珠江口盆地陽江凹陷東部地區斷控成藏條件

劉 軍 , 彭光榮, 朱定偉, 吳 靜 , 張志偉 ,杜曉東 , 汪曉萌, 柳瓊瑤, 李三忠 , 索艷慧

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 5 18000; 2.深海圈層與地球系統教育部前沿科學中心,海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 26 6100; 3.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室, 山東 青島 266100)

0 引 言

近年來, 珠江口盆地珠三坳陷的陽江凹陷東部地區連續發現了多個中小型油氣藏(彭光榮等, 2019;田立新等, 2 020), 成為珠江口盆地(東部)的熱點探區。陽江凹陷目前已發現的油氣藏中除個別為巖性油藏外, 其他油氣藏幾乎都受斷裂控制。斷裂與油氣富集成藏的關系是石油地質研究的熱點(羅梟等,2018; 聶冠軍等, 2 019; 劉一鳴等, 2 019; 付廣和王浩然, 201 9), 前人尚未對陽江凹陷東部地區斷裂的形成和演化及其與沉積充填、烴源展布、油氣運移與聚集成藏的關系進行系統的研究。

陽江凹陷東部地區位于陽江-一統深大走滑斷裂帶之上, 處于珠一坳陷和珠三坳陷的交匯處, 在多期構造運動影響下形成了復雜的斷裂系統, 斷裂組合樣式多樣, 張性和張扭性斷裂組合共存, 斷裂類型、組合樣式、斷裂級別、應力狀態等在不同次洼、不同層系差別較大, 導致斷裂對油氣成藏的控制作用亦存在很大的差異性。

自20 世紀70 年代至2018 年近40 年時間里, 陽江凹陷以對外合作勘探為主(彭光榮等, 2 019), 僅有少量鉆井和小范圍低品質三維地震資料, 早期的研究主要針對洼陷結構、勘探潛力和區帶優選, 缺乏對洼陷地質條件, 特別是斷裂系統特征和控藏作用的系統解剖。近三年隨著油氣勘探的不斷深入, 采集了覆蓋全區的高精度三維地震資料, 各類鉆井達15 口, 這些資料為陽江凹陷構造和斷裂的精細解析提供了保障。本次研究在連片三維地震資料基礎上,結合新近鉆井、測井和分析化驗資料, 解剖斷裂系統的特征, 分析斷裂與油氣藏之間的配置關系。

1 區域地質背景

陽江凹陷為珠江口盆地北部坳陷帶珠三坳陷的一個三級構造單元, 是在中生代花崗巖為主的基底上發育的新生代大陸邊緣拉張型斷陷(魯寶亮等,2011; 孫曉猛等, 2014), 歷經珠瓊、南海、東沙等多期構造運動, 凹陷內部形成了復雜的斷裂系統, 發育不同走向、不同級別的斷裂。陽江凹陷北接海南隆起和陽春凸起, 南臨陽江低凸起, 東側為珠一坳陷的恩平凹陷(圖1), 海水深80～100 m。目前勘探重點位于陽江凹陷東部的恩平20 洼、恩平21 西洼和恩平21 東洼, 三個負向構造單元受控于三條控洼斷裂(圖1), 洼陷面積共計230 km2。

陽江凹陷東部自下而上發育始新統文昌組、恩平組, 漸新統珠海組, 中新統珠江組、韓江組、粵海組, 上新統萬山組及第四系(圖2; 楊海長等, 201 1;施和生等, 20 14; 孫曉猛等, 2014; 劉志峰等, 20 17),其中, 始新統為斷陷沉積, 其上覆地層為坳陷沉積,具有典型的“下斷上坳”的雙層結構。文昌組為主力生烴層系, 珠江組和韓江組的海相三角洲砂巖與海泛泥巖是主力儲蓋組合, 為主要成藏層系。

圖1 珠江口盆地(a)及陽江凹陷東部地區(b)構造單元Fig.1 Simplified geological map of the Pearl River Mouth Basin (a) and the eastern Yangjiang Sag (b)

2 斷裂系統特征

早期的全球伸展盆地研究主要集中對盆地幾何形態的描述, 隨著研究的不斷深入, 斷裂系統的演化, 尤其是邊界斷裂演化受到了越來越多的關注(田巍等, 2015; 劉玉虎等, 2020)。斷裂系統是指在特征構造單元中形成的各種不同性質的斷裂組合, 包括斷裂空間排布、相互交切關系及成因聯系等, 是控制斷陷盆地油氣藏形成和保存的主要地質因素(蔡華等, 20 14)。深化含油氣盆地或凹陷斷裂形成、演化、展布特征、期次是研究油氣成藏地質條件、探討斷裂對油氣分布規律和控制作用所必需的。

受不同時期、不同性質構造活動的影響, 陽江凹陷東部斷裂系統與珠江口盆地其他凹陷類似(何敏, 2019; 陳瑋常等, 2020), 具有典型的上、下雙層結構。按照斷裂發育和活動時期可分為裂陷期斷裂系統、拗陷期斷裂系統和長期活動斷裂系統三類(圖3), 三套斷裂系統各有特征, 裂陷期斷裂系統以張性為主, 拗陷期斷裂系統具張扭應力場特點。

2.1 裂陷期斷裂系統

陽江凹陷東部斷裂主要發育在古近紀裂陷期(圖3), 即盆地開始拉開至始新世恩平組沉積期, 漸新世及之后斷裂活動明顯減弱。裂陷期斷裂系統按照其形成時期可細分為: 裂陷初始期(Tg)斷裂系統和局部隆升期(T82)斷裂系統。

(1) 裂陷初始期(Tg)斷裂系統

該時期主要發育基底卷入型張性正斷層, 在全研究區內均有分布(圖4a)。由于受珠瓊一幕NW-SE向伸展應力場控制(程燕君等, 20 20), 同時受剛性基底和先存斷裂的限制, 這一期斷裂走向整體呈NE-NEE 向。除少量邊界控洼斷裂后期繼承性發育外, 該期斷裂普遍在裂陷期之后不再活動, 一些斷裂在文三段沉積期之后即不活動, 部分在恩平組沉積期繼承性活動, 形成平面上平行展布、剖面上呈花狀或似花狀的組合樣式(圖3a、4a)。該期斷裂在恩平20 洼向南傾斜, 恩平21 西洼向北傾斜。裂陷初始期斷裂系統控制了洼陷的邊界和內部小凸起、小次洼的形成與展布, 控制了基底的基本形態和文昌組沉積早期溝谷體系的分布。

(2) 局部隆升期(T82)斷裂系統

該期斷裂主要發育在恩平21東洼緩坡帶(圖3b、4a)。受巖漿底侵影響, 恩平21 東洼北部緩坡帶在文三段沉積末期強烈隆升, 形成一系列延伸短、切割層位少的順向調節斷裂。

圖2 陽江凹陷東部地區地層綜合柱狀圖Fig.2 Synthetic geological column of the eastern Yangjiang Sag

圖3 陽江凹陷東部地區斷裂系統剖面(剖面位置見圖1b)Fig.3 Seismic profiles of fault system in the eastern Yangjiang Sag

2.2 拗陷期斷裂系統

自始新世裂陷期結束之后直到早中新世, 陽江凹陷整體處于構造平靜期, 斷裂不發育。到早中新世珠江組沉積晚期再次發生強烈的斷裂活動, 發育一系列NW-NWW 走向的斷裂, 并在韓江組沉積期和粵海組沉積期繼承性活動, 總體與菲律賓海板塊向西楔入和臺灣造山運動有關。在地震剖面上多表現為向上斷穿韓江組、向下大部分斷至珠海組, 少量可斷至文昌組甚至基底; 剖面上呈花狀、復合Y 字型或平行等組合樣式; 平面上呈平行式、雁列式或馬尾狀等組合樣式(圖4b), 具有典型的張扭應力場特征。

2.3 長期活動斷裂系統

長期活動斷裂系統是裂陷期形成、拗陷期繼承性發育的斷層, 主要為三條控洼邊界斷裂F4、F5和F11(圖3、4c)。控洼邊界斷層為同沉積正斷層, 發育時間長, 斷距大, 向下斷至基底, 向上斷至萬山組或第四系, 是油氣垂向運移的重要通道。

2.4 斷裂演化過程

陽江凹陷東部斷裂經歷了始新世斷陷、漸新世拗陷和中新世斷塊活化三個構造演化階段(胡陽,2019), 斷裂的發育和演化過程與凹陷的構造演化階段具有很好的對應關系。

始新世文三段沉積期, N E 向的古太平洋-太平洋洋中脊NW 向正向俯沖于東亞陸緣之下(Müller et al., 2008; Set on et al., 2012), 使俯沖系統上部的南海北部大陸巖石圈處于 NW-SE 向純剪伸展的應力背景下, 陽江東凹NEE-EW 向先存逆沖斷裂體系選擇性活化并發生構造反轉, 形成一系列NE-NEE 向張性正斷層和(半)地塹(圖5a), 其中三條延伸長、活動性強的斷裂F4、F5和F6限定了陽江凹陷東部地區裂陷作用的范圍及恩平20 洼、恩平21西洼和恩平21 東洼(圖1)的沉積范圍。

圖4 陽江凹陷東部地區斷裂系統平面組合Fig.4 The fault pattern of the eastern Yangjiang Sag

圖5 陽江東凹新生代斷裂演化模式(剖面位置見圖1b)Fig.5 Evolutionary mo del o f Ce nozoic fa ulting i n t he eastern Yangjiang Sag

文三段沉積末期, 巖漿不均衡底侵作用使恩平21 東洼北部和東部抬升, 一方面造成地層的剝蝕;另一方面為調節差異隆升作用的應變, 形成一系列向南傾斜的調節斷層, 這些斷裂成群成帶分布(圖5b), 延伸短、斷距小, 對地層的控制作用弱。文二段沉積末期至文昌組沉積末期, 巖漿不均衡底侵作用進一步加強, 整個恩平21 東洼隆升至地表, 缺失文一段沉積(圖5c)。

恩平組沉積期, 陽江凹陷東部的裂陷作用相比文昌組沉積期較弱, 且裂陷中心有向西遷移的趨勢,F4和F5斷裂活動性增強, 沉積沉降中心位于恩平20洼, 該期斷裂作用不發育, 僅有少量文昌組沉積期斷裂繼承性發育(圖5c)。

漸新世-早中新世, 整個珠江口盆地進入拗陷演化階段, 斷裂作用不明顯, 僅有少量控洼斷裂繼承性活動, 如F4、F11和F5斷裂西段, 且活動性較弱(圖5d)。

早中新世后期, 受東沙運動影響, 珠江口盆地斷塊活化, 在陽江凹陷東部發育一系列斷裂(圖5e),這一期斷裂在韓江組沉積期及以后繼承性活動(圖5f), 形成現今的斷裂樣式。

3 斷控烴源、圈閉、油氣輸導與保存

3.1 斷裂對文昌組沉積體系的控制

陽江凹陷東部地區的邊界斷裂在古近紀的活動控制了洼陷形成和充填, 進而控制了文昌組烴源巖的分布和演化。研究區洼陷結構和沉積充填受長期活動斷裂F4、F5和早期斷裂F6共同控制, 但在不同時期不同斷裂或同一斷裂不同部位的控制作用存在顯著差異。

(1) 初始裂陷期(文三段沉積期)

初始裂陷早期, 即文三段沉積早期, 陽江凹陷東部整體處于低水位域, F4斷裂和F6斷裂東段伸展作用強烈, 使斷裂下降盤可容納空間增大, 但周邊物源供應有限, 洼陷處于欠補償沉積狀態, 因此以低能富泥沉積為主。地震剖面上恩平20 洼、恩平21 東洼洼陷中心呈低頻、連續、中-強振幅、近平行反射特征, 沉積厚度達1200 m。F5斷裂活動性相對較弱, 且西南方向存在陽江中低凸起, 物源供給充足, 可容納空間的增加速度小于物源供應速度,為過補償環境, 恩平21 西洼沉積了一套辮狀河三角洲(圖6a)。在恩平21 東洼緩坡帶, 早期斷裂F23、F27與構造斜坡配置形成大型的北東向溝谷(圖4a), 為恩平15-1 低凸起的碎屑物質向洼陷內搬運提供通道,使緩坡帶沉積了一套辮狀河三角洲砂體。A4-1 井鉆遇了這套砂體, 測井曲線呈齒化箱形或齒化鐘形特征; 巖性以石英細砂巖為主, 分選好, 孔隙度達12%, 是一套優質儲集體。初始裂陷期晚期, 即文三段沉積晚期, 裂陷作用增強, 控洼斷裂F4、F5、F6活動性增大, 水體加深, 半深湖相范圍擴大(圖6b)。

(2) 裂陷高峰期(文二段沉積期)

控洼斷裂活動性進一步增強, 特別是F5斷裂和F6斷裂中段的活動強度增大, 導致可容納空間增大,洼陷連片發育, 研究區與北側的恩平14 洼半深湖相連為一體, 僅在恩平21 西洼西部和恩平21 東洼東北部發育小型辮狀河三角洲(圖6c)。文二段沉積后期, 研究區東部受巖漿底侵影響, 恩平21 東洼緩坡帶遭受大面積的剝蝕, 形成現今恩平21 東洼和恩平14 洼分割的構造格局(圖6c)。

(3) 裂陷萎縮期(文一段沉積期)

研究區東部隆升作用進一步加強, 恩平21 東洼隆升至水上, 成為物源區。此時F4、F5持續活動, 沉降和沉積中心位于恩平20 洼和恩平21 西洼, 洼陷中心沉積了一套半深湖相, 東西兩側為辮狀河三角洲沉積(圖6d)。

在恩平21 東洼南部陡坡帶和北部緩坡帶分別鉆探的A8-1 井和A4-1 井, 揭示了文昌組的半深湖相烴源巖。兩口井鉆遇的文昌組泥巖厚度分別為400 m和230 m, 為厚層灰黑色泥巖, 夾少量薄層砂礫巖。地球化學分析結果表明, 總有機碳含量(TOC)為1.85%～3.66%, 平均 2.32 %; 有機質類型為Ⅱ1-Ⅱ2型; 鏡質體反射率Ro介于0.76%～1.2%, 平均1%(課題組未發表數據), 屬于好-很好級別烴源巖, 且處于成熟生油階段。

3.2 斷裂對圈閉形成與分布的控制

陽江凹陷與其他珠江口盆地北部坳陷帶類似,整體處于拉張環境, 缺乏大型背斜圈閉, 目前解釋出的圈閉均與斷裂有直接關系。這些圈閉按照形成時期和控圈斷裂類型的不同可分為三類, 分別對應于三套斷裂系統。

(1) 裂陷期斷裂系統控制的圈閉

主要分布在恩平20 洼與恩平21 西洼過渡帶和恩平21 東洼緩坡帶(圖4a), 前者是在花狀斷裂上升盤形成的斷鼻構造; 后者一部分是裂陷期反向斷裂與一組走向近平行的坳陷期斷裂相互切割形成的斷塊圈閉, 位于恩平21 東洼緩坡帶內帶, 另一部分是裂陷期斷裂與剝蝕線閉合形成的地層圈閉, 主要位于恩平21 東洼緩坡帶外帶。

(2) 拗陷期斷裂系統控制的圈閉

主要是受NW-NWW 向張扭斷裂控制, 位于斷裂上升盤的斷鼻構造, 或在馬尾狀、雁行式斷裂末端左行左階斷裂疊覆區形成的一系列斷鼻、斷塊圈閉群, 分布范圍與拗陷期斷裂分布范圍一致(圖4b)。

(3) 長期活動斷裂系統控制的圈閉

主要包括發育在控洼斷裂F4、F5、F11上下盤的大型滾動半背斜、斷鼻和斷塊圈閉(圖4c)。

圖6 陽江凹陷東部地區文昌組沉積相Fig.6 Sedimentary phases of the Wenchang Formation in the eastern Yangjiang Sag

3.3 斷裂對油氣輸導與保存的控制

油源斷裂是溝通深部烴源巖與淺部儲層和圈閉的主要通道, 能否成為油源斷裂及其垂向輸導性能取決于斷裂規模、活動時期、活動強度、斷穿層位等多種因素。只有斷裂溝通烴源巖與圈閉、且斷裂活動時期與生排烴時期匹配時才能成為油源斷裂(魏真真等, 2020)。陽江凹陷東部地區新近系油氣充注時間為韓江組沉積晚期(12 M a)至今, 因此依據斷裂在韓江組沉積晚期的活動速率、斷層發育時期、切割層位等因素將研究區的油源斷裂分為三類。

(1) 一級油源斷裂包括長期活動斷裂F4、F5和F11, 是研究區新近系最優質的油源斷裂, 能夠將油氣運移至淺層珠江組和韓江組, 目前研究區發現的A1、A2 等中型油田即是靠此類斷裂輸導油氣(彭光榮等, 2019)。

(2) 二級油源斷裂主要包括F15、F18等與裂陷期斷裂共用斷面的拗陷期斷裂。這些斷裂雖是拗陷期形成, 但在深層“借用”裂陷期斷裂的薄弱面, 與文昌組烴源巖有充分的接觸, 能夠將油氣運移至新近系珠江組, A8、A6 等含油構造即是靠此類斷裂輸導油氣。

(3) 三級油源斷裂主要包括F20、F21等斷至文昌組的拗陷期斷裂。這些斷裂雖斷至文昌組, 但文昌組斷距較小, 向淺層輸導的油氣量相對較小, A4、A5等構造即是靠此類斷裂輸導油氣。

斷裂垂向輸導為油氣由深部向淺層運移提供了重要通道, 而斷裂側向封堵是斷裂圈閉成藏不可缺少的條件(楊志成等, 2019; 魏真真等, 2020)。斷裂的應力性質對圈閉的側向封堵能力具有重要影響, 從而影響油藏高度和富集規模。前人在斷層應力性質與側向封閉能力方面的研究表明: 壓應力斷層的側向封閉能力優于張扭應力斷層, 張扭應力斷層的側向封閉性能優于拉張應力斷層(萬天豐等, 200 4; 吳智平等, 2010; 王光增, 2017)。珠江口盆地中新世至今以近南北向張性應力場占主導(謝丁等, 20 16), 使得深部E-W 向斷裂具有拉張性質, N W 向斷層具張扭性質, N W 向斷裂的封堵性能優于E-W 向斷裂。實際鉆探結果也證實研究區NW 向斷裂具有良好的封堵性能, 例如, A 1、A2 和A6 等油田即受NW 向斷裂控制, 而A3、A7 等構造的控圈斷層為E-W 向,盡管油氣顯示非常豐富, 但油層數量少、油柱高度小。

4 結 論

陽江凹陷東部地區的斷陷格局具有典型的古近系和新近系上、下雙層結構, 組成斷裂可分為裂陷期斷裂系統、坳陷期斷裂系統和長期活動斷裂系統,控制了凹陷內的沉積體系分布和油藏特征。

(1) 陽江凹陷東部的洼陷結構受長期活動斷裂和裂陷期斷裂共同控制, 斷裂的差異活動控制了沉積體系特別是辮狀河三角洲和半深湖相烴源巖的展布。

(2) 三套斷裂系統歷經三期構造演化過程, 控制形成了三種不同類型的圈閉, 主導了陽江凹陷東部主要圈閉的形成與分布。

(3) 斷裂還控制油氣運移和保存條件的差異性:一級和二級油源斷裂主導了新近系油氣的垂向運移;NW 向張扭斷裂側向封堵能力強, 控制了油氣的富集程度。