鄂爾多斯盆地杭錦旗東部斷裂特征及對(duì)天然氣成藏的影響

齊 榮

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。前人對(duì)杭錦旗地區(qū)斷裂構(gòu)造的研究多聚焦于規(guī)模較大的泊爾江海子斷裂[1-5]，鮮有其他小規(guī)模的斷裂研究。隨著勘探程度的不斷深入，發(fā)現(xiàn)小規(guī)模斷裂附近存在氣藏，斷裂對(duì)氣藏控制和影響成為該區(qū)天然氣勘探的關(guān)鍵問(wèn)題之一。該文基于三維地震及鉆井資料，研究了杭錦旗東部地區(qū)斷裂的性質(zhì)、分布規(guī)律及其活動(dòng)性、封閉性特征，分析了斷裂對(duì)天然氣成藏的影響，總結(jié)了斷裂對(duì)天然氣成藏的控制作用。該研究不僅有助于深化研究區(qū)斷裂發(fā)育分布規(guī)律和形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)研究區(qū)天然氣勘探部署也有實(shí)際的指導(dǎo)價(jià)值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

杭錦旗地區(qū)東部橫跨伊盟北部隆起和伊陜斜坡2個(gè)構(gòu)造單元[6-11]。以泊爾江海子斷裂為界，北部屬于伊盟北部隆起，整體構(gòu)造復(fù)雜，斷裂及褶皺較為發(fā)育；南部屬于伊陜斜坡，構(gòu)造相對(duì)平緩，局部斷裂發(fā)育。杭錦旗地區(qū)上古生界二疊系自下而上發(fā)育太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。氣藏?zé)N源巖主要發(fā)育于太原組和山西組的煤系地層(包括煤層和暗色泥巖)中，主要分布于泊爾江海子斷裂帶南部地區(qū)(圖1)。儲(chǔ)層為太原組、山西組、下石盒子組的致密低滲砂巖。在泊爾江海子斷裂以北地區(qū)，天然氣主要分布在盒2和盒3段，在泊爾江海子斷裂以南地區(qū)，油氣主要分布在盒1段；區(qū)域蓋層是上石盒子組的大套泥巖[5](圖1)。

圖1 研究區(qū)煤層及斷裂分布

2 斷裂類型及分布特征

研究區(qū)斷裂總體分為3類：二級(jí)斷裂為規(guī)模很大(平面延伸距離大于50 km)的控帶斷裂，即泊爾江海子斷裂和李家渠、掌崗圖西斷裂，為盆地北緣次級(jí)構(gòu)造劃分邊界；三級(jí)斷裂為規(guī)模相對(duì)較大(平面延伸距離大于5 km)的次級(jí)斷裂，即蘇布爾嘎、柴登、納林溝、臺(tái)吉召西、吳七渠等斷裂；四級(jí)斷裂為中小型斷裂。按斷裂走向分類，可識(shí)別出NE、NW、近EW向，少量近NS向斷裂(圖1)，從數(shù)量上來(lái)看，NE向斷裂最多，其次為NW向，EW向斷裂數(shù)量最少。

研究區(qū)斷裂的平面分布復(fù)雜多變，具有明顯的區(qū)域性。泊爾江海子斷裂以北地區(qū)斷裂發(fā)育數(shù)量最多，但單條規(guī)模不大，斷裂的平面走向總體呈NE向并呈大面積帶狀分布或均勻分布。泊爾江海子斷裂以南地區(qū)主要發(fā)育NE向李家渠斷裂、NW向掌崗圖西斷裂以及NE、NW和近NS向的四級(jí)斷裂，呈雜亂狀分布。

3 斷裂活動(dòng)性分析

鄂爾多斯盆地受區(qū)域動(dòng)力背景控制，經(jīng)歷了多期次和多方向應(yīng)力作用[1，4]，杭錦旗地區(qū)東部的斷裂規(guī)模、形態(tài)和活動(dòng)期次等與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用密切相關(guān)。

結(jié)合盆地演化特征和斷裂構(gòu)造特征分析認(rèn)為，研究區(qū)的斷裂活動(dòng)主要經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期，即海西期擠壓逆沖、燕山晚期的強(qiáng)烈擠壓逆沖與隆升剝蝕、喜山期張扭活動(dòng)及構(gòu)造反轉(zhuǎn)。

海西期，華北板塊與西伯利亞板塊碰撞，鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)遭受中等強(qiáng)度的擠壓，發(fā)育有大量規(guī)模較小的斷裂，多數(shù)未斷穿二疊系頂面。如發(fā)育了近EW向小型逆沖斷裂——吳七渠斷裂，從該三級(jí)斷裂的生長(zhǎng)指數(shù)特征也可以看出(表1)，該斷裂在中二疊世開始活動(dòng)，生長(zhǎng)指數(shù)小于1.00，為逆沖斷裂。

表1 斷裂生長(zhǎng)指數(shù)

燕山期，庫(kù)拉—太平洋板塊與歐亞板塊斜向碰撞加強(qiáng)，導(dǎo)致鄂爾多斯盆地以東的中國(guó)東部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造變形和抬升，在研究區(qū)形成以NW向?yàn)閿D壓方向的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，造成二級(jí)斷裂泊爾江海子斷裂、李家渠斷裂的強(qiáng)烈逆沖活動(dòng)。由表1可知，NE向李家渠斷裂主要形成于侏羅紀(jì)末期(直羅—安定組)。

喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期，鄂爾多斯盆地由擠壓應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘垜?yīng)力場(chǎng)，并在盆地周緣發(fā)育了一系列新生代斷陷盆地[1，4]。杭錦旗地區(qū)的斷裂在喜馬拉雅期均存在一定的反轉(zhuǎn)，比如李家渠斷裂，其生長(zhǎng)指數(shù)在早白堊系比晚侏羅系稍有變大(表1)。

蘇布爾嘎等NW向斷裂數(shù)量較少，但單條斷裂規(guī)模相對(duì)較大，平面上，與泊爾江海子斷裂和李家渠斷裂走向呈近垂直關(guān)系，但發(fā)育時(shí)間比李家渠斷裂稍晚，從蘇布爾嘎三級(jí)斷裂的生長(zhǎng)指數(shù)可以看出(表1)，該斷裂主要形成于侏羅世。受NW向擠壓應(yīng)力作用，泊爾江海子斷裂和李佳渠斷裂發(fā)生強(qiáng)烈逆沖運(yùn)動(dòng)，蘇布爾嘎斷裂是在二者之前產(chǎn)生的調(diào)節(jié)斷裂。

4 斷裂封閉性分析

斷裂的封閉性在空間上表現(xiàn)為側(cè)向封閉性和垂向封閉性2個(gè)方面[12-16]。側(cè)向封閉性主要運(yùn)用改進(jìn)的斷裂泥巖比率法進(jìn)行分析；垂向封閉性主要運(yùn)用斷面正壓力法進(jìn)行分析。

4.1 致密砂巖斷裂泥巖比率法

Yielding等[15]提出的斷裂泥巖比率(RSG)法經(jīng)常用來(lái)判定斷裂的側(cè)向封閉性，但考慮到研究區(qū)發(fā)育致密低滲砂巖儲(chǔ)層，不具有滲透性，具有封堵作用，因此，提出新的利用RSG判斷斷裂側(cè)向封閉性的方法：

(1)

式中：RSG為致密砂巖斷裂泥巖比率，%；h為斷裂位移段內(nèi)非滲透性層(泥巖+致密砂巖)累計(jì)厚度，m；H為斷裂的垂直斷距，m。

參照呂延防等[16]對(duì)蓋層封閉性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合杭錦旗地區(qū)的實(shí)際情況，確定RSG評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。在研究區(qū)共選取了5條斷裂進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表2 杭錦旗地區(qū)斷裂封閉性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3 研究區(qū)RSG計(jì)算結(jié)果

由表2、3可知，吳七渠斷裂盒2+3段側(cè)向封閉性好，盒1段側(cè)向封閉性差；J66P2S斷裂山1、山2段側(cè)向封閉性較好；錦56斷裂山2段側(cè)向封閉性較好，山1段、太原組側(cè)向封閉性差；掌崗圖西斷裂盒2+3段、盒1段側(cè)向封閉性好，山1段側(cè)向封閉性中等，山2段和太原組差；李家渠斷裂盒2+3段側(cè)向封閉性好，盒1段、山1段、山2段側(cè)向封閉性差，太原組側(cè)向封閉性中等。

4.2 斷面正壓力法

斷裂垂向封閉性一般用斷面正壓力法表征[13]。周慶華指出，斷裂的垂向封閉性受斷移地層泥巖含量的影響，陸相沉積地層在根據(jù)斷面壓力評(píng)價(jià)斷裂垂向封閉性時(shí)，應(yīng)兼顧斷移地層的泥地比值。由于研究區(qū)儲(chǔ)層屬于陸相致密低滲砂巖，需要考慮斷移地層的非滲透性地層(泥巖+致密砂巖)與地層厚度的比值(A)(表4)。

表4 研究區(qū)斷裂垂向封閉性評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知，J66P2S斷裂山2段地層中深為2 560.42 m，斷面正壓力為7.60 MPa，非滲透性地層占地層厚度的69.7%，垂向封閉性好；山1段地層中深為2 590.78 m，斷面正壓力為7.74 MPa，非滲透性地層占地層厚度的33.4%，垂向封閉性中等。錦56斷裂山2段地層中深為2 799.40 m，斷層正壓力為6.59 MPa，非滲透性地層占地層厚度的60.6%，垂向封閉性好，山1段和太原組較差；掌崗圖西斷裂各層垂向封閉性普遍中等。

5 斷裂對(duì)天然氣成藏的影響

杭錦旗地區(qū)烴源巖為太原組和山西組煤層，煤層主要分布在泊爾江海子斷裂以南地區(qū)，泊爾江海子斷裂以北的煤系地層薄而且分布范圍較為局限，生烴潛力有限。普遍認(rèn)為，泊爾江海子斷裂以北地區(qū)天然氣主要來(lái)自于泊爾江海子斷裂以南地區(qū)，沿?cái)嗔押秃裆绑w運(yùn)移而來(lái)。

泊爾江海子斷裂以北地區(qū)斷裂發(fā)育數(shù)量最多，但單條斷裂規(guī)模并不大，包括規(guī)模中等的NW向納林溝和柴登北斷裂、近EW向吳七渠斷裂和眾多NE向四級(jí)斷裂，斷裂多為逆沖斷裂且傾角均較陡，斷裂的平面走向總體為NE向，并呈大面積帶狀分布或均勻分布。

斷裂控藏特征主要表現(xiàn)為：①斷裂大多斷至盒1段下部，未斷穿上石盒子組，即斷裂未破壞區(qū)域蓋層；②盒2、盒3段砂體在泊爾江海子斷裂以北地區(qū)比較發(fā)育，當(dāng)斷裂處于開啟狀態(tài)，能夠垂向上輸導(dǎo)天然氣至盒2、盒3段有利儲(chǔ)層處，形成巖性和構(gòu)造-巖性氣藏；③逆沖斷裂附近常發(fā)育有逆牽引背斜，天然氣沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移至逆牽引背斜處，形成背斜氣藏，如盒1段；④當(dāng)斷裂側(cè)向和垂向封閉性均較好時(shí)，可形成斷背斜氣藏，如J66P2S井位于寬緩背斜高部位，其北側(cè)發(fā)育一條四級(jí)逆沖斷裂，斷裂展布方向近東西向，平面延伸距離為2.0 km，平均斷距為30 m，傾角為70 °，斷裂斷至盒1段(T9d)，未斷穿。上述封閉性研究結(jié)果表明，J66P2S斷裂山1段側(cè)向封閉性中等，斷裂在山1段可以形成側(cè)向封堵，從而在山1段形成斷背斜氣藏(圖2)，山1段測(cè)試為高產(chǎn)氣層。

泊爾江海子斷裂以南地區(qū)煤層厚且成熟度較高，提供了充足的油氣源，是杭錦旗地區(qū)氣藏的主要來(lái)源。該區(qū)盒2、盒3段砂體不太發(fā)育，盒1段太原組砂體十分發(fā)育，二級(jí)斷裂李家渠、掌崗圖西斷裂平均斷面傾角為67 °，斷距從下往上逐漸變小，垂向上斷穿區(qū)域蓋層上石盒子組。掌崗圖西和李家渠斷裂無(wú)論側(cè)向還是垂向封閉性都較差，且僅在掌崗圖西斷裂附近的錦24井盒1段和李家渠斷裂附近的錦20井上石盒子組底部見到氣層，這2口井均位于李家渠斷裂、掌崗圖西斷裂控制的逆牽引背斜之上(圖3)。因此，該區(qū)二級(jí)斷裂控制了構(gòu)造圈閉的發(fā)育，垂向上溝通烴源巖，在逆牽引背斜處形成氣藏(圖3)。

圖2 過(guò)J66P2S及其水平段A、B靶點(diǎn)地震剖面及對(duì)應(yīng)氣藏解剖圖

圖3 過(guò)掌崗圖西斷裂地震剖面及對(duì)應(yīng)氣藏解剖圖

錦56井附近三、四級(jí)斷裂也較發(fā)育，平面組合呈雜亂狀，展布方向復(fù)雜多變，正、逆斷裂均發(fā)育，平面延伸距離為2.5 km，平均斷距為30 m，平均傾角為75 °，斷裂斷至盒1段(未斷穿)。封閉性研究表明，錦56斷裂山2段側(cè)向和垂向封閉性較好，山1段、太原組較差，說(shuō)明斷裂可以在垂向上溝通至山1段和太原組的烴源巖，將天然氣運(yùn)移至山2段，同時(shí)，由于山2段斷裂側(cè)向封閉性較好，在山2段形成斷塊氣藏(圖4)，山2段測(cè)試為高產(chǎn)氣層。綜合J66P2S四級(jí)斷裂和錦56三、四級(jí)斷裂的分析結(jié)果，認(rèn)為三、四級(jí)斷裂垂向上溝通烴源巖，運(yùn)移天然氣至上部地層，在儲(chǔ)層條件有利時(shí)可形成巖性氣藏，若斷裂側(cè)向封閉性好，還可形成斷背斜或斷塊氣藏。

圖4 過(guò)錦56井地震剖面及對(duì)應(yīng)氣藏剖面

6 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)斷裂類型主要為高角度逆斷裂，斷裂按走向劃分，可識(shí)別出NE、NW、近EW向，少量近NS向。從數(shù)量上，NE向斷裂最多，其次是NW向，EW向斷裂數(shù)量最少。

(2) 通過(guò)對(duì)泊爾江海子斷裂南北不同地區(qū)斷裂封閉性研究及氣藏精細(xì)解剖，認(rèn)為二級(jí)斷裂垂向上溝通烴源巖，且易在斷裂上盤形成逆牽引構(gòu)造，在儲(chǔ)層條件有利時(shí)易在斷裂逆牽引背斜處形成氣藏；區(qū)內(nèi)高角度三、四級(jí)斷裂垂向上溝通烴源巖，運(yùn)移天然氣至上部地層，在儲(chǔ)層條件有利時(shí)形成巖性氣藏，若斷裂側(cè)向封閉性好，還可形成斷背斜或斷塊氣藏。