渤海海域油氣成藏的特殊性

渤海水域是中國北方含油氣盆地（渤海灣含油氣盆地）的組成部分。華北含油氣盆地是一個以新生代為主要成盆期的陸相裂谷盆地,中生代末—第三紀早期是盆地的裂谷斷陷發育期,該時期盆地內差異沉降作用強烈,從而形成了隆坳相間、多凸多凹的盆地構造格局。迄今,遼河、冀中(任丘)、黃驊(大港)、臨清(中原)、濟陽(勝利)等坳、隆區多已演化成為陸地(圖1),只有渤中坳陷(渤海海域主體,包括渤中、渤東、廟西凹陷和石南、沙南凹陷的大部分區域)及遼河、黃驊、濟陽坳陷的延伸部分位于現今的渤海海域。華北含油氣盆地陸區部分包括勝利、遼河、大港、任丘、中原等5個油氣區,累計探明石油地質儲量已超過70億t,高峰年產油量超過6000萬t,表明華北含油氣盆地的油氣資源十分豐富。渤海海域作為盆地的組成部分,同樣具有豐富的油氣資源。1渤海海域油氣成藏地質背景及勘探方向渤海海域油氣勘探已有30多年的歷史,但在90年代以前一直未取得重大突破,其原因是:(1)勘探程度低,在5.5萬km2范圍內僅鉆了316口探井,探井密度只有周邊陸地油區的1/25。(2)海域油氣勘探、開發的難度比陸區大,成本高。(3)對渤海海域油氣成藏的特殊性認識不夠。長期以來,海域的勘探工作一直隨著周邊陸區勘探經驗走:陸區發現古潛山油田,海域也找古潛山油田;陸區發現沙河街組油田,海域也找沙河街組油田;因此收效不大。這是海域油氣勘探長期未獲重大突破的最主要原因。通過90年代以來的研究和反思,我們注意到只有充分認識渤海海域油氣成藏的特殊性,才能加速其油氣資源的發現。渤海海域油氣成藏的特殊性表現在:(1)渤海海域是整個華北含油氣盆地發育、發展的歸宿,從周邊陸區向海域,沉積中心和沉降中心發育時期、構造運動和斷裂活動時代都有由老變新的趨勢。(2)渤海海域新構造運動十分活躍,特別是郯廬斷裂縱貫海域(海域部分長達360km),自東營晚期至第四紀一直處于活躍期,成為輸導油氣和調整、控制油氣成藏的重要因素。(3)渤中坳陷下第三系東營組(Ed)—上第三系(N)最大厚度近8000m,使下第三系沙河街組一段(Es1)—東營組下段(Ed下)烴源巖進入成熟階段,比周邊陸區下第三系只有沙河街組三段(Es3)—孔店組二段(Ek2)烴源巖多了一套烴源巖。(4)渤中坳陷上第三系明化鎮組(Nm)—館陶組(Ng)發育以砂泥巖互層為特征的淺湖相沉積,極大地改善了上第三系儲蓋組合,特別是館陶組儲蓋組合。(5)渤中坳陷與周圍呈環狀展布的凸起和低凸起帶,構成了油氣成藏的特殊地質結構。基于以上渤海海域油氣成藏的特殊性,勘探的主要目的層應是上第三系館陶組和明化鎮組,找油的主要方向應為被生烴凹陷包圍的凸起及其傾沒帶1)。1995年6月,中國海洋石油總公司在英國BP石油公司退出的石臼坨凸起合同區塊鉆探了QHD32-6構造,發現石油地質儲量1.8億t;1996年又鉆探了石臼坨凸起上的NB35-2構造,發現石油地質儲量約1億t;從而初步證實了我們認識的正確性。然而外國合作者懷疑是否每個凸起都有油氣富集?更懷疑開發凸起上的重油能否有經濟效益?經過中方的不懈努力,并受渤海海域SZ36-1油田試驗區稠油開發經驗和良好經濟效益的啟發,外國合作者才逐步接受了中方的認識。1998年11月,ARCO和Texaco石油公司同意參與QHD32-6油田的合作開發;1999年5月,Phillips石油公司經和中方技術人員反復交流研究,鉆探了PL19-3構造(圖2),發現了石油地質儲量超過5億t的大油田;1999年12月,KMG公司鉆探了中方早在3年前就多次推薦過的CFD11-1構造,發現石油地質儲量約1億t。以上勘探成果進一步證明,對渤海海域油氣成藏特殊性的認識以及所選擇的主要勘探領域是正確的,這是渤海海域30多年來油氣勘探的重大突破和轉折,對渤海海域油氣資源的迅速增長將起十分重要的作用。2開巖油氣及其沉積相渤海海域面積7.3萬km2,占華北含油氣盆地總面積(20萬km2)的36.5%,其中下第三系分布面積為5.5萬km2;渤海海域發育19個凹陷,占盆地凹(洼)陷總數(59個)的32.2%(圖1、3)。截至1998年底,已在14個凹陷內鉆探井316口,占盆地探井總數(11487口)的2.8%;發現78個含油氣構造及油氣田(其中有4個超億噸級油田和3個近億噸級油田),探明石油地質儲量10.2億t,占盆地探明石油地質儲量(82億t)的12.4%;正開發油氣田8個,1999年產油量為277萬t,占盆地油田同年產油量(5349萬t)的5.2%(圖3)。渤海海域主要烴源層為下第三系東下段和沙一段、沙三段,次要烴源層為中生界(白堊系、侏羅系)及古生界煤系地層。渤海海域資源量為87.6億t油當量,占盆地總資源量(238.2億t油當量)的36.8%,是遼河、黃驊、濟陽等3個坳陷資源量(122.3億t油當量)的71.77%,可見渤海海域具有巨大的油氣資源潛力。3渤海海洋油氣成藏動力學的特殊性3.1區域地質背景及沉積相渤海海域是華北含油氣盆地的重要組成部分,渤中坳陷是渤海海域地質構造單元的主體,其它部分分別是遼河、黃驊、濟陽坳陷由陸地向海域的延伸,并匯聚于渤中坳陷。華北含油氣盆地自中生代末期開始形成,以北部燕山、西部太行山、南部魯西隆起為控盆邊界;從周邊陸區向海域,沉積中心和沉降中心發育時期、構造運動和斷裂活動時代都有由老變新的趨勢。因此可以說,渤海海域是華北含油氣盆地發育、發展的歸宿。在孔店組沉積期(64.4～52Ma),盆地西部的保定凹陷(見第153頁彩圖1a)沉降了3000m,沉降速率為0.242mm/a;盆地南部的昌濰凹陷(見第153頁彩圖1b)沉降了2100m,沉降速率為0.169mm/a;而渤中凹陷沉降速率為0.119mm/a。在沙四段沉積期(52～43.6Ma),盆地東北部的大民屯凹陷(見第153頁彩圖1c)沉降了1700m,沉降速率為0.202mm/a,而渤中凹陷沉降速率為0.081mm/a。在該時期,渤中凹陷沉降了8000m,沉降速率為0.267mm/a;大民屯凹陷沉降了1900m,沉降速率為0.063mm/a;保定凹陷沉降了1500m,沉降速率為0.050mm/a;昌濰凹陷沉降了1400m,沉降速率為0.047mm/a。綜上所述,與盆地邊緣陸區相比,渤海海域在新生代早期沉降速率較小,而在新生代晚期沉降速率明顯增大,兩時期形成鮮明反差(表1)。華北含油氣盆地海域與陸區新生代早期和晚期沉降速率的差異,導致不同地區主力烴源巖的層位和成熟度有所不同。大民屯凹陷以沙四段烴源巖為主力烴源巖;昌濰、南皮—滄東凹陷以孔店組烴源巖為主力烴源巖;饒陽、東營凹陷及清水洼陷以沙三段烴源巖為主力烴源巖;而渤中坳陷以東營組、沙一段和沙三段烴源巖為主力烴源巖。這種主力烴源巖層位的變化與沉積中心的轉移有關,烴源巖都發育于不同地質時期的深湖相沉積區。在產層層位上,遼河坳陷沙河街組—太古界(Ar)探明石油地質儲量占坳陷探明石油地質儲量的77.93%;黃驊坳陷沙河街組—孔店組探明石油地質儲量占坳陷探明石油地質儲量的68.72%;濟陽坳陷沙河街組—孔店組探明石油地質儲量占坳陷探明石油地質儲量的67.13%;冀中坳陷沙河街組—元古界(Pt)探明石油地質儲量占坳陷探明石油地質儲量的95.10%;渤海海域明化鎮組—館陶組探明石油地質儲量目前已占海域探明石油地質儲量的70%以上,預計今后幾年內其比例還會大大增加?？梢?渤中坳陷的油氣主要運聚于其周圍凸起(或低凸起)的上第三系中。華北地區在新生代成盆前曾發生過一次極其重要的地殼拉張活動——燕山運動第五幕,這次拉張活動導致了華北含油氣盆地的形成。早第三紀古新世,盆地內沉積了厚2500～3600m的孔店組和沙四段,該期末盆地回返,這是華北含油氣盆地的第一次反轉活動,局部地區沙四段遭受剝蝕;該期地層以地震T6反射層為頂界,與上覆沙三段呈角度不整合接觸。始新世,盆地內沉積了厚2000～3500m的沙三段,該期末盆地發生第二次反轉活動,沙三段遭受剝蝕;該期地層以地震T5反射層為頂界,與上覆沙二段呈角度不整合接觸。這兩次反轉活動均以塊斷為特點,在盆地內形成了59個半地塹。漸新世晚期是盆地由斷陷向拗陷過渡期,盆地內沉積了厚1000～4000m的東營組,該期末盆地全面回返,遭受夷平,這是盆地的第三次反轉活動;東營組頂界地震T2反射層是華北含油氣盆地的破裂不整合面,東營組與上覆館陶組呈角度不整合接觸。渤海海域新構造運動十分活躍,這有別于盆地陸區,主要表現在4.8～2Ma,即上新世末發生的渤海運動,這一運動在郯廬斷裂附近表現尤為明顯。這次構造運動主要表現出:(1)第四紀沉降中心與明化鎮晚期沉降中心不吻合。明化鎮晚期沉降中心在渤中、黃河口、廟西凹陷,明化鎮組最大厚度超過700m;而第四紀沉降中心在渤中凹陷北部和萊州灣凹陷,第四系最大厚度超過600m。兩時期沉降中心的展布方向也有所差異。(2)明上段在郯廬斷裂北部(遼東灣)被剝蝕殆盡。(3)第四系與上第三系呈角度不整合接觸。第四系為水平層,下伏上第三系為傾斜層(圖4)。(4)發生基性巖漿噴發。玄武巖主要分布在海域西北部的海河斷裂附近,以海3井鉆遇最厚,在明化鎮組—東營組層段內厚達900m;CFD2-1-1井鉆厚354m,GH2-1井鉆厚230m。(5)天然地震震中呈現有規律的分布。地震本身就是地殼內的一種構造活動,海域地震震中主要分布在北東向斷裂(郯廬斷裂)和北西向斷裂(潛伏斷裂)附近,更密集分布在渤中凹陷,曾發生過7.9級以上的大地震。(6)在淺層明化鎮組形成了眾多背斜和斷背斜構造(圖5、6)。渤海海域斷裂活動具有較明顯的分期性,早第三紀斷層活動可分為始新世和漸新世兩個活動期。這些斷層是控凹斷層,主要發育北東向和北西向兩組,斷層斷距大(1000m至數千米),斷達層位老(前新生代基底),斷層數量不多,但延伸較長。海域晚第三紀斷裂活動極為活躍并表現出以下特征:(1)斷開層位淺(個別斷層斷至海底)。(2)上部層位斷層數量多,下部層位斷層數量少,如明化鎮組斷層數量是館陶組斷層數量(圖7)的兩倍多。斷層呈“似花狀”、“耙式”、“對偶狀”等。(3)越靠近郯廬斷裂,晚期斷裂活動越活躍。(4)晚期斷層多呈近東西向展布于郯廬斷裂兩側,其斷距一般為20～30m,延伸長度1～2km,斷層最大密度為1條/km2。晚期斷裂活動是調整、控制油氣晚期成藏的重要因素。海域控凹斷層均斷至前新生代基巖,斷距達1000m至數千米,這些斷層往往是長期活動的張性斷層,它們在活動期是油氣垂向運移的良好輸導通道,對早期油藏的形成起了重要作用。隨著海域構造運動的發展,產生了晚期斷層,形成了晚期圈閉,這些晚期斷層和控凹斷層相互溝通,構成了新的油氣輸導體系,它調整和控制了油氣的最終成藏。現已發現的上第三系油藏的原油都是經晚期斷層從深部運移而來的,這種原油均為生物降解型重質油。PL19-3油田館陶組原油的色譜-質譜分析結果表明,原油曾遭受中—輕度生物降解,但仍保留有少量的正構烷烴和異構烷烴,是晚期充注東營組油氣所致;而原油中發現25-降藿烷又說明,原油還曾遭受較強的生物降解,這是早期充注沙三段油氣所致。包裹體分析結果顯示,館陶組明顯存在兩期油氣充注。該油田目前已鉆8口井,證實總體為背斜層狀塊體油氣藏,但在背斜翼部,不同斷塊具有不同的油水系統,說明油氣成藏期間斷裂活動控制了油氣的再分配。三維地震相干切片顯示,郯廬斷裂主體通過該油田,已鉆的8口井中,有6口在斷裂帶兩側,有兩口在斷裂帶內,進一步證明了郯廬斷裂對油氣運移、成藏起了重要作用。QHD32-6油田主要含油層系是明下段,有機地化分析結果表明,油來源于凹陷中的沙三段烴源巖,并經過兩期充注,原油遭受過較強的生物降解和水洗作用,致使原油密度最大可達0.9657g/cm3。明化鎮組分為4個油層組,不同斷塊相同油層組的油水系統有所差別,表明了晚期斷層對油氣成藏的控制作用。以上油氣成藏的特殊性決定了渤中坳陷及其周圍凸起區油氣藏的分布規律,即主要油氣藏應分布在被生烴凹陷包圍的凸起及其傾沒帶的上第三系明化鎮組和館陶組中1)。華北含油氣盆地陸區主要烴源巖為沙三段—孔二段烴源巖,次要烴源巖為中生界和古生界烴源巖。渤海海域除具有周圍陸區發育的烴源巖外,還多了一套東下段—沙一段烴源巖。該套烴源巖具有以下特點:(1)有機質豐度高,生烴潛力大。廟西凹陷PL14-3-1井井深2700～3700m發育東下段—沙一段暗色泥巖,其TOC為2%～5%,HC為0.3042%～0.6009%,S1+S2為8～16mg/g,IH為300～500mg/g,Ro為0.5%～0.6%(圖8)。(2)烴源巖規模大。海域東營組分布廣,厚度大:渤中凹陷東營組分布面積8600km2,最大厚度4000m;遼中北洼東營組分布面積2000km2,最大厚度3500m;歧口凹陷東營組分布面積4100km2,最大厚度3000m。(3)烴源巖已進入成熟階段。海域第四系—上第三系最大厚度約4000m,第四系—東營組最大厚度逾8000m,因此下伏的東下段—沙一段烴源巖已進入成熟階段。此外,JZ16-4-1、PL14-3-1、PL19-3-1、CFD18-2-1等井油樣甾、萜烷色譜-質譜分析結果證明,這些井上第三系的原油來源于東下段烴源巖。PL14-3-1井館陶組(井深2431.2m)油樣、PL19-3-1井館陶組(井深1349～1380m)油樣的甾、萜烷質量色譜圖與PL14-3-1井東下段(井深3420～3425m)泥巖、東下段—沙一段(井深3754～3756m)泥巖的甾、萜烷質量色譜圖極相似,證明二者有親緣關系;而BZ25-1-5井沙三段(井深3803～3829m)油樣的質量色譜圖與PL14-3-1井泥巖的質量色譜圖差異較大,說明二者無親緣關系(圖9)。3.5儲集控礦構造華北含油氣盆地陸區明化鎮—館陶期沉積總體以山麓洪積相、沖積平原—河流平原相粗碎屑巖為主。遼河坳陷晚第三紀發育河流沖積平原相沉積,以塊狀砂礫巖為主,自北往南厚度由幾百米增至1000m左右,僅在明化鎮早期發育砂泥巖交互沉積;黃驊坳陷館陶期發育沖積相沉積,主要為沖積扇、網狀河平原相和低曲流河平原相沉積,明化鎮期發育以曲流河為主的沖積平原相沉積;濟陽坳陷館陶期在坳陷邊緣發育山麓洪積相沉積,大部分地區為扇前洪積平原相沉積,只有館陶晚期發育河流沖積平原相沉積。晚第三紀,渤海海域的沉積環境與盆地陸區有很大不同。該時期,海域沉積中心逐漸東移,遠離物源區,部分地區(如渤中等凹陷)出現濱淺湖相沉積。館陶早期,廟西、黃河口等東部凹陷以網狀河平原相細粒沉積為主,西部凹陷發育曲流河平原相、辮狀河平原相沉積。館陶晚期,廟西、渤中、黃河口等凹陷出現濱淺湖相、湖灣沼澤相沉積,向四周為曲流河平原相、辮狀河平原相沉積。明化鎮期,渤中、廟西、黃河口等凹陷發育濱淺湖相沉積,向四周仍為曲流河平原相、辮狀河平原相沉積(圖10)。從總體上看,在晚第三紀渤海海域北部地區沉積偏粗、南部地區沉積偏細。明化鎮組、館陶組油氣藏蓋層的泥質巖含量一般在60%以上,泥質巖含量的多少取決于沉積環境。前已述及,海域的沉積環境有利于泥質巖類的沉積。以下列舉海域內兩個億噸級油田明化鎮組、館陶組油藏的儲蓋組合。(1)QHD32-6油田明下段油藏明下段為曲流河平原相沉積,泥巖占60%～70%,砂巖占30%～40%。砂巖埋深910～1550m,孔隙度21%～35%,滲透率100×10-3～1300×10-3μm2。(2)PL19-3油田館下段油藏館下段為網狀河平原相沉積,泥巖占60%,砂巖占40%。砂巖埋深1000～1400m,孔隙度20%～34%,滲透率20×10-3～1400×10-3μm2。上述明化鎮組、館陶組油藏的泥巖厚度均較大(占組、段厚度的60%以上),砂巖儲集物性好,從而形成了良好的儲蓋組合。渤中坳陷及其周圍地區已發現的油氣藏類型很多,但上第三系油藏主要有3大類。這類油藏主要發育于大型凸起的淺層(上第三系)。如QHD32-6油田上第三系油藏,上第三系直接覆蓋在基巖隆起上,由兩側生烴凹陷(北側秦南凹陷,南側渤中—石南凹陷)長期供烴,控凹斷層、大不整合面及館陶組砂礫巖層為烴類運移通道;油層埋藏淺(約1000m),原油多為重油,一般為邊、底水層狀背斜油藏,油藏構造形態較簡單,但油水系統較復雜。CFD11-1油田油藏也屬這一類。這類油藏主要發育于凸起傾沒帶或主斷裂邊緣。復合背斜一部分系基巖隆起披覆成因,另一部分是斷裂活動張扭、壓扭應力作用成因的反轉構造,因此稱披覆反轉復合背斜。PL19-3構造屬這類復合背斜,它發育于渤南凸起東北端,又位于郯廬斷裂帶上,面積約60km2。從三維地震相干切片及南北向地震剖面上看,該構造是一個完整的背斜;從東西向地震剖面上看,構造的西側部分屬渤南凸起上的披覆背斜,東側部分為受郯廬斷裂控制的反轉構造。在已發現的油藏中,屬這類復合背斜型油藏的還有NB35-2油田油藏。這類油藏主要發育在凹陷中。該類反轉構造往往在深、淺層均發育構造圈閉。如PL14-3構造,其現今位置在沉積早期是沉積厚度較大、位置較低的凹陷部位,后來被斷層夾持擠壓,或沿斷層重力滑塌發生反轉,形成背斜圈閉。PL14-3構造是廟西凹陷中一個孤立的背斜構造,油氣由構造兩側的斷層向上運移,并在淺部斷層的調整下聚集成藏,油氣充滿度受斷塊控制。BZ25-1構造也是反轉背斜構造,該構造形成于沙三段沉積末期。在構造未鉆前,沙二段底界被誤認為潛山(基巖)頂界,但5口鉆井揭示,其下還有很厚的沙三段,據最深的一口鉆井(完鉆井深4000m)的資料,原認為的潛山頂界以下仍有800m厚的沙三段(未鉆穿)。BZ25-1構造中的下第三系油藏屬自生自儲型;上第三系發育斷背斜,有多個構造高點,目前已鉆3口評價井,證實了多個斷塊含油,主要產層是明下段。4下第三系油氣勘探方向在這個領域已發現了QHD32-6、NB35-2、PL19-3、CFD11-1等油田,這些油田都是石油地質儲量超過億噸的大型油田。在渤海海域的8個大型凸起中,目前已有遼西、石臼坨、沙壘田、埕北、渤南等5個凸起獲重大發現;在尚未突破的廟西、萊北、渤東凸起,發育一批極有前景的上第三系構造,如廟西凸起上的PL9-1、萊北凸起上的KL6-1、渤東凸起上的LD32-2和LD27-2等構造,預計也將會發現大型油氣田。在已獲突破的凸起上,還有一批未鉆的上第三系構造,如沙壘田凸起上的CFD12-1、CFD16-1等構造,只要構造能夠得到落實,也應能找到大中型油氣田。在這個領域應特別重視與分割凹陷、凸起的邊界斷層和控制沉積的區域大斷裂相關的上第三系構造圈閉,這類構造圈閉與油源溝通較好,更有利于油氣成藏。目前已發現QK17-3、QK17-2、BZ25-1等油田。這類油田的油藏比凸起區披覆背斜型油藏更復雜