渤海湾盆地辽中南洼压力封存箱的破裂与油气运移

彭靖淞，徐长贵，韦阿娟，王粤川，王冰洁，郭永华，张江涛，王鑫（中海石油（中国）有限公司天津分公司）



渤海湾盆地辽中南洼压力封存箱的破裂与油气运移

彭靖淞，徐长贵，韦阿娟，王粤川，王冰洁，郭永华，张江涛，王鑫
（中海石油（中国）有限公司天津分公司）

摘要：基于对泥岩和储集层异常压力的研究，分析了渤海湾盆地辽中南洼古近系超压封存箱结构及其对油气运移的影响。研究区压力封存箱呈“三明治”结构，古近系东营组超压泥岩为压力封存箱的盖层顶板；古近系沙河街组上部储集层/输导层为压力封存箱内的“夹心层”；沙河街组下部泥岩为压力封存箱的烃源灶。基于储集层超压形成机制研究和盆地模拟方法，恢复了“夹心层”在新构造运动前后的压力分布，对新构造运动中郯庐断裂带活动导致的压力封存箱破裂和压力分异进行了研究，对新构造运动前后不同压力环境下的油气运移进行模拟，由此把郯庐断裂带新构造运动、异常压力和油气运移关联起来。模拟结果表明：新构造运动中，由于郯庐断裂差异活动，“夹心层”产生压力分异，流体势梯度大幅增加；走滑拉分区发生泵吸作用，形成低势区，是油气运移的主要方向。综合辽中南洼晚期成藏特征，研究认为：静态上，存在压力封存箱箱内成藏体系和箱外常压成藏体系。动态上，箱内“夹心层”的油气聚集为箱外油气成藏的“中转站”，决定了油气的平面分布。图13参50

关键词：压力封存箱；压力分异；油气运移；新构造运动；郯庐断裂；辽中南洼；渤海湾盆地

0 引言

压力封存箱的概念最早由Powley和Bradley在20世纪70年代提出并在其后不断得到充实和发展[1-2]。Hunt和Ortoleva等学者于20世纪90年代探讨了其与油气分布的关系[3-6]。20世纪80—90年代，中国开始关注压力封存箱及其异常压力研究，最早借鉴北美墨西哥湾盆地异常压力研究方法，在渤海湾盆地开展了以不均衡压实作用为主要成因的异常高压的研究[7-10]。20世纪90年代晚期到2000年以后几乎在中国大部分含油气盆地均发现异常压力现象，并对异常压力的分布特征、成因机理及其与油气的关系开展了深入而广泛的研究[11-15]。然而，关于构造运动对压力封存箱内超压的影响，前人大多只关注了构造运动对于超压的建设性作用，对于构造运动造成的压力封存箱的破裂和分异作用鲜有研究[13,16-18]；其次，关于超压对油气运移的影响，前人多关注现今压力场下的油气运移，而对于多期成藏的古压力场下的古油气运聚缺乏研究[18-20]；另外，受勘探程度的制约，对于渤海海域深层超压的研究尚处于起步阶段[17,21-23]。

郯庐断裂带是渤海东部主要的油气聚集区，其油气成藏期主要集中在距今10 Ma以来，期间在上新世早期（距今5.3 Ma）发生了剧烈的新构造运动[24-29]。关于新构造运动导致的深层流体压力变化及新构造运动前后压力场变化对油气运聚的影响均未见报道。

针对上述问题，本文通过对渤海湾盆地辽东湾坳陷辽中凹陷南次洼（以下简称辽中南洼）地层压力及其构造破裂/压力分异成因和不同压力场下油气运移研究，把构造运动、异常压力和油气运移3者结合起来，通过油气运移数值模拟探讨新构造运动对郯庐断裂带深层流体压力场和油气成藏的控制。

1 地质概况

辽中南洼整体位于渤海辽东湾海域南部，北至LD17构造、南至LD27S构造（见图1），郯庐断裂带贯穿其中[28-30]，发育旅大16-21断裂、辽中1号断裂和中央走滑断裂等多条北东向具有走滑—走滑拉分性质的断裂带。受这些断裂带的分割，全区自西向东可以划分为西部斜坡带、旅大16-21构造带、中央反转构造带和东部斜坡带的构造格局。

辽中南洼地层沉积厚度超过6 000 m。古近系由浅到深依次发育东营组、沙河街组和孔店组，主要为多期扇三角洲—辫状河三角洲砂体和湖相泥岩的旋回沉积；新近系由浅到深依次发育明化镇组和馆陶组，主要为河流相和浅水三角洲相的砂砾岩和砂（泥）岩沉积[25-26,31]。

2 辽中南洼压力封存箱

地层压力实测数据和泥岩声波测井资料表明辽中南洼沙河街组—东营组存在超压系统。从图2中可以看出，在2 300 m以深的东营组和沙河街组内部，泥岩声波时差在垂向上的分布呈现低速异常。这表明以2 300 m为界，上部为正常压力系统，下部为超压系统。另外，沙河街组储集层段的测压资料亦表明存在超压，压力系数为1.27～1.68。可见，其古近系存在压力封存箱。

图1　研究区位置图

综合分析表明：辽中南洼压力封存箱从功能上可以划分为两套泥岩夹一套储集层的“三明治”式3层结构（见图2）。其中，东营组超压泥岩为压力封存箱的盖层顶板；沙河街组下部超压泥岩为压力封存箱下部的烃源灶；沙河街组上部储集层为压力封存箱内的储集层（输导层），是“三明治”压力封存箱中的“夹心甜点”，亦是油气在箱内二次运移的主要场所，为本文研究的重点，下文简称“夹心层”。

2.1 压力封存箱顶板盖层和底部烃源灶的超压

东营组和沙河街组下部的泥岩中均发育超压，这两套富泥沉积组成了“三明治”压力封存箱的顶、底两层。因为泥岩地层中流体不具有流动性，其地层压力无法直接测压获取，泥岩的地层压力主要根据泥岩声波时差的等效深度法进行计算[32-35]。全区东营组泥岩压力系数为1.3～1.7，沙河街组泥岩压力系数为1.4～1.8，较东营组略高；异常压力系数与泥岩的埋深具有一定的相关性，深洼区较高。综合研究表明：东营组泥岩超压的成因主要为欠压实，而沙河街组泥岩超压为欠压实和烃源岩生烃共同作用形成[32-37]。

图2　LD22-A井超压分布

2.2 压力封存箱“夹心层”超压

沙河街组上部富砂段为“三明治”压力封存箱的“夹心层”，被上述东营组和沙河街组下部的超压泥岩所夹持，是箱内油气的主要储集层（输导层）。实测压力资料分析表明，“夹心层”的异常高压区围绕深洼区分布，与埋深具有一定的相关性，但在中央构造带南段和旅大16-21构造带北段均出现了常压区，压力分异较为明显（见图3）。

由于沙河街组上部储集层的欠压实和生烃作用均较弱，所以其超压主要来自于泥岩的传导和渗透[18,20-23,38]。结合构造研究综合分析，笔者认为：在构造稳定期（缄默期），“夹心层”的超压来自于上覆和下伏超压泥岩的传导，在漫长的封闭环境中压力不断增加，形成自然过渡达到平衡，“夹心层”的压力值应该约等于上覆和下伏泥岩压力的平均值。构造活跃期，断裂活动导致压力封存箱破裂，“夹心层”与外界开放系统连通，压力得以释放。

2.3 压力封存箱内“夹心层”古压力场的恢复

为了得到新构造运动（距今5.3 Ma）前后压力封存箱内“夹心层”压力场的变化，需要尝试恢复“夹心层”的古压力场。前人通常基于泥岩的“压实模型”通过盆地模拟方法恢复泥岩的古压力[19,37,39]，该方法对于泥岩适用，对于“夹心层”这样的储集层并不适用。根据前述储集层压力形成原理，结合盆地模拟方法[40]，笔者建立了一套针对“夹心层”的古压力恢复技术，共分为3个步骤。

图3　压力封存箱“夹心层”现今压力系数平面分布

①建立东营组和沙河街组泥岩压力演化史。基于泥岩压实模型，利用盆地数值模拟的方法对辽中南洼各口井储集层上覆东营组泥岩和下伏沙河街组泥岩的剩余压力史进行模拟，得到各口井新构造运动之前（5.3 Ma）东营组和沙河街组泥岩的古剩余压力（见图4）。

图4　LD16S-A井压力演化史

②计算东营组和沙河街组泥岩的古剩余压力。对多口井东营组、沙河街组超压泥岩距今5.3 Ma时期的古剩余压力和现今剩余压力的关系进行了拟合（见图5、图6），根据该拟合关系，可利用东营组和沙河街组泥岩现今剩余压力计算其各自的古剩余压力。

图5　东营组泥岩古今剩余压力拟合图

图6　沙河街组泥岩古今剩余压力拟合图

③计算古剩余压力及其压力系数。新构造运动之前，压力封存箱没有破裂，“夹心层”的古压力应该与上覆、下伏泥岩压力平稳过渡。因此，对步骤②得到的东营组和沙河街组泥岩古剩余压力求平均值，即得到压力封存箱内“夹心层”古剩余压力，进而得到其古压力系数的分布（见图7）。

对比压力封存箱内“夹心层”古压力系数与现今压力系数平面分布（见图7、图3）可以看出，古压力场较为均一，现今压力场在古压力场基础上发生了明显分异，新构造运动前后“夹心层”这个横向输导层的压力场变化较大。

盖层、输导层和烃源灶3层的“三明治”压力封存箱结构应该是超压盆地的一般结构。因此，“夹心层”古压力场恢复的方法对于其他超压盆地压力封存箱内储集层古压力场重建应该具有较好的借鉴意义。

图7　压力封存箱“夹心层”古压力系数平面分布

3 压力分异与新构造运动的关系

结合辽中南洼构造分析，综合研究表明：“夹心层”在新构造运动前后的压力分异可能受以下3个因素的影响。

①郯庐断裂走滑拉分区的泄压作用。在走滑拉分的区域（包括帚状右旋走滑拉分区和S型右旋走滑拉分区）更容易派生张扭断裂[41-42]，这种断裂可能导致压力封存箱的构造破裂。在郯庐断裂带新构造运动走滑拉分区，深大断裂发育且断距较大，“夹心层”地层压力得以释放，常形成泄压区和常压区（见图8、图9）。如：中央走滑带南段LD27S和LD21构造区，该区带属于郯庐断裂S型右旋走滑拉分区，断裂活动剧烈，断距大于区域泥岩盖层的厚度，发生泄压，压力系数下降到1.0，为常压区。同时，位于帚状右旋走滑拉分区的LD16S构造区，断裂活动亦较为活跃，地层压力同样为常压。可见，郯庐断裂带的新构造运动导致了压力封存箱的破裂。

②滑脱层的保护作用。新构造运动期还发育大量的浅层滑脱构造（见图10）。在滑脱构造中，断层的垂向断距逐渐变小，最终消失在滑脱层以内，其下伏的压力封存箱及其超压得以保存，如LD21W构造区现今实测压力系数达到1.68，表明其超压得到了较好的保存（见图8）。

图8　压力封存箱“夹心层”泄压区与断裂的分布关系图

③郯庐断裂的分割作用。郯庐断裂贯穿辽中南洼，发育3条主走滑断裂带，分别为中央走滑断裂、辽中1号断裂和旅大16-21断裂（见图1、图8）。这3条断裂具有以下特点：延伸长，3条主要走滑断裂北东—南西向纵贯整个辽中凹陷；挤压性，走滑断裂具有较强的压扭性质；断距大、泥岩涂抹好，对地层压力具有较好的封堵性。受这3条走滑断裂的分割，压力封存箱内的横向分异更加明显。

可见，新构造运动中郯庐断裂的差异活动、滑脱构造的存在和走滑断裂的分割使得辽中南洼压力封存箱内“夹心层”产生了压力分异。

4 新构造运动前后油气运移模拟

4.1 成藏系统分析

基于对超压及其压力封存箱的研究，结合前人研究成果[20-28]进行成藏系统分析，结果表明：辽中南洼与其他发育超压的含油气盆地类似，存在压力封存箱内成藏体系和箱外常压成藏体系（见图11）。在新构造运动前，油气沿着压力封存箱内储集物性较好的“夹心层”运聚（早期充注），箱内成藏；在新构造运动中，压力封存箱局部破裂，箱内油气成藏发生调整，部分油气沿断层快速向箱外运移，在箱外储盖组合较好的地方成藏，形成纵向上箱内-向外的复式油气聚集。

图9　辽中南洼泥岩厚度与走滑断裂断距差值分布图（区域泥岩盖层厚度与控圈断层断距差值为负数的地区为构造破裂泄压区）

图10　滑脱层对超压的保护（剖面位置见图1）

需要注意的是，压力封存箱内，受地层压力分异及其压力梯度增加的影响（见图8），在压力封存箱顶板（区域盖层）的控制下，“夹心层”油气的侧向运移可能更加活跃[18,22,24]。同时，晚期新构造运动形成了箱外常压成藏体系良好的纵向断裂，重建了输导体系，使得油气更容易向浅层箱外运移，油气的纵向分布发生调整，但由于晚期断层具有较强的垂向输导和侧向的分隔作用，油气长距离侧向运移难以发生[43-46]。

因此，对应于区内新构造运动中油气的爆发式成藏[24-28]，压力封存箱外的油气运移主要是油气垂向调整和逸散，少有大规模的侧向运移；而箱内“夹心层”的油气运移是浅层油气成藏的“中转站”[18,47]，决定了油气的侧向运移和平面分布。

图11　辽中南洼压力封存箱及成藏剖面图（剖面位置见图1）

4.2 油气运移模拟

为了探讨新构造运动对区内油气运移的影响，尝试通过盆地模拟和油气运移模拟对新构造运动前后油气运移进行定量分析。

基于“夹心层”在整个含油气系统中侧向运移的主导地位和化繁为简的模拟原则，本次研究把整个成藏系统的油气侧向运移简化为箱内“夹心层”的油气运移。同时，考虑到新构造运动前后“夹心层”压力场变化可能对油气运移的影响，利用Zetaware技术公司Trinity盆地模拟软件对现今（见图3）和距今5.3 Ma（见图7）两期压力场下“夹心层”的油气运移进行了模拟：①根据各个层系顶面的地震反射层深度数据进行构造层面建模；②根据沉积相图和单井的砂地比，进行储集层建模；③考虑到走滑断裂可能对成藏系统的分割，把中央走滑断裂、辽中1号断裂、LD16-3断裂和LD16-21断裂加入到模型中；④采用超压研究中所确定的新构造运动前后的压力分布，分别对新构造运动前后“夹心层”的油气运移进行了模拟。

模拟再现了新构造运动前后油气运移的趋势路径和过程（见图12）：新构造运动之前，油气在“夹心层”内相对均一的压力系统内运移，受浮力驱动，油气运移到中央反转构造带和旅大LD16-21构造带；新构造运动之后，“夹心层”压力系统发生分异，郯庐断裂主断裂附近的流体势梯度大大增加，受压力梯度驱动，油气向泄压区汇聚，并通过油源断层运移至浅层成藏。

图12　新构造运动前后油气运移路径模拟

油气运移模拟结果表明：①在新构造运动中，由于郯庐断裂差异活动，古压力场分异，流体势梯度大幅上升，郯庐断裂的走滑拉分区断裂的泵吸作用明显，油气侧向运移动力更加强劲[18,22,28,46-47]（见图12、图8）。②油气逐渐向泄压区运移，常压区是石油运移的主要指向区（见图12）。在运移路径上，原油越来越稠；含氮化合物咔唑的绝对浓度和含蜡量越来越小；1,8-二甲基咔唑相对浓度逐渐增加（见图12b、图13）。这符合油气差异聚集的一般规律[48-50]，证明了运移路径模拟的可靠性。③油气逐渐向浅层运移并逸散[22,26,28,46-47]。模拟得到的新构造运动中油气聚集区与海底气云的亮点重合，油气聚集区即逸散区，新构造运动中油气“运移-逸散”的动平衡区和过剩区将是油气聚集的有利地区，如：LD21、LD27、LD16、LD16S等油田；在油气逸散量较大的区域形成残余油藏，如LD27S含油气构造（见图12、图13）。④模拟得到的新构造运动中的油气聚集区与现今的含油气区非常相似（见图1、图12b）；同时新构造运动前的油气聚集区与现今的含油气区差异较大（见图1、图12a），直观地证明了新构造运动中压力封存箱的破裂区及其油气的调整、聚集决定了油气最终的富集区[22, 26-29, 46-47]。

综上所述，郯庐断裂带新构造运动控制了超压盆地压力封存箱内“夹心层”压力场的分异从而影响了压力封存箱由内到外晚期成藏的调整、运移和聚集。另外，郯庐断裂走滑拉分区压力封存箱发生破裂，形成泵吸效应，走滑拉分区成为箱内油气横向运移最活跃的地区（见图8、图12），加上其垂向运移断层发育，纵向上油气运聚活跃，油气在晚期成藏的“运移-逸散”的动平衡中复式成藏。可见，新构造运动通过重建油气运移通道和改变流体的压力场控制油气运移。根据以上油气运移研究结果和认识，预测在LD16、LD16E和LD21等走滑拉分区域走滑派生断裂发育，油气运移活跃，勘探潜力巨大，是下步勘探的有利地区。

5 结论

辽中南洼古近系存在“三明治”结构的超压封存箱。其中，东营组超压泥岩为压力封存箱的盖层顶板；沙河街组上部富砂段为压力封存箱内的“夹心层”；沙河街组下部泥岩为压力封存箱的烃源灶。

在构造稳定期（缄默期），“夹心层”的超压来自于上覆和下伏超压泥岩的传导，在漫长的封闭环境中压力不断增加，形成自然过渡达到平衡，“夹心层”的压力值约等于上覆和下伏泥岩压力的平均值。

新构造运动中郯庐断裂的差异活动、滑脱层的存在和走滑断裂的分割使得辽中南洼压力封存箱内“夹心层”产生了压力分异。存在压力封存箱内超压成藏体系和箱外常压成藏体系。压力封存箱以内“夹心层”的油气运移决定了油气的平面分布。

新构造运动通过重建油气运移通道和改变流体的压力场控制油气运移：新构造运动中，郯庐断裂差异活动，压力封存箱破裂并产生压力分异，流体势梯度大幅增加。平面上，走滑拉分区发生泵吸效应，形成低势区，是油气运移的主要方向；纵向上断裂输导体系重建，油气向浅层聚集。

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（编辑 张朝军 王大锐）

Hydrocarbon migration caused by rupture of pressure compartment in south Liaozhong sag， Bohai Bay Basin， Offshore China

PENG Jingsong, XU Changgui, WEI Ajuan, WANG Yuechuan, WANG Bingjie, GUO Yonghua, ZHANG Jiangtao, WANG Xin
(CNOOC Tianjin Company, Tianjin 300452, China)

Abstract：Based on the study of the abnormal pressure of mudstone and reservoirs of south Liaozhong sag, Bohai Bay Basin, the structure of the abnormal pressure compartment in the Paleogene of south Liaozhong sag and its impact on oil and gas migration have been analyzed.The pressure compartment in the study area has a “sandwich structure”, with the mudstone of Paleogene Dongying Formation as cap rock, the reservoirs of the upper Shahejie Formation of the Paleogene as the transport interlayers, and the mudstone from the lower Shahejie Formation as the hydrocarbon source rock.Based on overpressure formation mechanism and basin-modeling, the pre-neotectonic movement pressure of the transport interlayers was reconstructed, then the rupture of the pressure compartment and pressure differentiation caused by Tanlu fault zone during the neo-tectonic movement were investigated.The hydrocarbon migration was simulated under different pressure conditions before and after the neo-tectonic movement, to find out the relationship between the neo-tectonic movement of Tanlu fault, abnormal pressure and oil and gas migration.The simulation results show that the differential activity within Tanlu fault zone caused the differentiation of pressure and increase of fluid potential gradient; and the strike-slip pull-apart area with low potential caused by pump-sucking effect became the main direction of hydrocarbon migration in Tanlu fault zone.The comprehensive research of the late-stage hydrocarbon accumulation shows that, there are inner and outer compartment hydrocarbon accumulation systems in the south Liaodong sag, and the transport interlayer in the inner compartment is the “hydrocarbon transfer station” of the shallow outer compartment, and determines the hydrocarbon plane distribution.

Key words：pressure compartment; pressure differentiation; hydrocarbon migration; neotectonic movement; Tanlu fault zone; South Liaozhong Sag; Bohai Bay Basin

中图分类号：TE121.1

文献标识码：A

文章编号：1000-0747(2016)03-0386-10

DOI:10.11698/PED.2016.03.08

基金项目：国家科技重大专项“近海大中型油气田形成条件与分布”（2011ZX05023-006）

第一作者简介：彭靖淞（1984-），男，重庆市人，硕士，中海石油（中国）有限公司天津分公司工程师，主要从事石油地质综合研究工作。地址：天津市塘沽区闸北路1号，中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，邮政编码：300452。E-mail: pengjs@cnooc.com.cn

收稿日期：2015-10-12 修回日期：2016-03-20