高郵凹陷斷層控油氣作用的多樣性

高先志，李 浩，劉啟東

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油化工股份有限公司江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州 225012）

0 引 言

高郵凹陷是蘇北盆地最重要的含油氣凹陷，其斷層十分發(fā)育。因此，在高郵凹陷油氣勘探研究中，許多學(xué)者十分重視對(duì)斷層的研究［1－9］。然而其研究多集中在斷層活動(dòng)性及封閉性方面，對(duì)斷層在高郵凹陷油氣成藏作用性質(zhì)和特點(diǎn)上的認(rèn)識(shí)還不夠清晰。為此，筆者在分析高郵凹陷斷層發(fā)育時(shí)期和分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合油氣分布特點(diǎn)，系統(tǒng)研究和梳理了斷層在控油氣方面的作用類(lèi)型和特點(diǎn)，總結(jié)提出高郵凹陷斷層控油氣多樣性思想，以期對(duì)斷層在油氣成藏中的作用有更全面的認(rèn)識(shí)，完善復(fù)雜斷塊油氣成藏理論，并指導(dǎo)高郵凹陷油氣精細(xì)勘探。

1 地質(zhì)概況

高郵凹陷是位于蘇北盆地南部的一個(gè)次級(jí)凹陷（圖1），東起吳堡低凸起，西至菱塘橋低凸起，南為通揚(yáng)隆起，北接柘垛低凸起，東西長(zhǎng)約100km，南北寬25～30km，面積達(dá)2 670km2。蘇北盆地是在下?lián)P子構(gòu)造形變極為復(fù)雜的古、中生界基礎(chǔ)上發(fā)展演化形成的陸相斷陷型含油氣盆地。自晚白堊世以來(lái)，蘇北盆地經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（表1），高郵凹陷受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和邊界斷層演化的影響，形成了北部斜坡帶、中央深凹帶和南部斷階帶等3個(gè)構(gòu)造單元，并在縱向上形成了三套生儲(chǔ)蓋組合。其中泰二段、阜二段下部和阜四段上部為烴源巖發(fā)育層段，泰州組一段、阜寧組一段及三段、戴南組、三垛組為儲(chǔ)集層主要發(fā)育層段。

圖1 蘇北盆地高郵凹陷構(gòu)造略圖Fig.1 Sketch tectonic map of Gaoyou Sag in Subei Basin

表1 高郵凹陷中、新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地層Tab.1 Mesozoic and Cenozoic tectonisms and stratigraphy in Gaoyou Sag

2 斷層特征

高郵凹陷斷層十分發(fā)育，并且在不同層位和不同構(gòu)造位置，斷層發(fā)育時(shí)期和規(guī)模都有很大的不同，分布特點(diǎn)和組合特點(diǎn)也有差異。

2.1 斷層活動(dòng)時(shí)期

按照活動(dòng)期次，高郵凹陷斷層可分為儀征期—鹽城期、吳堡期—鹽城期和吳堡期—三垛期等長(zhǎng)期活動(dòng)斷層以及吳堡期、三垛期和鹽城期等短期活動(dòng)斷層（圖2、3）。從圖2可見(jiàn)，反射界面（阜寧組頂界面）以上的上構(gòu)造層斷層多為三垛期斷層反射界面以下的下構(gòu)造層斷層多為吳堡期斷層。

斷層活動(dòng)時(shí)期的早晚決定了其對(duì)油氣是否起控制作用以及起控制作用類(lèi)型的不同，因此可依據(jù)斷層活動(dòng)時(shí)期與大規(guī)模油氣運(yùn)移時(shí)間的先后關(guān)系將斷層劃分為早期斷層、同期斷層和晚期斷層。吳堡期斷層為早期斷層，三垛期斷層為同期斷層，鹽城期斷層為晚期斷層。

圖2 高郵凹陷斷層分布剖面Fig.2 Section of faults distribution in Gaoyou Sag

圖3 高郵凹陷阜寧組斷層平面分布特征Fig.3 Characteristics of faults horizontal distribution in Funing Formation of Gaoyou Sag

2.2 斷層級(jí)別劃分及其分布特點(diǎn)

按照斷層發(fā)育規(guī)模，高郵凹陷斷層可分為四級(jí)。一級(jí)斷層包括吳①斷層和真①斷層，它們控制了高郵凹陷南斷北超的箕狀斷陷結(jié)構(gòu)（圖2）；二級(jí)斷層包括吳②斷層、真②－1斷層、真②－2斷層和漢留斷層，它們控制了高郵凹陷南北分帶、東西分區(qū)的構(gòu)造格局以及三四級(jí)斷層的展布特點(diǎn)（圖2、3）。上述一、二級(jí)斷層斷距大，為700～3 500m，平面延伸距離遠(yuǎn)，一般大于40km。

從斷層傾向看，北傾向斷層主要分布在凹陷東緣，在靠近凹陷南部邊界斷層絕大多數(shù)為西北傾向，而在凹陷中部及北部則南東傾向斷層相對(duì)增加［6］。高郵凹陷斷層走向基本為北東、北東東或東西向展布，以北東東向密度最大（圖3）。

2.3 斷層剖面組合樣式

高郵凹陷斷層在剖面上可分為階梯狀、多米諾式、“y”字形和花式等4種組合樣式。前兩種主要發(fā)育在下構(gòu)造層，后兩種主要發(fā)育在上構(gòu)造層。階梯狀斷層組合主要分布在南部斷階帶阜寧組地層中；多米諾式斷層組合主要分布在北部斜坡帶；“y”字形斷層組合在盆地邊界發(fā)育較多；花式斷層組合主要分布在漢留斷裂帶（圖2）。這些不同組合樣式影響著油氣輸導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)樣式和油氣藏縱向分布模式。

3 斷層對(duì)油氣的控制作用

3.1 控源斷層對(duì)有效烴源巖的控制作用

控源斷層是指對(duì)烴源巖的形成、演化、分布位置和規(guī)模有重要控制作用的斷層，它一般為控洼槽斷層，發(fā)育規(guī)模大，具有長(zhǎng)期活動(dòng)的特點(diǎn)。

高郵凹陷的控源斷層包括吳①斷層、真①斷層、真②－1斷層和真②－2斷層以及吳②斷層和漢留斷層。這些斷層基本控制了洼槽帶的展布，影響著烴源巖演化進(jìn)程，控制了成熟烴源巖主要分布范圍。

圖4為高郵凹陷阜四段有效烴源巖分布圖。從圖4可見(jiàn)：一方面，有效烴源巖的分布主要沿上述控源斷層下降盤(pán)分布；另一方面，控源斷層控制了有效烴源巖生烴時(shí)間?？卦磾鄬踊顒?dòng)性控制了次洼烴源

圖4 高郵凹陷阜四段有效烴源巖分布Fig.4 Distribution of effective hydrocarbon source rocks of the fourth member of Funing Formation in Gaoyou Sag

許多學(xué)者研究表明，斷層對(duì)油氣的生成、運(yùn)移、聚集和分布有重要的控制作用，并且斷層控油氣作用具有明顯的時(shí)空性，一條斷層在不同位置（縱向上和橫向上）以及不同時(shí)期對(duì)油氣控制作用的性質(zhì)和能力可能是變化的，或者可能同時(shí)起到多種控制作用［10－13］。斷層的這些作用在高郵凹陷都有體現(xiàn)。據(jù)高郵凹陷斷層對(duì)油氣在生成、運(yùn)移、聚集和分布等環(huán)節(jié)所表現(xiàn)的主要控制作用，可將高郵凹陷斷層劃分為控源斷層、供烴斷層、改向斷層、成圈斷層以及調(diào)整破壞斷層。巖層的埋藏深度，從而決定了烴源巖的生烴演化歷史。圖5、6分別表示了邵伯、樊川和劉五舍3個(gè)次洼的控洼斷層活動(dòng)性及3個(gè)次洼中阜四段烴源巖的演化歷史。從圖5、6可見(jiàn)，吳堡運(yùn)動(dòng)（距今53Ma）真②－2斷層在戴一段和戴二段地層沉積期斷層活動(dòng)絕對(duì)速率和落差都較大，且西段大于東段，這種差別造成了西部的邵伯次洼阜四段烴源巖開(kāi)始生烴時(shí)間早于東部的樊川次洼和劉五舍次洼，體現(xiàn)了控源斷層時(shí)空演化的不均衡性，決定了不同次洼的烴源巖成熟度演化的差異性。

圖5 真②－2斷層在不同次洼的活動(dòng)史Fig.5 Activity histories of Zhen②－2Fault in different sub－sags of Gaoyou Sag

圖6 高郵凹陷不同次洼阜四段烴源巖生烴史Fig.6 Hydrocarbon generation histories of hydrocarbon source rocks in the fourth member of Funing Formation in different sub－sags of Gaoyou Sag

圖7 高郵凹陷主要供烴斷層斷面形態(tài)和油氣分布Fig.7 Section morphology and oil／gas distribution of the main faults supplying hydrocarbon in Gaoyou Sag

3.2 供烴斷層對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用

供烴斷層（又稱(chēng)油源斷層）是指那些溝通有效烴源巖并導(dǎo)致油氣從烴源巖向源外運(yùn)移的斷層。供烴斷層主要為分布在烴源巖分布區(qū)的大斷層，一般控源斷層（控洼斷層）本身是供烴斷層；另外，烴源巖層上部發(fā)育的深大斷層也起到供烴斷層的作用。供烴斷層對(duì)油氣運(yùn)移的控制作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①控制了主運(yùn)移通道的走勢(shì)；②有利于油氣的快速成藏。

3.2.1 供烴斷層斷面形態(tài)控制了主運(yùn)移通道和油氣富集位置

供烴斷層的斷面形態(tài)控制油氣主運(yùn)移通道。一般而言，斷面越陡，斷層輸導(dǎo)油氣的動(dòng)力越大，同時(shí)凸斷面脊線易形成油氣匯聚流［14］，陡斷面和凸斷面脊線為油氣主運(yùn)移通道。圖7為高郵凹陷供烴斷層斷面構(gòu)造形態(tài)與戴南組油氣藏分布疊合圖。從圖7可見(jiàn)，油氣主要分布在陡斷面和凸斷面脊線部位，體現(xiàn)了供烴斷層的空間幾何形態(tài)控制區(qū)帶油氣富集。

3.2.2 供烴斷層有利于油氣的快速成藏

供烴斷層輸導(dǎo)油氣具有快速、高效的特征［15］，這在高郵凹陷也得到很好的體現(xiàn)。高郵凹陷斷裂帶油藏的主要輸導(dǎo)通道為斷層，其儲(chǔ)層中與烴類(lèi)包裹體共生的鹽水包裹體測(cè)溫資料用于模擬油氣充注時(shí)限，其時(shí)限只有1～3Ma（表2），這說(shuō)明供烴斷層輸導(dǎo)油氣聚集成藏是在較短時(shí)間內(nèi)完成的。

供烴斷層附近垂向分布的系列油藏中含氮化合物的組成也能說(shuō)明其快速成藏特點(diǎn)。一般而言，原油密度和弱極性含氮化合物的相對(duì)含量隨油氣運(yùn)移距離的增加而增加［16－17］。圖8為真②－1和漢留2個(gè)供烴斷層附近油藏中的含氮化合物分布。從圖8可見(jiàn)，斷層附近垂向呈串珠狀分布的系列油氣藏以及同一側(cè)斷層的油氣藏從下往上原油密度和極性弱的含氮化合物相對(duì)質(zhì)量濃度并沒(méi)有明顯變化，這間接說(shuō)明供烴斷層輸導(dǎo)油氣的快速高效性，從而導(dǎo)致各油藏原油分異不明顯。

表2 高郵凹陷油氣成藏時(shí)間Tab.2 Accumulation times of oil／gas in Gaoyou Sag

圖8 高郵凹陷斷裂帶油氣運(yùn)移剖面Fig.8 Section of oil／gas migration in the fault zone of Gaoyou Sag

3.3 改向斷層影響油氣分布區(qū)和層位

改向斷層是指位于油氣運(yùn)移的路線上并使油氣運(yùn)移方向發(fā)生改變的斷層。改向斷層的實(shí)質(zhì)是由于不封閉斷層的通道作用，導(dǎo)致油氣沿?cái)鄬舆\(yùn)移從而調(diào)整了輸導(dǎo)油氣的層位和運(yùn)移方向。因此，輸導(dǎo)斷層與不同產(chǎn)狀和結(jié)構(gòu)的輸導(dǎo)地層可組合成不同的輸導(dǎo)油氣樣式，從而起到不同的改向作用，并形成不同的運(yùn)移聚集模式（圖9）。

高郵凹陷上構(gòu)造層花式組合斷層多為改向斷層，如漢留斷裂帶永安地區(qū)的多組斷層；下構(gòu)造層的多米諾式組合斷層錯(cuò)動(dòng)了其頂部的阜二段烴源巖，改變了油氣在阜寧組儲(chǔ)集層的運(yùn)移層位，也屬于改向斷層。改向斷層組合導(dǎo)致不同的改向效果，并控制了高郵凹陷油氣分布區(qū)和分布層位。

（1）阜四段區(qū)域蓋層之上的上構(gòu)造層花式組合斷層導(dǎo)致油氣呈“放射狀”向上運(yùn)移。這種組合形式的改向斷層擴(kuò)大了油氣運(yùn)移空間，不利于油氣富集［圖9（a）］。正是由于改向斷層的存在，造成永20斷塊以北地區(qū)少有油氣分布。

圖9 高郵凹陷改向斷層控油氣成藏模式Fig.9 Accumulation models of oil／gas controlled by adjusting faults in Gaoyou Sag

（2）阜四段區(qū)域蓋層之下的多米諾式反向斷層組合使得油氣逐步向上部新層段運(yùn)移，由于反向斷層改向作用，造成油氣泄漏于區(qū)域蓋層之上，表現(xiàn)出分散油氣的效應(yīng)［圖9（b）］，如沙26斷塊阜一段油氣向沙40斷塊阜三段油藏的改向運(yùn)移。

（3）阜四段區(qū)域蓋層之下多米諾式順向斷層組合可使得油氣向?qū)ΡP(pán)上部老地層運(yùn)移。由于順向斷層調(diào)節(jié)作用發(fā)生在區(qū)域蓋層之下，這樣能匯聚多套源巖生成的油氣，起到集中油氣的“富集效應(yīng)”作用［圖9（c）］。這種現(xiàn)象在深凹帶兩側(cè)和內(nèi)斜坡地區(qū)較為普遍，如南斷階和沙埝內(nèi)坡地區(qū)可能匯聚了阜四段和阜二段烴源巖生成的油氣。

3.4 成圈斷層的封閉性控制圈閉有效性

成圈斷層是指能形成圈閉的斷層。高郵凹陷分布兩類(lèi)與斷層有關(guān)的圈閉：一類(lèi)是形成斷背斜、斷鼻、斷塊等構(gòu)造圈閉，形成這類(lèi)圈閉的斷層主要分布在高郵凹陷中東部的沙埝、瓦莊、陳堡、真武、富民和永安等地區(qū)；另一類(lèi)是形成斷層－巖性復(fù)合圈閉，形成這類(lèi)圈閉的斷層主要分布在高郵凹陷西部的黃玨、馬家嘴和聯(lián)盟莊等地區(qū)。

斷層能否形成圈閉主要取決于斷層的封閉性。從封油氣機(jī)理看，斷層封閉與否是由斷裂帶的排替壓力與烴類(lèi)浮力之差所決定［18－19］。許多學(xué)者對(duì)斷層封閉機(jī)理、影響因素及斷層封閉性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行過(guò)論述和探索［20－28］。高郵凹陷斷層封閉性研究結(jié)果表明，地層砂巖含量（砂層厚度與地層總厚度的比值）是評(píng)價(jià)斷層封閉性的有效參數(shù)。遮擋盤(pán)砂巖含量小于18%的地層段斷層完全封閉；遮擋盤(pán)砂巖含量超過(guò)37%的地層段斷層則完全開(kāi)啟；遮擋盤(pán)砂巖含量為18%～37%的地層段斷層封閉性不確定［6，8］。

斷層封閉性具有時(shí)空變化性，即在不同時(shí)期同一條斷層在不同位置的封閉性都可能不同。這意味著不同時(shí)期和不同位置的斷層圈閉有效性可能有很大差異。以周41斷塊油藏為例，其遮擋斷層為吳①斷層，泰一段三套砂層組厚度都較大，橫向連通性和物性都好，但只有泰一段二亞段和一亞段底部油氣富集，主要因?yàn)樵摱蝺?chǔ)層對(duì)置盤(pán)的砂巖含量小于20%，而泰一段一亞段上部和三亞段的儲(chǔ)層對(duì)置盤(pán)的砂巖含量都大于30%，吳①斷層在泰一段二亞段的封閉性明顯好于一亞段和三亞段（圖10）。

圖10 周41斷塊泰一段油氣顯示與吳①斷層對(duì)置盤(pán)砂巖含量關(guān)系Fig.10 Relationship of oil／gas shows in the first member of Taizhou Formation in Zhou41Fault Block to the sand percentages of downside in Wu①Fault

3.5 斷層對(duì)油氣藏的調(diào)整破壞作用

斷層調(diào)整破壞油氣藏是指斷層對(duì)已經(jīng)形成的油氣藏產(chǎn)生破壞性影響而導(dǎo)致油氣完全流失或不完全泄露。對(duì)油氣藏調(diào)整破壞的斷層既可以是油氣藏形成以后因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)新產(chǎn)生的切割油氣藏的斷層，也可以是再活動(dòng)的老斷層。斷層對(duì)油氣藏的調(diào)整和破壞從本質(zhì)上是由于新生斷層或老斷層再活動(dòng)而導(dǎo)致斷層封閉性變差或斷層完全不封閉。油氣藏被調(diào)整破壞后，從原油氣藏泄露的油氣還可在淺層的有效圈閉中形成次生油氣藏。

對(duì)高郵凹陷油氣藏有調(diào)整破壞作用的斷層多為三垛期和鹽城期活動(dòng)的斷層，其中主要為三垛運(yùn)動(dòng)時(shí)期復(fù)活的三級(jí)斷層，如下構(gòu)造層中的“開(kāi)窗”斷層（頂部切割T33反射層的斷層）以及長(zhǎng)期活動(dòng)的一、二級(jí)大斷層，如吳①斷層和漢留斷層。

次生油藏與被調(diào)整后的油藏間在原油密度和圈閉充滿度方面具有關(guān)聯(lián)性，即次生油藏中原油密度一般比調(diào)整后油藏的原油密度要輕，調(diào)整后的油氣藏圈閉體積充滿度（體積分?jǐn)?shù)）都小于100%。如沙19斷層控制的阜一段和阜三段斷塊油藏（圖2、表3）的上部油藏（阜三段油藏）原油密度為0.839g／cm3，比下部油藏（阜一段油藏）原油密度（0.885g／cm3）??；上部油藏圈閉體積充滿度為100%，而下部油藏的圈閉體積充滿度只有54%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，再活動(dòng)斷層的封閉性減弱導(dǎo)致油氣向上滲漏，稱(chēng)為斷層的“弱封閉泄漏作用”。沙19斷層為“開(kāi)窗斷層”，三垛期導(dǎo)致沙19斷層復(fù)活，從而使斷層封閉性變差，其斷層封閉能力小于原來(lái)油氣柱向上的浮力，油藏上部的油氣會(huì)率先通過(guò)斷層向上運(yùn)移到阜三段圈閉中，直到阜一段油藏中的斷層封閉性與剩余油柱浮力達(dá)到新的平衡。由于油氣泄漏，在沒(méi)有新的油氣快速補(bǔ)給時(shí)，阜一段油藏必然出現(xiàn)圈閉充滿度減?。ǎ?00%）；另外，由于油藏內(nèi)烴類(lèi)組成的非均質(zhì)性，油藏頂部油氣密度總是比油藏下部油氣密度小，所以頂部油氣率先通過(guò)斷層不斷泄漏必然會(huì)導(dǎo)致被調(diào)整油藏中原油密度越來(lái)越大。

表3 高郵凹陷沙19斷塊油藏特征統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical results of characteristics of oil／gas reservoirs in Sha19Fault Block of Gaoyou Sag

4 結(jié) 語(yǔ)

高郵凹陷斷層十分發(fā)育，其多期性和多樣性發(fā)育特點(diǎn)在時(shí)空上形成了對(duì)油氣生成、運(yùn)移、聚集和分布控制的多面性和復(fù)雜性。根據(jù)斷層控油氣作用的性質(zhì)，可把斷層分為控源斷層、供烴斷層、改向斷層、成圈斷層和調(diào)整破壞斷層。控源斷層控制有效烴源巖展布和生烴時(shí)期的早晚；供烴斷層控制油氣主運(yùn)移通道的走勢(shì)；改向斷層影響油氣的富集層位和油氣富集區(qū)的位置；成圈斷層控制圈閉的類(lèi)型及分布；調(diào)整破壞斷層導(dǎo)致圈閉充滿程度和原油物理性質(zhì)的改變。斷層在高郵凹陷油氣成藏中具重要地位，其油氣藏形成是“成也斷層，敗也斷層”，“斷層不是萬(wàn)能的，但沒(méi)有斷層是萬(wàn)萬(wàn)不能的”；因此，深入研究不同斷層在不同時(shí)期和不同位置時(shí)的作用性質(zhì)對(duì)高郵凹陷精細(xì)油氣勘探有重要意義。

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