北大港潜山滨海断层发育特征及其与上古生界二次生烃耦合成藏研究

2022-03-10李建红王延斌张雨健

特种油气藏 2022年1期

李建红,王延斌,缪欢,张雨健,龚训,熊幸

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

0 引言

歧口凹陷是渤海湾盆地油气勘探的重点区块，蕴藏丰富的油气资源[1-2]。2015至2016年，在北大港潜山GG1-1、GG1501、GG1502井等钻井过程中发现，该区上古生界存在多套中浅层、优质高产的含油气新层系，显示出上古生界原生油气藏具有良好的勘探前景[3]。前人对北大港潜山的构造演化及油气成藏进行了一系列的研究。路俊刚等[4]利用有机地球化学方法分析了北大港东翼深层天然气勘探潜力；蒋有录等[5]根据储层沥青和流体包裹体判识北大港第1期油气成藏时间为中三叠世(235～223 Ma)，第2期为新近纪—第四纪(22～0 Ma)；陈昭年等[6]采用古构造分析和平衡剖面分析，指出北大港北翼奥陶系风化壳经历稳定抬升、褶皱冲断、断块翘倾和热沉降坳陷4个演化阶段；张东东等[7]利用北大港潜山三维地震数据体分析了北大港潜山的形成演化及其油气意义；周均太[8]通过对歧口凹陷沉积中心的研究，认为歧口凹陷新生代具有右旋走滑拉分性质。

总结前人研究发现，目前歧口凹陷的生烃研究仅仅局限于潜山和斜坡带，各次级凹陷烃源岩生烃演化研究甚少。滨海断层作为北大港潜山南部边界的控制断层，对油气成藏具有重大意义[9]，而其不同时期不同区段断层的活动性、几何样式尚不清晰；滨海断层发育演化规律与石炭系—二叠系烃源岩二次生烃成藏匹配关系处于模糊阶段。基于此，利用大量地震剖面、钻井资料和各时期底面构造图精细刻画滨海断层发育特征及北大港潜山油气成藏模式，在分析岐口凹陷石炭系—二叠系烃源岩生烃演化的基础上，综合分析滨海断层发育特征与石炭系—二叠系烃源岩二次生烃成藏匹配关系，为下一步寻找上古生界原生油气藏提供方向。

1 地质概况

歧口凹陷位于黄骅坳陷中北部，南起埕宁隆起，北至海河-新港断层，是黄骅坳陷最大的沉积单元，凹陷面积约为1 700 km2，地势南翼缓、北翼陡，整体形态似箕状构造(图1a)[10]。歧口凹陷沉积地层由老至新可划分为13套地层，石炭系—二叠系发育煤系烃源岩和砂岩储层，古近系发育湖湘暗色泥质烃源岩和泥质盖层，奥陶系顶部发育风化壳储层[11]。此次研究对象为石炭系—二叠系优质煤系烃源岩，山西组煤层厚度为8～10 m，暗色泥岩厚度为40～60 m，TOC平均值为1.96%；太原组煤层厚度为10～12 m，暗色泥岩厚度为60～80 m，TOC平均值为3.72%[12]。

图1 歧口凹陷构造纲要和地层综合柱状图(据文献[8]修改)

北大港潜山是歧口凹陷中央隆起的重要组成部分，其南北边界为大张坨断层和滨海断层，滨海断层一侧为北大港潜山构造高部位，对油气成藏意义重大[10]。北大港潜山形成演化阶段分为断陷、坳陷及拗陷3个期次(图1b)，其中，断陷、坳陷期(Es3—Ed)主要受NW—SE向拉张应力作用，拗陷期(Ng—现今)主要受近WE向剪切应力作用[13]。

2 断层发育特征

2.1 断层几何特征

滨海断层位于北大港潜山东南侧，是一条深切基底、具有右旋扭动的正断层，南起翟庄，北至BS3-1井附近(图2a)，走向为NE向，倾向SE向，倾角为25～55 °，长约为60 km，断距一般可达1000 m，断层向西控制歧北次凹的沉积，向东构成六间房似箕状次级沉积体[14]。基于不同位置地震剖面，从垂向及走向上对滨海断层几何特征进行精细描述(图2b)。

图2 滨海断层平面形态及地震剖面

垂向上，滨海断层断面上陡下缓，呈铲式，且分期性明显，东营组—馆陶组地层中的断层最为发育，次级断层数量多且密度高，形成复杂的花状构造组合样式，该类构造样式形成于右旋扭动，是走滑断层的直接识别标志[14]。沙河街组地层下盘次级断层规模明显减小，倾向大多与主断层相反，且组合样式单一。

走向上，滨海断层与港东断层呈侧列状组合，局部发育小规模羽状和网格状组合样式。歧口凹陷自燕山期断层大规模发育以来，受NW—SE向拉张应力作用[15]，导致滨海断层走向上分段明显，根据发育特征可将滨海断层分为东、中、西3段：①中段走向为NE向，其断层发育程度复杂，断块完整性差，断层带影响范围宽达4 km，下盘次级断层发育，其倾向与滨海断层相反，组合形成多米诺式构造样式；②东段走向为NEE向，其断层发育程度较中段更强，次级断层十分发育，该断层带影响范围较小，为2 km左右，下盘断层集中发育且未切穿上覆地层，其倾向与主断层相同，上盘次级断层组合形成花状构造样式；③西段走向近NEE向，该段断层发育程度最弱，断块完整性较好，仅上盘顶部发育少量次级断层。

2.2 断层活动性

基于各时代底面构造图和地震剖面，获取了滨海断层Es3、Es2、Es1、Ed、Ng、Nm6个时期8个平面位置断层落差，用于表征滨海断层不同部位不同时期活动性。结果表明：滨海断层Es3时期活动性最强，平均垂直活动速率达227.5 m/Ma，Ng时期平均垂直活动速率最小，仅为7.0 m/Ma，自Es3期以来，滨海断层活动性呈现出先减后增再减的变化趋势(图3)。Es4早期，太平洋板块对华北板块的俯冲由Ek期NWW向转为NW向[16]。Es3—Es1时期，在NW—SE向伸展区域应力场作用下，滨海断层整体活动性强，此时断裂展布以NE向为主。新近纪时期，由于印支板块对西藏板块的强烈挤压和向北俯冲，歧口凹陷区域应力场转变为以右旋剪切为主[17]，滨海断层伸展活动逐渐减弱，部分区带走向转为近WE向。对不同位置断层古落差分析可知，Es期滨海断层活动中心处于断层中段，Ed期以来，断层活动中心移至东段，故中段下盘次级断层十分发育，形成多米诺式构造样式，这是伸展运动的典型识别标志，东段上盘形成花状构造样式。

图3 滨海断层活动性

据万贵龙[18]研究发现，新构造运动期间，与歧口凹陷最大主应力方向平行的近NEE向断层封堵性差，而NE向断层封堵性好，该结果与断层活动性呈现出极好的匹配关系。Ng—Nm期断层东段活动性强、中段弱，这与其走向趋于NEE向相符，据此可定性判别滨海断层不同区段封堵性强弱。

3 滨海断层与石炭系—二叠系烃源岩二次生烃耦合成藏

3.1 石炭系-二叠系烃源岩生烃演化

负向构造单元因其埋深较大，有机质演化程度高，往往成为油气藏的烃源灶[19]。北大港潜山与板桥次凹、歧口主凹和歧北次凹形成“三凹夹一隆”的构造格局，歧口主凹与歧北次凹为北大港南侧油气成藏提供了油气来源。因地层埋深太大，缺乏钻井资料，现今关于该地区石炭系—二叠系烃源岩生烃研究仅局限于隆起部位。基于前人对于歧口凹陷盆地沉降史的研究结果，结合地震数据，采用沉积速率法恢复剥蚀厚度[20]，并利用petro mod软件模拟歧口主凹埋藏史，进而分析北大港地区生烃特征。

地层剥蚀厚度恢复基本原理如下：

(1)

(2)

(T-T1)V=HE

(3)

式中：H为沉积厚度，m；T为沉积时间，Ma；V为沉积速率，m/Ma；T0为沉积开始时间，Ma；HC为残余地层厚度，m；T1为剥蚀开始时间，Ma；HE为剥蚀厚度，m。

结合区域构造演化可知，三叠世初期，石炭系—二叠系烃源岩达生烃门限(图4)，但由于早期圈闭条件不足，无法形成大规模油气藏。中生代时期，岩浆活动使歧口坳陷部分区域石炭系—二叠系烃源岩受热生烃，但该次生烃范围小。古近纪初期，边界断层开始伸展运动，各次级构造单元快速沉降，埋深增加，石炭系—二叠系烃源岩热演化程度高，歧口主凹于Es3末期达生烃高峰期，此时Ro为0.9%左右，Ng末期Ro达到1.7%。新近纪以来，各边界断层以右旋剪切作用为主，歧口主凹沉降速率减慢，现今最大埋深约为8 800 m，其Ro达2.0%左右。北大港潜山Es3末期石炭系—二叠系烃源岩Ro为0.5%左右，现今实测Ro为1.0%左右，正处于生烃高峰阶段。

图4 歧口主凹地层埋藏史

3.2 石炭系—二叠系油气成藏模式

北大港潜山发育有多套优质储盖组合：石千峰组、上石盒子组、下石盒子组和山西组砂岩平均孔隙度在10%左右，可作为石炭系—二叠系烃源岩油气的优质储集层，此外，奥陶系风化壳也是优质的油气储集层；中生界与古近系地层泥岩层厚度大，是良好的石炭系—二叠系油气藏盖层。

基于钻遇石炭系—二叠系油气的钻井资料、地震剖面以及前人油源对比结果，认为北大港潜山的油气藏类型分为断块-断鼻、牵引背斜和古潜山(图5)，其中，牵引背斜型油气藏主要分布于北大港潜山东段，断块-断鼻型油气藏则分布于中段和西段，古潜山型油气藏普遍分布(图5)。牵引背斜型油气藏主要形成于新近系的右旋剪切运动，断块-断鼻型油气藏则形成于Es时期的NW—SE向伸展运动。由此可见，滨海断层的发育控制了北大港潜山圈闭的形成与演化。

图5 北大港潜山单井成藏模式

3.3 滨海断层对石炭系—二叠系油气聚集保存的控制

烃源岩成熟生烃是油气成藏的前提，优质的储层提供了油气的储集空间，致密的盖层是油气良好的保存环境，开启的断层是油气的运移通道，而封堵的断层将阻挡油气运移。生烃期、圈闭形成时间和断层活动三者之间良好的匹配关系是形成现存油气藏的关键。

油气成藏组合图可以很好地展示烃源岩生烃、排烃与圈闭定型的匹配关系(图6)。印支期末，上古生界烃源岩一次生烃，强度低，且无动力使油气向下运移至奥陶系风化壳储层，故第1次生烃期无大规模油气藏形成。中生代时期，北大港地区沉积中生界泥岩盖层，与下伏二叠系砂岩储层形成良好储盖组合，为古近系、新近系二次生烃准备了保存条件。Es3期各负向构造单元上古生界烃源岩迎来二次生烃高峰，但此时滨海断层伸展运动强烈，油气亦无法成藏。Ed期为北大港地区上古生界烃源岩二次生烃成藏关键时期，各要素匹配极好：负向构造单元石炭系—二叠系烃源岩进入高—过成熟阶段，北大港潜山石炭系—二叠系有机质进入成熟阶段，为北大港地区油气成藏提供充足的油气来源；以二叠系砂岩为储层，中生界、沙河街组泥岩为盖层的储盖组合普遍发育，北大港中段发育断块-断鼻型成藏模式，东段发育牵引背斜成藏模式；滨海断层以右旋扭动为主，为油气提供了运移通道。