古近系断裂控藏作用定量评价
——以珠江口盆地陆丰13洼为例

赵 庆,邱欣卫,肖张波,雷胜兰,贾连凯,何雁兵

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东深圳 518054)

断裂在油气成藏过程中扮演着非常重要的作用,罗群等对全国重要盆地及典型油气田的统计结果表明,受断裂控制的油气藏占比高达70%以上[1]。断裂控制着油气的生成、运移、聚集和保存,深入剖析断裂在油气成藏过程中所起的作用,对于揭示油气运移和聚集规律具有重要意义[2-7]。学者们对断裂控藏作用做了大量的研究工作。刘峻桥等通过对廊固凹陷断裂与油气成藏关系研究,认为断裂活动性、地层异常压力、“中转站”发育规模以及断面脊等地质参数与油藏地质储量呈现正相关关系,并据此建立了断裂垂向输导能力定量公式[8]。石波通过物理实验模拟构造应力场,确定活动时期断裂的走向与区域应力方向的角度关系,进而对活动断裂的输导油气能力进行评价[9]。温宏雷等在开展黄河口凹陷断裂控藏作用定量评价的过程中,分析了主成藏期断裂活动性、盖层厚度与断距关系及分形分维值,厘清了这三个参数对油气成藏的控制作用,并建立了断裂控藏定量评价方法[10]。李京昌等通过分析断裂与烃源岩关系,建立了一种半定量分析断裂与油气成藏关系的方法[11]。

综上可见,现有技术中的断裂控藏作用研究多是针对成藏期活动的断裂进行定性分析,或者是针对单一因素的定量分析,缺少专门针对成藏期不活动断裂控藏作用的定量评价。近年来,珠江口盆地古近系勘探不断取得重大突破,陆丰13东洼中央隆起带上发现了多个断块油田,古近系断块圈闭多且复杂,断块间油气富集程度差别较大,而目前针对陆丰凹陷的成藏研究多是定性或半定量研究[12-15],由于其精度较低或考虑因素不够全面,已无法满足陆丰地区现阶段的勘探需求。本文以陆丰13洼为例,综合多因素分析断裂在油气成藏中的控制作用,尝试建立断裂控藏作用与储量丰度的定量关系,为提高油气勘探的钻探成功率提供技术支撑。

1 区域地质概况

陆丰凹陷为珠江口盆地北部坳陷带内部的一个次级单元,其东部和西部分别为韩江凹陷和惠州凹陷,是珠江口盆地重要的油气主产区[12-13]。陆丰凹陷由6个次一级洼陷构成,由南向北分别为陆丰15洼、陆丰13东洼、陆丰13西洼、陆丰7洼、惠州11洼和惠州5洼(图1a)[13-15]。陆丰13东洼、陆丰13西洼(合称陆丰13洼)勘探程度最高,浅、中、深层均有规模油气发现,其中古近系已发现储量超过1.2×108t。

图1 陆丰凹陷古近系凹陷结构及层序地层划分

研究区古近系自下而上可划分为文昌组、恩平组和珠海组,其中文昌组和恩平组为古近系油气勘探的主要层系。文昌组可进一步划分为6个段,恩平组可进一步划分为4个段(图1b)[15-16]。文昌组发育在前古近系基底之上,为Tg(对应56.0 Ma反射界面)和T80(对应38.0 Ma反射界面)之间沉积的地层,最大厚度超过3 000 m。文六段分布较为局限,主要发育近源扇三角洲沉积,物性相对较差;文五段沉积时期湖盆范围扩大,在湖盆斜坡区和长轴方向发育辫状河三角洲砂岩,可作为好的储层,向湖盆中心逐渐演变为滨浅湖相泥岩沉积;文四段沉积时期湖盆广泛扩张,面积达到最大,为半深湖相沉积,泥岩质纯、厚度大,为文昌组优质烃源岩,洼陷整体为欠补偿环境,三角洲规模受限,在湖盆边缘发育湖相泥岩中夹杂重力流砂岩沉积;文三段-文一段湖水深度相对变浅,物源向湖盆推进较远,形成具有一定规模的辫状河三角洲沉积体系。恩平组地层介于T80与T70(对应33.9 Ma反射界面)之间,与下伏文昌组之间发育区域大型不整合,在局部隆起区恩平组直接超覆在基底之上,恩平组物源供给充足,为大型辫状河三角洲沉积,发育良好的储层(图1b)[15-17]。

陆丰凹陷文四段厚层泥岩为优质烃源岩,在10.0 Ma左右开始进入排烃高峰,现今凹陷内文昌组烃源岩处于高熟热演化阶段[18]。

2 构造演化及断裂发育特征

陆丰凹陷古近系构造演化可以分为3个阶段,即裂陷阶段(可细分为初始裂陷期、强烈裂陷期、弱裂陷期)、断坳转换阶段(可细分为断坳早期、断坳晚期)和坳陷阶段。裂陷阶段对应于文昌组沉积时期,在此阶段,盆地发生了多次断陷拉升运动,断裂密集发育,断裂主要为NWW、NW走向。珠江口盆地自珠琼二幕运动开始进入断坳转换阶段,对应于恩平组沉积时期,该时期地层抬升并受到强烈剥蚀,断裂走向以EW向为主。进入坳陷阶段的标志为南海运动开始,该阶段以区域沉降为主,地层稳定沉积,断裂活动性减弱[19-20]。

根据断裂活动强度大小、活动时间长短以及断穿层位差别等,可将研究区内断裂划分为3个级别(图2、图3)[21-23]。

图2 陆丰凹陷不同级别断裂的分布特征

图3 陆丰凹陷不同级别断裂的发育特征(剖面位置见图1)

Ⅰ级断裂为洼陷边缘控制洼陷形成和演化的断裂。研究区内Ⅰ级断裂为控制陆丰13东洼、陆丰13西洼形成的控洼断裂,走向主要为NE向、近EW和NWW向,断裂平面上延伸距离较长,超过30 km;断裂持续活动时间长、断穿层位多,文四段沉积时期断裂活动最强,断面形态主要为铲式。

Ⅱ级断裂为洼陷内部控制二级构造带形成和演化的断裂。研究区内Ⅱ级断裂主要在陆丰13洼缓坡带发育,断裂走向主要为NE向、NWW和EW向,受北部边界断裂影响,总体表现为向南凸出弧形,延伸长度多在10 km以上,断裂持续活动时间略短于Ⅰ级断裂,断穿层位多由基底向上在珠江组沉积后停止活动。研究区内Ⅱ级断裂多数在主成藏期停止活动,勘探实践证实这些断裂可以作为油气运移的优势通道。

Ⅲ级断裂为洼陷内部早期活动断裂,主要起分隔断块和控藏作用。研究区内Ⅲ级断裂延伸长度小,走向与边界断裂走向基本一致,断穿层位主要为文昌组和恩平组,断距较小。平面上为平行式或侧接式组合样式,剖面上呈向心式或“Y”字形组合样式。Ⅲ级断裂向下切割文四段烃源岩,向上断穿文一段-文三段及恩平组砂岩,尽管持续时间短,但勘探实践证实该类断裂具有沟通文四段烃源岩的能力,并在文一段-文三段及恩平组圈闭中聚集成藏,为研究区内重要的油源断裂。

3 断裂控藏作用影响因素

近年来,围绕陆丰13洼生烃中心发现了D-4、D-8、B-1等以古近系为主要成藏层系的油田[13,20,23],呈现环洼满带含油的特征。研究区断裂大多在T70前后停止活动,勘探实践证实这些断裂对油气成藏发挥了关键控制作用,因此,研究这些断裂的控藏作用,对认识陆丰地区古近系油气差异富集主控因素至关重要。本文以断裂运移过程为主线,从断裂供油能力、断裂输导能力、充注能力三个方面综合分析断裂的控藏作用。

3.1 断源切割关系决定供油能力

断裂供油能力取决于断裂与烃源岩侧向接触的供油窗口面积的大小,断裂切割烃源岩面积越大供油能力越强,反之供油能力越弱[24]。考虑到断裂在不同位置切割烃源岩深度的不同,将断裂分成若干段,计算每一段的断裂与烃源岩接触面积来表征供油能力,供油能力表达式为:

Si=LiH1i

(1)

式中:Si为供油能力,km2;Li为断裂平面上分段长度,km;H1i为断裂与烃源岩接触的纵向长度,km;i为所评价分段断层的自定义序号。

对陆丰13洼已发现的8个含油断块的控藏断裂切源面积进行分析,结果表明,控藏断裂的有效切源面积越大,对应构造发现的储量丰度也越大,控藏断裂切源面积与储量丰度呈现正相关关系(图4)。B-1-1、D-8-2d两口井所在的含油断块构造位置相近(图2),前者主要受控于F2、F3两条通源断裂,后者主要受控于F1、F4两条通源断裂,四条断裂均是Ⅲ级断裂,具有相近的成藏特征。利用供油能力计算公式计算得到两个断块通源断裂切割烃源岩面积差异较大,前者通源断裂有效切源面积为1.77 km2,其油气储量丰度为90.0×104t/km2,后者通源断裂有效切源面积为2.84 km2,其油气储量丰度为 247.0×104t/km2。

图4 陆丰13洼油田控藏断裂切源面积与储量丰度关系

3.2 断砂匹配关系控制输导能力

根据断裂输导油气机理,断裂的输导能力受断裂带的闭合程度和断裂带中泥质含量这两个因素的影响[25-32]。陆丰13洼古近系通源断裂主要为Ⅱ级和Ⅲ级断裂,在主成藏期(对应T32反射层)这些通源断裂处于静止状态(图3)。付广针对静止期断裂输导能力进行了物理模拟实验,其结果在一定程度上定量地反映断裂静止期输导油气的能力,断裂带内部原油的运移速度与断裂带内泥质含量呈负相关关系,与断层倾角呈正相关关系[27-30]。考虑到陆丰凹陷实际地质情况,断裂的输导能力可用断面正压力和断裂带泥质含量这两个参数来表示。

断面正压力大小可反映断裂带受压实程度,其大小与断面埋深和断面倾角相关,断面正压力越小,断层垂向输导能力就越好。根据经验公式,断面正压力表达式为[32]：

Pi=0.009 876H2i(ρr-ρw)cosθ

(2)

式中:Pi为断面所受上覆地层正压力,MPa;H2i为断裂目的层段埋藏中深,m;ρr为上覆地层的平均密度,t/m3;ρw为地层水的密度,t/m3;θ为断层倾角,(°)。

由式(2)可以看出,断层倾角越大,断面正压力越小,所对应的断裂带闭合程度越低,断层输导能力越好;反之,断层输导能力越差。

断裂带中泥质成分含量越低,断裂带孔渗性就越好,越有利于油气沿着断裂带运移[27]。根据经验公式,断裂带中泥质含量表达式为:

(3)

式中:Ri为断裂带泥质含量,%;L1i为垂直断距,m;Vsh为目的层的泥质含量,%;H3i断层两盘目的层的平均厚度,m。

从式(3)可以看出,该方法利用断裂断距和断移地层泥质含量估算断裂碎裂岩中的泥质含量。Ri的值能够较好地反映断裂带内部泥质含量,既考虑断裂两盘的岩性,又考虑了断层断距的影响[27-29]。

断裂带泥质含量越低,断面正压力越小,断裂的输导能力越强,输导能力与断面正压力和断裂带泥质含量分别呈负相关关系,利用二者乘积的倒数表征输导能力,计算公式为:

(4)

式中:Fi为断裂输导能力,无量纲。

利用上述公式定量计算陆丰13洼通源断裂输导能力的过程中,断面正压力公式中涉及的地层埋深取目的层与烃源岩顶面埋藏中深,地层水密度及上覆地层平均密度根据地区经验值得到,地层倾角利用地震剖面信息计算得到,断裂带泥质含量公式中地层泥质含量从研究目标区周边已钻井获得,断层两盘平均厚度及垂直断距数据从地震剖面上获得。将断面正压力值和断裂带泥质含量值带入断裂输导能力计算公式,计算结果表明,断裂输导能力一般为0～0.10,断裂输导能力高值段,断裂输导能力强,有利于油气纵向输导。以F5和F7断裂为例,F5断裂的输导能力平均值为0.04,对应构造储量丰度为20.0×104t/km2;F7断裂输导能力平均值为0.07,对应构造储量丰度为231.0×104t/km2。F5断裂输导能力差是导致其储量丰度相对于其他断块较低的重要因素之一(图5)。

图5 断裂输导能力与储量丰度关系

3.3 断圈接触关系决定充注能力

充注能力是指断裂输导的油气向圈闭聚集的能力,断裂横向上与圈闭接触长度(断圈接触长度)越长,断裂的输导能力越强,断裂输导上来的油气向圈闭充注能力越强。一条断裂在平面上往往延伸很长,通过其运移的油气可能不会都向某个特定圈闭汇聚,利用断层不同段的输导能力与断圈接触长度的积表征充注能力。充注能力表达式为:

Ci=LiFi

(5)

式中:Ci为充注能力,无量纲。

从式(5)可以看出,断裂向圈闭的充注能力与断圈接触长度和断裂输导能力有关,断圈接触长度越长,断裂输导能力越强,越有利于油气向圈闭汇聚。

3.4 耦合系数与储量丰度预测模型

将上述供油能力、输导能力、充注能力公式耦合,可得到断裂控藏作用综合评价表征模型,表达式为:

(6)

式中:K为断裂控藏作用能力耦合系数,无量纲;n为所评价断层的分段总数。

从式(6)所涉及的参数可知,该公式综合考虑了断距、地层厚度、地层泥质含量、地层倾角、埋深、断裂与圈闭接触关系等因素,能够综合反映断裂控藏作用,K值越大表示成藏越有利。

4 评价方法的应用

应用断裂控藏作用综合评价模型公式对陆丰13洼古近系断块油田和含油构造的断裂控藏能力进行评价,并建立断裂控藏能力耦合系数与储量丰度之间的函数关系,二者之间表现出较好的正相关关系(图6),断裂控藏作用能力值越大,油田发现的油气储量丰度越大,该拟合结果能够反映陆丰地区古近系断裂控藏能力与储量丰度之间的关系。

图6 断裂控藏作用能力与储量丰度拟合关系

该方法在C-1油田滚动勘探中取得了较好的应用效果。C-1油田位于珠江口盆地北部坳陷带东北部,是发育在北部坳陷带基底隆起上的背斜构造[33]。该油田于1993年投产,滚动勘探过程中,在东北部钻探了C-1N-1井、C-1NE-1井两口井(图7),这两口井均仅见几米油层,未达到预期效果,这使得该地区勘探一度陷入僵局。在新一轮的滚动评价过程中,利用本文所建立的断裂控藏作用定量评价方法对路径2和已有钻井路径1断裂控藏作用能力进行对比分析。从分析结果看(表1),路径2主要通源断裂的供油能力、输导能力以及充注能力均优于路径1。计算得到耦合系数K值分别为60.07和6.25,利用储量丰度综合预测模型预测路径2和路径1上断块圈闭的储量丰度分别为894.0×104t/km2和5.3×104t/km2。

表1 路径1与路径2定量评价统计结果

图7 C-1油田恩平组顶面构造图

实钻结果证实,路径2上的C-9-1井于古近系见油气显示121 m,油层净厚50.5 m,同时与其邻近的C-8-1井于古近系见油气显示131.0 m,油层净厚22.8 m,两个构造共发现原油三级地质储量超过3 000×104t,证实了路径2的有效性,同时也揭示了油气主要是通过路径2运移到C-1油田成藏。

5 结论

1)根据断裂活动强度大小、活动时间长短以及断穿层位差别等因素,结合研究区的地质情况,对洼陷内断层划分为3个级别,控制陆丰13东洼古近系成藏的断裂主要为Ⅱ级和Ⅲ级断裂。

2)综合多因素对断裂的控藏作用进行分析,结果表明断源切割关系决定供油能力、断砂匹配关系控制输导能力、断圈接触关系决定充注能力,并利用三者定量化耦合结果来定量表征断裂控藏作用能力。

3)建立了断裂控藏作用能力定量化预测储量丰度公式,并在定量评价方法的指导下发现了一个中型油田(C-9油田),表明该定量评价方法符合陆丰地区实际地质规律。在实际应用中,该方法既可以用来对比不同勘探目标区的断裂供油能力、输导能力和充注能力的强弱,也可以利用拟合公式在众多复杂断块圈闭中高效寻找油气富集断块,从而有效提高油气区带和钻探靶区的选择精度,为提高油气勘探的钻探成功率提供技术支撑。