源外斜坡區(qū)順向和反向斷裂控藏差異性
——以渤海灣盆地冀中坳陷文安斜坡中南部為例

劉峻橋，王海學(xué)，呂延防，孫同文，張夢迪，何偉，孫永河，張桐，王超，曹蘭柱

（1. 廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名 525000；2. 東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；3. 中國石化石油工程地球物理公司南方分公司，成都 610041；4. 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712；5. 中國石油華北油田公司，河北任丘 062552）

0 引言

源外斜坡區(qū)是指超出有效烴源巖區(qū)展布范圍、距離生油凹陷一定距離的斜坡區(qū)[1]，通常情況下，生油凹陷烴源巖生成的油氣在斷裂的配合下可沿連通砂體側(cè)向運移至斜坡區(qū)并在相應(yīng)圈閉內(nèi)聚集成藏[2-3]。斷裂作為一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，其與地層產(chǎn)狀之間的配置關(guān)系不同導(dǎo)致不同斷裂附近油氣藏規(guī)模和分布存在明顯差異[4-7]，順向和反向斷裂是斜坡區(qū)2種常見的控藏斷裂類型，順向斷裂傾向與地層傾向相同，而反向斷裂傾向與地層傾向相反。前人曾對斷裂在油氣勘探中的作用進(jìn)行了大量的研究和探討，主要包括斷裂作為重要的運移通道對油氣運移的控制作用[8-10]、斷裂對儲集層的改造作用[11-12]、斷裂對油氣聚集的遮擋作用[13-14]等方面。然而，關(guān)于順向和反向斷裂聚油差異性的研究主要集中在斷層封閉性對油氣聚集的控制作用方面，研究表明：反向斷裂與儲集層對接的部位為滑動破碎帶，其封閉油氣的遮擋物為泥巖；順向斷裂與儲集層對接的部位為誘導(dǎo)裂縫帶，封閉油氣的遮擋物為斷層巖，并從斷層巖與儲集巖排替壓力關(guān)系的角度出發(fā)認(rèn)為反向斷裂側(cè)向封閉能力較順向斷裂側(cè)向封閉能力強[15-16]。這些研究僅從斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和斷裂兩盤幾何關(guān)系角度來分析順向和反向斷裂封閉能力對油氣保存條件的影響，缺少斷裂形成演化規(guī)律和斷層圈閉形成機理方面的研究和探討，這無疑不利于斷裂控藏理論研究的深入。此外，以往研究認(rèn)為巖性圈閉、地層圈閉以及構(gòu)造-巖性圈閉是斜坡區(qū)主要油氣圈閉類型[17-18]，忽略了斷層圈閉作為重要的圈閉類型在斜坡區(qū)油氣勘探中的重要作用。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷裂形成演化規(guī)律，通過研究順反向斷裂調(diào)整油氣分布層位和斷層圈閉發(fā)育部位及形成時期，開展源外斜坡區(qū)順反向斷裂控藏差異性研究。

1 地質(zhì)概況

文安斜坡位于渤海灣盆地冀中坳陷霸縣凹陷東側(cè)，整體近北北東走向，是一個東抬西傾的沉積斜坡（見圖1）。該區(qū)自下而上發(fā)育古近系沙河街組、東營組和新近系館陶組、明華鎮(zhèn)組以及第四系。漸新世以來，受張家口—蓬萊左旋走滑斷裂帶和渤海灣盆地霸縣—湯陰右旋走滑斷裂帶的影響，冀中坳陷整體處于轉(zhuǎn)換拉張的應(yīng)力場環(huán)境，縱向上發(fā)育兩套斷裂體系，分別為裂陷期發(fā)育的北北東向伸展斷裂和拗陷期轉(zhuǎn)換拉張作用下所形成的次級斷裂[19]。文安斜坡經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，但構(gòu)造活動強度較弱，地層彎曲程度低，褶皺作用不明顯，屬于典型的弱構(gòu)造帶[20]，同時，華北地區(qū)在新生代以來整體差異升降運動下，張性斷裂效應(yīng)顯著，不易導(dǎo)致地層彎曲變形，構(gòu)造變形以拉張作用為主，發(fā)育的構(gòu)造圈閉以斷層圈閉為主。

文安斜坡中南部發(fā)育的史各莊鼻狀構(gòu)造、長豐鎮(zhèn)鼻狀構(gòu)造以及議論堡鼻狀構(gòu)造帶面向生油洼槽，是油氣運移的主要指向[21]，截至目前，文安斜坡中南部發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在 3個鼻狀構(gòu)造帶的古近系沙河街組二段、沙河街組一段和東營組。油氣勘探結(jié)果顯示，不同規(guī)模的順向和反向斷裂對油氣富集部位、垂向分布層位的控制作用差異明顯，具體表現(xiàn)為：①順向斷裂控制的油氣主要分布在規(guī)模較大的斷裂附近，而反向斷裂控制的油氣則在任意規(guī)模的斷裂附近皆有分布；②同一順向斷裂控制下的油氣既有單層分布的特征，也有多層分布的特征，而同一反向斷裂控制下的油氣往往只表現(xiàn)為單層分布特征（見圖2）。針對文安斜坡這種油氣分布現(xiàn)象，從斷裂形成演化及斷層圈閉形成機制角度出發(fā)，分析順反向斷裂控藏作用的差異性。

2 斷層圈閉發(fā)育部位的差異性

斷層圈閉是指沿儲集層上傾方向受斷層遮擋所形成的圈閉，源外斜坡區(qū)主要在斷裂面向生油洼漕的一盤發(fā)育斷層圈閉，即順向斷層圈閉發(fā)育在斷裂上盤，反向斷層圈閉發(fā)育在斷裂下盤。

斷裂生長包括孤立生長、“軟連接”和“硬連接”3個階段。斷裂“軟連接”是指斷裂生長過程中，斷裂之間不直接連接，但在運動學(xué)上保持協(xié)調(diào)一致，通過位移的傳遞導(dǎo)致斷塊變形的斷裂組合方式；“硬連接”是指兩條或多條斷裂相交，斷裂之間位移可以直接轉(zhuǎn)換、傳遞的斷裂組合[22]。斷裂在孤立生長階段，其位移具有中部大，向兩側(cè)端部位移逐漸減小為零的特征[23]，孤立斷裂這種位移變化特征導(dǎo)致附近地層變形形成褶皺，在斷裂上盤發(fā)育橫向向斜構(gòu)造，受重力平衡效應(yīng)影響，下盤抬升與上盤沉降幅度近于一致，在孤立斷裂下盤位移最大位置發(fā)育橫向背斜構(gòu)造[24-25]（見圖3a）。斷裂生長進(jìn)入“硬連接”階段時，其分段生長連接的部位位移最小[26-27]，導(dǎo)致地層變形在斷裂上盤分段生長點處形成橫向背斜構(gòu)造，同時各斷層段下盤位移最大位置受地層掀斜作用形成橫向背斜構(gòu)造[25]（見圖3b）。由于斷裂斷距與位移具有線性關(guān)系，因此可以用斷裂斷距變化來表征斷裂位移變化特征。

圖1 文安斜坡構(gòu)造位置及油氣分布

圖2 文安斜坡史各莊地區(qū)油藏剖面

若斷裂斷距變化形成的橫向背斜在上傾方向受該斷裂遮擋，則相應(yīng)的橫向背斜發(fā)育部位能夠形成斷層圈閉構(gòu)造。當(dāng)順向斷裂為進(jìn)入“硬連接”階段的斷裂時，在其上盤分段生長部位發(fā)育的橫向背斜構(gòu)造受該條斷裂遮擋形成順向斷層圈閉，而下盤地層形成的橫向背斜上傾方向與地層傾向一致，難以形成斷層圈閉。反向斷裂下盤斷距最大位置在掀斜作用下形成的翹傾斷塊受該斷裂遮擋形成反向斷層圈閉，孤立生長的反向斷裂形成的斷層圈閉發(fā)育在斷裂下盤斷距最大部位，分段生長的反向斷裂形成的斷層圈閉發(fā)育在各斷層段下盤斷距最大部位（見圖4）。

圖3 斷裂橫向褶皺示意圖

順向和反向兩類斷裂在斜坡區(qū)廣泛分布。文安斜坡在轉(zhuǎn)換拉張的伸展作用下，平面上，其主斷裂表現(xiàn)為沿走向弧形展布特征，多條主斷裂之間近于平行分布，受局部走滑作用，主斷裂與部分次級斷裂呈辮式組合；剖面上表現(xiàn)為順向階梯、反向階梯和壘塹式斷裂組合方式。這些被斷裂切割的斷塊在上傾方向受順向和反向斷裂遮擋形成斷層圈閉，油氣從洼漕區(qū)向斜坡區(qū)運移的過程中，在這些斷層圈閉內(nèi)聚集成藏。據(jù)上述斷層圈閉形成機制可知，順向斷層圈閉主要發(fā)育在規(guī)模較大的已經(jīng)進(jìn)入“硬連接”階段的斷裂上盤分段生長點部位，例如議論堡地區(qū)的王仙莊斷裂；反向斷層圈閉發(fā)育在反向斷裂下盤斷距最大部位，例如史各莊斷裂（見圖1）。

圖4 斷層圈閉形成演化模式

3 斷層圈閉形成時期的差異

順向斷層圈閉發(fā)育在斷裂上盤分段生長點部位，順向斷裂進(jìn)入“硬連接”階段標(biāo)志著順向斷層圈閉開始形成，而反向斷裂開始活動時期，斷裂下盤即發(fā)生掀斜作用，形成反向斷層圈閉，即不同生長階段的斷層均可形成反向斷層圈閉，反向斷層圈閉形成于斷裂開始活動時期，定型于斷裂活動終止期（見圖4）。

源巖生排烴高峰期和圈閉形成時間匹配關(guān)系表明[28]，若圈閉形成時期早于烴源巖大量排烴期或同期，則有利于油氣在圈閉內(nèi)聚集成藏，反之，則不利于圈閉捕獲油氣。對于順向斷層圈閉而言，若油氣成藏期時斷裂即為分段生長斷裂，且分段生長部位處于“硬連接”階段，則有利于順向斷層圈閉油氣聚集成藏。對于反向斷層圈閉而言，若斷裂形成時期早于油氣成藏期，則有利于反向斷層圈閉油氣聚集成藏。

斷層圈閉的形成與沿斷裂走向斷距變化規(guī)律密切相關(guān)，要想判別斷層圈閉形成時期與油氣成藏時期是否匹配，就要恢復(fù)地質(zhì)歷史時期斷裂古斷距分布特征。目前，主要有垂直斷距相減法[29-30]和最大斷距相減法[31]2種古斷距恢復(fù)方法，垂直斷距相減法是指下部層位斷距減去垂直對應(yīng)的同剖面上部層位斷距；而最大斷距相減法是指下部層位斷距減去對應(yīng)上部層位各斷層段最大斷距。一般情況下，斷裂生長過程中，斷距隨著斷裂長度的增加，具有線性遞增的特征[32]，因此，最大斷距相減法更能夠真實反映斷裂形成演化歷史[33]。

4 斷裂垂向調(diào)整油氣分布層位的差異性

連通砂體和斷裂是源外斜坡區(qū)油氣運移的主要通道，斷裂作為斜坡區(qū)重要的垂向通道，通常對沿連通砂體側(cè)向運移來的油氣或已經(jīng)聚集的油氣起垂向調(diào)整作用。研究認(rèn)為：砂巖輸導(dǎo)脊發(fā)育部位是油氣沿連通砂體側(cè)向運移的優(yōu)勢通道[34]，斷裂活動位移變化形成的橫向背斜構(gòu)造是砂巖輸導(dǎo)脊發(fā)育的有利部位，是油氣運移匯聚的指向（見圖5a）。斷裂對油氣的垂向調(diào)整取決于斷裂對蓋層的破壞程度，通常用斷接厚度來評價斷裂對蓋層的破壞程度，其值為蓋層厚度減去斷裂斷距（見圖5b）；斷接厚度越小，斷裂對蓋層的破壞程度越大[35-36]。同一斷裂形成的橫向背斜構(gòu)造范圍內(nèi)，蓋層規(guī)模一般不會存在明顯差異，蓋層厚度可視為相近，因此，斷裂對蓋層的破壞程度主要取決于斷裂斷距的變化，斷裂斷距越大，其相應(yīng)的斷接厚度值就越小，斷裂對蓋層的破壞程度越強。

圖5 斷裂垂向調(diào)整油氣分布層位示意圖（剖面位置見圖1）

4.1 順向斷裂

順向斷裂橫向背斜軸部位于斷裂斷距最小的部位（見圖5c），若油氣沿砂體側(cè)向運移，則分段生長連接部位形成的橫向背斜軸部是油氣運移匯聚的主要指向；若油氣在順向斷層圈閉聚集，則該橫向背斜軸部是斷層圈閉最高點的位置。順向斷裂上盤形成的橫向背斜軸部斷距最小，對蓋層的破壞程度也就最小，背斜軸部向斷層段兩翼斷距逐漸增大，對蓋層的破壞程度也逐漸增大。當(dāng)蓋層未被順向斷裂破壞時，油氣不能沿斷裂進(jìn)行垂向調(diào)整，只能在蓋層之下的層位富集。當(dāng)順向斷裂破壞蓋層對油氣起垂向調(diào)整作用時，若橫向背斜軸部蓋層被斷裂破壞，橫向背斜軸部兩側(cè)斷距更大的部位蓋層破壞程度也更大，油氣均沿順向斷裂垂向調(diào)整，這種情況下，橫向背斜范圍內(nèi)，油氣均可突破蓋層在其上有利層位聚集成藏；若橫向背斜軸部蓋層未被順向斷裂破壞，僅其兩側(cè)翼部斷距較大部位蓋層被斷裂破壞，則油氣部分向橫向背斜軸部匯聚，部分垂向調(diào)整至蓋層之上（見圖5d）。因此，順向斷裂垂向調(diào)整油氣后，油氣分布既有單層分布特征，也有多層分布特征。

4.2 反向斷裂

反向斷裂下盤面向生油洼陷，下盤發(fā)育的橫向背斜軸部位于斷裂斷距最大部位（見圖5b），此部位斷裂對蓋層破壞程度最大，向兩側(cè)橫向背斜翼部破壞程度減小。若蓋層未被斷裂破壞，斷裂不能垂向調(diào)整油氣。若斷裂破壞蓋層垂向調(diào)整油氣，反向斷裂橫向背斜軸部位置對蓋層破壞程度最大，若其兩側(cè)蓋層未被斷裂破壞，則蓋層之下油氣向橫向背斜軸部匯聚，再由破壞蓋層的斷層段垂向調(diào)整至蓋層之上（見圖5e）。因此，無論反向斷裂是對側(cè)向運移而來的油氣進(jìn)行垂向調(diào)整，還是破壞斷層圈閉內(nèi)古油藏垂向調(diào)整油氣，在砂體發(fā)育良好的條件下，油氣均會向橫向背斜軸部匯聚，下部層位油氣能夠全部調(diào)整至上部層位，調(diào)整油氣表現(xiàn)為單層分布特征。

5 實例分析

文安斜坡油氣分布受斷裂控制，順向斷裂和反向斷裂對油氣分布的控制作用明顯，主要表現(xiàn)在順反向斷裂控制下油氣分布層位的差異，以及順反向斷裂形成斷層圈閉的時期與源巖大量排烴期匹配關(guān)系對油氣成藏的控制作用方面。

5.1 順反向斷裂垂向調(diào)整作用對油氣分布的控制作用

文安斜坡中南部油氣主要來自西側(cè)霸縣洼漕和馬西—鄚州洼漕沙一段源巖[37]，從深部到淺部，從洼漕區(qū)到斜坡帶，油氣沿斷裂和連通砂體呈階梯狀運移[21]。沙一段烴源巖通過順向斷裂與斜坡區(qū)沙二段、沙一段砂體對接后，生成的油氣沿連通砂體側(cè)向運移至斜坡區(qū)（見圖6）。受沉積作用和成巖作用影響，砂巖輸導(dǎo)層具有明顯的非均質(zhì)性，導(dǎo)致砂巖輸導(dǎo)層橫向連通性存在差異。砂巖輸導(dǎo)層連通性[38]評價結(jié)果表明：文安斜坡沙一段連通砂體分布面積較小，斜坡西部靠近油源區(qū)一側(cè)砂體連通性差，不能作為油氣側(cè)向運移的輸導(dǎo)通道，中部和東部砂體連通性好，可以作為油氣側(cè)向運移輸導(dǎo)通道（見圖7a）。沙二段連通砂體分布面積較沙一段大，大部分砂體連通性較好（見圖7b）。在順向斷裂對接條件下，沙一段與烴源巖對接部分砂體不連通，油氣無法沿沙一段砂體發(fā)生側(cè)向運移，而沙二段連通砂體與沙一段源巖對接，可以成為油氣側(cè)向運移的通道。

圖6 文安斜坡油氣運移聚集示意剖面（剖面位置見圖1，Nm—新近系明華鎮(zhèn)組）

文安斜坡中南部多口試油井?dāng)?shù)據(jù)顯示，順向斷裂控制下的試油井含油層位既有單層位含油，也有多層位含油特征，而反向斷裂控制下的試油井多表現(xiàn)為單層含油（見圖 8）。研究表明，文安斜坡斷裂發(fā)育具有明顯的繼承性，東營組沉積末期為文安斜坡油氣成藏期[37]，該時期斷裂活動較古近系孔店組—沙河街組沉積時期弱，但斷裂活動速率可達(dá)15 m/Ma[39]，能夠?qū)?cè)向運移來的油氣進(jìn)行垂向調(diào)整。對比文安斜坡中南部主力含油層位順反向斷裂與油氣分布關(guān)系，史各莊地區(qū)油氣主要聚集在反向斷裂下盤，沙一段和東營組油氣較為富集，沙二段以油氣顯示為主，表明沙二段曾發(fā)生過油氣運移，通過斷裂將沙二段側(cè)向運移來的油氣垂向調(diào)整至沙一段或東營組儲集層聚集成藏，長豐鎮(zhèn)和議論堡地區(qū)油氣主要聚集在王仙莊斷裂上盤，該斷裂控制下的油氣在沙二段、沙一段和東營組皆有分布。整體上，文安斜坡中南部同一反向斷裂控制下，油氣表現(xiàn)為單層分布特征，而順向斷裂控制下油氣既有多層分布、也有單層分布（見圖1、圖8）。

5.2 順反向斷層圈閉形成時期對油氣聚集的控制作用

選取文安斜坡王仙莊斷裂和史各莊斷裂 2條典型斷裂來分析順反向斷層圈閉形成時期差異對油氣成藏的影響，其中王仙莊斷裂為順向斷裂，史各莊斷裂為反向斷裂。

圖7 文安斜坡不同層位砂體連通區(qū)域劃分

圖8 文安斜坡斷裂控制下油氣垂向分布層位

圖9 文安斜坡王仙莊斷裂斷層圈閉形成時期厘定

王仙莊斷裂位于文安斜坡南部議論堡地區(qū)，整體近北北東走向。研究表明，該條斷裂共發(fā)育 7個分段生長點，表現(xiàn)為8段式生長特征（見圖9a），相應(yīng)的在分段生長點發(fā)育部位形成一系列橫向背斜（見圖5d），受上傾方向王仙莊斷裂遮擋形成順向斷層圈閉。通過最大斷距相減法恢復(fù)成藏期（東營組沉積末期）王仙莊斷裂斷距分布特征及斷裂形態(tài)（見圖9b），結(jié)果表明，東營組沉積末期，斷層圈閉①、③、④、⑤發(fā)育部位為斷裂分段生長部位，該時期這些順向斷層圈閉已經(jīng)形成，有利于油氣聚集，文117井、文121井、文86井以及文 6井等工業(yè)油藏均位于這些圈閉內(nèi)。而斷層圈閉②、⑥、⑦發(fā)育部位，成藏期斷裂尚未連接，圈閉尚未形成，不利于油氣聚集，導(dǎo)致位于這些圈閉內(nèi)的文123井、文107井和蘇88井勘探失利，文123井和文 107井均為油氣顯示井，進(jìn)一步證實了該位置曾發(fā)生過油氣運移，圈閉在油氣運移時期尚未形成是導(dǎo)致鉆探失利的主要原因。

史各莊斷裂位于文安斜坡史各莊地區(qū)，斷面東傾，是一條典型的反向斷裂，該斷裂發(fā)育 1個分段生長點，表現(xiàn)為兩段式生長特征（見圖 10a），在斷裂下盤分段生長點兩側(cè)受地層掀斜作用形成橫向背斜（見圖 5e），上傾方向受該斷裂遮擋形成反向斷層圈閉。成藏期史各莊斷裂古斷距恢復(fù)結(jié)果表明，斷裂在東營組沉積末期已經(jīng)形成，且為分段生長斷裂，反向斷層圈閉在分段生長點兩側(cè)已經(jīng)形成，有利于烴源巖大量排烴期聚集油氣（見圖10b）。文63井和文20井油藏分別位于分段生長點兩側(cè)反向斷層圈閉內(nèi)，勘探效果良好。

圖10 文安斜坡史各莊斷裂斷層圈閉形成時期厘定

6 結(jié)論

順向斷層圈閉發(fā)育在處于“硬連接”階段的斷裂上盤分段生長點發(fā)育部位，是斷裂分段生長點處發(fā)育的橫向背斜受斷裂遮擋形成的斷層圈閉構(gòu)造；任意時期反向斷裂均可形成反向斷層圈閉，反向斷層圈閉是斷裂下盤各斷層段斷距最大位置受掀斜作用形成的斷層圈閉構(gòu)造。

當(dāng)源外斜坡區(qū)斷裂對側(cè)向運移的油氣起調(diào)整作用時，若斷裂為順向斷裂，油氣可能部分調(diào)整或全部調(diào)整，既有單層分布特征，也有多層分布特征；若斷裂為反向斷裂，油氣通常全部調(diào)整至上部層位，油氣分布表現(xiàn)為單層分布特征。

順向斷裂進(jìn)入“硬連接”階段標(biāo)志著順向斷層圈閉形成，反向斷裂開始活動時期即為反向斷層圈閉形成時期，若斷層圈閉形成時期早于烴源巖大量排烴期或同期，則有利于油氣在斷層圈閉內(nèi)聚集。

文安斜坡中南部順向斷裂控制下的油氣在古近系沙二段、沙一段和東營組皆有分布，而反向斷裂控制下的油氣表現(xiàn)為僅在單一層位分布。對于王仙莊斷裂，早于油氣成藏期形成的圈閉有利于油氣聚集，勘探效果較好，部分?jǐn)鄬尤﹂]在成藏期尚未形成是導(dǎo)致這些圈閉鉆井失利的主要原因，史各莊斷裂形成的斷層圈閉形成時期早于油氣成藏期，勘探效果良好。

關(guān)于源外斜坡區(qū)油氣勘探，順向斷裂應(yīng)著眼于斷裂上盤斷距較小部位，而反向斷裂應(yīng)關(guān)注斷裂下盤斷距較大的部位。

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