渤南洼陷沙四上—沙三下亚段含油气系统分布特征

王东晔

( 中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015 )

0 引言

含油气系统的划分和评价是指导陆相断陷盆地油气勘探的重要分析方法和手段[1-5]。断陷湖盆具有多沉降中心、多物源供给、多旋回演化的特点，在剖面上易形成多套生烃层系。受热演化程度差异的影响，各生烃层系之间具有多期生、排烃的特点，油气在运移、聚集及后期调整改造等方面显示不同的规律性，形成不同层系、不同圈闭类型的复式油气聚集带，在空间上构成多个相互交叉、叠置或并列的含油气系统[6-8]。复式含油气系统是陆相多旋回性断陷湖盆的重要特征，其关键是断陷湖盆中存在不同生烃母质、不同热演化史的多套生烃层系，各含油气子系统生、排烃及油气运移、聚集成藏差异明显。研究复式含油气系统可以有效指导多旋回断陷盆地的油气勘探[9-11]。

渤南洼陷是一个典型的北陡南缓的断陷湖盆，中浅层勘探程度较高，中深层认识程度偏低，如张鹏等建立渤南洼陷沙二段多源供烃成藏模式[12]，秦延才等明确渤南油田沙三段自生自储成藏特征[13]，王雨菡等揭示渤南洼陷沙三段有机质富集成因[14]。这些研究主要集中分析单个层系的油气成藏条件和富集特征，没有从复式含油气系统角度对渤南洼陷油气分布进行综合评价，尤其对沙四上—沙三下亚段含油气系统的分布特征缺乏深入研究，制约研究区中深层油气勘探。笔者采用地质分析、实验测试、盆地模拟等方法，研究渤南洼陷古近系含油气系统，明确沙四上—沙三下亚段油气差异分布规律，为渤南洼陷中深层的下一步勘探提供指导。

1 区域地质概况

渤南洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷中部，为沾化凹陷面积最大、古近系埋藏最深的次级洼陷，面积约为600 km2，其中古近系地层厚度约为4 km。渤南洼陷北部以埕南断裂带与埕东凸起相接，南部与孤岛凸起和陈家庄凸起相接，西部以罗家鼻状构造与四扣洼陷分隔，东部以孤西断裂带与孤北洼陷相邻[15-17](见图1)。

渤南洼陷边界断裂发育、内部次级断层发育、成盆充填与整个济阳坳陷同步。断裂活动性分析表明，渤南洼陷的构造发育经历印支期、燕山早期、燕山中—晚期、燕山—喜马拉雅过渡期、喜马拉雅早—中期、喜马拉雅晚期6个期次。根据构造和地层发育，从南到北将渤南洼陷依次划分为南部缓坡带、渤深4断阶带、渤南深洼带和北部陡坡带4个次级构造单元[15-17]。陆相断陷湖盆成盆和沉积充填主要受构造活动控制，构造演化控制层序发育演化；水体发育、盆山关系的不同使沉积体系也不同，构造格架控制沉积体有序充填。渤南洼陷具有典型的断陷湖盆地质结构，发育陡坡带砂砾岩、洼陷带浊积岩、缓坡带砂砾岩及湖相碳酸盐岩等岩性体。按照生储盖配置关系，考虑烃源岩和膏盐层分隔，渤南洼陷纵向上可分为沙河街组三段下(沙三下)亚段和沙河街组四段上(沙四上)亚段两套主力含油气系统。

图1 渤南洼陷区域构造位置(据文献[15]修改)

2 生烃潜力

渤南洼陷古近系泥岩层系包括沙河街组一段(沙一段)、三段中(沙三中)亚段、三段下(沙三下)亚段、四段上(沙四上)亚段、四段下(沙四下)亚段及孔店组。孔店组在济阳坳陷沉积中心位于东营凹陷和惠民凹陷的阳信洼陷，在渤南地区分布面积非常局限。沙四下亚段沉积时期，沾化凹陷没有形成统一的湖盆，整个湖盆规模比较小[18]，半深湖相分布局限，多为粗碎屑沉积，有机质类型为Ⅲ型，生烃潜力有限；沙三中亚段及沙一段沉积时期，由于埋藏浅，进入生烃门限的有效烃源岩分布局限。

沙四上亚段和沙三下亚段为渤南洼陷主力烃源岩[19-20]。沙四上亚段烃源岩暗色泥岩厚度为50～750 m，厚度高值区主要位于埕南断裂带以南的深洼区，有机碳(TOC)质量分数为0.65%～9.72%，平均为1.76%；氯仿沥青“A”质量分数为0.46%～27.75%，总烃质量分数分布于54.46%～74.46%，干酪根类型以Ⅰ—Ⅱ型为主，为一套较好烃源岩。沙三下亚段烃源岩主要由富含藻类的油页岩、灰质泥岩和钙质泥岩组成，由于有机质丰度高，TOC质量分数平均约为4.00%，氯仿沥青“A”质量分数平均为0.30%，干酪根类型以Ⅰ型为主，生、排烃潜力大，为一套优质烃源岩(见图2)。

3 含油气系统特征

3.1 沙四上亚段

渤南洼陷埋藏史与热演化史分析(见图3)表明，东营组沉积中期，沙四上亚段烃源岩进入生、排烃期，开始排液态烃，以源内和近源运聚为主，排烃量较小；东营组沉积末期至馆陶组沉积时期，开始大量生、排烃，油气从凹陷中心向四周运移，含油气系统的边界不断扩大。东营组沉积末期发生的较大规模的构造运动为油气运移提供动力，活动的深大断裂也为油气运移提供良好通道。馆陶组沉积时期，沙四上亚段烃源岩生、排烃持续进行，沙四段形成的油气多进入较高成熟状态，饱和烃及轻烃含量高；同时，普遍存在的超压系统更易于油气运移。由于切穿沙四段源岩层的断层相对较少，沙四上亚段地层富含石膏等蒸发岩类，上覆地层又被沙三段厚层泥岩遮挡，因此生成的烃类大多沿不整合面进行长距离的侧向运移，使沙四段含油气系统分布范围较沙三下亚段的更大。沙四段原油多分布于湖盆边缘及斜坡地带，形成地层超覆油气藏、披覆潜山油气藏和断块油气藏，在湖盆中缺乏良好沟通通道的各类砂岩透镜体内形成岩性油气藏。

图2 渤南洼陷古近系生烃指标分布

图3 渤南洼陷埋藏史及热演化史

沙四上亚段形成的原油主要分布于生油洼陷附近、断阶带和罗家缓坡带等地区。根据烃源岩与膏盐层发育的位置关系，可分为沙四Ⅰ型和沙四Ⅱ型原油(见图4)。生物标志物特征表现：三环萜烷含量高，Pr/Ph小于0.8，具有植烷优势和偶碳优势，长链藿烷系列分布具有C35>C33-升藿烷的翘尾特征；伽马蜡烷含量高，伽马蜡烷/C30藿烷大于0.2，反映沙四上亚段高盐度咸水沉积环境特征；部分样品含有反映生物降解成分的C28-29,30-二降藿烷，原油物性具有密度高、黏度较高的稠油特点，原因是沙四段原油埋藏浅、运移距离远、发生氧化和生物降解(见图5(a))。

图4 渤南洼陷不同原油类型平面分布

研究区干酪根的热模拟结果表明，当地层温度超过145 ℃，有机质基本进入热演化高成熟阶段，以生裂解气为主[15,21]。馆陶组沉积中晚期(距今约10 Ma)，沙四上亚段烃源岩及部分原油开始进入裂解气成熟门限；明化镇组沉积中晚期(距今约5 Ma)，开始进入主生气门限。因埋藏相对较浅，沙三下亚段烃源岩进入裂解气门限时间更晚。义120井埋藏史及热演化史分析表明，沙三下亚段于平原组沉积中期(距今约2 Ma)进入裂解气主生气期。渤深3、义115、义121、渤深5等井沙四段获低产气流，气源对比表明天然气主要来源于沙四段成熟—高成熟烃源岩，证实渤南洼陷裂解气形成。由于沙四段烃源岩成熟度相对较高，渤南洼陷裂解气气源灶以沙四上亚段为主，沙三下亚段裂解气气源灶分布面积相对有限。该区裂解气具有晚期生气与成藏特点，后期构造运动弱，沙河街组大套泥岩及膏盐岩、油页岩的发育具有良好的保存条件，以寻找近源圈闭为主。

图5 渤南洼陷沙四上—沙三下亚段烃源岩生物标志物特征

3.2 沙三下亚段

东营组沉积末期，沙三下亚段烃源岩埋深约为2.7 km，虽然进入成熟门限，但未达到生烃高峰期，抬升剥蚀运动减缓生、排烃过程，直到馆陶组沉积末期(中新世晚期)继续开始生、排烃，至明化镇组沉积中晚期进入主生、排烃期。馆陶组沉积期后，该区构造运动较弱，先期形成的深大断裂基本停止活动，具有较好的封闭性。受济阳运动Ⅱ幕和东营运动影响，后期洼陷内形成的一些同生断层切割沙三段，断层一般倾角陡且延伸距离较短，并连通到新近系，为沙三下亚段烃源岩生成的烃类垂向运移提供良好通道，源岩层浊积砂体发育，沙三上亚段三角洲砂体、沙二段及其以上浅部层位河流相砂体广泛分布[22]，形成断裂—砂体有效复合输导体系；沙三段油气运移动力主要来源于浮力作用，部分地区存在弱超压，使沙三段油气运移以近源垂向运移为主。沙三下亚段形成的油气沿同生断层运移、聚集，形成以储层上倾方向被断层封闭、下倾方向及侧向岩性尖灭的构造—岩性圈闭油气藏。受构造裂缝影响，位于同生断层附近的储层储集性能改善，如渤深3井4 450.1～4 472.4 m段，电测孔隙度为10%～20%，渗透率超过10×10-3μm2，可以形成良好的储集空间。沙三下亚段—沙三中亚段沉积时期属于湖泊扩展期，受地质事件作用影响，形成近岸水下扇和深水浊积扇等扇体，并与深湖相油页岩和泥岩互层发育，形成源岩条件较好的岩性圈闭[13]。渤南洼陷沾化凹陷岩性油气藏的分布层位以沙三段为最多，沙二段次之，沙四段最少，三个层位中以沙三段的岩性油气藏充满度最高，平均为49.0%；沙四段次之，为33.0%；沙二段最低，为29.5%[23]。根据岩性油气藏的丰度及充满度，沙四段和沙三段油气运移方式存在差别。

沙三下亚段生成的油气主要分布于生油洼陷附近及断阶带等地区，其特征为三环萜烷含量低，Pr/Ph比较高，大于0.8；Ts/Tm相对较高，多数大于1.0，显示还原—弱氧化的沉积环境；甾烷特征一般，C27>C29>C28，含有较丰富的重排甾烷，伽马蜡烷含量低，伽马蜡烷/C30藿烷小于0.2，显示淡水—微咸水成因及陆源输入特征(见图5(b))。

此外，沙三下亚段和沙四上亚段混源型原油主要分布于罗家缓坡带和四扣洼陷边缘等地区。

4 成藏主控因素及油气分布规律

4.1 控制因素

4.1.1 烃源岩

沙四上—沙三下亚段含油气系统的分布主要受生烃系统控制(见图6)。渤南洼陷断阶带、湖盆边缘及斜坡地区以沙四段原油为主，原油的成熟度中等偏高，为沙四上亚段烃源岩生、排烃形成的油气藏[22,24]。洼陷中心及断阶带的古近系和新近系原油主要来自沙三下亚段烃源岩，成熟度中等偏低，显示沙三下亚段原油垂向运移的特点。

图6 渤南洼陷沙四上—沙三下亚段含油气系统构成

4.1.2 储集性能

渤南洼陷中深层多为低渗—致密性储层，各类扇体及次生孔隙是油气成藏优选的储集体及储集空间。渤南洼陷沙四—沙三段沉积时期为湖盆发育期，古地形高差大，湖盆边缘季节性洪水较为发育，发育一系列扇体。这些扇体被烃源岩包裹，具有良好的油气成藏条件。在3.50 km以下的深部地层中，储层成岩作用一般达到晚期，强烈的压实压溶作用和胶结作用使储层的原生孔隙消失殆尽，原生孔隙度和渗透率变差[25-26]。沙三下亚段和沙四上亚段层系中生成的丰富有机酸可促进次生孔隙发育，形成油气成藏的有利储集空间(见图7)。

4.1.3 优质盖层

优质盖层形成研究区良好的油气保存条件。沙四段沉积时期，气候逐渐由温暖潮湿演变成干旱，形成以间歇性盐湖相为主的膏盐层沉积[27-29]。膏泥岩地层广泛发育于渤南洼陷，并且分布稳定，其中渤深5井膏盐层累计厚度达到185.5 m；根据地质分析和地震预测，膏泥岩地层分布面积达到300 km2，是良好的区域盖层。同时，沙三段、沙一段、东营组、明化镇组发育不同规模的泥岩，形成该区良好的上覆盖层。

4.1.4 断层

研究区油气藏的分布受断层控制明显，早期形成的深层断裂规模大、延伸长，一般断开古近系地层，沟通新近系较浅地层，平面上切割洼陷生烃中心，延伸到洼陷边缘。这些断裂(如义南断层、义东断层、埕东断层)在东营组、馆陶组及明化镇组沉积早期存在不同规模的运动，是沙四段沉积早期形成的油气发生运移的主要通道；渤南洼陷东营组沉积时期形成的一些小型张性同生断层与早期形成的深大断裂相交，形成花状断裂构造，并切割沙三段烃源岩体，是沙三段油气主生、排烃期发生垂向运移的良好通道。明化镇组沉积晚期，这些断层基本停止活动。断层封闭性分析表明，明化镇组沉积晚期停止活动的断层对油气主要起封堵作用，是油气聚集的良好遮挡体。以渤深5西断层为例，计算断层泥比率(SGR)及断裂带充填物泥质含量(Rm)，其中SGR大于0.70，最大为0.98；Rm大于0.60，最大为0.90，说明断层带内泥质含量高，泥岩涂抹效应较好，封闭性强(见图8)。渤深5井勘探结果表明，在主要砂岩和泥灰岩层中获工业性纯气流。

图7 渤南洼陷储层孔隙度分布特征

图8 渤深5西断层泥岩涂抹参数评价

4.2 油气分布

受烃源岩分布、储集性能、盖层发育、断层活动性等因素控制，渤南洼陷沙四上—沙三下亚段含油气系统的油气分布呈有序规律。在中央隆起带部位，形成断块油气藏；在斜坡带部位，受不整合面遮挡，主要形成地层超覆油气藏；在盆地边缘的凸起部位，形成以披覆潜山、地层超覆为主的油气藏；在洼陷中心发育各类扇体，形成各类岩性油气藏(见图9)。

图9 渤南洼陷沙四上—沙三下亚段含油气系统有序分布特征

5 结论

(1)沙四上—沙三下亚段含油气系统是渤南洼陷古近系复式含油气系统的主体构成部分，基本控制渤南洼陷油气的形成与分布。两套油气系统具有明显不同的油气成藏特点，其中沙三下亚段生成的烃类主要发生垂向运移，主要分布于生油洼陷附近及断阶带等地区；沙四上亚段生成的烃类侧向运移更为明显，主要分布于生油洼陷附近、断阶带及罗家缓坡带等地区。烃源岩体的各类扇体形成自生自储的岩性油气藏是二者共同点。

(2)研究区沙四上—沙三下亚段含油气系统的分布主要受烃源灶控制，中深层多形成低渗—致密性储层，各类扇体及次生孔隙是油气有利的储集体及储集空间，优质盖层形成研究区良好的油气保存条件。油气分布呈有序规律，中央隆起带主要形成断块油气藏，斜坡带主要形成地层超覆油气藏，盆地边缘的凸起主要形成披覆潜山、地层超覆油气藏，洼陷中心主要形成各类岩性油气藏。