渤海灣盆地束鹿凹陷西曹固構造帶斷層圈閉成因機制及定量評價

肖 瑤，李小冬，鄭榮華，劉 聰，趙正權

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油 華北油田分公司 勘探事業(yè)部，河北 任丘 062552；3.中國石油 華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552；4.中國石油 華北油田分公司 第五采油廠，河北 辛集 052360)

在裂陷盆地中，斷層圈閉是最重要的圈閉類型。目前對該類圈閉的研究存在2個方面的問題：(1)由于斷層普遍具有分段生長的特征，同一條斷層不同部位的斷距變化及地層變形特征不同，導致不同部位圈閉成因機制不同；(2)不同斷層之間由于斷層傾角、斷層與地層傾向關系(同向、反向斷層)、走向、延伸長度等的不同，導致不同斷層鄰近部位所形成的圈閉成因機制也不同。因此，只有搞清斷層圈閉的成因機制，明確圈閉的構造樣式、形成時期和發(fā)育部位等，才能進一步對圈閉進行精細評價以及資源量的計算。前人對此進行了大量的研究，但大多集中在斷層圈閉類型的劃分[1]、斷層圈閉中主干遮擋斷層的封閉能力評價[2-4]、斷層圈閉中油氣運移規(guī)律[5-7]、斷層圈閉中斷裂對油氣成藏的控制作用[8-10]等方面，很少有學者專門探討斷層圈閉的成因機制，并對其圈閉進行定量評價。本文在對斷層圈閉的成因機制詳細劃分的基礎上，根據(jù)不同成因的斷層圈閉，選取相應的評價參數(shù)，建立了定量評價方法，以期對斷層精細評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

渤海灣盆地位于華北板塊的東部，屬于典型的中國東部中、新生代裂谷系疊合盆地。冀中坳陷位于渤海灣盆地外緣西北部，具有大陸型裂谷盆地特征。西曹固構造帶位于冀中坳陷南部的束鹿凹陷內(nèi)，是發(fā)育在南部束鹿凹陷西斜坡中段的鼻狀斷裂構造帶，其南部與荊丘轉(zhuǎn)換構造帶相連，北部與臺家莊轉(zhuǎn)換構造帶接壤，總面積約為126 km2(圖1)。該區(qū)新生代地層自下而上分別為古近系沙河街組、東營組和新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組。研究區(qū)發(fā)育2套烴源巖，分布在沙三下亞段和沙一下亞段，前人研究表明，除沙二段中少量原油來自沙一下亞段烴源巖外，其余地層中的油氣均來自主力烴源巖沙三下亞段[11]。此外，沙三段灘壩砂體和沙二段紅色砂巖發(fā)育2套優(yōu)質(zhì)儲層[12]，而研究區(qū)發(fā)育的3套區(qū)域性蓋層主要為沙一中亞段、沙二段頂部及沙三中亞段底部的泥巖[13]。束鹿凹陷內(nèi)部斷層具有明顯的差異性，通過對研究區(qū)西曹固構造帶不同層位斷層的走向進行統(tǒng)計(圖1)，從走向玫瑰節(jié)理圖中可以看出，研究區(qū)沙河街組中的斷層以北北東向和北東東向為主，東營組斷層多以北東東向和東西向為主。另外，還發(fā)育了一系列其他斷層，這些斷層在宏觀應力場及局部應力的共同控制下，形成與主干斷層走向截然不同的一系列斷層。

研究區(qū)地層整體上具有南東向傾斜的特點，并且斷裂極為發(fā)育，斷層走向主要為北北東向至北東向，斷層長度可達幾千米。以地層與斷層之間傾向相同或者相反為標準，將斷層劃分為同向斷層(傾向相同)和反向斷層(傾向相反)[14-15]及同期斷層分段生長連接形成的交叉斷層。但是在西曹固構造帶內(nèi)發(fā)育的主要斷層類型主要以同向斷層及反向斷層為主，只有少數(shù)是交叉斷層，且在交叉斷層附近基本沒有發(fā)現(xiàn)油氣聚集成藏。本文主要對西曹固構造帶的同向、反向斷層及其對應的圈閉進行具體分析，對交叉斷層不做具體闡述。同、反向斷層形成位置與邊界斷層有關，在邊界斷層的劇烈活動下發(fā)生重力垮塌導致膝折部位發(fā)育同向斷層，當同向斷裂發(fā)育到一定程度時，在調(diào)節(jié)邊界斷層處會形成一系列的反向斷層，這些反向斷層緊鄰同向斷層邊緣處發(fā)育。因此，在研究區(qū)陡坡帶附近發(fā)育了大量的同向斷層，而反向斷層則形成于更靠近凹陷中心的方向(圖2)。

圖1 渤海灣盆地束鹿凹陷西曹固構造帶區(qū)域位置及斷層分布特征(沙河街組二段)

本次研究對西曹固構造帶上的同向斷層7條、反向斷層9條主干斷裂進行了演化特征和圈閉成因機制分析。為了敘述簡要，本文選取同向斷層1條(F1斷層，圖2a)和反向斷層1條(F2斷層，圖2b)進行重點研究，對斷層圈閉的形成機制、發(fā)育部位進行分析和定量評價。

研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)斷層發(fā)生垂向位移時普遍具有多期活動特點；斷裂的活動強度在不同時期有所不同，在盆地坳陷發(fā)育期活動劇烈，在沙二段沉積期逐漸減弱，在沙一段與東營組沉積期活動強度又有明顯增加。

2 斷層分段生長特征及圈閉成因機制

2.1 斷層分段生長特征

斷層在生長過程中經(jīng)歷了破壞、連接、再破壞的動態(tài)過程，將一系列小規(guī)模的孤立斷層連接成一個大規(guī)模斷裂，我們將斷層的動態(tài)生長過程稱為斷層的分段生長。裂陷盆地中斷層的發(fā)育普遍是通過分段生長連接而成[1,16-17]，當2條孤立斷層逐漸發(fā)育成為一條規(guī)模較大的斷裂需要經(jīng)歷3個階段：孤立成核階段、“軟連接”階段和“硬連接”階段。通過野外露頭的研究、砂箱物理模擬實驗及實際地震資料解釋，可以充分證實斷層的分段生長這個動態(tài)過程[18]。

斷層的分段生長是一個復雜的動態(tài)過程：當2條孤立斷層開始側(cè)向重疊時，轉(zhuǎn)換斜坡帶在斷裂的相互作用下形成，斷層斷距的增長速率由于“軟連接”時期發(fā)生的能量消耗而變得緩慢，在斜坡區(qū)域內(nèi)發(fā)育的斷層總斷距相對較小。通過對三維地震數(shù)據(jù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，在“三圖”中可以準確判斷轉(zhuǎn)換斜坡的發(fā)育部位：①在位移—距離曲線圖中表現(xiàn)為明顯的“兩高一低”，且兩高點之間的距離逐漸減??；②在斷層面斷距等值線圖中的“鞍部”區(qū)域為轉(zhuǎn)換斜坡的形成區(qū)域；③在斷層面埋深等值線圖中的“隆起區(qū)”為轉(zhuǎn)換斜坡的發(fā)育部位[10]。

圖2 渤海灣盆地束鹿凹陷西曹固構造帶典型地震剖面

選取西曹固構造帶典型地震剖面(測線1133號剖面)中F1斷層進行解釋(圖2a，3a)，通過對F1斷層繪制出的位移—距離曲線的分析得出，在1140測線及1065測線這2個部位，不僅是斷距的相對低值點，同時也是斷層的分段生長點，低值點兩側(cè)斷距值明顯增加。F1斷層的斷距值在1065測線處有所降低，是被兩側(cè)分支斷層的發(fā)育吸收的，同時這個部位也是斷層的分段生長點。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)圈閉發(fā)育在斷層分段生長點的兩端，因此斷層分段生長是圈閉形成的主要原因?？偨Y得出，F(xiàn)1斷層作為研究區(qū)典型的同向斷層，在油氣的充注下所形成的同向型斷層圈閉，主要分布在斷層上盤區(qū)域的斷距低值區(qū)，即分段生長點處。

選取西曹固構造帶典型地震剖面(測線1305號剖面)中的F2斷層進行解釋(圖2b，3b)，對斷層的位移—距離曲線進行分析得出，斷距低值點位于1350測線處，同時也是斷層分段生長點的形成部位，圈閉主要形成在低值點兩側(cè)斷距值相對較高的區(qū)域內(nèi)，即斷距高值點部位。總結得出，研究區(qū)典型的反向斷層F2斷層在油氣發(fā)生充注時會形成反向型斷層圈閉，其主要分布在斷層下盤區(qū)域分段生長點之間。

2.2 斷層圈閉成因機制

圈閉作為油氣聚集及成藏的場所主要包括三部分：儲集層、蓋巖及阻止運移的遮擋物[19]。本文主要研究的圈閉類型是斷層圈閉，是指在儲集層中所有方向上阻止油氣繼續(xù)運移都是斷層的遮擋作用所形成的圈閉。當封閉性斷層與其相接處的構造等高線(或巖性尖滅線)形成閉合區(qū)域時為有效斷層圈閉(圖4)。

西曹固構造帶內(nèi)發(fā)育的邊界斷層與斷層相關圈閉的主體有關[20]，斷層圈閉類型為同向和反向斷層型圈閉。根據(jù)圈閉發(fā)育的部位來看，同向斷層型圈閉主要發(fā)育在斷裂帶上盤區(qū)域內(nèi)，圈閉類型主要為斷圈或者斷圈與自圈混合型圈閉的組合，而斷裂帶下盤由于掀斜作用所形成的斷塊翹傾方向與地層傾斜方向相同，因此下盤不具有圈閉形成的必要條件；反向斷層型圈閉主要形成在斷裂帶下盤的掀斜翹傾斷塊區(qū)域內(nèi)。

圖3 渤海灣盆地束鹿凹陷西曹固構造帶典型控圈斷層位移—距離曲線

圖4 斷層圈閉要素及組合模式

(1)同向斷層型圈閉主要形成在斷層上盤區(qū)域的分段生長點處。同向斷層型圈閉一般發(fā)育在研究區(qū)地勢較高的背斜構造處，背斜主要沿斷層走向剖面的分段生長點發(fā)育。由于在正斷層發(fā)育的中心部位斷距值較大，而在斷層發(fā)育的末端斷距較小，形成了上述同向斷層圈閉分布的背斜構造，而分段生長點形成兩條斷裂的端部區(qū)域，因此當正斷層發(fā)生滑動時，上盤下降，斷距最大的部位(斷層的中心部位)活動最為強烈，垂直活動量最大；而斷距較小的部位(斷層端部)活動較弱，垂直活動量較小。由于斷層在不同部位的活動速率存在差異，導致在斷距較小的部位地勢相對較高，從而形成了背斜構造，為圈閉的形成奠定了基礎。因此，同向斷層型圈閉發(fā)育在斷層上盤分段生長點處。

(2)反向斷層圈閉發(fā)育在斷層下盤的分段生長點之間。反向斷層型圈閉通常形成在斜坡帶靠近洼槽的上升盤一側(cè)。當正斷層發(fā)生活動時，斷層上盤相對下降，下盤相對上升；斷層在分段生長點處斷距較小，上升盤的垂直活動量較??；而斷距高值點位于兩分段生長點之間，斷距較大，上升盤垂向位移較大。因此，地勢相對較高的斷距高值點是圈閉形成的場所。這類圈閉的形成過程與同向斷層型圈閉截然不同，反向斷層圈閉發(fā)育在斷裂帶下盤區(qū)域的分段生長點之間。

3 斷層圈閉定量評價方法

同向和反向斷層圈閉的主要影響因素包括：斷層與地層之間的關系、斷層傾角、斷層走向、地層傾角、最大斷距、斷層段長度及地層旋轉(zhuǎn)角度等。在建立定量研究模型時，將地層形態(tài)近似看成規(guī)則的幾何圖形，這樣既不影響計算結果，又能方便建立圈閉面積的計算公式、總結圈閉面積的變化規(guī)律。

為了對比同向和反向斷層在形成圈閉時的差異，建立了圈閉變化定量研究模式(圖5)。其中，對最大斷距OD、地層傾角∠OCD、斷層段距離AB及斷層傾角∠ODC進行適當取值，保證斷層構造幅度在其他影響因素發(fā)生變化時始終保持不變，將斷層面和地層面近似看成規(guī)則的幾何曲面。在此基礎上，得出同向斷層圈閉(公式1)及反向斷層圈閉(公式2)的計算公式，對圈閉面積(圖5中弓形ABC)進行數(shù)學計算。

圖5 同向、反向斷層圈閉面積示意

(1)

(2)

式中：α為地層傾角，β為斷層傾角，x為斷距的變化，y為斷層段長度。

由圖5可知，反向斷層形成的圈閉包含了更多的地層空間，由此斷定，在相關影響因素相同的條件下，反向斷層形成的圈閉面積要比對應的同向斷層型圈閉面積更大。

分析上述公式可知：對于同向斷層圈閉而言，地層傾角、最大斷距與圈閉面積成反相關關系，而斷層段長度、斷層傾角與圈閉面積成正相關關系；對于反向斷層圈閉而言，地層傾角、斷層段長度與圈閉面積的相關關系與同向性斷層圈閉相同，而最大斷距、斷層傾角與圈閉面積的相關關系與同向性斷層圈閉相反。

4 斷層圈閉定量評價結果驗證

晉93斷層圈閉東側(cè)斷層位于西曹固構造帶與臺家莊構造帶的邊緣部位，該斷層為反向斷層，在1240至1350測線間其走向為北北東向，在1350至1450測線間為北東向(圖6a)。通過對相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，繪制了晉93東部斷層的位移—距離曲線(圖6b)，1305測線作為斷距低值點其兩側(cè)斷距值明顯增加，此處為斷層的分段生長點，斷層走向沿分段生長點的兩側(cè)由近南北向變成北東走向。從沿斷層走向的地震剖面圖(圖6c)可以看出，沙二段地層在斷距高值點處形成橫向背斜圈閉。

晉93斷圈東側(cè)斷層傾角約為45°，地層傾角約為15°，最大斷距為124.15 m，已知兩條測線之間的距離是25 m；根據(jù)圖6b中位移—距離曲線可知，斷層段長度為3 056 m。根據(jù)公式2可知：x=124.15 m，y=3 056 m，α=15°，β=45°，代入計算出圈閉面積S反=1.288×106m2；而該斷層圈閉的實際面積為1.316×106m2，兩者的誤差在2%左右，可能是因為構造區(qū)交叉斷層影響了圈閉的面積。這說明該斷層圈閉定量評價方法可行。

5 結論

(1)束鹿凹陷西曹固構造帶內(nèi)主要發(fā)育2種類型的斷層圈閉：同向斷層型圈閉和反向斷層型圈閉。同向斷層型圈閉主要形成在斷裂帶上盤區(qū)域的分段生長點處，是由于斷層上盤下降在斷距低值點處形成背斜；反向斷層圈閉發(fā)育在斷層下盤的分段生長點之間，形成掀斜翹傾斷圈。

(2)在確定了斷層圈閉成因機制的基礎上，選取了同向、反向斷層圈閉的主要影響因素，包括斷層與地層之間的關系、斷層傾角、斷層走向、地層傾角、最大斷距、斷層段長度及地層旋轉(zhuǎn)角度等，并建立了同向、反向斷層圈閉面積的定量計算模式圖及計算方法。

圖6 渤海灣盆地束鹿凹陷晉93斷圈東側(cè)斷層圈閉定量預測

(3)地層傾角與同、反向斷層圈閉面積成反相關關系；斷層段長度與同、反向斷層圈閉成正相關關系；最大斷距與同向斷層圈閉面積成反相關關系，而與反向斷層圈閉面積成正相關關系；斷層傾角與同向斷層圈閉面積成正相關關系，而與反向斷層圈閉面積成反相關關系。

致謝：本文得到了孫同文老師的指導，劉世瑞師兄分享了工作經(jīng)驗和學習資料，在此致以衷心的感謝！