松辽盆地东南隆起区拥有独特的构造和能源优势, 共发育德惠断陷等八大断陷区^[1-3], 构造特征及演化、油气富集等方面长久以来存在多解性^[4-5]。盆地特征整体显示, 中生代、新生代构造演化过程中出现多期拉伸—压缩正反转构造与压缩—拉伸负反转构造, 深部天然气储量丰盛, 占油气总体百分比极高, 沙河子组和营城组为两套湖泊相泥岩生烃主力层, 发育巨厚泥岩和煤层^[6-8]。断陷构造格局形成期火山熔岩喷发和断裂强烈活动, 营城组顶段、底段形成良好火山岩储层, 后期未停歇的构造运动对储层封堵性进行改造, 导致勘探难度增加^[9]。

兰家—合隆—布海地区位于德惠断陷西南部, 勘探程度低^{[7, 10]}, 井资料有限, 地震品质较差, 且处在(反转)构造复杂、沉积相变快等不利条件下, 根据气源检测、构造特征及演化规律、构造—气藏分析得知研究区形成两种成藏模式:不整合面—断裂输导的浅层次生成藏和“倾斜—高压箱”深层原生成藏。通过地震反射特征、区域地质演化规律等进行井震标定, 经二维、三维地震精细解释, 显示出营城组地层接触关系、盆内构造特征、分布轮廓的特殊性, 为避让高风险性预测, 认证成藏模式与提高油气产能^[11], 将首要勘探远景锁定于晚侏罗世深层热演化成气—早白垩世构造改造浅层登娄库期成藏。本文旨在揭示中生代中晚期盆地样式类型、构造与油气成藏关系、登娄库组浅层气藏特征, 由此明晰兰家—合隆—布海地区天然气浅层运移与聚集的独特性, 对中、深部层系勘探有一定的指导作用, 为相应构造区的勘探提供借鉴思路。

兰家—合隆—布海地区北缘为青山口背斜带, 东缘紧邻九台阶地, 西南缘与梨树断陷接壤, 西缘为钓鱼台隆起, 地震覆盖面积为400km², 目前发现小合隆气田和布海气田(图 1)。研究区断裂十分发育, 以正断层为主, 存在复式半地堑、地堑、地垒、多米诺式半地堑等构造类型, 为中—深部伸展断陷构造和浅部收缩反转构造样式(图 2)。地震剖面特征显示, 中部至北部构造地区, 地层以营城组底为界构成上、下两套独立的断裂系统, 上、下断层不具同生性, 其倾向几乎独立、相反, 区域内地层以超覆为主; 南部地区构造较单一, 地层稳定沉积, 属区域性构造沉降(图 3)。

图 1

图 1 研究区位置图

图 2

图 2 兰家—合隆—布海地区构造类型及构造样式

图 3

图 3 断陷—坳陷—反转演化阶段沉积样式类型

根据研究区地震响应特征、伸展—反转构造演化、断裂系统划分、油气运移与聚集差异性等, 将断陷—坳陷期地层分为深(火石岭组、沙河子组)、中(营城组)、浅(登娄库组、泉一段)3套层系, 在此断陷—坳陷—反转演化阶段衍生定型为3种样式(图 3)。

(1) 持续断陷型:基底拉伸产生盆内裂陷和边界大断裂, 断层持续活动、构造强度变大, 地层充填序列齐全, 平面上地层轮廓分布相似, 且厚度在500~4400m之间规则变化, 后期负面因素较少, 具备天然气生成、保存的充分条件, 下部地层以火山岩和火山碎屑岩为主, 上部地层以辫状河三角洲前缘亚相、湖相碎屑岩为主, 如南面德深35区块。

(2) 沉积继承型:研究区此类型的沉积含两个阶段:断裂鼎盛末期阶段、断裂平稳—衰退期形成阶段。鼎盛末期:东部受东南方向拉伸形成北东走向边界大断裂, 西部地层发生掀斜, 断裂底部激活火山体引发热流物质上涌, 造成地层中央倒转与断裂附近北东走向的隆起。平稳期:上覆地层与下伏地层呈高角度不整合接触, 断裂活动性质基本一致, 构造单元为怀德斜坡超覆区、合隆—兰家掀斜—倒转—隆起削截区和布海洼陷稳定超覆区, 沉积剥蚀所致残余地形为“北凸南洼、西高东低”“西北剥蚀、东南超覆”。衰退期:斜坡区发育重力—构造所致的单向滑脱断层, 洼陷内发育复式地堑, 以浅水湖相碎屑岩沉积为主, 中间夹有煤、火山岩, 底层发育火山岩系。

(3) 叠合反转型:分为两种情形, 一是沉积阶段继承性地层复合沉积, 由于沉积末期发生挤压反转, 原型盆地整体具有持续沉降趋势, 断层统一为正断层, 典型断层位于西侧一级、二级断裂下盘; 二是反转后地层层序充填不完整、顶面不整合特征显著, 同一断层下正、上逆, 典型断层位于东北侧二级大型断裂下盘。与前者相比, 影响因素不一致性体现在反转构造强度、控制断层的性质、构造部位等方面。

综合上述构造样式与油气相关性:持续断陷型盆地样式和沉积继承型盆地样式有利于有机质的富集和储集体的形成, 一般此类型的构造—沉积—地热背景在烃类演化过程中属生烃高峰, 定型末期断裂深部就可能有凝析气的产生^[12-13]; 叠合反转型盆地样式的两种情形与油气关系密切, 在圈闭、封堵性方面具有双重效应, 在研究过程中通常会考虑到构造运动与油气成藏的时空配对关系。

兰家—合隆—布海地区演化过程处于伸展和挤压两种动力学背景下, 与松辽盆地其他断陷比较, 断裂类型和构造特征基本类似^[14-15], 为同生和后生两种断裂类型, 存在局部或区域地层不整合接触、地层倒转—掀斜、层内背斜等构造特征。盆地构造整体响应特殊, 为深层断裂、中层局部滑脱和浅层反转等, 同时, 这3类构造在天然气生成、运移和聚集中发挥深远作用。

地震解释与分析发现, 兰家—合隆—布海断陷中断裂以一级、二级的主干断裂和同生断裂为主, 分别受地垒、地堑发育期区域性坳陷和盆内坳陷控制, 上盘表现稳定沉降或挤压变形, 为大规模油气成藏主控因素; 规模较小的后生/三级断裂, 主要为一些调节断裂、伴生断裂和次级断裂等, 对大面积圈闭内的局部天然气运移和聚集有利, 且断层上段次生成藏后气藏规模扩大的可能性高, 如A与A′构造对应位置(图 4)。

图 4

图 4 浅层登娄库组顶(a)、底(b)面构造图

一级断裂为断面呈上陡下缓的犁式同生控凹正断裂, 延伸长度大于10km, 走向以北东向为主, 倾向南东向和北西向交互出现。断裂起始于火石岭组沉积期, 持续至登娄库组沉积前, 泉头组沉积期部分活动, 火石岭组—沙河子组沉积期最强, 绝大多数穿透火石岭组—营城组, 控制区域内烃源岩及上部地层的形成、中东部断裂上盘地堑和地垒的发育程度、次级断裂走向及平行排列方式(表 1)。

表 1

表 1 兰家—合隆—布海地区一级断裂综合表 名称 典型剖面(N→S) 分布位置 性质与最大断距 断切层位 控制作用 合隆—布海边界断裂 合隆东部 走向北东向, 倾向南西西向、倾角为34°~58°, 延伸11.4km, 断距为2km 基底、火石岭组、沙河子组、营城组 合隆—布海西部半地堑沉积 布海西部 走向北东向, 倾向北西向, 倾角为34°~58°, 延伸27.06km, 断距为2km 基底、火石岭组、沙河子组 兰家以北—合隆以南断裂 兰家北面、合隆西南侧 走向北北东向, 倾向南东东向, 倾角为18°~56°, 延伸14.7km, 断距为0.35km 基底、火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组 兰家东北—合隆半地堑沉积 兰家断裂 兰家构造带 走向北北东向, 倾向南东东向, 倾角为57°~65°, 延伸17.89km, 断距为1.6km 基底、火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组 兰家东部半地堑沉积

表 1 兰家—合隆—布海地区一级断裂综合表

二级断裂断面呈上陡下缓的犁式, 断层活动具有一定的同生性, 规模一般, 延伸长度大于5km, 走向以北北东向为主, 倾向南西西向和南东东向平行排列出现。断裂组合和剖面显示为地垒、地堑内部控制的局部构造断层, 活动过程中表现为继承性, 但强度不规则性变化, 部分断裂在营城组—泉一段沉积期发生强烈反转, 出现断裂顶部逆断层、底部正断层的现象, 对圈闭的形成、规模起到推动作用, 且控制其延伸方向, 如2号圈闭(表 2、图 4)。

表 2

表 2 兰家—合隆—布海地区二级断裂综合表 名称 类型剖面(N→S) 分布位置 性质与最大断距 断切层位 控制作用 合隆—布海反转断裂 布海构造带 走向北北东向, 倾向南西西向, 倾角为37.4°~41.7°, 延伸10.2km, 断距为0.46km 沙河子组、营城组、登娄库组、泉一段 布海反转构造带形态与洼陷沉积 兰家西北断裂 兰家构造带西北部 走向北北东向, 倾向南东东向, 倾角为19°~40°, 延伸16.1km, 断距为0.15km 基底、火石岭组、沙河子组、营城组、 兰家西北部复式半地堑沉积 兰家东北断裂 兰家构造带东北部 走向北北东向, 倾向南东东向, 倾角为63.2°~75°, 延伸6.46km, 断距为0.1km 基底、火石岭组、沙河子组、营城组、 兰家东部半地堑沉积

表 2 兰家—合隆—布海地区二级断裂综合表

三级断裂性质多样化, 大多为后生正断裂, 多发育在主干同生断裂的交会处, 多为平板式, 多属于调节断裂。断裂延伸一般在8km以内, 走向以北东—南西向为主, 倾向以南东向或北西向为主, 主要分布在一级主断裂和二级断裂的边缘, 以及一级断裂、二级断裂的转换区, 起到应力调节作用, 对沉积无控制作用, 但使构造和油气运移方向复杂化。

通过地震解释结果对断裂进行组合, 依据断陷期与坳陷期的盆内结构、叠置关系、圈闭分布, 以及次生气藏内浅层富集区的构造样式, 将研究区浅层构造单元划分为怀德凸起—超覆—披覆构造带、合隆—兰家中央隆起—地堑构造带、东部布海控凹断裂台阶3个构造带(图 4)。

位于研究区西南部, 断层主要发育在深层, 走向为北北东—南南西向, 为向北东方向倾伏的单斜地层结构。深部层系超覆在古凸起基底之上, 浅部层系披覆在下部中、深层之上。平面上, 构造圈闭类型不发育, 分布范围局限。

位于研究区中部, 近南北向分布, 断层主要发育在中、深部层段, 部分断至浅部反转构造层中, 走向以北北东—南南西向为主。下部为中、深部层系组成的地堑(受反转构造作用营城组、沙河子组上段区域性缺失), 上部为浅部层系的反转背斜, 且紧紧地披覆在下伏沙河子组、营城组之上。平面上, 构造圈闭类型多样, 分布范围广, 最大面积可达43.8km², 约占研究区圈闭总面积的41%(图 4a)。

位于研究区东北部, 布海区东南部, 走向为北北东—南南西向, 为向北西方向倾伏的单斜地层结构。基底为古凸起, 缺失深部两套层系, 仅残留中部层系, 浅部层系全区披覆于下伏地层之上。边界断层即为基底面, 中、浅部层系为裂陷期地层, 其中间发育有一系列二级断层。西部外边沿浅部层系中大部分断层发生反转, 形成“下正上逆”的布海反转构造带, 而台阶处, 登娄库组浅层沉积厚度薄。平面上, 构造圈闭类型不发育。

研究区断陷—坳陷期构造沉积演化隶属松辽盆地东南隆起区, 经历热拱、裂陷、坳陷及反转4个主要阶段^[16-18], 伸展构造和反转构造形成了两大构造沉积域, 属于伸展—反转共同运动作用下的正断裂—反转构造组合。断裂活动持续至泉头组沉积期, 中间相应各地层沉积末期均有构造反转出现, 反转活动程度相对嫩江组—明水组沉积期较弱。

根据面积守恒原理, 选取覆盖全区5个代表性地震剖面作平衡剖面演化, 利用构造参数对不同时期不同构造单元构造运动强度进行分析。结果表明, 沙河子组及营城组沉积期构造运动及断裂活动均较为强烈, 而登娄库组—泉一段沉积期则以反转构造为主。图 5显示, ①纵向上, 火石岭组—泉一段沉积期, 构造运动总体减弱, 其中, 沙河子组沉积期构造运动在整个盆地中最强, 而泉一段沉积期构造运动显著减弱, 证明了登娄库组沉积末期反转结束后, 发生面积庞大的构造沉降, 已经进入坳陷阶段; 反转期, 4期构造反转速率增强, 断坳阶段沙河子组沉积末期出现急剧反转, 营城组沉积末期和登娄库组沉积末期构造反转程度相当, 而火石岭组沉积末期为反转构造初始阶段。②平面上, 根据测线位置所对应的构造带可知, 断坳期平面上构造演化具有特色性, 中北部构造最为强烈, 为应力爆发区, 向两侧分散, 断裂活动最弱区位于怀德凸起—超覆—披覆构造带, 在地层沉积和断裂形成过程中, 均向东南方向迁移, 形成叠加层位和多米诺式半地堑; 反转期, 东面受布海大断裂影响, 东北部反转程度最大, 其次为西南部怀德凸起, 兰家、合隆反转程度相当。

图 5

图 5 沉积—反转期构造伸缩率直方图(测线位置见图 4a) 构造伸缩率正值表示沉积期; 负值表示反转期

据前人悉知^[19-22], 松辽盆地德惠断陷烃源岩主力层位于沙河子组和营城组, 其次为登娄库组下段, 其中深层烃源岩因成熟早、埋藏深、热裂解程度高等特点, 成为天然气中、浅层成藏的主要来源。登娄库组沉积期为凹陷区深层烃类首次裂解生气阶段, 此时中层烃源岩成为该时期的主力生油层; 泉头组沉积期, 为中层生油高峰期, 至晚白垩世时期中、深部地层生气阶段基本奠定, 进入生气高峰。早白垩世中期步入盆地演化坳陷阶段, 全区范围内处于油气成藏时期, 成藏过程中经历了登娄库组沉积末期(120Ma)、泉头组—嫩江组沉积期(103—85Ma)和嫩江组沉积末期(76Ma)3个关键时期(图 6)。

图 6

图 6 研究区天然气浅层成藏事件时空配置关系图[21] J3h—火石岭组; K1s—沙河子组; K1y—营城组; K1d—登娄库组; K1q—泉头组; K2q—青山口组; K2y—姚家组; K2n—嫩江组; K2s—四方台组; K2m—明水组

伸展—收缩断陷盆地断裂活动高峰期处在中、深部地层沉积期, 构造运动时断裂切割上、下烃源岩和储层, 并与浅部储层相贯通, 促使天然气垂向或侧向长距离运移, 缩短运移轨迹和时间; 断裂收缩期为气藏或圈闭调整阶段, 伴随有新旧气藏或圈闭的更替^[23-24]。对于研究区而言, 各地层沉积末期盆内均有一次构造强度不一的反转运动(图 5), 形成多个区域性或局部不整合界面, 且每次反转结束后均发生新的断裂, 在伸展—压缩—伸展往返的过程中, 断层与断层、断层与不整合面之间形成配对关系, 扩大天然气纵向和平面上的运移, 倾向于在构造高点大规模成藏。

研究区登娄库组作为浅层气藏勘探潜力层的重大原因是输导体系迥异(图 7), 区域性构造特征和演化表明:①中部地层沉积末期, 反转构造叠加, 剥蚀边界外延, 在合隆—兰家构造带、布海构造带出现浅部地层直接与深部地层呈大规模的高角度不整合接触, 形成不整合气藏和“倒灌式”气藏。此外, 登娄库组沉积末期反转构造引发上段地层在背斜的高弧度范围内发生撕裂, 储层物性得以改善, 形成裂缝性气藏, 而底部地层挤压变形, 孔渗性变差, 异常高压明显剧增, 为天然气的运移提供动力。②反转与伸展作用的多次交替出现, 形成负反转和正反转两种反转构造类型, 正反转构造加强封堵性、增添圈闭数目、类型及面积等, 负反转构造破坏原生气藏, 天然气沿输导体系向低势区汇聚, 故间断性反转构造所产生的气源断裂为次生气浅层成藏的关键因素。③伸缩率、伸缩量、生长指数等参数统计表明, 地层由下至上沉积过程中, 构造活动逐渐减弱, 登娄库组上段绝大多数三级及以下断裂消失, 而此类断裂与下部气源通道沟通良好, 如复式半地堑等, 在上部储层中形成较好的断裂气藏。④局部地区中、深部地层接触关系以超覆的形式呈现, 在边界断裂伸展活动期间发生层间滑动, 不仅形成庞大的半地堑, 而且该滑脱层与深层断裂沟通, 为天然气的浅层运移增添新通道。

图 7

图 7 不同构造带天然气主要成藏模式(测线位置见图 1)

勘探实践证实, 研究区盆地发育时间早、结构变形强, 在上述构造类型和地质结构背景下形成了以中、深层为主的烃源岩层、以天然气浅层成藏为主的富集层, 成藏模式为“深部生烃—纵向输导—浅层有利区聚集”。这些浅层气藏主要得益于反转构造作用激活了在伸展期发育的气源断裂, 在高压和反转构造动力的驱动下沿断层及其破碎带等输导体系向上运移成藏。图 7显示, 不同构造带内浅层油气成藏模式略有偏差, 怀德地区构造简单, 次生气藏集中、规模小, 输送通道以一级反转断裂为主, 气藏类型有裂缝性气藏、挤压背斜断裂气藏和不整合气藏(图 7a、b); 合隆—兰家中央隆起—地堑构造带构造复杂多样, 中、深两套地层断裂活动末期出现反转叠加, 次生气藏规模大、分散、种类多, 输送通道有二级反转断裂、“焊接式”断裂、不整合面、不整合面—断裂组合、滑脱层—断裂组合、滑脱层—不整合面组合等, 气藏类型有裂缝性气藏、连通性断裂气藏、不整合气藏、“倒灌式”气藏等(图 7b、c); 布海地区受一级边界断裂控制, 储层厚度薄, 次生气藏简单、规模小, 输送通道有一级深层断裂、二级反转断裂—不整合面组合, 气藏类型有断裂气藏、不整合气藏(图 7b、c)。综合以上输导体系和气藏特征分析, 目前认为针对浅层登娄库组气藏勘探而言, 合隆—兰家中央隆起—地堑构造带勘探前景最大, 其次为怀德凸起—超覆—披覆构造带, 而东部布海控凹断裂台阶勘探风险系数较大。

(1) 研究区断陷—坳陷期地层组合分为深层、中层、浅层3套, 形成“持续断陷型、沉积继承型、叠合反转型”3种盆地构造样式, 持续断陷型、沉积继承型盆内烃源岩发育、厚度巨大; 叠合反转型有利于大规模浅层圈闭的形成, 通过激活深部断层、沟通不整合面, 天然气在浅层聚集、成藏。

(2) 研究区构造样式以中—深部伸展断裂、浅部收缩挤压反转为主, 根据盆地结构、叠合关系及构造样式, 浅层构造单元划分为怀德凸起—超覆—披覆构造带、合隆—兰家中央隆起—地堑构造带、东部布海控凹断裂台阶, 其中怀德凸起—超覆—披覆构造带为拉伸作用最强烈区, 而收缩最强烈区位于合隆—兰家中央隆起—地堑构造带与东部布海控凹断裂台阶。

(3) 受反转作用的影响, 天然气浅层聚集呈现四大特点, 对应“深部生烃—纵向输导—浅层有利区聚集”成藏模式。不同构造带输导体系、气藏类型有差异, 发育有断裂、不整合、滑脱层及组合型输导体系和裂缝性、断裂、不整合和“倒灌式”等气藏类型, 合隆—兰家中央隆起—地堑构造带浅层最具有勘探前景。