歧口凹陷斷裂構(gòu)造特征及其控油氣作用

魏真真, 王丙賢, 楊 靜

(1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，東營 257000；2.中石化石油工程設(shè)計有限公司，東營 257000；3.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280)

“斷裂控藏”一直以來都是陸相斷陷盆地油氣差異聚集的重要研究內(nèi)容之一[1-2]。歧口凹陷作為黃驊坳陷中北區(qū)的主力生烴中心，斷裂構(gòu)造發(fā)育，目前已發(fā)現(xiàn)大量斷塊油氣藏，因此，斷裂構(gòu)造研究始終貫穿于油氣勘探過程，斷裂構(gòu)造對油氣的控制作用成為近年來諸多學(xué)者研究的熱點問題。前人對歧口凹陷的研究主要集中于凹陷形成、演化、板內(nèi)變形機制，以及物源、構(gòu)造對沉積體系的控制，新近系油氣富集成藏等方面[3-8]，也對帚狀斷裂及其油氣意義進行過相關(guān)探討[9]，但尚缺少對全區(qū)斷裂構(gòu)造特征進行系統(tǒng)、全面的研究，尤其缺少幾何學(xué)、運動學(xué)方面的證據(jù)。因此，筆者結(jié)合歧口凹陷地質(zhì)、地震等實測資料，選取典型剖面進行構(gòu)造解析，系統(tǒng)梳理區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的平面、剖面幾何學(xué)特征，并利用斷層落差法對主要斷層活動性進行定量分析，創(chuàng)新性地將模糊數(shù)學(xué)定量方法引入斷層封閉系數(shù)計算，在此基礎(chǔ)上進一步確定了主要油源斷層及其對油氣的控制作用，以期為指導(dǎo)下一步油氣勘探提供重要依據(jù)。

圖2 歧口凹陷古近紀—新近紀斷層展布優(yōu)勢方向?qū)Ρ菷ig.2 Contrast of dominant directions of fault distribution between Paleogene and Neogene in Qikou Sag

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 歧口凹陷構(gòu)造簡圖Fig.1 Structural sketch of Qikou Sag

歧口凹陷構(gòu)造位置上位于渤海灣盆地黃驊坳陷中北區(qū)，以漢沽斷層與其北部的燕山褶皺帶相鄰，南部向上超覆于埕寧隆起，東側(cè)以沙壘田凸起與渤中坳陷相接，西側(cè)以滄東斷裂與滄縣隆起相鄰(圖1)。研究區(qū)受燕山隆起、滄縣隆起和埕寧隆起三大物源區(qū)的影響，基巖為太古界及下元古界變質(zhì)巖，上覆地層自下而上分別為中-上元古界、古生界、中生界和新生界，總厚度達14 000 m。古近系自下而上包括孔店組、沙三段-沙二段、沙一段、東營組，新近系在本區(qū)廣泛分布，除厚度差別外，各區(qū)巖相區(qū)別不大，是良好的儲集層。其中，沙河街組和新近系是主要勘探目的層。

2 歧口凹陷斷裂構(gòu)造特征

2.1 斷裂構(gòu)造平面特征

歧口凹陷斷裂構(gòu)造走向以NNE、NE、EW和近EW向4組方向為主，且不同地區(qū)斷裂帶走向差異性明顯。沿海岸構(gòu)造帶兩側(cè)，斷裂帶走向方位發(fā)生明顯變化，其中，西側(cè)陸上以濱海斷層、大張坨斷層、港東斷層、南大港斷層、羊二莊斷層等為代表，沿NEE、NE走向展布；東側(cè)海域以張東斷層、歧東斷層、歧中斷層、海河-新港斷層等為代表轉(zhuǎn)為NW和近EW向，以濱海1號構(gòu)造帶內(nèi)斷層為代表轉(zhuǎn)為NEE向。除走向變化，在斷層傾向上發(fā)生極性的改變，如歧中斷層、歧東斷層、張北斷層、張東斷層等均向北傾，而濱海斷層、港東斷層、南大港斷層等均向南傾。統(tǒng)計對比研究區(qū)內(nèi)不同構(gòu)造時期的斷層走向優(yōu)勢方位發(fā)現(xiàn)，古近系沙三段沉積時期斷層優(yōu)勢走向為NEE和NE向，沙一段沉積時期斷層優(yōu)勢走向為近EW向，至新近系沉積時期，斷層優(yōu)勢走向為NEE向(圖2)，反映不同構(gòu)造演化構(gòu)造應(yīng)力場的控制作用。

歧口凹陷斷裂平面構(gòu)造樣式中，以帚狀平面組合樣式最為典型，如濱海斷裂東段、南大港斷裂東段，多條NW向弧形次級斷層與主干斷層構(gòu)成“帚狀”，西側(cè)收斂，向東側(cè)撒開(圖3中①、②)。此外，歧中斷層與歧東斷層中部可見一系列NWW向次級斷層呈明顯的雁列式平面組合樣式(圖3中③)，張北斷層主斷層兩側(cè)分別發(fā)育有一組平行式次級斷層與其相交，整體構(gòu)成羽列式平面組合樣式(圖3中④)，羊二莊斷層西側(cè)有近EW向的次級斷層與主斷層斜交，終止于羊二莊斷層，構(gòu)成典型的斜交式平面組合樣式(圖3中⑤)。

圖3 歧口凹陷T1 750 ms相干體切片解釋圖Fig.3 Interpretation of coherence slices of T1 750 ms

圖4 歧口凹陷斷裂剖面構(gòu)造樣式Fig.4 Profile structural style of fault in Qikou Sag

2.2 斷裂構(gòu)造剖面特征

以研究區(qū)三維地震資料為基礎(chǔ)，運用幾何學(xué)、運動學(xué)特征分析，對歧口凹陷斷裂構(gòu)造的剖面構(gòu)造樣式進行系統(tǒng)研究。過歧口凹陷的南-北向剖面顯示，研究區(qū)發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式、伸展-走滑構(gòu)造樣式，且自南向北表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，南部埕北斷階帶發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式，以羊二莊斷層、張東斷層、歧中斷層和歧東斷層等幾條規(guī)模較大的斷層為代表，剖面上均為北傾正斷層，斷面呈板狀或鏟狀，節(jié)節(jié)北掉，構(gòu)成南高北低的階梯狀斷層組合[圖4(a)]；中部歧北凹陷、北大港潛山均發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式，岐北凹陷顯示半地塹結(jié)構(gòu)，北大港潛山構(gòu)造帶中段顯示地壘結(jié)構(gòu)[圖4(b)]；中北部北大港潛山東部發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式，過該區(qū)NNW-SSE向剖面顯示，主干斷層和與其上盤的多條低級別斷層構(gòu)成復(fù)雜的多級Y字型組合樣式[圖4(c)]；北部新港潛山發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式和伸展-走滑構(gòu)造樣式，過海河斷層的SN向剖面顯示典型的同向Y字型組合樣式[圖4(d)]；以新港斷層、海河斷層為主干走滑斷層，淺部表現(xiàn)為向上分叉、撒開的正斷層，構(gòu)成典型的負花狀構(gòu)造[圖4(e)]。

3 主要斷層活動性分析

斷層既是油氣垂向運移的主要通道，也是構(gòu)造圈閉的重要遮擋條件，而斷層活動性成為其中重要的控制因素[10-12]。因此，通過主要斷層活動性分析，定量表征斷層運動學(xué)特征，對進一步深入探討其控油作用具有關(guān)鍵意義。目前，用于定量表征斷層活動性的方法有斷層落差、斷層生長指數(shù)、斷層活動速率等[13]，這里主要通過斷層落差計算來表征岐口凹陷斷層活動性。其基本原理為：在沉積補償前提下，不考慮沉積壓實，斷層兩盤同一巖層厚度之差即為斷層活動造成的構(gòu)造沉降[14]。選取歧口凹陷3條典型構(gòu)造剖面(圖5)，編制構(gòu)造演化平衡剖面，以此為基礎(chǔ)，采用斷層落差方法對研究區(qū)內(nèi)12條主要控洼斷層Es3—Nm沉積時期的斷層活動性進行定量分析(表1)。研究表明，歧口凹陷斷層的活動性具有明顯的分段特征，其中，Es3時期、Es1時期和Ed時期斷層活動性強，Ng時期以來斷層活動性明顯減弱。

圖5 歧口凹陷典型地質(zhì)剖面(剖面位置詳見圖1)Fig.5 Typical geological section of Qikou Sag (section location detailed as Fig.1)

表1 歧口凹陷主要斷層活動性分析

續(xù)表1

4 油源斷層確定及其控油氣作用

4.1 主要油源斷層的確定

斷層是溝通深部源巖與淺部儲層的重要通道，其垂向輸導(dǎo)性存在多種影響因素。成為油源斷層需同時滿足：具有高孔、高滲的斷裂帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)；斷層活動時期與生排烴時期相匹配；斷層連通主要源巖層系或與連通源巖層系的斷層相連通，三者缺一不可[15-17]。岐口凹陷以沙三段(Es3)、沙一段(Es1)和東三段(Ed)為主力烴源巖層系。前述12條控洼斷層中，除南部的羊二莊斷層、趙家堡斷層和扣村斷層外，均斷至沙三段(Es3)，均有可能成為直接油源斷層。當斷層對應(yīng)生排烴期活動時，常具有開啟性，成為縱向上油氣運移的重要通道，運移至淺層圈閉成藏，而斷層對應(yīng)生排烴期已停止活動時，斷層帶中常被礦物充填或膠結(jié)，縱向上對油氣具有封堵作用。因此，只有活動時期與油氣生排烴時期相匹配的斷層，才有可能成為油源斷層[18-20]。岐口凹陷具有長期成藏的特點，存在Es1末—Ed、Ng—Nm兩個生排烴期。結(jié)合前述斷層活動性分析發(fā)現(xiàn)，Es1末—Ed期，斷層活動性較強(圖6)，油氣可從沙三段烴源巖系運移至沙二段、沙一段和東營組，不利于油氣聚集，未成為研究區(qū)主要成藏期。至Ng—Nm時期，僅港東斷層、歧中斷層、南大港斷層、張東斷層和歧東斷層活動性較強，成為油氣縱向運移的重要通道，而研究區(qū)其他斷層整體活動性減弱。同時，斷層活動較弱有利于油氣聚集成藏，使此階段成為研究區(qū)主要的成藏期。基于此，筆者依據(jù)木桶理論的“短板效應(yīng)”原理，分別從斷層與沙二段、沙一段和東營組源巖的溝通情況、斷層活動與生排烴期的匹配關(guān)系(圖7)等方面對岐口凹陷12條主要斷層進行了綜合評價，最終確定出岐口凹陷油氣藏的主要油源斷層為澗南斷層、海河斷層、大張坨斷層、港東斷層、歧中斷層、南大港斷層、歧東斷層。

4.2 斷層對油氣的控制作用

斷層垂向輸導(dǎo)為油氣由深部向淺部運移提供了重要通道，而斷層側(cè)向封堵是斷層油氣藏及斷層復(fù)合油氣藏成藏不可缺少的條件[21-23]。岐口凹陷油氣藏中，斷層油氣藏占有重要地位，因此，斷層對油氣的側(cè)向封堵成為研究區(qū)油氣成藏的關(guān)鍵因素。

前人對歧口凹陷構(gòu)造應(yīng)力場特征進行了系統(tǒng)研究，研究表明，Es1時期、Ed時期、Nm時期和Q時期的主壓應(yīng)力方向分別為NE87°、NE77°、SE178°、NE71°[24-25]。前已述及，歧口凹陷的斷層走向主要有NNE、NE、EW和近EW向4組方向，但不同地區(qū)斷層走向差異性較大?；诖?，筆者采用模糊定量統(tǒng)計方法，即主壓應(yīng)力方向與斷層展布方向夾角越小，則斷層開啟性越強、封閉性越差，用較小的系數(shù)表示；反之，主壓應(yīng)力方向與斷層展布方向夾角越大，則斷層開啟性越差、封閉性越好，用較大的系數(shù)表示(表2)。前述歧口凹陷內(nèi)主要斷層均具有繼承性活動，可依據(jù)斷層與主壓應(yīng)力之間的夾角換算出Es1時期、Ed時期、Nm時期和Q時期的封閉系數(shù)，進而得出新生代以來的平均封閉系數(shù)(表3)。結(jié)果表明， NNE向斷層封閉性最好，封閉系數(shù)為3.50；其次為NE向斷層，封閉系數(shù)為2.50；EW向和NEE向斷層封閉性較差，封閉系數(shù)小于2.0。

圖6 岐口凹陷主要斷層最大古落差直方圖Fig.6 Histogram of maximum paleo-drop of main faults in Qikou Sag

圖7 岐口凹陷斷裂活動與油氣成藏事件匹配關(guān)系圖Fig.7 Matching diagram of fault activity and oil-gas accumulation events in Qikou Sag

表2 最大主壓應(yīng)力與斷裂走向夾角所對應(yīng)的封閉系數(shù)取值

表3 岐口凹陷主要斷層封閉系數(shù)測算表

5 結(jié)論

(1)地震資料解釋研究表明，歧口凹陷斷裂構(gòu)造平面上以NNE、NE、EW和近EW向4組走向為主，不同構(gòu)造時期優(yōu)勢方位差異性明顯，Es3時期NEE和NE向為主，Es1時期以近EW向為主，新近紀時以 NEE向為主；剖面上發(fā)育典型的伸展構(gòu)造樣式、伸展-走滑構(gòu)造樣式，南部發(fā)育階梯狀斷層組合，中部發(fā)育半地塹和地壘，中北部發(fā)育多級Y字型組合樣式，北部發(fā)育同向Y字型組合樣式和負花狀構(gòu)造。

(2)斷層落差分析定量描述了歧口凹陷斷層的活動性。歧口凹陷斷層分段性明顯，總體表現(xiàn)為沙三段、沙一段和東營組沉積時期活動性較強。其中，大神堂斷層、澗南斷層、大張坨斷層、港東斷層、南大港斷層、歧東斷層、張東斷層和趙家堡斷層在Es3時期達到峰值，海河斷層、扣村斷層在Ed時期達到峰值，歧中斷層、羊二莊斷層在Ed時期達到峰值，館陶組沉積以來總體活動性減弱。

(3)斷層綜合評價研究確定出岐口凹陷油氣藏的主要油源斷層為澗南斷層、海河斷層、大張坨斷層、港東斷層、歧中斷層、南大港斷層、歧東斷層。

(4)模糊定量統(tǒng)計明確了歧口凹陷主要斷裂構(gòu)造的控油作用。Es1—Ed時期歧口凹陷主要斷層的封閉系數(shù)均較低，不利于油氣成藏；Ng—Nm時期主干斷層封閉系數(shù)均較高，以4～6為主，明顯優(yōu)于Ed時期，成為歧口凹陷油氣成藏與分布的主控因素。