珠江口盆地阳江凹陷东部地区断控成藏条件

刘 军 , 彭光荣, 朱定伟, 吴 静 , 张志伟 ,杜晓东 , 汪晓萌, 柳琼瑶, 李三忠 , 索艳慧

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司, 广东 深圳 5 18000; 2.深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心,海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 26 6100; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266100)

0 引 言

近年来, 珠江口盆地珠三坳陷的阳江凹陷东部地区连续发现了多个中小型油气藏(彭光荣等, 2019;田立新等, 2 020), 成为珠江口盆地(东部)的热点探区。阳江凹陷目前已发现的油气藏中除个别为岩性油藏外, 其他油气藏几乎都受断裂控制。断裂与油气富集成藏的关系是石油地质研究的热点(罗枭等,2018; 聂冠军等, 2 019; 刘一鸣等, 2 019; 付广和王浩然, 201 9), 前人尚未对阳江凹陷东部地区断裂的形成和演化及其与沉积充填、烃源展布、油气运移与聚集成藏的关系进行系统的研究。

阳江凹陷东部地区位于阳江-一统深大走滑断裂带之上, 处于珠一坳陷和珠三坳陷的交汇处, 在多期构造运动影响下形成了复杂的断裂系统, 断裂组合样式多样, 张性和张扭性断裂组合共存, 断裂类型、组合样式、断裂级别、应力状态等在不同次洼、不同层系差别较大, 导致断裂对油气成藏的控制作用亦存在很大的差异性。

自20 世纪70 年代至2018 年近40 年时间里, 阳江凹陷以对外合作勘探为主(彭光荣等, 2 019), 仅有少量钻井和小范围低品质三维地震资料, 早期的研究主要针对洼陷结构、勘探潜力和区带优选, 缺乏对洼陷地质条件, 特别是断裂系统特征和控藏作用的系统解剖。近三年随着油气勘探的不断深入, 采集了覆盖全区的高精度三维地震资料, 各类钻井达15 口, 这些资料为阳江凹陷构造和断裂的精细解析提供了保障。本次研究在连片三维地震资料基础上,结合新近钻井、测井和分析化验资料, 解剖断裂系统的特征, 分析断裂与油气藏之间的配置关系。

1 区域地质背景

阳江凹陷为珠江口盆地北部坳陷带珠三坳陷的一个三级构造单元, 是在中生代花岗岩为主的基底上发育的新生代大陆边缘拉张型断陷(鲁宝亮等,2011; 孙晓猛等, 2014), 历经珠琼、南海、东沙等多期构造运动, 凹陷内部形成了复杂的断裂系统, 发育不同走向、不同级别的断裂。阳江凹陷北接海南隆起和阳春凸起, 南临阳江低凸起, 东侧为珠一坳陷的恩平凹陷(图1), 海水深80～100 m。目前勘探重点位于阳江凹陷东部的恩平20 洼、恩平21 西洼和恩平21 东洼, 三个负向构造单元受控于三条控洼断裂(图1), 洼陷面积共计230 km2。

阳江凹陷东部自下而上发育始新统文昌组、恩平组, 渐新统珠海组, 中新统珠江组、韩江组、粤海组, 上新统万山组及第四系(图2; 杨海长等, 201 1;施和生等, 20 14; 孙晓猛等, 2014; 刘志峰等, 20 17),其中, 始新统为断陷沉积, 其上覆地层为坳陷沉积,具有典型的“下断上坳”的双层结构。文昌组为主力生烃层系, 珠江组和韩江组的海相三角洲砂岩与海泛泥岩是主力储盖组合, 为主要成藏层系。

图1 珠江口盆地(a)及阳江凹陷东部地区(b)构造单元Fig.1 Simplified geological map of the Pearl River Mouth Basin (a) and the eastern Yangjiang Sag (b)

2 断裂系统特征

早期的全球伸展盆地研究主要集中对盆地几何形态的描述, 随着研究的不断深入, 断裂系统的演化, 尤其是边界断裂演化受到了越来越多的关注(田巍等, 2015; 刘玉虎等, 2020)。断裂系统是指在特征构造单元中形成的各种不同性质的断裂组合, 包括断裂空间排布、相互交切关系及成因联系等, 是控制断陷盆地油气藏形成和保存的主要地质因素(蔡华等, 20 14)。深化含油气盆地或凹陷断裂形成、演化、展布特征、期次是研究油气成藏地质条件、探讨断裂对油气分布规律和控制作用所必需的。

受不同时期、不同性质构造活动的影响, 阳江凹陷东部断裂系统与珠江口盆地其他凹陷类似(何敏, 2019; 陈玮常等, 2020), 具有典型的上、下双层结构。按照断裂发育和活动时期可分为裂陷期断裂系统、拗陷期断裂系统和长期活动断裂系统三类(图3), 三套断裂系统各有特征, 裂陷期断裂系统以张性为主, 拗陷期断裂系统具张扭应力场特点。

2.1 裂陷期断裂系统

阳江凹陷东部断裂主要发育在古近纪裂陷期(图3), 即盆地开始拉开至始新世恩平组沉积期, 渐新世及之后断裂活动明显减弱。裂陷期断裂系统按照其形成时期可细分为: 裂陷初始期(Tg)断裂系统和局部隆升期(T82)断裂系统。

(1) 裂陷初始期(Tg)断裂系统

该时期主要发育基底卷入型张性正断层, 在全研究区内均有分布(图4a)。由于受珠琼一幕NW-SE向伸展应力场控制(程燕君等, 20 20), 同时受刚性基底和先存断裂的限制, 这一期断裂走向整体呈NE-NEE 向。除少量边界控洼断裂后期继承性发育外, 该期断裂普遍在裂陷期之后不再活动, 一些断裂在文三段沉积期之后即不活动, 部分在恩平组沉积期继承性活动, 形成平面上平行展布、剖面上呈花状或似花状的组合样式(图3a、4a)。该期断裂在恩平20 洼向南倾斜, 恩平21 西洼向北倾斜。裂陷初始期断裂系统控制了洼陷的边界和内部小凸起、小次洼的形成与展布, 控制了基底的基本形态和文昌组沉积早期沟谷体系的分布。

(2) 局部隆升期(T82)断裂系统

该期断裂主要发育在恩平21东洼缓坡带(图3b、4a)。受岩浆底侵影响, 恩平21 东洼北部缓坡带在文三段沉积末期强烈隆升, 形成一系列延伸短、切割层位少的顺向调节断裂。

图2 阳江凹陷东部地区地层综合柱状图Fig.2 Synthetic geological column of the eastern Yangjiang Sag

图3 阳江凹陷东部地区断裂系统剖面(剖面位置见图1b)Fig.3 Seismic profiles of fault system in the eastern Yangjiang Sag

2.2 拗陷期断裂系统

自始新世裂陷期结束之后直到早中新世, 阳江凹陷整体处于构造平静期, 断裂不发育。到早中新世珠江组沉积晚期再次发生强烈的断裂活动, 发育一系列NW-NWW 走向的断裂, 并在韩江组沉积期和粤海组沉积期继承性活动, 总体与菲律宾海板块向西楔入和台湾造山运动有关。在地震剖面上多表现为向上断穿韩江组、向下大部分断至珠海组, 少量可断至文昌组甚至基底; 剖面上呈花状、复合Y 字型或平行等组合样式; 平面上呈平行式、雁列式或马尾状等组合样式(图4b), 具有典型的张扭应力场特征。

2.3 长期活动断裂系统

长期活动断裂系统是裂陷期形成、拗陷期继承性发育的断层, 主要为三条控洼边界断裂F4、F5和F11(图3、4c)。控洼边界断层为同沉积正断层, 发育时间长, 断距大, 向下断至基底, 向上断至万山组或第四系, 是油气垂向运移的重要通道。

2.4 断裂演化过程

阳江凹陷东部断裂经历了始新世断陷、渐新世拗陷和中新世断块活化三个构造演化阶段(胡阳,2019), 断裂的发育和演化过程与凹陷的构造演化阶段具有很好的对应关系。

始新世文三段沉积期, N E 向的古太平洋-太平洋洋中脊NW 向正向俯冲于东亚陆缘之下(Müller et al., 2008; Set on et al., 2012), 使俯冲系统上部的南海北部大陆岩石圈处于 NW-SE 向纯剪伸展的应力背景下, 阳江东凹NEE-EW 向先存逆冲断裂体系选择性活化并发生构造反转, 形成一系列NE-NEE 向张性正断层和(半)地堑(图5a), 其中三条延伸长、活动性强的断裂F4、F5和F6限定了阳江凹陷东部地区裂陷作用的范围及恩平20 洼、恩平21西洼和恩平21 东洼(图1)的沉积范围。

图4 阳江凹陷东部地区断裂系统平面组合Fig.4 The fault pattern of the eastern Yangjiang Sag

图5 阳江东凹新生代断裂演化模式(剖面位置见图1b)Fig.5 Evolutionary mo del o f Ce nozoic fa ulting i n t he eastern Yangjiang Sag

文三段沉积末期, 岩浆不均衡底侵作用使恩平21 东洼北部和东部抬升, 一方面造成地层的剥蚀;另一方面为调节差异隆升作用的应变, 形成一系列向南倾斜的调节断层, 这些断裂成群成带分布(图5b), 延伸短、断距小, 对地层的控制作用弱。文二段沉积末期至文昌组沉积末期, 岩浆不均衡底侵作用进一步加强, 整个恩平21 东洼隆升至地表, 缺失文一段沉积(图5c)。

恩平组沉积期, 阳江凹陷东部的裂陷作用相比文昌组沉积期较弱, 且裂陷中心有向西迁移的趋势,F4和F5断裂活动性增强, 沉积沉降中心位于恩平20洼, 该期断裂作用不发育, 仅有少量文昌组沉积期断裂继承性发育(图5c)。

渐新世-早中新世, 整个珠江口盆地进入拗陷演化阶段, 断裂作用不明显, 仅有少量控洼断裂继承性活动, 如F4、F11和F5断裂西段, 且活动性较弱(图5d)。

早中新世后期, 受东沙运动影响, 珠江口盆地断块活化, 在阳江凹陷东部发育一系列断裂(图5e),这一期断裂在韩江组沉积期及以后继承性活动(图5f), 形成现今的断裂样式。

3 断控烃源、圈闭、油气输导与保存

3.1 断裂对文昌组沉积体系的控制

阳江凹陷东部地区的边界断裂在古近纪的活动控制了洼陷形成和充填, 进而控制了文昌组烃源岩的分布和演化。研究区洼陷结构和沉积充填受长期活动断裂F4、F5和早期断裂F6共同控制, 但在不同时期不同断裂或同一断裂不同部位的控制作用存在显著差异。

(1) 初始裂陷期(文三段沉积期)

初始裂陷早期, 即文三段沉积早期, 阳江凹陷东部整体处于低水位域, F4断裂和F6断裂东段伸展作用强烈, 使断裂下降盘可容纳空间增大, 但周边物源供应有限, 洼陷处于欠补偿沉积状态, 因此以低能富泥沉积为主。地震剖面上恩平20 洼、恩平21 东洼洼陷中心呈低频、连续、中-强振幅、近平行反射特征, 沉积厚度达1200 m。F5断裂活动性相对较弱, 且西南方向存在阳江中低凸起, 物源供给充足, 可容纳空间的增加速度小于物源供应速度,为过补偿环境, 恩平21 西洼沉积了一套辫状河三角洲(图6a)。在恩平21 东洼缓坡带, 早期断裂F23、F27与构造斜坡配置形成大型的北东向沟谷(图4a), 为恩平15-1 低凸起的碎屑物质向洼陷内搬运提供通道,使缓坡带沉积了一套辫状河三角洲砂体。A4-1 井钻遇了这套砂体, 测井曲线呈齿化箱形或齿化钟形特征; 岩性以石英细砂岩为主, 分选好, 孔隙度达12%, 是一套优质储集体。初始裂陷期晚期, 即文三段沉积晚期, 裂陷作用增强, 控洼断裂F4、F5、F6活动性增大, 水体加深, 半深湖相范围扩大(图6b)。

(2) 裂陷高峰期(文二段沉积期)

控洼断裂活动性进一步增强, 特别是F5断裂和F6断裂中段的活动强度增大, 导致可容纳空间增大,洼陷连片发育, 研究区与北侧的恩平14 洼半深湖相连为一体, 仅在恩平21 西洼西部和恩平21 东洼东北部发育小型辫状河三角洲(图6c)。文二段沉积后期, 研究区东部受岩浆底侵影响, 恩平21 东洼缓坡带遭受大面积的剥蚀, 形成现今恩平21 东洼和恩平14 洼分割的构造格局(图6c)。

(3) 裂陷萎缩期(文一段沉积期)

研究区东部隆升作用进一步加强, 恩平21 东洼隆升至水上, 成为物源区。此时F4、F5持续活动, 沉降和沉积中心位于恩平20 洼和恩平21 西洼, 洼陷中心沉积了一套半深湖相, 东西两侧为辫状河三角洲沉积(图6d)。

在恩平21 东洼南部陡坡带和北部缓坡带分别钻探的A8-1 井和A4-1 井, 揭示了文昌组的半深湖相烃源岩。两口井钻遇的文昌组泥岩厚度分别为400 m和230 m, 为厚层灰黑色泥岩, 夹少量薄层砂砾岩。地球化学分析结果表明, 总有机碳含量(TOC)为1.85%～3.66%, 平均 2.32 %; 有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型; 镜质体反射率Ro介于0.76%～1.2%, 平均1%(课题组未发表数据), 属于好-很好级别烃源岩, 且处于成熟生油阶段。

3.2 断裂对圈闭形成与分布的控制

阳江凹陷与其他珠江口盆地北部坳陷带类似,整体处于拉张环境, 缺乏大型背斜圈闭, 目前解释出的圈闭均与断裂有直接关系。这些圈闭按照形成时期和控圈断裂类型的不同可分为三类, 分别对应于三套断裂系统。

(1) 裂陷期断裂系统控制的圈闭

主要分布在恩平20 洼与恩平21 西洼过渡带和恩平21 东洼缓坡带(图4a), 前者是在花状断裂上升盘形成的断鼻构造; 后者一部分是裂陷期反向断裂与一组走向近平行的坳陷期断裂相互切割形成的断块圈闭, 位于恩平21 东洼缓坡带内带, 另一部分是裂陷期断裂与剥蚀线闭合形成的地层圈闭, 主要位于恩平21 东洼缓坡带外带。

(2) 拗陷期断裂系统控制的圈闭

主要是受NW-NWW 向张扭断裂控制, 位于断裂上升盘的断鼻构造, 或在马尾状、雁行式断裂末端左行左阶断裂叠覆区形成的一系列断鼻、断块圈闭群, 分布范围与拗陷期断裂分布范围一致(图4b)。

(3) 长期活动断裂系统控制的圈闭

主要包括发育在控洼断裂F4、F5、F11上下盘的大型滚动半背斜、断鼻和断块圈闭(图4c)。

图6 阳江凹陷东部地区文昌组沉积相Fig.6 Sedimentary phases of the Wenchang Formation in the eastern Yangjiang Sag

3.3 断裂对油气输导与保存的控制

油源断裂是沟通深部烃源岩与浅部储层和圈闭的主要通道, 能否成为油源断裂及其垂向输导性能取决于断裂规模、活动时期、活动强度、断穿层位等多种因素。只有断裂沟通烃源岩与圈闭、且断裂活动时期与生排烃时期匹配时才能成为油源断裂(魏真真等, 2020)。阳江凹陷东部地区新近系油气充注时间为韩江组沉积晚期(12 M a)至今, 因此依据断裂在韩江组沉积晚期的活动速率、断层发育时期、切割层位等因素将研究区的油源断裂分为三类。

(1) 一级油源断裂包括长期活动断裂F4、F5和F11, 是研究区新近系最优质的油源断裂, 能够将油气运移至浅层珠江组和韩江组, 目前研究区发现的A1、A2 等中型油田即是靠此类断裂输导油气(彭光荣等, 2019)。

(2) 二级油源断裂主要包括F15、F18等与裂陷期断裂共用断面的拗陷期断裂。这些断裂虽是拗陷期形成, 但在深层“借用”裂陷期断裂的薄弱面, 与文昌组烃源岩有充分的接触, 能够将油气运移至新近系珠江组, A8、A6 等含油构造即是靠此类断裂输导油气。

(3) 三级油源断裂主要包括F20、F21等断至文昌组的拗陷期断裂。这些断裂虽断至文昌组, 但文昌组断距较小, 向浅层输导的油气量相对较小, A4、A5等构造即是靠此类断裂输导油气。

断裂垂向输导为油气由深部向浅层运移提供了重要通道, 而断裂侧向封堵是断裂圈闭成藏不可缺少的条件(杨志成等, 2019; 魏真真等, 2020)。断裂的应力性质对圈闭的侧向封堵能力具有重要影响, 从而影响油藏高度和富集规模。前人在断层应力性质与侧向封闭能力方面的研究表明: 压应力断层的侧向封闭能力优于张扭应力断层, 张扭应力断层的侧向封闭性能优于拉张应力断层(万天丰等, 200 4; 吴智平等, 2010; 王光增, 2017)。珠江口盆地中新世至今以近南北向张性应力场占主导(谢丁等, 20 16), 使得深部E-W 向断裂具有拉张性质, N W 向断层具张扭性质, N W 向断裂的封堵性能优于E-W 向断裂。实际钻探结果也证实研究区NW 向断裂具有良好的封堵性能, 例如, A 1、A2 和A6 等油田即受NW 向断裂控制, 而A3、A7 等构造的控圈断层为E-W 向,尽管油气显示非常丰富, 但油层数量少、油柱高度小。

4 结 论

阳江凹陷东部地区的断陷格局具有典型的古近系和新近系上、下双层结构, 组成断裂可分为裂陷期断裂系统、坳陷期断裂系统和长期活动断裂系统,控制了凹陷内的沉积体系分布和油藏特征。

(1) 阳江凹陷东部的洼陷结构受长期活动断裂和裂陷期断裂共同控制, 断裂的差异活动控制了沉积体系特别是辫状河三角洲和半深湖相烃源岩的展布。

(2) 三套断裂系统历经三期构造演化过程, 控制形成了三种不同类型的圈闭, 主导了阳江凹陷东部主要圈闭的形成与分布。

(3) 断裂还控制油气运移和保存条件的差异性:一级和二级油源断裂主导了新近系油气的垂向运移;NW 向张扭断裂侧向封堵能力强, 控制了油气的富集程度。