長沙嶺轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造演化特征及其與油氣的關(guān)系

高 陽 張文萍 孫學(xué)棟 周在華 張寶權(quán) 白 軍

(①長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西西安 710064； ②東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北涿州 072751；③中國石油玉門油田勘探開發(fā)研究院，甘肅酒泉 735200)

0 概況

營爾凹陷位于酒泉盆地酒東坳陷，是酒泉盆地重要的油氣勘探領(lǐng)域之一，呈“兩凹一隆”、“東斷西超”的構(gòu)造格局，其中長沙嶺構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶是被一系列斷層復(fù)雜化的大型鼻狀隆起(圖1b)，整體疊覆于主力生油凹陷之上，緊鄰南、北兩個(gè)生油次凹，具備雙向供油的條件，石油地質(zhì)條件優(yōu)越，是油氣勘探有利區(qū)[1]。營爾凹陷的基底主要由下古生界志留系和上古生界石炭系—二疊系構(gòu)成，沉積地層包括侏羅系、下白堊統(tǒng)、古近系、新近系和第四系(表1)。下白堊統(tǒng)是營爾凹陷的主要烴源巖層，自下而上劃分為赤金堡組(K1c)、下溝組(K1g)和中溝組(K1z)，凹陷南緣的K1z在晚白堊世遭受剝蝕，使古近系直接沉積于K1g之上。區(qū)內(nèi)主要勘探目的層為K1g，自下而上細(xì)分為K1g1、K1g2、K1g3三段，目前已發(fā)現(xiàn)K1g3和K1g1兩個(gè)重要產(chǎn)油層。

前人認(rèn)為：營尓凹陷南、北次凹的結(jié)構(gòu)差異在長沙嶺地區(qū)產(chǎn)生了構(gòu)造轉(zhuǎn)換，在凹陷中部南、北斷層消亡處形成長沙嶺水下低凸起，調(diào)節(jié)南、北次凹的伸展應(yīng)變[2-4]；長沙嶺構(gòu)造在斷陷初期已具雛形，后期持續(xù)發(fā)育，長期處于構(gòu)造較高部位，是油氣運(yùn)移指向區(qū)。勘探證實(shí)，長沙嶺構(gòu)造帶發(fā)育復(fù)雜斷塊—巖性油氣藏，受多期構(gòu)造運(yùn)動影響，斷裂發(fā)育、切割關(guān)系復(fù)雜，且斷裂發(fā)育帶地震資料成像品質(zhì)較差，導(dǎo)致斷裂識別難度大、發(fā)育期次認(rèn)識不清、成藏規(guī)律認(rèn)識不系統(tǒng)[5]。依據(jù)前人研究成果，在系統(tǒng)分析構(gòu)造演化史的基礎(chǔ)上精細(xì)解釋構(gòu)造，分析斷裂期次和圈閉特征，研究構(gòu)造控砂、斷裂與油氣運(yùn)聚關(guān)系，明確了油氣富集規(guī)律，對長沙嶺轉(zhuǎn)換帶下溝組的勘探、開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 長沙嶺地區(qū)構(gòu)造演化特征

長沙嶺地區(qū)構(gòu)造演化與整個(gè)酒泉盆地尤其是營爾凹陷的構(gòu)造演化有著不可分割的聯(lián)系。酒泉盆地是中、新生代斷坳疊合型盆地，燕山期西伯利亞板塊發(fā)生了輕微的右旋，在興蒙褶皺帶南側(cè)形成了左行走滑,產(chǎn)生了北西—南東向拉張應(yīng)力，在中蒙邊界地區(qū)形成了一個(gè)北東向展布的伸展斷陷盆地體系，酒泉斷陷盆地位于該體系西南緣[6-7]。盆地內(nèi)形成了多組南北對稱的由北北東、北東向和與之伴生的北西西向斷裂組成的“狗腿狀”控邊斷裂,盆地南部凹陷的控邊斷裂呈“7”字形，北部凹陷的控邊斷裂呈“倒7”字型(圖1a)，整體上形成了北東向隆、坳相間格局，控制了各凹陷的沉積和規(guī)模。在這樣的構(gòu)造背景下，營爾凹陷受北部雙二井?dāng)鄬雍蜄|部下河清斷層共同控制，發(fā)育了南部次凹和北部次凹，這兩個(gè)次級凹陷的構(gòu)造變形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和沉積特征存在很大差異，長沙嶺構(gòu)造帶位于兩個(gè)次級凹陷之間，處于南黑梁斷層和北黑梁斷層消亡處(圖1b)。在新生代，祁連褶皺帶持續(xù)由南南西向北北東方向逆沖推覆，酒泉盆地為陸內(nèi)坳陷盆地，營爾凹陷整體沉降，對斷裂和成藏?zé)o明顯改造作用。

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史研究，認(rèn)為長沙嶺地區(qū)經(jīng)歷了早白堊世拉張斷陷期、晚白堊世—古新世隆升剝蝕期和漸新世—第四紀(jì)擠壓拗陷期三個(gè)構(gòu)造演化階段(圖2)。早白堊世拉張斷陷期為斷裂主要發(fā)育階段，控制了下白堊統(tǒng)烴源巖和儲集相帶展布，進(jìn)一步劃分為兩期伸展構(gòu)造運(yùn)動。

(1)斷陷早期的基底卷入伸展構(gòu)造運(yùn)動(K1c—K1g1)。基底斷裂在發(fā)育過程中南、北分化：北部次凹具有“東西雙斷”的結(jié)構(gòu)，東部受西傾下河清斷層控制，西部受東傾北黑梁斷層控制(圖3a)；南部次凹具有“東斷西超”的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部發(fā)育多條西傾正斷層，形成了一系列多米諾式半地塹(圖3b)。遠(yuǎn)離長沙嶺地區(qū)的南、北次凹斷層斷距大、活動相對劇烈，地層沉積較厚，長沙嶺地區(qū)斷層斷距小、沉積地層厚度相對小，長沙嶺轉(zhuǎn)換帶初步形成，表現(xiàn)為一水下低凸起。

表1 營爾凹陷地層簡表

圖1 酒泉盆地下白堊統(tǒng)區(qū)域構(gòu)造單元劃分(a)及營爾凹陷構(gòu)造單元劃分(b)

圖2 長沙嶺構(gòu)造帶東西向構(gòu)造演化剖面(剖面位置見圖1)

(2)斷陷晚期的蓋層滑脫伸展構(gòu)造運(yùn)動(K1z1)。為構(gòu)造主要成形期，北部次凹斷裂繼承性發(fā)育，凹陷結(jié)構(gòu)與斷陷早期相同；長沙嶺及南部次凹在重力差異壓實(shí)作用下，沿不同滑脫面發(fā)育了多條東傾犁式正斷層(南黑梁、長1和長2等斷層)，大規(guī)模切割早期西傾斷層(圖3c)。北部次凹西側(cè)的東傾北黑梁斷層在長沙嶺地區(qū)轉(zhuǎn)換為南部次凹西側(cè)的東傾南黑梁斷層(圖1b)，在南黑梁斷層和北黑梁斷層控制下，長沙嶺地區(qū)表現(xiàn)為同向轉(zhuǎn)換帶(圖4)。此期間長沙嶺低凸起的斷層斷距逐漸減小，水下低凸起進(jìn)一步擴(kuò)張，構(gòu)造主體為逆牽引滾動背斜，發(fā)育多組斷裂，形成被斷層復(fù)雜化的大型鼻狀構(gòu)造。

圖4 長沙嶺斷陷晚期同向轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造模型

2 轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造演化對油氣的影響

轉(zhuǎn)換帶的構(gòu)造演化在一定程度上控制著古構(gòu)造發(fā)育和斷裂形成，影響沉積體系的分布，控制油氣的運(yùn)移、聚集和保存[8]。對構(gòu)造演化的認(rèn)識直接影響解釋方案的確定。

2.1 構(gòu)造演化對斷裂和圈閉的影響

構(gòu)造演化與斷裂活動通常具有一定的對應(yīng)關(guān)系，對斷裂分析具有重要的指示作用。構(gòu)造演化分析表明，長沙嶺轉(zhuǎn)換帶主要形成于早白堊世拉張斷陷期，受兩期伸展構(gòu)造運(yùn)動影響，發(fā)育了兩期斷裂：早期為西傾斷層，控制K1c和K1g1沉積； K1g2和K1g3沉積時(shí)期是一個(gè)轉(zhuǎn)換期，斷裂不發(fā)育，K1z1沉積后發(fā)育了一系列東傾斷層，切割早期西傾斷層。

在構(gòu)造演化分析基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波屬性技術(shù)精細(xì)刻畫小斷層[9]，落實(shí)了兩期斷裂：①早期北東走向的西傾正斷層，是斷陷初期基底同沉積斷層，主要分布在長沙嶺構(gòu)造帶及以南地區(qū)，在長沙嶺構(gòu)造帶識別出薛家莊斷層、f1斷層和f2斷層，受晚期斷層切割改造強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；在南部次凹識別出5條早期西傾斷層，受晚期斷層切割改造相對較弱，多米諾式半地塹結(jié)構(gòu)清晰，發(fā)育大型斷階。②晚期北東向東傾正斷層。長沙嶺地區(qū)主要發(fā)育南黑梁斷層、長1斷層和長2斷層(圖3c)，這些斷層延伸距離長(15～20km)、斷距大(100～200m)，自西向東將長沙嶺構(gòu)造分割成長1斷背斜、長2斷背斜和長3斷鼻，形成向東逐級下掉的構(gòu)造格局。由于南、北次凹不均衡拉張作用，長沙嶺構(gòu)造帶又發(fā)育一系列北北西向調(diào)節(jié)斷層(主要分布于長1斷背斜和長2斷背斜)和北東東向張扭性斷層(主要發(fā)育在長2斷背斜和長3斷鼻)，兩組斷層呈共軛形式，將長2斷背斜和長3斷鼻進(jìn)一步分割成一系列菱形斷塊群。

長沙嶺構(gòu)造帶K1g1地層在東西向表現(xiàn)為壘、塹相間的結(jié)構(gòu)特征，中部壘塊帶是最有利的勘探區(qū)，分為長2斷背斜和長3斷鼻。長2斷背斜主要發(fā)育北東向張性正斷層和北北西向調(diào)節(jié)斷層以及北東東向張扭性斷層，落實(shí)了7個(gè)斷塊圈閉；長3斷鼻主要受北東向張性斷層和北東東向張扭性斷層控制，落實(shí)了8個(gè)斷塊圈閉(圖5)。

2.2 構(gòu)造演化對砂體分布的影響

沉積盆地研究強(qiáng)調(diào)構(gòu)造—古地貌對沉積的控制作用[10]，構(gòu)造—古地貌是控制沉積體系發(fā)育的關(guān)鍵因素之一，沉積體系直接影響儲集體分布。盆地內(nèi)的隆坳格局、古隆起與古斜坡地貌、同沉積構(gòu)造活動形成的構(gòu)造古地貌等是盆地古地貌研究的重要內(nèi)容，古地貌形態(tài)的差異導(dǎo)致砂體推進(jìn)距離、范圍和規(guī)模的差異[11]。斷裂活動是陸相斷陷湖盆最主要的構(gòu)造活動，同沉積斷裂及其組合直接控制盆內(nèi)的沉積體系展布和儲集體類型[12]；其次，轉(zhuǎn)換帶對沉積體系也具重要控制作用，一方面是構(gòu)成相對低地勢成為水系通道，另一方面則是作為構(gòu)造高點(diǎn)對沉積水系起分割和阻擋作用[13-15]。因此研究構(gòu)造—古地貌有助于揭示物源體系、沉積體系的發(fā)育特征及其空間配置關(guān)系。

長沙嶺構(gòu)造帶位于營爾斷陷湖盆西斜坡，為一個(gè)典型構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，早期西傾斷層和北北西向調(diào)節(jié)斷層及其組合共同控制古地貌，繼而控制可容納空間，影響沉積物的推進(jìn)方向及砂體展布樣式[16]。早白堊世長沙嶺地區(qū)為一水下低凸起，將營爾凹陷分為彼此獨(dú)立的南、北次凹，兩次凹發(fā)育各自的沉積中心。在K1c沉積時(shí)期，斷陷初始活動，湖盆范圍最小； 至K1g沉積時(shí)期，斷陷快速發(fā)育，沉積速率最大，沉積范圍明顯擴(kuò)大；K1z沉積時(shí)期為拗陷階段，沉降速率最小，湖盆范圍最大。

圖5 長2斷背斜、長3斷鼻K1g1頂面構(gòu)造圖

單位：m

早白堊世K1c—K1g1沉積時(shí)期，長沙嶺構(gòu)造帶具有背向構(gòu)造轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，在銜接部位構(gòu)造活動較弱，是西部物源主要注入口[17]。受洪水或者山區(qū)河流的作用，西部文殊山凸起的大量物源沿長沙嶺轉(zhuǎn)換帶注入營爾凹陷，由于薛家莊、f1和f2等早期西傾斷層的落差和沉降幅度存在差異，控制形成了多級斷階帶，物源受多級斷階帶控制，沿長沙嶺南翼走向斜坡注入南部次凹，在長沙嶺地區(qū)形成辮狀河三角洲(圖6)。構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部的斷層、斷階控制了長沙嶺辮狀河三角洲沉積體系的平面展布，在北黑梁斷層和薛家莊斷層以西發(fā)育了大規(guī)模辮狀河三角洲平原；在北黑梁斷層以東的長1斷背斜、長2斷背斜沉積體系以辮狀河三角洲前緣水下分流河道為主，平面上呈條帶狀展布；長3斷鼻處于三角洲前緣亞相前端，發(fā)育了席狀砂，平面上呈朵葉狀展布；長4斷塊處于前三角洲亞相，發(fā)育水下濁積扇。

早白堊世K1c—K1g3沉積時(shí)期，轉(zhuǎn)換帶內(nèi)北北西向調(diào)節(jié)斷層為“被動”同沉積斷層，在長1斷背斜、長2斷背斜形成了“斷槽”、“斷梁”相間的古地貌(圖7)，進(jìn)而控制可容納空間的局部變化，直接影響砂體的分散過程。鉆井資料表明，鉆遇斷槽的C2井揭示目的層段砂體發(fā)育，單層厚度大，鉆遇斷梁的C19井揭示目的層段砂體相對不發(fā)育，單層厚度也較小。因此，斷層間的古斷槽是主要的輸砂通道。長3斷鼻、長4斷塊由于同沉積斷層和調(diào)節(jié)斷層相對不發(fā)育，古斷槽和古斷梁不明顯，發(fā)育了席狀砂和濁積砂體，呈朵葉狀展布。古地貌特征表明：長1斷背斜、長2斷背斜K1g1主要發(fā)育兩支輸砂通道(圖6)，由YT1井經(jīng)C2、C21井向南次凹注入，砂體呈條帶狀展布，厚度較大； 在長3斷鼻砂體發(fā)育多支朵葉體； 在北部C301井區(qū)和西洼槽可能發(fā)育另外兩支朵葉體。

圖6 長沙嶺構(gòu)造帶K1g1沉積模式

圖7 長2斷背斜北北西向調(diào)節(jié)斷層控砂模式

以上分析表明，在長沙嶺轉(zhuǎn)換帶白堊系下溝組沉積時(shí)期，具有“斷槽輸砂、古地貌控砂”的沉積特征。綜合構(gòu)造演化、古地貌特征和鉆井砂地比統(tǒng)計(jì)結(jié)果，指導(dǎo)相控波阻抗反演[18]，刻畫長沙嶺轉(zhuǎn)換帶砂體(圖8)，在K1g1下段落實(shí)砂體面積達(dá)40km2。

圖8 反演預(yù)測砂體展布與構(gòu)造疊合圖

2.3 構(gòu)造演化對油氣生成和運(yùn)移的影響

在一些盆地的局部地區(qū)，存在構(gòu)造低部位含油氣、構(gòu)造高部位不含油氣的現(xiàn)象，這是由斷裂特征和構(gòu)造演化特征的關(guān)系決定的[19-21]。斷層既可以作為油氣運(yùn)移通道，也可以封堵油氣藏。一般來說，斷層在活動期具油氣通道作用，在靜止期具油氣封堵作用，斷層的封堵作用利于圈閉成藏[22-25]。多期構(gòu)造運(yùn)動使斷裂頻繁活動，產(chǎn)生了多期次、多種類型的斷層，不同時(shí)期、不同性質(zhì)斷層的側(cè)向封堵與運(yùn)移能力決定了油氣富集程度。因此，分析研究區(qū)的構(gòu)造演化特征有助于了解構(gòu)造對油氣的控制作用及油氣藏特征。

長沙嶺轉(zhuǎn)換帶是被兩期斷裂復(fù)雜化的大型鼻狀隆起，是良好的油氣指向區(qū)，數(shù)量眾多的斷層為局部圈閉的形成和油氣運(yùn)聚創(chuàng)造了有利條件，形成了K1g1油藏。構(gòu)造演化分析表明，K1g1油藏的形成受早白堊世拉張斷陷期兩期伸展構(gòu)造運(yùn)動形成的兩組斷裂共同控制，兩組斷裂的產(chǎn)狀、發(fā)育歷史以及活動特征存在明顯差異，從而對K1g1油藏具有截然不同的控制作用(圖9)。主要表現(xiàn)為： ①早期西傾斷層基本終止于K1g1頂部或K1g2底部，活動時(shí)間短，后期基本不活動[26-27]，且高部位砂體相對集中，單層厚度大，反向斷層錯動使下盤K1g1砂體對接上盤K1g2泥巖，對下傾方向的油氣形成良好封堵。因此，早期西傾斷層形成反向斷層遮擋油氣藏，反向斷層下盤的圈閉是有利的勘探目標(biāo)。②晚期東傾斷層發(fā)育于早白堊世末期，斷面上陡下緩，與區(qū)域地層傾向一致，表現(xiàn)為順向張性斷層，具有良好的開啟性，向上斷穿K1g3，終止于K1z，向下大多收斂滑移、消失于K1c烴源巖內(nèi)，將油氣向高壘塊運(yùn)移，對油氣起輸導(dǎo)作用，對油氣藏具逸散和破壞作用，導(dǎo)致有效的斷層相關(guān)圈閉較少。因此，順向斷層控制的圈閉勘探風(fēng)險(xiǎn)較大。

C3井K1g1油源對比分析表明，K1g1原油油樣中混合了一部分K1c的原油，說明油氣發(fā)生了垂向運(yùn)移。YC1井排烴模擬結(jié)果表明，在K1z1沉積時(shí)期，K1c烴源巖就開始大量生油，K1g1烴源巖也進(jìn)入了生油門限，說明晚期斷層活動期與生、排烴期基本一致，油氣通過晚期斷層向高壘塊運(yùn)移成藏。

綜上所述，認(rèn)為K1g1油藏是復(fù)雜斷塊油藏，油氣由低斷塊沿晚期東傾順向斷層向高斷塊運(yùn)移，匯聚于早期西傾反向斷層控制的高斷塊、高壘塊(圖10)，早期西傾斷層與晚期東傾斷層共同控制形成斷壘塊油氣藏，具有“構(gòu)造控油、一塊一藏、高塊富集”的特點(diǎn)。鉆井資料表明，獲工業(yè)油流的井均處于兩期斷裂控制的高壘塊，失利井都處于兩期斷裂控制的地塹中。因此K1g1油藏發(fā)育多個(gè)富含油氣的斷塊—巖性圈閉。在長2斷背斜、長3斷鼻共有7個(gè)相對高壘塊目標(biāo)，部署鉆探了7口井，并提交了百萬噸級的控制儲量。

圖9 斷裂系統(tǒng)控油機(jī)理及油氣聚集模式

圖10 營爾凹陷長沙嶺構(gòu)造帶東西向油藏模式

3 結(jié)論

長沙嶺轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造演化與油氣關(guān)系密切，分析構(gòu)造演化有助于了解轉(zhuǎn)換帶的形成和構(gòu)造特征以及油氣成藏過程，獲得以下認(rèn)識。

(1)長沙嶺轉(zhuǎn)換帶斷裂主要形成于早白堊世拉張斷陷期，該階段發(fā)生了兩期伸展構(gòu)造運(yùn)動，早期為基底卷入伸展構(gòu)造運(yùn)動，主要發(fā)育西傾正斷層；晚期為蓋層滑脫伸展構(gòu)造運(yùn)動，主要發(fā)育東傾犁式正斷層，對早期斷層切割強(qiáng)烈。

(2)長沙嶺轉(zhuǎn)換帶早期西傾同沉積斷層形成多級斷階帶，控制沉積體系的平面展布；調(diào)節(jié)斷層控制形成“斷槽”、“斷梁”相間的古地貌。白堊系下溝組沉積時(shí)期，具有“斷槽輸砂、古地貌控砂”沉積特征。

(3)早期西傾斷層對油氣主要起封堵、保存作用，晚期東傾斷層主要起運(yùn)移、輸導(dǎo)作用，在兩期斷層共同控制作用下長沙嶺轉(zhuǎn)換帶形成斷壘塊油氣藏，具有“構(gòu)造控油、一塊一藏、高塊富集”的特點(diǎn)。