濟(jì)陽坳陷埕島東部地區(qū)斷層特征及其與新近系油氣富集關(guān)系

張學(xué)才，劉 華，張芷晴，楊貴麗，徐昊清，趙 珊

（1.中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心，山東東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580；3.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

斷裂控?zé)N、控運(yùn)、控圈、控聚等理論在陸相斷陷盆地油氣勘探中起到了重要作用［1-5］。埕島東部地區(qū)是濟(jì)陽坳陷的斷裂發(fā)育區(qū)，其斷層活動(dòng)性及成因機(jī)制復(fù)雜，新近系作為主力產(chǎn)油層系，具有它源成藏的特殊性［6-7］，但溝通源-儲(chǔ)的斷層特征與新近系油氣富集的內(nèi)在關(guān)系尚未揭示，制約了研究區(qū)新近系油氣勘探的進(jìn)程。為此，筆者利用三維地震數(shù)據(jù)及鉆井、測(cè)井資料，基于烴源巖時(shí)空分布與斷-蓋配置關(guān)系，重點(diǎn)分析埕島東部地區(qū)油源斷層及其成藏期活動(dòng)性，探討斷層與新近系油氣差異富集的本質(zhì)關(guān)系，以期為研究區(qū)下步的油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

埕島東部地區(qū)位于濟(jì)陽坳陷的東北部，是沾化凹陷與黃河口凹陷分界隆起帶的一部分，勘探面積約為150 km2。其北部以埕北斷層為界，與埕島東部斜坡帶相鄰，東部與黃河口凹陷相接，西部與埕北凹陷相隔（圖1）。研究區(qū)自下而上依次發(fā)育太古界、古生界、中生界和新生界，缺失元古界、上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)、上二疊統(tǒng)和三疊系等地層［8-9］。研究區(qū)緊鄰渤中、黃河口和埕北凹陷，發(fā)育沙三段、沙一段和東營組3套烴源巖，具有多洼多元供烴的油源條件［10-11］。已發(fā)現(xiàn)太古界、古生界、中生界、古近系沙河街組和東營組、新近系館陶組6套含油層系，以館陶組為主力產(chǎn)層，其頂部為區(qū)域性蓋層，生、儲(chǔ)、蓋條件優(yōu)越。

圖1 埕島東部地區(qū)構(gòu)造位置及構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig. 1 Structural location and division of structural units in eastern Chengdao area

研究區(qū)經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)多幕的改造，具有復(fù)雜的斷裂發(fā)育和組合特征，主要發(fā)育埕北30 北、埕北30 南和埕北斷層共3組基底斷層；在基底斷層控制基礎(chǔ)上發(fā)育了埕北、黃河口等新生界斷陷［12-13］。受埕北斷層及埕北30南斷層控制，形成了現(xiàn)今SW傾向背景下被2條斷層分割的埕島東部斜坡帶和樁海斷裂帶2個(gè)構(gòu)造單元（圖1c）。其中埕島東部斜坡帶位于埕北凸起的東北部，整體向南部傾伏，往北向渤中凹陷逐漸過渡，新近系油氣分布有限；樁海斷裂帶位于埕島地區(qū)和樁西潛山的結(jié)合部，向東逐漸延伸至黃河口凹陷，整體上具有向WS 方向逐漸抬升的趨勢(shì)，新近系油氣富集程度高。

研究區(qū)斷層較為發(fā)育，但是空間分布不均，樁海斷裂帶斷層發(fā)育程度較高，主要發(fā)育2 條埕北斷層（F3，F(xiàn)4）、埕北151斷層（F5）、埕北35斷層（F6）及一系列如樁海104 斷層（F7）等NEE 向派生斷層，皆以正斷層為主，潛山存在逆斷層；而埕島東部斜坡帶斷層發(fā)育較少，僅發(fā)育少量EW 向如埕北30 北斷層（F1）等系列北掉斷層及埕北30南斷層（F2）（圖1c）。

2 斷層特征

2.1 斷層組合特征

研究區(qū)斷層具有多種組合關(guān)系，平面組合樣式存在斜交式、“入”字形和平行式3種，空間分布上也存在差異。其中，埕島東部斜坡帶以一條NE 向大斷層與多條近EW 向小斷層為特征，形成斜交式平面組合；樁海斷裂帶內(nèi)發(fā)育的基底斷層及伴生小斷層皆為NE 和NEE 向，以“入”字形和平行式平面組合為主（圖2a）。

剖面上，埕島東部地區(qū)斷層組合樣式主要有“Y”字形、階梯形和地壘形3 種。“Y”字形組合樣式表現(xiàn)為多條斷層相向組合，斷層間相互交錯(cuò)，有利于油氣垂向輸導(dǎo)和斷層圈閉的形成，主要分布于樁海斷裂帶，典型代表為埕北35斷層（圖2b）。階梯形組合樣式由多條同向斷層組成，地層依次下掉形似階梯，斷層縱向延伸較小且缺少溝通深淺層斷層，斷層及砂體組合是油氣運(yùn)移的重要方式，多以橫向運(yùn)移為主，該組合斷層主要分布在埕島東部斜坡帶，典型代表為埕北30北斷層（圖2c）。地壘形組合樣式為斷層反向并列且彼此互不相交，分布范圍較廣，以樁海斷裂帶為主，典型代表為埕北斷層（圖2b）。

圖2 埕島東部地區(qū)斷層平面和剖面組合樣式Fig. 2 Composite modes of fault plane and profile in eastern Chengdao area

2.2 斷層類型劃分

不同類型斷層的油氣運(yùn)移能力差異較大，其中油源斷層作為油氣運(yùn)移的重要通道和成藏關(guān)鍵，通常溝通源-儲(chǔ)，且油氣成藏期具有一定的活動(dòng)能力［14-16］。埕島東部地區(qū)下伏沙三段和沙一段2 套優(yōu)質(zhì)烴源巖，二者對(duì)新近系油氣均具有供烴能力，其中沙三段烴源巖厚度大、成熟度較高，為主力烴源巖。因此，依據(jù)斷層和2套烴源巖層系切割關(guān)系，將研究區(qū)斷層劃分為油源Ⅰ型斷層、油源Ⅱ型斷層和調(diào)節(jié)斷層3種類型（圖3）。

圖3 埕島東部地區(qū)不同類型斷層剖面特征Fig. 3 Profile characteristics of different faults in eastern Chengdao area

油源Ⅰ型斷層 油源Ⅰ型斷層是指切穿深度較大，同時(shí)切穿沙三段和沙一段烴源巖的斷層，具有發(fā)育規(guī)模大、密度大、活動(dòng)時(shí)間長等特征，通常表現(xiàn)為地壘形組合樣式（圖2b）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)發(fā)育埕北30 南斷層等13 條油源Ⅰ型斷層，多分布于樁海斷裂帶（圖4）。

圖4 埕島東部地區(qū)明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期斷層平面分布特征Fig. 4 Plane distribution of faults during Minghuazhen period in eastern Chengdao area

油源Ⅱ型斷層 油源Ⅱ型斷層指切穿深度相對(duì)較淺，僅切至沙一段有效烴源巖而未切穿沙三段烴源巖的斷層。在研究區(qū)主要表現(xiàn)為油源Ⅰ型斷層的分支斷層，與油源Ⅰ型斷層相接形成“Y”字形組合樣式（圖2b）。該類斷層發(fā)育規(guī)模和斷層密度小于油源Ⅰ型斷層，共發(fā)育5條，集中分布于樁海斷裂帶，例如埕北35斷層（圖4）。

調(diào)節(jié)斷層 調(diào)節(jié)斷層指與油源斷層伴生或在差異壓實(shí)作用下形成的次級(jí)斷層，通常與有效烴源巖沒有切割關(guān)系，僅切至館下段砂體，且發(fā)育規(guī)模、斷層密度較小，易平行排列，構(gòu)成階梯形組合樣式（圖2c），可以作為油氣二次運(yùn)移的斷層。該類斷層在研究區(qū)共發(fā)育19條，如樁海104斷層等（圖4）。

3 油氣成藏期斷層活動(dòng)性

前人研究表明，研究區(qū)存在館陶組沉積末期—明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期（距今12～2 Ma）油氣充注［17-18］，新近系油氣主成藏期為明化鎮(zhèn)組沉積晚期至今。結(jié)合構(gòu)造活動(dòng)史分析，研究區(qū)在東營組沉積時(shí)期的斷層活動(dòng)性最強(qiáng)，館陶組沉積時(shí)期的斷層活動(dòng)性最弱，受渤海灣盆地新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期斷層活動(dòng)速率再次增強(qiáng)［2］，即油氣主成藏期斷層存在活化現(xiàn)象。主成藏期油源斷層的活動(dòng)性對(duì)油氣的垂向輸導(dǎo)能力影響較明顯，為此，分析研究區(qū)油源斷層在明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期的活動(dòng)性及其差異。

3.1 斷層活動(dòng)性評(píng)價(jià)方法

斷層活動(dòng)性評(píng)價(jià)方法較多，斷層生長指數(shù)、落差、活動(dòng)速率等是斷層活動(dòng)性分析的常用方法［19-21］。本次研究采用斷層活動(dòng)速率評(píng)價(jià)方法，選取13條油源Ⅰ型斷層、5條油源Ⅱ型斷層和14條調(diào)節(jié)斷層，等間距截取垂直斷層的地震剖面，經(jīng)時(shí)-深轉(zhuǎn)換獲得深度剖面，在精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上確定斷層上升盤和下降盤的地層厚度，計(jì)算落差值，并根據(jù)落差值與明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期沉積時(shí)間（取3.5 Ma，即研究區(qū)上新世）的比值計(jì)算斷層平均活動(dòng)速率。

3.2 斷層活動(dòng)性定量評(píng)價(jià)

計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期的斷層活動(dòng)強(qiáng)度存在明顯差異，斷層活動(dòng)速率具有從北到南逐漸增大的變化規(guī)律，表明從埕島東部斜坡帶到樁海斷裂帶，斷層受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響逐漸加大（圖5）。埕島東部斜坡帶發(fā)育的斷層在明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期的斷層活動(dòng)速率較小，為4～17 m/Ma，普遍低于15 m/Ma，平均活動(dòng)速率為12.8 m/Ma，斷層活動(dòng)性整體較弱；樁海斷裂帶發(fā)育的斷層活動(dòng)速率較大，為8～27 m/Ma，普遍高于15 m/Ma，平均活動(dòng)速率為17.9 m/Ma，斷層整體具有較強(qiáng)的活動(dòng)性。此外，同一斷層的不同部位也存在活動(dòng)性變化差異，普遍表現(xiàn)為中間強(qiáng)兩端弱的特征。例如埕北斷層南部（圖5中⑦號(hào)測(cè)點(diǎn)），斷層中間的活動(dòng)速率較大，最大值高于25 m/Ma；兩端的活動(dòng)速率較小，低于18 m/Ma。

圖5 埕島東部地區(qū)油氣主成藏期斷層活動(dòng)速率平面分布特征Fig. 5 Plane distribution of fault activity rates during main accumulation period in eastern Chengdao area

3.2.1 油源Ⅰ型斷層活動(dòng)性

研究區(qū)油源Ⅰ型斷層在油氣成藏期的活動(dòng)速率最大，整體大于15 m/Ma，平均為18.4 m/Ma，最高可達(dá)25.8 m/Ma（圖6）。不同構(gòu)造單元的活動(dòng)強(qiáng)度略有差異，表現(xiàn)為埕島東部斜坡帶主油源斷層活動(dòng)性較弱，平均活動(dòng)速率為13.8 m/Ma；而樁海斷裂帶的主油源斷層活動(dòng)性較強(qiáng)，平均活動(dòng)速率為19.2 m/Ma。

3.2.2 油源Ⅱ型斷層活動(dòng)性

研究區(qū)油源Ⅱ型斷層在油氣成藏期的活動(dòng)速率小于油源Ⅰ型斷層，主要為10～15 m/Ma，最高可達(dá)19.4 m/Ma，平均為13.5 m/Ma，具有較強(qiáng)的活動(dòng)性（圖6）。該類斷層在油氣成藏期的活動(dòng)速率差異較大，其中埕北35 斷層（圖5 中?號(hào)測(cè)點(diǎn)）活動(dòng)性最強(qiáng)，其平均活動(dòng)速率為16.5 m/Ma，接近主油源斷層的活動(dòng)性特征；而其他測(cè)點(diǎn)（圖5 中?和?號(hào)等）斷層活動(dòng)速率多小于12 m/Ma。

3.2.3 調(diào)節(jié)斷層活動(dòng)性

研究區(qū)發(fā)育的調(diào)節(jié)斷層活動(dòng)速率最小，多小于10 m/Ma，最高達(dá)11.9 m/Ma，最低至8 m/Ma，平均為9.6 m/Ma，具有較弱的活動(dòng)性（圖6）。埕島東部斜坡帶和樁海斷裂帶發(fā)育的調(diào)節(jié)斷層的活動(dòng)強(qiáng)度較為平均，無明顯差異。

圖6 埕島東部地區(qū)不同油源斷層活動(dòng)速率分布特征Fig. 6 Activity rates of different oil source faults in eastern Chengdao area

4 斷層特征與新近系油氣富集的關(guān)系

埕島東部地區(qū)斷層類型及其在油氣主成藏期的活動(dòng)能力是淺層它源油氣成藏的關(guān)鍵，分析斷層特征與油氣富集的關(guān)系有利于揭示研究區(qū)油氣分布不均的現(xiàn)象。

4.1 斷-蓋配置與油氣富集層系的關(guān)系

油氣勘探實(shí)踐表明，蓋層在油氣的運(yùn)移路徑上具有垂向阻烴的重要作用，但是當(dāng)蓋層發(fā)育斷裂時(shí)，斷裂的構(gòu)造演化活動(dòng)會(huì)對(duì)蓋層的垂向阻烴能力造成一定的影響，甚至使蓋層的垂向阻烴能力完全失效，從而增強(qiáng)成藏期油氣的垂向輸導(dǎo)能力［22-24］。樁海地區(qū)新近系主要發(fā)育館下段和館上段2套良好蓋層，斷-蓋配置是影響油氣能否沿?cái)嗔淹黄品舛虏⒃跍\層聚集成藏的重要因素。采用斷接厚度法可有效分析斷-蓋配置關(guān)系和油氣沿?cái)嗔演攲?dǎo)能力。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)館上段頂部蓋層的斷接厚度門限為8 m，館下段頂部蓋層斷接厚度門限為28 m。斷接厚度超過該門限則代表斷-蓋配置關(guān)系能夠形成垂向封堵，反之，油氣可以穿過蓋層運(yùn)移至上部層系（圖7）。每口井的蓋層斷接厚度存在差異，不僅是蓋層質(zhì)量的差異性所導(dǎo)致，還有斷層的活動(dòng)性影響。隨著油氣成藏期斷層活動(dòng)速率的增加，斷層的錯(cuò)斷使得兩盤蓋層保持對(duì)接的厚度范圍減小，油氣垂向運(yùn)移能力增強(qiáng)，油氣富集層系逐漸由館下段向館上段儲(chǔ)層過渡。

圖7 埕島東部地區(qū)館陶組蓋層斷接厚度與油氣富集關(guān)系Fig. 7 Relationship between fault breaking thickness of Guantao Fomation caprock and hydrocarbon enrichment in eastern Chengdao area

4.2 斷層活動(dòng)性與油氣富集的關(guān)系

根據(jù)單井的錄井和試油資料，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)油氣顯示最淺層位至有效烴源巖（生烴門限深度）的垂向距離。分析結(jié)果（圖8）表明，研究區(qū)油氣垂向運(yùn)移距離與斷層活動(dòng)速率具有正相關(guān)性，斷層活動(dòng)速率大于15 m/Ma，油氣垂向運(yùn)移能力具有指數(shù)增加趨勢(shì)，油氣可運(yùn)移至館上段4—5 砂組；斷層活動(dòng)速率小于15 m/Ma 時(shí)，油氣顯示最淺層位為館下段。在空間上，埕島東部斜坡帶的斷層活動(dòng)速率較小，為10～15 m/Ma，斷層主要斷至館下段蓋層，油氣易在館下段及以下層位富集；樁海斷裂帶的斷層活動(dòng)速率整體較大，此時(shí)館下段斷接厚度小于下限值，斷層可斷至館上段4—5砂組蓋層，具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)能力，為新近系館陶組油氣的主要富集區(qū)域。

圖8 埕島東部地區(qū)油氣主成藏期斷層活動(dòng)速率與油氣垂向運(yùn)移距離的關(guān)系Fig. 8 Relationship between fault activity rates and vertical migration distances of oil and gas during main accumulation period in eastern Chengdao area

斷層活動(dòng)速率越大、活動(dòng)時(shí)間越長，兩盤蓋層對(duì)接的厚度范圍變小，淺層油氣富集程度越高［25］。為了揭示研究區(qū)新近系油氣富集差異與斷層活動(dòng)性的關(guān)系，對(duì)樁海斷裂帶和埕島東部斜坡帶的斷層活動(dòng)速率及其周圍的新近系油氣顯示情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制直方圖（圖9）。分析表明，樁海斷裂帶油源Ⅰ型和Ⅱ型斷層分布多，且斷層活動(dòng)速率大于14 m/Ma的區(qū)帶新近系油氣富集較多；而斷層活動(dòng)速率小于10 m/Ma 的區(qū)帶及周緣無新近系油氣富集（圖9a）；埕島東部斜坡帶的新近系油氣富集程度相對(duì)較低，在斷層活動(dòng)速率大于10 m/Ma 時(shí)，具有一定的富集油氣能力（圖9b）。

圖9 埕島東部地區(qū)油氣主成藏期斷層活動(dòng)速率與附近新近系油氣顯示的關(guān)系Fig. 9 Relationship of fault activity rates with nearby Neogene oil and gas display during main accumulation period in eastern Chengdao area

4.3 斷層特征與油氣運(yùn)聚模式

研究區(qū)新近系油氣的分布多與油源斷層相伴，斷層的輸導(dǎo)條件決定了新近系油氣富集程度的差異性，是樁海斷裂帶新近系油氣富集而埕島東部斜坡帶新近系油氣發(fā)現(xiàn)較少的主要原因，據(jù)此建立了2種類型的新近系油氣運(yùn)聚模式。

樁海斷裂帶斷層輸導(dǎo)-垂向運(yùn)聚模式 樁海斷裂帶的斷層密度大且斷至層位深，油氣運(yùn)移主要通道為油源Ⅰ型和Ⅱ型斷層，易形成“Y”字形和地壘形組合樣式，有利于油氣的垂向輸導(dǎo)。油源斷層活動(dòng)速率多大于15 m/Ma，縱向上對(duì)蓋層的破壞作用強(qiáng)，與活動(dòng)性較弱的調(diào)節(jié)斷層形成有效配置，使油氣運(yùn)移至淺層成藏，新近系油氣分布主要受成藏期斷層活動(dòng)性的影響（圖10）。距離油源Ⅰ型和Ⅱ型斷層越近、斷層活動(dòng)性較強(qiáng)（大于15 m/Ma）的新近系圈閉為有利的油氣勘探區(qū)。

埕島東部斜坡帶斷層-砂體輸導(dǎo)-階梯式運(yùn)聚模式 埕島東部斜坡帶的油源斷層發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小，多呈階梯形組合樣式。斷層活動(dòng)強(qiáng)度居中，活動(dòng)速率多為10～12 m/Ma，且下伏烴源巖層較薄，油氣沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移的能力有限，砂體與斷層的組合關(guān)系控制了油氣富集部位，經(jīng)過調(diào)整運(yùn)移至館下段聚集成藏（圖10）。由于與主力烴源巖的距離較遠(yuǎn)，隨著與油源斷層距離的增加，油氣的充注動(dòng)力不斷減弱，油氣沿砂體側(cè)向運(yùn)移并沿調(diào)整斷層向淺層輸導(dǎo)，在斜坡帶的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑上及斷層活動(dòng)強(qiáng)度中-弱的新近系館下段聚集成藏。由于埕島東部斜坡帶油源斷層的垂向輸導(dǎo)能力弱于樁海斷裂帶，導(dǎo)致其新近系油氣富集層系相對(duì)較深，館上段成藏較少。

圖10 埕島東部地區(qū)油氣運(yùn)聚模式Fig. 10 Oil and gas migration and accumulation modes in eastern Chengdao area

5 結(jié)論

埕島東部地區(qū)斷層發(fā)育且特征復(fù)雜，基于斷層規(guī)模及與有效烴源巖的切割關(guān)系，分為油源Ⅰ型斷層、油源Ⅱ型斷層和調(diào)節(jié)斷層3 種類型。通過計(jì)算斷層活動(dòng)速率，明確了油氣成藏期斷層的活動(dòng)性強(qiáng)弱，其中，油源Ⅰ型斷層活動(dòng)速率多大于15 m/Ma，油源Ⅱ型斷層活動(dòng)速率為10～15 m/Ma，調(diào)節(jié)斷層活動(dòng)速率多小于10 m/Ma。

成藏期油源斷層活動(dòng)性差異和斷-蓋配置關(guān)系控制了研究區(qū)油氣分布層系和新近系富集程度。樁海斷裂帶的斷層活動(dòng)速率普遍高于15 m/Ma，斷-蓋配置有利于油氣向淺層運(yùn)聚，新近系油氣富集程度較高；而埕島東部斜坡帶的斷層活動(dòng)速率整體低于15 m/Ma，活動(dòng)性弱，其油氣富集層系深于樁海斷裂帶。

埕島東部地區(qū)從埕島東部斜坡帶至樁海斷裂帶，油氣富集層系逐漸變淺，基于油源斷層特征及其輸導(dǎo)能力，建立了2 種類型的新近系油氣運(yùn)聚模式，以油源Ⅰ型和Ⅱ型斷層發(fā)育為主的斷層輸導(dǎo)-垂向運(yùn)聚模式和油源斷層分布較少的斷層-砂體輸導(dǎo)-階梯式運(yùn)聚模式。