油源斷裂伴生圈閉形成時期厘定方法及其應用

朱煥來，陳 巖，王衛(wèi)學，付 廣，宮江萍

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省油氣藏形成機理與資源評價重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油測井有限公司吉林分公司，吉林 松原 138000；4.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163511)

0 引 言

油氣勘探實踐證實，油源斷裂(連接烴源巖和目的層，且在油氣成藏期活動的斷裂)在含油氣盆地油氣運聚成藏中起著非常重要的作用，油氣往往在油源斷裂附近聚集成藏。然而，并不是油源斷裂所有伴生圈閉中皆有油氣分布，這主要是受到了伴生圈閉形成時期早晚的影響，只有在油氣成藏期之前或同時形成的伴生圈閉，才能捕獲大量油氣，形成油氣藏；反之則不能形成油氣藏。由此不難看出，準確地厘定油源斷裂伴生圈閉形成時期，對于正確認識油源斷裂附近油氣分布成藏規(guī)律和指導進一步油氣勘探開發(fā)均具有非常重要的意義。

關于油源斷裂伴生圈閉形成時期，前人曾做過一定研究與探討，并主要取得以下2個認識：①根據(jù)斷裂形成演化歷史的分析，研究斷裂伴生圈閉形成時期[1-6]，認為孤立斷層下盤和分段生長斷裂伴生圈閉形成時期相對較早，斷裂一經(jīng)形成便開始形成圈閉，而分段生長斷裂上盤和交叉斷塊伴生圈閉則形成于斷裂分段生長連接之后；②根據(jù)斷裂側(cè)向封閉形成時期，研究斷裂伴生圈閉形成時期[7-18]，將斷裂側(cè)向封閉形成時期作為其伴生圈閉形成時期。這些成果對正確認識分析含油氣盆地油源斷裂附近油氣成藏分布規(guī)律和指導進一步油氣勘探起到了非常重要的作用。但是，這些研究均是將斷裂伴生圈閉形成時期分析和斷裂側(cè)向封閉形成時期分析分開進行的，并沒有將二者綜合起來進行研究，用其指導油氣勘探可能會帶來一定的風險。因此，開展了油源斷裂伴生圈閉形成時期厘定方法的研究，對于進一步認識含油氣盆地油源斷裂附近油氣分布成藏規(guī)律及指導油氣勘探均具有非常重要的意義。

1 油源斷裂伴生圈閉形成機制及時期

大量研究成果表明，一條斷裂在生長和不同條斷裂生長連接過程中，由于不同部位受力作用程度不同，導致斷距相對大小不同，造成其周圍地層發(fā)生不均勻變形，與斷裂配置形成了不同類型的伴生圈閉形態(tài)。這些伴生圈閉形態(tài)的發(fā)育及分布受斷裂類型及其發(fā)育部位的控制，通常有以下3種：①位移梯度斷背斜形態(tài)，主要發(fā)育孤立相干斷裂下盤和分段生長硬連接斷裂上下盤(圖1)；②斷裂線偏轉(zhuǎn)斷背斜形態(tài)，主要發(fā)育于分段生長、孤立相干斷裂或混合生長斷裂斷層面沿走向發(fā)生波狀彎曲凸部處(圖1)；③交叉斷裂斷塊形態(tài)，主要發(fā)育于2條或多條孤立相干、分段生長或混合生長斷裂的交匯部位(圖1)。

圖1 斷裂伴生圈閉類型及其形成機制

油源斷裂的3種伴生圈閉要形成聚集油氣的伴生圈閉除了具有圈閉形態(tài)外，還必須要求斷裂側(cè)向封閉。由此看出，油源斷裂伴生圈閉形成時期應是油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期和斷裂側(cè)向封閉開始形成時期的最晚時期。

2 油源斷裂伴生圈閉形成時期的厘定方法

厘定油源斷裂伴生圈閉形成時期，必須要確定出油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期和油源斷裂側(cè)向封閉開始形成時期。而確定油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期，需確定油源斷裂3種伴生圈閉形成與油源斷裂類型及其形成演化之間關系。由上述斷裂伴生圈閉形成機制可知，油源斷裂3種斷裂伴生圈閉主要有2個開始形成時期：一期是在斷裂開始形成時期，這一時期相對較早，如孤立相干生長、分段生長和混合生長斷裂下盤伴生的位移梯度斷背斜圈閉和斷層線偏轉(zhuǎn)背斜圈閉。另一期是在斷裂分段生長連接時期，這一時期相對較晚，如分段生長和混合生長斷裂上盤、斷層線偏轉(zhuǎn)和交叉斷塊伴生圈閉。利用三維地震資料讀取油源斷裂不同部位的斷距，由最大斷距相減法[19]恢復不同時期油源斷裂的古斷距，作油源斷裂不同時期斷距-位移曲線，由油源斷裂開始出現(xiàn)斷距時期，確定在油源斷裂開始形成時的伴生圈閉形成時期(圖2a)；由油源斷裂分段生長開始連接時期，確定在油源斷裂分段生長連接后形成的伴生圈閉形成時期(圖2b)。

圖2 利用不同時期斷距-位移曲線厘定油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期示意圖

要確定油源斷裂側(cè)向封閉開始形成時期，就必須確定出油源斷裂斷層巖排替壓力隨時間變化關系和儲層巖石排替壓力隨時間變化關系。利用鉆井和三維地震資料統(tǒng)計油源斷裂在目的層內(nèi)的斷距和被其錯斷地層巖石厚度及泥質(zhì)含量，由式(1)[20-21]求取斷層巖泥質(zhì)含量，將其代入由實測數(shù)據(jù)建立的圍巖排替壓力與壓實埋深和泥質(zhì)含量經(jīng)驗關系式中[22]，便可以得到與斷層巖具有相同泥質(zhì)含量的圍巖排替壓力與壓實埋深之間關系，再將此關系由圍巖停止活動時期(Ts)移至油源斷裂停止活動時期(T0)，可將其作為斷層巖排替壓力隨埋深的變化關系。由地層古埋深恢復方法[23]恢復不同地質(zhì)時期斷層巖古埋深，便可以得到斷層巖排替壓力隨時間變化關系(圖3)，圖3中pt為儲層巖排替壓力，MPa；pf為斷層巖排替壓力，MPa；Tt為儲層巖停止沉積時期，Ma；T0為斷裂停止時期，Ma；Tf為斷裂側(cè)向封閉開始形成時期，Ma。

圖3 油源斷裂側(cè)向封閉開始形成時期厘定示意圖

(1)

式中：Rf為斷層巖中泥質(zhì)含量，%；Hi為被斷裂錯斷的第i層巖層厚度，m；Ri為被斷裂錯斷的第i層巖層泥質(zhì)含量，%；n為被斷裂錯斷的巖層層數(shù)；L為斷裂斷距，m。

利用自然伽馬測井資料，由文獻[21]巖石泥巖含量計算方法求取儲層巖石中泥質(zhì)含量，將其代入研究區(qū)中儲層實測的排替壓力隨壓實埋深與泥質(zhì)含量之間的經(jīng)驗關系式[22]中，則可以求出儲層巖石的排替壓力與其壓實埋深之間的關系。由地層古埋深恢復方法[23]恢復不同地質(zhì)時期儲層巖石的古埋深，進而求得儲層巖石的排替壓力與時間的變化關系，如圖3所示，取斷層巖排替壓力和儲層巖石排替壓力二者相等所對應時期，進而可得到油源斷裂側(cè)向封閉開始形成的時間，如圖3所示，將上述已經(jīng)分析得到的油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成的時期與油源斷裂側(cè)向封閉開始時期疊合，便可以得到油源斷裂伴生圈閉形成時期。

3 實例應用

選取渤海灣盆地歧口凹陷大張坨斷裂為例，利用上述方法厘定大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉的形成時期，通過分析厘定結(jié)果與大張坨斷裂附近沙一下亞段目前已發(fā)現(xiàn)的油氣分布之間的關系，進而驗證該方法用于厘定油源斷裂伴生圈閉形成時期的可行性。

大張坨斷裂是分布在歧口凹陷北部的一條北東向展布的正斷層，斷裂平面延伸長度約為21.3 km，斷層面向東南方向傾斜，傾角為55～62 °，大張坨斷裂從下伏基底向上斷至近地表，表現(xiàn)出長期繼承性發(fā)育的特征(圖4)。大張坨斷裂目前鉆遇的地層主要包括古近系(孔店組、沙河街組及東營組)、新近系(館陶組及明化鎮(zhèn)組)和少量的第四系。目前大張坨斷裂附近已發(fā)現(xiàn)的油氣均在沙河街組，主要分布在沙一下亞段，油氣主要來源于下伏的沙三段烴源巖，屬于古生新儲式生儲蓋組合，大張坨斷裂溝通了下伏的沙三段烴源巖與沙一下亞段的儲層，且在油氣成藏期——明化鎮(zhèn)組沉積中晚期活動，應是沙一下亞段的油源斷裂。由圖4中可以看出，大張坨斷裂附近沙一下亞段目前之所以能發(fā)現(xiàn)大量油氣，除了受到伴生圈閉發(fā)育的影響外，更重要的是受到其伴生圈閉形成時期早晚的影響，因此，準確地厘定出大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期，對正確認識其油氣分布規(guī)律及指導油氣勘探均至關重要。

圖4 大張坨斷裂與沙一下亞段油氣分布關系

利用三維地震資料讀取大張坨斷裂不同地層中的斷距，作不同時期斷距-位移曲線(圖5)。由圖5可知，大張坨斷裂屬于孤立相干生長機制斷裂，其伴生圈閉應是斷層線偏轉(zhuǎn)斷背斜圈閉。利用三維地震資料計算大張坨斷裂在不同層位內(nèi)斷層的埋深，由地層古埋深恢復方法[17]恢復明化鎮(zhèn)組沉積中晚期大張坨斷裂斷層面古埋深分布(圖6)。

圖5 不同時期大張坨斷裂斷距-位移曲線

圖6 大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉分布

由圖6可知，大張坨斷裂處在沙一下亞段內(nèi)發(fā)育4個斷層線偏轉(zhuǎn)形成的伴生圈閉，2個分布在中部，2個分布在東部。

圖7為大張坨斷裂不同時期古落差分布示意圖。由圖7可以看出，大張坨斷裂從沙三段沉積時期斷裂開始形成，4個斷裂線偏轉(zhuǎn)伴生圈閉形態(tài)便已開始形成。

圖7 大張坨斷裂不同時期古落差分布

利用鉆井和三維地震資料讀取大張坨斷裂在沙一下亞段的斷距和被其錯斷地層厚度及泥質(zhì)含量，由式(1)計算大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)斷層巖泥質(zhì)含量約為30.0%，將其代入歧口凹陷圍巖實測排替壓力隨壓實成巖埋深及泥質(zhì)含量之間經(jīng)驗關系式(式2)，便可以得到與斷層巖具有同樣泥質(zhì)含量的沙一下亞段圍巖的排替壓力與壓實埋深的變化關系(圖8)。將與斷層巖中具有同樣泥質(zhì)含量的沙一下亞段圍巖的排替壓力與壓實埋藏深度的變化關系由沙一下亞段停止活動沉積時期(32.6 Ma)移至大張坨斷裂停止活動時期(3.0 Ma)，將其作為大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)斷層巖排替壓力隨壓實埋深的變化關系(圖8)。通過大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)斷層巖壓實古埋深恢復，便可以得到大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)斷層巖排替壓力隨時間變化關系(圖8)。

(2)

式中：pc為歧口凹陷圍巖實測排替壓力，MPa；Zc為歧口凹陷圍巖壓實成巖埋深，m；Rc為歧口凹陷圍巖的泥質(zhì)含量,%。

根據(jù)實際的鉆井和測井資料，采用文獻[22]中巖石泥質(zhì)含量的計算方法可以得到大張坨斷裂處沙一下亞段儲層泥質(zhì)含量，約為5.5%，將該數(shù)值代入歧口凹陷儲層巖石實測的排替壓力隨壓實埋深與泥質(zhì)含量之間經(jīng)驗關系式(式3)中，即可求得沙一下亞段儲層的排替壓力隨壓實埋深變化關系，如圖8所示，通過對大張坨斷裂處沙一下亞段儲層巖石壓實古埋深進行恢復，便可以得到大張坨斷裂處沙一下亞段儲層巖石排替壓力隨時間變化關系。

(3)

式中：ps為歧口凹陷儲層排替壓力，MPa；Zs為歧口凹陷儲層壓實成巖埋深，m；Rs為歧口凹陷儲層泥質(zhì)含量,%。

將上述已確定出的大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)斷層巖排替壓力隨時間變化關系與沙一下亞段儲層巖石排替壓力隨時間變化關系疊合，便可以得到大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)側(cè)向封閉開始形成時期，約為2.35 Ma(圖8)。

圖8 大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)側(cè)向封閉開始形成時期厘定

將上述大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形態(tài)開始形成時期與其側(cè)向封閉開始形成時期疊合，便可以得到大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期,約為2.35 Ma。圖9為大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期與沙三段源巖排出油氣時期匹配關系。由圖9可知，歧口凹陷沙三段烴源巖在沙一段的沉積末期開始向外排出油氣，在館陶組的沉積末期達到排油氣高峰，之后排出油氣開始減小，至今仍具有一定的排出油氣量。大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期雖略晚于沙三段源巖大量排出油氣期，但仍可以圈住沙三段源巖排出的大量油氣，有利于沙三段源巖生成油氣在大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉中聚集成藏，這是大張坨斷裂附近沙一下亞段能發(fā)現(xiàn)大量油氣的重要原因。

圖9 大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期與沙三段源巖排出油氣時期匹配關系

4 結(jié) 論

(1) 油源斷裂伴生圈閉形成時期應是油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期與油源斷裂側(cè)向封閉開始形成時期的最晚時期。油源斷裂伴生圈閉形成時期相對越早，越有利于油氣聚集成藏；反之則不利于油氣聚集成藏。

(2) 通過不同地質(zhì)時期油源斷裂斷距-位移曲線反映出的斷裂開始形成時期和分段生長連接時期，確定油源斷裂伴生圈閉形態(tài)開始形成時期；利用斷層巖的排替壓力與時間變化關系和儲層的排替壓力與時間變化關系，確定油源斷裂側(cè)向封閉開始形成時期，二者疊合建立了一套伴生圈閉形成時期的厘定方法，實踐證實了該方法用于厘定油源斷裂伴生圈閉形成時期是可行的。

(3) 渤海灣盆地歧口凹陷大張坨斷裂在沙一下亞段內(nèi)伴生圈閉形成時期為2.35 Ma，雖晚于沙三段源巖大量排出油氣時期，但仍可捕獲沙三段源巖排出的大量油氣，有利于下伏沙三段烴源巖生成油氣在大張坨斷裂沙一下亞段內(nèi)伴生圈中聚集成藏，與目前大張坨斷裂附近沙一下亞段已發(fā)現(xiàn)油氣分布相吻合。