差异性：越靠近七号断裂，“似花状”断裂扭动特征越明显，在断裂弯曲部位多形成大型断鼻类圈闭，例如乌石23区发育断鼻圈闭群；远离七号断裂，“似花状”断裂扭动特征变弱，断裂多呈平直型，多与次级断裂形成大型断块类圈闭，例如乌石16区、29区发育断块圈闭群，同时局部弯曲部位发育小型断鼻圈闭，其资源规模小，只能作为兼探目的层（图5）。

2）控制中浅层圈闭的有效性。从“似花状”断裂的发育机制和形成过程来看，虽然乌石凹陷东洼的“似花状”断裂不是受控于走滑动力机制演化而形成，但是其受到的斜向拉伸作用类似走滑作用会在一定程度上提升断层的侧封能力，具体体现在以下两个方面：①斜向拉伸过程中断面除了垂向滑动还会产生一定的斜向滑动位移以提升泥岩涂抹效果，越靠近七号断裂，断裂斜向滑动位移越大，泥岩涂抹效果越好，同时更易形成横向截断面，阻断油气垂向和纵向漏失，极大提升断裂的侧封能力；②走滑盆地在走滑作用下，会形成一些增压区，尤其是断裂弯曲部位或者右行走滑作用下形成的右行左阶断裂带内，易形成良好的增压效果，断面闭合程度高，断裂侧封能力好。断层侧封能力的提升在空间上具有差异性：斜向拉伸过程中，越靠近七号断裂，走滑应力分量带来的扭动作用越强，易形成良好的增压区，圈闭有效性就越好。例如靠近七号断裂的乌石23区，其断裂组合上具有右行左阶特征，为良好的增压断裂，断裂侧封能力强，圈闭有效性好，而乌石16区、29区远离七号断裂，其断裂组合上呈近平行式，增压效果变差，圈闭有效性差，局部弯曲部位可能有一定的增压效果。

3）控制中浅层圈闭的油气运移。中浅层圈闭与下覆流二段烃源岩组成源上成藏组合，因此垂向输导能力是中浅层圈闭成藏的关键。乌石凹陷具有两期生排烃高峰，第一期是渐新世，第二期是角尾组至今，从活动性来看，“似花状”断裂活动时间为渐新世至中新世，因此圈闭在渐新世开始形成，在中新世最终定型，与两期生排烃高峰匹配较好，有利于流二段生成的油气运移至中浅层圈闭聚集成藏。剖面上“似花状”断裂花瓣附近的断层切穿流二段烃源岩层段较深，特别是主断裂，一般切穿整个流二段地层并收敛于伸展滑脱断层，是油气向中浅层运移的主要沟源断裂，油气经花瓣附近断裂运移至浅层后，再沿砂体侧向运移并通过“似花状”断裂的其它分支断裂逐步分配和调节运移至花心处（图6），从整个油气运移路径来判断，油气首先充注花瓣附近处的圈闭，达到控圈断层的漏失点后再向花心附近圈闭充注，因此花瓣附近的油气运移条件好。

4 勘探实践

2013年之前，针对断隆构造带上的乌石16区、29区中浅层圈闭钻探了多口井，均有大量显示，偶见薄层油层，未规模成藏，钻后分析认为：①“似花状”断裂是受控于纯伸展应力场作用而形成，整体处于拉张应力环境，断面闭合程度低；②“似花状”断裂断距小，同时纯伸展应力场作用下断面主要是垂向滑动，不能形成有效的泥岩涂抹效果以及横向截断面，油气易漏失；③乌石凹陷中浅层整体富砂，目标盘与对盘容易形成砂砂对接的情况，导致油气侧向漏失。因此控圈断层侧封能力弱导致圈闭有效性差是乌石16区、29区钻探失利的主要原因。这两个区钻探失利后，长期认为乌石凹陷中浅层不具备规模成藏的可能，因此多年来针对中浅层的勘探一直没有实质性进展。

基于本文对“似花状”断裂发育机制的新认识，斜向拉伸作用下乌石凹陷中浅层能够形成局部增压区，增压区内的断层侧封能力强，圈闭有效性好，通过比选，靠近先存七号断裂的乌石23区具备规模成藏的有利条件：①发育大型断鼻圈闭群，潜力大，圈闭类型好，单条断裂弯曲程度高，断裂平面组合上呈右行左阶特征，说明受斜向拉伸作用强，为良好增压区，控圈断裂侧封能力强；②位于断隆带向主洼的倾末端，下伏成熟烃源岩，油气汇聚背景优越，花瓣断裂切割流二段，沟源能力强。因此近年来优选乌石23区作为中浅层勘探突破口，相继部署多口井，除了花心附近钻井失利外，花瓣附近钻井都获得油层发现（图9），总计探明储量超千万方，实现了乌石凹陷中浅层油气勘探的突破。

图9 乌石23区成藏模式（剖面位置见图5）Fig.9 Accumulation model of Wushi 23 structural area（see Fig.5 for location）

乌石23区钻探成功进一步证实本文认识的正确性，同时也为下一步乌石凹陷中浅层的拓展勘探指明了方向：优选靠近先存七号断裂附近的圈闭进行重点评价，花瓣附近的圈闭优先钻探；远离先存七号断裂以花瓣附近的断鼻圈闭评价为主。

5 结论

1）乌石凹陷东洼受顺时针旋转伸展应力场和先存七号断裂控制，断陷期具有“早期正向拉伸、后期斜向拉伸”演化特征，后期斜向拉伸过程中先存七号断裂派生的走滑应力分量控制“似花状”断裂的发育。

2）“似花状”断裂控制形成的圈闭类型及有效性在空间上具有一定的差异性：靠近先存七号断裂，多发育断鼻圈闭，圈闭有效性好；远离先存七号断裂，以断块圈闭为主，圈闭有效性较差。“似花状”断裂不同位置油气运移条件具有一定的差异性：花瓣处断裂切割流二段烃源岩，而花心处断裂多收敛于流二段之上，因此花瓣附近圈闭的油气运移条件好。

3）下一步乌石凹陷中浅层的拓展勘探应主攻靠近先存七号断裂附近的圈闭，先花瓣后花心进行钻探部署；其次是评价远离先存七号断裂花瓣附近的断鼻圈闭。