渤海灣凹陷區(qū)復(fù)雜斷裂帶垂向優(yōu)勢運移通道及油氣運移模擬

徐長貴，彭靖淞，吳慶勛，孫哲，葉濤

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，渤海海域在晚期成藏、淺水三角洲和油氣中轉(zhuǎn)倉等理論的指導(dǎo)下，在凸起區(qū)淺層陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了蓬萊19-3、秦皇島32-6等一批大中型油田[1-10]。隨著凸起區(qū)勘探程度的增加，勘探目標(biāo)開始轉(zhuǎn)向探井較少的凹陷區(qū)[8-12]。受新構(gòu)造運動的控制，凹陷區(qū)形成了一系列復(fù)雜斷裂帶[1-5]。復(fù)雜斷裂帶新近系埋藏較淺、儲蓋條件好、圈閉較多、垂向輸導(dǎo)通道發(fā)育，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)渤中8-4、旅大21-1等億噸級油田，證明了復(fù)雜斷裂帶良好的勘探潛力。然而，復(fù)雜斷裂帶淺層依然有很多失利井，勘探成功率并不高，油氣差異成藏明顯。如何在凹陷區(qū)的眾多斷塊中找到油氣富集區(qū)是勘探面臨的主要問題[8-12]。

在復(fù)雜斷裂帶，油氣從烴源巖運移到淺層圈閉經(jīng)歷了深層源內(nèi)/近源輸導(dǎo)層側(cè)向運移，斷裂垂向運移和淺層源外輸導(dǎo)層側(cè)向運移的立體運移過程[11-14]。雖然復(fù)雜斷裂帶淺層斷裂眾多，但受斷層活動性、幾何形態(tài)和區(qū)域蓋層破裂程度的影響，只有10%～15%的斷面可以作為油氣垂向運移通道，精細刻畫垂向油氣運移規(guī)律成為勘探研究的難點[15-22]。

前人對渤海淺層油氣成藏進行了一系列的研究，總結(jié)出網(wǎng)毯式運移、油氣中轉(zhuǎn)倉和貫穿式運移等成藏模式[23-25]。這些研究主要是對成藏過程和成藏機制的描述，對垂向運移的研究主要集中在運移斷層分析，缺乏“精細”的垂向運移通道研究[15-22,26-29]。

數(shù)值模擬是油氣運移分析的重要方法[13,30-34]。目前，主要的油氣運移數(shù)值模擬分析方法有3種：①源內(nèi)順層油氣運移模擬，模擬烴源巖生成油氣后順層運移到圈閉成藏的運移過程，該方法適合復(fù)雜斷裂帶深層油氣運移分析，不適合復(fù)雜斷裂帶源外淺層油氣運移分析；②漫灌運移模擬，模擬均勻排烴強度下的油氣運移路徑，該方法可以用于源外油氣運移方向分析，但未考慮斷裂垂向輸導(dǎo)能力的差異，分析結(jié)果預(yù)測價值不大；③基于充注點的油氣運移模擬，主要用于簡單定向油氣充注、運移分析，該方法適合源外成藏，但復(fù)雜斷裂帶斷裂眾多，充注點難于識別，鮮有使用[13,32-34]?？梢姡瑥?fù)雜斷裂帶缺乏油氣運移數(shù)值模擬的有效方法。

現(xiàn)今已步入大數(shù)據(jù)時代[33-34]。大數(shù)據(jù)的本質(zhì)就是利用信息消除不確定性、數(shù)據(jù)驅(qū)動型的科學(xué)研究[33-36]。中國各大油田已經(jīng)積累了大量勘探數(shù)據(jù)，如何從定性—半定量的地質(zhì)分析中提取斷裂活動和油氣運移相關(guān)的定量參數(shù)，如何利用勘探大數(shù)據(jù)服務(wù)復(fù)雜斷裂帶的精細勘探，如何利用精細三維立體構(gòu)造建模、油氣運移數(shù)值模擬來提高勘探成功率，越來越引起研究人員的重視[33-36]。

本文通過對渤海海域中南部地區(qū)油氣地質(zhì)條件大數(shù)據(jù)分析，定量/半定量分析凹陷區(qū)垂向優(yōu)勢運移通道形成條件。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造建模輔助分析，實現(xiàn)了黃河口東洼垂向優(yōu)勢運移通道及其源外充注點/段的大數(shù)據(jù)搜索，并在此約束下進行油氣充注、運移數(shù)值模擬，預(yù)測復(fù)雜斷裂帶淺層油氣運移路徑和油氣富集區(qū)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渤海海域中南部，包括環(huán)渤中凹陷和黃河口東洼，面積為1.2×104km2。研究區(qū)內(nèi)石臼坨凸起、沙壘田凸起、埕北低凸起、渤南低凸起和廟西北凸起等勘探程度較高，含油層系主要為新近系，儲量超過20×108t（見圖1a）。研究區(qū)新構(gòu)造運動及其斷裂活動活躍，郯廬斷裂帶穿越渤中凹陷東部和黃河口東洼，形成了一系列復(fù)雜斷裂帶及串珠狀圈閉，其中凹陷區(qū)的復(fù)雜斷裂帶鉆井較少，勘探程較低（見圖1b），是下步勘探的現(xiàn)實區(qū)域[3,6-10]。

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育深層古近系構(gòu)造層（簡稱深層）和淺層新近系構(gòu)造層（簡稱淺層）。深層為裂陷階段多期次扇三角洲—辮狀河三角洲砂體和湖相泥巖的旋回沉積，由深到淺依次發(fā)育孔店組、沙河街組（分為沙一段、沙二段、沙三段、沙四段）和東營組（分為東一段、東二段、東三段）；淺層為拗陷階段河流相和淺水三角洲相的砂礫巖和砂（泥）巖沉積，由深到淺依次發(fā)育館陶組和明化鎮(zhèn)組（分為明上段、明下段）[37-39]（見圖1c）。

圖1 斷裂控藏研究區(qū)位置圖（a）、油氣運移研究區(qū)位置圖（b）及地層綜合柱狀圖（c）

2 活動斷裂帶淺層充注成藏模式與垂向優(yōu)勢運移通道

受裂陷晚幕構(gòu)造大幅沉降的控制[37-39]，凹陷區(qū)發(fā)育東營組區(qū)域泥巖蓋層，厚度為300～3 000 m。由于與有效烴源巖的接觸關(guān)系不同，加上區(qū)域蓋層的分割，縱向上可以劃分為深層成藏體系和淺層（源外）成藏體系（見圖2）。由于渤海海域70%的儲量都集中在淺層成藏體系[1-10]，因此本文主要論述復(fù)雜斷裂帶淺層源外成藏體系的油氣充注與運移。

2.1 淺層源外成藏體系充注成藏模式

淺層成藏體系埋深較淺，不發(fā)育成熟烴源巖，屬于源外成藏[11-12,23-25]。新構(gòu)造運動中，深層成藏體系蓋層及其下伏油氣中轉(zhuǎn)倉發(fā)生破裂，油氣沿運移斷裂的垂向運移通道調(diào)整到淺層并發(fā)生充注，一部分油氣在充注點附近的斷塊圈閉成藏，另一部分油氣沿著淺層的主要輸導(dǎo)層（館陶組上段）運移到高部位斷塊，梯級截流、聚集成藏（見圖2）[11-12,23-25]。本文將這種源外淺層充注成藏的過程稱為源外充注成藏模式。

圖2 復(fù)雜斷裂帶差異充注成藏模式圖（剖面位置見圖1）

2.2 油氣垂向優(yōu)勢運移通道是淺層源外成藏的關(guān)鍵

在復(fù)雜斷裂帶源外充注成藏模式中，本文把垂向優(yōu)勢運移通道定義為油氣從深層成藏體系大規(guī)模運移到淺層成藏體系的狹窄斷面。油氣垂向優(yōu)勢運移通道是油氣從深層運移到淺層的“橋梁”，是淺層油氣成藏的關(guān)鍵。只有準(zhǔn)確地預(yù)測垂向優(yōu)勢運移通道才能更好地預(yù)測淺層的油氣運移。由于沿走向斷裂的斷距、斷面形態(tài)、區(qū)域蓋層的破裂程度、與源內(nèi)成藏體系搭接關(guān)系的變化，油氣垂向輸導(dǎo)能力變化較大，因此垂向優(yōu)勢運移通道的分布需要精細研究[15-22,26-29]。

3 大數(shù)據(jù)分析垂向優(yōu)勢運移通道形成條件

通過對環(huán)渤中海域62個含油氣構(gòu)造/油氣田淺層油氣富集條件的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究垂向優(yōu)勢運移通道的形成條件。

3.1 斷層與深層成藏體系的搭接方式

斷層貫通深、淺成藏體系是形成垂向優(yōu)勢運移通道和源外大規(guī)模成藏的前提，斷層源內(nèi)匯聚能力的大小決定了源外油氣充注成藏的規(guī)模[13-14,18-22]。成藏期貫通深、淺層的斷層（簡稱貫通斷層）與源內(nèi)成藏體系的搭接關(guān)系決定了匯聚油氣能力的大小，亦決定了垂向優(yōu)勢運移通道的形成[24]。本文根據(jù)貫通斷層與源內(nèi)成藏體系的貫通方式將貫通斷層劃分為3種類型：Ⅰ型切割深層中轉(zhuǎn)倉、Ⅱ型切割油氣主要運移路徑、Ⅲ型切割深層成藏體系低部位。

Ⅰ型貫通斷層占凹陷區(qū)淺層成藏的68%，儲量豐度高達1 200×104t/km2。中轉(zhuǎn)倉油氣匯聚規(guī)模越大、個數(shù)越多，淺層成藏的規(guī)模越大。

Ⅱ型貫通斷層沒能切割到中轉(zhuǎn)倉，而是落在低部位的主要油氣運移路徑上，占凹陷區(qū)淺層成藏的22%，儲量豐度平均為320×104t/km2。

Ⅲ型貫通斷層既沒有切割到深層中轉(zhuǎn)倉，也沒有切割到油氣運移的主要路徑，只是切割到深層成藏體系烴源巖低部位，多為無效搭接，占凹陷區(qū)淺層成藏的10%，儲量豐度僅為20×104t/km2。

對比3種貫通斷層的淺層源外成藏概率和儲量豐度發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型和Ⅱ型貫通斷層的淺層油氣成藏概率較大、儲量豐度較高，表明其淺層的油氣充注活躍，反推深層的匯聚能力較強，容易形成垂向優(yōu)勢運移通道和淺層成藏；Ⅲ型貫通斷層的淺層油氣成藏概率較小、儲量豐度較低，表明其不能向淺層高效輸導(dǎo)油氣，反推深層的匯聚能力較差，不容易形成垂向優(yōu)勢運移通道和淺層成藏。

3.2 斷層斷面幾何形態(tài)

斷層的斷面往往凹凸不平，在斷面曲率變化大的區(qū)域，應(yīng)力集中釋放，容易產(chǎn)生微裂縫，有利于油氣向淺層運移[15-16,18,28-29]。在浮力作用下，油氣主要沿凸面運移[16,22,26-29]。只要有斷層與烴源巖接觸，油氣就不會均勻地向四周擴散，而是主要沿著斷層面的凸面向上運移。環(huán)渤中凹陷區(qū)油田/含油氣構(gòu)造統(tǒng)計結(jié)果表明，斷層以凸面運移的成藏概率比凹面運移高20%，因此斷面構(gòu)造脊更能形成垂向優(yōu)勢運移通道。

3.3 區(qū)域蓋層破裂程度

東營組下段厚層泥巖是深層成藏體系的蓋層，新構(gòu)造運動及其斷裂活動破壞了此蓋層，使得油氣向淺層成藏體系運移[13-14,21-24]。區(qū)域蓋層的破裂是垂向優(yōu)勢運移通道形成的必要條件。

蓋層厚度減貫通斷層斷距即為蓋層斷接厚度。利用蓋層斷接厚度可定量評價斷裂活動對蓋層的破壞作用，蓋層斷接厚度越小，深層成藏體系的破壞程度就越大[3,13,40-42]。通過統(tǒng)計環(huán)渤中凹陷區(qū)蓋層斷接厚度與淺層油氣藏儲量占比關(guān)系表明（見圖3），當(dāng)蓋層斷接厚度大于400 m時以深層成藏為主，當(dāng)蓋層斷接厚度小于400 m時以淺層成藏為主，蓋層斷接厚度越小越有利于淺層成藏。因此，蓋層斷接厚度小于400 m是垂向優(yōu)勢運移通道形成的必要條件。

圖3 蓋層斷接厚度與淺層地質(zhì)儲量占比關(guān)系圖

3.4 成藏期斷層斷距

斷層活動性達到一定程度就會產(chǎn)生滑動破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶，形成油氣向淺層運移和充注的高孔滲性通道[3,11-12,15,20-24,40-41]。由于研究區(qū)為晚期成藏，所以同期的新構(gòu)造運動期斷層的斷距非常重要[1-10]。成藏期斷層斷距與淺層地質(zhì)儲量占比關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果顯示（見圖4），成藏期斷距越大，油氣輸導(dǎo)能力越強。斷距小于80 m以深層成藏為主，斷距大于80 m以淺層成藏為主。因此，凹陷區(qū)成藏期形成垂向優(yōu)勢運移通道斷層的最小斷距為80 m。

圖4 成藏期斷距與淺層地質(zhì)儲量占比關(guān)系圖

綜上所述，切割深層油氣中轉(zhuǎn)倉或主要運移通道的Ⅰ型和Ⅱ型貫通斷層中，深層蓋層斷接厚度小于400 m，淺層成藏期斷層斷距大于80 m的斷面容易形成復(fù)雜斷裂帶垂向優(yōu)勢運移通道。

4 基于垂向優(yōu)勢運移通道源外充注點/段分析結(jié)果進行油氣運移模擬

黃河口東洼位于環(huán)渤中凹陷東南部（見圖1），晚期斷裂及其斷塊眾多，處于復(fù)雜斷裂帶，初期鉆井證實淺層新近系是其主要的成藏層系，但失利井較多，勘探成效并不理想[1-10]。淺層油氣優(yōu)勢運移路徑不明制約了該區(qū)淺層的勘探。本文以黃河口東洼為靶區(qū)，根據(jù)淺層源外充注的成藏模式，結(jié)合環(huán)渤中區(qū)域垂向優(yōu)勢運移通道形成條件，提出基于垂向優(yōu)勢運移通道分析的油氣運移模擬新方法，預(yù)測源外油氣運移路徑。

基于垂向優(yōu)勢運移通道分析的油氣運移模擬方法主要分為3個步驟：①構(gòu)造建模下源外充注點/段識別；②淺層斷裂截流分析；③優(yōu)勢/強充注點/段約束下的淺層運移模擬。

4.1 構(gòu)造建模下源外充注點/段識別

在復(fù)雜斷裂帶源外充注模式中，油氣垂向優(yōu)勢運移通道與淺層輸導(dǎo)層搭接處即為源外油氣充注點/段（見圖2）。根據(jù)垂向優(yōu)勢運移通道的形成條件確定充注點/段的識別標(biāo)準(zhǔn)為：①切割深層油氣中轉(zhuǎn)倉或主要運移通道的Ⅰ型或Ⅱ型貫通斷層上與淺層主要輸導(dǎo)層搭接的斷點；②斷點成藏期斷距大于80 m，斷點深層蓋層斷接厚度小于400 m；③位于斷面構(gòu)造脊的斷點更容易形成充注點。

利用上述識別標(biāo)準(zhǔn)在黃河口東洼搜索充注點/段。筆者嘗試通過計算斷層在走向上不同位置斷點的斷接厚度、斷距等來尋找充注點/段。如果對研究區(qū)所有斷層采用等間距斷點采樣分析，即使是1點/km的采樣密度，只計算2個層位，也會有超過1 000個計算點。如果分析分辨率、分析層位和分析項目進一步提高，計算分析工作量就會成倍增長，費時費力，效率較低。

為了提高垂向輸導(dǎo)通道分析的分辨率和工作效率，引入全斷層大數(shù)據(jù)構(gòu)造建模及斷裂分析，計算斷裂的斷距和斷接厚度，計算分辨率可達到100點/km，計算分辨率提高了100倍，完成三維構(gòu)造建模下6個層系超過350 000個斷點的“大數(shù)據(jù)抽樣分析計算”，實現(xiàn)了垂向優(yōu)勢運移通道源外充注點/段高分辨率搜索。

具體步驟為：①利用Petrel軟件進行層面建模，對深層成藏體系進行源內(nèi)順層油氣運移模擬，得到深層油氣中轉(zhuǎn)倉和主要油氣運移路徑及其匯聚油氣的規(guī)模（見圖5a）；②通過斷裂建模分析斷裂與深層油氣聚集和主要油氣運移路徑的搭接關(guān)系，確定貫通斷層的類型（見圖5b）；③通過三維構(gòu)造模型計算深層成藏體系貫通斷層的斷距、區(qū)域蓋層厚度、斷接厚度，并把Ⅰ型或Ⅱ型貫通斷層中深層蓋層斷接厚度小于400 m、成藏期斷層斷距大于80 m的斷面標(biāo)定為優(yōu)勢充注點/段（見圖5c、圖5d）；④利用Trinity軟件，通過邊際檢測分析斷面形態(tài)，把優(yōu)勢充注點/段中的凸面標(biāo)定為強充注點/段（見圖5e、圖5f）。

利用上述方法得到黃河口東洼潛在充注點/段、優(yōu)勢充注點/段、強充注點/段的分布特征。其中優(yōu)勢和強充注點/段僅占所有淺層斷面的16%，貫通斷層中只有約25%的斷面成為充注點/段（見圖5f）?？梢娧芯繀^(qū)淺層斷裂雖多，但優(yōu)勢和強充注點/段并不多，且都分布在新構(gòu)造運動活躍及其晚期斷裂活動強烈的區(qū)域，表明新構(gòu)造運動對淺層油氣充注控制作用明顯。

4.2 淺層斷裂截流分析

油氣在淺層優(yōu)勢/強充注點/段發(fā)生充注后，會沿著淺層輸導(dǎo)層的構(gòu)造脊運移[26-27]。在運移路徑上，斷層縱向上切割地層，斷層泥在斷面發(fā)生涂抹，輸導(dǎo)層的橫向連續(xù)性及連通性在斷層處發(fā)生中斷，形成側(cè)向遮擋，油氣截流成藏[17-19]。

凸起區(qū)的斷裂主要起截流成藏作用，因此最能體現(xiàn)斷裂活動與截流成藏的耦合關(guān)系。通過對環(huán)渤中地區(qū)成藏期斷距與油藏高度關(guān)系的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸起區(qū)成藏期斷距大于15 m時即可形成截流成藏，油藏高度為20～60 m（見圖6）。黃河口東洼斷層斷距跟泥巖涂抹系數(shù)的分析結(jié)果顯示，當(dāng)斷距大于13 m時，斷裂的泥巖涂抹系數(shù)會研磨到30%，即斷層具有一定的截流能力[17-19]（見圖7）。同樣表明當(dāng)斷距大于15 m，斷層可形成有效截流。

4.3 優(yōu)勢/強充注點/段約束下的淺層運移模擬

在落實淺層優(yōu)勢運移通道和斷層截流條件的基礎(chǔ)上，對黃河口東洼淺層進行基于充注點/段約束下的油氣運移模擬，具體步驟為：①由于淺層主要的輸導(dǎo)層是明下段下部富泥段下伏的館陶組上部地層，因此選取明化鎮(zhèn)組底作為控制層進行常規(guī)的構(gòu)造建模和儲集層建模；②進行斷裂建模，設(shè)定所有斷距大于15 m的斷層都具有一定的截流能力（相當(dāng)于60 m油柱高度）；③利用Trinity軟件對之前分析落實的優(yōu)勢/強充注點/段進行定量充注和油氣運移模擬，每個充注點/段充注油氣的多少，參考充注點所屬垂向優(yōu)勢運移通道深層匯聚油氣定量規(guī)模。

模擬預(yù)測渤中36-A構(gòu)造區(qū)和蓬萊31-B構(gòu)造區(qū)充注點/段發(fā)育，油氣成藏規(guī)模較大（見圖5f）；同時預(yù)測蓬萊31-B區(qū)缺乏充注點/段，沒有大規(guī)模的油氣聚集。實際鉆探在渤中36-A構(gòu)造區(qū)和蓬萊31-B構(gòu)造區(qū)取得良好的油氣發(fā)現(xiàn)，在蓬萊31-B區(qū)沒有好的發(fā)現(xiàn)，預(yù)測成功率高，證實了模擬方法的可靠性（見圖1）。

同時，通過模擬也表明（見圖5f）：①油氣運聚主要集中在優(yōu)勢/強充注點/段附近，含烴流體沿優(yōu)勢/強充注點/段注入到淺層后，受復(fù)雜斷裂帶斷層的截流和阻隔作用，以就近成藏為主，如渤中36-A構(gòu)造區(qū)和蓬萊31-B構(gòu)造區(qū)；②優(yōu)勢/強充注點/段較為多的斷塊油氣成藏較好，反之油氣成藏較差，如蓬萊31-B區(qū)優(yōu)于蓬萊31-A區(qū)。

圖5 基于垂向優(yōu)勢運移通道分析的油氣運移模擬方法

另外，在新構(gòu)造運動及其斷裂活動較強的區(qū)域（見圖5d），容易形成充注點/段，其油氣運聚活躍（見圖5f）；在新構(gòu)造運動及其斷裂活動較弱的區(qū)域（見圖5d），容易形成充注點/段，其油氣運聚較弱（見圖5f）?？梢?，新構(gòu)造運動及其斷裂活動通過控制深層油氣匯聚的不均衡破裂，導(dǎo)致了垂向優(yōu)勢運移通道及其源外強充注點/段的差異分布，從而決定了復(fù)雜斷裂帶淺層油氣成藏的差異特征。

圖6 成藏期斷距與油藏高度關(guān)系圖

圖7 斷裂泥巖涂抹分析圖

4.4 勘探成效

基于垂向優(yōu)勢運移通道源外充注點/段分析的油氣運移模擬方法，淺層油氣模擬分析結(jié)果與研究區(qū)勘探成果的符合率達到90%，成功參與黃河口東洼勘探評價，落實儲量近億噸，具有良好的預(yù)測效果。

5 結(jié)論

在環(huán)渤中復(fù)雜斷裂帶，切割深層油氣中轉(zhuǎn)倉或主要運移路徑的貫通斷層中，深層蓋層斷接厚度小于400 m，淺層成藏期斷層斷距大于80 m的斷面容易形成垂向優(yōu)勢運移通道及其源外充注點/段。

區(qū)別于深層成藏模式中油氣運移的起點為烴源巖，復(fù)雜斷裂帶淺層源外充注成藏模式中油氣運移的起點是垂向優(yōu)勢運移通道與淺層輸導(dǎo)層的搭接處，即充注點/段。因此，充注點/段的識別對于復(fù)雜斷裂帶淺層的油氣運移分析非常重要。

通過三維構(gòu)造建模和源內(nèi)油氣運移的模擬可以實現(xiàn)高分辨率斷點的斷距、蓋層斷接厚度等參數(shù)的大數(shù)據(jù)計算分析和深層油氣匯聚能力預(yù)測。這為垂向優(yōu)勢運移通道源外充注點/段的高分辨率的搜索識別奠定了基礎(chǔ)，對于復(fù)雜斷裂帶的構(gòu)造及油氣運移的精細研究具有重要的借鑒意義。

基于垂向優(yōu)勢運移通道的油氣運移模擬，因為綜合考慮到斷裂活動、區(qū)域蓋層、深層匯聚能力、淺層輸導(dǎo)層特征和斷裂截流等油氣地質(zhì)條件對淺層油氣運聚的控制作用，所以取得了良好的預(yù)測效果。

通過對黃河口東洼的油氣模擬表明：新構(gòu)造運動及其斷裂活動通過控制垂向優(yōu)勢運移通道及其強充注點/段發(fā)育決定了復(fù)雜斷裂帶淺層的油氣成藏。