油氣沿斷層走向運移的地質(zhì)特征及相關(guān)問題探討
——以濟(jì)陽坳陷沾化凹陷邵家斷層為例

王亞琳

(中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015)

斷裂是一個具有一定體積和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體。油氣進(jìn)入斷裂以后，就某一個點而言，油氣在此點應(yīng)存在縱向(沿斷裂垂向運移)、橫向(橫穿斷裂運移)和走向(沿斷裂走向運移)3個方向的運移分量，而優(yōu)勢方向取決于各方向的運移動力及阻力。油氣在斷層中的垂向和橫向運移極為多見，而沿斷層的走向運移較為罕見或者說難以證實。即便如此，油氣沿斷層發(fā)生走向運移的觀點目前已被石油勘探家們所接受，對于源—儲難以對接的油藏，通常用油氣沿斷層的走向運移來解釋其成因。但對油氣沿斷層發(fā)生走向運移的地質(zhì)條件的研究成果卻極為匱乏，或者說基本檢索不到相關(guān)的文獻(xiàn)。

目前，國內(nèi)僅陳偉提出濟(jì)陽坳陷惠民凹陷西部唐莊、肖莊地區(qū)沙三段油藏屬于臨邑斷層的走向輸導(dǎo)成因，并提出斷裂內(nèi)部輸導(dǎo)脊和砂體—斷裂輸導(dǎo)脊2種運移方式[1]。寧方興提出東營南坡樂安油田的部分原油來自其西側(cè)的博興烴源灶,而博興烴源灶到樂安油田沒有明顯的構(gòu)造脊，推測油氣可能沿著NWW向的石村斷層走向運移到樂安油田[2]。但是，唐莊、肖莊地區(qū)緊鄰臨南烴源灶，其油氣來源可以用斷裂—砂體階梯式輸導(dǎo)來解釋；樂安油田與西鄰的博興烴源灶之間是否還存在其他的隱蔽輸導(dǎo)通道也尚未可知。因此，以上2個地區(qū)是否存在真正意義上的、油氣沿斷裂發(fā)生走向運移的觀點還存在不同的認(rèn)識。

油氣為什么會發(fā)生沿斷層的走向運移？一定有其特殊的地質(zhì)條件。濟(jì)陽坳陷沾化凹陷西南部虎灘低凸起上的陳22、虎4等油藏,距離其最近的烴源灶——渤南烴源灶在20 km以上，中間隔有邵家、四扣洼陷等2個負(fù)向構(gòu)造，其油氣只能來自邵家斷層的走向運移。邵家斷層也因此成為濟(jì)陽坳陷唯一一個沒有任何爭議的油氣走向輸導(dǎo)斷層。下面以邵家斷層為例，進(jìn)行地質(zhì)成因的解剖，以期破解油氣走向運移發(fā)生的地質(zhì)條件,為其他地區(qū)走向運移斷層的判斷和研究提供有益的參考和借鑒。

1 基本地質(zhì)特征

1.1 虎灘低凸起

虎灘低凸起是位于渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷陳家莊凸起西段向北傾沒的一個次級構(gòu)造單元。西南逐漸過渡為流鐘洼陷(圖1)，向北為邵家洼陷，東為四扣洼陷。

自1961年沾1井鉆遇館陶組油層以來，虎灘低凸起及其周緣地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了沙四段、沙二段、沙一段、東營組和館陶組等5個含油層系，發(fā)現(xiàn)了邵家油田和陳22、虎4等油藏。歷經(jīng)多年的勘探和研究，該地區(qū)的構(gòu)造、沉積、生烴能力和成藏等特征已基本清楚[3-7]。

1.2 邵家斷層

邵家斷層屬于邵家洼陷與四扣洼陷的分界斷層，分為南、北兩支：北支斷層(F2)東北起自義南斷層，西抵虎灘低凸起北坡東部，整體呈NEE—SWW走向，長約10 km，斷面陡直(傾角60°左右)、南傾，整體呈波狀彎曲；南支斷層(F1)東北起自邵29井，西抵虎灘低凸起東坡，整體呈NEE—SWW走向，長約10 km。斷面陡直(傾角70°以上)、北傾，整體較為平直(圖1)。古近紀(jì)繼承性發(fā)育，新近系館陶組沉積中晚期停止活動。

古近紀(jì)，在區(qū)域SN向拉張應(yīng)力作用下[8-10]，NEE向的邵家斷層表現(xiàn)為右旋扭張?zhí)卣?；新近紀(jì)，在NEE向擠壓應(yīng)力作用下[11-12]，表現(xiàn)為弱的右旋壓扭特征。整體而言，在不同的地質(zhì)歷史時期，均表現(xiàn)為具有一定走滑性質(zhì)的正斷層，且走滑方向相同。

圖1 渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷西部邵家洼陷及其周緣勘探形勢Fig.1 Exploration situation of Shajia Subsag and its periphery in western Zhanhua Sag,Jiyang Depression,Bohai Bay Basin

1.3 陳22等油藏油氣來源分析

陳22、虎4等油藏位于邵家洼陷西部的虎灘低凸起之上或斜坡部位(圖1,2)，相繼發(fā)現(xiàn)了陳22塊東營組地層超覆油藏和邵203—邵205塊、虎2—虎4塊等沙一段生物灰?guī)r構(gòu)造—巖性油藏。前者上報探明儲量200.77×104t，后者上報探明儲量30.15×104t。

多年的勘探和研究表明，虎灘低凸起雖然被流鐘、邵家和四扣3個洼陷包圍，但這3個洼陷是已經(jīng)證實的、不具備油氣資源潛力的盆緣小洼陷。因此，陳22—邵203等油藏的油氣只能來源于東北部的渤南烴源灶。而溝通烴源灶與陳22—邵203等油藏之間的橋梁就是NEE走向的邵家斷層。

2 斷層走向輸導(dǎo)地質(zhì)條件分析

總結(jié)邵家—四扣洼陷構(gòu)造與地層、沉積與儲層、圈閉與成藏等資料和研究成果，可以得出5點初步的地質(zhì)認(rèn)識：

(1)油氣發(fā)生走向運移的斷層必須位于構(gòu)造脊之上。根據(jù)T6、T4、T2反射層構(gòu)造圖,邵家斷層在不同的構(gòu)造圖上,均位于連接?xùn)|北部渤南烴源灶與西南部虎灘低凸起之間的構(gòu)造脊之上，其南為NEE走向的四扣洼陷最深處，向北為NW走向的邵家洼陷(圖1)，且這2個負(fù)向構(gòu)造具有明顯的繼承性。中部高、兩側(cè)低的構(gòu)造格局限制了油氣進(jìn)入邵家斷層以后向南、北兩盤地層中的運移。

(2)油氣能夠發(fā)生走向運移的斷層兩盤缺乏有效的輸導(dǎo)層。根據(jù)多口探井的錄井及測井資料，邵家—四扣洼陷沙河街組沉積期主要接受了一套深褐色油頁巖和灰質(zhì)泥巖沉積。其中，沙一段發(fā)育厚度20～30 m的生物灰?guī)r，沙四段主要為20～40 m的泥灰?guī)r、灰?guī)r及生物灰?guī)r，2套灰?guī)r是研究區(qū)主體部位發(fā)育的、物性最好的儲層和輸導(dǎo)層。因此，油氣進(jìn)入邵家斷層以后，被斷層兩盤的油頁巖等非滲透性地層封閉在斷裂帶內(nèi),無法向斷層兩盤的輸導(dǎo)層中運移，只能沿斷層發(fā)生橫向和縱向運移。邵16井東營組、邵26井沙一段的構(gòu)造油藏就是油氣縱向運移、聚集的結(jié)果(圖2)。

(3)充足的油源和沿途欠發(fā)育的圈閉，是油氣能夠完成走向運移的必要條件。充足的油源決定了油氣能夠運移的最大距離和遠(yuǎn)端的油氣運聚總量。渤南洼陷是沾化凹陷重要的烴源灶，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了渤南、羅家、邵家、陳家莊和三合村等油田，并為義和莊凸起、孤島凸起和埕東凸起的部分圈閉提供油源，是濟(jì)陽坳陷油氣最富集的區(qū)域之一。邵家—四扣洼陷發(fā)現(xiàn)的邵家油田，探明儲量約占以渤南烴源灶為油源的探明儲量的1/20。邵家油田緊鄰渤南烴源灶，包括以沙四段生物灰?guī)r為儲層的邵54塊巖性及構(gòu)造—巖性油藏，邵古2-11、邵4和邵18等井以沙一段生物灰?guī)r為主的構(gòu)造—巖性油藏，義古4塊等規(guī)模較小的東營組構(gòu)造油藏和沾1塊館陶組構(gòu)造油藏。而遠(yuǎn)離渤南烴源灶的地區(qū)各層系圈閉均不發(fā)育(圖1，2)。因此，渤南烴源灶充足的油源扣除部分被沿途圈閉捕獲的油氣，仍然有一部分油氣可以沿斷層向西南方向繼續(xù)運移，為虎灘低凸起及其東緣的各類圈閉提供油氣。

(4)區(qū)域應(yīng)力場與異常高壓是油氣發(fā)生走向運移的驅(qū)動力。油氣成藏動力學(xué)研究認(rèn)為，平行最大水平主應(yīng)力方向流體壓力減小，油氣沿最大水平主應(yīng)力方向運移[13]，濟(jì)陽坳陷新近紀(jì)古應(yīng)力場中最大水平主壓應(yīng)力為NEE—SWW向，邵家斷層的走向與壓應(yīng)力方向大體一致，對油氣沿NEE向邵家斷層的走向運移提供了間接動力。異常高壓是成藏動力系統(tǒng)中油氣排出和運移的主要動力。油氣在烴源巖孔隙流體異常壓力的驅(qū)動下，沿各種輸導(dǎo)體系發(fā)生二次運移。據(jù)謝啟超等研究，渤南洼陷在2 500～4 500 m之間的沙三段中、下亞段—沙四上亞段出現(xiàn)異常高壓，在這一區(qū)間內(nèi)壓力系數(shù)大于1.2的點逐漸增多，最大達(dá)到1.8；埋藏小于2 500 m和大于4 500 m的深度范圍內(nèi)，壓力系數(shù)基本正常[14-16]。渤南烴源灶位于邵家斷層的東北部，其異常壓力的施壓方向與區(qū)域壓應(yīng)力方向基本一致，2種壓力的相互疊加為油氣沿邵家斷層發(fā)生走向運移提供了充足的動力。

圖2 渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷邵家次洼過陳6—陳22—虎2—邵26—邵59井連井油藏剖面剖面位置見圖1的AA’。Fig.2 Profile crossing wells Chen6-Chen22-Hu2-Shao26-Shao59 in Shajia Subsag,Jiyang Depression,Bohai Bay Basin

(5)斷層末端與輸導(dǎo)砂體匹配，為油藏的形成奠定了基礎(chǔ)。邵家斷層的西部末端基本與虎灘低凸起相接；虎灘低凸起在沙三段—東營組沉積期開始為周邊的洼陷區(qū)提供物源，表現(xiàn)為沙河街組及東營組逐漸向虎灘低凸起超覆。邵205井沙三段發(fā)育多套厚度在3～5 m的含礫砂巖；東營組一段和三段砂巖儲層(輸導(dǎo)層)極為發(fā)育，為油氣的橫向運移提供了輸導(dǎo)條件。邵家斷層與這些砂體相接觸，將沿斷層走向運移而來的油氣釋放給這些砂體，而這些進(jìn)入輸導(dǎo)砂體中的油氣再沿著構(gòu)造脊繼續(xù)運移，在低部位的邵203、邵205、虎4和虎2等區(qū)塊沙一段生物灰?guī)r構(gòu)造—巖性圈閉中聚集；部分油氣沿斷層繼續(xù)向上發(fā)生垂向運移進(jìn)入東營組輸導(dǎo)層，在陳22井區(qū)東營組地層超覆圈閉中聚集成藏(圖2)。

綜上所述，邵家斷層能夠促使油氣發(fā)生走向運移的地質(zhì)條件非常特殊。換言之，通過對邵家斷層的解剖，認(rèn)為具有走向輸導(dǎo)能力的斷層應(yīng)同時具備以下地質(zhì)條件(內(nèi)因)：(1)平面上較為平直、剖面上較為陡直的、具有走滑性質(zhì)的正斷層；(2)斷層整體位于構(gòu)造脊之上；(3)斷層兩盤缺乏有效的輸導(dǎo)層和有效圈閉。另外充足的油源和異常高壓等是油氣走向運移的驅(qū)動力(外因)，而遠(yuǎn)端是否能夠發(fā)生油氣聚集則取決于走向輸導(dǎo)斷層末端與地層中的輸導(dǎo)層的有效匹配和圈閉的發(fā)育等因素。因此，同時滿足如邵家斷層諸多地質(zhì)條件的斷層較少，這也是油氣沿斷層發(fā)生走向運移較為罕見的主要原因。

3 斷層走向運移相關(guān)地質(zhì)條件探討

在濟(jì)陽坳陷等斷陷盆地中，具有走滑性質(zhì)的正斷層比較發(fā)育，平面上較為平直的斷層也較發(fā)育，但同時也位于構(gòu)造脊上的走滑正斷層就較為罕見。因此，有必要對斷層走向輸導(dǎo)油氣所具備的地質(zhì)條件進(jìn)行發(fā)散性思維：第一，局部彎曲的走滑正斷層是否具有走向輸導(dǎo)能力？第二，沒有位于構(gòu)造脊上的走滑正斷層何種情況下可以將油氣封閉在斷層內(nèi)？

3.1 斷層走向、彎曲方向與油氣走向輸導(dǎo)能力

濟(jì)陽坳陷主要發(fā)育NW、NE、EW和近SN(NNE)向斷層[17]。近SN(NNE)向斷層，在古近紀(jì)SN向拉張應(yīng)力作用下，主要表現(xiàn)為走滑斷層；在新近紀(jì)NEE向擠壓應(yīng)力作用下，以擠壓作用為主，斷層的油氣輸導(dǎo)能力較差。EW向斷層主要形成于古近紀(jì)的SN向拉張應(yīng)力，屬于典型的正斷層；在新近紀(jì)近EW向擠壓應(yīng)力作用下，以走滑作用為主，對斷層的輸導(dǎo)能力基本沒有改變。而NW、NE向斷層在古近紀(jì)SN向拉張應(yīng)力作用下，具有扭張走滑性質(zhì)；在新近紀(jì)NEE向擠壓應(yīng)力作用下，具有壓扭走滑性質(zhì)，由于斷層的局部扭動彎曲，在斷層的彎曲處局部應(yīng)力性質(zhì)會發(fā)生改變，而這一改變會影響斷層的垂向和走向輸導(dǎo)能力，下面重點對其進(jìn)行討論：

新近紀(jì)是濟(jì)陽坳陷最重要的油氣運移和成藏期[18-20]，在區(qū)域NEE向擠壓應(yīng)力作用下，NW、NE向斷層在彎曲處表現(xiàn)為(圖3)：

(1)NW向斷層：左行左階斷層，在彎曲處形成拉張薄弱帶，有利于斷層的垂向和走向輸導(dǎo)；左行右階斷層，在彎曲處形成局部擠壓環(huán)境，不利于斷層的橫向和走向輸導(dǎo)，而是有利于斷層的側(cè)向封堵。

(2)NE向斷層：右行左階斷層，在彎曲處形成局部擠壓環(huán)境，不利于斷層的橫向和走向輸導(dǎo)，而有利于斷層的側(cè)向封堵；右行右階斷層，在彎曲處形成拉張薄弱帶，有利于斷層的垂向和走向輸導(dǎo)。

圖3 不同方向走滑斷層局部應(yīng)力性質(zhì)變化示意Fig.3 Stress property changes of strike slip faults in different directions

分析認(rèn)為：NE向右行右階斷層與NW向左行左階斷層的局部區(qū)段具有走向和垂向輸導(dǎo)油氣的能力。NE走向的邵家北支斷層，整體屬于右行右階斷層，其局部垂向和走向輸導(dǎo)能力較強(qiáng)。這也是沿邵家斷層中淺層(Es1、Ed、Ng)分布的少量圈閉都能富集成藏的地質(zhì)原因。

3.2 輸導(dǎo)層發(fā)育、地層等高線走向與斷層走向運移能力

邵家及四扣洼陷沙河街組砂巖儲層(輸導(dǎo)層)極不發(fā)育，可以將油氣封閉在斷層內(nèi)；而東營組一段、三段及館陶組砂巖發(fā)育，同時斷層具有垂向輸導(dǎo)能力，當(dāng)油氣沿斷層垂向運移至中淺層時，卻因斷層所在位置高、向斷層兩側(cè)逐漸變深的構(gòu)造形態(tài)限制，油氣無法通過輸導(dǎo)砂體運移出斷層，這是邵家斷層特有的地質(zhì)特征。

通常情況下，斷層兩盤砂體均較發(fā)育的地區(qū)比較多。在這類地區(qū)，何種情況下可以將油氣封閉在斷層內(nèi)？答案就是當(dāng)斷層與地層的組合關(guān)系不適合油氣穿過斷層發(fā)生斷—砂輸導(dǎo)時，就會將油氣封閉在斷層帶內(nèi)，并促使油氣只能沿斷層發(fā)生走向或垂向運移。通常斷層與地層的組合關(guān)系可以用斷層走向與地層等高線的關(guān)系來表現(xiàn)。

油氣運移理論認(rèn)為，油氣在輸導(dǎo)層中的運移主要沿著構(gòu)造脊進(jìn)行，而斷層與地層等高線的組合方式?jīng)Q定了油氣能否被斷層兩盤的地層封閉在斷層內(nèi)(圖4)。

(1)砂體所在的地層等高線與斷層間呈“羽狀”收斂相交(圖4a)，就可以保持?jǐn)鄬游挥跇?gòu)造脊之上，油氣無法運移出斷層面；(2)砂體所在的地層等高線與斷層呈垂直的“豐”字形相交，油氣也無法運移出斷層(圖4b)。邵家斷層西部末端與地層就是這樣的“豐”字形組合關(guān)系；(3)當(dāng)斷層一盤地層等高線與斷層近于垂直、另一盤為“羽狀”斜交時，油氣也會被地層封閉在斷層內(nèi)(圖4c)；(4)當(dāng)斷層一盤地層等高線與斷層近于垂直或“羽狀”相交、另一盤為“反羽狀”斜交時，油氣就會沿“反羽狀”斜交的地層(輸導(dǎo)層)一側(cè)脫離斷層的束縛，進(jìn)入地層的輸導(dǎo)層中向高部位運移，此時的斷層也就失去了走向輸導(dǎo)油氣的部分能力(圖4d，e)。

3.3 石村、臨邑斷層走向輸導(dǎo)油氣的可能性

根據(jù)斷層與地層等高線組合關(guān)系模式，可以開展相關(guān)走滑斷層是否具有走向輸導(dǎo)能力的探討和研究。

東營凹陷石村斷層，其上升盤地層等高線與石村斷層呈“羽狀”組合，可以將來自西部博興烴源灶中的油氣封閉在斷層內(nèi)。而下降盤在草137井以西，地層等高線表現(xiàn)為一個負(fù)向構(gòu)造，與上升盤一起將油氣封閉在斷層內(nèi)，促使進(jìn)入斷層的油氣自西向東發(fā)生走向運移；草137井以東，地層等高線與斷層呈“反羽狀”相交，部分油氣沿下降盤中的輸導(dǎo)層運移出石村斷層(圖5a)，向高部位發(fā)生運移并聚集成藏。因此，樂安油田中石村斷層南側(cè)下降盤的油氣以博興烴源灶為主要來源，石村斷層的走向輸導(dǎo)功不可沒。

惠民凹陷臨邑斷層，其等高線與斷層的組合關(guān)系和石村斷層恰好相反：下降盤地層等高線與斷層呈“羽狀”相交，有利于將油氣封閉在斷層內(nèi)(圖5b)；肖莊斷層上升盤地層等高線與斷層呈反“羽狀”相交，不利于油氣沿斷層的走向輸導(dǎo)，而該盤高部位構(gòu)造圈閉有油氣聚集；加之來自臨南烴源灶的油氣運移方向與臨邑斷層上升盤的地層走向近于垂直，有利于油氣的運移。因此，唐莊、肖莊地區(qū)的油氣是否來自臨邑斷層的走向輸導(dǎo)還有待商榷。

4 結(jié)論

以渤海灣盆地沾化凹陷邵家洼陷NEE向邵家斷層為主要研究對象，結(jié)合相關(guān)問題的探討，總結(jié)歸納出了油氣沿斷層發(fā)生走向運移的地質(zhì)條件：

圖4 地層等高線—斷層的交接關(guān)系與斷層走向運移理想模式Fig.4 Contacts between stratigraphic contour and fault,and an ideal model showing hydrocarbon migration along fault strike

圖5 渤海灣盆地東營凹陷石村斷層、惠民凹陷臨邑斷層與地層等高線組合關(guān)系Fig.5 Relation between stratigraphic contours and faults in Shicun Fault of Dongying Sag and Linyi Fault of Huimin Sag，Bohai Bay Basin

(1) 以平面上較為平直的走滑斷層為主；而對于平面上局部彎曲的走滑斷層，以NW向左行左階斷層、NE向右行右階斷層的垂向和走向輸導(dǎo)能力最強(qiáng)，有利于油氣沿斷層的垂向和走向運移。

(2) 走向運移斷層以位于構(gòu)造脊(地層等高線與斷層呈“羽狀”)之上最優(yōu)，可以對地層中儲層(輸導(dǎo)層)的存在與否不予考慮；其次是地層等高線與斷層呈垂直或近于垂直的“豐”字形或斷層一盤為半個“羽狀”、另一盤為半個“豐”狀，這2種地層與斷層的組合結(jié)構(gòu)也可以將油氣封閉在斷層內(nèi)，有利于油氣沿斷層的走向運移。

(3)以烴源灶內(nèi)異常高壓的施壓方向與油氣在斷層內(nèi)的走向一致最優(yōu)，可以為斷層走向輸導(dǎo)油氣提供充足的動力。

(4) 在斷層走向方向上，斷層兩盤圈閉欠發(fā)育最有利于油氣的走向運移，可以保證大量的油氣沿斷層走向運移至遠(yuǎn)端；在遠(yuǎn)端斷層與輸導(dǎo)層合理匹配，油氣就會在有利的圈閉中聚集成藏。