Fault System and Its Control over Gas Accumulation in DF1-1 Diapir, Yinggehai Basin
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摘要: 莺歌海盆地的巨厚充填、高地温梯度及大规模的超压流体活动等特殊的地质背景, 造就了DF1- 1底辟构造的独特性, 其内天然气的总体特征与底辟区的断裂系统存在着密切的联系.底辟区内的超压流体活动使其上覆地层产生众多的断裂和裂隙.这些垂向上的断裂和裂隙既构成了异常压力体系能量释放的主要通道, 同时也形成了天然气运移的垂向输导体系.在断裂开启过程中上升的活动流体主要取决于断裂下延的深度及断裂上延所连通的中深-浅层的渗透性砂体, 因此由断裂与砂体的相互配置所构成的输导体系在DF1- 1气田的成藏中起着重要的作用.根据DF1- 1的成藏特点, 强调断裂系统与天然气运聚的相互促进关系, 建立了断裂系统与天然气成藏关系模式.Abstract: Yinggehai basin has peculiar sedimentary, tectonic and evolution model and is abundant in hydrocarbon resources. As the main and typical structure in diapir area, DF1-1 diapir develops a lot of faults and cracks, virtually related with gas accumulation. The process of formation, opening and closing of the faults in the top of the diapirs basically display the progression of the fluid/gas migration. When overpressure reached such a critical value with oil/gas accumulating and pressure increasing, faults open as the pathway of oil/gas migration. It will be more favorable if the fault cut the sandstone bodies or fractures in the overpressure area, which might result in oil/gas accumulating into these sandstone bodies (reservoirs). Therefore, faults are the fluid released pathway and sandstone bodies and fractures as reservoirs of oil/gas in DF1-1 diapir. The spatio temporal match of vertical source rocks, reservoir and seals, combined with fault system provided by diapirism, result in the formation of large DF1-1 gas field. The models about fault system and gas accumulation have also been presented and discussed.
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Key words:
- DF1-1 diapir /
- fault system /
- gas accumulation /
- gas migration
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莺歌海盆地目前主要的储层埋深多在2 000 m以上, 但所含天然气类型皆是以高成熟气为主(相当Ro为2.0±), 天然气来源于深部[1, 2].天然气运移的方式主要是通过断裂系统垂向运移到高孔隙率的海相砂岩层中.本次研究选择底辟区典型的DF1-1构造为代表, 研究其断裂系统的分布特征及其形成机制, 以期揭示莺歌海盆地内天然气运移的规律.
莺歌海盆地的主要构造区划为中央底辟区、西部斜坡、东部斜坡、南部潜山等多个构造单元, 主要构造特征是底辟构造十分发育.
1. 中央底辟构造带断裂分布
底辟区断裂的分布不仅受基底断裂的控制, 底辟构造活动对它的影响也十分重要[3, 4].首先, 右旋剪切作用形成近南北向的张性破裂, 从而诱导了底辟活动, 所以底辟构造呈有规律的近南北向雁行式排列[5]; 其后的底辟活动形成了新一期的断裂, 这一期断裂的展布样式严格受底辟活动的控制.同时, 底辟活动对先期断裂有促进作用.
所以将中央底辟构造带的断裂分为控制底辟发育的先期断裂及底辟活动所造成的断裂.对于控制底辟发育的断裂, 这里主要强调的是断裂的总体展布及其在剖面上的特征.目前已发现的底辟构造, 总体呈北西—南东向展布, 除了可细分为5排相互平行的近南北向雁列式分布外, 每个底辟体的长轴走向均为近南北向, 而且由北西向南东底辟体内的断裂由近南北向转为北西向(图 1).在过地中央底辟带的地震剖面上, 随处可见地震反射模糊带[6].这主要是由于深部底辟活动时, 在上覆负载层中产生断裂、破碎带和垂向裂隙, 并伴有流体的释放, 地震反射波的传播受到严重的干扰造成的.经钻井证实, 地层成层性好, 横向可对比, 图 2显示了某地震剖面上这类断裂的特征, 该断裂在在浅部使地层明显错断.
图 1 莺歌海盆地底辟体分布及其断裂特征1.底辟体; 2.盆缘断裂; 3.底辟内部断裂; 4.推测断裂; 5.底辟体展布方向Fig. 1. Distribution of diapirs and characters of faults in Yinggehai basin
图 2 莺歌海盆地地震剖面断裂特征Fig. 2. Characters of faults from seismic profile in Yinggehai basin由底辟活动所造成的断裂, 主要分布在底辟体的上部或两翼.其中一部分断裂是沿先期构造的薄弱处发展起来的, 或者使早期断裂再活动, 不断地向上延伸, 甚至达到地表.所以其总体的展布主要为继承性的近南北向, 如DF1-1, DF29-1, CN18-1, CN12-1等构造.还有一部分断裂, 是由于底辟在上隆过程中, 顶部形成局部的张性应力场造成的, 这些断裂在无论剖面或平面上均呈放射状, 如LD8-1, LD15-1.
2. DF1-1的断裂系统特征
DF1-1构造位于莺歌海盆地中央底辟带的北部海区, 是莺歌海盆地中最典型的构造之一, 也是盆地主要的含气构造.其内断裂系统的特征在莺歌海盆地中具有一定的代表性.
2.1 DF1-1底辟体特征
与莺歌海盆地中其他底辟构造相比, DF1-1底辟上隆幅度较低, 呈低缓波状, 长轴约21 km, 短轴12 km.深层构造幅度明显大于浅层, 地层顶薄冀厚, 而且具有东陡西缓的特征.
(1) 底辟体的物质基础.底辟体的主要物质来自中新世以来的泥质岩沉积.由于莺歌海盆地沉积巨厚, 尤其是10 Ma以来, 平均年沉积速率约0.5 mm/a, 沉积厚度最大可达10 000 m, 现今DF1-1底辟区当时又位于盆地沉积中心, 长期处于浅海和半深海环境, 形成厚层泥源岩①.随着海平面的频繁升降, 曾出现多次深浅水环境交替变化, 其中T51—T52 (三亚组中部)、T41—T50 (梅山组下部)、T27—T30 (莺歌海组下部) 就代表不同时期最大海侵期沉积. (2) 底辟体内的气层划分.根据电测资料结合岩石的组合物证和含气特征, 将DF1-1上浅层自上而下分为G1, G2, G3, G4, G55个组.每个组的上部为储层, 下部为泥岩.可进一步将G2, G3气组划分为G2上, G2下和G3上, G3下44个亚组.
2.2 断裂系统的分布
DF1-1区由于底辟活动的影响, 断裂相对较密集.主要集中于底辟体的上部及翼部, 随远离底辟体, 断裂逐渐减少.
(1) 平面展布.由于底辟活动的应力集中在构造中心部位, 而且其活动具有幕式特征, 晚期形成的断裂叠加并改造了早期断裂, 因而形成了断裂复杂带.断裂带基本上呈南北向展布, 而且在不同界面上, 断裂的数量及特征均有差别.T27顶界面的断裂分布见图 3.为方便描述, 将断裂按从西向东的顺序给予编号.其中规模最大的为f8断裂, 该断裂长约13 km.向北延伸有4条派生断裂, 使断裂的形态呈树枝状.f8断裂南北向贯通, 将DF1-1划分为东、西两区.东部断裂相对较密集, 包括了f1—f7断裂, 勘探程度较高, 有7口井控制.f1, f2及f3断裂均呈NNE向, 长2.6~3 km.f4断裂北部走向为NW18°, 南部转为NE20°, 总长度为7.3 km.f5断裂分布于北部, 走向NW19°, 延伸较短, 仅2.3 km.f6断裂规模较大, 可达11.3 km, 北部走向NW16°, 中部为南北向, 向南又转为NW向, 所以f6断裂总体呈反“S”形.f7断裂与f6断裂规模相近, 但呈南北向延伸.f8断裂以西仅有一口井W-3控制, 断裂较少, 仅f9和f10两条断裂, 而且规模都比较小.f9号断裂长3.2 km, 走向NW23°, 而f10断裂仅1.6 km, 呈NE40°延伸.
(2) 剖面特征.DFl-l底辟构造断层最大的特点是断距小但具有分隔作用.除上述T27界面的盆地边缘断裂落差达42 m外, 其余均小于20 m.尽管如此, 这些断层由于塑性泥流或后期沉积的充填, 都能够起到分隔的作用, 造成了断层两翼压力系统、气水界面及天然气组份的明显差异: ①压力系统的差异.DF1-1底辟构造压力资料表明: T27界面的f8断裂所划分的东、西断块是不连通的.纵向上G1, G2, G3气组也不属同一压力系统, 但均属正常压力系统, 压力系数1.03~1.14.据W-1井DST取得的压力资料计算, 在2 563 m测压为52.8 MPa, 压力系数2.6, 温度为129.5 ℃, 温度梯度4.36 ℃/100 m, 属超高压高温地层, 这是因为受底辟上隆所引起的压力传递结果.而W-3井在1333.5~1372.5 m处DST测压为13.93 MPa, 压力系数1.05.推测这一压力系数的变化是由于上述T27界面的断裂的向下延伸致使物质上隆造成的.②气水界面的差异.DFl-1底辟构造纵向上G1, G2, G3气组之间有厚层泥岩封隔, 平面上被南北向分布的上述T27界面的f8断裂分成东、西两个断块, 气水分布比较复杂, 不同断块不同层组都是独立的气藏.气水分布纵向上分层, 在高分辨率剖面上表现得十分清楚.测井压力资料显示, 不同层位具有各自的气水界面(表 1), 东、西断块的气水界面分别相差近20 m.因此, G2, G3气组气水分布主要受构造、断层控制. ③气组分的差异.不同断块、不同层天然气组分差别较大, 可能与断层的发生、发展、开启、封闭及天然气运移、聚集的不同阶段有关.CO2在DF1-1底辟区内分布清楚, 主要受南北向分布的断裂控制.断裂东区G2, G3气组CO2含量高, 分别为55.1%, 71.1%, 而断裂西部G2气组CO2的含量低, 一般不超过1%.何家雄等[7]通过对莺歌海盆地浅层气藏富CO2气深入研究, 认为CO2属壳源无机成因, 有极少量壳幔过渡型混合成因.来自于深部的CO2及其他气体组分主要通过各种断裂和裂缝系统向上运移, 由于断裂和裂缝的开启程度及其封堵作用造成东、西断块的差异.
表 1 DF1-1底辟构造气水界面对比Table Supplementary Table Contrast of gas-water interfaces in the DFl-1 diapir
3. 断裂系统对底辟成藏的控制作用
断裂作为油源和储层之间的垂向通道, 应具备以下特征: (1) 断裂为长期或多期活动的继承性断裂; (2) 断裂切割超压的烃源岩; (3) 断裂延伸至生烃门限之下; (4) 断裂与储层连通[5].其中, 断层切割超压生烃岩尤为重要.
莺歌海盆地中, 超压的生烃岩是一种活跃的生烃岩, 它能不断通过各种渠道排泄其中的流体, 而且超压带对油气向上运移产生的推动力要比浮力大得多, 因此能有效地克服运移中的阻力, 使油气不断地向上渗流或快速运移[7~10].在断裂断层切割到超压体中的砂体或裂缝带时, 由于断层为能量释放的主要通道, 而砂体和裂缝带则为超压体中聚集油气的空间, 对油气的运移更为有利.在断层闭和期间, 这些空间大量吸收超压带中的油气, 随着聚集能量逐渐增大, 再次达到界限压力时, 造成断裂开启, 发生油气快速运移[11].如此反复, 便形成油气的多次运移.
莺歌海盆地发育着底辟, 这些底辟构造是异常高温高压地质体的具体表现, 它是深部极高的异常压力和高温体释放本身能量的一种方式.靠近底辟构造的异常高压相对较浅, 如LD14-1某井1 480 m, LD8-1某井1 680 m钻遇高压地层, 而远离底辟构造的LD30-1某井, 虽然从渐新世开始一直处于沉降中心和沉积中心部位, 但其高压顶面在3 200 m, 这进一步说明底辟构造将深部的高压高温流体携带至浅层.
从已钻井浅层气样干燥系数和碳氢同位素分析, 基本反映出天然气为成熟和高成熟阶段的产物, 相当于Ro范围在1.1%~1.8%之间, 形成温度需达200 ℃以上, 深度应大于4 000 m.以上资料也说明, 浅部的异常高压高温流体是底辟带上来的.
4. 断裂作用下的成藏模式
DF1-1气田成藏主要的通道就是由断裂与砂体的相互配置所构成的纵横交错的输导体系.这一输导体系的主要特征是分布在底辟体的上方及周围.连通方式有两种: 断裂连通砂体及砂体连通断裂.
4.1 断裂连通砂体
开启的断裂从底辟带深部延伸到上部, 切穿渗透性砂岩层, 来自深部天然气主要沿开启的断裂面上升, 进入不同深度的砂体, 并继续沿渗透性的砂体进行侧向运移, 在浅层-中深层的圈闭中不断的聚集起来.这种输导体系以垂向运移为主, 天然气的主要活动时间为断裂的开启阶段.先前的断裂闭合面构成天然气运移的遮挡面, 是形成气藏的有利因素.
4.2 砂体连通断裂
超压流体所携带的大量的天然气快速地沿开启断裂通道上升, 通过浅部渗透性砂体与另一个开启的断裂相连通[12~14].在此过程中流体所携带和析出的各种天然气以自身的浮力沿孔渗性较大的砂体
进行一定距离的侧向运移, 也可能会滞留在砂体中形成天然气藏.以上两种连通方式只是断裂作为输导体系中的两个极端类型, 实际的输导体系由这两种连通和以任一种方式为主而介于其间的各种状态组成.尤其是DF1-1底辟形成时期较晚(中新世中晚期以后), 现今尚在活动, 即地层流体的压裂作用至今仍在进行, 且不断出现新的运移通道.DF1-1底辟构造正好处于盆地的主要生烃区, 现今三亚组顶镜质体反射率大于1.0%, 已处于主生烃窗.该带在平面上局部圈闭分布区与主要生烃区基本一致, 纵向上烃源岩、储集岩和封闭岩配置好, 由早期超压流体活动产生的断层和裂缝为天然气的垂向运移提供通道, 超压流体作为天然气运移的载体, 对天然气的成藏非常有利, 从而构成了DF1-1底辟气藏的特色.根据DF1-1的成藏特点, 强调断裂系统与超压流体活动的相互促进关系, 建立了断裂系统与天然气成藏关系演化模式(图 4).
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图 1 莺歌海盆地底辟体分布及其断裂特征
1.底辟体; 2.盆缘断裂; 3.底辟内部断裂; 4.推测断裂; 5.底辟体展布方向
Fig. 1. Distribution of diapirs and characters of faults in Yinggehai basin
图 2 莺歌海盆地地震剖面断裂特征
Fig. 2. Characters of faults from seismic profile in Yinggehai basin
图 4 DF1-1底辟断裂系统与天然气成藏关系模式
1.断裂及裂隙; 2.天然气/流体运移方向; 3.砂体; 4.层序界线; 5.含气层
Fig. 4. Model of fault system and gas accumulation in DF1-1 diapir
表 1 DF1-1底辟构造气水界面对比
Table 1. Contrast of gas-water interfaces in the DFl-1 diapir
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