渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)油源斷裂垂向輸導(dǎo)能力定量評價

劉峻橋，王 偉，呂延防，付 廣

(1. 廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心 廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000；3.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

隨著油氣勘探的不斷深入，斷裂作為油氣垂向運(yùn)移的通道已得到石油地質(zhì)工作者的廣泛認(rèn)可[1-3]。斷裂是多期構(gòu)造運(yùn)動和地質(zhì)流體作用形成的復(fù)雜三維地質(zhì)體[4-5]，大量研究已證實(shí)，斷裂具有斷層核和破碎帶的二元結(jié)構(gòu)[6-8]，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其不僅可以作為油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)通道[9-10]，還可以為油氣聚集提供遮擋條件[11-12]。并非所有的斷裂都能作為油氣垂向運(yùn)移的輸導(dǎo)通道，只有溝通源巖和儲層并且在油氣成藏關(guān)鍵時期活動的斷裂才可以作為油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)通道，即油源斷裂[13]。不同斷裂或同一斷裂不同部位的輸導(dǎo)能力存在明顯差異。

國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為斷裂輸導(dǎo)能力的影響因素主要包括斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6,14]、斷裂輸導(dǎo)油氣運(yùn)移動力[9,15]和斷裂輸導(dǎo)油氣運(yùn)移時期[16]等方面，并從早期的定性分析逐步向定量研究的思路轉(zhuǎn)變[17-20]，但關(guān)于斷裂輸導(dǎo)能力定量評價的研究仍相對薄弱。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對不同斷裂及同一斷裂不同部位輸導(dǎo)能力的差異性，以三維地震為基礎(chǔ)，結(jié)合影響斷裂輸導(dǎo)能力的多重因素和油田實(shí)際生產(chǎn)資料，建立斷裂垂向輸導(dǎo)油氣能力的定量評價方法，以期豐富斷裂控藏理論，并為油田勘探提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

廊固凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷北部，大柳泉構(gòu)造帶是廊固凹陷西部富烴洼槽內(nèi)重要的油氣聚集帶，是南部牛駝鎮(zhèn)凸起強(qiáng)烈抬升作用及北部桐南洼槽持續(xù)下降的區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動影響下形成的大型反轉(zhuǎn)鼻狀構(gòu)造帶，勘探面積約為550 km2。該區(qū)油氣主要富集在石家務(wù)、柳泉、中岔口、王琚、曹家務(wù)、琥珀?duì)I、舊州、石佛寺和固安等11個局部背斜和斷鼻構(gòu)造內(nèi)(圖1)。油源對比結(jié)果表明，油氣主要來自古近系沙河街組沙四上亞段和沙三下亞段源巖[21]，沙三中亞段、沙三上亞段、沙二段和沙一段地層是大柳泉地區(qū)主要含油氣層系，屬于典型的下生上儲式生儲蓋組合。大柳泉地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，斷裂以北東向?yàn)橹?，目前發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要圍繞斷裂分布。但不同斷裂或同一斷裂不同部位富油程度存在明顯差異，有發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)油氣藏的王琚背斜和柳泉背斜，同時也有鉆探失利的曹家務(wù)東和中岔口西地區(qū)，油氣分布受斷層控制明顯(圖1a)。這種復(fù)雜構(gòu)造背景下油氣沿斷裂分布關(guān)系，迫切需要從斷裂輸導(dǎo)能力的角度對其進(jìn)行合理的解釋。

2 油源斷裂厘定

廊固凹陷斷裂經(jīng)歷了孔店組—沙二段沉積時期伸展變形、沙一段—東營組沉積時期的走滑伸展變形和新近紀(jì)以來的張扭變形3個階段。這種斷層三期三性質(zhì)的變形特征，決定了廊固凹陷發(fā)育6種類型斷裂系統(tǒng)[13,20](圖1b)：①僅在伸展變形時期活動的早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ型)；②僅在走滑伸展變形時期活動的中期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅱ型)；③僅在新近系張扭變形時期活動的晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅲ型)；④伸展變形時期和走滑伸展變形時期均活動的早期伸展—中期走滑斷裂系統(tǒng)(Ⅳ型)；⑤走滑伸展變形時期和張扭變形時期均活動的中期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅴ型)；⑥伸展變形時期、走滑伸展變形時期和張扭變形時期均活動的早期伸展—中期走滑—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ型)。

大柳泉地區(qū)沙三段主要發(fā)育早期伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅰ型)和早期伸展—中期走滑伸展斷裂系統(tǒng)(Ⅳ型)和早期伸展—中期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(tǒng)(Ⅵ型)(圖1a，圖2)。前人研究表明，沙二段沉積早期至館陶組沉積中期是大柳泉地區(qū)油氣成藏關(guān)鍵時期[21]，Ⅳ型斷裂系統(tǒng)和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)在此時期活動，部分溝通了沙四上亞段或沙三下亞段烴源巖和上覆儲層的Ⅳ型和Ⅵ型斷裂，可以作為大柳泉地區(qū)油氣垂向運(yùn)移的油源斷層(圖2)。

圖1 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)斷裂系統(tǒng)分布特征Fig.1 Characteristics of fault system distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖2 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)典型剖面剖面位置見圖1。Fig.2 Typical profile of Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

3 斷裂垂向輸導(dǎo)能力影響因素

斷裂垂向輸導(dǎo)油氣能力受油氣來源、運(yùn)移動力、斷裂活動時期以及斷裂幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征等多方面因素控制[22]。因此，筆者從這些方面出發(fā)對斷裂垂向輸導(dǎo)油氣能力的影響因素加以分析，并結(jié)合油源斷裂和實(shí)際油氣分布關(guān)系，總結(jié)出大柳泉地區(qū)斷裂垂向輸導(dǎo)能力影響因素的主要評價參數(shù)。

3.1 斷裂活動強(qiáng)度

斷裂活動強(qiáng)度作為斷裂輸導(dǎo)能力評價的重要參數(shù)在渤海灣盆地大部分地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用[18,23-25]。研究表明，斷裂帶的寬度與斷裂斷距呈正相關(guān)關(guān)系[26]，因此，油氣沿斷裂帶運(yùn)移過程中，若斷裂斷距越大，其對應(yīng)發(fā)育的斷裂帶寬度越大，越有利于油氣沿斷裂帶運(yùn)移。此外，斷裂垂向輸導(dǎo)油氣通常發(fā)生在源巖大量排烴期之后油氣大規(guī)模運(yùn)移期，構(gòu)造應(yīng)力是油氣沿斷裂運(yùn)移的重要驅(qū)動力[27-28]，同時也是斷裂形成的直接原因，斷裂的形成是多次地震事件累加的結(jié)果[29]，若成藏期斷裂活動強(qiáng)度大，表明其受到的構(gòu)造應(yīng)力越大或經(jīng)歷的構(gòu)造事件越多，為油氣運(yùn)移提供的動力也就越大，有利于斷裂垂向輸導(dǎo)油氣。綜上，可以用成藏期斷裂活動速率這一參數(shù)，表征運(yùn)移動力、斷裂活動時期、斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和斷裂運(yùn)動學(xué)特征對斷裂垂向輸導(dǎo)能力的影響，只有斷裂活動強(qiáng)度處于合適的范圍內(nèi)才有利于油氣運(yùn)移。

大柳泉地區(qū)沙三段儲層上覆蓋層沉積厚度大，能夠?yàn)橛蜌饩奂峁┝己玫姆馍w條件。應(yīng)用最大斷距相減法[30]，定量恢復(fù)大柳泉地區(qū)油源斷裂沿走向各個部位成藏期斷裂活動速率，結(jié)果表明，油源斷裂成藏期活動速率一般為0～40 m/Ma之間，斷裂活動速率高值段，斷裂活動強(qiáng)烈，斷裂帶寬度和構(gòu)造應(yīng)力較大，油源斷裂輸導(dǎo)能力強(qiáng)，有利于油氣在斷裂活動速率高的部位聚集成藏(圖3)。以舊州斷裂為例，沿該斷裂走向成藏期斷裂活動速率大于10 m/Ma的部位，斷裂輸導(dǎo)能力較強(qiáng)，是油氣主要的聚集部位；而斷裂活動速率小于10 m/Ma的區(qū)域，油氣富集程度較低，甚至無油氣富集(圖4)。

3.2 異常壓力

如果烴源巖內(nèi)存在異常高壓，在成藏期斷裂活動開啟時，超壓作為潛在的運(yùn)移動力可以為油氣沿斷裂運(yùn)移提供動力[22]。當(dāng)源巖層內(nèi)異常壓力積累到一定程度時，斷裂開啟形成壓力釋放區(qū)，烴源巖生成的油氣在超壓驅(qū)動下，向斷裂壓力釋放區(qū)匯聚，超壓流體釋放，壓力降低，斷裂閉合，之后流體壓力進(jìn)一步積累，導(dǎo)致斷裂再開啟釋放，周而復(fù)始，這就是超壓驅(qū)動下斷裂輸導(dǎo)油氣的“地震泵”抽吸作用[27]。大柳泉地區(qū)沙四上亞段和沙三下亞段烴源巖層超壓普遍發(fā)育，多期裂陷活動導(dǎo)致沉積中心的遷移，形成了石佛寺斷鼻和柳泉—柳泉東背斜2個超壓中心，由超壓中心強(qiáng)超壓帶(壓力系數(shù)1.27～1.73)向四周地區(qū)逐漸變?yōu)槿醭瑝旱貐^(qū)(壓力系數(shù)1.06～1.27)和低—常壓帶(壓力系數(shù)0.96～1.06)，油氣主要富集在異常壓力較大的地區(qū)(圖3)。

3.3 充足的油源

充足的油源是斷裂垂向輸導(dǎo)油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)異常壓力、斷裂活動速率與油氣分布關(guān)系Fig.3 Relationship between abnormal pressure, fault activity rate and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)舊州斷裂活動速率與油氣聚集關(guān)系測線位置見圖3。Fig.4 Relationship between fault activity rate and hydrocarbon accumulation of Jiuzhou Fault in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

大柳泉鼻狀構(gòu)造帶位于廊固凹陷富烴洼槽內(nèi)，研究表明，廊固凹陷內(nèi)烴源巖品質(zhì)無明顯差異，大規(guī)模發(fā)育的烴源巖有利于斷裂垂向輸導(dǎo)油氣，造成斷裂輸導(dǎo)油氣供給量差異的主要原因是源巖層內(nèi)砂體“中轉(zhuǎn)站”的發(fā)育。斷裂作為一個三維地質(zhì)體深入源巖層內(nèi)，與烴源巖接觸面積有限，在成藏關(guān)鍵時期會導(dǎo)致源巖供烴量不足，油氣在上覆儲層零星分布的情況。若源巖層內(nèi)油源斷裂根部發(fā)育砂巖“中轉(zhuǎn)站”，則大大提高了油源斷裂與烴源巖層的接觸面積[31]，“中轉(zhuǎn)站”內(nèi)匯聚的油氣在油氣成藏期可以為油源斷裂提供充足的油氣來源。同理，可以用源巖層內(nèi)砂體厚度來表征斷裂在深入源巖層段的中轉(zhuǎn)能力。大柳泉地區(qū)沙四上亞段和沙三下亞段源巖層內(nèi)砂體普遍發(fā)育，厚度一般在0～600 m，以柳泉背斜處砂體厚度最大，達(dá)600 m以上，其次為王琚背斜附近，砂體厚度約為290 m。對比源巖層內(nèi)砂體發(fā)育規(guī)模與油氣分布關(guān)系發(fā)現(xiàn)，下伏源巖層內(nèi)砂體厚度大于50 m的區(qū)域，其上覆儲層內(nèi)油氣富集程度較高；而在砂體厚度發(fā)育較小的部位，油氣零星分布(圖5)。

3.4 斷裂優(yōu)勢輸導(dǎo)通道

同一條油源斷裂斷面往往表現(xiàn)出凹凸不平的幾何形態(tài)，這就導(dǎo)致油氣并不是沿整條油源斷裂均勻地向上運(yùn)移，而是優(yōu)先向低勢區(qū)匯聚運(yùn)移。油氣沿斷層面運(yùn)移主要表現(xiàn)為平行流、發(fā)散流和匯聚流3種形式，分別對應(yīng)斷層面形態(tài)為平面、凹面和凸面[1]。其中以匯聚流運(yùn)移形式的凸面脊發(fā)育部位最有利于油氣垂向運(yùn)移，是油氣垂向運(yùn)移的優(yōu)勢輸導(dǎo)通道，斷裂凸面脊就是以匯聚流形式運(yùn)移的沿斷層面向上斷面低勢區(qū)的連線(圖6a)。應(yīng)用斷層面埋深等值線對大柳泉地區(qū)油源斷裂凸面脊發(fā)育部位進(jìn)行刻畫，每條油源斷裂凸面脊發(fā)育個數(shù)不同，如柳泉斷裂共發(fā)育4條凸面脊(圖6b)，在油源和運(yùn)移動力充足的情況下，油氣主要向油源斷裂凸面脊發(fā)育部位匯聚，在凸面脊附近聚集成藏。斷裂凸面脊反映了斷裂幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征對輸導(dǎo)能力的影響，在油源和動力充足條件下，斷裂凸面脊匯聚油氣能力主要受其幾何特征制約，可以用斷裂傾角、凸面脊高度和寬度來表征凸面脊發(fā)育規(guī)模(式1)。凸面脊發(fā)育規(guī)模越大，匯聚油氣能力越強(qiáng)。

圖5 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)源巖層內(nèi)砂體厚度、油源斷裂凸面脊與油氣分布關(guān)系Fig.5 Relationship between sand thickness in source rock, fault convex ridge and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖6 斷面運(yùn)移油氣模式及渤海灣盆地廊固凹陷柳泉斷層凸面脊特征Fig.6 Hydrocarbon migration pattern of fault plane and typical convex ridge characteristics of Liuquan fault in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

S=HLsinθ

(1)

式中：S為輸導(dǎo)斷裂斷面脊規(guī)模；θ為油源斷裂凸面脊傾角；L為凸面脊寬度；H為凸面脊高度。

4 斷裂垂向輸導(dǎo)能力定量評價

4.1 斷裂垂向輸導(dǎo)能力定量評價方法

綜上分析，大柳泉地區(qū)斷裂垂向輸導(dǎo)能力可以由斷裂活動強(qiáng)度、異常壓力、砂體“中轉(zhuǎn)站”和斷裂凸面脊規(guī)模4個參數(shù)表征。斷裂垂向輸導(dǎo)能力大小直接影響到油氣藏儲量的高低，油氣藏儲量可以作為評價斷裂垂向輸導(dǎo)能力的重要指標(biāo)。根據(jù)大柳泉地區(qū)多個區(qū)塊油氣分布可以看出,斷裂垂向輸導(dǎo)能力各影響因素均與油氣具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖7)。

斷裂垂向輸導(dǎo)油氣是一個復(fù)雜的過程，僅從單一影響因素很難確定斷層垂向輸導(dǎo)能力，同時，大柳泉地區(qū)斷裂輸導(dǎo)能力4個影響因素具有不同的量綱，因此，通過確定閾值的方法對各影響因素進(jìn)行無量綱化。由上述研究可知，當(dāng)斷層活動速率大于10 m/Ma時，油氣較為富集，因此確定斷層活動速率影響斷裂輸導(dǎo)能力的閾值為10 m/Ma。同理，確定異常壓力系數(shù)閾值為1.12，砂體厚度閾值為50 m，斷面脊規(guī)模閾值為0.15 km2(圖7)。通過各影響因素值與閾值的比值進(jìn)行無量綱化處理，得到斷層活動速率指數(shù)、超壓系數(shù)指數(shù)、砂體厚度指數(shù)和斷面脊規(guī)模指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可用“斷層輸導(dǎo)能力評價指數(shù)(FTC)”來評價斷裂垂向輸導(dǎo)能力。

FTC=V0P0T0S0

(2)

式中：FTC表示斷層輸導(dǎo)能力；V0為斷層活動速率指數(shù)；P0為超壓系數(shù)指數(shù)；T0為砂體厚度指數(shù)；S0為斷面脊規(guī)模指數(shù)。FTC值越大，表明斷裂對油氣的輸導(dǎo)能力越強(qiáng)。

4.2 斷裂垂向輸導(dǎo)能力綜合評價結(jié)果

斷裂垂向輸導(dǎo)能力大小直接影響到油氣藏儲量的高低，油氣藏儲量可以作為評價斷裂垂向輸導(dǎo)能力的重要指標(biāo)。利用FTC對大柳泉地區(qū)斷裂垂向輸導(dǎo)能力進(jìn)行評價，并建立實(shí)際油氣儲量與FTC之間的關(guān)系，二者之間表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系(圖8)。表明該方法適用于評價大柳泉地區(qū)斷層垂向輸導(dǎo)能力。

通過大柳泉地區(qū)內(nèi)油源斷裂輸導(dǎo)能力評價指數(shù)的計算，結(jié)合大柳泉地區(qū)油氣儲量分布，對該區(qū)油源斷裂輸導(dǎo)油氣能力進(jìn)行定量評價(圖9)，油源斷裂FTC值大的地區(qū)油氣較其他地區(qū)富集，F(xiàn)TC值小的油源斷層附近則幾乎無油氣富集。

5 結(jié)論

(1)大柳泉地區(qū)油氣以垂向運(yùn)移為主，Ⅳ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)作為油源斷裂是該區(qū)油氣垂向運(yùn)移的主要通道。

圖7 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)油源斷裂輸導(dǎo)能力影響因素與儲量關(guān)系Fig.7 Relationship between influencing factors of source fault transporting ability and reserves in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖8 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)儲量與斷層輸導(dǎo)能力評價指數(shù)關(guān)系Fig.8 Contrast of reserve abundance and fault transport ability evaluation index of Daliuquan area in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖9 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區(qū)油源斷層輸導(dǎo)能力綜合評價Fig.9 Comprehensive evaluation of source fault hydrocarbon transporting ability in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

(2)斷裂輸導(dǎo)油氣運(yùn)移時期，斷裂呈開啟狀態(tài)，影響其垂向輸導(dǎo)能力的主要因素包括運(yùn)移動力、源巖供烴量以及斷裂幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)特征。結(jié)合大柳泉地區(qū)地質(zhì)特征和油氣分布規(guī)律，可以用斷裂活動速率、異常壓力、砂體“中轉(zhuǎn)站”規(guī)模和斷層凸面脊規(guī)模4個參數(shù)，來表征斷裂輸導(dǎo)能力影響因素。

(3)大柳泉地區(qū)各區(qū)塊儲量與斷裂垂向輸導(dǎo)能力評價參數(shù)存在良好的正相關(guān)關(guān)系，綜合這些斷裂輸導(dǎo)能力影響因素評價參數(shù)回歸擬合出斷層輸導(dǎo)油氣能力評價公式，該公式計算結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況吻合良好，表明該定量評價方法具有較好的適用性。