辽东湾北部潜山走滑转换带特征及其对规模性储层的控制

惠冠洲,牛成民,杨传超,张江涛,关超,王明春,赵婧

中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津,300459

内容提要：潜山走滑转换带在渤海海域发育较为广泛,但其发育特征及控储作用研究薄弱。利用钻井、测井、三维地震等各类资料,对辽东湾北部地区构造转换带发育特征、成因机制及其对潜山规模型储层控制作用进行分析。研究认为,燕山末期左旋走滑背景下,辽东湾北部潜山发育多种类型转换带;根据走滑断层的相互作用以及转换带的形态,可以将辽东湾北部潜山转换带分为单支弯曲型和双支叠覆型两种类型;根据局部应力状态可以进一步细分为单支反“S”型、单支“S”型、双支左旋右阶以及双支左旋左阶转换带4个亚类,其中单支反“S”型和双支左旋右阶型转换带属增压型转换带,单支“S”型和双支左旋左阶型转换带属释压型走滑转换带。增压型走滑转换带提供的压扭性动力破碎作用使得潜山发育大规模裂缝型储集层,是潜山规模型储层发育的关键。

构造转换带的概念是由Dahlstrom(1970)研究挤压区调节构造时提出(Peacock et al., 1995)。根据走滑断裂派生构造的地质特征,自20世纪80年代将构造转换带概念引入到走滑构造研究区提出走滑转换带以来,该理论被广泛引入到走滑断裂区石油构造地质研究中并取得了重要突破,相继在美国落基山、中国渤海湾等油气田的勘探实践中得到了证实(Moustafa, 1997; 陈发景, 2003; Konstantinovskaya et al., 2007; Mouslopoulou et al., 2007)。走滑转换带是指与走滑断层相伴生的压性、张性或压扭等各类构造(叶洪, 1988; 宋鸿林, 1996)。走滑转换带作为走滑断裂派生构造中调节区域应变和释放构造应力的一类重要构造,对盆地内的烃源岩的展布、构造圈闭的形成和输导体系的发育有着重要的控制作用。

渤海海域走滑构造转换带广泛发育,引起国内诸多学者关注。近年来,国内学者在渤海海域走滑作用强烈地区对走滑转换带构造做了许多有益的研究,在走滑转换带的概念及分类、走滑转换带的成因及特征、走滑转换带对沉积体分布、大型圈闭形成和油气成藏等方面都有较为深入的研究(朱秀香等, 2009; 徐长贵, 2016; 夏庆龙, 2016; 柳屿博等, 2018)。徐长贵(2016)把走滑运动在断层内部、之间、末端以及共轭断层之间等过渡部位形成的各类应力性质构造称之为走滑转换构造,其概念的内涵和延伸都得到极大拓展,在新生界盆地内部油气勘探中备受关注并发挥重要作用。

近期,渤海海域辽东湾北部走滑断裂构造区太古宇潜山再获新突破,在渤海首个太古宇潜山油田锦州25-1南油田东侧新发现太古宇潜山优质油田,揭示了辽东湾北部太古宇潜山带巨大的勘探潜力。上述学者针对新生界盆地内部走滑转换带控藏作用做了大量卓尔有效的研究工作,但是对于作为盆地潜山基底,因其早期走滑作用隐伏性更强,走滑转换带特征及其相关研究较为薄弱,在一定程度制约了潜山油气勘探的潜力深挖。为此,笔者基于辽东湾北部地区的三维地震资料和40余口钻井资料,通过对辽东湾北部地区燕山晚期走滑断裂体系研究的基础上,重点剖析走滑转换带发育类型及其地质特征,进而分析走滑转换带控山造储作用,以期对该区下一步油气勘探提供一定的借鉴指导。 本文所指的潜山走滑转换带是指燕山末期走滑运动在断层内或之间等调节部位形成的各类张性或压性构造。

1 区域地质概况

辽东湾坳陷地处渤海海域北部,属下辽河坳陷向海域的延伸,受北东向主干断裂的控制,形成北东向展布的“三凹三凸”构造格局,自西向东依次为辽西南凸起、辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起和辽东凹陷6个二级构造单元。其中,辽中凹陷作为渤海海域富生烃凹陷之一,也是辽东湾地区沉积和沉降中心(图1)。

图1 辽东湾北部潜山区域位置与岩性综合柱状图Fig.1 Regional location map and lithological comprehensive histogram of buried hill in northern Liaodong Bay

辽东湾北部潜山带位于辽西凸起北段,围区钻井揭示地层自下而上发育潜山地层(太古宇、古生界、中生界)和新生界,受印支期北东大型挤压逆冲推覆作用,辽东湾北部潜山带地层整体缺失古生界,潜山地层主要为太古宇和中生界二元结构,局部太古宇直接出露(郭涛等, 2021)。太古宇以区域变质岩为主,中生界以玄武岩、安山岩和凝灰岩等与火山成因相关的低渗透性岩层为主。其岩性组合方式及地层厚度展布在不同构造位置呈现出不同的分布特征。潜山之上覆盖新生界,自下而上沉积有古近系的沙河街组和东营组,新近系的馆陶组、明化镇组和平原组等5套地层。锆石测年和古生物资料显示,辽东湾北部潜山带中生界的年代为晚侏罗—早白垩时期(J3-K1)(叶涛等, 2016, 2018),对应燕山末期强左旋剪切挤压复合构造作用,本文也以此为依据展开燕山末期辽东湾北部潜山走滑转换带的特征及控储模式研究。

2 潜山走滑断裂特征

2.1 平面特征

辽东湾北部潜山主要发育4条走滑断裂,整体近于平行呈NE向展布,自西向东分别为辽西1号、斜坡1号、斜坡2号和辽中1号(图2)。其中,辽西1号和辽中1号走滑断裂规模最大,自南向北贯穿整个辽东湾北部地区。辽西1号断裂控制辽东湾北部潜山带东部边界,断裂面相对平直但不连续,局部存在弯曲化或者阶步错断;辽中1号走滑位于辽中凹陷中部,断裂面较平直且连续,局部存在弯曲,对新生代油气成藏具有明显的控制作用。

从辽西1号、斜坡1号和斜坡2号走滑断裂的平面组合样式来看,走滑断裂表现出左旋走滑的性质。斜坡1号整体连续性较好且断面相对平直,局部存在“S”型或反“S”型弯曲,切割早期印支期NW向逆冲断层,多条NW向断层左旋错位特征明显,揭示了较强的走滑作用,斜坡2号整体规模较小,断面平直但连续性较差,同样对早期NW向断层发生切割错断。研究区内,走滑断裂的弯曲处、两支断裂的叠合处以及断裂的尾端构造变形尤为强烈,表明该构造位置是应力的集中释放带。

2.2 剖面特征

根据地震剖面上走滑断裂发育部位及断裂组合样式可以将渤海海域辽东湾北部地区走滑断裂划分为新生代走滑断裂和燕山末期潜山内幕走滑断裂两种类型(图3)。

(1)第①类走滑断裂为新生代走滑断裂,这类断裂形成于伸展走滑构造应力背景,易于断裂构造发育,新生界充分保留走滑断裂特征,剖面上主干断裂陡直,与派生断裂组合为负花状构造,其中研究区最东侧的辽中1号断裂属于该类走滑断裂。

(2)第②类走滑断裂为燕山末期潜山内幕走滑断裂,该类断裂发育于挤压走滑构造应力背景,相对于新生界碎屑岩,太古宇及中生界整体表现为强刚性地层,潜山构造应力多通过挤压造缝进行构造应力释放,受挤压控制潜山带整体隆升,潜山顶部发生强烈剥蚀,走滑断裂特征遭受破坏,且进入喜山期受强伸展作用控制,走滑断裂产状发生断陷倒转,最终使得燕山末期潜山内幕走滑断裂在剖面上的特征与新生代典型走滑断裂差异较大。

斜坡1号和斜坡2号属第②类走滑断裂,辽西1号属第①类和第②类走滑断裂共同叠加的产物。斜坡1号和斜坡2号走滑断裂在剖面上整体表现为单斜、断面平直但倾角较缓、潜山内幕断面影子清晰、断层顶部断至潜山顶面晚期不再活动,其中斜坡1号断裂规模要大于斜坡2号断裂;断裂附件可见地层变形,为潜山走滑断裂;辽西1号规模较大,表现为单断式,断裂面相对平缓且存在一定弯曲,受新生代发生强烈再伸展走滑活化。

3 潜山走滑转换带类型及演化

渤海海域沉积盆地内的走滑转换带类型划分已经有比较成熟的分类方案(徐长贵, 2016)。然而,对于潜山走滑转换带的类型划分、成因及其对潜山储层的控制作用,国内外研究报道较为少见。笔者等根据走滑断裂样式、组合方式及其应力状态将潜山走滑转换带划分为两大类4个亚类。首先根据潜山走滑断裂的形态及断层间相互关系,可以将走滑转换带划分为双支叠覆型和单支弯曲型两大类,根据局部应力状态可以进一步细分为增压型走滑转换带和释压型走滑转换带。笔者等基于上述辽东湾北部潜山带燕山末期潜山走滑断裂的发育特征,在研究区识别出4个潜山走滑转换带,并对各走滑转换带进行了类型划分和精细刻画。

3.1 潜山走滑转换带类型

3.1.1单支弯曲型潜山走滑转换带

在长距离走滑运动中,任何一条断层都难以保持产状稳定,常常会因走滑断裂两侧地层岩性的差异导致走滑受阻而在平面上呈现弯曲的形态,这种在一条走滑断裂上带有多个局部弯曲段的转换带称之为单支弯曲型潜山走滑转换带。根据弯曲方式的不同可细分为左阶“S”型单支弯曲型转换带和右阶反“S”型转换带两个亚类,左旋左阶“S”型转换带受应力拉伸,为释压型走滑转换带,而左旋右阶反“S”型转换带受应力挤压,为增压型走滑转换带。

(1)反“S”增压型走滑转换带,走滑断层在左旋走滑过程中会形成挤压应力场,利于潜山挤压形变形成背斜类圈闭,是潜山圈闭的有利发育区。该类型转换带在辽东湾北部潜山地区较为发育,例如锦州25-A构造。该构造地处斜坡1号走滑断裂,平面上反“S”型弯曲处发育正向构造,断裂两盘地层构造等值线处在高部位;剖面上盆地基底发育挤压褶皱形变,形成断背斜构造(图4)。

图4 反“S”增压型地震地质模式图Fig.4 Single-branch bending pressurized anti “S” pressurized seismic geological model

(2)“S”释压型走滑转换带,该类型转换带常与增压型走滑转换带成对出现。受局部伸展作用的影响,在“S”释压型走滑转换带内常发育负地形或小型凹槽,偶见有小型断块构造,对于潜山圈闭发育不利,例如锦州25-1南油田3井区。该区处于辽西1号断裂弯曲处的“S”释压型走滑转换带上,左旋“S”弯曲处派生拉张应力,构造等值线处于低洼部位;从剖面A和剖面B中均可看到新生代盆地基底呈现明显的凹坑,表明在该走滑断层附近,由于断层发生断陷作用,表现为张性释压构造特征(图5)。

图5 单支弯曲释压型地震地质模式图Fig.5 Single-branch bending pressure relief seismic geological model

3.1.2双支叠覆潜山走滑转换带

双支叠覆型走滑转换带是指两条走滑断裂首尾叠置但又互不搭接的排列方式,在这种排列方式下两条走滑断裂之间形成的过渡区成为双支叠覆型走滑转换带。根据走滑断裂的排列方式,进一步细分为左旋右阶双支叠覆增压型走滑转换带和左旋左阶双支叠覆释压型走滑转换带两种类型。

(1)左旋右阶走滑转换带,属增压型双支叠覆潜山走滑转换带,该类型转换带常形成较大规模的背斜类构造,如锦州25-1南油田主体区。该油田地处辽西1号和斜坡1号叠置区,平面上两条走滑断裂控制走滑转换带的两条断裂呈左旋右阶雁列式展布,断裂倾向相向,走滑转换带内地层构造等值线整体处于高部位;剖面上地层受挤压作用隆升为高部位,中生界剥蚀殆尽,太古宇直接出露,且派生断裂不发育(图6)。

图6 双支叠覆增压型地震地质模式图Fig.6 Bi-branch overlapping pressurized seismic geological model

(2)左旋左阶释压型,属释压型双支叠覆潜山走滑转换带,受局部拉张应力作用的影响,在该类转换带内常发育小型凹槽,例如锦州25-B构造。该构造处于斜坡1号和斜坡2号两支主干走滑断裂带的叠置区。平面上控制走滑转换带的两条断裂呈左旋左阶雁列式展布,叠覆带派生拉张应力,走滑转换带内地层构造等值线表现为深洼带;剖面上,地层断陷沉降整体表现为张性释压构造特征(图7)。

图7 双支叠覆释压型地震地质模式图Fig.7 Bi-branch overlapping pressure relief seismic geological model

3.2 潜山走滑转换带成因演化

辽东湾北部潜山所属的华北克拉通,处于扬子地台、西太平洋以及西伯利亚等多个板块的交汇处,其相互间横向或垂向运动是该区潜山走滑转换带形成的动力来源(郭涛等, 2021)。新生代盆地基底历经印支、燕山、喜山多期构造运动,其板块差异活动形成多期次的挤压—拉张的构造旋回,并伴生多期走滑运动。

辽东湾北部潜山走滑转换带于燕山末期基本形成,西太平洋板块俯冲挤压是其主要动力。具体而言,燕山期扬子板块对华北板块挤压碰撞已经明显减弱,西太平洋板块向华北板块俯冲挤压则是逐渐增强,盆地构造运动动力源转变为滨太平洋海陆交互体系。燕山运动可以细分为3期:①燕山运动早期,为印支运动到燕山运动的转型阶段,整个辽东湾北部潜山仍处于构造高部位遭受剥蚀(图8a);②燕山运动中期,晚侏罗世到早白垩世受多向挤压运动诱发岩石圈减薄垮塌,大规模软流圈地幔上涌引发强烈的火山运动和断陷沉降,辽东湾北部地区广泛沉积巨厚中生界,且地震相分析揭示地层成层性好且沉积过程构造稳定,目前所有钻井揭示中生界均为早白垩系,侏罗系整体缺失,有钻井钻遇1040 m白垩系便直至太古宇(图8b);③燕山运动晚期,晚白垩世伊泽奈崎板块的俯冲碰撞致使华北板块整体处于强左旋剪切挤压构造应力背景,郯庐走滑断裂带发生左旋走滑作用,发育大量NE左旋走滑断层(图8c)。

图8 辽东湾北部潜山走滑转换带成因演化Fig.8 Genetic evolution of strike-slip transfer zone of buried hill in northern Liaodong Bay

4 潜山走滑转换带与储层发育关系

渤海海域太古宇潜山岩性多为高长英质含量、低暗色矿物的变质花岗岩、花岗片麻岩和混合花岗岩等脆性岩类,为潜山规模型储层的形成提供了良好的岩石学基础(薛永安等, 2018; 王德英等, 2019; 徐长贵等, 2019, 2020; 高坤顺等, 2020; 杜晓峰等, 2021; 叶涛等, 2021)。裂缝型储层作为太古宇潜山主要的储集空间,其发育程度与构造强度密切相关,而挤压环境下更易形成大规模的构造裂缝(徐长贵等, 2019)。因此,增压型走滑转换带更有利于潜山形成规模型储集层。

4.1 潜山储层特征

盆地基底丰富的原岩类型经过长期变质作用形成复杂多样的变质岩潜山岩性,辽东湾北部潜山带主要发育片麻岩、变质花岗岩、混合岩、碎裂岩以及后期侵入岩脉等5大类岩石类型,除后期侵入岩脉外,其余4种都是太古宇潜山优势岩石类型。

根据岩芯和薄片观察,辽东湾北部潜山带太古宇变质岩潜山储集空间类型以裂缝型为主,局部地区发育溶蚀孔缝:①裂缝型储集空间:裂缝分为两种,一种是矿物内部发育的微裂隙,主要形成于矿物晶体颗粒内部,形成于早期构造运动,多被完全充填(图9a);第二种为构造裂缝,从壁芯的裂缝中可见方解石、铁白云石以及碎基等岩石矿物充填,多呈现半充填或完全开启状态(图9b),是太古宇潜山最重要的储集方式,从钻井取芯上看,也能看到明显的裂缝发育(图9c),裂缝之间相互切割,从荧光薄片上看,明显可见有机质大部分沿裂缝充填(图9d)。②溶蚀孔缝:在构造裂缝特别发育的地区,显微镜下可见矿物溶蚀现象,角闪石先被方解石交代,后期方解石溶蚀形成次生孔隙(图9e)。

图9 辽东湾北部潜山不同储层岩芯、壁芯和薄片特征(a)岩屑薄片,D井2785～2790 m;(b)壁芯,E井2144 m;(c)岩芯,B井1799～1801.5 m;(d)荧光薄片,E井2459 m;(e)壁芯薄片,E井2289 mFig.9 Characteristics of cores, wall cores and thin sections of different reservoirs of buried hill in northern Liaodong Bay (a) lithic thin section, well D 2785～2790 m; (b) sidewall core, well E 2144 m, (c) core, well B 1799～1801.5 m; (d) fluorescence sidewall core, well E 2459 m; (e) core thin section, well E 2289 m

岩芯和壁芯物性分析表明,辽东湾北部潜山带太古宇潜山储集层具有强烈的非均质性,孔隙度分布范围为1%～17%,大部分处在5%～10%之间;渗透率分布范围为0.1×10-3μm2～300×10-3μm2(高坤顺等, 2020)。

4.2 增压型走滑转换带控制裂缝发育

辽东湾北部潜山走滑转换带类型多样,根据转换带内应力性质划分为两种类型,一是增压型走滑转换带,以单支反“S”型走滑转换带和双支左旋右阶转换带为代表;二是释压型走滑转换带,以单支“S”型走滑转换带和双支左旋左阶转换带为代表。

增压型和释压型走滑转换带的应力状态存在明显差异,自然界中增压型走滑转换带内多见地形隆升、地壳减薄和新生代盆地基底暴露的环境(Segall et al., 1980),而释压区多表现为地形下沉、地壳伸展形成沉积盆地(Aydin et al., 1982)。

在地质演变过程中,这两种转换带类型对潜山裂缝的控制具有明显的差异。其中,增压型走滑转换带更利于太古宇潜山储层发育。增压型走滑转换带内部整体处于挤压应力环境或是以挤压应力为主导的应力环境,整个转换带内部潜山会发生潜山褶皱变形,太古宇作为刚性或脆性地层,整体会在褶皱变形中通过发育大量构造缝来释放挤压构造应力,挤压褶皱中心应力最为集中,岩体受构造应力影响深度最大,构造裂缝最发育,向两翼过渡裂缝发育程度逐渐降低,另外受挤压隆升作用,潜山遭受强烈风化剥蚀,亦有助于潜山裂缝的发育成储,潜山裂缝整体可以分为浅层受风化的构造缝和深层内幕构造缝,典型代表锦州25-A和锦州25-1南C/D井区,钻井揭示太古宇潜山储层最大厚度可达117.1～185.4 m。释压转换带整体处于伸展拉张应力环境或以伸展拉张应力为主的应力环境,太古宇主要是通过块体间断裂的垂向或者横向位移实现构造应力释放,块体内部应力释放产生的构造缝相对较少,张性应力主要表现为断陷沉降,构造位置相对增压型走滑转换带较低,风化剥蚀作用相对较弱,典型代表锦州25-B和锦州25-1南A井区,目前钻井揭示的太古宇潜山储层均在50 m以下(图10)。

图10 转换带分布位置与储层发育厚度叠合图Fig.10 Superposition of distribution position of transfer zone and reservoir development thickness

5 结论

(1)辽东湾北部潜山带主要发育辽西1号、斜坡1号、斜坡2号和辽中1号四条近于平行呈NE向展布主干走滑断裂,其中辽西1号为新生代右旋走滑断裂,首次识别出辽西1号、斜坡1号、斜坡2号为中生代左旋走滑断裂。

(2)根据潜山走滑断裂空间展布关系,可以将走滑转换带划分为双支叠覆型和单支弯曲型两大类,根据局部应力状态可以进一步细分为增压型走滑转换带和释压型走滑转换带。不同应力类型的走滑转换带会产生不同的地质响应,增压型走滑转换带多发育断背斜或断鼻等正向构造,释压型走滑转换带则断裂相对发育,表现为深洼带负向构造单元。

(3)辽东湾北部太古宇潜山储集空间以构造缝为主,表现为构造应力控储特征。增压型走滑转换带:太古宇潜山通过褶皱变形成大量构造缝释放挤压构造应力;释压型走滑转换带:太古宇潜山通过块体间断裂错位引动释放构造应力。增压型走滑转换带太古宇潜山构造缝发育程度优于释压型。