石南斷層分段特征及其對油氣差異成藏的控制

江濤，黃曉波，陶莉，胡安文，步少峰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

石臼坨凸起位于渤海西部海域，處于NE向滄東—蘭聊斷裂系、NW向張家口—蓬萊斷裂系的交會處。受復雜區域地質背景影響，石臼坨凸起南側邊界斷層（以下簡稱石南斷層）是一條張性與剪性復合、走向多變的復雜斷層。受石南斷層的控制，在下降盤發育具有鼻狀形態的大型復雜斷塊構造［1-4］。2015年，在石南斷層下降盤曹妃甸6-4構造鉆探1井，于新近系和古近系均獲得較好油氣發現，但曹妃甸6-4構造不同斷塊、不同層系的油氣富集程度存在很大差異，油氣分布與石南斷層分段差異特征密切相關。斷層在油氣運聚成藏中起到十分重要的作用，許多學者就斷層在生、儲、蓋、運、聚、保等條件中的重要作用進行了研究［5-11］。多數觀點認為，同一條斷層不同構造位置的斷裂，在活動性、斷裂性質、構造樣式等方面往往存在較大差異，這必然導致同一條斷層不同段的油氣聚集程度也存在較大差異。針對石臼坨凸起及其圍區，已有學者從烴源巖演化、層序地層、區域沉積特征、區域構造演化等方面進行了相應的基礎性研究，對斷裂控制作用的研究也越來越多，但針對斷層分段差異特征對油氣成藏差異控制方面的研究還不夠深入［12-16］。因此，本文利用三維地震資料，并結合最新鉆井資料，從石南斷層構造樣式、斷層性質、斷面形態等方面著手，開展了斷層分段特征及其對油氣差異成藏的控制作用研究，以期為斷層差異控藏作用研究提供新的思路和方法。

1 地質概況

石南斷層為石臼坨凸起西段南側邊界斷層，往西與冀東油田柏各莊斷層為同一斷裂系，呈NWW向展布，這與NW向張家口—蓬萊斷裂系有關；往東與石臼坨凸起東段南側邊界斷層為同一斷裂體系，呈NEE向展布，這主要與NE向滄東—蘭聊斷裂系有關［17-23］。受這2組斷裂系的控制，石南斷層整體呈“V”形分布，具有共軛構造特征（見圖1）。

圖1 研究區位置及基底斷裂綱要

這一構造特點既反映了渤海西部地區區域構造上的獨特性，也顯示了石南斷層的復雜性。根據研究，一般將渤海新生代構造演化階段劃分為斷陷期（孔店組—沙三段沉積期）、斷拗期（沙一二段—東營組沉積期）、拗陷期（新近系—第四系沉積期）3 個階段［24-25］。目前在渤中西次凹已發現了渤中2-1、渤中8-4、曹妃甸12-6等油田，揭示了區內新生代河湖相沉積體系，包括古近系孔店組、沙河街組（沙三段、沙一二段）、東營組（東三段、東二下亞段、東二上亞段），新近系館陶組、明化鎮組，以及第四系平原組。渤中西次凹共發育3套烴源巖，其中主要發育沙三段、沙一二段烴源巖，其次為東三段烴源巖，具有良好的烴源巖條件。從沉積體系類型來看，石南斷層下降盤古近系發育近源扇三角洲沉積，新近系主要為河流相沉積，儲層均發育。

2 石南斷層分段特征

在渤海西部地區發育的NE向、NW向、EW向3組基底斷裂控制了新生代各期斷裂系統的形成與演化過程。研究區處于NE向、NW向2組斷裂的強烈作用區。受這2組斷裂的影響，石南斷層分段差異特征明顯。根據斷層活動性、斷層走向、構造樣式及斷面形態特征的差異，可以把石南斷層劃分為東段、中段（過渡段）和西段。

2.1 平面特征

不同深度地震時間切片屬性表明石南斷層分段特征明顯（見圖2）。1 700 ms地震時間切片（相當于東營組沉積期）顯示：石南斷層規模大，為一條連續的邊界斷層，按斷層走向，明顯可以分為東、中、西3段。東段呈NE走向，西段呈NW走向，而中段在NE向右旋走滑斷層和NW向左旋走滑斷層的共同影響下，整體呈現近EW向。700 ms地震時間切片（相當于明化鎮組沉積期）顯示：石南斷層繼承性發育，局部受早期斷層影響，在對應位置發育一系列的雁列式斷層，但仍可以按斷層走向大致分為東、中、西3段，中段和東段的深、淺層斷裂繼承性較好，西段淺層斷裂呈雁列式分布。

圖2 石南斷層不同深度地震時間切片

2.2 剖面特征

石南斷層長期活動，斷至基底，受NE向、NW向2組應力的作用，邊界斷層的結構特征具有明顯差異：西段地震剖面顯示邊界斷裂長期活動，產狀較陡，呈“板式”，與淺層斷裂組成復“Y”字形結構；中段地震剖面同樣顯示邊界斷裂長期活動，古近系沙一二段—東三段地層產狀較緩，新近系地層產狀較陡，整體呈“座椅式”，呈現“陡—緩—陡”的變化特征；東段地震剖面顯示邊界斷裂長期活動，產狀較陡，呈“鏟式”，淺層斷裂相對欠發育。綜上所述，邊界斷裂長期活動，不同區域構造樣式不同，整體表現為東西兩段相對較陡、中段較緩的特征（見圖3。圖中：T01為明化鎮組頂，T02為明化鎮組中，T0為館陶組頂，T2為東營組頂，T3U為東二下頂，T3M為東三段頂，T3為沙一二段頂，T8為新生界底）。

圖3 石南斷層不同段地震剖面特征

2.3 斷層活動性

對曹妃甸6-4構造油氣分布特征進行研究發現，斷層晚期活動，特別是明下段—第四系的構造再活化，對渤海西部地區的油氣成藏具有重要的控制作用。因此，在本次研究中，采用斷層活動速率法結合三維地震剖面，對石南斷層明化鎮組沉積中期和晚期不同位置的測線落差和斷層活動速率進行了計算，總結了石南斷層晚期活動特征（見圖4）。

圖4 石南斷層晚期斷層活動速率曲線

從圖4來看，盡管明化鎮組中期和晚期的斷層活動速率存在一定差異，但仍可以按斷層活動速率的大小大致分為東、中、西3段，并且呈現強弱交替變化的規律。特別是明化鎮組晚期，西段斷層活動速率明顯大于東段，平均斷層活動速率為50 m/Ma；而東段的斷層活動速率盡管同樣較強，但整體相對于西段要弱，斷層活動速率為35 m/Ma；中段斷層活動速率大小適中，平均斷層活動速率為30 m/Ma。

2.4 斷面形態

從石南斷層斷面埋深等值線（見圖5a）可以看出：1）沿斷層走向，等值線的變化趨勢大致與斷層走向一致，但也有明顯的拐點，Ⅲ區兩側的斷層走向發生明顯變化，基于這一點，同樣可將石南斷層劃分為東、中、西3段。2）從等值線的疏密來看，西段等值線相對較密，且基本平行，無明顯變化；東段2 000 m以淺的等值線相對較密，3 000 m以深的等值線較稀疏，反映石南邊界斷層東段從淺到深逐漸變緩；中段等值線從淺到深整體呈現“密—疏—密—疏”的變化，即2 000 m以淺的等值線較密，2 000～ 2 750 m的等值線稀疏，2 750～ 3 500 m的等值線較密，3 500 m以深的等值線逐漸變得稀疏，反映石南邊界斷層中段具有“陡—緩—陡”的“座椅式”特征。

以石臼坨凸起為參照物，可以將斷面形態劃分為匯聚型、發散型、均勻型3種類型。匯聚型表現為外凸的特點，如Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區；發散型具有內凹的特點，如Ⅰ區與Ⅱ區之間、Ⅲ區與Ⅳ區之間；均勻型具有與斷面平行的特征，如Ⅰ區。總體來看，西段以均勻型斷面形態為主，中段和東段表現為匯聚型斷面形態特征。

從石南斷層斷面傾角特征（見圖5b）可以看出：1）沿斷層走向，傾角呈現多個突變帶，按傾角變化，也可大致分為東、中、西3段。西段傾角相對較大，為40°～ 70°，東段傾角為 40°～ 65°，而中段傾角相對較小，為 15°～ 60°。2）2 000 m以淺（相當于館陶組、明化鎮組沉積時期）傾角較大，主要在 55°～ 65°；埋深 2 000～ 3 000 m（相當于東營組沉積時期）傾角相對較緩，主要在35°～ 50°；3 000 m以深（相當于沙河街組沉積時期）傾角最小，主要在15°～ 50°，整體呈現上陡下緩的特征，但西段傾角整體相對較大。

圖5 石南斷層斷面形態特征

3 分段特征與油氣成藏的關系

曹妃甸6-4構造鉆探揭示，不同構造帶、不同層系的油氣富集程度具有較大的差異：西段油氣主要富集在淺層新近系明下段；東段油氣主要富集在深層古近系東三段，淺層新近系館陶組也有一定的油氣發現；中段油氣主要富集在中深層古近系東三段、東二段，淺層新近系館陶組也有較好的油氣發現，具有復式成藏特征（見圖6）。綜合研究表明，受新構造運動的強烈影響，油氣成藏明顯表現出多期次、幕式成藏和晚期快速油氣充注成藏的特征。成藏期斷層活動性和斷面形態調整和控制了中淺層的最終油氣成藏和分布。

圖6 曹妃甸6-4構造油氣成藏模式

3.1 晚期斷層活動性

對曹妃甸6-4構造油氣差異成藏進行對比研究發現，成藏期斷層活動性強弱對油氣的富集區帶和層系具有重要的控制作用。斷裂晚期強活動有利于油氣的垂向輸導，油氣在淺層明化鎮組及館陶組富集；弱活動有利于油氣的保存，油氣在深層沙河街組及東營組相對富集。

石南斷層西段斷層活動速率大（53～ 56 m/Ma），7井鉆探的油氣主要富集在淺層新近系明下段，4井明下段鉆探失利的主要原因是無構造圈閉。中段斷層活動速率適中（23～ 28 m/Ma），1井在深層東三段和淺層新近系館陶組均有油氣發現，為復式油氣聚集區；2井在館陶組獲得較好油氣發現，東三段因分塊斷層側封條件差而失利。東段斷層活動速率在23～ 37 m/Ma，斷層活動性相對于中段較強，5井盡管同樣在東三段和館陶組獲得油氣發現，但油氣富集程度明顯低于1井，油藏含油高度也較小，進一步說明斷層活動性的增強會影響深層油氣成藏。

3.2 斷面形態

西段Ⅱ區4井區、7井區，中段Ⅲ區1井區，以及西段Ⅳ區5井區的邊界斷層斷面形態為凸面，對油氣運移起匯聚作用，是油氣的優勢聚集區。目前發現的油氣也主要富集在7井、1井、5井這3個井區。這與姜素華等［26］在油氣優勢運移通道類型物理模擬實驗研究中發現的“凸型斷面是油氣優勢匯聚區，起到油氣運移匯集作用”的結論也是一致的。

3.3 斷面傾角

根據對研究區邊界斷裂特征的精細解剖結果可知，研究區邊界斷層在縱向上不同深度段的斷面傾角存在較大的變化，直接影響了油氣的差異聚集。傾角小，斷面正壓力大，有利于深層油氣的保存，反之更有利于淺層油氣的聚集。曹妃甸6-4構造鉆探證實，西段Ⅰ區和Ⅱ區斷層產狀陡直，傾角較大，7井油氣主要在淺層明下段富集；東段Ⅳ區傾角相對較小，5井在深層東營組和淺層館陶組均鉆遇較厚的油層，但主要集中在淺層館陶組；中段Ⅲ區斷層傾角最小，1井在深層東營組和淺層館陶組均有油氣富集，且富集程度最高（見圖 7）。

圖7 斷層分段特征與油氣成藏關系

西段Ⅱ區4井區邊界斷層斷面形態為凸面，對油氣運移起匯聚作用，呈“板式”，斷層活動性強，有利于淺層油氣聚集，而淺層未成藏的主要原因是淺層無構造圈閉。中段Ⅲ區2井區和6井區邊界斷層傾角較小，斷層活動性相對較弱，有利于深層油氣聚集，但深層未成藏的主要原因是東三段儲層特別發育，分塊斷層斷距小，側封條件差，鉆探失利。

4 結論

1）根據斷層走向、構造樣式、斷層活動性、斷層斷面形態等方面的差異，可將石南斷層劃分為東、中、西3段。

2）石南斷層不同區域構造樣式不同，整體表現為東西兩段相對陡、中段相對緩的特征。西段斷層呈“板式”，與淺層斷裂組成復“Y”字形結構；中段上陡下緩，呈“座椅式”；東段較陡，呈“鏟式”，淺層斷裂欠發育。

3）石南斷層不同段、不同深度的斷面形態及傾角特征差異明顯，沿斷層走向呈現多個突變帶。按傾角的變化，也可以分為東、中、西3段，西段斷層傾角整體相對較大，其次是東段，中段最小。

4）晚期斷層活動性、構造樣式及斷層斷面形態控制了油氣差異聚集。西段斷層活動速率大，產狀陡直，傾角大，油氣沿斷裂運移至淺層聚集；中段斷層活動速率適中，斷面產狀較緩，傾角小，油氣匯聚效率高，具有復式成藏特征；東段斷層活動速率較大，斷面產狀上陡下緩，油氣在淺層、深層均有成藏，但油氣藏充滿度低。