渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區油源斷裂垂向輸導能力定量評價

劉峻橋，王 偉，呂延防，付 廣

(1. 廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000；2.廣東省非常規能源工程技術研究中心 廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000；3.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318)

隨著油氣勘探的不斷深入，斷裂作為油氣垂向運移的通道已得到石油地質工作者的廣泛認可[1-3]。斷裂是多期構造運動和地質流體作用形成的復雜三維地質體[4-5]，大量研究已證實，斷裂具有斷層核和破碎帶的二元結構[6-8]，其復雜的結構特征導致其不僅可以作為油氣運移的輸導通道[9-10]，還可以為油氣聚集提供遮擋條件[11-12]。并非所有的斷裂都能作為油氣垂向運移的輸導通道，只有溝通源巖和儲層并且在油氣成藏關鍵時期活動的斷裂才可以作為油氣運移的輸導通道，即油源斷裂[13]。不同斷裂或同一斷裂不同部位的輸導能力存在明顯差異。

國內外學者認為斷裂輸導能力的影響因素主要包括斷裂帶內部結構[6,14]、斷裂輸導油氣運移動力[9,15]和斷裂輸導油氣運移時期[16]等方面，并從早期的定性分析逐步向定量研究的思路轉變[17-20]，但關于斷裂輸導能力定量評價的研究仍相對薄弱。本文在前人研究的基礎上，針對不同斷裂及同一斷裂不同部位輸導能力的差異性，以三維地震為基礎，結合影響斷裂輸導能力的多重因素和油田實際生產資料，建立斷裂垂向輸導油氣能力的定量評價方法，以期豐富斷裂控藏理論，并為油田勘探提供理論依據。

1 地質背景

廊固凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷北部，大柳泉構造帶是廊固凹陷西部富烴洼槽內重要的油氣聚集帶，是南部牛駝鎮凸起強烈抬升作用及北部桐南洼槽持續下降的區域構造運動影響下形成的大型反轉鼻狀構造帶，勘探面積約為550 km2。該區油氣主要富集在石家務、柳泉、中岔口、王琚、曹家務、琥珀營、舊州、石佛寺和固安等11個局部背斜和斷鼻構造內(圖1)。油源對比結果表明，油氣主要來自古近系沙河街組沙四上亞段和沙三下亞段源巖[21]，沙三中亞段、沙三上亞段、沙二段和沙一段地層是大柳泉地區主要含油氣層系，屬于典型的下生上儲式生儲蓋組合。大柳泉地區構造運動強烈，斷裂以北東向為主，目前發現的油氣藏主要圍繞斷裂分布。但不同斷裂或同一斷裂不同部位富油程度存在明顯差異，有發現高產油氣藏的王琚背斜和柳泉背斜，同時也有鉆探失利的曹家務東和中岔口西地區，油氣分布受斷層控制明顯(圖1a)。這種復雜構造背景下油氣沿斷裂分布關系，迫切需要從斷裂輸導能力的角度對其進行合理的解釋。

2 油源斷裂厘定

廊固凹陷斷裂經歷了孔店組—沙二段沉積時期伸展變形、沙一段—東營組沉積時期的走滑伸展變形和新近紀以來的張扭變形3個階段。這種斷層三期三性質的變形特征，決定了廊固凹陷發育6種類型斷裂系統[13,20](圖1b)：①僅在伸展變形時期活動的早期伸展斷裂系統(Ⅰ型)；②僅在走滑伸展變形時期活動的中期走滑伸展斷裂系統(Ⅱ型)；③僅在新近系張扭變形時期活動的晚期張扭斷裂系統(Ⅲ型)；④伸展變形時期和走滑伸展變形時期均活動的早期伸展—中期走滑斷裂系統(Ⅳ型)；⑤走滑伸展變形時期和張扭變形時期均活動的中期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(Ⅴ型)；⑥伸展變形時期、走滑伸展變形時期和張扭變形時期均活動的早期伸展—中期走滑—晚期張扭斷裂系統(Ⅵ型)。

大柳泉地區沙三段主要發育早期伸展斷裂系統(Ⅰ型)和早期伸展—中期走滑伸展斷裂系統(Ⅳ型)和早期伸展—中期走滑伸展—晚期張扭斷裂系統(Ⅵ型)(圖1a，圖2)。前人研究表明，沙二段沉積早期至館陶組沉積中期是大柳泉地區油氣成藏關鍵時期[21]，Ⅳ型斷裂系統和Ⅵ型斷裂系統在此時期活動，部分溝通了沙四上亞段或沙三下亞段烴源巖和上覆儲層的Ⅳ型和Ⅵ型斷裂，可以作為大柳泉地區油氣垂向運移的油源斷層(圖2)。

圖1 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區斷裂系統分布特征Fig.1 Characteristics of fault system distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖2 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區典型剖面剖面位置見圖1。Fig.2 Typical profile of Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

3 斷裂垂向輸導能力影響因素

斷裂垂向輸導油氣能力受油氣來源、運移動力、斷裂活動時期以及斷裂幾何學和運動學特征等多方面因素控制[22]。因此，筆者從這些方面出發對斷裂垂向輸導油氣能力的影響因素加以分析，并結合油源斷裂和實際油氣分布關系，總結出大柳泉地區斷裂垂向輸導能力影響因素的主要評價參數。

3.1 斷裂活動強度

斷裂活動強度作為斷裂輸導能力評價的重要參數在渤海灣盆地大部分地區已得到廣泛應用[18,23-25]。研究表明，斷裂帶的寬度與斷裂斷距呈正相關關系[26]，因此，油氣沿斷裂帶運移過程中，若斷裂斷距越大，其對應發育的斷裂帶寬度越大，越有利于油氣沿斷裂帶運移。此外，斷裂垂向輸導油氣通常發生在源巖大量排烴期之后油氣大規模運移期，構造應力是油氣沿斷裂運移的重要驅動力[27-28]，同時也是斷裂形成的直接原因，斷裂的形成是多次地震事件累加的結果[29]，若成藏期斷裂活動強度大，表明其受到的構造應力越大或經歷的構造事件越多，為油氣運移提供的動力也就越大，有利于斷裂垂向輸導油氣。綜上，可以用成藏期斷裂活動速率這一參數，表征運移動力、斷裂活動時期、斷裂帶內部結構和斷裂運動學特征對斷裂垂向輸導能力的影響，只有斷裂活動強度處于合適的范圍內才有利于油氣運移。

大柳泉地區沙三段儲層上覆蓋層沉積厚度大，能夠為油氣聚集提供良好的封蓋條件。應用最大斷距相減法[30]，定量恢復大柳泉地區油源斷裂沿走向各個部位成藏期斷裂活動速率，結果表明，油源斷裂成藏期活動速率一般為0～40 m/Ma之間，斷裂活動速率高值段，斷裂活動強烈，斷裂帶寬度和構造應力較大，油源斷裂輸導能力強，有利于油氣在斷裂活動速率高的部位聚集成藏(圖3)。以舊州斷裂為例，沿該斷裂走向成藏期斷裂活動速率大于10 m/Ma的部位，斷裂輸導能力較強，是油氣主要的聚集部位；而斷裂活動速率小于10 m/Ma的區域，油氣富集程度較低，甚至無油氣富集(圖4)。

3.2 異常壓力

如果烴源巖內存在異常高壓，在成藏期斷裂活動開啟時，超壓作為潛在的運移動力可以為油氣沿斷裂運移提供動力[22]。當源巖層內異常壓力積累到一定程度時，斷裂開啟形成壓力釋放區，烴源巖生成的油氣在超壓驅動下，向斷裂壓力釋放區匯聚，超壓流體釋放，壓力降低，斷裂閉合，之后流體壓力進一步積累，導致斷裂再開啟釋放，周而復始，這就是超壓驅動下斷裂輸導油氣的“地震泵”抽吸作用[27]。大柳泉地區沙四上亞段和沙三下亞段烴源巖層超壓普遍發育，多期裂陷活動導致沉積中心的遷移，形成了石佛寺斷鼻和柳泉—柳泉東背斜2個超壓中心，由超壓中心強超壓帶(壓力系數1.27～1.73)向四周地區逐漸變為弱超壓地區(壓力系數1.06～1.27)和低—常壓帶(壓力系數0.96～1.06)，油氣主要富集在異常壓力較大的地區(圖3)。

3.3 充足的油源

充足的油源是斷裂垂向輸導油氣的物質基礎。

圖3 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區異常壓力、斷裂活動速率與油氣分布關系Fig.3 Relationship between abnormal pressure, fault activity rate and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區舊州斷裂活動速率與油氣聚集關系測線位置見圖3。Fig.4 Relationship between fault activity rate and hydrocarbon accumulation of Jiuzhou Fault in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

大柳泉鼻狀構造帶位于廊固凹陷富烴洼槽內，研究表明，廊固凹陷內烴源巖品質無明顯差異，大規模發育的烴源巖有利于斷裂垂向輸導油氣，造成斷裂輸導油氣供給量差異的主要原因是源巖層內砂體“中轉站”的發育。斷裂作為一個三維地質體深入源巖層內，與烴源巖接觸面積有限，在成藏關鍵時期會導致源巖供烴量不足，油氣在上覆儲層零星分布的情況。若源巖層內油源斷裂根部發育砂巖“中轉站”，則大大提高了油源斷裂與烴源巖層的接觸面積[31]，“中轉站”內匯聚的油氣在油氣成藏期可以為油源斷裂提供充足的油氣來源。同理，可以用源巖層內砂體厚度來表征斷裂在深入源巖層段的中轉能力。大柳泉地區沙四上亞段和沙三下亞段源巖層內砂體普遍發育，厚度一般在0～600 m，以柳泉背斜處砂體厚度最大，達600 m以上，其次為王琚背斜附近，砂體厚度約為290 m。對比源巖層內砂體發育規模與油氣分布關系發現，下伏源巖層內砂體厚度大于50 m的區域，其上覆儲層內油氣富集程度較高；而在砂體厚度發育較小的部位，油氣零星分布(圖5)。

3.4 斷裂優勢輸導通道

同一條油源斷裂斷面往往表現出凹凸不平的幾何形態，這就導致油氣并不是沿整條油源斷裂均勻地向上運移，而是優先向低勢區匯聚運移。油氣沿斷層面運移主要表現為平行流、發散流和匯聚流3種形式，分別對應斷層面形態為平面、凹面和凸面[1]。其中以匯聚流運移形式的凸面脊發育部位最有利于油氣垂向運移，是油氣垂向運移的優勢輸導通道，斷裂凸面脊就是以匯聚流形式運移的沿斷層面向上斷面低勢區的連線(圖6a)。應用斷層面埋深等值線對大柳泉地區油源斷裂凸面脊發育部位進行刻畫，每條油源斷裂凸面脊發育個數不同，如柳泉斷裂共發育4條凸面脊(圖6b)，在油源和運移動力充足的情況下，油氣主要向油源斷裂凸面脊發育部位匯聚，在凸面脊附近聚集成藏。斷裂凸面脊反映了斷裂幾何學和運動學特征對輸導能力的影響，在油源和動力充足條件下，斷裂凸面脊匯聚油氣能力主要受其幾何特征制約，可以用斷裂傾角、凸面脊高度和寬度來表征凸面脊發育規模(式1)。凸面脊發育規模越大，匯聚油氣能力越強。

圖5 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區源巖層內砂體厚度、油源斷裂凸面脊與油氣分布關系Fig.5 Relationship between sand thickness in source rock, fault convex ridge and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖6 斷面運移油氣模式及渤海灣盆地廊固凹陷柳泉斷層凸面脊特征Fig.6 Hydrocarbon migration pattern of fault plane and typical convex ridge characteristics of Liuquan fault in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

S=HLsinθ

(1)

式中：S為輸導斷裂斷面脊規模；θ為油源斷裂凸面脊傾角；L為凸面脊寬度；H為凸面脊高度。

4 斷裂垂向輸導能力定量評價

4.1 斷裂垂向輸導能力定量評價方法

綜上分析，大柳泉地區斷裂垂向輸導能力可以由斷裂活動強度、異常壓力、砂體“中轉站”和斷裂凸面脊規模4個參數表征。斷裂垂向輸導能力大小直接影響到油氣藏儲量的高低，油氣藏儲量可以作為評價斷裂垂向輸導能力的重要指標。根據大柳泉地區多個區塊油氣分布可以看出,斷裂垂向輸導能力各影響因素均與油氣具有良好的正相關關系(圖7)。

斷裂垂向輸導油氣是一個復雜的過程，僅從單一影響因素很難確定斷層垂向輸導能力，同時，大柳泉地區斷裂輸導能力4個影響因素具有不同的量綱，因此，通過確定閾值的方法對各影響因素進行無量綱化。由上述研究可知，當斷層活動速率大于10 m/Ma時，油氣較為富集，因此確定斷層活動速率影響斷裂輸導能力的閾值為10 m/Ma。同理，確定異常壓力系數閾值為1.12，砂體厚度閾值為50 m，斷面脊規模閾值為0.15 km2(圖7)。通過各影響因素值與閾值的比值進行無量綱化處理，得到斷層活動速率指數、超壓系數指數、砂體厚度指數和斷面脊規模指數。在此基礎上，可用“斷層輸導能力評價指數(FTC)”來評價斷裂垂向輸導能力。

FTC=V0P0T0S0

(2)

式中：FTC表示斷層輸導能力；V0為斷層活動速率指數；P0為超壓系數指數；T0為砂體厚度指數；S0為斷面脊規模指數。FTC值越大，表明斷裂對油氣的輸導能力越強。

4.2 斷裂垂向輸導能力綜合評價結果

斷裂垂向輸導能力大小直接影響到油氣藏儲量的高低，油氣藏儲量可以作為評價斷裂垂向輸導能力的重要指標。利用FTC對大柳泉地區斷裂垂向輸導能力進行評價，并建立實際油氣儲量與FTC之間的關系，二者之間表現出較好的正相關關系(圖8)。表明該方法適用于評價大柳泉地區斷層垂向輸導能力。

通過大柳泉地區內油源斷裂輸導能力評價指數的計算，結合大柳泉地區油氣儲量分布，對該區油源斷裂輸導油氣能力進行定量評價(圖9)，油源斷裂FTC值大的地區油氣較其他地區富集，FTC值小的油源斷層附近則幾乎無油氣富集。

5 結論

(1)大柳泉地區油氣以垂向運移為主，Ⅳ型和Ⅵ型斷裂系統作為油源斷裂是該區油氣垂向運移的主要通道。

圖7 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區油源斷裂輸導能力影響因素與儲量關系Fig.7 Relationship between influencing factors of source fault transporting ability and reserves in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖8 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區儲量與斷層輸導能力評價指數關系Fig.8 Contrast of reserve abundance and fault transport ability evaluation index of Daliuquan area in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

圖9 渤海灣盆地廊固凹陷大柳泉地區油源斷層輸導能力綜合評價Fig.9 Comprehensive evaluation of source fault hydrocarbon transporting ability in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

(2)斷裂輸導油氣運移時期，斷裂呈開啟狀態，影響其垂向輸導能力的主要因素包括運移動力、源巖供烴量以及斷裂幾何學和運動學特征。結合大柳泉地區地質特征和油氣分布規律，可以用斷裂活動速率、異常壓力、砂體“中轉站”規模和斷層凸面脊規模4個參數，來表征斷裂輸導能力影響因素。

(3)大柳泉地區各區塊儲量與斷裂垂向輸導能力評價參數存在良好的正相關關系，綜合這些斷裂輸導能力影響因素評價參數回歸擬合出斷層輸導油氣能力評價公式，該公式計算結果與實際地質情況吻合良好，表明該定量評價方法具有較好的適用性。