冀中坳陷鄚州变换带演化特征及控藏作用

2012-01-03 09:51:18劳海港吴孔友陈清华吴兆徽
关键词:马西潜山三角洲

劳海港,吴孔友,陈清华,吴兆徽

(中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580)

冀中坳陷鄚州变换带演化特征及控藏作用

劳海港,吴孔友,陈清华,吴兆徽

(中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580)

通过高精度三维地震解释、钻井、岩心、薄片和测井等资料分析,结合凹陷主干边界断裂及鄚州构造带内部断裂特征解析,对鄚州变换带构造属性及其控藏作用进行研究。结果表明:鄚州构造带在古近纪具有调节区域构造变形的作用,变换带历经弧形断裂系-扁豆状断块形成期、雁列状断裂系-堑垒状断块形成期和雁列状断裂系-塌陷背斜形成期3个独特的演化阶段;变换带不仅改善潜山碳酸盐岩储层物性,而且控制了古近系碎屑岩储层的展布;古近系烃源岩与变换带油气成藏相关的地质因素及地质作用具有良好的时空配置关系,形成“新生古储型”和“自生自储自盖型”两种油气聚集模式。

鄚州变换带;变换带演化;储层物性;断块油气藏;油气成藏模式

冀中坳陷鄚州构造带位于霸县凹陷西南部,西与淀北洼槽和牛驼镇凸起的南端相连,东以鄚州洼槽与文安斜坡为相接,南部紧邻任西洼槽,勘探面积为320 km2。截至目前,累积探明石油地质储量1836×104t,而鄚州地区石油总聚集量为4 826× 104t,勘探前景良好。鄚州构造带是一个在古潜山带上披覆的第三系宽缓背斜构造带,潜山基岩为雾迷山组地层,剥蚀面之上发育孔店组、沙河街组、东营组等披覆构造层。鄚州构造带的构造属性(前人认为是发育于沙一—东营期的牛东-马西对倾趋近型变换带[1-2])、储层控制因素及油气成藏研究相对薄弱,其中构造属性研究尤为关键。笔者利用高精度三维地震、测井、岩心、铸体薄片等资料,开展鄚州变换带演化研究,分析变换带对储层的改善及控制作用,总结鄚州变换带控藏作用,为盆内变换带深化油气勘探起到借鉴作用。

1 鄚州变换带演化特征

鄚州构造带是霸县凹陷与饶阳凹陷的重要分界,其两侧的凹陷在结构、构造沉降及沉积等方面存在明显差异。霸县凹陷在NE向牛东断层与新镇北断层控制下形成西断东超的单断断槽式结构;饶阳凹陷在NNE向马西断层与任丘断层制约下构成东断西超的多米诺式凹陷结构。受牛东断裂控制的霸县凹陷构造沉降明显大于饶阳凹陷,牛东断层强烈活动使其下盘出露雾迷山组地层,局部见到太古界阜平群地层;饶阳凹陷北部长期遭受风化剥蚀,普遍出露雾迷山组地层,后期被NNE向断层切割,致使凹陷内广泛发育以雾迷山组为主的断块潜山油气藏(图1)。受构造沉降差异的影响,霸县凹陷发育沙四段(Es4)和沙三段(Es3)两套主力烃源岩,而饶阳凹陷北部则主要发育Es3与沙一段(Es1)两套烃源岩。

图1 鄚州地区构造单元划分Fig.1 Tectonic units in Maozhou region

鄚州构造带既保留了两侧构造单元的部分特征,同时本身又具有不同于两侧构造单元的独特结构。鄚州构造带西侧断裂为牛东断层向南的分叉与延续,东侧控制鄚州洼陷的断层则是马西断层向北的延伸,牛东、马西断层延伸的两条基底断层使鄚州潜山带呈现双断地垒式形态(图1);中生代白垩系受淀北断槽控制呈东西向展布,与鄚州凸起一起构成了饶阳凹陷与霸县凹陷的时空变换带[3-4]。古近纪鄚州变换带的构造形态随着边界断裂演化而变化[5-7],依据变换带两侧凹陷边界断裂特征,结合变换带内部结构,将鄚州变换带划分为3个演化阶段。

1.1 弧形断裂系——扁豆状断块形成期

孔店组至沙三中亚段(Ek—Es3中)沉积期冀中坳陷进入断陷扩张深陷期。孔店组—沙四段(Ek-Es4)沉积期霸县凹陷率先进入断陷阶段,牛东断层下降盘沉积了巨厚的Ek—Es4地层;而饶阳凹陷东部边界的马西断层并没有大规模活动。Es3沉积期牛东断层继续大规模活动,其控制的沉积、沉降中心大约在家22井附近,最大地层厚度约为1.60 km;饶北地区马西边界断层也开始剧烈活动,其控制的马西洼槽也沉积了1.50 km厚的地层,成为饶北地区主要的生烃中心。

牛东、马西主干边界断裂之间形成鄚州对向趋近型变换带,其构造样式不同于Morley[7]和Scott[8]确定的“S”形传递断层,而是两条对向趋近型边界断裂通过断层分叉来实现应力的转换(图1、2)。在伸展作用下牛东断层上盘向东南滑移,在中生代鄚州凸起东北部形成鄚东正斜滑断层[9],而马西断层上盘向西北滑移时发育切割鄚州凸起的鄚州正斜滑断层,在鄚州凸起的基础上演化为由两条NNW向弧形正斜滑断层及扁豆状构造断块组成的变换带(图2),两条正斜滑断层的活动强度也存在差异,Ek—Es4沉积期鄚东断层落差为1.43 km,而鄚州断层仅为400 m;沉积期鄚州断层落差达1.08 km,而鄚东断层为310 m,两者呈现“跷跷板”式的活动特点。

图2 古近纪鄚州变换带演化模式Fig.2 Tectonic evolution of M aozhou transition zone in Paleogene

1.2 雁列状断裂系——堑垒状断块形成期

沙三上至沙二段(Es3上—Es2)沉积期为断陷抬升期。Es3上段与Es3中段呈低角度不整合接触关系,说明冀中坳陷经历了一次抬升、剥蚀构造运动。此时霸县凹陷牛东断层活动强度向NE向增强;饶阳凹陷马西断层控制的沉降中心也由南向北转移。

鄚州构造带在牛东断层与马西断层控制下形成NE向雁列状断裂变换带(图2),剖面上NE向断层相互组合,形成两个地堑夹一个地垒的复杂堑垒构造(图3),类似于Moustafa[10]建立的雁列式堑垒断裂变换带结构模式。受变换带的影响,在鄚州构造带上Es2段厚度仅为120~200 m,明显小于两侧凹陷沉积厚度。该区发育的咸化滨浅湖-盐湖沉积成为变换带短暂分隔两个凹陷的有利佐证。

图3 鄚州变换带南北向油藏剖面及烃源岩与储层的接触关系Fig.3 Reservoir profile from north to sou th and contact relationship sty les of Es3 hydrocarbon source rock and reservoir in M aozhou transition zone

1.3 雁列状断裂系——塌陷背斜形成期

沙一段至东营组(Es1—Ed)沉积期为断坳扩展-抬升期。控制霸县凹陷的牛东断层活动强度继续向NE向增强,而饶阳凹陷的马西边界断层活动强度则向SSW向增强,鄚州变换带两侧的边界断层活动强度增大方向相反。受此影响,两条边界断裂间形成的变换带范围较Es3上—Es2沉积期有所扩大,向北一直延伸至高家堡一带。

鄚州构造带在Es3上—Es2沉积期的复杂堑垒构造基础上演化为Es1—Ed塌陷背斜构造,剖面上近似以鄚50井为界,北部断层多为南倾,而南部断层多为北倾(图3(a))。塌陷背斜构造的成因并非简单的潜山披覆构造,潜山的上覆背斜形态应与下伏潜山形态相似,而鄚州构造带东营组呈现的塌陷背斜构造不仅与潜山构造形态不一致,相对背斜高点也逐渐向北迁移,其独特的构造特征与控制鄚州变换带发育的牛东断层、马西断层所控制的沉降中心相背迁移密切相关。

新近纪,随着冀中坳陷整体进入坳陷期,牛东断层与马西断层所控制的沉降中心相距甚远,而且活动微弱,鄚州变换带也随之消亡。

2 变换带对储层物性的影响

按照岩性差异,鄚州变换带发育碳酸盐岩和碎屑岩两类储层。变换带对这两类储层的物性影响存在差异。

2.1 改善碳酸盐岩储层物性

潜山碳酸盐岩储层的储集空间有原生孔隙、溶蚀孔隙及裂缝孔隙3种类型,后两类基本上都是后期改造形成的。从碳酸盐岩油气藏实际勘探成果来看,油气主要储集在后两种类型中。鄚州构造带作为调节构造变形的地质体,处于局部强应变带,发育两条控制潜山的基底断裂以及不同级别的盖层断裂,在刚性的碳酸盐岩地层中产生了多期次(Ek—的构造缝,构成相互连通的裂缝网络系统。通过鄚9井潜山岩心及薄片观察,发现多组系裂缝呈网状、枝条状发育,在井深4.174 km处裂缝宽为0.2~0.8 mm,裂缝密度达74条/m,部分被泥质及红色铁质物半充填,开启程度为25%~75%,说明裂缝性储集层非常发育(图4 (a)、(b))。同时,裂缝扩大了大气降水与碳酸盐岩的接触面,增加了水流的流动通道,改善了岩溶的发育条件。

图4 鄚9井裂缝发育特征Fig.4 Fracture characteristics in wellM ao 9

喜山期鄚州变换带处于相对较高的构造地势,尤其是Ek—Es3中沉积期基岩强烈隆起上升,为岩溶进一步发育奠定了良好的基础。变换带上发育的断裂与裂缝在风化淋滤及地下水的作用下可以进一步扩大、连通原有的裂缝孔隙,加速了雾迷山组的溶蚀,从而形成大量新的构造-溶蚀孔洞(图4(c))。根据钻井资料证实,鄚9井当钻遇雾迷山组裂缝(或溶蚀)孔隙发育段时出现3次钻时加快、钻具放空、钻井液漏失等情况,大型水平溶蚀孔、洞造成钻井液漏失量达397.3 m3,推断可能存在三期残留岩溶旋回。野外露头及测井资料证实,鄚9井发育的晚期(即喜山期)岩溶旋回位于早期岩溶旋回之下[11-12],且改造、利用早期岩溶带而形成新的溶蚀孔洞,造成喜山期岩溶旋回中垂向渗流带增厚。多期次的岩溶叠合不仅改善了碳酸盐岩储层的储集空间,而且增加了储层的厚度,为潜山油气的聚集创造了良好的条件。

2.2 控制碎屑岩储层物性

通过对钻遇鄚州构造带沙三段的探井进行岩心观察、测井曲线对比及物性分析,鄚14井Es3段扇三角洲砂体在4.252~4.253 km,孔隙度为8%~8.7%,渗透率为0.24×10-3μm2,在4.240~4.250 km井段试油,日产水4.78 m3,为低孔低渗型储层类型,说明深层Es3段储层物性受沉积相带所控制的砂体所制约。

变换带的存在控制了古近系沉积物进入断陷湖盆的通道及分散方向[13-14],从而影响着碎屑岩储集体的类型、规模与分布,是决定碎屑岩储层物性的重要因素之一。大量钻井资料所绘制的古近纪各组、段沉积相展布表明,鄚州变换带控制着古近纪断陷湖盆中大型(辫状河)扇三角洲沉积物的空间分布。Es3段沉积期,来自牛驼镇凸起南段和蠡县斜坡北端的粗碎屑沉积物受鄚州变换带控制进入湖盆,从而形成由西向东依次为扇三角洲平原、扇三角洲前缘、前扇三角洲沉积环境的朵状扇三角洲沉积体(图5(a)),具有分带性沉积的特点。鄚州变换带(处于M40井与J5之间的潜山)构造幅度大,地形相对较高,对入湖的沉积物起障壁、再次分流的作用,变换带北侧的一支扇三角洲明显小于南侧的扇三角洲。Es1段沉积期随着控制变换带发育的两条边界断裂活动强度的相背迁移,变换带构造幅度迅速减小,沉积物沿变换带相对较低的地势进入湖盆,发育的辫状河三角洲远大于Es3段沉积的扇三角洲范围①王建瑞.霸县凹陷石油与天然气地质综合评价及勘探目标优选.中石化华北油田分公司内部资料,2006.(图5(b))。需要说明的是Es2段仅仅在西部发育小规模的扇三角洲,在鄚州东部、北部发育盐湖沉积,主要是区域构造抬升所致。

受变换带控制的Es3段扇三角洲前缘水下分流河道顺着鄚州断裂根部向湖内延伸,砂体呈现单层砂体厚、砂泥比较高的特点;仅Es3中段的分流河道、河口坝微相砂体累计达80 m,钻遇该套砂体的鄚29、鄚50井试油日产量分别为7.7和47.3 t,而位于三角洲前缘席状砂的鄚4井物性并不好,说明了变换带控制砂体发育及储层的物性。相比较而言,Es1段发育的辫状河三角洲在变换带处多发育水下分流间湾沉积,相邻的水下分流河道迁移性较强、单层砂体厚度小,储层物性整体相对较差。

图5 鄚州地区沉积相平面分布(据王建瑞修改)Fig.5 Sedimentary facies distribution in M aozhou region(afterWANG,modified)

3 油气成藏期次的确定

烃类包裹体均一化温度是确定油气成藏期次的有效手段[15-16],本次研究首次对冀中坳陷9口典型井进行潜山地层流体包裹体测试,其中对鄚州变换带鄚9井从4.177 2至4.218 3 km的雾迷山组岩心中选取了4块流体包裹体样品,测得其均一温度数据22个。包裹体主要沿着裂缝分布,具有群生、片状、线状或单个包裹体发育特征,形态为长条形、椭圆形和球形为主,直径为2~8μm,气液比为5%~10%,包裹体均一温度为62.7~110.2℃(图6)。

图6 鄚9井雾迷山组包裹体均一温度直方图Fig.6 Inclusion homogenization tem perature histogram in Wum ishan group of well Mao 9

采用包裹体测温与埋藏史、热史恢复相结合的手段确定鄚州构造带油气成藏的期次。鄚9井潜山油气藏的均一温度主要分布在60~70℃和90~110℃,结合该井埋藏史和热演化史恢复结果,认为雾迷山组油气成藏有3期,主要成藏期为Ed组沉积晚期、Nm组沉积早期,另外在Es2段沉积期还有一期油气充注事件(图7)。

图7 鄚9井埋藏史与成藏期次Fig.7 Burial history and accumulation period of well Mao 9

4 变换带控藏作用及油气成藏模式

在构造演化史、沉积埋藏史、烃源岩热演化史、油气成藏基本地质条件、成藏期次等分析的基础上,分析变换带不同演化阶段与油气成藏有关的各地质因素、地质作用及其在时空上的配置关系,对鄚州构造带中的潜山及Es3段油气藏的形成和演化过程进行动态研究,建立相应的油气成藏模式。

4.1 潜山油气成藏模式

研究表明,鄚州潜山油气藏的形成过程大致分为3个阶段:“早隆起”形成碳酸盐岩储层及圈闭阶段、“中埋藏”造就潜山带良好的生储盖配置阶段、“晚稳定”形成良好的油气保存条件阶段,而变换带的初次发育、逐渐扩展、最终消亡的演化过程对潜山成藏要素及各要素之间的配置始终有着很好的控制作用(图8)。

图8 鄚州变换带潜山油气成藏与演化过程Fig.8 Oil and gas reservoir formation and evolution of buried hill in Maozhou transition zone

4.1.1 “早隆起”形成碳酸盐岩储层及圈闭阶段

该阶段是潜山油气藏形成的初始阶段。中上元古界碳酸盐岩经历了芹峪、蓟县、加里东、海西等多期构造运动,形成多个古岩溶期。尤其是喜山运动早期(Ek—Es3中)鄚州变换带继承了鄚州凸起,加剧隆升并遭受强烈剥蚀,岩溶作用进一步加强,致使古生界剥蚀殆尽,形成溶蚀孔、洞、缝十分发育的碳酸盐岩储层,这种状况持续到Es3中沉积末期潜山全部被覆盖。同时,变换带发育的两条正斜滑断层及大量的构造裂缝,一方面断裂切割基岩地层,形成扁豆状断块潜山圈闭,另一方面所发育的构造裂缝与溶蚀孔、洞相互沟通,形成高渗透性碳酸盐岩储集体。

4.1.2 “中埋藏”形成良好的潜山成藏配置

断块潜山形成之后,“中埋藏”(Es3上—Ed)使渐新统继续覆盖其上,将鄚州潜山掩埋于水下,尤其是Es3上的滨浅湖泥岩与Es2的盐岩的披覆为潜山提供了优质的盖层条件。在鄚州潜山逐渐被埋藏的过程中,紧邻的淀北、鄚州及任西洼槽深部的Es4、Es3段两大主力烃源岩相继进入成熟阶段;而控制断块潜山差异升降的鄚州断层及鄚东断层使潜山与烃源岩形成侧向对接,形成良好的油气运移通道。

在生、储、盖及运移通道等成藏要素形成的基础上,潜山与烃源岩孔隙流体间的压力差是油气向潜山运移和聚集的动力。由于鄚州变换带在古近纪一直处于相对隆起的流体势低势区,而烃源岩处于高势区,使断块潜山自生排烃之后一直成为周围洼槽油气的长期运移指向。

4.1.3 “晚稳定”油气聚集和保存阶段

新近纪,随着鄚州变换带的消失,鄚州构造带构造活动相对微弱,处于整体稳定下沉期。一方面,古近系烃源岩生成的油气继续向潜山聚集,油气富集程度不断提高;另一方面,微弱的构造活动形成了稳定的古温压场、稳定的古水动力场,对潜山油气藏的富集和保存起到了重要的保障作用。

由此可见,鄚州变换带的演化过程也是“潜山形成-储、盖层发育-烃源岩生排烃-断层输导-油气聚集-油气保存”等关键要素及作用在时空上有效的匹配过程,形成以Es4与Es3段为烃源岩、雾迷山组为储层的“新生古储型”油气聚集模式。

4.2 沙三段油气成藏

4.2.1 沙三段储盖组合

Es3段发育的扇三角洲相与湖相沉积体相互穿插、呈互层状叠置,纵向上构成了两套储盖组合。Es3下亚段的扇三角洲砂岩为储层,Es3中亚段的扇三角洲前缘粉-细砂岩、湖相泥岩为盖层,形成该段的第一套储盖组合;以Es3中-上亚段扇三角洲河口坝、分流河道为储层,Es3上亚段滨浅湖、半深湖泥岩为盖层,形成鄚州构造带有利的储盖组合,是本区主要含油层之一(图3(b))。另外一套过渡储盖组合是以Es3上亚段扇三角洲河口坝、分流河道为储层,以Es2段盐岩及三角洲前缘泥岩为封盖层,也是本区主要产油层系。鄚州变换带的存在不仅控制了Es3段扇三角洲砂体的发育,而且其扇三角洲前缘泥岩及盐岩也具有很好的盖层条件,纵向上形成良好的储盖组合。

4.2.2 沙三段油气聚集模式及其油气分布

Es3段湖相暗色泥岩有机碳含量、总烃、沥青“A”分别平均为0.75%、0.001 68、0.227 8%,而w (HC)/w(TOC)高达19.3%~23.1%,为一套中等—好烃源岩。既为盖层又为烃源岩的Es3段暗色泥岩与Es3段不同期的扇三角洲前缘分流河道、河口坝渗透性砂体相匹配,形成“自生、自储、自盖型”油气聚集模式。

鄚州变换带发育的两组不同时期的断裂体系相互切割,尤其是Es3上-Es2段发育在变换带上的NE向雁列状断裂系切割Es3段三个NNW向局部背斜构造,形成一系列反向断块,其发育时间早于烃源岩排烃期。钻探的鄚23、鄚301、鄚305等探井证实,这些反向断层与不同期的扇三角洲前缘砂体相匹配,形成富油的反向断块、断鼻油气藏。油气沿着断棱分布,多层含油层系垂向上呈“牙刷状”分布(图3 (a))。

5 结论

(1)鄚州构造带为古近纪受马西、牛东边界断层控制的对倾趋近型变换带,古近纪历经弧形断裂系-扁豆状断块形成期、雁列状断裂系-堑垒状断块形成期和雁列状断裂系-塌陷背斜形成期等3个演化阶段;新近纪冀中坳陷进入坳陷期,变换带随之消亡。

(2)处于局部强应变的鄚州变换带有利于潜山带断裂、裂缝网络的形成,其处于相对较高的构造地势也为喜山期岩溶发育提供良好的条件,从而影响了碳酸盐岩储层的发育。鄚州变换带制约着古近纪断陷湖盆内Es3段的扇三角洲沉积相带分布,从而控制了深层受沉积相带制约的碎屑岩储层物性。

(3)鄚州变换带不仅控制碳酸盐岩储集体的发育、潜山圈闭的形成、流体势的产生及生储盖组合等成藏要素及成藏作用,并且其演化过程也是成藏要素与作用在时空上有效匹配的过程,形成“新生古储型”潜山油气聚集模式。受变换带控制的Es3段扇三角洲砂体与湖相暗色泥岩、盐岩相互叠置,形成3套储盖组合,在变换带NE向断层切割下形成“自生、自储、自盖型”的反向断块、断鼻油气藏。

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Evolution characteristics of M aozhou transition zone and its control function of reservoirs form ing in Jizhong depression

LAO Hai-gang,WU Kong-you,CHEN Qing-hua,WU Zhao-hui
(School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

The tectonic attributes and controlling factorswere studied through the analysis of high-precision 3D seismic,drilling,core,slice,logging data and the fracture characteristics ofmain boundary faults and faults inside Maozhou tectonic belt.The results show thatMaozhou tectonic belthas the function of adjusting regional tectonic deformation in Paleogene.Maozhou transition zone experiences three evolution stageswhich include arc fault system(kidney bean fault block)formation period,echelon fault system(graben horst faultblock)formation period and echelon fault system(collapse anticline)formation period.Maozhou transition zone not only improves reservoir properties of buried hill,but also controls clastic reservoir distribution in the Paleogene.Hydrocarbon derived from the source rocks of Paleogenematches well with geological factors and geological function relating with Maozhou transition zone reservoir-forming in time and space.Therefore,two reservoir-formingmodes of "new bed-generating and old bed-storing"and"self-generating,self-storing and self-sealing"are estabilshed in transition zone.

Maozhou transition zone;transition zone evolution;reservoir properties;block reservoir;hydrocarbon accumulation model

TE 122.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.05.003

1673-5005(2012)05-0012-08

2012-01-22

中石油股份有限公司重点科技攻关项目(HBYT-WTY-2008-JS-1)

劳海港(1978-),男(汉族),山东东营人,博士研究生,主要从事构造地质学与盆地分析研究。

(编辑 徐会永)

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