濟(jì)陽(yáng)坳陷埕島地區(qū)潛山斷裂的特征及封閉性研究

石曉光

（中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營(yíng) 257022）

深層潛山油氣勘探是我國(guó)近些年油氣增儲(chǔ)的主要領(lǐng)域［1-3］，并先后在渤海、塔里木、四川、長(zhǎng)慶等油田取得重大突破。濟(jì)陽(yáng)坳陷是我國(guó)東部主要的含油氣盆地之一，潛山油氣勘探一直是坳陷內(nèi)勘探重要目標(biāo)，但由于受印支、燕山、喜山等多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，坳陷內(nèi)潛山特征各異，構(gòu)造樣式復(fù)雜，從而導(dǎo)致對(duì)研究區(qū)的潛山油氣成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)不清。埕島地區(qū)是濟(jì)陽(yáng)坳陷潛山油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及郯廬斷裂走滑活動(dòng)的影響［4-8］，斷裂體系復(fù)雜，而潛山油氣藏的形成過(guò)程、富集規(guī)律及控制因素與斷裂體系密切相關(guān)。因此本文利用研究區(qū)的高精度三維地震資料，結(jié)合鉆井資料及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最新研究成果，對(duì)潛山斷裂特征進(jìn)行精細(xì)解剖，并從新生代活動(dòng)強(qiáng)度、局部應(yīng)力場(chǎng)的性質(zhì)、巖性產(chǎn)狀配置、斷層性質(zhì)等多因素對(duì)潛山斷層進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，最后探索了基于斷層兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差異性的斷層封閉性預(yù)測(cè)方法，明確了埕島潛山斷裂特征及各類(lèi)斷層的封堵性，為研究區(qū)潛山油氣藏下一步的勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

埕島地區(qū)指濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部，位于渤海灣盆地埕北低凸起的東南端、NW 向構(gòu)造體系和NNE 向構(gòu)造體系的交匯處，其南西側(cè)為埕北斷層，沙南凹陷與渤中凹陷古近系自北東側(cè)超覆于凸起之上，南東側(cè)以埕北30 南斷層與黃河口凹陷分割，南部與樁海、樁西潛山相連［9］，平面上呈現(xiàn)為倒三角形。依據(jù)研究區(qū)主要控山斷裂的分割效應(yīng)，可將埕島地區(qū)劃分為西排山、中排山和東排山三部分，西排山位于埕北斷層與埕北20 斷層之間，整體沿NW 向展布；中排山位于埕北20 斷層與埕北30 北斷層之間，整體為“倒梯形”；東排山位于埕北30北斷層和埕北30南斷層之間，為自SW 向NE傾沒(méi)的“四邊形”（圖1）。受印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及郯廬斷裂走滑活動(dòng)的影響，西、中、東排山內(nèi)部發(fā)育多期不同性質(zhì)的斷裂活動(dòng)，不同性質(zhì)、不同方向斷裂的相互疊加［7］，導(dǎo)致埕島地區(qū)差異隆升剝蝕，潛山內(nèi)幕層系復(fù)雜多樣［8］。

圖1 埕島地區(qū)構(gòu)造綱要

2 潛山斷裂的成因機(jī)制

2.1 中生代地質(zhì)背景

早—中三疊世，華北地區(qū)為一大型統(tǒng)一的坳陷盆地［4］，晚三疊世，揚(yáng)子板塊與華北板塊剪刀式的碰撞與拼接［10-11］，對(duì)華北地區(qū)的構(gòu)造格局產(chǎn)生了重要的影響［12-14］。濟(jì)陽(yáng)坳陷整體處于抬升剝蝕狀態(tài)，三疊系被剝蝕殆盡，并發(fā)育一系列NW—NWW 向的褶皺與逆沖斷層［5-6］。早—中侏羅世，華北地區(qū)仍受揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞擠壓的影響，但擠壓應(yīng)力明顯減弱，同時(shí)太平洋板塊向NNW 向的俯沖消減作用開(kāi)始增強(qiáng)，但未影響華北地區(qū)的構(gòu)造格局［15］，中國(guó)東部進(jìn)入古亞洲域向?yàn)I太平洋構(gòu)造域演化的構(gòu)造階段［16-19］。晚侏羅世—早白堊世，受太平洋板塊持續(xù)俯沖的影響，太平洋板塊活動(dòng)取代了揚(yáng)子板塊、西伯利亞板塊活動(dòng)對(duì)華北地區(qū)構(gòu)造演化的控制地位，濱太平洋構(gòu)造域基本形成。太平洋板塊沿NNW 向的俯沖至歐亞板塊之下，使得NNE 向郯廬斷裂發(fā)生強(qiáng)烈的左旋走滑。

與此同時(shí)，中國(guó)東部巖石圈強(qiáng)烈減薄，伴隨地幔柱活動(dòng)與軟流圈隆升。在這兩種機(jī)制作用下，中國(guó)東部進(jìn)入大規(guī)模裂陷發(fā)育階段，早期形成的NW向逆斷層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，變?yōu)檎龜鄬?，在華北地區(qū)形成了一系列斷陷盆地（如膠萊盆地、蘇北盆地、南黃海盆地等），沉積了較厚的地層并伴有強(qiáng)烈的火山活動(dòng)。晚白堊世，太平洋板塊俯沖速率增加至200 mm/a［20］，導(dǎo)致我國(guó)東部形成高大造山帶［21］的同時(shí)，在華北地區(qū)形成近EW 向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)，濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部地區(qū)、走向近SN 向擠壓構(gòu)造的存在是該時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)的良好證據(jù)［22］；晚白堊世晚期，太平洋板塊轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮钡退龠\(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致海溝后退與板片后撤，由于海溝后退矢量轉(zhuǎn)變?yōu)槟?，華北克拉通東部出現(xiàn)近SN向拉張［22］。

2.2 中、新生代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與潛山內(nèi)幕斷層形成的關(guān)系

晚三疊世，在揚(yáng)子板塊與華北板塊“剪刀式”碰撞形成NE—SW 向的擠壓應(yīng)力作用下，華北地區(qū)發(fā)育形成了大量的NW 向逆斷層［5-6、23］，埕島地區(qū)的埕北斷層及埕北20斷層就形成于該時(shí)期，其逆沖活動(dòng)導(dǎo)致斷層上盤(pán)靠近斷層的區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈剝蝕，而缺失石炭—二疊系，甚至奧陶系部分被剝蝕，造成靠近斷層處古生界薄而遠(yuǎn)離斷層處古生界厚的特征（圖2）。

圖2 埕島地區(qū)下古生界頂面斷裂體系

雖然NW 向潛山內(nèi)幕斷層斷至太古界，但斷層上盤(pán)古生界未出現(xiàn)剝蝕減薄的現(xiàn)象，因此該組斷裂在晚三疊世的NE—SW 向擠壓應(yīng)力下未發(fā)育，NNE向斷層與近EW 向斷層與NW—SE 向擠壓應(yīng)力場(chǎng)不符，因此，晚三疊世，埕島地區(qū)僅發(fā)育NW 向的埕北斷層和埕北20斷層，潛山內(nèi)幕斷層尚未發(fā)育。早—中侏羅世，繼承晚三疊世的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，但整體變?nèi)酰A北地區(qū)整體拗陷，研究區(qū)沉積了一套河湖相含煤地層，地層沉積具有披蓋式、NW 向成帶分布的特點(diǎn)（圖3）。

圖3 過(guò)埕島西排山的NEE向地震剖面（圖2剖面1）

晚侏羅世，伊澤奈岐板塊的運(yùn)動(dòng)方向突然改變?yōu)镹NW 向，且以300 mm/a 的速度俯沖于東亞大陸之下［20］，郯廬斷裂發(fā)生大規(guī)模的左旋走滑，并在中國(guó)東部產(chǎn)生壓扭性構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。受此影響，緊鄰郯廬斷裂的埕島地區(qū)新生NNE 向左旋走滑斷裂，同時(shí)先前NW 向斷裂右旋走滑活動(dòng)。NNW 向的埕北20斷層與NNE 向的埕北30 北斷層所夾的中排山處于走滑斷裂派生的共軛增壓區(qū)，NNE埕北30北斷層與埕北30 南斷層之間東排山處于走滑斷裂疊接增壓區(qū)，加之整個(gè)中國(guó)東部壓扭性構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，在中排山和東排山內(nèi)部形成了大量的NNE 向壓扭走滑斷層，剖面上表現(xiàn)為高角度逆斷層（圖4），東排山NNE 向斷層向海域延伸，斷層兩盤(pán)地層厚度發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)出走滑斷層特有的海豚效應(yīng)，中排山NNE 向斷層向海域延伸，斷層傾向發(fā)生改變，表現(xiàn)出走滑斷層特有的絲帶效應(yīng)。NW 向埕北斷層與NNW 向埕北20 斷層之間的西排山，在走滑作用之下新生少量的走滑拉張斷層，剖面上表現(xiàn)為高角度（近直立）正斷層（圖3）。

圖4 過(guò)埕島中排山和東排山的NWW向地震剖面

在晚白堊世早期近EW 向擠壓、晚期SN 向伸展的應(yīng)力場(chǎng)作用下，埕島地區(qū)整體抬升，遭受強(qiáng)烈剝蝕。部分形成于晚侏羅—早白堊世的NNE 向的走滑斷層繼續(xù)壓扭活動(dòng)，形成擠壓背斜（圖4）；同時(shí)新形成一系列近EW 向、傾向南的鏟式或板式正斷層（圖5）。

圖5 過(guò)埕島中排山和東排山的NNE向地震剖面

3 斷裂體系特征

埕島地區(qū)潛山主要發(fā)育NW 向、NNE 向及近EW 向斷裂，其中NW 向斷裂僅在西排山發(fā)育，NNE向斷裂則在中排山和東排山發(fā)育，近EW 向斷裂在研究區(qū)廣泛分布，不同方向斷裂相互切割，構(gòu)造研究區(qū)呈“北撒南斂”的網(wǎng)狀斷裂體系（圖2）。

3.1 NW向斷裂體系

埕島地區(qū)潛山內(nèi)幕NW 向斷裂較少，僅在西排山發(fā)育，部分?jǐn)嗔雅c埕北斷層平行，規(guī)模較??；部分?jǐn)嗔雅c埕北20斷層近乎平行，與埕北斷層小角度相交（圖2）。剖面上，NW 向內(nèi)幕斷裂為板式正斷層，傾向NE 或SW，切割太古界至下白堊統(tǒng)，但對(duì)寒武系—奧陶系和中、下侏羅統(tǒng)的沉積無(wú)明顯的控制作用，僅控制上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)的沉積（圖3）。

3.2 NNE向斷裂體系

NNE 向斷裂在中排山和東排山廣泛發(fā)育，且被近EW 向斷層切割。平面上該組斷裂與NNE 向的埕北30 北和埕北30 南斷層近于平行（圖2）；剖面上為高角度逆斷層，多數(shù)傾向SW，僅一條傾向NE，斷層同樣切割太古界至下白堊統(tǒng)。

3.3 近EW向斷裂體系

該組斷裂在埕北地區(qū)廣泛發(fā)育，對(duì)NW 向和NNE 向斷裂具有明顯的切割作用（圖2）。剖面上，該組斷裂多為鏟式或板式正斷層，傾向南，多數(shù)斷層僅切割太古界至下白堊統(tǒng)，但對(duì)寒武系—奧陶系和中、下侏羅統(tǒng)的沉積無(wú)控制作用，僅控制上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)的沉積，切割至明化鎮(zhèn)組的斷層對(duì)新生界各組段的沉積具有明顯的控制作用（圖5）。

4 斷裂體系的封閉性

影響斷層封閉性的地質(zhì)因素很多，如斷裂帶填充物的膠結(jié)和成巖作用、斷層兩盤(pán)對(duì)置的巖性、斷裂帶的泥巖涂抹、斷層的力學(xué)性質(zhì)、斷面正應(yīng)力、斷層產(chǎn)狀配置等［24］。埕島地區(qū)潛山儲(chǔ)集層會(huì)出現(xiàn)碳酸鹽巖與碳酸鹽巖或砂巖對(duì)接的關(guān)系，不宜采用泥巖涂抹與巖性匹配評(píng)價(jià)其封閉性。本文從新生代活動(dòng)強(qiáng)度、局部應(yīng)力場(chǎng)的性質(zhì)、巖性產(chǎn)狀配置、斷層性質(zhì)這4 個(gè)因素對(duì)研究區(qū)潛山斷層進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，同時(shí)探索了基于斷層兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差異性的封閉性預(yù)測(cè)方法，預(yù)測(cè)潛山斷層的封堵性。

4.1 斷層圈閉的單因素分析

4.1.1 新生代活動(dòng)強(qiáng)度

斷層活動(dòng)強(qiáng)度可以用斷層斷距、斷層年齡和斷層活動(dòng)速率來(lái)表征。斷距大，斷裂帶物質(zhì)遭受的碾磨作用強(qiáng)，容易形成斷層泥，橫向封閉性好。但如果斷距大于區(qū)域蓋層的厚度，其縱向封閉性會(huì)很差；若斷距太小，斷面不易形成封閉物質(zhì)，橫向封閉性會(huì)很差［25］。在相同條件下，生長(zhǎng)斷層比非生長(zhǎng)斷層的封閉性要好，因?yàn)槲闯浞止探Y(jié)的泥巖很可能沿?cái)嗝嫱磕ǎ谛纬杀∧し忾]。年輕斷層或重新復(fù)活的斷層，尤其在斷開(kāi)不整合面或淺部?jī)?chǔ)集層時(shí)，近代活動(dòng)性越大縱向封閉能力越差。通過(guò)斷層斷距、斷層年齡和斷層活動(dòng)速率的計(jì)算，結(jié)果表明，研究區(qū)埕北20斷層在新生代停止活動(dòng)，在其上升盤(pán)目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SHG1 等多個(gè)古生界的探明儲(chǔ)量塊，證明其封閉性好，有利于封堵油氣；而埕北30斷層、長(zhǎng)堤斷層活動(dòng)小，斷層封堵性中等；對(duì)于埕北斷層、ZH104 南斷層、樁南斷層活動(dòng)強(qiáng)度大，封堵性差，有利于油氣運(yùn)移。

4.1.2 局部應(yīng)力場(chǎng)性質(zhì)

灘海地區(qū)進(jìn)入新生代以來(lái)，郯廬斷裂帶由左行走滑轉(zhuǎn)為右行走滑，埕島地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)由NE—SW拉張轉(zhuǎn)變?yōu)镹W—SE 拉張，加之右旋走滑作用的影響，使得局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，郯廬斷裂左旋派生出疊加增壓區(qū)、疊接釋壓區(qū)、共軛釋壓等區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。其中埕北30 北斷層、埕北30 南斷層處于疊接增壓區(qū)，封堵性好；ZH104 南斷層、樁海斷層處在疊接釋壓區(qū)，封堵性中等。完鉆的CB309 井位于埕北30斷層南部的疊接增壓區(qū)，獲得百?lài)嵏弋a(chǎn)，斷層兩側(cè)都是古生界奧陶系地層對(duì)接，證實(shí)斷層封堵有利。

4.1.3 巖層產(chǎn)狀配置

正斷層與其兩側(cè)巖層產(chǎn)狀的配置關(guān)系可分為同向正斷層、反向正斷層、屋脊式正斷層、反向屋脊式正斷層幾種組合形式。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)精細(xì)的油藏解剖表明，油藏分布特征及斷層的封閉性特征是有規(guī)律可循的，通常主斷裂多為同向正斷層，封閉性較差，為油氣向下盤(pán)地層運(yùn)移提供了可能性；分支斷層多為反向正斷層，封閉性較好，為油氣在下盤(pán)地層的成藏提供了條件。

通過(guò)對(duì)埕島地區(qū)潛山成藏井附近的斷層產(chǎn)狀配置關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明除埕北30南斷層巖層產(chǎn)狀配置為同向正斷層、封堵性中等外，其余斷層為反向正斷層及屋脊式正斷層，均封堵性好（表1）。長(zhǎng)堤斷層上升盤(pán)的長(zhǎng)堤潛山主要發(fā)育的同向正斷層，基本是只見(jiàn)油氣顯示未能聚集成藏，如構(gòu)造高部位的ZGX66、ZG12等井。

表1 埕島地區(qū)潛山主要斷層巖層產(chǎn)狀配置評(píng)價(jià)

4.1.4 斷層性質(zhì)

斷裂性質(zhì)是影響斷層封閉性的重要因素。通常情況下壓扭性斷層封閉性最好，走滑斷層較好，張性斷層次之。針對(duì)埕島地區(qū)潛山而言，受郯廬斷裂帶的影響，NW 向埕北斷層左旋走滑伸展斷層的彎曲段派生擠壓或者拉張作用，擠壓區(qū)封堵性較好，而NNE 向右旋伸展走滑斷層，在平面上表現(xiàn)為“S”型彎曲，斷層中部具有走滑擠壓的性質(zhì)，因此斷層中部封堵性好，NE向伸展斷層的封堵性則比較差（表2）。

表2 埕島地區(qū)主要斷層性質(zhì)評(píng)價(jià)

4.2 基于斷層兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差異性的封閉性預(yù)測(cè)

斷層兩側(cè)的數(shù)據(jù)體指的是在原始SEGY 數(shù)據(jù)中，存在于斷層兩側(cè)的數(shù)據(jù)體。已知斷層數(shù)據(jù)，需要先從SEGY 數(shù)據(jù)中提取出其兩側(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)，計(jì)算這部分?jǐn)?shù)據(jù)體的屬性，包括振幅、均方根振幅比、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率等，進(jìn)而分析兩側(cè)數(shù)據(jù)的屬性變化規(guī)律，尋找與封堵性之間的關(guān)系。一般情況下在儲(chǔ)層段由于油氣的存在會(huì)導(dǎo)致高頻成分的衰減。如果斷層封閉且含有油氣，那么高頻成分衰減的可能性就大，會(huì)導(dǎo)致封閉的地方瞬時(shí)頻率會(huì)下降［26］。研究區(qū)下古生界儲(chǔ)層以碳酸鹽巖為主，除了不整合面為連續(xù)的強(qiáng)反射地震特征，內(nèi)幕為短軸狀的雜亂反射，潛山斷裂兩側(cè)地層頻率的變化主要與所含流體有關(guān)，因此本文認(rèn)為通過(guò)開(kāi)展基于斷層兩側(cè)地震資料瞬時(shí)頻率屬性變化率能在一定程度上預(yù)測(cè)研究區(qū)潛山斷裂的封閉性。

首先基于三維地震資料開(kāi)展斷層面的構(gòu)造解釋?zhuān)纬蓴鄬悠矫鏄?gòu)造圖。提取斷層面兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性值，將斷面兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性值進(jìn)行差值運(yùn)算，得到斷面兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差；再利用解釋的斷層面構(gòu)造圖，計(jì)算斷層面的傾角數(shù)據(jù)，并進(jìn)行正弦值計(jì)算，得到斷層面的傾角正弦值；最后利用對(duì)接型封堵斷層評(píng)價(jià)公式進(jìn)行封堵性評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算。

其中：F為封堵參數(shù)；A為儲(chǔ)層段瞬時(shí)頻率值，Hz；B為儲(chǔ)層對(duì)接段瞬時(shí)頻率值，Hz；θ為斷面傾角，（°）。

在計(jì)算出封堵性參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用已知斷層油藏進(jìn)行標(biāo)定，明確研究區(qū)封堵參數(shù)F的值域范圍，即確定斷層封堵時(shí)參數(shù)F的大?。挥?jì)算沿?cái)鄬拥姆舛略u(píng)價(jià)參數(shù)F平面分布圖，明確在空間上斷層的封堵特征。

本文利用上述方法對(duì)埕島地區(qū)潛山斷裂的封堵性進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中圖6 為CBG14 西斷層計(jì)算出的封堵評(píng)價(jià)參數(shù)F平面分布圖，紅黃色區(qū)域?yàn)閿鄬臃舛滦韵鄬?duì)較好的區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉舛滦韵鄬?duì)較差的區(qū)域。CBG14 井位于封堵性好的紅色區(qū)域，成藏條件良好并獲得了百?lài)嵰陨系母弋a(chǎn)工業(yè)油流，CBG14 井證實(shí)封堵參數(shù)F大于0.5 時(shí)斷層具有較好的封閉性。

圖6 CBG14井西斷層斷面瞬時(shí)頻率變化率屬性

研究表明斷層封閉性與新生代活動(dòng)強(qiáng)度、局部應(yīng)力場(chǎng)的性質(zhì)、巖性產(chǎn)狀配置、斷層性質(zhì)等多種因素相關(guān)，僅考慮單一因素來(lái)評(píng)價(jià)斷層的封閉性是不全面的。本文從影響斷層封閉性的諸多因素入手，對(duì)埕島地區(qū)潛山斷裂的封閉性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并形成了基于斷層兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差異性的封閉性預(yù)測(cè)方法。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：成藏期不活動(dòng)斷裂封閉性好；新生代活動(dòng)斷裂，增壓段封閉性好，釋壓段及拉張斷裂封閉性差。從整個(gè)研究區(qū)看（圖7）：西排山斷層封堵，油源風(fēng)險(xiǎn)大；中排山斷層封堵性有一定風(fēng)險(xiǎn)；東山整體封堵條件良好。

圖7 埕島地區(qū)下古生界斷層封堵性綜合評(píng)價(jià)

5 結(jié)論

（1）埕島潛山主要發(fā)育NW 向、NNE 向和近EW向三組斷裂體系，NW 向斷裂僅在西排山發(fā)育，NNE向斷裂在中排山和東排山均有發(fā)育，近EW 向斷裂則廣泛發(fā)育在埕島地區(qū)。

（2）NW 向內(nèi)幕斷裂為同向埕北斷層晚侏羅世—早白堊世右旋走滑活動(dòng)過(guò)程中形成的走滑伸展斷層；NNE 向斷層則為郯廬斷裂左旋走滑活動(dòng)和區(qū)域擠壓應(yīng)力場(chǎng)下形成的左旋壓扭斷層；近EW 向斷裂的形成與晚白堊世晚期近SN 向伸展應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。

（3）形成針對(duì)潛山斷裂封堵性多因素定性評(píng)價(jià)方法，并探索基于斷層兩側(cè)瞬時(shí)頻率屬性差異性的封堵性預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明：埕島地區(qū)西排山斷層封堵，油源風(fēng)險(xiǎn)大；中排山斷層封堵性有一定風(fēng)險(xiǎn)；東排山整體封堵條件良好，成藏條件有利。