廊固凹陷大柳泉地區斷層側向啟閉性評價及成藏模式

胡欣蕾 呂延防 曹蘭柱 楊德相 孫永河

(①東北石油大學地球科學學院，黑龍江大慶 163318； ②中國石油華北油田勘探開發研究院，河北任丘 062552)

1 引言

中國絕大多數盆地的油氣勘探都避不開斷層因素，它的存在不僅增加了油氣成藏模式的復雜性，還增加了油氣鉆探的風險。因此，在斷層發育區評價斷層啟閉性對油氣分布規律及成藏模式的分析至關重要。斷層既可以是油氣聚集的遮擋物，也可以是油氣運移的輸導通道[1]，具體的作用取決于斷層自身的啟閉性。若斷層起封閉作用，由其組成的相關圈閉可為油氣聚集成藏提供良好的儲集空間；若斷層開啟起輸導作用，則從源巖初次運移至此的油氣可穿過斷層繼續向上調整，直至遇到合適圈閉聚集成藏[2-5]。對于斷層相關圈閉而言，斷層側向啟閉性決定圈閉的有效性及油氣的分布規律[6]。前人關于斷層側向啟閉性的研究方法可分為兩類：一是根據斷層巖與儲層巖石排替壓力的相對大小評價斷層啟閉性，這需要實測排替壓力數據建立評價方程，不利于快速評價；二是利用斷層巖泥質含量評價斷層啟閉性，主要包括CSP(泥巖涂抹潛力)、SSF(泥巖涂抹因子)及SGR(斷層泥比率)法[7-9]。其中，CSP和SSF法分別適用于剪切和擠壓特定的構造環境，沒有考慮砂巖層中泥質成分對啟閉性的貢獻； SGR法綜合了砂、泥巖層厚度、泥質含量及斷層斷距，考慮的地質因素更加全面，計算結果與野外實測斷層巖泥質含量吻合程度較高[10]，是目前國內外學者評價斷層側向啟閉性最主要的方法。

廊固凹陷受構造作用強烈改造，發育北東和近東西走向的兩組斷層[11]，厘清相互交錯的斷層系統的側向啟閉性是研究油氣富集規律的重點與難點。前人對廊固凹陷大柳泉地區的研究大多集中在源巖發育特征[12,13]、儲層物性演化規律[14,15]、斷層成因機制[16,17]等方面。有關斷層側向啟閉性及油氣成藏模式的研究較少，僅見針對舊州斷層的分析[18]，對于成藏模式的分析大多沒有考慮斷層啟閉性的控制作用[19]。因此，本文基于地震、測井及開發動態數據，利用斷層巖SGR下限值法評價廊固凹陷大柳泉地區沙三下亞段內斷層的側向啟閉性，并結合源巖、輸導及儲層條件等因素，分析大柳泉地區油氣成藏模式，以期降低大柳泉地區斷層相關圈閉鉆探風險，完善油氣成藏規律方面的認識。

2 區域地質背景

廊固凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷西北部，面積約為2600km2。北與大廠凹陷相接，南靠牛駝鎮凸起，東鄰武清凹陷，西接大興凸起(圖1a)。在東北和西南兩側分別被河西務斷層和大興斷層夾持[12]。古近系呈一北東走向的箕狀斷陷[20]。廊固凹陷是冀中坳陷主要的富油區之一，其受右旋剪切伸展應力場及局部伸展應力場的共同作用[11]，主要發育北東和近東西向兩組斷層，差異運動控制著凹陷的發展和沉積地層的發育。古近系地層逐層超覆在寒武系—奧陶系碳酸鹽巖和石炭系—二疊系煤系地層之上[21]，形成北斷南超、西斷東超的構造格局[22]。

大柳泉地區位于廊固凹陷中西部，古近系及新近系自下而上發育的地層主要有孔店組(Ek)、沙河街組(Es)、東營組(Ed)、館陶組(Ng)和明化鎮組(Nm)，形成了六套上粗下細的正旋回層[11]，沙三段和沙四段既是主力烴源巖又是主要的含油氣層系[12,13]。該區發育被斷層復雜化的中央隆起構造帶，以舊州斷層為界自西向東可劃分為兩個構造區[19]。西部的固安—舊州鼻狀構造主要發育北東向斷層，與局部發育的北西向斷層交錯，在平面上呈網格狀分布，剖面上呈斷階及斷壘狀組合模式；東部的柳泉—曹家務塌陷背斜發育舊州斷層和由其派生的琥珀營、王居、曹家務等一系列斷層，平面上呈羽狀或“入”字形相交，剖面上形成“Y”或反“Y”字形斷層組合，在擠壓應力作用下形成多個局部斷背斜構造(圖1b)。復雜的斷層構造為油氣成藏提供了必要的遮擋及圈閉條件，如果配以充足的烴源巖供給、良好的儲蓋組合，就可以形成油氣藏。

圖1 廊固凹陷構造位置及典型地震剖面(a)構造單元劃分圖； (b)典型地震剖面AA′(位置見圖a)

3 油氣成藏條件分析

為明確大柳泉地區油氣成藏模式，需要分析源巖、輸導斷層、沉積砂體及油氣藏遮擋條件等。

3.1 源巖條件

大柳泉地區發育沙三下及沙四上亞段兩套成熟的烴源巖，烴源巖的品質不同，對成藏的貢獻也不同。其中，沙三下亞段源巖分布面積廣，主要集中在凹陷西南及北部的柳泉—曹家務—琥珀營一帶(圖2a)，TOC平均值超過1.2%，氯仿瀝青“A”平均值超過0.1%，有機質類型為Ⅱ1型，對成藏貢獻較大；沙四上亞段源巖有機質豐度稍低，TOC平均值為0.8%，氯仿瀝青“A”為0.05%～0.1%，有機質類型以Ⅱ2～Ⅲ型為主，對成藏貢獻次之[23]。油—巖對比分析[24]確定舊州斷層西部及琥珀營地區油氣主要來自沙三下亞段源巖，中岔口地區油氣主要來自沙四上亞段源巖，其他地區油氣多來自兩套源巖的混源。因此，大柳泉地區充足的油源供給可為油氣成藏提供良好的物質基礎。

3.2 斷—砂輸導條件

在下生上儲式組合中，由于目標儲層與源巖之間被多套泥巖層相隔，源巖生成的油氣無法通過地層孔隙直接向上覆儲層中運移，只能沿輸導斷層或斷—砂輸導體系向上調整。通過對大柳泉地區斷層幾何學與運動學特征的研究，依據斷層性質和活動期次，確定出輸導斷層在研究區廣泛分布(圖2a)。除此之外，油氣在沿輸導斷層向上運移的過程中，還會受到上覆區域性蓋層的影響，發生向兩側砂體的側向分流；儲層中砂地比值越高，砂體連通性越好，越有利于油氣的側向分流。大柳泉地區發育的近岸水下扇、三角洲前緣砂體及濁積體[15]都可以發生油氣分流運移。通過統計發現，油層主要分布在地層砂地比大于18%的部位(圖2b)。同時，由圖2a可知，研究區西北部地層砂地比普遍偏高，展布規律與油氣富集規律相吻合。因此，大柳泉地區有效的斷—砂配置提供了良好的油氣輸導條件。

圖2 大柳泉地區沙三下亞段成藏要素示意圖(a)源巖、輸導斷層與儲層砂地比疊合圖； (b)儲層砂地比下限值確定圖

3.3 遮擋條件

大柳泉地區構造作用強烈，發育大量北東和近東西向相互交錯的斷層，在多套層系內形成多個斷層相關圈閉，有利于油氣聚集成藏。考慮到圈閉發育特征，有效的遮擋條件除斷層外，還有構造高部位的背斜圈閉及館陶組與沙二段地層間發育的不整合面(可形成地層不整合、地層—斷層復合圈閉)。因此，良好的遮擋條件也可為油氣聚集成藏提供保障。

4 沙三下亞段斷層側向啟閉性評價

并不是所有斷層對油氣成藏均有作用，斷層相關圈閉能否有效捕獲油氣，主要取決于斷層的側向啟閉性[6]。若斷層處于側向封閉狀態，油氣受斷層遮擋可在相關圈閉內聚集成藏；若斷層處于側向開啟狀態，則不能形成有效遮擋，油氣將穿過斷裂帶發生側向運移，直至遇到合適圈閉聚集成藏。因此，判斷斷層的側向啟閉性是研究油氣運聚成藏規律和成藏模式的關鍵。

4.1 影響因素

前人曾開展斷層啟閉性的研究，考慮的地質因素不盡相同，但歸納起來斷層啟閉性主要受斷層巖壓實成巖程度及SGR的影響。一方面，斷層巖壓實成巖程度越高，巖石越致密，孔滲性越差，斷層越易形成側向封閉能力[25]；其大小可用斷層巖的壓實成巖埋深表示，且二者具有一定正相關性。斷層最后一次停止活動時間越早，上覆沉積載荷對斷層巖的作用時間越長、作用力越大，斷層巖的壓實成巖埋深越大。另一方面，斷層巖泥質含量越高，斷裂帶內孔隙空間越小，油氣穿過斷層發生側向運移的概率也越小，斷層側向封閉能力越強[8,26,27]。

地震資料揭示，大柳泉地區主要含油層系——沙三段地層埋藏深度及地層厚度變化較小[16]，故同一亞段內斷層所受上覆巖層的壓實成巖壓力大致相同。同時，根據斷層生長指數剖面，確定大柳泉地區發育斷層多經歷三期活動，且主要斷層多在館陶組沉積早期停止活動，故斷層壓實成巖時間也大致相同。因此，同一亞段內發育的、相同活動期次的斷層，其壓實成巖程度對斷層側向啟閉性作用效果基本一致，進而將整個沙三段地層自下而上分為3個亞段分別建立斷層啟閉性的評價標準，以表征斷層巖壓實成巖程度對啟閉性的控制作用。

對于某一亞段內、壓實成巖程度及其對斷層側向啟閉性作用與效果相近的斷層巖而言，啟閉性主要取決于泥質含量的大小，只有當斷層巖SGR值大于等于該層位斷層側向封閉油氣下限時，斷層才是封閉的。Yielding[28]通過實驗確定，只有當斷層巖SGR值在15%～20%時，泥巖涂抹才趨于連續；而當SGR值大于30%時，所有斷層才會封閉。同樣，在澳大利亞吉普斯蘭盆地標志滲漏物均出現在SGR小于30%的區域[29]，只是受沉積地層屬性差異的影響，不同地區、不同層位斷層側向封閉的SGR下限值不同。

4.2 評價方法

根據上述已確定的影響因素及其對斷層啟閉性的控制作用，針對大柳泉地區沙三段不同亞段地層(壓實成巖程度相近)分別建立定量評價斷層側向啟閉性的SGR下限值法，既考慮了斷裂帶內細粒物質對斷層啟閉性的影響，也沒有忽略斷層巖壓實成巖埋深變化的控制作用，具體步驟如下：

(1)斷層巖SGR值的確定

根據地震資料解釋成果提取目標斷層及層位數據，以此為基礎進行構造地質建模，確定斷面上各點的垂直斷距；同時利用SP、GR等測井曲線數據確定目標斷層周圍地層沉積特征(砂、泥巖層厚度及其泥質含量)的變化規律。利用已確定參數，應用SGR算法[9]，可以得到目標斷層在三維空間內任意一點的斷層巖SGR屬性值

(1)

式中： SGR為斷點處斷層巖泥質含量；n為垂直斷距范圍內滑過斷點的砂、泥巖層總數；i為滑過斷點的第i層巖層； ΔZi為滑過斷點的第i層巖層的厚度；Vshi為滑過斷點的第i層巖層的泥質含量；D為斷層的垂直斷距。

(2)控制試油層段斷面區域的確定

斷面范圍一般較大，只是在一定范圍內斷面區域的封閉性控制含油氣性。因此，依據斷層及地層傾角屬性，將目標井上油層頂、底深度確定為控制油層段斷面區域的頂、底界限； 以目標井為中心，分別向斷層兩端延伸(長度為供油半徑)后確定的范圍為控制斷面區域的寬度界限[30,31]。結合斷面構造形態，從而確定控制油層段的斷面區域。

(3)斷層側向封閉SGR下限值的確定

針對某一套沉積穩定的地層，優選探明儲量范圍內受相同活動期次斷層(中期走滑伸展，在館陶組沉積早期停止活動)控制的試油井，讀取每口井所在試油層段對應斷面區域內的最小SGR值，根據各井試油層段與斷面最小SGR值間的相互關系，確定斷層側向封閉的SGR下限值。

(4)斷層側向啟閉性的確定

比較目標斷層實際SGR值與該層位斷層側向封閉下限值間的相對大小，判斷斷層的側向啟閉性。若斷層巖SGR值大于等于下限值，斷層側向封閉； 反之，斷層側向開啟。

4.3 沙三下亞段斷層側向啟閉性定量評價

基于上述對大柳泉地區源巖、斷—砂配置等成藏條件的分析，為了剔除其他失利因素對油氣聚集規律的影響，在源巖供烴充足、斷—砂匹配可為油氣提供垂、側向運移路徑的地區內，篩選出試油層段性質不同(油層、氣層及水層)的11口井共計16套試油層位作為研究基礎資料。它們均受館陶組沉積早期停止活動的斷層影響，故壓實成巖程度相近，因而可以利用斷層巖SGR的相對大小評價斷層側向啟閉性。綜合斷層及地層傾角屬性、井位供油半徑與斷面構造形態，確定不同試油層段對應的斷面區域，并讀取各區域內的最小斷層巖SGR值。依據典型井試油層段與對應斷面區域最小SGR值的關系，繪制斷層側向封閉下限評價模型。由圖3所示，沙三下亞段斷層側向封閉的SGR下限值為29%。即當實際斷層巖SGR值大于等于29%時，斷層具有側向封閉油氣的能力；反之油氣可穿過斷層發生側向運移。依據上述建立的標準，對大柳泉地區沙三下亞段內主要斷層的側向啟閉性進行確定(圖4)，結果發現，斷層啟閉性的分布具有分區性規律，位于研究區中部及北部的斷層多表現為封閉斷層，零星夾雜少量開啟斷層；而在南部則主要表現為開啟斷層。并且，同一條斷層受砂泥配置關系影響所呈現出的斷層封閉或開啟狀態不同。以研究區中部發育的大型油源斷層——舊州斷層為例，其封閉屬性具有明顯的分段性，在斷層北段及中南段為封閉斷層，而在斷層中段及南段則為開啟斷層(圖4)。

圖3 大柳泉地區沙三下亞段斷層側向封閉下限值確定圖

圖4 大柳泉地區沙三下亞段斷層側向啟閉性示意圖

通過上述分析，斷層啟閉性與油氣分布規律具有較好的吻合關系。其中，曹5井位于大柳泉地區中部舊州斷層與曹家務斷層的交叉部位，根據實際資料模擬，確定控制該井試油層段的斷面區域的SGR值為41%～45%(圖5)，遠大于29%的斷層側向封閉下限值，這說明斷層巖中細粒物質達到較高含量時[8,26,27]，可側向遮擋油氣并在斷層相關圈閉中聚集成藏，其與曹5井在沙三下亞段(3108.0～3119.8m)鉆遇低產油層相吻合。同樣，對于位于大柳泉地區中岔口南部的安14井，通過構造地質建模確定其上傾方向斷層在沙三下亞段斷層巖SGR值變化較大，為3%～97%；且根據目的井試油深度投影及供油半徑圈定的斷面區域，確定其內斷層巖SGR值為6%～44%。如圖5所示在構造高部位存在小于斷層側向封閉SGR下限值的滲漏區域，表明斷層側向開啟，由該斷層形成的相關圈閉表現為無效圈閉，不能遮擋油氣成藏，這與安14井在沙三下亞段(1295.6～1297.8m、1380.0～1385.0m)鉆遇水層相吻合。

在埋藏較淺的沙三中、上亞段中，由于上覆巖層作用在斷面上的正應力較小，斷層形成側向封閉所需的斷層巖SGR下限值較沙三下亞段有所增大。根據上述定量評價方法求得斷層封閉所需的SGR下限值約為30%。證明了壓實成巖程度也是影響斷層側向啟閉性的重要因素。斷層埋深越大，壓實成巖作用越明顯，斷層側向封閉的SGR下限值越小。

圖5 大柳泉地區典型井含油氣性與斷層側向啟閉性關系圖

5 斷層側向啟閉性應用效果驗證

為了分析斷層側向啟閉性評價結果的準確性，可以從典型斷層兩側地層泥地比、地層壓力系數及油/氣水界面關系等角度開展應用效果驗證。

5.1 斷層側向啟閉性與地層泥地比關系

斷層一旦形成或再次活動后，上、下兩盤塊體間必定形成斷層裂縫[32]，該裂縫同時被斷層活動過程中從圍巖上刮削下來的巖石碎屑所充填，并伴隨大量地層水的注入。在巖壓的作用下，斷裂充填物中的地層水不斷被排出，并緩慢壓實形成斷層巖[26]。因此，斷層巖SGR值的大小在一定程度上受斷層兩盤圍巖地層物性的影響。而圍巖地層的物性可用其泥地比來反映，泥地比越高，表明圍巖中泥巖層所占比重越大，滑動削截掉入斷裂帶中的泥質碎屑就越多，斷層巖SGR值越大，斷層越容易形成側向封閉。

通過統計大柳泉地區沙三下亞段典型井在斷距范圍內的地層泥地比，并將其與斷層側向啟閉性評價結果相疊合(圖6a)，可以發現地層泥地比相對較低的井位多分布在側向開啟斷層附近，而泥地比相對較高的井位則分布在側向封閉斷層附近，進一步驗證了大柳泉地區沙三下亞段斷層側向啟閉性評價結果的準確性。并且，存在一個泥地比界限值0.68(圖6b)，當地層泥地比值大于等于該界限值時，井位多受側向封閉斷層控制，鉆井含油氣性較好；反之則受側向開啟斷層控制，鉆井含油氣性較差。以研究區西北部的固17井為例，沙三下亞段存在三套試油層段(圖6c)，其中，1號層段為厚泥薄砂的配置類型，泥地比為0.78，大于斷層側向封閉的泥地比界限值，因而斷層在相應斷面區域內側向封閉，試油結論為油層；而2、3號層段為砂、泥薄互層的配置類型，砂地比分別為0.63和0.66，均小于泥地比界限值，因而斷層在相應斷面區域內側向開啟，試油結論均為水層。

5.2 斷層側向啟閉性與地層壓力系數關系

受斷層封閉或開啟狀態的影響，在同一地區不同圈閉內地層壓力及壓力系數關系不同[33]。對于側向封閉斷層，其兩側的油、氣、水層受斷層分隔互不連通，屬于相互獨立的壓力系統，故斷層兩側地層壓力及壓力系數不同；而對于側向開啟斷層，由于其對油氣遮擋無貢獻作用，僅可作為流體運移的輸導通道，故斷層兩側的流體相互連通，具有相同的地層壓力和壓力系數。

圖6 大柳泉地區斷層側向啟閉性與地層泥地比關系圖(a)斷層側向啟閉性與井位泥地比關系； (b)斷層側向封閉的典型井泥地比確定圖； (c)典型井泥地比與油氣關系

聯合測井聲波時差、地震數據可以對沙三下亞段地層壓力數據進行估算[34]，結合靜巖壓力確定典型井的壓力系數。其中，曹5井及曹6井分別位于舊州斷層(F1)兩盤，通過對斷層斷距及圍巖地層屬性模擬，確定F1斷層在沙三下亞段斷層巖SGR值為36%～47%，為側向封閉斷層(圖7)。依據國內常用的地層壓力分類方案[35]，曹5井在整個沙三下亞段的壓力系數均為1.2～1.5，表現為高壓地層；而曹6井則表現為常壓—高壓地層。兩口井的壓力系數數值及變化趨勢具有明顯的差異，驗證了F1斷層在沙三下亞段是側向封閉的。

同樣，固17井與固古1井分別位于F2斷層兩盤，通過模擬確定該斷層在沙三下亞段斷層巖SGR值為16%～33%(圖7)，為側向開啟斷層。固17井與固古1井在沙三下亞段均表現為常壓—高壓地層。對比兩口井地層壓力系數的變化規律，可以發現，在固17井AA′區間與固古1井BB′區間具有較好的相似性(圖7)，表明二者處于同一壓力系統，驗證了F2斷層在沙三下亞段是側向開啟的。固17井與固古1井試油結論均為低產油層，油層受北部F3封閉斷層的控制。

圖7 大柳泉地區斷層側向啟閉性與兩側地層壓力系數關系圖

5.3 斷層側向啟閉性與油/氣水界面關系

與地層壓力及壓力系數相似，不同封閉屬性斷層兩側的油水或氣水界面特征不同[36]。對于側向封閉斷層，由于斷層的遮擋作用，其兩側油/氣層與水層相互獨立且互不連通，油/氣水界面受構造幅度及儲層物性影響具有明顯差異；而對于側向開啟斷層，低部位一側油氣可穿過斷裂帶向另一側運移，故兩側油/氣層與水層相互連通，具有統一的油/氣水界面。

通過統計大柳泉地區沙三下亞段斷層側向封閉屬性、試油結論與儲量范圍等數據，可以驗證斷層側向啟閉性評價結果的準確性。泉51井、曹7井、安46井位于研究區中南部，過上述3口井的剖面CC′穿過多條斷層(圖8)，通過斷面屬性模擬確定典型井上傾方向斷層在沙三下亞段的斷層巖SGR值均大于29%，表現為側向封閉斷層。其中，泉51井油水界面海拔為-2667.6m，向東南方向延伸受斷層活動影響，沙三下亞段地層不斷被抬升，曹7井與安46井油水界面海拔分別為-2626.5m與-1374.0m，不同斷塊間相互獨立，具有不同的油水界面，進一步驗證了斷層是側向封閉的。同樣，位于舊州斷層西部的固131井與固13井均表現為工業氣層，通過模擬確定固131井北側F4斷層為一側向封閉斷層，而南側F5斷層為一側向開啟斷層(圖8)。依據儲量綜合圖及典型地震剖面DD′可知，固131井與固13井所在圈閉均具有明顯的上氣下水的分布規律，且所在圈閉具有相同的氣水界面(海拔-1872.0m)，也驗證了F5斷層是側向開啟的，其兩側圈閉可統一視為受F4斷層遮擋的斷層相關圈閉，表明利用SGR下限值法評價斷層側向啟閉性是可行的。

圖8 大柳泉地區斷層側向啟閉性與兩側油/氣水界面關系圖

6 成藏模式分析

通過上述對大柳泉地區源巖、輸導斷層、沉積砂體、斷層側向啟閉性等分析，可將研究區的成藏模式歸納為：沙三下及沙四上亞段源巖生成油氣首先沿輸導斷層發生垂向運移，受上覆蓋層遮擋后，向地層砂地比大于18%的儲層中發生側向分流運移，油氣沿斷—砂輸導體系不斷向高部位調整，直至遇到側向封閉斷層、背斜圈閉或不整合面方可形成相應油氣藏(圖9)。

圖9 大柳泉地區油氣成藏條件示意圖

7 結論

(1)斷層巖泥質含量及其壓實成巖程度共同控制斷層的側向啟閉性。在同一層位內，由于廊固凹陷大柳泉地區地層埋深及厚度變化不大，壓實成巖程度對某一亞段內相同活動期次斷層作用基本一致，可建立斷層側向封閉的SGR下限值法評價斷層側向啟閉性，當斷層巖SGR值大于等于29%時，斷層側向封閉可遮擋油氣聚集成藏；反之斷層側向開啟。在不同層位內，斷層埋深越大，壓實成巖程度作用效果越明顯，斷層越容易形成封閉，當各層位地層物性相近時，埋深越大斷層側向封閉的SGR下限值越小。

(2)大柳泉地區地層泥地比、壓力系數及油/氣水界面關系與斷層側向啟閉性評價結果相吻合。①地層泥地比越大，斷層巖中泥質成分含量越高，斷層越易形成側向封閉，當目標井地層泥地比大于等于0.68時，其受封閉斷層控制概率較大，鉆井含油氣性較好；②地層壓力系數與油/氣水界面關系在側向封閉斷層兩側差異較大，在側向開啟斷層兩側具有相似性。

(3)大柳泉地區油氣成藏模式為：沙三下及沙四上亞段源巖生成油氣沿輸導斷層發生垂向運移，受上覆蓋層遮擋后，向砂地比大于18%的目的儲層中側向分流，油氣沿斷—砂輸導體系不斷向上調整，直至遇到側向封閉斷層、構造高部位背斜或地層不整合面后聚集成藏。