2003年7月地 质 科 学CHI NESE JOURNA L OF GE O LOGY 38(3) :413—424
叠合盆地断裂上、下盘油气差异
聚集效应及成因机理3
庞雄奇 罗 群 姜振学 白国平 王英民
(石油大学油气成藏机理教育部重点实验室北京 102249)
摘 要 断裂沟通叠合盆地不同层位、不同时代的烃源岩和生储盖组合, 成为连接烃源岩和各种圈闭的重要渠道, 导致形成了多种类型与断裂有关的油气藏。断裂上、下盘油气聚集差异现象十分普遍。通过剖析松辽盆地、柴达木盆地典型断裂带油气藏成藏条件, 认为其根本原因是由于断裂上、下盘具有不同的地质特征和油气运聚成藏条件, 它们往往具有互为消长的关系。油气富集在断裂的上盘还是聚集在断裂的下盘, 主要取决于:断裂的作用, 断距与储、盖层的厚度关系, 断裂倾角, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数, 断裂形成或活动时期与主力烃源岩排烃高峰时期的关系等8个主要因素。
关键词 叠合盆地 断裂上、下盘 油气聚集 松辽盆地 柴达木盆地
近年来, 断裂对油气成藏的重要控制作用已为大家所公认, 具体表现为:断裂对含油气盆地的控制(曹成润,1996; 郭占谦,1996; 罗群等,1998) , 断裂对烃源岩的控制和断裂对油气运聚成藏的控制(张文华,1994; 王顺玉,1997; 张树林等,1997; 孙义梅,2001) , 断裂对保存条件及油气藏分布的控制。但对一个具体的断裂油气聚集带, 油气主要富集在断裂的什么部位(这是圈闭的重要渠道) , 却很少有人研究。实际上, 断裂将不同成因特征的叠合盆地联系在一起, 成为沟通不同层位、不同时代的烃源岩和生储盖组合的通道, 导致形成了多种类型与断裂有关的油气藏。统计表明, 这些油气藏要么主要分布在断裂的上盘, 或者主要分布在断裂的下盘, 断裂上、下盘油气差异聚集现象和规律比较普遍。本文要探讨的问题是:什么原因导致这种差异现象的存在? 控制断裂上、下盘油气聚集的主要因素是什么? 断裂上、下盘油气运聚成藏的机理又是什么?
1 叠合盆地断裂活动的特点及油气地质意义
我国独特的大地构造位置和区域地质演化历史, 决定了断裂活动及其对构造、沉积的明显控制作用, 成为叠合盆地的重要特征, 从而也决定了断裂对叠合盆地油气的生、运、聚、散和分布具有重要的控制作用。
(1) 叠合盆地的断裂大多具有长期、多期的活动特点
叠合盆地在其演化过程中由于受长期、多次不同规模构造运动的影响, 不仅不断产生不同类型、不同规模的断裂, 更重要的是使先期存在的断裂不断地被激活而重新活动, 这为盆地中油气沿断裂的长期、多期次运移提供了通道条件。
3国家重大基础研究(973) 项目(G 19990433) 资助。
庞雄奇,1961年8月生, 教授, 石油地质学专业。
298地 质 科 学2003年(2) 叠合盆地的断裂制约多种类型圈闭的形成
勘探和研究表明, 我国东、西部叠合盆地中受断裂控制或与断裂有关的圈闭(或油气藏) 极为普遍, 据统计, 这类圈闭(或油气藏) 占80%以上。断裂的存在和活动, 不仅为绝大多数与断裂有关的各种圈闭的形成提供了条件并奠定了基础, 而且控制了它们的形成和展布。
(3) 叠合盆地中沟通不同构造层的大断裂拓展了油气聚集的空间
叠合盆地中发育于不同构造层的大断裂, 纵向上沟通了不同层次、不同深度的生储盖组合。断裂将不同部位的烃源岩中的油气向上、向下运移至不同构造层的储层中, 从而在纵向上形成跨度可以很大的多个(种) 生储盖组合。塔里木盆地轮南断裂纵向上沟通深部奥陶系烃源岩和浅层三叠系储、盖层, 从而形成了泥盆系、石炭2二叠系和三叠系多层系油气藏。
正是由于以上特点, 断裂油气藏成为中国叠合盆地的主要油气藏类型之一。但对一个具体的控油断裂来说, 油气是富集在断裂的上盘还是下盘, 会因断裂所处的地质条件和环境的不同而不同。下面解剖几个断裂油气藏的分布和成因, 以总结断裂上、下盘油气聚集成藏的条件和规律。
2 断裂上、下盘油气差异聚集效应与成因分析
勘探表明, 同一条断裂, 油气在其上、下盘聚集是不均衡的, 往往是在某盘上特别富集体, 而另一盘不富集甚至没有油气聚集。由于断裂上、下盘具有明显不同的油气运聚成藏和圈闭条件, 上、下盘都很富集的情况非常少见。下面分析我国东、西部不同性质的两个典型叠合盆地———松辽盆地和柴达木盆地的断裂油气藏聚集成藏的例子。
2. 1 松辽盆地大庆长垣以西断层倾向盘天然气聚集效应与成因分析
松辽盆地是位于我国东部的拉张型叠合盆地, 在其中部的大庆长垣以西, 包括齐家—古龙凹陷、龙虎泡—大安阶地和泰康隆起, 发现了阿拉新、二站、白音诺勒、新店、龙南和金腾等6个气田, 敖古拉、太和、英19井区、大安、茂兴和他拉红6个气区。
为了探索本区天然气分布规律, 分层位对不同类型的构造(背斜、断裂带、鞍部等) 上的气田、工业气流井进行统计。结果发现:70%以上的气田和工业气流井分布在断裂带上, 而且都位于断层的倾向盘(即断层的上盘) 上, 即所谓的断层倾向盘天然气聚集效应。下面以敖古拉—他拉哈断裂带为例说明断层倾向盘天然气运聚成藏的机理。
该断裂带北起于泰康东5km , 南止于哈拉海20km 处, 总体走向NE10°～30°, 延伸长度106km , 纵向上切穿了侏罗系(J ) 、白垩系(K ) 两个构造层, 目前发现的新店、敖古拉、英19井区、太和等气田和哈2、塔222、哈10井等工业气流井都位于该断裂带的断层倾向盘上, 产气层位都是萨(尔图) 、葡(萄花) 和高(台子) 油层。根据该区石油地质条件综合分析, 造成这种效应的主要原因是以下2点。1) 断裂倾向盘一侧发育低幅度的逆牵引背斜:本区在嫩江组末期受到来自西部的挤压—压扭应力作用, 这不仅激活敖古拉—他拉哈断裂, 而且使断层西侧倾向盘地层在水平挤压力作用下沿断裂形成一系列低幅度的逆牵引背斜, 为天然气聚集成藏提供了圈闭条件; 而断裂的下盘, 由于断裂的屏弊作用使来
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理299自西部的挤压应力难以传递到断裂东侧的下盘(背向盘) 地层, 使下盘地层变形微弱而难以形成有闭合度的构造圈闭。2) 泄压通道的存在是本断裂(带) 倾向盘聚气成藏的主要原因:嫩江组沉积前, 由于敖古拉—他拉哈断裂带长期活动, 导致西部物源的萨、葡、高油层的砂体难以越过断裂带, 造成断裂带以东泥岩发育, 而砂岩欠发育。湖侵期巨厚的嫩江组泥岩地层形成了整个长垣以西地区的区域性盖层, 且断裂带中的大多数断裂向上消失在巨厚的嫩江组泥岩中。其结果是:断裂带以东因为泥岩发育、断裂封闭和巨厚的盖层而形成超压区, 流体难以流动, 且构造圈闭与砂体都不发育, 所以难以形成天然气运聚成藏的有利条件; 而断裂带以西, 萨、葡、高油层的砂体发育, 使本断裂以西地区成为一个开放系统, 西部边缘为泄压区, 使得萨、葡、高油层成为流体向西流动的泄压通道; 向南延伸与古龙凹陷连通的敖古拉—他拉哈断裂带长期活动, 其本身又是流体向北运移的通道, 这个通道与西边泄压通道连在一起, 使断裂带以西的中部组合(萨、葡、高油层) 成为一个巨大的泄压系统, 随着流体沿断裂向北、向上, 再沿萨、葡、高油层向西运移, 因深度变浅, 地层压力逐渐降低, 溶于流体中的天然气将释放出来而被倾向盘的逆牵引背斜捕集, 形成本区断裂倾向盘的天然气聚集效应。
敖古拉—他拉哈断裂带断层倾向盘天然气运聚成藏模式见图1
。
图1 松辽盆地敖古拉—他拉哈断裂带断层倾向盘天然气运聚成藏模式
Fig. 1 A m odel for gas migrating and accumulating in hanging wall of the Ougula 2T alaha fault belt , S ongliao Basin
2. 2 柴达木盆地断裂上、下盘油气差异聚集特征与成因分析
柴达木盆地是我国西部典型的挤压型叠合盆地, 断裂十分发育。以北部的菱间断裂和南部的XI 断裂为界, 形成了特征不同的北缘、中部和昆北3大断裂构造系统。勘探表明断裂对油气藏的形成与分布有重要的控制作用, 已发现的24个油气田, 有23个沿断裂展布。在不同的断裂构造系统区, 油气藏分布的部位有不同的规律:昆北断裂系统中油
300地 质 科 学2003年气藏赋存在逆断裂上盘, 中部断裂系统区油气藏位于两条相向而倾的逆断裂的共同上盘, 而北缘断裂系统中油气藏位于主控断裂的下盘圈闭之中(图2)
。
图2 柴达木盆地昆北断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 2 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in
the N orth K unlun fault system , Qaidam Basin
(1) 昆北断裂系统中油气藏的位置及成因分析
昆北断裂系统中发育3个油气聚集带, 即受狮子沟—油砂山晚期浅层滑脱断裂控制的狮子沟—花土沟—油砂山油气聚集带; 受长期发育生长的红柳泉断裂控制的红柳泉—跃进一号(尕斯油田) 油气聚集带和受长期生长发育的阿拉尔断裂控制的砂西—跃进二号油气聚集带。油气藏均聚集在主断裂的上盘。
狮子沟—油砂山油气聚集带为受狮子沟—油砂山晚期滑脱逆断层控制的断滑背斜带, 位于滑脱断裂的上盘。滑脱断裂向北延伸入柴达木盆地主力生烃凹陷—茫崖凹陷, 为有利的油源断层。狮子沟—花土沟—油砂山断滑背斜带圈闭规模大, 闭合度高, 为油气聚集提供了有利的空间。
跃进一号构造是在盆地长期演化过程中受红柳泉断裂同沉积控制的断展背斜, 断裂下盘为有利的阿拉尔生排烃断陷, 有效烃源岩为渐新统上部钙质泥岩。红柳泉断裂既控制其上盘断展背斜的形成与发育, 也是控制其下盘渐新统上部烃源岩发育的重要因素, 同时也是渐新统上部烃源岩中的油气垂向、侧向运移的主要通道。
跃进二号油气藏位于阿拉尔断裂上盘的断展背斜圈闭中, 包括基岩风化壳油气藏、渐新统下部砂岩油气藏, 油源来自断层下盘的阿拉尔断陷, 阿拉尔断裂既是其上盘断展背斜形成发育的控制性断裂, 又是沟通其下盘阿拉尔生烃凹陷渐新统上部烃源岩的油源断裂。
(2) 中部断裂系统油气藏的位置及其成因分析
中部断裂系统区普遍发育两断夹一隆的构造样式(又称冲起构造) , 目前已发现的碱水泉、南翼山、尖顶山、开特来里克和油泉子等油气藏均位于两断夹一隆的冲起构造上,
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理301即位于两条相向而倾的逆断层共同的上盘背斜圈闭中。本区主力储层为渐新统上部和中新2上新统的裂缝泥岩, 渐新统上部钙质泥岩为主力烃源岩, 控制背斜圈闭的断裂同时也是沟通渐新统上部烃源岩和中新2上新统储盖层的油源断裂, 如南翼山和尖顶山油气藏(图3)
。
图3 柴达木盆地中部断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 3 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in the Central Qaidam fault system , Qaidam Basin 中部断裂系统区在盆地演化过程中由于同时受到来自北部祁连山构造系统和南部昆仑山构造系统的挤压力, 而在其先存基底断裂基础上发育受两条相向而倾的断裂控制的冲起构造, 它们位于两条控制性断裂的共同的上盘, 两侧断裂长期活动, 并沟通了下部的渐新统上部烃源岩和上部中新2上新统储盖层, 并在冲起构造中产生大量构造裂缝, 改善了储集条件。随着渐新统上部钙质泥岩烃源岩的成熟, 首先在渐新统上部地层中形成自生自储的原生裂缝油气藏, 由于两侧断裂长期多期活动, 一方面断层使其所控制的冲起构造圈闭发育定型, 同时也作为沟通中2浅层中新2上新统储盖圈闭和油源的断裂, 输导渐新统上部烃源岩或油气藏中的油气在中新2上新统圈闭中聚集形成次生油气藏。
(3) 北缘断裂系统区油气藏位置及其成因分析
北缘断裂系统区的油气藏主要位于冷湖—南八仙构造带上, 该构造带纵向上发育2套断裂, 即浅层的南倾滑脱断层和深层的北倾基底逆冲断层。目前发现的主要油气藏如冷湖四号、冷湖五号和南八仙等油气藏都位于浅层滑脱断裂的下盘古新统和中新2上新统断背斜圈闭中(图4) , 这正好与昆北地区油气藏主要位于滑脱断裂的上盘断滑背斜中相反。
冷湖四号、冷湖五号油气藏位于冷湖浅层南倾滑脱断裂的下盘, 古新2始新统、渐新统和中新统碎屑岩为主要储层, 下侏罗统湖相泥岩是优质源岩, 其深部的冷湖基底大断裂既是控制冷湖构造带的主控断裂, 又是沟通下侏罗统烃源岩与上部的古新2始新统、渐新统上部及中新2上新统储盖层的油源断裂, 而冷湖浅层滑脱断裂则为其下盘油气圈闭创造了良好的遮挡条件。
南八仙油气藏的结构和形成过程与冷湖四号和冷湖五号油气藏类似。发育的古新2始新统、渐新统和中新统等层位的油气藏位于浅层滑脱断裂下盘圈闭中, 深层下侏罗统湖相泥岩为主力烃源岩, 其排出的油气沿控制南八仙构造的基底北倾大断裂向上运移,
302地 质 科 学2003年
图4 柴达木盆地北缘断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 4 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in the N orth Qaidam fault system , Qaidam Basin 首先在深层(古新2始新统和渐新统) 的断展背斜圈闭中聚集, 形成原生油气藏, 第三纪末期挤压构造运动在南八仙断展背斜顶部产生南倾滑脱逆断层———仙北断裂, 破坏深层的原生油气藏, 油气沿滑脱断裂向上运移, 在中2浅层(中新2上新统) 滑脱断裂的下盘圈闭中聚集成藏, 浅层滑脱断裂为其下盘油气圈闭的遮挡断裂。
柴北缘断裂油气藏上、下盘油气差异聚集成因见图5
。
比较、总结柴达木盆地不同区域油气藏分布的位置及其成因可以发现:油气藏位于断裂的上盘还是下盘, 取决于断裂上、下盘具体的地质特征和油气运聚条件。昆北地区的狮子沟—油砂山油气聚集带的油气之所以聚集于狮子沟—油砂山浅层滑脱断裂的上盘, 是因为上盘发育有断滑背斜圈闭而下盘不发育圈闭, 且断裂本身向北伸入茫崖生烃
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理303凹陷的渐新统上部主力烃源岩之中, 为重要的油源断裂。北缘的冷湖—南八仙构造带的油气都位于浅层滑脱断裂的下盘, 上盘缺乏油气聚集, 是因为上盘地层沿断裂逆冲, 地层陡, 不具备圈闭条件, 且滑脱断裂本身不是油源断裂, 下盘发育基底断裂的断展背斜圈闭, 且又有基底断裂沟通深层下侏罗统的优质烃源岩的油气。昆北地区深层基底断裂上盘发育断展背斜圈闭, 基底断裂沟通深部渐新统上部油气源和上盘断展圈闭的储盖层, 为上盘聚集油气提供了良好的地质条件, 而基底断裂下盘不发育有利的构造圈闭, 故而油气即使沿断裂向上运移, 也难进入圈闭成藏。中部地区发育受2条基底大断裂控制的位于其共同上盘的冲起构造, 具良好的油气运聚、圈闭条件, 因而可形成油气聚集, 而断裂下盘地层弯曲变形弱, 难以与断裂匹配形成有效圈闭, 故很难有油气聚集。
3 断裂上、下盘油气聚集差异的原因
什么情况下断裂上盘易形成油气聚集, 什么情况下油气富集在断裂下盘? 制约断裂上、下盘油气差异聚集的主要控制因素是什么?
(1) 断裂上、下盘油气差异聚集成因初探
以上实例表明, 断裂上、下盘油气差异聚集的现象比较普遍, 究其原因, 是由断裂上、下盘具体地质条件所决定的。一般来说, 断裂上、下盘具有不同的油气成藏条件(表1) 。当上盘油气聚集条件优越时, 油气主要富集在上盘; 当下盘油气成藏条件优越时, 油气主要聚集在下盘。一般情况下不会出现同一断裂的上、下盘都富集油气的情况, 这可能是因为同一断裂上、下盘的油气运聚条件是互为消长的。比如, 对一条具体的断裂而言, 当它作为油源断裂时, 对其上盘圈闭捕集油气成藏是有利的, 同时必然对其下盘圈闭封堵油气成藏则是不利的, 反之亦然。因此, 同一条断裂的上、下盘往往具有较大差异的油气富集结果。对一条具体的断裂来讲, 油气藏是富集于它的上盘还是富集在下盘, 应具体问题具体分析。
表1 断裂上、下盘油气成藏条件(环境) 的差异
T able 1 Difference of petroleum accumulation conditions between hanging and lower walls of fault 油气运聚成藏条件
油气来源断裂上盘油气来自断裂的输导, 断裂是油气运移的
通道, 断裂作为油源断裂
相对较好, 常发育多种类型的与断裂相关
的构造圈闭, 构造幅度相对较大
断层圈闭因断裂具开启性而保存条件相对
较差
因褶皱相对强烈易在构造圈闭中产生构造
裂缝, 可改善储集条件
常压(开放) 系统断裂下盘油气来自断裂圈闭下倾方向的输导层或不整合面, 断裂只起遮挡作用, 而不作为油源断裂相对较差, 只能形成断鼻、断块等少数类型的圈闭, 且构造幅度相对较小封闭性较好, 保存条件较好圈闭条件保存条件储集条件压力系统褶皱相对平缓, 难形成构造裂缝往往形成封闭(高压) 系统
(2) 制约断裂上、下盘油气富集程度的主要控制因素(图6)
断裂的上、下盘具有不同的油气聚集条件(或环境) , 必然导致油气聚集程度的差异。
304地 质 科 学2003年
图6 影响断层上、下盘圈闭油气富集程度的主要因素
Fig. 6 M ain factors controlling petroleum accumulation in hanging or lower walls of fault
然而, 无论是断裂的上盘还是断裂的下盘, 要形成油气聚集, 仍然离不开生、储、盖、运、圈和保6大要素的时空有利的配置。那么, 影响断裂上、下盘圈闭油气聚集程度的主要因素有哪些呢? 通过总结松辽、胜利、柴达木和北部湾等盆地的含油气性、断裂油气藏基本特征并进行物理模拟实验, 认为断裂与区域盖层的关系, 断层的倾角, 断层下盘储、盖层厚度与断距的关系, 断裂是否为油源断裂, 断裂形成、活动时期及断层圈闭与主力烃源
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理305岩生排烃高峰时期的关系, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数等8个因素是控制断裂上、下盘油气富集程度的主要因素。图6总结了这些要素控制上、下盘油气聚集的情况。
4 结 论
(1) 断裂将不同成因特征的叠合盆地联系在一起, 成为沟通不同层位、不同时代烃源岩和生储盖组合、烃源岩和圈闭的重要渠道, 导致了多种类型的与断裂有关的油气藏的形成。
(2) 断裂上、下盘油气聚集差异现象十分普遍, 主要表现在要么油气主要富集在断裂上盘, 要么主要富集在下盘。上、下盘同时富集油气的情况非常少见。
(3) 断裂上、下盘油气差异聚集效应的根本原因是由于断裂上、下盘具有不同的地质特征和油气成藏条件, 它们往往具有互为消长的关系, 即上盘运聚条件好, 下盘就差, 反之亦然。
(4) 油气是富集在断裂的上盘, 还是聚集在断裂的下盘, 主要取决于:断裂的作用(是油源断裂还是遮挡断裂) , 断距与储、盖层的厚度关系, 断裂倾角, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数, 断裂形成、活动时期及断层圈闭与主力烃源岩排烃高峰时期的关系等8个主要因素。
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306地 质 科 学2003年ACCUMU LATING DIVERSIT Y AN D ITS MECHANISM BETWEEN
HANGING AN D LOWER WALLS OF FAU LT IN SUPERIMPOSE D BASIN
Pang X iongqi Luo Qun Jiang Zhenxue Bai G uoping Wang Y ingmin
(K ey Laboratory for Hydrocarbon Accumulation Mechanism , Ministry o f Education , University o f Petroleum , Beijing 102249)
Abstract
A fault should be an im portant channel between s ource rocks and traps , since it linked up both the varied layers , and s ource rocks with different ages and s ource 2reserv oir 2cap ass ociation in a su 2perim posed petroliferous basin , which resulted in creation of multy 2type petroleum accumulations re 2lated to faulting. The phenomenon of divergent accumulating between hanging and lower walls of fault was very comm on , because there were different geologic features , petroleum migrating and ac 2cumulating conditions in the hanging wall and the lower plate. By analyzing the S ongliao and Qaidam basins , it was discovered that petroleum accumulating in the upper or in the lower plates depending on the following factors :fault controlling roles , relationship between fault displacement and thickness of reserv oir and cap rocks , fault dipping angle , the numbers of s ource rocks or petroleum reserv oirs cut by fault under the regional cap rocks , relationship between faulting age and datings of hydrocarbon 2generating and squeezing.
K ey Words Superim posed basin , Hanging wall and lower wall of fault , Petroleum accumu 2lating , The S ongliao and Qaidam Basins
(上接第290页)
全书共32万字, 图364幅, 表62张, 公式483个。它们共分三部分十五章。第一章绪论概述“地质过程定量模拟”课题的性质与任务、研究的基本内容与工作特点、发展简史与趋向以及从事这一领域的工作或课题学习时需要注意的问题。第一部分为盆地的地质作用与模拟, 由第二章“盆地形成与演化模拟”、第三章“盆地沉积与充填”、第四章“盆地压实成岩与流压变化”、第五章“地层被剥蚀作用及其定量模拟”和第六章“盆地热流演化与古地温场恢复”组成。它较为系统地介绍了地质过程定量模拟的方法、原理和工作流程, 包括盆地形成与演化、盆地沉积与充填、盆地压实成岩作用与流压计算、地层剥蚀作用、盆地热流演化与古地温恢复等。第二部分为油气的地质过程与模拟, 由第七章“油气生成特征与模拟”、第八章“油气排运特征与模拟”、第九章“油气储集条件与评价”、第十章“盖层封油气能力定量模拟”、第十一章“油气运移作用定量模拟”和第十二章“油气成藏特征与模拟”组成。它详细阐述了含油气盆地油气生成、排出、运移、聚集等过程特征及其定量模拟的方法、原理和应用实例。第三部分为模拟系
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2003年7月地 质 科 学CHI NESE JOURNA L OF GE O LOGY 38(3) :413—424
叠合盆地断裂上、下盘油气差异
聚集效应及成因机理3
庞雄奇 罗 群 姜振学 白国平 王英民
(石油大学油气成藏机理教育部重点实验室北京 102249)
摘 要 断裂沟通叠合盆地不同层位、不同时代的烃源岩和生储盖组合, 成为连接烃源岩和各种圈闭的重要渠道, 导致形成了多种类型与断裂有关的油气藏。断裂上、下盘油气聚集差异现象十分普遍。通过剖析松辽盆地、柴达木盆地典型断裂带油气藏成藏条件, 认为其根本原因是由于断裂上、下盘具有不同的地质特征和油气运聚成藏条件, 它们往往具有互为消长的关系。油气富集在断裂的上盘还是聚集在断裂的下盘, 主要取决于:断裂的作用, 断距与储、盖层的厚度关系, 断裂倾角, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数, 断裂形成或活动时期与主力烃源岩排烃高峰时期的关系等8个主要因素。
关键词 叠合盆地 断裂上、下盘 油气聚集 松辽盆地 柴达木盆地
近年来, 断裂对油气成藏的重要控制作用已为大家所公认, 具体表现为:断裂对含油气盆地的控制(曹成润,1996; 郭占谦,1996; 罗群等,1998) , 断裂对烃源岩的控制和断裂对油气运聚成藏的控制(张文华,1994; 王顺玉,1997; 张树林等,1997; 孙义梅,2001) , 断裂对保存条件及油气藏分布的控制。但对一个具体的断裂油气聚集带, 油气主要富集在断裂的什么部位(这是圈闭的重要渠道) , 却很少有人研究。实际上, 断裂将不同成因特征的叠合盆地联系在一起, 成为沟通不同层位、不同时代的烃源岩和生储盖组合的通道, 导致形成了多种类型与断裂有关的油气藏。统计表明, 这些油气藏要么主要分布在断裂的上盘, 或者主要分布在断裂的下盘, 断裂上、下盘油气差异聚集现象和规律比较普遍。本文要探讨的问题是:什么原因导致这种差异现象的存在? 控制断裂上、下盘油气聚集的主要因素是什么? 断裂上、下盘油气运聚成藏的机理又是什么?
1 叠合盆地断裂活动的特点及油气地质意义
我国独特的大地构造位置和区域地质演化历史, 决定了断裂活动及其对构造、沉积的明显控制作用, 成为叠合盆地的重要特征, 从而也决定了断裂对叠合盆地油气的生、运、聚、散和分布具有重要的控制作用。
(1) 叠合盆地的断裂大多具有长期、多期的活动特点
叠合盆地在其演化过程中由于受长期、多次不同规模构造运动的影响, 不仅不断产生不同类型、不同规模的断裂, 更重要的是使先期存在的断裂不断地被激活而重新活动, 这为盆地中油气沿断裂的长期、多期次运移提供了通道条件。
3国家重大基础研究(973) 项目(G 19990433) 资助。
庞雄奇,1961年8月生, 教授, 石油地质学专业。
298地 质 科 学2003年(2) 叠合盆地的断裂制约多种类型圈闭的形成
勘探和研究表明, 我国东、西部叠合盆地中受断裂控制或与断裂有关的圈闭(或油气藏) 极为普遍, 据统计, 这类圈闭(或油气藏) 占80%以上。断裂的存在和活动, 不仅为绝大多数与断裂有关的各种圈闭的形成提供了条件并奠定了基础, 而且控制了它们的形成和展布。
(3) 叠合盆地中沟通不同构造层的大断裂拓展了油气聚集的空间
叠合盆地中发育于不同构造层的大断裂, 纵向上沟通了不同层次、不同深度的生储盖组合。断裂将不同部位的烃源岩中的油气向上、向下运移至不同构造层的储层中, 从而在纵向上形成跨度可以很大的多个(种) 生储盖组合。塔里木盆地轮南断裂纵向上沟通深部奥陶系烃源岩和浅层三叠系储、盖层, 从而形成了泥盆系、石炭2二叠系和三叠系多层系油气藏。
正是由于以上特点, 断裂油气藏成为中国叠合盆地的主要油气藏类型之一。但对一个具体的控油断裂来说, 油气是富集在断裂的上盘还是下盘, 会因断裂所处的地质条件和环境的不同而不同。下面解剖几个断裂油气藏的分布和成因, 以总结断裂上、下盘油气聚集成藏的条件和规律。
2 断裂上、下盘油气差异聚集效应与成因分析
勘探表明, 同一条断裂, 油气在其上、下盘聚集是不均衡的, 往往是在某盘上特别富集体, 而另一盘不富集甚至没有油气聚集。由于断裂上、下盘具有明显不同的油气运聚成藏和圈闭条件, 上、下盘都很富集的情况非常少见。下面分析我国东、西部不同性质的两个典型叠合盆地———松辽盆地和柴达木盆地的断裂油气藏聚集成藏的例子。
2. 1 松辽盆地大庆长垣以西断层倾向盘天然气聚集效应与成因分析
松辽盆地是位于我国东部的拉张型叠合盆地, 在其中部的大庆长垣以西, 包括齐家—古龙凹陷、龙虎泡—大安阶地和泰康隆起, 发现了阿拉新、二站、白音诺勒、新店、龙南和金腾等6个气田, 敖古拉、太和、英19井区、大安、茂兴和他拉红6个气区。
为了探索本区天然气分布规律, 分层位对不同类型的构造(背斜、断裂带、鞍部等) 上的气田、工业气流井进行统计。结果发现:70%以上的气田和工业气流井分布在断裂带上, 而且都位于断层的倾向盘(即断层的上盘) 上, 即所谓的断层倾向盘天然气聚集效应。下面以敖古拉—他拉哈断裂带为例说明断层倾向盘天然气运聚成藏的机理。
该断裂带北起于泰康东5km , 南止于哈拉海20km 处, 总体走向NE10°～30°, 延伸长度106km , 纵向上切穿了侏罗系(J ) 、白垩系(K ) 两个构造层, 目前发现的新店、敖古拉、英19井区、太和等气田和哈2、塔222、哈10井等工业气流井都位于该断裂带的断层倾向盘上, 产气层位都是萨(尔图) 、葡(萄花) 和高(台子) 油层。根据该区石油地质条件综合分析, 造成这种效应的主要原因是以下2点。1) 断裂倾向盘一侧发育低幅度的逆牵引背斜:本区在嫩江组末期受到来自西部的挤压—压扭应力作用, 这不仅激活敖古拉—他拉哈断裂, 而且使断层西侧倾向盘地层在水平挤压力作用下沿断裂形成一系列低幅度的逆牵引背斜, 为天然气聚集成藏提供了圈闭条件; 而断裂的下盘, 由于断裂的屏弊作用使来
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理299自西部的挤压应力难以传递到断裂东侧的下盘(背向盘) 地层, 使下盘地层变形微弱而难以形成有闭合度的构造圈闭。2) 泄压通道的存在是本断裂(带) 倾向盘聚气成藏的主要原因:嫩江组沉积前, 由于敖古拉—他拉哈断裂带长期活动, 导致西部物源的萨、葡、高油层的砂体难以越过断裂带, 造成断裂带以东泥岩发育, 而砂岩欠发育。湖侵期巨厚的嫩江组泥岩地层形成了整个长垣以西地区的区域性盖层, 且断裂带中的大多数断裂向上消失在巨厚的嫩江组泥岩中。其结果是:断裂带以东因为泥岩发育、断裂封闭和巨厚的盖层而形成超压区, 流体难以流动, 且构造圈闭与砂体都不发育, 所以难以形成天然气运聚成藏的有利条件; 而断裂带以西, 萨、葡、高油层的砂体发育, 使本断裂以西地区成为一个开放系统, 西部边缘为泄压区, 使得萨、葡、高油层成为流体向西流动的泄压通道; 向南延伸与古龙凹陷连通的敖古拉—他拉哈断裂带长期活动, 其本身又是流体向北运移的通道, 这个通道与西边泄压通道连在一起, 使断裂带以西的中部组合(萨、葡、高油层) 成为一个巨大的泄压系统, 随着流体沿断裂向北、向上, 再沿萨、葡、高油层向西运移, 因深度变浅, 地层压力逐渐降低, 溶于流体中的天然气将释放出来而被倾向盘的逆牵引背斜捕集, 形成本区断裂倾向盘的天然气聚集效应。
敖古拉—他拉哈断裂带断层倾向盘天然气运聚成藏模式见图1
。
图1 松辽盆地敖古拉—他拉哈断裂带断层倾向盘天然气运聚成藏模式
Fig. 1 A m odel for gas migrating and accumulating in hanging wall of the Ougula 2T alaha fault belt , S ongliao Basin
2. 2 柴达木盆地断裂上、下盘油气差异聚集特征与成因分析
柴达木盆地是我国西部典型的挤压型叠合盆地, 断裂十分发育。以北部的菱间断裂和南部的XI 断裂为界, 形成了特征不同的北缘、中部和昆北3大断裂构造系统。勘探表明断裂对油气藏的形成与分布有重要的控制作用, 已发现的24个油气田, 有23个沿断裂展布。在不同的断裂构造系统区, 油气藏分布的部位有不同的规律:昆北断裂系统中油
300地 质 科 学2003年气藏赋存在逆断裂上盘, 中部断裂系统区油气藏位于两条相向而倾的逆断裂的共同上盘, 而北缘断裂系统中油气藏位于主控断裂的下盘圈闭之中(图2)
。
图2 柴达木盆地昆北断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 2 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in
the N orth K unlun fault system , Qaidam Basin
(1) 昆北断裂系统中油气藏的位置及成因分析
昆北断裂系统中发育3个油气聚集带, 即受狮子沟—油砂山晚期浅层滑脱断裂控制的狮子沟—花土沟—油砂山油气聚集带; 受长期发育生长的红柳泉断裂控制的红柳泉—跃进一号(尕斯油田) 油气聚集带和受长期生长发育的阿拉尔断裂控制的砂西—跃进二号油气聚集带。油气藏均聚集在主断裂的上盘。
狮子沟—油砂山油气聚集带为受狮子沟—油砂山晚期滑脱逆断层控制的断滑背斜带, 位于滑脱断裂的上盘。滑脱断裂向北延伸入柴达木盆地主力生烃凹陷—茫崖凹陷, 为有利的油源断层。狮子沟—花土沟—油砂山断滑背斜带圈闭规模大, 闭合度高, 为油气聚集提供了有利的空间。
跃进一号构造是在盆地长期演化过程中受红柳泉断裂同沉积控制的断展背斜, 断裂下盘为有利的阿拉尔生排烃断陷, 有效烃源岩为渐新统上部钙质泥岩。红柳泉断裂既控制其上盘断展背斜的形成与发育, 也是控制其下盘渐新统上部烃源岩发育的重要因素, 同时也是渐新统上部烃源岩中的油气垂向、侧向运移的主要通道。
跃进二号油气藏位于阿拉尔断裂上盘的断展背斜圈闭中, 包括基岩风化壳油气藏、渐新统下部砂岩油气藏, 油源来自断层下盘的阿拉尔断陷, 阿拉尔断裂既是其上盘断展背斜形成发育的控制性断裂, 又是沟通其下盘阿拉尔生烃凹陷渐新统上部烃源岩的油源断裂。
(2) 中部断裂系统油气藏的位置及其成因分析
中部断裂系统区普遍发育两断夹一隆的构造样式(又称冲起构造) , 目前已发现的碱水泉、南翼山、尖顶山、开特来里克和油泉子等油气藏均位于两断夹一隆的冲起构造上,
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理301即位于两条相向而倾的逆断层共同的上盘背斜圈闭中。本区主力储层为渐新统上部和中新2上新统的裂缝泥岩, 渐新统上部钙质泥岩为主力烃源岩, 控制背斜圈闭的断裂同时也是沟通渐新统上部烃源岩和中新2上新统储盖层的油源断裂, 如南翼山和尖顶山油气藏(图3)
。
图3 柴达木盆地中部断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 3 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in the Central Qaidam fault system , Qaidam Basin 中部断裂系统区在盆地演化过程中由于同时受到来自北部祁连山构造系统和南部昆仑山构造系统的挤压力, 而在其先存基底断裂基础上发育受两条相向而倾的断裂控制的冲起构造, 它们位于两条控制性断裂的共同的上盘, 两侧断裂长期活动, 并沟通了下部的渐新统上部烃源岩和上部中新2上新统储盖层, 并在冲起构造中产生大量构造裂缝, 改善了储集条件。随着渐新统上部钙质泥岩烃源岩的成熟, 首先在渐新统上部地层中形成自生自储的原生裂缝油气藏, 由于两侧断裂长期多期活动, 一方面断层使其所控制的冲起构造圈闭发育定型, 同时也作为沟通中2浅层中新2上新统储盖圈闭和油源的断裂, 输导渐新统上部烃源岩或油气藏中的油气在中新2上新统圈闭中聚集形成次生油气藏。
(3) 北缘断裂系统区油气藏位置及其成因分析
北缘断裂系统区的油气藏主要位于冷湖—南八仙构造带上, 该构造带纵向上发育2套断裂, 即浅层的南倾滑脱断层和深层的北倾基底逆冲断层。目前发现的主要油气藏如冷湖四号、冷湖五号和南八仙等油气藏都位于浅层滑脱断裂的下盘古新统和中新2上新统断背斜圈闭中(图4) , 这正好与昆北地区油气藏主要位于滑脱断裂的上盘断滑背斜中相反。
冷湖四号、冷湖五号油气藏位于冷湖浅层南倾滑脱断裂的下盘, 古新2始新统、渐新统和中新统碎屑岩为主要储层, 下侏罗统湖相泥岩是优质源岩, 其深部的冷湖基底大断裂既是控制冷湖构造带的主控断裂, 又是沟通下侏罗统烃源岩与上部的古新2始新统、渐新统上部及中新2上新统储盖层的油源断裂, 而冷湖浅层滑脱断裂则为其下盘油气圈闭创造了良好的遮挡条件。
南八仙油气藏的结构和形成过程与冷湖四号和冷湖五号油气藏类似。发育的古新2始新统、渐新统和中新统等层位的油气藏位于浅层滑脱断裂下盘圈闭中, 深层下侏罗统湖相泥岩为主力烃源岩, 其排出的油气沿控制南八仙构造的基底北倾大断裂向上运移,
302地 质 科 学2003年
图4 柴达木盆地北缘断裂系统区油气运聚模式与油气藏位置
Fig. 4 A m odel for petroleum migrating , accumulating and distribution in the N orth Qaidam fault system , Qaidam Basin 首先在深层(古新2始新统和渐新统) 的断展背斜圈闭中聚集, 形成原生油气藏, 第三纪末期挤压构造运动在南八仙断展背斜顶部产生南倾滑脱逆断层———仙北断裂, 破坏深层的原生油气藏, 油气沿滑脱断裂向上运移, 在中2浅层(中新2上新统) 滑脱断裂的下盘圈闭中聚集成藏, 浅层滑脱断裂为其下盘油气圈闭的遮挡断裂。
柴北缘断裂油气藏上、下盘油气差异聚集成因见图5
。
比较、总结柴达木盆地不同区域油气藏分布的位置及其成因可以发现:油气藏位于断裂的上盘还是下盘, 取决于断裂上、下盘具体的地质特征和油气运聚条件。昆北地区的狮子沟—油砂山油气聚集带的油气之所以聚集于狮子沟—油砂山浅层滑脱断裂的上盘, 是因为上盘发育有断滑背斜圈闭而下盘不发育圈闭, 且断裂本身向北伸入茫崖生烃
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理303凹陷的渐新统上部主力烃源岩之中, 为重要的油源断裂。北缘的冷湖—南八仙构造带的油气都位于浅层滑脱断裂的下盘, 上盘缺乏油气聚集, 是因为上盘地层沿断裂逆冲, 地层陡, 不具备圈闭条件, 且滑脱断裂本身不是油源断裂, 下盘发育基底断裂的断展背斜圈闭, 且又有基底断裂沟通深层下侏罗统的优质烃源岩的油气。昆北地区深层基底断裂上盘发育断展背斜圈闭, 基底断裂沟通深部渐新统上部油气源和上盘断展圈闭的储盖层, 为上盘聚集油气提供了良好的地质条件, 而基底断裂下盘不发育有利的构造圈闭, 故而油气即使沿断裂向上运移, 也难进入圈闭成藏。中部地区发育受2条基底大断裂控制的位于其共同上盘的冲起构造, 具良好的油气运聚、圈闭条件, 因而可形成油气聚集, 而断裂下盘地层弯曲变形弱, 难以与断裂匹配形成有效圈闭, 故很难有油气聚集。
3 断裂上、下盘油气聚集差异的原因
什么情况下断裂上盘易形成油气聚集, 什么情况下油气富集在断裂下盘? 制约断裂上、下盘油气差异聚集的主要控制因素是什么?
(1) 断裂上、下盘油气差异聚集成因初探
以上实例表明, 断裂上、下盘油气差异聚集的现象比较普遍, 究其原因, 是由断裂上、下盘具体地质条件所决定的。一般来说, 断裂上、下盘具有不同的油气成藏条件(表1) 。当上盘油气聚集条件优越时, 油气主要富集在上盘; 当下盘油气成藏条件优越时, 油气主要聚集在下盘。一般情况下不会出现同一断裂的上、下盘都富集油气的情况, 这可能是因为同一断裂上、下盘的油气运聚条件是互为消长的。比如, 对一条具体的断裂而言, 当它作为油源断裂时, 对其上盘圈闭捕集油气成藏是有利的, 同时必然对其下盘圈闭封堵油气成藏则是不利的, 反之亦然。因此, 同一条断裂的上、下盘往往具有较大差异的油气富集结果。对一条具体的断裂来讲, 油气藏是富集于它的上盘还是富集在下盘, 应具体问题具体分析。
表1 断裂上、下盘油气成藏条件(环境) 的差异
T able 1 Difference of petroleum accumulation conditions between hanging and lower walls of fault 油气运聚成藏条件
油气来源断裂上盘油气来自断裂的输导, 断裂是油气运移的
通道, 断裂作为油源断裂
相对较好, 常发育多种类型的与断裂相关
的构造圈闭, 构造幅度相对较大
断层圈闭因断裂具开启性而保存条件相对
较差
因褶皱相对强烈易在构造圈闭中产生构造
裂缝, 可改善储集条件
常压(开放) 系统断裂下盘油气来自断裂圈闭下倾方向的输导层或不整合面, 断裂只起遮挡作用, 而不作为油源断裂相对较差, 只能形成断鼻、断块等少数类型的圈闭, 且构造幅度相对较小封闭性较好, 保存条件较好圈闭条件保存条件储集条件压力系统褶皱相对平缓, 难形成构造裂缝往往形成封闭(高压) 系统
(2) 制约断裂上、下盘油气富集程度的主要控制因素(图6)
断裂的上、下盘具有不同的油气聚集条件(或环境) , 必然导致油气聚集程度的差异。
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图6 影响断层上、下盘圈闭油气富集程度的主要因素
Fig. 6 M ain factors controlling petroleum accumulation in hanging or lower walls of fault
然而, 无论是断裂的上盘还是断裂的下盘, 要形成油气聚集, 仍然离不开生、储、盖、运、圈和保6大要素的时空有利的配置。那么, 影响断裂上、下盘圈闭油气聚集程度的主要因素有哪些呢? 通过总结松辽、胜利、柴达木和北部湾等盆地的含油气性、断裂油气藏基本特征并进行物理模拟实验, 认为断裂与区域盖层的关系, 断层的倾角, 断层下盘储、盖层厚度与断距的关系, 断裂是否为油源断裂, 断裂形成、活动时期及断层圈闭与主力烃源
3期庞雄奇等:叠合盆地断裂上、下盘油气差异聚集效应及成因机理305岩生排烃高峰时期的关系, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数等8个因素是控制断裂上、下盘油气富集程度的主要因素。图6总结了这些要素控制上、下盘油气聚集的情况。
4 结 论
(1) 断裂将不同成因特征的叠合盆地联系在一起, 成为沟通不同层位、不同时代烃源岩和生储盖组合、烃源岩和圈闭的重要渠道, 导致了多种类型的与断裂有关的油气藏的形成。
(2) 断裂上、下盘油气聚集差异现象十分普遍, 主要表现在要么油气主要富集在断裂上盘, 要么主要富集在下盘。上、下盘同时富集油气的情况非常少见。
(3) 断裂上、下盘油气差异聚集效应的根本原因是由于断裂上、下盘具有不同的地质特征和油气成藏条件, 它们往往具有互为消长的关系, 即上盘运聚条件好, 下盘就差, 反之亦然。
(4) 油气是富集在断裂的上盘, 还是聚集在断裂的下盘, 主要取决于:断裂的作用(是油源断裂还是遮挡断裂) , 断距与储、盖层的厚度关系, 断裂倾角, 区域盖层之下断裂断开烃源岩或油气层的层数, 断裂形成、活动时期及断层圈闭与主力烃源岩排烃高峰时期的关系等8个主要因素。
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306地 质 科 学2003年ACCUMU LATING DIVERSIT Y AN D ITS MECHANISM BETWEEN
HANGING AN D LOWER WALLS OF FAU LT IN SUPERIMPOSE D BASIN
Pang X iongqi Luo Qun Jiang Zhenxue Bai G uoping Wang Y ingmin
(K ey Laboratory for Hydrocarbon Accumulation Mechanism , Ministry o f Education , University o f Petroleum , Beijing 102249)
Abstract
A fault should be an im portant channel between s ource rocks and traps , since it linked up both the varied layers , and s ource rocks with different ages and s ource 2reserv oir 2cap ass ociation in a su 2perim posed petroliferous basin , which resulted in creation of multy 2type petroleum accumulations re 2lated to faulting. The phenomenon of divergent accumulating between hanging and lower walls of fault was very comm on , because there were different geologic features , petroleum migrating and ac 2cumulating conditions in the hanging wall and the lower plate. By analyzing the S ongliao and Qaidam basins , it was discovered that petroleum accumulating in the upper or in the lower plates depending on the following factors :fault controlling roles , relationship between fault displacement and thickness of reserv oir and cap rocks , fault dipping angle , the numbers of s ource rocks or petroleum reserv oirs cut by fault under the regional cap rocks , relationship between faulting age and datings of hydrocarbon 2generating and squeezing.
K ey Words Superim posed basin , Hanging wall and lower wall of fault , Petroleum accumu 2lating , The S ongliao and Qaidam Basins
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全书共32万字, 图364幅, 表62张, 公式483个。它们共分三部分十五章。第一章绪论概述“地质过程定量模拟”课题的性质与任务、研究的基本内容与工作特点、发展简史与趋向以及从事这一领域的工作或课题学习时需要注意的问题。第一部分为盆地的地质作用与模拟, 由第二章“盆地形成与演化模拟”、第三章“盆地沉积与充填”、第四章“盆地压实成岩与流压变化”、第五章“地层被剥蚀作用及其定量模拟”和第六章“盆地热流演化与古地温场恢复”组成。它较为系统地介绍了地质过程定量模拟的方法、原理和工作流程, 包括盆地形成与演化、盆地沉积与充填、盆地压实成岩作用与流压计算、地层剥蚀作用、盆地热流演化与古地温恢复等。第二部分为油气的地质过程与模拟, 由第七章“油气生成特征与模拟”、第八章“油气排运特征与模拟”、第九章“油气储集条件与评价”、第十章“盖层封油气能力定量模拟”、第十一章“油气运移作用定量模拟”和第十二章“油气成藏特征与模拟”组成。它详细阐述了含油气盆地油气生成、排出、运移、聚集等过程特征及其定量模拟的方法、原理和应用实例。第三部分为模拟系
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