渤南洼陷沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)分布特征

王東曄

( 中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015 )

0 引言

含油氣系統(tǒng)的劃分和評(píng)價(jià)是指導(dǎo)陸相斷陷盆地油氣勘探的重要分析方法和手段[1-5]。斷陷湖盆具有多沉降中心、多物源供給、多旋回演化的特點(diǎn)，在剖面上易形成多套生烴層系。受熱演化程度差異的影響，各生烴層系之間具有多期生、排烴的特點(diǎn)，油氣在運(yùn)移、聚集及后期調(diào)整改造等方面顯示不同的規(guī)律性，形成不同層系、不同圈閉類型的復(fù)式油氣聚集帶，在空間上構(gòu)成多個(gè)相互交叉、疊置或并列的含油氣系統(tǒng)[6-8]。復(fù)式含油氣系統(tǒng)是陸相多旋回性斷陷湖盆的重要特征，其關(guān)鍵是斷陷湖盆中存在不同生烴母質(zhì)、不同熱演化史的多套生烴層系，各含油氣子系統(tǒng)生、排烴及油氣運(yùn)移、聚集成藏差異明顯。研究復(fù)式含油氣系統(tǒng)可以有效指導(dǎo)多旋回?cái)嘞菖璧氐挠蜌饪碧絒9-11]。

渤南洼陷是一個(gè)典型的北陡南緩的斷陷湖盆，中淺層勘探程度較高，中深層認(rèn)識(shí)程度偏低，如張鵬等建立渤南洼陷沙二段多源供烴成藏模式[12]，秦延才等明確渤南油田沙三段自生自儲(chǔ)成藏特征[13]，王雨菡等揭示渤南洼陷沙三段有機(jī)質(zhì)富集成因[14]。這些研究主要集中分析單個(gè)層系的油氣成藏條件和富集特征，沒(méi)有從復(fù)式含油氣系統(tǒng)角度對(duì)渤南洼陷油氣分布進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，尤其對(duì)沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)的分布特征缺乏深入研究，制約研究區(qū)中深層油氣勘探。筆者采用地質(zhì)分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、盆地模擬等方法，研究渤南洼陷古近系含油氣系統(tǒng)，明確沙四上—沙三下亞段油氣差異分布規(guī)律，為渤南洼陷中深層的下一步勘探提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷位于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷中部，為沾化凹陷面積最大、古近系埋藏最深的次級(jí)洼陷，面積約為600 km2，其中古近系地層厚度約為4 km。渤南洼陷北部以埕南斷裂帶與埕東凸起相接，南部與孤島凸起和陳家莊凸起相接，西部以羅家鼻狀構(gòu)造與四扣洼陷分隔，東部以孤西斷裂帶與孤北洼陷相鄰[15-17](見(jiàn)圖1)。

渤南洼陷邊界斷裂發(fā)育、內(nèi)部次級(jí)斷層發(fā)育、成盆充填與整個(gè)濟(jì)陽(yáng)坳陷同步。斷裂活動(dòng)性分析表明，渤南洼陷的構(gòu)造發(fā)育經(jīng)歷印支期、燕山早期、燕山中—晚期、燕山—喜馬拉雅過(guò)渡期、喜馬拉雅早—中期、喜馬拉雅晚期6個(gè)期次。根據(jù)構(gòu)造和地層發(fā)育，從南到北將渤南洼陷依次劃分為南部緩坡帶、渤深4斷階帶、渤南深洼帶和北部陡坡帶4個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[15-17]。陸相斷陷湖盆成盆和沉積充填主要受構(gòu)造活動(dòng)控制，構(gòu)造演化控制層序發(fā)育演化；水體發(fā)育、盆山關(guān)系的不同使沉積體系也不同，構(gòu)造格架控制沉積體有序充填。渤南洼陷具有典型的斷陷湖盆地質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)育陡坡帶砂礫巖、洼陷帶濁積巖、緩坡帶砂礫巖及湖相碳酸鹽巖等巖性體。按照生儲(chǔ)蓋配置關(guān)系，考慮烴源巖和膏鹽層分隔，渤南洼陷縱向上可分為沙河街組三段下(沙三下)亞段和沙河街組四段上(沙四上)亞段兩套主力含油氣系統(tǒng)。

圖1 渤南洼陷區(qū)域構(gòu)造位置(據(jù)文獻(xiàn)[15]修改)

2 生烴潛力

渤南洼陷古近系泥巖層系包括沙河街組一段(沙一段)、三段中(沙三中)亞段、三段下(沙三下)亞段、四段上(沙四上)亞段、四段下(沙四下)亞段及孔店組。孔店組在濟(jì)陽(yáng)坳陷沉積中心位于東營(yíng)凹陷和惠民凹陷的陽(yáng)信洼陷，在渤南地區(qū)分布面積非常局限。沙四下亞段沉積時(shí)期，沾化凹陷沒(méi)有形成統(tǒng)一的湖盆，整個(gè)湖盆規(guī)模比較小[18]，半深湖相分布局限，多為粗碎屑沉積，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，生烴潛力有限；沙三中亞段及沙一段沉積時(shí)期，由于埋藏淺，進(jìn)入生烴門限的有效烴源巖分布局限。

沙四上亞段和沙三下亞段為渤南洼陷主力烴源巖[19-20]。沙四上亞段烴源巖暗色泥巖厚度為50～750 m，厚度高值區(qū)主要位于埕南斷裂帶以南的深洼區(qū)，有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%～9.72%，平均為1.76%；氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.46%～27.75%，總烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布于54.46%～74.46%，干酪根類型以Ⅰ—Ⅱ型為主，為一套較好烴源巖。沙三下亞段烴源巖主要由富含藻類的油頁(yè)巖、灰質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)泥巖組成，由于有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約為4.00%，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.30%，干酪根類型以Ⅰ型為主，生、排烴潛力大，為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖(見(jiàn)圖2)。

3 含油氣系統(tǒng)特征

3.1 沙四上亞段

渤南洼陷埋藏史與熱演化史分析(見(jiàn)圖3)表明，東營(yíng)組沉積中期，沙四上亞段烴源巖進(jìn)入生、排烴期，開(kāi)始排液態(tài)烴，以源內(nèi)和近源運(yùn)聚為主，排烴量較?。粬|營(yíng)組沉積末期至館陶組沉積時(shí)期，開(kāi)始大量生、排烴，油氣從凹陷中心向四周運(yùn)移，含油氣系統(tǒng)的邊界不斷擴(kuò)大。東營(yíng)組沉積末期發(fā)生的較大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為油氣運(yùn)移提供動(dòng)力，活動(dòng)的深大斷裂也為油氣運(yùn)移提供良好通道。館陶組沉積時(shí)期，沙四上亞段烴源巖生、排烴持續(xù)進(jìn)行，沙四段形成的油氣多進(jìn)入較高成熟狀態(tài)，飽和烴及輕烴含量高；同時(shí)，普遍存在的超壓系統(tǒng)更易于油氣運(yùn)移。由于切穿沙四段源巖層的斷層相對(duì)較少，沙四上亞段地層富含石膏等蒸發(fā)巖類，上覆地層又被沙三段厚層泥巖遮擋，因此生成的烴類大多沿不整合面進(jìn)行長(zhǎng)距離的側(cè)向運(yùn)移，使沙四段含油氣系統(tǒng)分布范圍較沙三下亞段的更大。沙四段原油多分布于湖盆邊緣及斜坡地帶，形成地層超覆油氣藏、披覆潛山油氣藏和斷塊油氣藏，在湖盆中缺乏良好溝通通道的各類砂巖透鏡體內(nèi)形成巖性油氣藏。

圖2 渤南洼陷古近系生烴指標(biāo)分布

圖3 渤南洼陷埋藏史及熱演化史

沙四上亞段形成的原油主要分布于生油洼陷附近、斷階帶和羅家緩坡帶等地區(qū)。根據(jù)烴源巖與膏鹽層發(fā)育的位置關(guān)系，可分為沙四Ⅰ型和沙四Ⅱ型原油(見(jiàn)圖4)。生物標(biāo)志物特征表現(xiàn)：三環(huán)萜烷含量高，Pr/Ph小于0.8，具有植烷優(yōu)勢(shì)和偶碳優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)鏈藿烷系列分布具有C35>C33-升藿烷的翹尾特征；伽馬蠟烷含量高，伽馬蠟烷/C30藿烷大于0.2，反映沙四上亞段高鹽度咸水沉積環(huán)境特征；部分樣品含有反映生物降解成分的C28-29,30-二降藿烷，原油物性具有密度高、黏度較高的稠油特點(diǎn)，原因是沙四段原油埋藏淺、運(yùn)移距離遠(yuǎn)、發(fā)生氧化和生物降解(見(jiàn)圖5(a))。

圖4 渤南洼陷不同原油類型平面分布

研究區(qū)干酪根的熱模擬結(jié)果表明，當(dāng)?shù)貙訙囟瘸^(guò)145 ℃，有機(jī)質(zhì)基本進(jìn)入熱演化高成熟階段，以生裂解氣為主[15,21]。館陶組沉積中晚期(距今約10 Ma)，沙四上亞段烴源巖及部分原油開(kāi)始進(jìn)入裂解氣成熟門限；明化鎮(zhèn)組沉積中晚期(距今約5 Ma)，開(kāi)始進(jìn)入主生氣門限。因埋藏相對(duì)較淺，沙三下亞段烴源巖進(jìn)入裂解氣門限時(shí)間更晚。義120井埋藏史及熱演化史分析表明，沙三下亞段于平原組沉積中期(距今約2 Ma)進(jìn)入裂解氣主生氣期。渤深3、義115、義121、渤深5等井沙四段獲低產(chǎn)氣流，氣源對(duì)比表明天然氣主要來(lái)源于沙四段成熟—高成熟烴源巖，證實(shí)渤南洼陷裂解氣形成。由于沙四段烴源巖成熟度相對(duì)較高，渤南洼陷裂解氣氣源灶以沙四上亞段為主，沙三下亞段裂解氣氣源灶分布面積相對(duì)有限。該區(qū)裂解氣具有晚期生氣與成藏特點(diǎn)，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)弱，沙河街組大套泥巖及膏鹽巖、油頁(yè)巖的發(fā)育具有良好的保存條件，以尋找近源圈閉為主。

圖5 渤南洼陷沙四上—沙三下亞段烴源巖生物標(biāo)志物特征

3.2 沙三下亞段

東營(yíng)組沉積末期，沙三下亞段烴源巖埋深約為2.7 km，雖然進(jìn)入成熟門限，但未達(dá)到生烴高峰期，抬升剝蝕運(yùn)動(dòng)減緩生、排烴過(guò)程，直到館陶組沉積末期(中新世晚期)繼續(xù)開(kāi)始生、排烴，至明化鎮(zhèn)組沉積中晚期進(jìn)入主生、排烴期。館陶組沉積期后，該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱，先期形成的深大斷裂基本停止活動(dòng)，具有較好的封閉性。受濟(jì)陽(yáng)運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕和東營(yíng)運(yùn)動(dòng)影響，后期洼陷內(nèi)形成的一些同生斷層切割沙三段，斷層一般傾角陡且延伸距離較短，并連通到新近系，為沙三下亞段烴源巖生成的烴類垂向運(yùn)移提供良好通道，源巖層濁積砂體發(fā)育，沙三上亞段三角洲砂體、沙二段及其以上淺部層位河流相砂體廣泛分布[22]，形成斷裂—砂體有效復(fù)合輸導(dǎo)體系；沙三段油氣運(yùn)移動(dòng)力主要來(lái)源于浮力作用，部分地區(qū)存在弱超壓，使沙三段油氣運(yùn)移以近源垂向運(yùn)移為主。沙三下亞段形成的油氣沿同生斷層運(yùn)移、聚集，形成以儲(chǔ)層上傾方向被斷層封閉、下傾方向及側(cè)向巖性尖滅的構(gòu)造—巖性圈閉油氣藏。受構(gòu)造裂縫影響，位于同生斷層附近的儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能改善，如渤深3井4 450.1～4 472.4 m段，電測(cè)孔隙度為10%～20%，滲透率超過(guò)10×10-3μm2，可以形成良好的儲(chǔ)集空間。沙三下亞段—沙三中亞段沉積時(shí)期屬于湖泊擴(kuò)展期，受地質(zhì)事件作用影響，形成近岸水下扇和深水濁積扇等扇體，并與深湖相油頁(yè)巖和泥巖互層發(fā)育，形成源巖條件較好的巖性圈閉[13]。渤南洼陷沾化凹陷巖性油氣藏的分布層位以沙三段為最多，沙二段次之，沙四段最少，三個(gè)層位中以沙三段的巖性油氣藏充滿度最高，平均為49.0%；沙四段次之，為33.0%；沙二段最低，為29.5%[23]。根據(jù)巖性油氣藏的豐度及充滿度，沙四段和沙三段油氣運(yùn)移方式存在差別。

沙三下亞段生成的油氣主要分布于生油洼陷附近及斷階帶等地區(qū)，其特征為三環(huán)萜烷含量低，Pr/Ph比較高，大于0.8；Ts/Tm相對(duì)較高，多數(shù)大于1.0，顯示還原—弱氧化的沉積環(huán)境；甾烷特征一般，C27>C29>C28，含有較豐富的重排甾烷，伽馬蠟烷含量低，伽馬蠟烷/C30藿烷小于0.2，顯示淡水—微咸水成因及陸源輸入特征(見(jiàn)圖5(b))。

此外，沙三下亞段和沙四上亞段混源型原油主要分布于羅家緩坡帶和四扣洼陷邊緣等地區(qū)。

4 成藏主控因素及油氣分布規(guī)律

4.1 控制因素

4.1.1 烴源巖

沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)的分布主要受生烴系統(tǒng)控制(見(jiàn)圖6)。渤南洼陷斷階帶、湖盆邊緣及斜坡地區(qū)以沙四段原油為主，原油的成熟度中等偏高，為沙四上亞段烴源巖生、排烴形成的油氣藏[22,24]。洼陷中心及斷階帶的古近系和新近系原油主要來(lái)自沙三下亞段烴源巖，成熟度中等偏低，顯示沙三下亞段原油垂向運(yùn)移的特點(diǎn)。

圖6 渤南洼陷沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.2 儲(chǔ)集性能

渤南洼陷中深層多為低滲—致密性儲(chǔ)層，各類扇體及次生孔隙是油氣成藏優(yōu)選的儲(chǔ)集體及儲(chǔ)集空間。渤南洼陷沙四—沙三段沉積時(shí)期為湖盆發(fā)育期，古地形高差大，湖盆邊緣季節(jié)性洪水較為發(fā)育，發(fā)育一系列扇體。這些扇體被烴源巖包裹，具有良好的油氣成藏條件。在3.50 km以下的深部地層中，儲(chǔ)層成巖作用一般達(dá)到晚期，強(qiáng)烈的壓實(shí)壓溶作用和膠結(jié)作用使儲(chǔ)層的原生孔隙消失殆盡，原生孔隙度和滲透率變差[25-26]。沙三下亞段和沙四上亞段層系中生成的豐富有機(jī)酸可促進(jìn)次生孔隙發(fā)育，形成油氣成藏的有利儲(chǔ)集空間(見(jiàn)圖7)。

4.1.3 優(yōu)質(zhì)蓋層

優(yōu)質(zhì)蓋層形成研究區(qū)良好的油氣保存條件。沙四段沉積時(shí)期，氣候逐漸由溫暖潮濕演變成干旱，形成以間歇性鹽湖相為主的膏鹽層沉積[27-29]。膏泥巖地層廣泛發(fā)育于渤南洼陷，并且分布穩(wěn)定，其中渤深5井膏鹽層累計(jì)厚度達(dá)到185.5 m；根據(jù)地質(zhì)分析和地震預(yù)測(cè)，膏泥巖地層分布面積達(dá)到300 km2，是良好的區(qū)域蓋層。同時(shí)，沙三段、沙一段、東營(yíng)組、明化鎮(zhèn)組發(fā)育不同規(guī)模的泥巖，形成該區(qū)良好的上覆蓋層。

4.1.4 斷層

研究區(qū)油氣藏的分布受斷層控制明顯，早期形成的深層斷裂規(guī)模大、延伸長(zhǎng)，一般斷開(kāi)古近系地層，溝通新近系較淺地層，平面上切割洼陷生烴中心，延伸到洼陷邊緣。這些斷裂(如義南斷層、義東斷層、埕東斷層)在東營(yíng)組、館陶組及明化鎮(zhèn)組沉積早期存在不同規(guī)模的運(yùn)動(dòng)，是沙四段沉積早期形成的油氣發(fā)生運(yùn)移的主要通道；渤南洼陷東營(yíng)組沉積時(shí)期形成的一些小型張性同生斷層與早期形成的深大斷裂相交，形成花狀斷裂構(gòu)造，并切割沙三段烴源巖體，是沙三段油氣主生、排烴期發(fā)生垂向運(yùn)移的良好通道。明化鎮(zhèn)組沉積晚期，這些斷層基本停止活動(dòng)。斷層封閉性分析表明，明化鎮(zhèn)組沉積晚期停止活動(dòng)的斷層對(duì)油氣主要起封堵作用，是油氣聚集的良好遮擋體。以渤深5西斷層為例，計(jì)算斷層泥比率(SGR)及斷裂帶充填物泥質(zhì)含量(Rm)，其中SGR大于0.70，最大為0.98；Rm大于0.60，最大為0.90，說(shuō)明斷層帶內(nèi)泥質(zhì)含量高，泥巖涂抹效應(yīng)較好，封閉性強(qiáng)(見(jiàn)圖8)。渤深5井勘探結(jié)果表明，在主要砂巖和泥灰?guī)r層中獲工業(yè)性純氣流。

圖7 渤南洼陷儲(chǔ)層孔隙度分布特征

圖8 渤深5西斷層泥巖涂抹參數(shù)評(píng)價(jià)

4.2 油氣分布

受烴源巖分布、儲(chǔ)集性能、蓋層發(fā)育、斷層活動(dòng)性等因素控制，渤南洼陷沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)的油氣分布呈有序規(guī)律。在中央隆起帶部位，形成斷塊油氣藏；在斜坡帶部位，受不整合面遮擋，主要形成地層超覆油氣藏；在盆地邊緣的凸起部位，形成以披覆潛山、地層超覆為主的油氣藏；在洼陷中心發(fā)育各類扇體，形成各類巖性油氣藏(見(jiàn)圖9)。

圖9 渤南洼陷沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)有序分布特征

5 結(jié)論

(1)沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)是渤南洼陷古近系復(fù)式含油氣系統(tǒng)的主體構(gòu)成部分，基本控制渤南洼陷油氣的形成與分布。兩套油氣系統(tǒng)具有明顯不同的油氣成藏特點(diǎn)，其中沙三下亞段生成的烴類主要發(fā)生垂向運(yùn)移，主要分布于生油洼陷附近及斷階帶等地區(qū)；沙四上亞段生成的烴類側(cè)向運(yùn)移更為明顯，主要分布于生油洼陷附近、斷階帶及羅家緩坡帶等地區(qū)。烴源巖體的各類扇體形成自生自儲(chǔ)的巖性油氣藏是二者共同點(diǎn)。

(2)研究區(qū)沙四上—沙三下亞段含油氣系統(tǒng)的分布主要受烴源灶控制，中深層多形成低滲—致密性儲(chǔ)層，各類扇體及次生孔隙是油氣有利的儲(chǔ)集體及儲(chǔ)集空間，優(yōu)質(zhì)蓋層形成研究區(qū)良好的油氣保存條件。油氣分布呈有序規(guī)律，中央隆起帶主要形成斷塊油氣藏，斜坡帶主要形成地層超覆油氣藏，盆地邊緣的凸起主要形成披覆潛山、地層超覆油氣藏，洼陷中心主要形成各類巖性油氣藏。