遼西凹陷北洼新生代斷裂特征及控藏作用＊

張江濤 吳 奎 黃曉波 張如才 何 京 郝 鵬

（1．中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459； 2．中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司實驗中心 天津 300459）

遼西凹陷北洼新生代斷裂特征及控藏作用＊

張江濤1吳 奎1黃曉波1張如才1何 京1郝 鵬2

（1．中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459； 2．中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司實驗中心 天津 300459）

基于大量三維地震和鉆井資料，分析了渤海海域遼西凹陷北洼新生代斷裂的發育特征，并探討了其對油氣成藏的差異控制作用。研究結果表明：遼西凹陷北洼新生代斷裂可以劃分為早期繼承型斷裂、早期消亡型斷裂、中期繼承型斷裂、中期消亡型斷裂和晚期新生型斷裂等5類；早期繼承型斷裂和中期繼承型斷裂控制了烴源巖的形成發育和空間展布，并促進了烴源巖熱演化生烴；早期繼承型控制了斷塊和潛山圈閉的形成，中期繼承型斷裂控制了斷塊和擠壓背斜圈閉的形成；早期繼承型和中期繼承型斷裂是油氣垂向運移的主力通道，早期消亡型斷裂易形成側向封堵油氣成藏，中期消亡型和晚期新生型斷裂則對淺層油氣的平面調整有著重要的控制作用。本文研究結果對遼西凹陷北洼油氣勘探有利區帶選擇有指導作用。

渤海海域；遼西凹陷北洼；新生代斷裂發育特征；控藏作用

渤海灣盆地處于歐亞板塊和太平洋板塊的交會處，受周緣板塊差異性活動所引發的多期構造運動的影響，斷裂廣泛發育，具有走向多變、展布復雜、性質多樣的特點［1－3］。新生代各時期斷裂垂向疊加形成了現今渤海灣盆地復雜的斷裂體系，這給斷裂發育特征及其控藏作用研究帶來了很大的困難。渤海海域遼東灣坳陷是渤海灣盆地重要的油氣產區，前人針對該地區新生代斷裂對油氣成藏的控制作用做了大量的研究工作，主要包括遼東灣坳陷各類斷裂聯接帶的差異控藏作用［4－5］、走滑斷裂轉換帶的控藏作用［6－7］、主干走滑斷裂帶的時空差異性及其對油氣成藏的控制作用［8－10］等。

遼西凹陷北洼是遼東灣坳陷北部油氣勘探重點區帶，自20世紀90年代發現錦州9－3油田后，相繼又發現了錦州20－2N、錦州20－2和錦州25－1等大中型油氣田，累計發現三級石油地質儲量2．07×108m3、天然氣307．13×108m3、溶解氣182．68×108m3，證實了遼西凹陷北洼是一個典型的富烴洼陷，有著巨大的勘探潛力。勘探實踐表明，遼西凹陷北洼目前的油氣發現均與斷裂有著直接聯系，斷裂的發育對烴源巖沉積厚度、圈閉形成與分布、油氣的輸導與封堵有著重要的控制作用［11－14］。但是近年來錦州20－5N 構造、錦州20－1構造等多個目標相繼鉆探失利，表明對遼西凹陷北洼斷裂的控藏作用仍缺乏規律性認識。筆者基于三維地震和鉆井資料，對遼西凹陷北洼斷裂平面和剖面特征進行精細刻畫，總結各期次斷裂的發育特征，深入研究斷裂對烴源巖的沉積及成熟度演化、圈閉的平面展布及油氣運移的控制作用，以期對該地區下一步油氣勘探提供一定的指導作用。

1 區域地質概況

遼東灣坳陷位于渤海海域東北部，是渤海灣盆地遼河坳陷向海域的自然延伸部分，平面上具有東西分塊的特點，表現為三凹夾三凸的構造格局，自東到西依次為遼東凹陷、遼東凸起、遼中凹陷、遼西凸起、遼西凹陷和遼西南凸起，其中遼西凹陷依據地層厚度、斷裂規模及基底深度進一步劃分為南洼、中洼和北洼等3個三級構造單元。遼西凹陷北洼面積約1 200 km2，東北側與遼河坳陷西部凹陷相接，西南側與遼西凹陷中洼相接，西北側和東南側受控于燕山褶皺帶和遼西凸起，新生代經歷了裂陷、裂后熱沉降和新構造運動等演化階段（圖1）。

圖1 遼西凹陷北洼綜合地質圖Fig．1 Generalized geologic map of northern Liaoxi sag

遼西凹陷北洼整體受控于錦州斷裂、遼西3號斷裂、遼西2號斷裂和遼西大斷裂等4條主干斷裂（圖2），演化過程中主干邊界斷裂的產狀、活動性的變化使得洼陷結構存在南北差異：洼陷北部受控于錦州斷裂，表現為東南斷西北翹的典型半地塹，其中斜坡－深洼的過渡帶受遼西2號斷裂改造，上部地層發育小型地塹，斷層剖面組合為花狀構造 （圖2左）；洼陷中部和南部變寬，其中遼西3號斷裂控制了沉積中心及基底構造形態，遼西2號斷裂穿過中央洼陷區，遼西大斷裂切過斜坡帶，整個凹陷南部表現為受遼西3號斷裂和遼西2號斷裂共同控制的東南斷西北超的復式半地塹（圖2右）。

圖2 遼西凹陷北洼結構特征（剖面位置見圖1）Fig．2 Structural characteristics of northern Liaoxi sag（see Fig．1 for location）

2 遼西凹陷北洼新生代斷裂特征

2．1 斷裂平面特征

對研究區920 km2三維地震資料進行了精細解釋，依據斷層與地層反射面的交點在平面上的投影繪制了不同構造層系的斷裂體系圖（圖3），通過對比分析各構造期次斷裂走向、平面斷距以及組合樣式，明確了各構造期次斷裂的分布狀態及斷裂性質。

古新統—始新統（孔店組—沙河街組）斷裂體系（圖3a）顯示，主干斷裂錦州斷裂、遼西3號斷裂均為NEE走向的伸展正斷層，水平斷距比較大，延伸距離長，其中錦州斷裂平面延伸為12 km，遼西3號斷裂平面延伸為21 km，在平面上均呈鋸齒狀；次級斷裂規模小，主要分布在洼陷中部和主干斷裂附近，整體走向與主干斷裂一致，少量與主干斷裂斜交。

漸新統（東營組）斷裂體系（圖3b）表現出強烈的右旋走滑性質，并受到一定的伸展作用。洼陷東部主干斷裂錦州斷裂、遼西3號斷裂水平斷距較早期明顯減小，一定程度上表明伸展作用相對減弱，并且遼西3號斷裂受該時期構造應力改造，斷裂尾端與次級斷裂組合成馬尾狀走滑構造樣式。洼陷中部新發育一條NE走向、規模較大、斷裂面連續的強走滑斷裂，貫穿了整個洼陷。另外，沿遼西2號斷裂發育大量次級斷裂，走向為NE或E－W向，并且次級斷裂的發育與里德爾右旋剪切模型相吻合，具體表現為呈羽狀或雁列式組合展布，表現出明顯的右旋走滑作用。

圖3 遼西凹陷北洼斷裂體系平面分布Fig．3 Distribution of fault systems in northern Liaoxi sag

新近系斷裂體系（圖3c）中，錦州斷裂和遼西3號斷裂繼承性發育，表現為由多條NE或NNE向次級斷裂沿NE向組合而成；而遼西2號斷裂北段依然為平直連續走滑斷面，與派生次級斷裂組合成羽狀構造樣式，南段則表現為NE向次級斷裂沿NNE向側接展布。

2．2 斷裂剖面特征

基于對地震剖面的精細解釋，通過對比研究斷層切穿的構造層位、活動特征以及對地層沉積的控制作用，分析各構造期次斷裂的剖面特征（圖2）。

古新統—始新統孔店組—沙三段沉積時期，錦州斷裂和遼西3號斷裂這兩條控洼邊界斷裂傾角較緩，兩盤地層厚度存在差異，表現出對沉積強烈的控制作用；次級斷裂多向下切穿基底，向上消亡于沙河街組。

漸新統沙二段—東營組沉積時期，錦州斷裂和遼西3號斷裂繼承性活動。該時期新發育了遼西2號斷裂和遼西大斷裂，其中遼西2號斷裂表現出較強的走滑特征，斷面整體較陡，向下切穿沙河街組，向上消亡于明化鎮組，次級斷裂主要分布在東營組內部，這主要是由于東三段巨厚的塑性泥巖吸收了斷層錯斷位移；遼西大斷裂傾角較陡，斷面呈板式，向下切穿沙河街組，次級斷裂較少。

新近系館陶組和明化鎮組沉積時期，錦州斷裂、遼西3號斷裂、遼西2號斷裂和遼西大斷裂繼承性活動，貫穿館陶組底，其中新生次級斷裂主要沿遼西2號呈斷裂帶展布，為花狀構造向上撒開、分叉的次級斷裂，表現為弱走滑斷裂性質，且均消亡于該構造層中。

2．3 斷裂活動速率

斷裂的垂向活動速率不僅能定量表征斷裂的活動強度，而且能劃分出斷裂的主要活動期次。通過對遼西凹陷北洼4條主干斷裂的垂向活動速率進行計算分析，可以劃分出3個大的斷裂活動階段（表1）：第一階段為孔店組—沙三段沉積時期，錦州斷裂和遼西3號斷裂強烈活動。第二階段為東營組沉積時期，在經歷沙一、二段沉積時期短暫的構造穩定后發生了強烈斷陷，其中錦州斷裂和遼西3號斷裂繼承性活動，垂向活動速率最大、斷裂活動最為強烈；該時期新發育的遼西2號斷裂和遼西大斷裂以水平活動為主，垂向活動速率較小。第三階段為館陶組沉積時期—第四紀，受新構造運動影響，4條主干斷裂繼承性活動，但活動速率均較小。

表1 遼西凹陷北洼主干斷裂垂向活動速率Table 1 Vertical displacement rate of the main faults in northern Liaoxi sag

2．4 斷裂類型劃分

綜合分析斷裂的平面和剖面特征，依據斷裂的變形特征、發育期次、構造樣式和切割層位，可將遼西凹陷北洼斷裂劃分為早期繼承型、早期消亡型、中期繼承型、中期消亡型和晚期新生型等5類（圖3、4）。

早期繼承型斷裂是指古新世開始形成并一直持續活動到新近紀的斷裂，斷裂規模較大，向下切穿沙河街組，向上切至明化鎮組。這類斷裂以NE走向為主，對盆地基底構造格架和地層沉積展布有著強烈的控制作用，主要包括錦州斷裂和遼西3號斷裂。

早期消亡型斷裂是指古新世開始活動而漸新世后不再活動的斷裂，發育在沙河街組內部，即向下切至基底，向上消亡于沙一、二段。這類斷裂規模較小，對盆地的發育及早期地層的沉積控制作用較弱，平面上在洼陷內廣泛分布。

中期繼承型斷裂是指在始新世末開始活動并一直持續到新近紀的斷裂，斷裂規模較大，向下切穿沙河街組，向上切至明化鎮組。結合區域構造應力背景，該類斷裂多具有較強右旋走滑性質，對該時期盆地發育具有強烈的控制作用，并且對早期構造和地層具有較強的改造作用，主要包括遼西2號斷裂和遼西大斷裂，其中遼西2號斷裂剖面上為花狀構造組合樣式，表現出強烈的走滑特征。

圖4 遼西凹陷北洼斷裂系統剖面特征（剖面位置見圖1）Fig．4 Profile characteristics of the fault system in northern Liaoxi sag（see Fig．1 for location）

中期消亡型斷裂是指始新世末開始活動而新近紀不再活動的斷裂，多消亡于東營組，主要是4條主干斷裂在該時期活動過程中派生的次級斷裂。

晚期新生型斷裂是指在新近紀受新構造運動控制，沿4條主干斷裂薄弱帶形成的次級斷裂，規模較小。其中，錦州斷裂和遼西3號斷裂的派生斷層與主支斷層走向一致；而遼西2號斷裂具有走滑性質，派生斷層多與其斜交，為花狀構造的花瓣斷層，平面走向以NEE和E－W向為主。該類斷裂剖面切割層位淺，多消亡于主支斷裂上。

3 斷裂對油氣成藏的控制作用

斷裂在發育過程中往往會伴隨基底的沉降與隆升、地層橫向的擠壓或拉張等構造運動，這必然導致盆地構造格局、沉積充填特征等變化，從而對盆地內烴源巖展布及成熟度演化、圈閉發育特征以及輸導體系等成藏因素產生影響。

3．1 斷裂對烴源巖發育演化的控制

斷裂垂向活動導致盆地發生沉降，從而產生可容空間，進而控制了烴源巖的沉積展布及熱演化過程。遼西凹陷北洼已發現油氣田油源特征分析表明，該地區主力供烴層系是沙三段［15－16］。

早期繼承型斷裂在沙三段沉積時期發生強烈拉張活動，產生巨大的可容空間，形成了深水湖泊沉積環境。沙三段是一套厚層暗色泥巖，以深湖—半深湖相沉積為主，遠離物源區，藻類等低等水生生物比較發育，富含有機質，有機碳平均含量為1．77%，總烴含量約為906×10－6，生烴潛量大于6 mg／g，干酪根主要為II1型，整體為優質烴源巖。沙三段沉積時期受控于早期繼承型錦州斷裂和遼西3號斷裂，遼西凹陷北洼形成了兩個大的沉積中心，沙三段平均厚度約900 m，其中洼陷北部最厚約1 600 m（圖5）。另外，中期繼承型遼西2號斷裂具有強烈的走滑性質，走滑活動使得斷裂兩盤沙三段在側向活動過程中擠壓增厚（圖5）。

烴源巖所處的地溫環境是影響其演化成熟的重要因素之一。早期繼承型斷裂在初始裂陷期控制烴源巖沉積，在經歷各期構造運動之后，斷裂下降盤不斷沉降并接受上覆各套地層沉積，烴源巖被不斷深埋，如錦州斷裂下降盤控制沙三段平均埋深約3 800 m，伴隨深部地溫不斷升高，促使烴源巖加速發生熱演化生油。另外，早期繼承型和中期繼承型斷裂斷至盆地基底，溝通了深部熱液上流，使得這兩類斷裂附近的烴源巖整體處在高熱流構造背景下，對烴源巖的熱演化有著積極的影響。

圖5 遼西凹陷北洼沙三段等厚圖Fig．5 Isopach map of Es3 in northern Liaoxi sag

對遼西3號斷裂附近的巖石樣品進行包裹體均一化溫度測試，發現取樣點和斷裂間的距離與包裹體的均一溫度間存在相關性：距離越近，均一溫度越高；越靠近斷裂，溫度差（樣品均一溫度與樣品現今溫度之差）越大，并隨著距離的增加而迅速降低（圖6）。異常高的均一溫度集中在遼西3號斷裂附近，分析認為主要是斷裂溝通熱流體活動所致。基于JZ14－2－1／2、JZ20－1－1井等多口鉆遇烴源巖的探井數據，運用Basinview軟件模擬沙三段烴源巖現今成熟度，結果表明早期繼承型和中期繼承型斷裂附近烴源巖均達到了成熟—高成熟（Ro＝0．7%～1．5%）階段，其中錦州斷裂和遼西3號斷裂根部的烴源巖已達到過成熟階段（圖7）。

圖6 遼西凹陷北洼遼西3號斷裂附近包裹體均一溫度差Fig．6 Homogenization temperature difference of fluid inclusions near the Liaoxi 3fault in northern Liaoxi sag

圖7 遼西凹陷北洼沙三段烴源巖Ro等值線圖Fig．7 Isoline of Roof Es3 in northern Liaoxi sag

由此可見，各構造階段不同類型斷裂的差異性活動不僅控制了巨厚優質烴源巖的沉積，而且促進了烴源巖的熱演化，為遼西凹陷北洼的油氣成藏提供了充足的物質基礎。

3．2 斷裂對圈閉發育特征的控制

盆地裂陷過程中伴隨有地層的拉張破碎或者擠壓變形，與斷層組成多種類型構造圈閉。目前在遼西凹陷北洼解釋出的圈閉均與斷裂有直接關系，圈閉主要沿早期繼承型和中期繼承型斷裂分布，并且不同類型斷裂控制的圈閉類型存在差異。

早期繼承型斷裂以強伸展作用為主，發育的規模性圈閉類型以斷塊、潛山為主，且斷塊圈閉相對完整連續，如遼西3號斷裂控制的錦州20－2N構造圈閉群以斷塊和潛山為主，圈閉整體比較完整。中期繼承型斷裂具有較強的右旋走滑性質，地層的橫向錯位運動造成局部發生擠壓或者拉張，控制發育的圈閉類型主要為斷塊、擠壓背斜，受派生斷裂的切割改造控制，斷塊圈閉整體比較破碎零散，如遼西2號斷裂控制的錦州14－2和錦州14－3構造圈閉群均以擠壓背斜為主，錦州9－1構造圈閉群以斷塊為主（圖8）。

圖8 遼西凹陷北洼東營組底時間構造圖Fig．8 Structure map of bottom surface of Edin northern Liaoxi sag

3．3 斷裂對油氣運聚的控制

遼西凹陷北洼具有古生新儲和新生古儲的復式成藏模式（圖9），主力生油層系是沙三段，主力儲層和圈閉位于中生界的潛山以及沙一、二段和東營組，源巖與儲層之間夾有多套泥巖，生儲蓋的相對空間關系決定了斷層是突破泥巖夾層并溝通烴源巖和儲層的重要通道。目前在遼西凹陷北洼發現的油氣藏及含油構造主要分布在早期繼承型和中期繼承型斷裂附近（圖9a），分析認為這兩類斷裂一方面控制了儲層及圈閉的空間分布，另一方面控制了油氣的垂向運移。另外，遼西凹陷北洼烴源巖的主力排烴期是東營組—明化鎮組沉積期［4］，早期繼承型和中期繼承型斷裂的活動性與烴源巖排烴期有良好的匹配關系。

圖9 遼西凹陷北洼油氣成藏模式Fig．9 Hydrocarbon accumulation models in northern Liaoxi sag

早期繼承型正斷層垂向斷距大，貫穿各套層系，一方面溝通烴源巖與各套儲層，另一方面斷裂上、下盤強烈的垂向錯動改變烴源巖與儲層的相對空間關系，對油氣充注更為有利；而其次級斷裂多消亡于沙一、二段內，后期不再活動，起到了側向封堵的作用。例如錦州20－2油田，受早期繼承型遼西3號斷裂的控制，中生界潛山儲層和沙三段烴源巖埋深關系發生轉變，便于油氣通過遼西3號斷裂順向充注（圖9b）。中期繼承型斷裂垂向切穿各套泥巖蓋層，斷裂活動性強，對深層烴源巖和淺層儲層有著良好的溝通作用，如錦州14－2含油構造深部油氣通過中期繼承型遼西2號斷裂運移到沙一、二段富集成藏（圖9c）。早期消亡型斷裂起到了良好的側向封堵性，利于油氣的聚集成藏；部分中期消亡型斷裂斷至沙三段烴源巖，對油氣的垂向輸導以及平面調整有著重要的控制作用；晚期新生型斷裂則對油氣藏起到平面調整作用。例如錦州20－2N油田，遼西3號斷裂與中期消亡型、晚期新生型斷裂共同控制了油氣垂向運移及平面展布（圖9d）。

雖然遼西凹陷北洼勘探程度較高，但作為一個典型的富生烴洼陷，該區的勘探潛力依然很大。遼西3號斷裂控制的錦州20－2N油田在沙河街組有著非常好的油氣發現，深層潛山發育有大量斷塊圈閉，且潛山巖性主要為玄武巖和安山巖，儲層條件良好，遼西3號斷裂為潛山圈閉提供了良好的油氣運移通道，是油氣成藏的潛力目標。此外，遼西2號斷裂控制的錦州9－1圈閉群位于遼西凹陷北洼北部，圈閉類型主要為斷背斜、斷鼻和斷塊等，遼西2號斷裂及其派生斷裂構成了油氣垂向運移通道，可溝通深部烴源巖與淺層圈閉，是油氣成藏的有利區帶。

4 結論

1）依據斷裂的變形特征、發育期次、構造樣式和切割層位等，將遼西凹陷北洼新生代斷裂劃分為早期繼承型斷裂、早期消亡型斷裂、中期繼承型斷裂、中期消亡型斷裂和晚期新生型斷裂等5類。

2）遼西凹陷北洼早期繼承型錦州斷裂和遼西3號斷裂的強烈活動控制了巨厚的沙三段優質烴源巖沉積。早期繼承型斷裂垂向強烈活動，導致下降盤埋深大，地層溫度高；另外，早期繼承型和中期繼承型斷裂切穿盆地基底，溝通深部熱液上流，均有利于促進烴源巖的熱演化和成熟生烴。因此，斷層對烴源巖沉積和熱演化的控制作用為遼西凹陷北洼的油氣成藏提供了充足的物質基礎。

3）遼西凹陷北洼的圈閉主要沿繼承型斷層分布，其中早期繼承型斷裂控制了斷塊和潛山圈閉的形成，中期繼承型斷裂控制了斷塊和擠壓背斜圈閉的形成。繼承型斷裂是油氣垂向運移的主力通道，早期消亡型斷裂易于側向封堵油氣成藏，中期消亡型和晚期新生型斷裂則對淺層油氣的平面調整有著重要的控制作用。遼西3號斷裂控制的錦州20－2N油田潛山帶和遼西2號斷裂控制的錦州9－1構造是下一步油氣勘探有利區帶。

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Fault system characteristics and its control on hydrocarbon accumulation of the Cenozoic in northern Liaoxi sag，Bohai sea

ZHANG Jiangtao1WU Kui1HUANG Xiaobo1ZHANG Rucai1HE Jing1HAO Peng2
（1．Tianjin Branch of CNOOC Ltd．，Tianjin 300459，China；2．Experimental Center，CNOOC EnerTech－Drilling ＆ Production Co．，Tianjin 300459，China）

Based on3D seismic and drilling data，the Cenozoic fault system characteristics and its control on hydrocarbon differential accumulation are analyzed in northern Liaoxi sag，Bohai sea．The study indicates that the Cenozoic faults in the study area can be divided into early－inherit faults，early－extinct faults，midterm－inherit faults，midterm－extinct faults，and late－incipient faults．The early－inherit faults and midterm－inherit faults control the development and distribution of source rocks and accelerate the thermal evolution of source rocks．The early－inherit faults control the development of fault blocks and buried hill traps，while the midterm－inherit faults control the development of fault blocks and compression anticline traps．The early－inherit faults and midterm－inherit faults are the main pathways for hydrocarbon vertical migration．The early extinct faults are prone to lateral sealing of hydrocarbon accumulation．The midterm－extinct and late－incipient faults play an important role in controlling the plane distribution and relocation of hydrocarbon in shallow layers．The research results can guide selection of potential exploration targets in northern Liaoxi sag．

Bohai sea；northern Liaoxi sag；Cenozoic fault development characteristics；control on hydrocarbon accumulation

TE121．2

A

張江濤，吳奎，黃曉波，等．遼西凹陷北洼新生代斷裂特征及控藏作用［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：39－47．

ZHANG Jiangtao，WU Kui，HUANG Xiaobo，et al．Fault system characteristics and its control on hydrocarbon accumulation of the Cenozoic in northern Liaoxi sag，Bohai sea［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：39－47．

1673－1506（2017）05－0039－09

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．005

＊“十二五”國家科技重大專項“渤海海域大中型油氣田地質特征（編號：2011ZX05023－006－002）”部分研究成果。

張江濤，男，工程師，主要從事含油氣盆地分析等方面的研究。地址：天津市濱海新區海川路2121號B座渤海石油研究院（郵編：300459）。E－mail：zhangjt28＠cnooc．com．cn。

2016－11－25 改回日期：2017－04－05

（編輯：張喜林）