基于地震資料判斷油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉的方法

付 廣,宋戴雷,王浩然

(東北石油大學(xué),黑龍江大慶163318)

油氣勘探實(shí)踐表明,油氣成藏后或多或少會(huì)受到斷裂再活動(dòng)的影響,如果油氣成藏后斷裂再活動(dòng)強(qiáng)度較大,那么泥巖蓋層封閉被破壞的可能性就較大,已聚集的油氣散失量較大。相反,如果油氣成藏后斷裂活動(dòng)強(qiáng)度較小,那么泥巖蓋層被破壞程度較小,已聚集的油氣散失量較小。對(duì)該問(wèn)題的研究是含油氣盆地?cái)嗔寻l(fā)育區(qū)油氣勘探的關(guān)鍵研究之一。雖然前人就斷裂對(duì)泥巖蓋層封閉的破壞作用進(jìn)行過(guò)大量研究和探討,但主要針對(duì)斷裂斷距和泥巖蓋層厚度的大小研究斷裂對(duì)泥巖蓋層分布持續(xù)性的破壞作用[1-4],或者基于斷層巖排替壓力和泥巖蓋層巖石排替壓力的相對(duì)大小研究斷裂對(duì)泥巖蓋層封閉能力的破壞作用[5-8]。這些研究主要針對(duì)的是斷裂在油氣藏形成過(guò)程中對(duì)泥巖蓋層的破壞作用,而油氣成藏后斷裂再活動(dòng)對(duì)泥巖蓋層封閉破壞作用的研究相對(duì)較少,僅是在油氣藏保存與破壞研究中被提及[9-12],其研究的重點(diǎn)是斷裂再活動(dòng)對(duì)油氣藏的破壞作用,而不是對(duì)泥巖蓋層封閉的破壞作用。從斷裂再活動(dòng)對(duì)泥巖蓋層封閉的破壞作用入手研究斷裂對(duì)油氣藏破壞的文獻(xiàn)資料相對(duì)較少,而且缺少定量研究方法,這不利于含油氣盆地?cái)嗔寻l(fā)育區(qū)油氣勘探的深入開(kāi)展。因此,我們利用地震資料確定油氣成藏后斷裂再活動(dòng)速率和破壞泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率,再比較二者的大小,并建立一套基于地震資料判斷油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉的方法,對(duì)于正確認(rèn)識(shí)含油氣盆地?cái)嗔寻l(fā)育區(qū)油氣分布規(guī)律和指導(dǎo)油氣勘探均具有重要意義。

1 油氣成藏后斷裂再活動(dòng)對(duì)泥巖蓋層封閉的破壞機(jī)理

油氣藏中已聚集油氣是否通過(guò)斷裂穿過(guò)泥巖蓋層向外散失,取決于斷裂再活動(dòng)對(duì)斷層巖的破壞程度。如果油氣成藏后斷裂再活動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)了斷層巖的破裂強(qiáng)度,且具有明顯的地層位移,破壞了斷層巖,產(chǎn)生了大量伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫,則會(huì)使油氣沿其向外散失,如圖1a所示,這種斷裂再活動(dòng)就可以完全破壞油氣藏。若斷裂再活動(dòng)強(qiáng)度弱,沒(méi)有明顯地層位移,這種斷裂再活動(dòng)僅能使斷層巖產(chǎn)生微裂縫。從圖2a中顯微鏡下斷層巖顯微結(jié)構(gòu)可以看出,斷裂再活動(dòng)可在斷層巖內(nèi)產(chǎn)生微裂縫。從多次斷層巖泥巖涂抹物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2b)也可以看出,斷裂再活動(dòng)可以使早期形成的斷層巖泥巖涂抹層產(chǎn)生破裂,形成裂縫。正是這些斷層巖中形成的微裂縫,使油氣通過(guò)其穿過(guò)泥巖蓋層向外散失(圖1b),從而破壞了泥巖蓋層的封閉,使油氣藏中的油氣散失,但這種斷裂再活動(dòng)破壞作用明顯較前者弱。相反,如果油氣成藏后斷裂再活動(dòng)強(qiáng)度小于斷層巖的破裂強(qiáng)度,那么斷層巖不能發(fā)生破裂,也就不能形成微裂縫,油氣藏中的油氣不能通過(guò)斷層巖穿過(guò)泥巖蓋層向外散失,如圖1c所示,斷裂再活動(dòng)不能破壞泥巖蓋層的封閉。

圖1 斷裂再活動(dòng)強(qiáng)度與泥巖蓋層是否破壞關(guān)系示意a 明顯地層位移,斷層巖破壞,泥巖蓋層封閉破壞; b 無(wú)明顯地層位移,斷層巖產(chǎn)生微裂縫,泥巖蓋層封閉破壞; c 無(wú)明顯地層位移,斷層巖無(wú)裂縫,泥巖蓋層封閉未破壞

圖2 斷裂再活動(dòng)對(duì)斷層巖的破壞作用a 顯微鏡下斷層巖出現(xiàn)微裂縫; b 多次斷層巖泥巖涂抹物理模擬實(shí)驗(yàn)中形成裂縫

2 油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉的研究方法

要判斷油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層,就必須分別確定油氣成藏后斷裂活動(dòng)強(qiáng)度和斷層巖的破裂強(qiáng)度。然而,由于受鉆井和取心限制,就目前研究技術(shù)和手段而言,還無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)斷層巖樣品確定其破裂強(qiáng)度和油氣成藏后斷裂活動(dòng)強(qiáng)度,故只能通過(guò)泥巖蓋層之下油氣藏中有無(wú)油氣分布間接研究斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉。具體方法是基于地震資料統(tǒng)計(jì)研究區(qū)已知井點(diǎn)處泥巖蓋層內(nèi)斷裂兩盤油氣成藏后地層厚度,計(jì)算斷裂生長(zhǎng)指數(shù)(斷裂下降盤地層厚度與同一地層上升盤地層厚度的比值)。如果斷裂生長(zhǎng)指數(shù)等于1,說(shuō)明油氣成藏后斷裂未再活動(dòng),斷距為零,活動(dòng)速率也為零。相反,如果斷裂生長(zhǎng)指數(shù)大于1,說(shuō)明油氣成藏后斷裂再活動(dòng),其斷裂再活動(dòng)斷距大小應(yīng)等于目前地層中的斷距減去油氣成藏期地層中的古斷距,而油氣成藏期地層中的古斷距可以由文獻(xiàn)[13]中的方法計(jì)算求得。將斷裂再活動(dòng)斷距除以斷裂再活動(dòng)時(shí)間,便可以得到斷裂再活動(dòng)速率,將其從小到大排列,再統(tǒng)計(jì)泥巖蓋層之下有無(wú)油氣分布,將泥巖蓋層之下有油氣分布的活動(dòng)速率(圖3中的f8對(duì)應(yīng)的活動(dòng)速率)認(rèn)為是斷裂再活動(dòng)破壞泥巖蓋層所需的最小活動(dòng)速率,如果油氣成藏后斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大,破壞了泥巖蓋層封閉,那么油氣藏中的油氣將沿?cái)嗔严蛲馍⑹?無(wú)油氣在泥巖蓋層之下聚集分布;相反,如果油氣成藏后斷裂活動(dòng)強(qiáng)度小,未破壞泥巖蓋層封閉,那么油氣藏中的油氣不會(huì)沿?cái)嗔严蛲馍⑹?仍會(huì)在泥巖蓋層之下聚集分布。最后利用上述方法計(jì)算所要研究斷裂油氣成藏后再活動(dòng)速率,與上述所確定出的斷裂再活動(dòng)破壞泥巖蓋層封閉所需要的最小活動(dòng)速率比較,如果斷裂再活動(dòng)速率大于其破壞泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率,那么斷裂再活動(dòng)將破壞泥巖蓋層封閉;反之則不能破壞泥巖蓋層封閉。

圖3 斷裂再活動(dòng)破壞泥巖蓋層封閉所需最小活動(dòng)速率厘定示意

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以渤海灣盆地遼河坳陷齊家—鴛鴦溝地區(qū)沙一段泥巖蓋層和冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層為例,采用上述方法分別研究了油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞了蓋層封閉,并對(duì)比分析了研究結(jié)果與已發(fā)現(xiàn)油氣分布之間的關(guān)系,驗(yàn)證了基于地震資料研究油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉的可行性。

3.1 實(shí)例1

齊家—鴛鴦溝地區(qū)位于遼河坳陷西部凹陷西斜坡中南段的坡洼過(guò)渡帶上,面積約為350km2。該區(qū)從下至上發(fā)育有古近系的沙河街組、東營(yíng)組和新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組地層。油氣勘探表明,遼河西部凹陷西斜坡油氣資源豐富,目前在西斜坡區(qū)的中、上臺(tái)階上已找到了曙光和歡喜嶺兩個(gè)超億噸級(jí)的油田,而在研究區(qū)的下臺(tái)階,雖然在不同層位中也發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油流(主要為沙二段,其蓋層為沙一段發(fā)育的大套泥巖),但油氣主要零散分布在斷裂附近,并且不同部位斷裂附近油氣富集程度差異較大,如圖4所示。研究區(qū)西北部和東部斷裂附近油氣富集,而研究區(qū)中部斷裂附近油氣富集相對(duì)較少。這除了與不同部位斷裂附近油氣成藏所需的油氣供給條件、儲(chǔ)集條件和圈閉條件不同有關(guān)外,油氣成藏后斷裂再活動(dòng)對(duì)沙一段泥巖蓋層封閉的破壞應(yīng)是主要原因。

由圖4可以看出,齊家—鴛鴦溝地區(qū)發(fā)育有大量的北北東向(NNE)和北西向(NW)斷裂,延伸長(zhǎng)度不等,最大達(dá)到22.58km。傾角較陡,一般為50°～60°。斷距大小也不等,最大在沙二段大于700m。此外,斷裂斷穿層位也不盡相同,以斷穿Tg—T2和T6—T2為主。通過(guò)斷裂生長(zhǎng)指數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造剖面伸展率(剖面伸展率等于剖面標(biāo)志層伸展量與其原始水平長(zhǎng)度的比值)和構(gòu)造演化史的綜合研究認(rèn)為:齊家—鴛鴦溝地區(qū)斷裂演化經(jīng)歷了3個(gè)階段,即沙四段—沙三段沉積時(shí)期的伸展變形,沙一、二段—東營(yíng)組沉積時(shí)期的走滑伸展變形和館陶組沉積時(shí)期至現(xiàn)今沉積時(shí)期的張扭變形,如圖5所示。由文獻(xiàn)[14]可知,齊家—鴛鴦溝地區(qū)油氣成藏的主要時(shí)期是東營(yíng)組的沉積末期,沙二段油氣成藏之后的館陶組沉積時(shí)期至現(xiàn)今沉積時(shí)期斷裂再活動(dòng),是否對(duì)沙一段泥巖蓋層封閉形成破壞,對(duì)指導(dǎo)齊家—鴛鴦溝地區(qū)沙二段油氣勘探至關(guān)重要。

圖4 齊家—鴛鴦溝地區(qū)沙二段斷裂與油氣分布關(guān)系示意

圖5 齊家—鴛鴦溝地區(qū)地層剖面伸展速率

基于地震資料統(tǒng)計(jì)齊家—鴛鴦溝地區(qū)14個(gè)斷層圈閉在沙一段泥巖蓋層內(nèi)的斷裂兩盤在館陶組沉積晚期的地層厚度,計(jì)算斷裂生長(zhǎng)指數(shù),統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)指數(shù)大于1的斷裂在館陶組如今的斷距,利用文獻(xiàn)[13]中古斷距恢復(fù)方法計(jì)算館陶組的古斷距,二者相減再除以館陶組沉積時(shí)期至現(xiàn)今沉積時(shí)期這段沉積時(shí)間,便可以得到斷裂再活動(dòng)速率,將其由小到大排列,再統(tǒng)計(jì)沙一段泥巖蓋層之下油氣顯示情況,如圖6所示。針對(duì)齊家—鴛鴦溝地區(qū)油氣成藏后的館陶組沉積地層14個(gè)斷層圈閉,斷裂再活動(dòng)破壞沙一段泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率為2m/Ma。利用該數(shù)據(jù)可以得到齊家—鴛鴦溝地區(qū)斷裂再活動(dòng)破壞沙一段泥巖蓋層封閉區(qū),如圖7所示。齊家—鴛鴦溝地區(qū)斷裂再活動(dòng)破壞沙一段泥巖蓋層封閉區(qū)主要分布在研究區(qū)的中部,其四周為斷裂再活動(dòng)未破壞沙一段泥巖蓋層封閉區(qū)。目前,齊家—鴛鴦溝地區(qū)沙二段已發(fā)現(xiàn)的油田主要分布在斷裂再活動(dòng)未破壞的沙一段泥巖蓋層封閉區(qū)內(nèi),斷裂再活動(dòng)破壞的沙一段泥巖蓋層封閉區(qū)內(nèi)無(wú)油氣發(fā)現(xiàn)。

3.2 實(shí)例2

留楚地區(qū)位于渤海灣盆地冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷中南部,是一個(gè)北東(NE)走向的不對(duì)稱背斜構(gòu)造,如圖8 所示。該地區(qū)從下至上發(fā)育有古近系的孔店組、沙河街組、東營(yíng)組,新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組地層。

圖6 齊家—鴛鴦溝地區(qū)14個(gè)斷層圈閉斷裂再活動(dòng)速率和破壞蓋層封閉所需最小活動(dòng)速率厘定

圖7 齊家—鴛鴦溝地區(qū)斷裂再活動(dòng)速率與油氣分布關(guān)系

油氣主要產(chǎn)自東二、三段,東一段發(fā)育的大套泥巖是油氣的主要蓋層。油氣源對(duì)比結(jié)果表明,東二、三段油氣主要來(lái)自下伏沙一段源巖。由圖8可以看出,留楚地區(qū)東二、三段目前已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在留楚塌陷背斜構(gòu)造的核部和留楚南背斜構(gòu)造的核部,這除了與這兩個(gè)部位源巖、儲(chǔ)集和圈閉條件相對(duì)較好有關(guān)外,油氣成藏后斷裂再活動(dòng)對(duì)東一段泥巖蓋層封閉的破壞也起到了重要作用。

由三維地震資料解釋成果(圖8)可以看出,留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層內(nèi)發(fā)育大量北東(NE)向斷裂,主要發(fā)育有中期走滑伸展、晚期張扭、早期伸展—中期走滑伸展、中期走滑伸展—晚期張扭和早期伸展—中期走滑伸展—晚期張扭5類斷裂。斷裂延伸長(zhǎng)度最大可大于500m,一般小于100m。斷裂平均密度0.5條/km2。斷裂剖面呈負(fù)花狀構(gòu)造,斷裂平面呈條帶狀密集分布。斷裂生長(zhǎng)指數(shù)和構(gòu)造演化史研究結(jié)果表明[15-19],留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂活動(dòng)主要有兩期,一期是東營(yíng)組沉積末期,另一期為館陶組沉積時(shí)期至現(xiàn)今沉積時(shí)期。由留楚地區(qū)東二、三段儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度資料確定的油氣成藏期主要是館陶組沉積中晚期[20]。東一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂在油氣成藏后的館陶組沉積晚期至現(xiàn)今沉積時(shí)期的再活動(dòng),是否破壞東一段泥巖蓋層封閉,對(duì)指導(dǎo)留楚地區(qū)東二、三段油氣勘探至關(guān)重要。

圖8 留楚地區(qū)東營(yíng)組底面構(gòu)造(華北油田,2014)

基于地震資料統(tǒng)計(jì)留楚地區(qū)已知井點(diǎn)處東一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂兩盤在館陶組沉積晚期至現(xiàn)今沉積時(shí)期地層厚度,計(jì)算斷裂生長(zhǎng)指數(shù),統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)指數(shù)大于1的斷裂在現(xiàn)今沉積地層的斷距,利用文獻(xiàn)[13]中古斷距恢復(fù)方法計(jì)算斷裂在油氣成藏期地層的古斷距,二者相減再除以館陶組沉積晚期至現(xiàn)今沉積時(shí)期這段沉積時(shí)間便可以得到油氣成藏后的斷裂再活動(dòng)速率,將其由小到大排列,再統(tǒng)計(jì)東一段泥巖蓋層之下油氣顯示情況,如圖9所示,可以得到留楚地區(qū)油氣成藏后斷裂再活動(dòng)破壞東一段泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率為4.1m/Ma?；诘卣鹳Y料按照上述方法計(jì)算留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層內(nèi)所有斷裂在油氣成藏后的館陶組沉積晚期至現(xiàn)今的斷裂再活動(dòng)速率,如圖9所示。再按照上述已確定出的油氣成藏后斷裂再活動(dòng)破壞東一段泥巖蓋層所需的最小活動(dòng)速率4.1m/Ma,可以得到斷裂再活動(dòng)未破壞的東一段泥巖蓋層封閉區(qū)如圖10所示。根據(jù)研究區(qū)的斷裂再活動(dòng)速率與油氣分布關(guān)系,留楚地區(qū)斷裂再活動(dòng)未破壞的東一段泥巖蓋層封閉區(qū)主要分布在留楚塌陷背斜構(gòu)造的核部和留楚南背斜的核部,其四周為斷裂再活動(dòng)破壞的東一段泥巖蓋層封閉區(qū)。目前東二、三段已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在斷裂再活動(dòng)未破壞的東一段泥巖蓋層封閉的留楚塌陷背斜構(gòu)造的核部和留楚南背斜構(gòu)造的核部?jī)?nèi),而斷裂再活動(dòng)破壞了東一段泥巖蓋層封閉區(qū)內(nèi)無(wú)油氣發(fā)現(xiàn)。

圖9 留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂再活動(dòng)速率和破壞泥巖蓋層封閉所需最小活動(dòng)速率厘定

圖10 留楚地區(qū)東一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂再活動(dòng)速率與油氣分布關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過(guò)比較油氣成藏后斷裂再活動(dòng)速率和破壞泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率的大小,建立了一套基于地震資料研究油氣成藏后斷裂再活動(dòng)破壞泥巖蓋層封閉的方法,并將其應(yīng)用于渤海灣盆地遼河凹陷齊家—鴛鴦溝地區(qū)和冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷留楚地區(qū)油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層的研究中,結(jié)果表明:齊家—鴛鴦溝地區(qū)油氣成藏后斷裂再活動(dòng)速率小于破壞沙一段泥巖蓋層封閉所需最小活動(dòng)速率的區(qū)域主要分布在齊家—鴛鴦溝的四周地區(qū)。留楚地區(qū)油氣成藏后斷裂再活動(dòng)速率小于破壞東一段泥巖蓋層封閉所需最小活動(dòng)速率的區(qū)域主要分布在留楚背斜構(gòu)造的核部和留楚南背斜構(gòu)造的核部,與齊家—鴛鴦溝地區(qū)沙二段和留楚地區(qū)東二、三段目前已發(fā)現(xiàn)的油氣分布相吻合,表明基于地震資料判斷油氣成藏后斷裂再活動(dòng)是否破壞泥巖蓋層封閉的方法是可行的。

本方法主要適用于具有一定的見(jiàn)油氣顯示的井?dāng)?shù)且高品質(zhì)地震剖面資料,本次應(yīng)用屬于初步嘗試,還存在許多不足之處。本文在通過(guò)泥巖蓋層上下是否有油氣來(lái)確定斷裂再活動(dòng)破壞泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率時(shí),沒(méi)有考慮泥巖蓋層之上是否還有其他油氣來(lái)源以及油氣運(yùn)移至泥巖蓋層之上是否發(fā)生側(cè)向運(yùn)移,如果有其他油氣來(lái)源或油氣運(yùn)移至泥巖蓋層之上發(fā)生了側(cè)向運(yùn)移,那么所給出的破壞泥巖蓋層封閉所需的最小活動(dòng)速率就不準(zhǔn)確,研究結(jié)果就可能不符合實(shí)際,會(huì)給油氣勘探帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。由此看出,本方法有待完善,預(yù)測(cè)精度也有待提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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