東營凹陷沙三段斷裂系統分形特征及構造儲集層預測

張 凱，倪金龍，馬驍騏

(山東科技大學山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東青島 266590)

東營凹陷是濟陽坳陷油氣勘探的重點區域。沙三段作為油氣生成和儲集的重要場所，油氣勘探的主體已從構造油氣藏轉向隱蔽油氣藏，其中儲集層特征的研究對隱蔽油氣藏的勘探至關重要[1]。東營凹陷內油氣分布、局部富集與長時期、大規模活動的大斷層有著密切的關系，位于溝通烴源巖斷層附近的儲集層，通常是油氣有利的儲集空間[2－3]。對斷裂系統的展布特征及其對油氣儲層的改善作用作進一步研究，對于預測構造儲層(本文指由于斷裂活動儲集物性改善的砂巖或泥巖儲層)及油氣勘探具有重要的現實意義。

分形理論的提出和不斷發展為斷裂構造的定量研究開辟了新的途徑[4－5]。分形理論的研究對象是非線性系統中產生的不光滑和不可微的集合體，其最重要的特性是自相似性，對應的定量參數是分維[6]。地質學是應用分形理論進行課題研究較為活躍的領域，目前分形方法在儲層特征描述[5－8]、石油勘探開發決策[7，9]、預測油氣田數量及儲量[7]、斷層的分維值與含油面積和產能的關系等方面得到了廣泛應用[10－14]。大量相關研究表明:斷裂系統在空間分布上具有自相似性，分維值可以作為反映斷裂系統發育程度和復雜性的一個定量指標[15－20]。本文嘗試利用分形理論來探討東營凹陷斷裂系統空間展布及其對構造儲集層的控制關系，并以此為依據圈定東營凹陷沙三段各亞段有利的構造儲集層分布區域，為進一步的油氣勘探提供新的依據。

1 區域地質概況

東營凹陷位于渤海灣盆地南部，是濟陽坳陷一個重要的次級構造單元，為一古近紀時期受北部的陳南斷層控制的箕狀斷陷盆地[21]。凹陷內發育有民豐、牛莊、利津和博興4 個次級洼陷(圖1)。

東營凹陷以古近系為主要生儲油氣巖系，沙河街組四段上部和三段為該凹陷的兩套有效烴源巖[23]。沙三段中下亞段湖盆中心發育有機質豐富的深—半深湖相油頁巖、泥巖，沉積分布廣泛，是東營凹陷的主要生油層;上亞段以砂巖為主，是重要儲油層之一[24]。

圖1 東營凹陷斷裂構造平面分布簡圖(據葉興樹等[22])Fig.1 Basic fractural structures framework of Dongying depression

東營凹陷古近紀總體表現為斷陷盆地，伴隨著強烈的裂陷、伸展作用，斷層廣泛發育、數量眾多[25－26];沙四段末期的濟陽運動及東營期末期的東營運動使前期發育的斷層進一步復雜化。東營凹陷新近紀時期整體下沉，發育了一套河湖相沉積，與濟陽坳陷其他盆地一起整體表現為坳陷特征，前期形成的復雜斷層及后期表現出的統一的湖盆為烴類轉化、油氣的運移和聚集及成藏起了重要作用[26]。

2 斷裂分形學理論與方法

2.1 斷裂分形學理論依據

分形理論由美籍法國數學家B.B.Mandelbrot在1973年創立，它可以用來有效地描述自然界中各種各樣的復雜現象。分形幾何的精髓在于揭示了無標度性或自相似性，給出了自然界中復雜幾何形態的一種定量描述[4－6]。自相似性是指由各個部分組成的形態，每個部分以某種方式與整體相似[4－5，20]。數學中的分形，具有無限嵌套的層次結構;而自然界中的分形則只有有限層次的嵌套，且只有進入到一定的層次結構以后才體現分形規律。

斷裂系統是巖石在力的作用下產生破裂和發生位移的一種地質現象，它在空間上的展布從數學角度看是一系列不規則線狀集合分形體[10]。對斷裂系統而言，其標度不變性只在一定的范圍內適用，這個范圍即無標度區間。一旦跨出無標度區間，自相似性便不存在，斷裂系統也就沒有分形規律[6]。目前確定無標度區間常用的方法有經驗判定法、相關系數檢驗法和擬合誤差法等。斷裂的自相似性也被越來越多的研究證明，因而可用分形理論進行研究[15－18]。

分形理論中，分形維數的定義有多種，如:Hausdorff 維數、信息維數、關聯維數、相似維數和盒維數等[4－6]。分維值D 可用來定量表征斷裂構造在空間的分布特征。同樣，含油氣盆地中控制油氣分布的各級斷裂在平面上的展布特征可用分形理論進行定量描述，在此基礎上探討斷裂系統分形特征與已勘明油氣儲層在空間上的關系，對預測未知構造儲集層提供了新的途徑。本文采用盒維數對斷裂系統進行研究，并用相關系數檢驗法確定無標度區間。

2.2 分形學的計算方法

由于盒維數的數學計算及經驗估計相對容易一些，因而成為應用最廣泛的維數計算方法之一，其分析方法如下:

以邊長為L 的正方形網格覆蓋研究區，取邊長r = L/2n(n 為整數)的小正方形網格并分別計算出相應標度下有斷層穿過的網格數N(r)。若N(r)與r滿足關系式

則說明研究對象具有自相似性，即具有分形結構。其中:C 為常數;D 為其分維值，取值范圍為0 ＜D＜2。對式(1)兩邊取對數得

在ln N(r)－ ln r 坐標系中作圖，求其回歸直線，回歸直線斜率的負值即為分維值D。同時可求出相關系數R，R 越接近1 說明擬合程度越好，分形圖形越符合式(1)的關系，圖形分形分析的結果越準確。

以東營凹陷沙三段中亞段為例。把研究區劃分為109 個邊長r0=1 (8 km)的區塊，并編號(圖2)。然后在每個區塊內以r = r0/2、r0/4、r0/8、r0/16 的方格覆蓋區塊，記錄r 取不同值時的N(r)值，把每組[r，N(r)]投放到ln N(r)－ ln r 坐標系中，擬合得到N(r)與ln r 間的線性關系(圖3b)，發現其相關系數均在0.98 ～1。這說明在0.062 5 ～1(0.5 ～8 km)標度范圍內，東營凹陷沙三中亞段斷裂系統具有分形特征，所得直線斜率的負值即為該區塊的分維值D。將計算的分維值作為各區塊中心點的分維值，建立統一坐標利用插值法繪制研究區的斷裂分維等值線圖(圖4b)。

以相同的方法繪制沙三上、沙三下的分維等值線圖(圖4a、圖4c)，每幅圖各區塊的相關系數均大于0.98(圖3)。

3 斷裂分維值與構造儲集層分布關系

3.1 斷裂分維值特征

圖2 東營凹陷沙三中斷裂簡圖Fig.2 Fractural structures framework in middle Es3 of Dongying depression

圖3 東營凹陷沙三上第二區塊(a)、沙三中第二區塊(b)、沙三下第二區塊(c)ln N(r)－ln r 關系Fig.3 Fractal relation of the fault system in upper Es3(a)，middle Es3(b)and lower Es3(c)of Dongying depression

圖4 東營凹陷沙三上亞段(a)、沙三中亞段(b)、沙三下亞段(c)斷裂分維等值線圖Fig.4 Fractal dimensions of fracture system in upper Es3(a)，middle Es3(b)and lower Es3(c)of Dongying depression

研究區分維值等值線圖表明，分維值的大小分布具有明顯的分帶性和規律性:高值區主要位于各斷裂構造帶，低值區主要位于各凹陷內。高的分維值代表了斷裂的復雜程度越高，這與其分布于各主干斷裂帶相吻合。根據里德爾剪切模式，主干斷裂在活動的同時，通常會產生一系列相伴生的小型斷裂構造，以及張性和剪性節理。正是由于這一系列斷裂構造的產生使斷裂構造的復雜程度加大，因而產生了較高的分維值。分維值等值線的延伸趨勢與研究區斷裂的走向方向近于一致，說明斷裂活動強烈程度沿其走向方向具有良好的同一性。沙三上、中、下三個亞段分維值的對比，表明沙三上、中亞段的分維值整體要略高于沙三下亞段，且盆地中北部區域各亞段的分維值要高于南部，這一方面說明沙三段中上層的斷裂復雜程度更高，另一方面說明各亞段盆地的北部地區斷裂的復雜程度要高于南部。

3.2 斷裂分維值與有利構造儲集層的關系

基于斷裂分維等值線圖與已探明油氣藏分布層位和位置，東營凹陷沙三段油氣藏主要分布在一、二級斷裂附近分維值較高的地方(圖5)。根據前人對東營凹陷沙三段各亞段的沉積相研究與巖石性質[27]，總結斷裂分維值與油氣的分布具有如下規律:

在沙三上亞段(圖5a)，砂巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于0.6 ～1.3;泥巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于0.9 ～1.2。在沙三中亞段(圖5b)，砂巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于0.6 ～1.3;泥巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于0.8 ～1.2。在沙三下亞段(圖5c)，砂巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于0.9 ～1.2;泥巖分布區域，大部分油氣所在區塊的斷裂體系分維值介于1.0 ～1.2。總的來看，油氣主要分布在一、二級斷裂附近，砂巖分布區域斷裂體系分維值介于0.6 ～1.3，泥巖分布區域斷裂體系分維值介于0.8 ～1.2 的區塊。

根據上述規律，有如下問題需要解釋:1)油氣為什么多分布于斷裂分維值的一定區間內?2)泥巖為什么也可以作為有效儲集層?3)與砂巖相比，當泥巖作為有效儲集層時，其分維值為什么與砂巖的不同?

圖5 東營凹陷沙三上亞段(a)、沙三中亞段(b)、沙三下亞段(c)構造儲集層預測Fig.5 Prediction map of structural reservoir in upper Es3(a)，middle Es3(b)and lower Es3(c)of Dongying depression

前人研究成果表明，油氣沿斷層運移是東營凹陷油氣運移的重要方式，運移是靠油源斷層和其控制的分支斷層構成的斷裂系統進行的[3]。一般說來，斷層體系分維值高，斷層體系空間分布復雜程度大，一方面有利于形成深源油氣向上運移的通道，另一方面大量微小的破裂有利于改善儲集空間;反之，如果斷層體系分維值低，不僅不利于油氣的運移，也不利于油氣儲集空間的改善。但是，油氣易流動、易擴散，要求在比較平緩的構造環境下才利于保存。如果分維值太高，則只有利于油氣的運移，而無法有效的保存，因而研究區的斷裂分維值高于1.2 的地區通常無有效的油氣藏的形成;反之，如果分維值過低，一方面缺少有效的運移通道，另一方面斷裂對儲集層性能的改善較低，因而也不能形成有效的油氣藏，如研究區分維值低于0.6 的地區。

需要關注的另一個問題是，在斷裂較發育的地區除了砂巖可以作為油氣的儲集空間外，孔隙度不好的泥巖也可以作為儲集空間。其主要原因可能由于伴隨主干斷裂的形成，順著其次生的分支斷裂形成了大量的構造裂縫，正是由于這些構造裂縫大量發育，為油氣藏的形成提供了儲集空間。對于泥巖而言，這些構造裂縫使原本不能作為儲集層的泥巖具備了儲集層的性質;對于砂巖而言，構造裂縫一方面可以直接作為儲集空間，另一方面也可以明顯改善孔隙的連通性，使其儲集性能得以提升。

在東營凹陷沙三段，砂巖分布區域內油氣聚集區塊的斷裂系統平面分布分維值要大于0.6，而泥巖分布區域內油氣聚集區塊的斷裂系統平面分布分維值則需大于0.8。泥巖相對于砂巖而言，韌性較強;當斷裂活動時，斷層附近的砂巖更易產生破裂，斷層及其控制的分支斷層平面上表現為較高的分維值;而在泥巖分布區域內分支斷層產生的數量較少，斷裂系統平面上表現為較低的分維值。因此，當斷裂系統平面分布的分維值為一定值時，穿過泥巖區域的斷裂系統活動強度要高于穿過砂巖區域的斷裂系統活動強度。斷裂系統過高的活動強度會破壞斷層對油氣的運移能力，影響油氣的聚集與保存。所以在東營凹陷沙三段，泥巖分布區域油氣聚集區塊斷裂體系分維值的最大值(1.2)要略小于砂巖分布區域油氣聚集區塊斷裂體系分維值的最大值(1.3)。

3.3 有利構造儲集層預測

綜上所述，在東營凹陷沙三段，油氣主要聚集在油源斷裂附近，砂巖分布區域斷裂系統分維值介于0.6 ～1.3，泥巖分布區域斷裂系統分維值介于0.8 ～1.2 的區塊。這些區域由于構造裂縫的發育改善了儲層的儲集空間增加了連通性，為油氣聚集提供了良好場所。

斷裂分維值的上述規律為預測沙三各亞段構造儲集層分布區域提供了科學依據。基于上述規律，本文對東營凹陷沙三段有利的構造儲集層分布區進行了預測，結果表明:沙三上亞段(圖5a)金11、樊2、梁8、梁54、利35、鹽2、辛100 井區;沙三中亞段(圖5b):金22、樊2、梁8、郝科1、鹽2、辛100 井區;沙三下亞段(圖5c)樊2、梁8、梁14、河2、坨123、坨19、辛100 井區為構造儲集層分布的有利地區。

需要指出的是，盆地中構造裂縫的分布是復雜的，斷裂分維的分析與研究只是提供了一種分析方法和手段，對于預測由于斷層活動而改善的儲集層具有重要的指導意義，在實際的勘探中應該結合勘探區塊更小尺度的斷裂分維特征進行研究，并要綜合考慮其他因素。

4 結 論

(1)東營凹陷斷裂系統在0.5 ～8 km 的標定尺度范圍內具有良好的自相似性，分維值D 可以作為定量評價斷裂系統平面分布特征的參數。

(2)東營凹陷沙三段內構造裂縫的存在明顯地改善了儲集空間。油氣主要聚集在油源斷裂附近，砂巖分布區斷裂系統分維值介于0.6 ～1.3，泥巖分布區域斷裂系統分維值介于0.8 ～1.2 的區塊。

(3)東營凹陷沙三段有利構造儲集層分布的有利地區:沙三上亞段金11、樊2、梁8、梁54、利35、鹽2、辛100 井區;沙三中亞段金22、樊2、梁8、郝科1、鹽2、辛100 井;沙三下亞段樊2、梁8、梁14、河2、坨123、坨19、辛100 井區。

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