渤海海域蓬莱9-1大型复合油田潜山发育演化及其控藏作用

周心怀,胡志伟,韦阿娟,王 昕

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司,天津 300452)

蓬莱 9-1油田位于渤海东部,西南面与渤海海域规模最大的蓬莱19-3油田相距约40 km,是渤海湾地区乃至国内目前已发现规模最大的中生界花岗岩潜山油气田,其主力产层为中生界花岗岩。蓬莱9-1油田中生界花岗岩潜山探明地质储量近1.8亿吨,与上覆新近系馆陶组、明化镇组以断块、断鼻圈闭为主的构造油气藏上下叠置,形成大型复合油田。值得指出的是蓬莱9-1花岗岩潜山成藏极具特殊性,为鞍部花岗岩含油,并非传统观念中的“山头”高部位成藏,这一特点突破了传统的油气成藏规律,需要引起特别重视。

近20年来,火山岩油气藏作为油气勘探的新领域日益引起石油界和学者们的重视,在国内外油气勘探中亦展示出广阔的勘探前景(Hunter and Davies,1979;Nakata,1980;Gerlach,1980;Seemann and Schere,1984;Hawlander,1990;Vernik,1990;Mark and John,1991;Grynberg et al.,1993;Waseda and Nishita,1998;Mitsuhata et al.,1999;Othman et al.,2001;Petford and Mccaffrey,2003;Schutter,2003;马龙等,2006;赵文智等,2009;张光亚等,2010;刘嘉麒等,2010)。同时可作为油气储层的火山岩分布广泛,岩性多样也进一步降低了火山岩油气藏的勘探门槛。目前已经在凝灰岩、正长岩(Gries et al.,1997)、安山岩、火山碎屑岩(Sakata et al.,1989)和玄武岩(Ruth and Agust,2007)中均已发现工业油藏。我国松辽盆地、渤海湾盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、二连盆地、三塘湖盆地等盆地一系列大型火山岩油气藏的发现表明,火山岩储层与烃源岩有效配置可以形成大型油气藏,并成为油气勘探的重要领域(胡见义,1981;陈振岩等,1996;吴之奇和王同和,1997;单玄龙等,1998;Luo et al.,1999;罗静兰等,2003;邱隆伟等,2003;潘建国等,2007;杨明慧,2008)。中生界花岗岩潜山油气藏作为渤海潜山重要的勘探领域,在渤海海域渤中13-1、秦皇岛30-1等构造均获得良好油气发现(龚再升,2010)。目前,渤海海域花岗岩潜山勘探和研究虽已取得了很大进展,但花岗岩作为一类重要而复杂的特殊储层,其油气藏的成藏条件和控制因素仍缺乏深入研究(Pan,1982;赵澄林和孟卫工,1999;周心怀等,2005;张光亚等,2010;金强,2011;夏庆龙等,2013)。因此,本文以蓬莱 9-1大型复合油田发现为契机,通过对蓬莱 9-1潜山花岗岩侵入时代、成因机制、构造演化、成藏条件等方面的研究,旨在探讨蓬莱9-1花岗岩潜山油田的构造成因演化与油气成藏特征,以期推进渤海海域后续中生界花岗岩潜山油气勘探。

1 地质背景

1.1 区域概况

蓬莱9-1油田位于渤海海域东部NE向隆起–庙西北凸起之上,凸起主体披覆沉积新近系。庙西北凸起北西侧以斜坡带向渤东凹陷过渡,以渤东3号断裂与渤东凹陷为界;南东面与庙西北洼被庙西 1号断裂所分割,整体表现为东西分别为断裂和斜坡所夹持,东高西低,整体呈NE向稳定展布的狭长凸起带(图1)。

图1 蓬莱9-1油田区域构造位置图Fig.1 Regional tectonic map of the Penglai 9-1 oilfield

庙西北凸起是一个长期暴露遭受风化剥蚀的古潜山,大地构造位置上受到渤海海域NNE向郯庐断裂系与 NW 向张蓬断裂系交汇叠加影响,断裂体系发育,分割特点显著,形成多个构造高点,具有独特的地质结构和油气聚集特征。

受中生代郯庐左旋走滑作用和新生代右旋走滑作用叠加构造改造的影响,走滑作用控制下形成的NW 向反向走滑断层与 NE向张性伴生断裂联合发育,共同奠定了庙西北凸起半地垒的古地貌格局。NW 向断裂分别将庙西北凸起分割为南山头、北山头及中间鞍部三段式结构,NE向断裂则限定凸起东西边界,且在古近纪以来的持续右旋走滑构造作用下活动,控制了庙西北凸起周缘庙西北洼和渤东凹陷南洼在新生代以来的构造演化,从而奠定庙西北凸起区现今凹凸的构造格局(龚再升,2004;朱伟林等,2009;彭文绪等,2010;周心怀等,2012;夏庆龙等,2012)。

1.2 地层特征

蓬莱 9-1潜山为古残丘单面山,潜山构造完整,面积156 km2,潜山顶面高点埋深1250~1700 m。目前蓬莱 9-1构造共钻探探井 17口,其中 3、6、12井位于蓬莱9-1构造南高点上,9井位于北高点东侧断阶上。钻井证实南北山头主要为一套以石英片岩和云母片岩为主的元古界变质岩。其他探井均位于庙西北凸起中间鞍部段,钻井揭示主要岩性为一套以二长花岗岩和花岗闪长岩为主的中生界酸性侵入岩,局部夹有薄层基性侵入岩(图2)。

从潜山残留地层平面分布特征看,元古界变质岩与中生代花岗岩分布界限较为清晰。中生代花岗岩分布范围限于鞍部,南北分别以 NW 向断裂与南高点和北高点相隔;东面则以NE向庙西1号断裂为界,与庙西北洼相邻。总体而言,花岗岩平面展布范围受断裂限定特征明显。

从纵向剖面特征看,尽管潜山内幕由于能量衰减严重,鞍部中生代花岗岩在地震相上表现为空白–杂乱、弱反射特征,但鞍部中生代花岗岩与南北山头元古界变质岩围岩的断裂界限仍然较为清晰,说明花岗岩的形成与限定其分布范围的断裂之间存在密切联系(图3)。

2 构造成因机制及演化特征

2.1 区域构造演化

渤海湾盆地属新华夏系第二沉降带与阴山东西向复合构造带横跨叠加构造体系。太古代到元古代时期,渤海湾盆地先后经历了 Ar-Pt1变质结晶基底形成期和 Pt2-3坳拉槽发育期,在阜平、吕梁及蓟县运动多期构造作用下,形成了前寒武纪褶皱基底。早古生代时期,华北板块处于稳定克拉通发育阶段,沉积了一套寒武系、中下奥陶统的滨海–浅海相稳定碳酸盐岩。海西运动期,随华北地台整体进入长达140 Ma的稳定抬升期,造成上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统沉积缺失,使中奥陶统与中石炭统呈假整合接触。中石炭世–晚二叠世,地台整体稳定沉降,沉积了一套海陆交互相灰岩、煤及碎屑岩的大陆边缘沉积。晚二叠世–中三叠世,海岸线稳定后退,沉积环境由陆表浅海转化为内陆盆地(李德生,1979)。

图2 蓬莱9-1潜山顶面构造及岩性分布范围示意图Fig.2 Map showing the top schematic structure and lithology distribution of the Penglai 9-1 buried-hill

图3 过蓬莱9-1潜山南北高点结构剖面图Fig.3 Structural profile through the N-S high point of the Penglai 9-1 buried-hill

三叠纪中晚期,在印支运动作用下,扬子板块与华北板块俯冲碰撞,导致古秦岭洋自东向西呈剪刀式闭合。华北东部整体处于南北向挤压应力作用下,渤海地区广泛隆起,并形成一系列 NWW 或近EW 向背斜向斜构造,同时造成大部分地区古生界遭受严重剥蚀和上三叠统沉积缺失(朱伟林等,2009;李三忠等,2010)。

早中侏罗世时期,进入燕山运动早期,扬子板块与华北板块碰撞挤压逐渐减弱,太平洋板块俯冲效应开始显现,华北东部由古亚洲洋构造域向滨太平洋构造域过渡,在印支期NWW或近EW向构造格架基础上发育了小型山间盆地,岩浆侵入活动出现一个高潮。中晚侏罗世–早白垩世,进入燕山运动中期,滨太平洋构造域主导渤海地区构造演化,伴随太平洋板块的 NNW 向持续俯冲,华北东部岩石圈减薄,地幔柱活动导致软流圈隆升,渤海湾地区进入大规模的断陷盆地发育阶段,强烈的岩浆活动再次趋于高潮,滨太平洋构造域开始真正占据优势(赵越,1990)。晚白垩世燕山晚期,在古太平洋板块持续强烈俯冲作用下,渤海地区整体处于隆升剥蚀状态。新生代以来,在弧后幔隆与板块斜向汇聚导致的多动力源背景下,走滑与伸展两大构造系统联合主导渤海湾古近纪断陷和新近纪整体拗陷(周心怀等,2012)。

纵观渤海地区历次构造运动及其演化特征,可以看出,印支期 NWW-近 EW 向构造形迹与燕山期NNE向构造形迹叠加,共同主导形成了渤海湾盆地前新生代东西分带、南北分块的基底构造格局。中生代以来,相继受古亚洲洋闭合和太平洋板块俯冲影响,发生多期剧烈的构造岩浆活动,渤海湾盆内花岗岩和火山岩都非常发育,分布广泛。

2.2 蓬莱9-1潜山构造成因机制及演化

渤海湾盆地自太古代以来,特别是古生代以来的多期次构造运动,造成潜山类型多样性和复杂性。已有探井钻探证实,蓬莱9-1潜山为侵入于新元古界之中的中生代花岗岩,在燕山运动和喜山运动的构造叠加改造作用下,南、北两山头出露元古界,鞍部出露中生代花岗岩。下面通过确定蓬莱 9-1中生代花岗岩的成因机制、侵入年龄及方式,从而全面恢复蓬莱 9-1潜山所在的庙西北凸起的构造演化,这对于理清蓬莱9-1大型潜山油田形成条件至关重要。

2.2.1 蓬莱9-1花岗岩侵入时代及方式的确定

在厘定蓬莱 9-1潜山花岗岩分布范围基础上,通过对蓬莱9-1潜山3、4、5、6等多口探井钻遇的花岗岩及变质岩岩心进行锆石 U-Pb同位素定年(表1)。实验样品选取的3井和 6井潜山岩性主要为变质岩片岩和少量糜棱岩,4井和5井潜山岩性主要为酸性侵入岩花岗岩。锆石分选在河北省廊坊市诚信地质服务公司完成,并在北京锆年领航科技有限公司完成锆石制靶,南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室进行阴极发光照相。锆石U-Th-Pb同位素测试在GPMR利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)完成。测试结果确定了鞍部花岗岩侵入时间集中在160~170 Ma,为中侏罗世;南北山头围岩年龄则集中在 2220 Ma,为古元古代(图4)。

蓬莱9-1潜山油田花岗岩的分布面积约110 km2,从其平面分布规模和剖面“漏斗”形侵入形态来看,与“岩盆”式大型侵入体的特征较为吻合。根据蓬莱9-1潜山所钻探部分钻井取芯可见典型花岗岩中粗粒斑状结构特征,显示了花岗岩中深成相侵入特征。另外,根据花岗岩主量元素、微量元素、稀土元素分析,蓬莱 9-1花岗岩属地壳增厚背景下准铝

质钙碱性系列的 C型埃达克岩石,其源岩为下地壳麻粒岩(刘朋波等,2013)。根据钻井和三维地震资料揭示,蓬莱9-1潜山花岗岩侵入分布范围明显受NE和NW向展布的大型断裂控制。断裂作为沟通深部岩浆上涌的有效通道,因而弄清花岗岩侵入与边界断裂活动的相关性对于探讨岩浆侵入机制就显得尤为关键。

表1 蓬莱9-1潜山锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄Table 1 LA-ICP-MS U-Pb results for zircons from the Penglai 9-1 buried-hill

续表1:

图4 蓬莱9-1潜山锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Concordia diagrams of zircons from the Penglai 9-1 buried-hill

庙西北洼为新近系右旋走滑作用伴生形成的NE向断裂控制的新生代洼陷,缺少断层早期活动的沉积响应,因此基本可以排除花岗岩沿东侧 NE向庙西 1号断裂侵入的可能。通过横切南北山头和鞍部 NE向三维地震剖面,潜山南山头内幕深大断裂发育的明显形迹,可为岩浆早期活动侵入空间提供有效迁移通道(图5)。综合岩浆活动主要存在顶蚀、底辟作用、板状侵位、顶陷、膨胀效应、同构造侵位等几种主要侵位表现形式,不难得出庙西北凸起NW向潜山内幕张性深大断裂活动是岩浆定位的重要动力来源,蓬莱 9-1潜山花岗岩为内幕 NW向深大断裂诱导作用下的主动构造侵位形成。

图5 蓬莱9-1潜山花岗岩侵入机制及内幕特征剖面图Fig.5 Granite intrusion mechanism and characteristics of the Penglai 9-1 buried-hill

2.2.2 花岗岩磷灰石裂变径迹

在确定蓬莱 9-1中生代花岗岩侵入时代及方式的基础上,通过对蓬莱9-1-2井钻遇花岗岩磷灰石裂变径迹分析及热史模拟证实:蓬莱 9-1花岗岩经历了两期构造抬升,一期是在白垩纪晚期约87~70 Ma,这与燕山构造运动晚期时间大致相当。另一期在古近纪地层沉积末期约 27 Ma,为东营组末期渤海湾升降运动,这与区域上喜马拉雅运动时间一致(图6)。两期构造抬升作用下庙西北凸起遭受长期风化剥蚀,鞍部地区花岗岩出露地表,造成花岗岩风化淋滤孔隙裂缝大量发育,使其储集性能发生根本的改善,这对后期花岗岩成藏作用起到重要作用。

2.2.3 构造演化史

在对渤海潜山自太古代,特别是自古生代以来多期构造运动演化序列全面梳理基础上,综合印支、燕山两期关键构造运动的叠加表现形式和蓬莱9-1潜山花岗岩侵入时间、侵入方式及磷灰石裂变径迹分析,我们认为,印支运动期间华北整体处于南北向持续挤压作用下,板内全面逆冲褶皱隆升,形成一系列 NWW-近EW向隆起,庙西北凸起初步形成。燕山早期,在太平洋板块 NNW 向俯冲挤压下,遭受NNE向叠隆改造,进一步抬升剥蚀。进入燕山中期,太平洋板块持续俯冲,华北板块统一性遭受破坏,进入强烈陆内断陷期,在断裂诱导作用下,岩浆构造活动剧烈而频繁。蓬莱 9-1花岗岩正是于此阶段侵入元古代地层之中,中生代花岗岩侵入体形成,这与中燕山构造幕太平洋板块 NNW 向持续强烈俯冲作用之下,渤海地区整体上发生强烈的火山构造活动相吻合。燕山晚期庙西北凸起全面隆升遭受长期剥蚀,造成鞍部元古界剥蚀殆尽,中生代花岗岩直接出露,至此庙西北凸起南、北两山头、中间鞍部三段式结构雏形初具。新生代晚期以来,庙西北凸起进入整体成藏埋深期,潜山上部被新近系馆陶组与明化镇组地层覆盖(图7)。

图6 蓬莱9-1-2井中生界花岗岩T-t轨迹模拟图Fig.6 T-t track simulating plot for the Mesozoic granites from the Penglai 9-1-2 wells

在前新生代郯庐断裂大规模左旋走滑和燕山期地幔柱强烈活动两者联合作用下,庙西北凸起曾发生一定程度的逆时针旋转,由印支和燕山两期叠隆形成的近EW向构造形迹转变为NE向构造展布。

图7 庙西北凸起NE向构造演化示意图Fig.7 Schematic diagram showing the tectonic evolution of the NE-trending structures in the Miaoxibei Salient

3 构造对成藏控制作用

通过前文所述,庙西地区经历了多期次的构造运动叠加,期间并经受了长期的断裂活动与风化剥蚀,一方面造成了花岗岩潜山油气成藏的复杂性和特殊性,另一方面为油气成藏创造了良好的成藏条件,这种构造作用对油气成藏独特的建设作用在蓬莱 9-1潜山有利储层的形成和保存两方面得到了明显的体现。

3.1 构造活动加速有利储层发育

花岗岩本身并不具有作为储集层条件,必须经过后期风化淋滤剥蚀改造之后才能成为有利储集层,其储层物性的好坏取决于原岩的岩性、风化程度、地貌特征、构造改造及热液溶蚀等多重因素(Mc Naughton,1953;周心怀等,2005;潘建国等,2007;邹才能等,2008)。勘探结果表明,蓬莱9-1中生代花岗岩潜山油田为风化作用主导下的孔隙型和裂缝–孔隙型储层,良好的储集条件是成为大型油气田的关键因素。

花岗岩岩浆冷凝过程中发育大量有规律排列原生节理和收缩缝,原生节理与后期构造成因节理相互切割,形成有利的孔隙–裂缝储层,因此节理及其类型是花岗岩风化壳储层发育的关键,也是花岗岩区别于变质岩的突出特点。

蓬莱9-1花岗岩潜山三面均为NW向及NE向大型断层所包围,各级伴生断裂体系及后期构造节理发育。断层活动本身即可对岩石产生强烈破碎作用,并形成构造成因节理和宽阔诱导裂缝带,进一步促进深部基岩淋滤作用,加快潜山风化,加速储层改造。经钻井证实和地震剖面特征对比,蓬莱9-1花岗岩潜山内幕节理状反射特征明显,且与储层发育对应关系良好,边界大断层一侧和节理发育区储层厚度明显增厚。3D地震 1350 ms相干切片显示,潜山内幕断层以北西向为主,多期不同方向的应力作用,对形成大量裂缝的发育起到关键作用,这充分说明了断裂和构造应力后生节理对花岗岩风化壳储层起到良好的改造作用,在一定程度上控制了花岗岩风化壳储层带展布(图8)。

3.2 构造演化有利储层保存

根据风化壳保存特征,高部位及高陡斜坡带风化壳剥蚀殆尽难以残留,中等坡度部位局部保留,坡脚低部位风化壳则发育保存完整。构造演化研究揭示蓬莱 9-1潜山自燕山运动以来遭受了晚燕山运动和古近纪末渤海湾升降运动两期构造抬升和长时间暴露风化剥蚀。晚燕山构造运动幕使得中生代花岗岩侵位后抬升,原生减压节理生成,山体快速风化剥蚀后进入构造稳定期,花岗岩快速风化夷平,厚层花岗岩风化壳形成。构造经历再次埋深,风化壳接受了压实、胶结等成岩作用,但埋深并不大成为储层得以保存的关键。古近纪晚期受喜马拉雅运动影响,构造经历再次抬升,早期风化壳受地貌回春作用影响,部分风化壳剥离,低洼地带、低平地带风化作用得到强化。一方面断块后期抬升,后生节理及断层发育改善早期储层,构造微裂缝形成新储集空间。另一方面,石英片岩比花岗岩抗风化能力强,差异风化进一步强化鞍部中生代花岗岩与两侧元古界变质岩山体高程差,最终形成了南北山头,中间鞍部的三段式古地貌,使得风化壳储层在中间鞍部得以良好保存。钻探也进一步证实古地貌与风化壳储层厚度相关性良好,宽缓带及坡脚附近储层厚度明显较大。

图8 蓬莱9-1潜山内幕多属性融合平面图Fig.8 Multi-attribute integration plans in the Penglai 9-1 buried-hill

4 结论

(1) 蓬莱 9-1中生代花岗岩潜山为中燕山构造幕深大断裂诱导作用下主导构造侵位形成,其侵入年龄集中在160~170 Ma。

(2) 蓬莱9-1中生代花岗岩潜山构造演化分为4个期次:侵入形成期、风化剥蚀夷平期、差异风化剥蚀定型期和整体埋藏成藏期。花岗岩侵入体形成后经历了白垩纪晚期燕山运动和古近纪晚期喜马拉雅运动导致的两次构造抬升。构造抬升和差异风化联合作用形成蓬莱9-1潜山南北山头、中间鞍部的三段式宏观古地貌,使得鞍部花岗岩厚层风化壳得到良好保存。间歇性两期构造抬升改造使得风化壳埋深浅、成岩作用弱是风化壳储层物性条件好的关键。

(3) 蓬莱9-1花岗岩潜山为以孔隙、裂缝–孔隙为主的风化壳型储层,持续的构造应力改造作用下,潜山内幕断裂体系和构造成因节理发育是蓬莱 9-1花岗岩潜山储层形成的重要因素。

(4) 构造运动对蓬莱 9-1潜山油藏的形成有重要作用,边界断裂持续活动不仅控制着周缘凹陷成藏物质的发育,也导致断裂与有效烃源岩直接沟通,形成“边界深大断层–不整合面–雁行断裂”有效疏导体系,为蓬莱 9-1潜山提供充足的油气来源和良好的油气运聚集条件。

致谢:衷心感谢中国海洋石油总公司朱伟林教授级高工和中海石油（中国）有限公司天津分公司夏庆龙教授级高工在本文写作过程中提出的建设性意见和建议,感谢两位匿名审稿专家对文章的修改提出的宝贵意见。

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