范彩伟
[中海石油(中国)有限公司 湛江分公司,广东 湛江 524057]
输导体系是指油气从烃源岩运移到圈闭过程中所经历的所有路径网及其相关围岩,包括连通砂体、断层、裂隙、底辟及其组合[1]。根据油气运移的主要方向,可将莺歌海、琼东南盆地(以下简称“莺-琼盆地”)输导体系划分为垂向和侧向两大类输导体系,垂向输导体系主要包括断层、底辟和裂隙,主要运移动力为压力;侧向运移体系主要包括连通砂体和不整合面,主要运移动力为浮力[2]。流体沿断裂垂向运移具有幕式特征[3],在活动期以断层核为主要通道,在“地震泵”作用下“幕式”流动[4-5],在非活动期以断层核及其两侧诱导裂缝网络为主要通道,在浮力作用下缓慢渗流[6-7]。由于断层的分段连接及非均匀滑动等因素,导致断层面在大尺度具有波状起伏的脊、槽特征,以及在小尺度上具有各向异性的粗糙度[8-9],导致其周围的岩石在强起伏区域(高曲率)表现出非均匀的应变场及较高的裂缝集中[10]。统计表明,油气常分布于断裂分段连接的部位,即应变集中发育的区域,往往是流体运移的优势通道。钻遇断裂带岩心含油情况及钻遇的“断裂空腔”中的沥青等均可为断裂输导流体提供最直接的证据[11-12]。同时,断裂带内断层周围钻井的古热流、镜质体反射率及氧同位素和微量元素的变化也可以作为流体流动的直接证据,而气烟囱和麻坑等地球物理响应以及地层水矿化度、含氮化合物等可作为断裂输导的间接证据[13-14]。流体沿砂体也以优势运移通道方式侧向运移[15-16],罗晓容等(2012)从实际盆地研究可操作性的角度提出输导层的概念及模型方法,建立了利用砂地比判别砂体间连通性的统计模型方法,基于储层成岩-油气充注过程分析,确定主要运移期砂岩输导层孔渗性分布,实现对输导层非均质特征的量化表征[17-18]。提出渗透率作为输导层和断层统一量化表征的参数,采用建立多个平面拓扑模型的方法描述复合输导格架,实现了由断层-砂岩输导层构成复合输导体系的量化表征,达到定量预测油气侧向运移路径的目的[18-20]。
莺-琼盆地的高温高压快速沉降背景使得热流底辟体发育,也就形成了与之伴生的油气输导体系,即底辟型和裂缝型输导体系。热流底辟体演化不同阶段形成的输导体系对油气运移、聚集和成藏具有差异性的控制作用。由于莺-琼盆地为超压型盆地,前人对莺-琼盆地的研究主要集中在盆地内超压的形成演化、超压对油气成藏的控制作用等方面,而忽略了对油气输导体系的研究。本文通过研究输导体系的空间特征、形成演化,明确不同输导体系油气成藏过程的时空差异,以期对莺-琼盆地天然气进一步勘探提供理论指导。
莺-琼盆地位于欧亚板块、太平洋板块和印澳板块的交汇地带,是发育于南海北部大陆架西北部的新生代强超压、转换-伸展型含气盆地[21-23]。受红河断裂带走滑伸展作用影响,莺歌海盆地整体呈菱形,沿北西-南东向展布,由中央坳陷带、莺东斜坡带、莺西斜坡带等多个一级构造单元组成,其中中央坳陷带包括河内凹陷、临高凸起和莺歌海凹陷[24](图1a)。莺歌海盆地经历了早期断陷和晚期拗陷的两个演化阶段,具有典型的“断-坳”双层结构样式[24-25](图1b)。
在始新世-渐新世早期,随着印度板块向欧亚板块汇聚,欧亚板块东缘伸展活动为印支半岛的挤出运动提供了自由边界,由此引起印支半岛发生相对快速的挤出运动,为盆地提供了左旋剪切分量,而印支地块的旋转则为盆地提供了近NE-SE向的伸展分量,二者的综合作用使盆地沿一些主要控盆断裂发生左旋斜向拉伸[24,26]。渐新世晚期-中新世早期,印度-欧亚板块之间的汇聚向正北方向转变,导致印支半岛向南东方向的挤出运动逐渐减弱,莺歌海盆地的断陷作用渐新世晚期已明显减弱。由于应力场的改变,盆地北部发育了一系列反转构造,如临高凸起带和临高-海口区的鼻状构造。中新世早期-中期,印度-欧亚板块的碰撞促使华南地块开始向东挤出。但是,在15.5 Ma至5.5 Ma期间红河断裂仍然表现为左旋特征。莺歌海盆地在左旋剪切应力场作用下使沉积层发生轴向为南北的褶皱作用[28]。至中新世晚期-第四纪,印支板块此时已经楔入欧亚板块内部,它对欧亚板块内部的华南地块影响作用加强。在5 Ma左右,红河断裂带由左旋走滑转变为右旋走滑[26-27],莺歌海盆地的走滑应力场也随之改变,进而导致了底辟构造的形成,这些底辟构造对油气的聚集成藏起到了重要的作用[28-29]。
古近系为断陷结构,沉积的地层有始新统岭头组、渐新统崖城组和陵水组。新近系为坳陷结构,沉积的地层有下中新统三亚组、中中新统梅山组、上中新统黄流组、上新统莺歌海组、第四系乐东组(图2)。研究表明,梅山组和三亚组海相泥岩是盆地内的主要烃源岩[30],黄流组、莺歌海组及乐东组发育的滨-浅海砂泥岩、大型重力流砂岩[22],形成了盆地内的主要储盖组合,其中黄流组一段上部-莺歌海组二段下部泥岩为研究区内发育稳定的区域性盖层。
受海上钻井取心少和地震资料分辨率的制约,加上莺-琼盆地高压成因输导体系形成的断层或裂缝断距小甚至没有断距,为输导体系的识别带来了极大的困难。通过在莺-琼盆地多个地区对比应用结果表明,沿层相干和曲率技术在莺-琼盆地高压底辟、裂缝垂向输导体系识别中应用效果良好。
基于三维地震的相干分析一直被认为识别断裂(尤其是小断裂)最为有效的技术之一。研究采用斯伦贝谢公司Geoframe平台方差体计算公式[31-32]:
(1)
乐东凹陷东部陵水25区是乐东凹陷和陵水凹陷结合部,凸起与凹陷间的差异沉降幅度较大,在与地层强超压的共同作用下,中-下中新统地层大规模发育裂缝,为上中-上新统的岩性地层圈闭油气充注创造运移通道体系,通过一般的地震振幅切片和相干切片对比,证实相干技术在裂缝识别中具有明显的效果优势(图3a,b),而且与一般断层在垂向切片表现最明显不同,裂缝在层切片中变现为更明显,反映裂缝与地层的相关性要优于断层。
曲率是与曲线正切的圆半径r的倒数。同时,将背斜定义为正曲率,向斜定义为负曲率,直线部分定义为0。数学上,首先将一个层面(解释面、内插面)用最小二乘法拟合成一个二次曲面[33-35]:
z(x,y)=ax2+cxy+by2+dx+ey+f
(2)
图3 莺-琼盆地陵水25区地震切片特征Fig.3 Seismic slice characteristics of the Lingshui 25 area,Yingqiong Basina.沿层振幅切片;b.沿层相干切片;c.最正曲率(滤波前);d.最正曲率(滤波后)
(3)
KGauss=(4ab-c2)/(1+d2+e2)2
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Kpos=(a+b)+[(a-b)2+c2]1/2
(9)
Kneg=(a+b)-[(a-b)2+c2]1/2
(10)
式中:K为曲率,m-1;r为与曲线正切的圆半径,m;a,b,c,d,e,f为常量;Kmean为平均曲率,m-1;KGauss为Guass曲率,m-1;K1,K2为主曲率,m-1;Kmax为最大曲率,m-1;Kmin为最小曲率,m-1;Kpos为最正曲率,m-1;Kneg为最负曲率,m-1。
应用层位曲率的谱限制估算技术后,提高了地层的横向连续性,而断裂、水沉积体等不连续结构特征得到有效地保持和增强,地质体的几何形态及其反射结构得到更加清晰的反应,同样在乐东陵水25区得到了较好的应用(图3c,d)。
识别结果及地质研究表明,莺歌海盆地高压成因输导体系分底辟和裂缝两种类型(图4),底辟型输导体系是由裂缝和断层复合而组成,主要发育在莺歌海凹陷中央地区。裂缝型输导体系主要分布在莺歌海凹陷底辟边缘、斜坡近凹区、乐东凹陷和陵水凹陷的高压地层中。
莺歌海凹陷底辟形成源于地层高压,也受构造作用的激发和强化,底辟活动的本质是地层深部的高压释放,而流体是压力释放的载体。莺歌海凹陷由于新近纪快速沉积巨厚泥岩为主的地层,沉积速率在700 m/Ma以上,地层孔隙中的大量水不能及时排出,处于欠压实环境,形成异常高压流体,又因水热增压和生烃作用,使得高压加剧,形成超压囊,当深部地层增压积蓄到足够能量,并受基底断裂右行走滑错动和东西向拉分作用,形成地层薄弱带,超压流体会沿薄弱带垂向穿刺地层,并造成地层的塑性上拱,形成底辟体[36-38],这种穿刺作用是阶梯式进行的,随着深部地层流体压力的增加和右旋拉分作用的增强,流体随地层压力垂向传递穿刺浅部地层,因此流体垂向穿刺的过程,即是高压传递的过程,也是高压散失的过程,还是底辟形成、演化的过程。根据地层破裂特征将其分为5个演化阶段(图5):增压期(穿刺早期),穿刺期、平衡期、释放期和塌陷期。
图4 莺-琼盆地垂向输导体系类型及特征Fig.4 Types and characteristics of vertical migration system in Yingqiong Basin
图5 莺歌海盆地底辟演化阶段模式Fig.5 Evolution model of diapirs in Yinggehai Basina.增压期;b.穿刺期;c.平衡期;d.释放期;e.坍塌期
1) 增压期(也称穿刺早期)
随着构造演化作用,地层内部压力逐渐增加,深部地层开始逐渐发生变形,地层开始破裂形成裂缝和小断层,而浅部地层未受到影响,断层和裂缝是流体运移的主要通道,但受到构造规模的限制,高压及热流体散逸速率慢[39-41]。
2) 穿刺期
底辟核部地层上拱特征明显(图6a),顶部发生强烈破裂,发育大量正断层,平面走向呈放射状(图6b),断裂成为热流体的散失通道,地层内高压界面由深部向浅部地层阶梯式发育。底辟深部高压或热流体向浅部地层散失,但深部地层高压能量充足,浅部地层处于地层增压和热流体充注过程。底辟核部深部地层破裂,保存条件差,早期深部气藏气体沿断裂二次运移到浅部聚集再成藏。
3) 平衡期
深部高压和热流体散失到一定程度,地层流体压力下降,大量地层裂缝和断层主要处于闭合状态,深部热流体向浅层传递的速率迅速下降。对比穿刺期,断层平面展布由放射状转为南北向条带状分布(图6d),反映最大地应力由垂直向上的高压穿刺力转为水平东西向伸展为主(右行走滑作用派生的东西向拉分作用),底辟核部地层产状较平缓或低幅度塌陷(图6c)。由于前期高压快速散失,底辟深部水溶相天然气析出成藏,其成藏规模与上覆盖层的封闭能力成正比,在底辟核部,断层幕式活动,圈闭中天然气的保存和散逸处于一种平衡状态,难以聚集大规模气藏。
4) 释放期
经过长期的高压流体散失,底辟演化进入释放期,底辟整体呈背斜形态,但核部地层较大规模塌陷,呈“M”型双峰构造特征(图6e),断裂剖面上呈现负花状结构,平面延伸距离较长(图6f),释放期核部地层塌陷,地层破裂程度增强,高压和热流体的散失速率加快,不论浅层还是深层,底辟核部早期形成的气藏遭受破坏,残余的气藏散落在塌陷边缘高部位。
图6 不同演化阶段底辟构造形态特征Fig.6 Morphological characteristics of diapirs during various evolutionary stages
5) 塌陷期
随着地层塌陷范围从底辟核部逐步扩大到整个底辟甚至外围地区,地层高压和热流体的散失速率与底辟塌陷区面积呈几何级增长关系,地层产状呈巨大的向斜或洼陷,这是塌陷期底辟的特征(图6g,h),底辟实际已经不存在,早期形成的气藏进入塌陷期难以保存,只能在塌陷边缘地区二次运移形成少量小规模气藏。
莺-琼盆地新近系大尺度断层整体不发育[37],但是在超压和构造作用下,形成了大量的微裂缝和亚地震断层(小尺度断层),它们构成了主要的流体垂向输导体系[37-39]。在莺歌海盆地高压地层,当地层压力达到或超过岩层抗张强度与最小主应力之和时,地层发生水力破裂[38],形成大量的张性微裂缝。根据镜下薄片观察(图7),单条微裂缝规模一般比较小,其开度一般只有几十微米,长度为数百微米,但是它们往往密集成带发育,在垂向上可延伸数百米甚至上千米,在地震上往往表现为模糊带[42]。这些微裂缝有的被后期矿物充填,有的仍然充填烃类运移过程中残留的沥青,说明它们是重要的流体垂向运移通道(图7)。这些水力破裂裂缝在空间上传导发生流体运移,并形成气烟囱,在垂向上延伸长度达500~1 000 m,这些气烟囱在地震上形成“亮点”,说明流体通过气烟囱进行了排泄,并且最终发生重新聚集[40](图8)。超压微裂缝的发育与地层流体超压程度直接相关[40-41],因此通过计算地层超压破裂面可以预测不同地层超压微裂缝发育的深度[40-41],拟合井眼地层破裂压力与深度的关系结果表明:莺-琼盆地新近系地层破裂压力与破裂深度成正相关的关系,即破裂深度越深,对应的破裂压力越大,当压力系数达到1.9时,孔隙压力就能大于破裂压力,开始产生裂缝,当压力系数达到2.0时,新近系地层破裂具有广泛性[40]。
图7 琼东南盆地盖层水力破裂形成的微裂缝及裂缝充填Fig.7 Microfractures and their fillings in caprocks formed by hydrofracturing in Qingdongnan Basina.泥底辟(断裂)作用带构造裂缝,裂缝中见两期充填,早期赤铁矿充填,晚期隐晶质及磁黄铁矿充填;b.水力破裂裂 缝,未充填;c.水力破裂裂缝,方解石充填;d.水力破裂裂缝,沥青充填
图8 莺歌海盆地DF1-1地区中深层黄流组-梅山组天然气充注序列Fig.8 Gas charging sequence of the medium-to-deep Huangliu-Meishan Formation in DF1-1 area,Yinggehai Basina. δ13 C1含量分布;b. δ13CCO2含量分布
超压作用还促进了剪切破裂的发生[36]。在底辟边缘、深入凹陷的凸起区、深部断裂密集区,由于差异沉降、构造拉张、底辟张拱、先存断裂调节活动等构造作用形成了断距较小、在地震资料上难以识别的小尺度断层,这些小尺度断层发育规模较大,分布具有区域性,通过曲率等沿层地震属性技术可以达到较好的识别效果。高压成因裂缝具有规模小、密度大、沿层分布、连通性差的特点,而构造成因裂缝具有规模大、密度小、穿层分布、垂向联通性好的特点,两种成因裂缝在莺-琼盆地高温高压地层中叠加,可以有效提高裂缝的油气输导效率。
莺-琼盆地底辟在不同演化阶段形成的不同类型输导体系对天然气聚集成藏的作用具有明显差异。目前勘探成果证实了与底辟穿刺期、平衡期及释放期相对应的三种类型气藏,其中以处于平衡期的底辟构造形成的气藏规模最大。以东方气田为例,该类气藏不仅在垂向上具有浅部和深部气藏分布的复合叠置特征,还具有与底辟输导体系阶段性演化相对应的气体多期充注成藏特征[41-44]。
1) 不同构造部位天然气组分差异明显
多期次的底辟活动使得底辟波及区具有多期次天然气充注的特点。东方气田烃源岩成熟门限大约在2 800 m,底辟区浅层气层埋深小于1 300 m,尚未成熟,不可能有大量成熟天然气的生成[41],而核部浅层发现的大量天然气δ13C1分布范围在-43.35‰~-30.3‰,δ13C2为-28.8‰~-21.8‰,δ13Cco2为-20.7‰~-0.7‰,气态烷烃碳同位素序列局部倒转,表明存在成熟~过成熟不同化阶段天然气垂向运移混入充注。另一方面,底辟核部中深层天然气δ13C1分布在-35.3‰~-30.3‰,重δ13C1样品居多,δ13C2为-26.6‰~-24.9‰,δ13Cco2为-10.5‰~-3.2‰,气态烷烃碳同位素序列局部倒转[45],天然气成熟度更高,同样具有不同成熟度混合充注特征。底辟核部浅层和中深层天然气这种同位素特征反映了天然气多期混合充注,天然气成熟度高,后期改造作用强的特征(图8)。
相反,底辟波及区中深层天然气δ13C1分布在-39.3‰~-33.1‰,δ13C2为-28.6‰~-25.2‰,δ13Cco2为-15.9‰~-7.2‰,气态烷烃碳同位素序列倒转比例很少,反映天然气早期单一充注特征,天然气成熟度较低,CO2以有机成因为主(图8)。
2) 流体包裹体具有多期次特征
东方气田底辟核心区流体包裹体分布具有明显的多期次特征,均一温度测试结果统计表明,与含气态烃包裹体共生的盐水包裹体均一温度主峰温度为110~120 ℃,与CO2包裹体共生的盐水包裹体均一温度主峰温度为140~150 ℃,分别对应于上新世晚期及更新世晚期两次流体充注(图9)。这些特征均表明东方气田底辟垂向输导体系形成演化过程中的多期次流体活动,导致底辟核部浅层、深层具有明显的多期成藏特征,而底辟边部则为早期单一充注成藏(图10)。
3) 底辟活动与天然气成藏过程相匹配
如前所述,底辟发育过程可以分为5个演化阶段。在底辟增压期,天然气散逸速度较慢,天然气成藏规模较小。底辟核部在穿刺期急剧上拱,使顶部浅层盖岩发生强烈破裂,当下部地层压力超过盖层突破压力时,含气水体沿着裂缝穿过盖层向上运移,由于地层压力的降低甲烷析出聚集成藏。由于热液流体的散失,底辟深部压力也呈降低趋势,部分天然气在底部析出成藏。通过对中深层高温高压带与浅层常压带、压力过渡带天然气的组成、碳同位素特征差异的对比分析,表明底辟活动期为早期成熟气充注,是底辟区主要的成藏期之一[46-48]。当压力随热液流体散失到一定程度时,底辟进入活动静止的平衡期,圈闭中天然气处于聚散动平衡状态。随着底辟压力的进一步积聚,底辟再活动,一方面带来了晚期高成熟天然气的充注,一方面对早期形成的成熟天然气藏进行改造,在底辟核部纵向上形成多层位天然气聚集成藏的特点。这样,周而复始的压力积聚、盖岩破裂、压力释放过程使得底辟核部浅层、深层天然气的运聚成藏具有明显的多期幕式特征(图11)。由于底辟在地质历史活动时,不同构造部位波及程度不同。在底辟核部区和底辟斜坡区分别为多期次天然气成藏的“改造残留型”、“优质高效型”。而在非底辟区的平稳带为单一期次成藏的“水相脱溶型”。
图9 莺-琼盆地东方气田底辟核部中深层成藏演化史Fig.9 Evolution history of accumulation in middle and deep layers of diapir nucleus in the Dongfang gas field of the Yingqiong Basin
图10 莺-琼盆地东方气田底辟垂向输导体系成藏模式Fig.10 Accumulation model of vertical transmission system of diapir in the Dongfang gas field of the Yingqiong Basin
与底辟输导体系成藏规律不同,裂缝型地层垂向输导体系天然气成藏规律表现为:深层圈闭天然气充注时间相对晚,浅层圈闭天然气充注时间相对早。以琼东南盆地乐东凹陷黄流组为例,从不同埋深岩性地层圈闭天然气同位素分析结果可知,埋深最大和地层压力最高YC27含气构造(埋深4 000 m附近,地层孔隙流体压力超过85 MPa)天然气δ13C1分布在-34.5‰~-34.0‰,δ13C2为-22.6‰~-22.2‰,甲烷含量为89.4%~90.6%,C2+的含量为2.7%~2.8%,C1/C1-5的比值为0.97,均反映较高的气体成熟度;而相邻埋深较浅、压力较小的LS25气田(埋深3 000 m,地层孔隙流体压力45 MPa附近)天然气δ13C1为-39.7‰~-36.1‰,δ13C2为-25.8‰~-24.1‰,甲烷含量85.2%~87.9%,C2+的含量为7.1%~7.8%,C1/C1-5的比值为0.92,对比成熟度相对低,成藏相对早。
图11 莺-琼盆地底辟活动与天然气成藏过程模式Fig.11 Illustrative diagram of diapir activity and gas accumulation process in Yingqiong Basin沉积期,梅山组气源岩进入成熟演化阶段,底辟开始持续活动,使成熟煤型气沿底辟核部密集微断裂-裂缝系运移,以混相幕式充注的方式在黄流组岩性圈闭中聚集成藏;沉积期,底辟活动不明显,微断裂-裂缝系封闭,天然气在剩余压力差的作用下通过盖层薄弱带主要以水溶相向浅层运移,聚集成藏;界面沉积至今,底辟再次活动,活动早期梅山组和黄流组早已聚集成藏的成熟煤型气藏首先被破坏,天然气大量散失或向中浅层发生再运移,在莺歌海组再聚集形成次生气藏;d. 梅山组气源岩此时已进入高成熟演化阶段,大量生成高成熟煤型气,与来自基底和三亚组钙质泥岩所生的无机CO2先后以混相幕式充注的方式 向浅层运移,形成碳同位素倒转序列气藏
图12 莺-琼盆地岩性圈闭高压裂缝输导成藏模式Fig.12 The accumulation pattern of lithologic trap and high-pressure fracture migration in Yingqiong Basin
莺歌海盆地斜坡高压区也有类似的成藏特征,即深层圈闭裂缝型输导体系的天然气充注时间相对晚而浅层圈闭天然气充注时间相对早,这反映了高压裂缝阶梯状由深向浅部散失高压和流体的规律,每次当深部地层流体压力超过或相当于地层破裂压力时,地层破裂产生裂缝,圈闭内的流体沿裂缝逃逸到最近的相对低压储层中[49-50],裂缝重新闭合直到下次增压,因此浅层的圈闭聚集相对早期生成、运移的天然气,而深部超压圈闭聚集相对晚期生成、运移的天然气(图12)。
1) 莺-琼盆地高压成因输导体系分底辟型和裂缝型两种类型,是地层深部压力释放的表现形式,具有阶梯状由深向浅逐步发育的特点,流体随地层压力垂向传递穿刺浅部地层,使高压发生传递和散失。
2) 底辟输导体系演化划分为增压期(深部充气)、穿刺期(浅层成藏)、平衡期(复合成藏)、释放期(翼部成藏)和塌陷期(破坏成藏)5个阶段(类型)。裂缝型输导体系具有超压和构造两种成因,超压成因裂缝具有规模小、密度大、沿层分布、连通性差的特点,而构造成因裂缝具有规模大、密度小、穿层分布、垂向联通性好的特点,两种成因裂缝在莺-琼盆地高温高压地层中叠加区,油气输导效率最高。
3) 通过对天然气组分、碳同位素、流体包裹体等地化参数对比分析表明,底辟的多期活动是莺歌海盆地底辟区天然气成藏的主控因素。早期底辟活动,使深部的烃源岩生成的天然气沿着底辟型输导体系向上运移,在有效的圈闭中聚集成藏;当压力随热液流体散失到一定程度时,底辟进入活动静止的平衡期,圈闭中天然气处于聚散动平衡状态;后期底辟再次活动将深部气藏调整至浅层,并对早期浅层气藏形成了破坏,周期性的压力积聚、盖岩破裂、压力释放过程使得底辟核部浅层、深层天然气的运聚成藏具有明显的多期幕式特征。
4) 裂缝型输导体系与底辟输导体系成藏规律略有不同,高压裂缝阶梯状由深向浅部散失高压和流体的规律,使得深层圈闭裂缝型输导体系的天然气充注时间相对晚而浅部圈闭天然气充注时间相对早。
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