琼东南盆地深水区中央峡谷天然气藏输导模式研究

刘静静，刘 震，王子嵩，曹 尚,3，孙晓明

(1.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学(北京)，北京 102249；3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710075)

油气输导体系及运聚机理是石油地质学研究的核心和难点[1]。近几年，随着深水区中央峡谷几个大气田的发现，琼东南盆地油气勘探再上一个新台阶。针对琼东南深水区输导体系，不少学者做过相关研究[2-4]。总体来说，前人主要从宏观上分析了不同输导要素或输导体系的油气输导性能，且均从区域上进行分析预测，而针对断裂这一重要输导要素缺乏深入研究。

琼东南盆地内部主要发育始新统湖相、渐新统海陆过渡相—滨浅海相和中新统半深海—深海相3 套烃源岩[5-7]，其中渐新统崖城组海陆过渡相已被证实为该盆地的主力烃源岩。据最新勘探成果[8]，中央凹陷带峡谷水道内已发现的天然气主要来源于崖城组。因此，地质学家们就面临深层烃源岩生成的天然气如何运移至浅层成藏这一问题。要解决这一问题，首先要考虑有无运移通道，即古近系生成的天然气经过什么样的通道运移至浅层中央峡谷砂体成藏，断裂是油气垂向运移最有效的通道，而且琼东南盆地断裂也极其发育，这就为深部生成的天然气运移至浅部聚集成藏提供了可能；其次要考虑输导效率问题，中央峡谷天然气成藏较晚(上新世至今)，而琼东南盆地新近纪晚期断裂活动较弱，断裂能否作为天然气运移通道值得进一步研究，且在中央峡谷下方未发现直接沟通源储的大断裂。本文在对琼东南盆地主要断裂发育特征和断裂活动期次研究的基础上，提出了断裂旋回的概念，建立沉积盆地断裂输导旋回模式，结合基于分频处理技术识别出的中央峡谷下方断裂组合样式，提出了浅层中央峡谷天然气藏“多期断裂—多断层”接力输导模式。

1 研究区概况

琼东南盆地位于南海北部的西段，是一个在前新生代基底上发育起来的裂谷型含油气盆地。盆地深水区主要由中央坳陷带、北礁凸起、甘泉凹陷和华光凹陷组成，其中中央坳陷带包括乐东、陵水、松南、宝岛、北礁和长昌6个凹陷以及陵南和松南2个低凸起(图1)。该区普遍发育高温超压[9]。深水区新生代演化经历了由陆相向海相叠合沉积演变的裂陷阶段以及浅水向深水沉积转变的裂后阶段[2]。整个中央坳陷带是一个完整的含油气系统[10]，主要烃源岩是始新统的湖相和渐新统崖城组海陆过渡相烃源岩，目前钻探成功的圈闭主要分布在中央峡谷沉积体系中，如LS22-1和LS17-2大型油气田。

2 断裂发育基本特征

琼东南盆地经历了复杂的构造变形，内部发育断裂数量较多，其发育特征具有很好的规律性。

2.1 断裂分布特征

整体上来说，琼东南盆地主要断裂多分布于中央坳陷带。中央坳陷带以北，断裂主要分布在北部坳陷；中央坳陷带以南，断裂主要分布在北礁凸起南部。中央坳陷内又以东部断陷断裂分布居多，尤其是宝岛和长昌凹陷，发育多组近乎平行的断裂。断裂级别不同，分布位置也不相同(图1)。

2.2 断裂活动期次

图1 琼东南盆地构造单元划分及断裂分布

2.2.1 始新世—早渐新世初始强烈活动期

该期断裂活动对应盆地断陷期，受到太平洋—欧亚板块相互作用产生的NW向拉张应力场以及印支—欧亚板块相互作用产生的近SN向拉张应力场的联合作用，盆地快速张开，断层活动表现为异常强烈。盆地内断层在该时期几乎都处于活动状态。

2.2.2 晚渐新世持续强烈活动期

该期断裂活动对应盆地断拗转换期。盆地动力学背景为南海海底开始扩张，南海开始形成，产生了近SN向的拉张应力场，盆地整体进入断陷与拗陷转换阶段，构造活动仍较强烈，断层活动也较强。盆地内断层在该时期也几乎都处于活动状态。

2.2.3 早—中中新世弱幅活动期

此时海洋脊向南跃迁，南海又开始发生NW—SE向扩张，盆地进入稳定热沉降阶段，构造作用以热沉降时产生的差异压实和重力滑塌作用为主。在SE向拉张应力场下，少数NE向和近EW向断裂继续活动(1号、3号、5号、7号、11号、14号、12号、15号、10号、宝岛凹陷北部及陵水凹陷北部2号和2-1号断裂)，但均发展成为隐伏断裂，整体活动性较弱。

2.2.4 晚中新世—第四纪活化活动期

此时深部地幔对流导致岩石圈强烈减薄，盆地进入加速热沉降阶段。同时，菲律宾板块逆时针旋转碰撞亚洲大陆产生了NW向运动，即红河断裂开始由左行走滑变为右行走滑，因此在盆地内部产生NW向左旋平移扭动力。应力场在盆地内形成一系列晚期压扭性断裂，它们或是早期断裂继承性活动，或是新发育断裂。由于压扭作用较弱，盆地内活动断裂数量非常少(仅5号、1号、2号、11号、7号、15号、10号、陵水凹陷北部2-1号、宝岛凹陷2号和2-1号、长昌凹陷2-1号断层活动)，且对早期断层正断距影响不大。

3 断裂输导旋回

综合前人研究成果，杜春国等[11]将断裂带输导流体的动力学机制划分为4类：(1)突发性构造事件型。该类型地层处于常压或弱超压状态下，构造运动引起地震泵，围岩中的流体被吸入断裂带产生运移；(2)超压主导型。该类型地层压力达到断裂门限开启压力或超过地层破裂压力，流体压力使处于封闭状态的断层开启，流体在剩余压力驱动下快速涌流；(3)超压与构造活动联控型。该类型地层也处于超压或强超压环境，但未达到断层门限开启压力或未超过地层破裂压力，流体沿断裂的幕式流动是通过超压和构造活动共同控制实现的；(4)浮力驱动型。断层处于静止期且地层压力为常压，流体在浮力驱动下沿断裂带发生缓慢渗流。前3种均是非稳态流体流动行为，流体主要发生幕式快速流动。相比较而言，缓慢稳态渗流机制可能不是断裂输导流体的主要方式[12-14]，其输导能力也微乎其微，但如果断层静止期发育超压，超压并未达到断层门限开启压力或未超过地层破裂压力，这样在超压的驱动下可以加快渗流的流速，提高其输导效率。因此，笔者认为高压断陷可以存在断层活动期快速涌流和断层静止期有效渗流2种油气输导模式。

3.1 断裂活动期快速涌流输导模式

前人一般认为，有沟通烃源岩与储集层的断层，油气就必然会顺利充注进入砂体。实际上并非如此，良好的储集体是油气充注的必要条件，但并非所有砂岩体都能够充注油气。地层水和石油几乎不可压缩，天然气可压缩性也有限，如果砂体中储层孔隙空间始终被地层水占据，那么油气将无法充注；只有砂体中地层水通过其他泄水口流走，让出储集空间，油气才能够充注。在地层中，泄水口通常为切割砂体的断裂。鉴于此，刘震等[15]提出了双断层或多断层控藏模式。

驱动流体流动的动力类型很多，包括超压、浮力、地震泵和构造活动等，它们共同影响油气成藏过程。勘探实践表明，琼东南盆地强超压对天然气成藏起到了重要的控制作用。构造活动期，盆地内超压流体沿断裂带流动以幕式快速涌流为主，国内外许多学者对涌流驱动机制进行了探讨[12-14]。琼东南盆地关键成藏期为晚中新世—现今，对应新构造运动期，此运动导致盆地内多条断裂继续活动或再次活化，为油气输导提供了条件。现已发现多个以断裂活动期快速涌流输导而成藏的典型实例，如宝岛19-2气藏(图2)。该气藏位于宝岛凹陷北部陡坡带，目的层陵水组扇三角洲砂体被多条“阶梯状”断层所切割，主控断裂(长期活动的2-1号断裂)在成藏期处于活动状态，下部烃源岩生成的天然气在超压的驱动下以快速涌流方式运移至圈闭聚集成藏。

超压流体沿断裂带垂向运移时，断裂带内部孔隙并不是真空。随着构造运动加剧，地层受构造应力作用发生变形，在构造应力集中部位首先发育微裂缝带。由于微裂缝带形成较为缓慢，因此其自始至终均充满地层水。随着应力的进一步增加，微裂缝带逐渐转化为宏观的断裂带。在形成断层的瞬间，地层水在“断层泵”的作用下迅速充满断裂带空间。该过程用时远远小于底部油气沿断层垂向运移所需时间，因此当底部油气开始向上运移时，断层内已充满地层水。油气受超压驱动在狭小的断裂带空间内只能推着上覆地层水发生涌流，在断层空间内形成上段地层水、下段油气的运移现象。结合双断层控藏理论[15]建立了断层活动期涌流输导模式(图3)：超压烃源岩与砂体之间有断层沟通，且砂体被2条或多条断裂切割，烃源岩生成的油气和地层水一起在超压作用下沿断层快速涌流，向上运移，被断层切割的砂体中地层水通过上倾方向断层排出，为油气充注让出空间，因此油气能够通过下倾方向的断层充注砂体。在油气供给充足情况下，可以将断层间砂体充满，而更多的油气则沿断层继续向上运移。

图2 琼东南盆地BD19-2气藏成藏模式

图3 断层活动期涌流输导模式

需要指出，断层活动期涌流模式强调油气充注方式，与油气的保存并不矛盾。在地质时期内，断层活动期相对短暂，可看作是瞬间完成的，断层活动停止后，排水口闭合，砂体中未泄露的油气被保存下来，经过后期的调整形成现今的油气藏。

3.2 断层静止期有效渗流输导模式

断层活动期，断层开启，油气发生幕式快速涌流；断层静止期，深部断层大多表现为垂向封闭，但是在浅层某深度范围内断层未封闭，油气仍可以通过断裂带发生渗流。

断层静止期，断层从浅部未封闭状态过渡到深部封闭状态，存在一个临界封闭深度[15]。断层在临界封闭深度以下起封闭作用，流体几乎不发生流动；在临界封闭深度以上，断裂带内部流体仍可能发生流动。刘震等[15]认为，断层静止期油气能否发生有效渗流主要取决于超压顶面与断层临界封闭深度的位置关系，即超压顶面在断层临界封闭深度之上才有可能发生有效渗流。油气有效渗流的动力和通道条件满足之后，还需油气源，油气源可以是烃源岩中生成的油气，也可以是前期快速涌流聚集在储集体中的油气。如果在断层未封闭段地层内存在油气，且周围地层中又存在超压，那么这些油气会在超压驱动下沿断裂带向上运移。此时油气在断裂带中的运移为有效渗流输导，其渗流输导能力取决于超压的强弱。

琼东南盆地也发现了多个油气成藏期明显晚于断裂活动期的油气藏，如崖城13-1大气田。该气田位于崖西低凸起之上，以1号断裂带为界与莺歌海盆地相邻，产层包括陵三段、陵二段和三亚组砂岩，天然气主要来自崖南凹陷崖城组含煤地层[16]。晚中新世以后，崖西低凸起除1号断裂外，其余断层都处于静止期，由于地层埋藏较浅，断层大部分处于未封闭状态，在超压驱动下，深部崖城组烃源岩生成的天然气可以通过缓慢渗流的方式运移至陵水组砂体，然后经过侧向运移至构造高部位聚集成藏。由此可见，断层静止期缓慢渗流也可以形成大型油气田。

3.3 断裂输导旋回基本模式

琼东南盆地断裂活动具有明显的周期性，断裂活动期与静止期交互出现，表现为旋回的特征。因此，断裂对油气的输导作用也表现出旋回性。

一个断裂活动周期包含了短暂的断层活动期和较长的断层静止期，这2个阶段断裂对油气运移都可以起到输导作用。断裂活动期对应着流速较快的断裂输导模式，断裂静止期对应着流速相对缓慢的断裂输导模式，只是这2种输导模式输导油气的速率不同。断裂活动阶段随着活动强度的减弱以及超压的释放，快速输导模式的输导速率逐渐变小，逐渐过渡到慢速输导模式的输导速率。可见，一个完整的断裂活动周期内，断裂对油气的输导作用包括相当短时间内的快速输导和较长时间内的慢速输导。在沉积盆地发育演化过程中，往往发育多期断裂活动，对应着多个断裂输导旋回，它们在时间上叠加，组成断裂多旋回输导样式。随地质演化，断裂多旋回输导样式表现为快速涌流输导和慢速有效渗流输导交替出现的特征，2种模式交替输导可以增强油气运移效率，从而使深部生成的油气运移至浅层聚集成藏。

4 中央峡谷天然气成藏模式

已经证实中央峡谷水道天然气来源于古近系崖城组烃源岩。前期研究认为底辟构造是南海北部盆地油气成藏的关键，因此，提出琼东南盆地深部烃源岩生成的天然气在超压的驱动下，通过峡谷下方底辟模糊带内微裂隙进入储集体聚集成藏[17]的观点。琼东南盆地陵水凹陷发育强超压，可以为天然气运移提供动力，这点已经达成共识，但是天然气通过峡谷下方底辟模糊带内微裂隙运移的说法有些含糊，而且在地震剖面上并没有识别出明显的底劈构造。通过分频处理技术，在提高深层地震资料分辨率的基础上，本文在中央峡谷陵水段下方深层识别出一系列沟通烃源岩的同向断阶状断层，同时在浅层识别出许多高角度小断层。笔者认为，这些断层才是天然气从深部运移至浅部黄流组聚集的重要通道。

分频处理技术对于提高断裂识别能力效果较好。笔者利用小波分频处理技术，对中央峡谷陵水段三维地震数据几条联络测线分别进行10，15，20，25，30，34，40 Hz分频处理，将分频后剖面与原始剖面对比，发现10 Hz分频处理剖面断层成像较清晰，对识别峡谷下方断层效果最好。因此，以10 Hz分频处理剖面为载体，在中央峡谷下方深层识别出一系列沟通烃源岩的同向断阶状断层。这些断层多断至陵水组顶部，是早期构造活动的产物；同时浅层三亚组内部近直立的多边形断层极其发育，是中期构造活动产物(图4)。平面上，三亚组内部多边形断层主要分布在研究区的西北部，LS22-A和LS17-A井区峡谷水道砂体分布在多边形断层发育区。

图4 琼东南盆地中央峡谷下方10 Hz分频剖面断裂解释测线位置见图1。

断裂多旋回输导使崖城组烃源岩生成的天然气在超压驱动下，通过峡谷下方的断裂体系在黄流组—莺歌海组中央斜谷圈闭内聚集成藏。天然气充注带位于研究区的西北部多边形断层发育区。对于中央峡谷下方断裂明显不发育且远离主生烃中心的砂岩体而言，其成藏则主要依赖于砂体的侧向输导，即油气从就近充注带侧向运移，最终在适合的砂岩体圈闭聚集成藏(图6)。

图5 琼东南盆地中央峡谷天然气“多期断裂—多断层”接力输导模式

琼东南盆地陵水凹陷中央峡谷发育多层浊积砂体，砂体规模中等，但单层厚度大且物性整体较好，纵向上砂体被深水泥岩或者块体流沉积隔开，具有良好的盖层条件。圈闭的形成与陵水凹陷的生排烃高峰期匹配较好，后期保存条件也较好。陵水凹陷属于富生烃凹陷，中央峡谷天然气来源充足，因此，圈闭和输导系统是天然气富集的关键要素。在有效输导体系确定的基础上，只要找到大型有效圈闭，就能找到大规模聚集的天然气。

5 结论

(1)琼东南盆地深水区发育4期断裂活动，且断裂活动具有明显周期性；提出了断裂旋回的概念，一个断裂旋回包括了较短时间的断层活动期和较长时间的断层静止期。

(2)根据断裂活动特征，提出断层活动期高效涌流输导模式和断层静止期有效渗流输导模式，建立了断裂输导旋回模式。在沉积盆地发育演化过程中，发育多期断裂活动，对应着多个基本断裂输导旋回，它们在时间上叠加，组成断裂多旋回输导样式，超压断陷盆地高效涌流和有效渗流交替输导，可以增强油气输导效率。

(3)利用地震分频处理技术，以10 Hz分频处理剖面为载体，在中央峡谷下方深层识别出一系列沟通烃源岩的同向断阶状断层，多断至陵水组顶部；在浅层三亚组内部识别出许多近直立的小断裂，多边形断层极其发育。这些断裂是深部天然气运移至浅层聚集成藏的重要通道。

图6 琼东南盆地中央峡谷天然气成藏模式剖面位置见图1。

(4)建立了琼东南盆地中央峡谷天然气“多期断裂—多断层”接力输导成藏模式，对于中央峡谷下方断裂明显不发育且远离主生烃中心的砂岩体而言，其成藏则主要依赖于砂体的侧向输导。