渤中凹陷北部中生界頂面斷層破碎帶量化研究

陳宇航，張新濤，余一欣，楊 帆，柳永軍，張 震，丁 康

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院， 北京 102249；3.中國石油長慶油田分公司， 陜西 西安 710018；4.中海石油(中國) 有限公司勘探部， 北京 100010；5.中海石油(中國) 有限公司天津分公司， 天津 300459；6.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部， 四川 成都 610041)

0 引 言

斷層是構(gòu)造活動的主要表現(xiàn)形式之一，對圈閉發(fā)育、儲層物性、油氣運移等成藏條件都有重要影響[1-3]。隨著研究的深入，研究者們意識到斷層不是通常意義上的單一平面結(jié)構(gòu)，而是具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和三維特征的巖石變形區(qū)域[4]?；诖?，將斷層劃分為斷層核以及破碎帶兩個部分，將這兩部分組成的整體稱為斷層破碎帶(fault damage zones)(圖1)。Chester和Logan根據(jù)觀測野外露頭，建立了含有單個斷層核的斷層模式[5](圖1(a))；Faulkner等在前人研究的基礎(chǔ)上提出了含有多個斷層核的斷層模式[6](圖1(b))。Faulkner等研究顯示斷層破碎帶對地層的力學(xué)性質(zhì)、地震響應(yīng)特征、油氣運移與成藏等方面能產(chǎn)生重要影響[7]，因此量化斷層破碎帶具有重要意義。前人通過實際觀測、數(shù)值模擬[8-9]、斷地比[10]、分形理論[11]、斷面脫空法[12]、地震屬性[13-15]等多種方法進(jìn)行斷層破碎帶的量化研究，均取得了不錯的成果。其中，廖宗湖等學(xué)者提出的利用地震方差屬性值對斷層破碎帶進(jìn)行定量分析的方法[13-15]，相較其他方法更加便捷，且原始資料相對易得?；诹巫诤热说难芯砍晒鸞13-15]，本文利用三維地震數(shù)據(jù)，提取方差屬性值，通過改變測線的布置方式，建立斷層破碎帶與斷層斜距之間的數(shù)量關(guān)系，對較大區(qū)域內(nèi)的斷層破碎帶進(jìn)行量化。相較于前人，本文的方法對量化多條斷層破碎帶時更加方便易行；同時，結(jié)合方差值等值線圖和薄片資料，對斷層影響強度的平面變化規(guī)律進(jìn)行了討論。

渤中凹陷是渤海海域最大的生烴凹陷[16]，研究區(qū)處于環(huán)渤中凹陷的潛山帶，是油氣勘探的熱點區(qū)域[17-19]，但中生界火山巖的整體勘探效果不佳。近年來，隨著研究程度的深入，研究區(qū)部分構(gòu)造帶中生界火山巖測試獲得了可觀的油氣產(chǎn)量，重新掀起了火山巖油氣勘探的熱潮。構(gòu)造的改造作用對火山巖儲層的發(fā)育具有重要意義，構(gòu)造形成的裂縫系統(tǒng)，對油氣的運聚起主要作用[20]。斷層是形成裂縫的主要控制因素之一，斷層破碎帶是斷層誘導(dǎo)裂縫發(fā)育的主要區(qū)域，因此量化斷層破碎帶對于尋找有利火山巖儲層具有指導(dǎo)意義。研究區(qū)內(nèi)目前缺乏對斷層破碎帶的量化研究，本文的研究工作能夠為渤中凹陷北部火山巖油氣勘探提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地處于我國華北地區(qū)東北部，分為陸地和海域兩部分，是典型的新生代裂陷盆地[21]。渤海灣盆地基底經(jīng)過印支期、燕山期的強烈改造，后期又疊加新生代的伸展裂陷作用，斷層成為盆地內(nèi)最主要的構(gòu)造表現(xiàn)形式。研究區(qū)處于渤海海域中部，北鄰遼西低凸起南傾沒端，南至石臼坨凸起東傾沒端，東西兩側(cè)分別受渤中凹陷和秦南凹陷圍限(圖2)，石油地質(zhì)條件優(yōu)越。研究區(qū)內(nèi)中生界白堊系義縣組厚層火山巖廣泛分布，火山巖主要以火山角礫巖、流紋巖、安山巖、玄武巖和凝灰?guī)r5種巖性為主[22]，零星散布阜新組、沙海組和九佛堂組的碎屑巖。

2 研究方法與結(jié)果分析

2.1 研究方法

地震方差屬性值量化斷層破碎帶的基本原理是由于地震方差屬性的方差值介于0～1之間，裂縫越發(fā)育、破碎程度越強烈的地方，則方差值越接近于1，以方差值最大的地方作為斷層核的部位，在確定背景方差值的前提下，由斷層核向兩側(cè)拓展，直至方差值減小至背景方差值大小時，此范圍即為斷層破碎帶的寬度[13]。

廖宗湖等在利用地震方差屬性值量化斷層破碎帶時，選擇與斷層走向垂直的任意線作為測線，選擇與斷層走向近平行的任意線作為基線，斷層破碎帶的寬度由測線長度根據(jù)比例尺計算獲得[13](圖3(a))。在三維地震測網(wǎng)中，主測線與聯(lián)絡(luò)線之間相互垂直，并且任意一條斷層都勢必會與主測線或者聯(lián)絡(luò)線之間呈斜交關(guān)系，且當(dāng)斷層與測線斜交時，無論所選測線與斷層垂直與否，都不會對最終斷層破碎帶的量化結(jié)果產(chǎn)生影響，因此本文選擇過斷層的主測線和聯(lián)絡(luò)線作為基線和測線(圖3(b))。由于本文所選測線與研究區(qū)內(nèi)斷層走向為斜交關(guān)系，因此本文中所指斷距均為斜距。同時由于測網(wǎng)布置的特點，每條主測線或者聯(lián)絡(luò)線之間都是等距的，因此在“方差值—距離”曲線圖中(圖3(a))，可以將橫坐標(biāo)軸簡化為主測線或者聯(lián)絡(luò)線的線道號(圖3(b))，計算斷層破碎帶的寬度時只需計算斷層核方差值向兩側(cè)分別延伸至背景方差值之間的總測線數(shù)，總測線數(shù)與道間距的乘積即為量化結(jié)果(聯(lián)絡(luò)線道間距12.5 m，主測線道間距25 m)。本方法易于計算且可以避免利用比例尺計算斷層破碎帶寬度所造成的誤差。故本文所述的具體方法為：(1)選擇與目標(biāo)斷層斜交角度最大的測線，既可以是主測線，也可以是聯(lián)絡(luò)線；(2)大致確定所選主測線(聯(lián)絡(luò)線)穿過目標(biāo)斷層破碎帶區(qū)域的起始聯(lián)絡(luò)線(主測線)線道號(圖3(b))；(3)取多條穿過目標(biāo)斷層的測線；(4)以所選主測線(聯(lián)絡(luò)線)所穿過的斷層附近的聯(lián)絡(luò)線(主測線)為橫坐標(biāo)，以每條聯(lián)絡(luò)線(主測線)與主測線(聯(lián)絡(luò)線)交點處的方差值為縱坐標(biāo)，繪制每條主測線的“方差值—距離”曲線圖；(5)選擇合適的圍巖背景方差值確定斷層破碎帶寬度。

基于上述方法，在斷層解釋的基礎(chǔ)上，結(jié)合方差屬性圖，選取在方差屬性圖上顯示清晰、且與斷層分布圖對應(yīng)良好的A、B、C三條斷層為例進(jìn)行定量分析(圖4)，以此排除非斷層因素造成的異常方差值對量化結(jié)果產(chǎn)生的影響。

根據(jù)A、B、C三條斷層的規(guī)模以及走向，布置不同密度和不同方向的測線，具體測線布置方案為：A、B斷層分別布置7條、3條主測線方向的測線，C斷層布置3條聯(lián)絡(luò)線方向的測線(圖4)。

2.2 斷層破碎帶識別

提取布置測線上所有點的方差值，建立“方差值—距離”曲線圖。在“方差值—距離”圖上，每一條主測線上的方差值均有多峰特征，表明目標(biāo)斷層均為多核斷層。方差值最大的峰值視作斷層的主核，越靠近斷層的主核方差值越大，主峰寬度越寬表明斷層的主核越寬。

量化斷層破碎帶寬度需要對背景方差值進(jìn)行選取，背景方差值是經(jīng)驗值，可以有不同的選取方式。廖宗湖等通過對單核斷層兩側(cè)多個測點的方差值取平均值，將累計方差值散點圖中曲率的突變值作為背景方差值[13]。根據(jù)研究區(qū)實際地質(zhì)特征，本文選取中生界頂面方差值的平均值(0.2)作為背景方差值。根據(jù)背景方差值、主測線道間距(25 m)和聯(lián)絡(luò)線道間距(12.5 m)，在“方差值—距離”曲線圖中對研究區(qū)內(nèi)不同測線上的A、B、C三條斷層破碎帶的寬度進(jìn)行量化，結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 研究區(qū)不同測線斷距與斷層破碎帶寬度數(shù)據(jù)表

2.3 建立斷距與斷層破碎帶寬度的數(shù)量關(guān)系

當(dāng)工區(qū)內(nèi)斷層數(shù)目眾多時，利用“方差值—距離”曲線圖的方法對各個斷層的量化工作過于繁雜。在實際工作中，斷層的斷距數(shù)據(jù)最容易獲得，因此我們在通過“方差值—距離”曲線圖的方法量化了某些特征明顯的斷層破碎帶的基礎(chǔ)上，建立斷距與斷層破碎帶寬度的數(shù)量關(guān)系(圖6)，通過斷距數(shù)據(jù)對工區(qū)內(nèi)眾多斷層破碎帶進(jìn)行量化，相較于利用“方差值—距離”曲線圖的方法而言，對多個斷層破碎帶量化時更為簡單。

利用斷距與斷層破碎帶寬度之間耦合的數(shù)量關(guān)系，對研究區(qū)內(nèi)斷層的斷層破碎帶逐一量化。結(jié)果顯示，研究區(qū)北部斷層發(fā)育密集，受斷層破碎帶影響范圍較大，距離相近或者相交的兩條斷層之間，斷層破碎帶存在相互影響，從而在平面上顯示斷層破碎帶的寬度異常擴(kuò)大(圖7)。

3 驗證與討論

3.1 驗 證

翁劍橋等基于數(shù)值模擬的方法，表明斷層破碎帶寬度與斷層規(guī)模之間存在明顯的正相關(guān)，建立了斷距與斷層破碎帶寬度的關(guān)系圖版(圖8(a))，同時利用前人研究的大量成果對圖版的可靠性進(jìn)行了驗證，圖8(b)中落在灰色區(qū)域的數(shù)據(jù)為部分走滑斷層或者逆斷層對應(yīng)的數(shù)據(jù)[9]。將表1中斷層破碎帶寬度和斷距數(shù)據(jù)，投影到斷距與斷層破碎帶寬度的關(guān)系圖版中(圖8(b))，結(jié)果顯示，“方差值—距離”曲線圖方法量化的斷層破碎帶結(jié)果符合斷層破碎帶寬度與斷層規(guī)模之間的內(nèi)在關(guān)系。

選取研究區(qū)內(nèi)鉆遇中生界的5口典型井，根據(jù)圖7可知，QHD30-A、QHD30-B、QHD30-D以及LD25-A井都處于斷層破碎帶范圍內(nèi)，且QHD30-A井和LD25-A井處于斷層破碎帶的內(nèi)部，QHD30-B井和QHD30-D井處于斷層破碎帶的邊緣，QHD30-C井不受斷層破碎帶影響。根據(jù)現(xiàn)有薄片資料，分別取QHD30-A井中距中生界頂面55 m、165 m、296 m的薄片(圖9(a)、(b)、(c))、QHD30-B井中距中生界頂面36 m的薄片(圖9(d))、QDH30-C井中距中生界頂面336 m的薄片(圖9(e))、QHD30-D井距中生界頂面184 m、200 m的薄片(圖9(f)、(g))和LD25-A井距中生界頂面36 m的薄片(圖9(h))。結(jié)果顯示，處于斷層破碎帶范圍內(nèi)的井位薄片中，QHD30-A井火山巖中裂縫十分發(fā)育，碎屑巖中主要以孔隙為主，裂縫較發(fā)育；QHD30-B和QHD30-D井中裂縫發(fā)育程度一般，薄片中裂縫數(shù)目較少；LD25-A井裂縫呈網(wǎng)狀分布，十分發(fā)育，在裂縫交匯部位形成裂縫孔洞；QHD30-C井處于斷層破碎帶之外，薄片中未見裂縫發(fā)育，以礫間孔隙為主。各個鉆井對應(yīng)的鏡下薄片特征與斷層破碎帶量化結(jié)果具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 討 論

前人研究結(jié)果顯示方差值的大小與破碎程度相關(guān)，即方差值越大，則破碎程度越強烈，裂縫也越發(fā)育[13]。但是，利用“方差值—距離”曲線圖或是斷距與斷層破碎帶寬度的關(guān)系式對斷層破碎帶的量化結(jié)果，都不能體現(xiàn)斷層破碎帶的強度變化，因此，本文利用等值線圖的思想繪制方差屬性值等值線圖，通過不同顏色對不同的方差值進(jìn)行區(qū)分，以此體現(xiàn)斷層破碎帶在平面上的強度變化特征。

根據(jù)圖7中井位與斷層破碎帶之間的位置關(guān)系討論斷層的影響強度，對處于斷層破碎帶內(nèi)鉆井的薄片資料進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示，QHD30-A和LD25-A的裂縫最為發(fā)育，QHD30-D次之，QHD30-B最差，而其所對應(yīng)的方差值顯示也是逐漸減小的(顏色由紅色逐漸向黃色過渡)(圖10)。斷層的影響強度或破碎程度的直觀表現(xiàn)是裂縫的發(fā)育密度，由此可以利用方差值的等值線圖，在已知某一井位的裂縫密度的基礎(chǔ)上，對其他未知區(qū)域的裂縫密度進(jìn)行預(yù)測。

本文在前人工作基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定改進(jìn)，提出對多個斷層量化時更易操作的測線選擇方案，并且將其結(jié)果與更易獲得的斷距數(shù)據(jù)建立數(shù)量關(guān)系，為較大區(qū)域上斷層破碎帶的量化方法提供了新的思路。同時利用等值線圖的特點，討論了斷層破碎帶影響程度在平面上的特征，從影響范圍和影響強度兩個方面對斷層破碎帶進(jìn)行了研究。但是，利用方差屬性值量化斷層破碎帶的方法中，與前人存在相似的局限性，受限于地震資料的品質(zhì)和背景方差值的選擇。

4 結(jié) 論

(1)利用地震方差屬性值量化斷層破碎帶時，選擇原始地震測網(wǎng)中的主測線或聯(lián)絡(luò)線作為斷層破碎帶的測線時，能夠提高量化結(jié)果的精度；建立斷距與斷層破碎帶寬度之間的數(shù)量關(guān)系，能夠減少量化大范圍多條斷層破碎帶時的工作量。

(2)渤中凹陷北部中生界頂面斷層均具有多核特征，斷層系統(tǒng)復(fù)雜，斷層破碎帶規(guī)模由幾百米至幾千米不等。斷層破碎帶對中生界火山巖影響顯著，對碎屑巖的影響較弱。距斷層的遠(yuǎn)近決定了受斷層影響的強弱，處于斷層破碎帶內(nèi)的中生界受斷層影響強烈，裂縫發(fā)育，離斷層越遠(yuǎn)，受斷層的影響越弱，裂縫越不發(fā)育。

(3)利用地震方差屬性值量化斷層破碎帶的結(jié)果，符合前人研究斷層破碎帶與斷距的相關(guān)規(guī)律，并且能夠與研究區(qū)內(nèi)的薄片資料結(jié)果相吻合，地震方差屬性值對斷層破碎帶的定量研究具有較高的可信度和可行性。