油氣跨斷層側向運移評價方法
——以渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷文安斜坡史各莊鼻狀構造帶為例

王超，呂延防，王權，付廣，王有功，孫永河，霍志鵬，劉峻橋

（1. 廣東石油化工學院，廣東茂名 525000；2. 東北石油大學，黑龍江大慶 163318；3. 中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 0625522；4. 中國地質大學，北京 100083）

油氣跨斷層側向運移評價方法
——以渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷文安斜坡史各莊鼻狀構造帶為例

王超1，呂延防2，王權3，付廣2，王有功2，孫永河2，霍志鵬4，劉峻橋2

（1. 廣東石油化工學院，廣東茂名 525000；2. 東北石油大學，黑龍江大慶 163318；3. 中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 0625522；4. 中國地質大學，北京 100083）

為定量研究油氣跨斷層側向運移的可能性及發(fā)生部位，利用雙井 Knipe圖解法識別反向斷層和順向斷層上、下盤地層砂-砂并置部位及并置模式，結合試油區(qū)域斷層側向封閉油氣下限法，建立1套油氣跨斷層側向運移部位定量評價方法。將該定量評價方法應用于渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷文安斜坡史各莊鼻狀構造帶古近系沙河街組一段和二段（簡稱沙一段、沙二段），確定斷層上、下盤地層砂-砂并置部位及沙一段和沙二段的斷層泥比率（SGR）下限值分別為26%和29%，由此厘定出油氣跨斷層側向運移的發(fā)生部位。通過分析沙一段和沙二段的油氣分布特征及沙一段 4口井含氮化合物的變化趨勢，與油氣跨斷層側向運移可能發(fā)生部位的定量評價結果一致，初步驗證了評價方法的可行性。圖7表2參28

渤海灣盆地；冀中坳陷；文安斜坡；油氣側向運移；斷層泥比率；斷層側向封閉；油氣封閉下限；Knipe圖解法

0 引言

斷層在油氣運移過程中既可作為油氣垂向運移的輸導通道，又可為油氣側向運移提供輸導路徑。油氣能否跨斷層側向運移，主要取決于斷層的側向封閉能力[1-8]。截至2016年，斷層側向封閉性評價方法可分為定性和定量兩大類。定性評價方法以 Allan圖解法和Knipe圖解法為主[9-12]，其中Knipe圖解法可快速判斷斷層上、下盤地層并置情況，當斷層上、下盤地層呈砂-泥并置時具有側向封閉油氣的能力，當斷層上、下盤地層呈砂-砂并置時有利于油氣跨斷層側向運移。定量評價方法主要包括泥巖涂抹潛力法（CSP）[13]、泥巖涂抹因子法（SSF）[14]、斷層泥比率法（SGR）[15]等，其中SGR法是斷層側向封閉性定量評價的主要方法，其值與被錯斷地層內(nèi)泥巖層的累計厚度成正比、與斷距成反比。斷層側向啟閉性對于油氣運聚具有辯證關系，當斷層側向封閉時，可有效地遮擋油氣聚集成藏；當斷層側向開啟時，是油氣跨斷層側向運移的有利輸導通道。目前多是將上述定性和定量的評價方法應用于評價斷層能否側向遮擋油氣聚集成藏，應用于油氣側向運移定量分析的很少。因此，本文將定性和定量評價方法相結合，綜合分析油氣跨斷層側向運移的具體部位，對于準確指示油氣運移路徑具有理論和實踐意義。

1 油氣跨斷層側向運移部位評價方法

油氣能否跨斷層側向運移的決定因素是斷層與砂體的配置關系，即斷層上、下盤地層是否存在著砂-砂并置的情況。但是僅考慮砂-砂并置是不夠的，同時還要考慮砂-砂并置處斷層側向啟閉性。當斷層側向是封閉狀態(tài)，即使砂-砂并置油氣也不能跨斷層側向運移；反之，當斷層側向處于開啟狀態(tài)時，斷層兩側并置的砂巖層形成連通，油氣便可跨斷層側向運移。因此，識別斷層上、下盤地層是否存在砂-砂并置，以及在砂-砂并置處斷層側向啟閉性是至關重要的。

1.1 斷層上、下盤地層砂-砂并置識別方法

本文采用 Knipe圖解法判別斷層上、下盤地層是否存在砂-砂并置，其應用的前提條件是假設斷層兩側地層厚度、巖性等變化具有一致性。但是受斷層作用、同沉積作用、剝蝕作用等地質因素的影響，實際斷層上、下盤地層并不具有同一性，而是呈現(xiàn)出差異性。因此，為了盡可能真實地反映斷層兩側地層，在斷層的上、下盤各選取一口井來分別反映斷層兩側地層厚度和地層巖性等特征，即所謂的雙井 Knipe圖解法。根據(jù)斷層傾向與地層傾向的關系將斷層分為反向斷層和順向斷層，在繪制雙井 Knipe圖時，反向斷層和順向斷層的主視盤不同，且斷層兩側地層并置關系也存在著差異。反向斷層上、下盤地層并置時，斷層下盤是主視盤，受同沉積作用或剝蝕作用的影響，出現(xiàn)新的上覆地層或上盤地層發(fā)生減薄，隨著斷距和埋深逐漸增大，下盤地層與之相對應的上盤地層并置范圍變小，而與其上覆地層的并置范圍變大（見圖1a）。順向斷層上、下盤地層并置時，斷層上盤是主視盤，受壓實和剝蝕作用的影響，下盤地層厚度小于與之相對應的上盤地層厚度，隨著斷距和埋深逐漸增大，上盤地層與之相對應的下盤地層并置范圍變大，而與其上覆地層并置范圍則變?。ㄒ妶D1b）。綜上所述，基于雙井Knipe圖解法，結合順、反向斷層上、下盤地層并置模式，根據(jù)斷距和埋深之間的量化關系，可確定出斷層上、下盤地層砂-砂并置部位。

圖1 斷層上、下盤地層并置模式圖

1.2 斷層上、下盤地層砂-砂并置部位斷層側向啟閉性判定方法

依據(jù)斷層上、下盤地層砂-砂并置識別方法，可確定斷層上、下盤地層砂-砂并置部位。然而在砂-砂并置部位油氣能否跨斷層側向運移，還要取決于斷層側向啟閉性。采用斷層側向封閉油氣下限的方法，可定量分析砂-砂并置處斷層側向啟閉性。

1.2.1 斷層側向封閉油氣下限的確定

試油區(qū)域是厘定斷層側向封閉油氣下限不可或缺的因素，指由試油層位深度范圍和 2倍供油半徑共同控制斷面上的區(qū)域。Yielding[16]確定斷層側向啟閉性方法由于未考慮試油區(qū)域，得出的臨界值是不準確的。本文首先利用地震解釋成果建立斷層三維構造模型，計算出斷面上每個點的垂直斷距值，并利用錄井、測井資料計算斷移地層泥質含量，應用SGR算法計算斷層SGR值[17]；其次根據(jù)試油資料確定試油層位在斷面上的深度范圍，依據(jù)開發(fā)資料確定試油層位沿斷面走向上的控制范圍，即 2倍的供油半徑[18-19]，試油層位深度范圍和 2倍供油半徑共同控制斷面上的區(qū)域即為試油區(qū)域，確定各試油井不同層位內(nèi)對應斷面上的試油區(qū)域，并篩選出每一口井試油層位所在試油區(qū)域內(nèi)斷面最小SGR值；依據(jù)統(tǒng)計學方法，厘定研究區(qū)內(nèi)不同層位（地層）斷層側向封閉油氣的下限值SGRllt，以此下限值作為標準來判斷不同斷層在不同地層內(nèi)的啟閉性。

1.2.2 油氣跨斷層側向運移部位厘定

根據(jù)斷層上、下盤地層砂-砂并置識別方法，厘定出斷層兩側地層內(nèi)砂-砂并置部位（見圖 2a），依據(jù)SGRllt值評價地層內(nèi)砂-砂并置部位斷層側向啟閉性，即當砂-砂并置處斷層SGR值大于SGRllt值時，斷層側向封閉，是油氣聚集的有利部位；反之，則斷層側向開啟，有利于油氣跨斷層側向運移。僅確定平面上油氣跨斷層側向運移部位是不準確的，還要同時考慮剖面上油氣跨斷層側向運移部位（見圖2b）。將平面和剖面上油氣跨斷層側向運移部位相結合，便可確定油氣側向運移路徑。

圖2 油氣跨斷層側向運移部位示意圖

2 實例應用

文安斜坡位于渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷的東部，是霸縣凹陷內(nèi)的三級構造單元，包括部分洼槽區(qū)及整個斜坡帶，地層向東南逐漸超覆。斜坡東到大城凸起，西與霸縣洼槽及馬西—莫州洼槽相鄰，南到饒陽凹陷的南馬莊構造，北以里坦斷層與武清凹陷相隔，呈北北東向展布，勘探面積約1 200 km2（見圖3）。文安斜坡自下而上主要發(fā)育古近系孔店組、沙河街組、東營組和新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系。其中沙河街組三段（沙三段）和沙河街組一段（沙一段）是主要烴源巖，油氣成藏期次主要為東營組沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積期—現(xiàn)今。選取史各莊鼻狀構造帶古近系沙一段和沙二段，依據(jù)上述方法厘定油氣跨斷層側向運移路徑，并對應用效果適應性進行評價，同時利用地球化學參數(shù)驗證該方法的可行性。

2.1 斷層上、下盤地層砂-砂并置部位識別

史各莊鼻狀構造帶油氣分布受斷層控制，F(xiàn)1—F9斷層對于油氣的側向運移起到至關重要的作用。在反向斷層F5和順向斷層F9上、下盤分別選取文103井和文20井、文102和蘇71井，利用斷層上、下盤地層砂-砂并置識別方法及斷層上、下盤并置模式，確定反向斷層F5和順向斷層F9在沙一段和沙二段砂-砂并置部位（見圖4），并厘定其余斷層（F1—F4、F6—F8）在沙一段和沙二段斷層上、下盤砂-砂并置部位。

圖3 文安斜坡史各莊鼻狀構造帶斷層分布圖

2.2 斷層側向啟閉性確定

基于已厘定的史各莊鼻狀構造帶內(nèi)斷層上、下盤地層砂-砂并置部位，應用斷層側向啟閉性判定方法，定量分析斷層兩側地層內(nèi)砂-砂并置處斷層側向啟閉性。

2.2.1 斷層側向封閉油氣下限確定

首先計算文安斜坡內(nèi)斷面SGR值。在研究區(qū)內(nèi)選取33口試油井，提取控制試油井的斷層斷面SGR屬性，根據(jù)試油資料確定33口試油井在沙一段和沙二段試油深度點共計69個。根據(jù)開發(fā)資料得到井的供油半徑均為50 m，確定每口井在沙一段和沙二段斷面上的試油區(qū)域，并進一步篩選出沙一段和沙二段斷面最小SGR值（見表1）。依據(jù)統(tǒng)計學方法，厘定研究區(qū)內(nèi)沙一段和沙二段斷層側向封閉油氣的SGR下限值分別是26%和29%（見表1）。

圖4 文安斜坡史各莊鼻狀構造帶F5和F9斷層上、下盤地層并置圖

2.2.2 油氣跨斷層側向運移部位確定

在確定斷層上、下盤地層砂-砂并置部位的基礎上，以沙一段和沙二段內(nèi)斷層側向封閉油氣的SGR下限作為判定標準，定量分析砂-砂并置處斷層側向啟閉性。當沙一段、沙二段砂-砂并置部位斷層的SGR值分別大于 26%、29%時，斷層側向封閉，是油氣聚集的有利部位；反之，斷層側向開啟，有利于油氣跨斷層側向運移（見圖 5）。由此得到 F1—F9斷層在沙一段和沙二段側向啟閉的平面分布部位。斷層側向開啟部位的平面分布僅是砂-砂并置部位在平面上的投影，還要同時考慮在剖面上油氣跨斷層側向運移可能發(fā)生的部位。因此，過沙一段和沙二段斷層側向開啟的平面部位截取剖面，利用斷層側向封閉油氣下限，厘定油氣跨斷層側向運移可能發(fā)生的部位。結果表明，F(xiàn)1—F9斷層在沙二段中下部皆存在斷層側向開啟部位，而在沙一段僅F2、F5、F6、F8斷層存在側向開啟段（見圖6），這些斷層側向開啟處是油氣側向運移的有利部位。綜上所述，將平面和剖面上油氣跨斷層側向運移部位結合起來，便可確定油氣側向運移大致路徑（見圖5、圖6）。

表1 文安斜坡33口井斷面上試油區(qū)域SGR值統(tǒng)計表

3 應用效果適應性分析與驗證

3.1 應用效果及適應性分析

文安斜坡史各莊鼻狀構造帶油氣成藏期為明化鎮(zhèn)組沉積期—現(xiàn)今。由沙二段油氣跨斷層側向運移定量評價結果可知，F(xiàn)1—F9斷層在沙二段中下部砂-砂并置部位處皆是側向開啟的，不能側向遮擋油氣聚集成藏，但可作為油氣跨斷層側向運移的有利通道。由沙二段試油資料可知，除了文105井和文102井未鉆至沙二段，其余井均有油氣顯示，這與沙二段斷層側向啟閉性評價結果相吻合。

圖5 油氣跨斷層側向運移圖

圖6 油氣跨斷層側向運移剖面圖（剖面位置見圖5）

由文獻調研可知[20]，文安斜坡史各莊鼻狀構造帶沙一段油氣整體上是以側向運移為主，局部是沙二段油氣沿著斷裂向上調整至沙一段。斷層輸導油氣需要滿足 2個條件：①存在油氣成藏期活動的斷層；②斷層的斷接厚度小于斷接厚度下限值。根據(jù)斷裂系統(tǒng)的劃分，確定除F3和F8斷層之外，其余斷層皆可為油氣垂向輸導提供有利通道。在沙一段發(fā)育 2套泥巖蓋層，分別位于頂部和底部，由西向東蓋層的厚度逐漸減薄。與隆起區(qū)具有統(tǒng)一的斷接厚度下限不同，斜坡區(qū)并不具有統(tǒng)一的斷接厚度下限。因此，根據(jù)文安斜坡沙二段頂部斷距和沙一段底部泥巖蓋層厚度之間的量化關系，結合油氣垂向分布，確定中段斜坡內(nèi)帶和中段斜坡中帶斷接厚度下限分別為135 m和65 m（見圖 7）。通過分析史各莊鼻狀構造斷層在沙二段頂部斷接厚度大小，確定除F3和F8斷層之外，其余斷層皆具備垂向輸導和側向阻擋油氣的性能。由沙一段油氣跨斷層側向運移定量評價結果可知，在沙一段僅F2、F5、F6、F8斷層存在部分側向開啟段，為沙一段油氣跨斷層側向運移的有利部位。將斷層垂向調整和側向運移部位與史各莊鼻狀構造帶油氣分布特征相結合，認為文48井和文64井沙一段油氣是由F1斷層將沙二段油氣調整上來的，但是由于F2斷層在沙一段底部存在側向開啟段，造成在沙一段底部文48井為油氣顯示、文64井為油水同層，并且F2斷層繼續(xù)將運移至開啟部位的油氣垂向調整至沙一段頂部文 64井處聚集成藏。文20井沙一段的油氣則是通過F4斷層將沙二段油氣調整上來，并且由于F5和F6斷層在沙一段存在側向開啟段，使油氣跨斷層側向運移至文103井和蘇65井處聚集成藏。

3.2 地球化學參數(shù)驗證

含氮化合物的絕對濃度與烷基咔唑類化合物的比值的變化具有規(guī)律性[21-28]，可用來研究油氣運移方向。選擇油氣最可能運移的路徑（見圖5、圖6），以1,8/1,4-二甲基咔唑、1,8/1,5-二甲基咔唑、1,8/2,6-二甲基咔唑3個參數(shù)為標準，對文安斜坡史各莊鼻狀構造帶沙一段可能發(fā)生油氣跨斷層側向運移的4口井（文20、文103、文49、文65）含氮化合物進行分析。根據(jù)咔唑類含氮化合物的特點，隨著油氣運移距離的增大，3個含氮化合物參數(shù)皆增大。分析測試結果顯示（見表 2），構造低部位至構造高部位 3個含氮化合物指標整體上皆呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢，表明文安斜坡史各莊鼻狀構造帶沙一段油氣可以跨斷層側向運移，與定量評價結果相吻合，間接證明本文方法的可行性。

圖7 文安斜坡中段內(nèi)帶及中帶斷接厚度與含油氣情況

表2 沙一段含氮化合物分析測試表

4 結論

在利用雙井 Knipe圖解法厘定斷層上、下盤地層砂-砂并置部位的基礎上，結合斷層側向封閉油氣的SGR下限法，建立1套油氣跨斷層側向運移部位評價方法，即當斷層上下盤地層砂-砂并置部位SGR值大于斷層側向封閉油氣下限時，油氣不能側向跨斷層運移，反之則可運移。用此方法定量分析判斷文安斜坡史各莊鼻狀構造帶內(nèi)油氣跨斷層側向運移可能性以及發(fā)生的具體部位，確定沙一段和沙二段的SGR下限值分別為 26%和29%。通過分析文安斜坡史各莊鼻狀構造帶沙一段和沙二段油氣分布特征，結合文 20、文 103、文49、文65等4口井沙一段含氮化合物的變化趨勢，與油氣跨斷層側向運移可能發(fā)生部位的定量評價結果相吻合，證明本文方法的可行性。

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Evaluations of oil and gas lateral migration across faults: A case study of Shigezhuang nose structure of Wen’an slope in Baxian sag,Jizhong depression, Bohai Bay Basin, China

WANG Chao1, LYU Yanfang2, WANG Quan3, FU Guang2, WANG Yougong2, SUN Yonghe2,HUO Zhipeng4, LIU Junqiao2
(1.Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming525000,China; 2.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China; 3.Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,China; 4.China University of Geosciences,Beijing100083,China)

To quantitatively study the possibility and location of lateral migration of oil and gas across faults, a quantitative evaluation method for lateral migration of oil and gas across faults was established using the Shuangjing Knipe graphic method to identify the juxtaposition site and juxtaposition patterns of sand and sand in the upper and lower walls of the reverse faults and the consequent faults,combined with the oil and gas limit method of fault lateral seal in the test oil area. The quantitative evaluation method was applied to the first and two members of the Paleogene Shahejie strata (referred to as Es1 and Es2) of Shigezhuang nose structure of Wen'an slope in Baxian sag, Jizhong depression, Bohai Bay Basin, to determine the juxtaposition site of sand and sand in the upper and lower walls of the fault, and the shale gouge ratio (SGR) lower values are 26% and 29% respectively in the strata Es1 and Es2. Thus, the location of lateral migration of oil and gas across faults was determined. Based on the oil and gas distribution characteristics of the strata Es1 and Es2, and variation trend of nitrogen compounds in 4 wells in the strata Es1, the results were consistent with the quantitative evaluation of the location of lateral migration of oil and gas across faults, the feasibility of the evaluation method was preliminarily verified.

Bohai Bay Basin; Jizhong depression; Wen’an slope; hydrocarbon lateral migration; shale gouge ratio; fault lateral seal; oil and gas seal limit; Knipe diagram method

國家自然科學基金項目（41372154，41602154，41572127）；國家科技重大專項（2016ZX05007003-003，2016ZX05006-005）；中國石油科技創(chuàng)新基金（2015D-5006-0103）

TE122

A

1000-0747(2017)06-0880-09

10.11698/PED.2017.06.05

王超, 呂延防, 王權, 等. 油氣跨斷層側向運移評價方法: 以渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷文安斜坡史各莊鼻狀構造帶為例[J]. 石油勘探與開發(fā), 2017, 44(6): 880-888.

WANG Chao, LYU Yanfang, WANG Quan, et al. Evaluation of oil and gas lateral migration across faults: A case study of Shigezhuang nose structure of Wen’an slope in Baxian sag, Jizhong depression, Bohai Bay Basin, China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 880-888.

王超（1986-），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，主要從事斷層側向封閉性研究工作。地址：廣東省茂名市，廣東石油化工學院石油工程學院，郵政編碼：525000。E-mail: 13704897168@163.com

聯(lián)系作者簡介：呂延防（1957-），男，吉林德惠人，博士，東北石油大學教授，主要從事石油與天然氣地質研究工作。地址：黑龍江省大慶市開發(fā)區(qū)，東北石油大學地球科學學院，郵政編碼：163318。E-mail:571128lyf@nepu.edu.cn

2017-03-07

2017-10-12

（編輯 王暉）