濟陽坳陷埕島地區潛山斷裂的特征及封閉性研究

石曉光

（中國石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營 257022）

深層潛山油氣勘探是我國近些年油氣增儲的主要領域［1-3］，并先后在渤海、塔里木、四川、長慶等油田取得重大突破。濟陽坳陷是我國東部主要的含油氣盆地之一，潛山油氣勘探一直是坳陷內勘探重要目標，但由于受印支、燕山、喜山等多期次構造運動的影響，坳陷內潛山特征各異，構造樣式復雜，從而導致對研究區的潛山油氣成藏規律認識不清。埕島地區是濟陽坳陷潛山油氣勘探的重點地區，受多期構造運動及郯廬斷裂走滑活動的影響［4-8］，斷裂體系復雜，而潛山油氣藏的形成過程、富集規律及控制因素與斷裂體系密切相關。因此本文利用研究區的高精度三維地震資料，結合鉆井資料及區域構造應力場的最新研究成果，對潛山斷裂特征進行精細解剖，并從新生代活動強度、局部應力場的性質、巖性產狀配置、斷層性質等多因素對潛山斷層進行定性評價，最后探索了基于斷層兩側瞬時頻率屬性差異性的斷層封閉性預測方法，明確了埕島潛山斷裂特征及各類斷層的封堵性，為研究區潛山油氣藏下一步的勘探提供依據。

1 區域地質概況

埕島地區指濟陽坳陷東北部，位于渤海灣盆地埕北低凸起的東南端、NW 向構造體系和NNE 向構造體系的交匯處，其南西側為埕北斷層，沙南凹陷與渤中凹陷古近系自北東側超覆于凸起之上，南東側以埕北30 南斷層與黃河口凹陷分割，南部與樁海、樁西潛山相連［9］，平面上呈現為倒三角形。依據研究區主要控山斷裂的分割效應，可將埕島地區劃分為西排山、中排山和東排山三部分，西排山位于埕北斷層與埕北20 斷層之間，整體沿NW 向展布；中排山位于埕北20 斷層與埕北30 北斷層之間，整體為“倒梯形”；東排山位于埕北30北斷層和埕北30南斷層之間，為自SW 向NE傾沒的“四邊形”（圖1）。受印支、燕山、喜山等多期構造運動及郯廬斷裂走滑活動的影響，西、中、東排山內部發育多期不同性質的斷裂活動，不同性質、不同方向斷裂的相互疊加［7］，導致埕島地區差異隆升剝蝕，潛山內幕層系復雜多樣［8］。

圖1 埕島地區構造綱要

2 潛山斷裂的成因機制

2.1 中生代地質背景

早—中三疊世，華北地區為一大型統一的坳陷盆地［4］，晚三疊世，揚子板塊與華北板塊剪刀式的碰撞與拼接［10-11］，對華北地區的構造格局產生了重要的影響［12-14］。濟陽坳陷整體處于抬升剝蝕狀態，三疊系被剝蝕殆盡，并發育一系列NW—NWW 向的褶皺與逆沖斷層［5-6］。早—中侏羅世，華北地區仍受揚子板塊與華北板塊碰撞擠壓的影響，但擠壓應力明顯減弱，同時太平洋板塊向NNW 向的俯沖消減作用開始增強，但未影響華北地區的構造格局［15］，中國東部進入古亞洲域向濱太平洋構造域演化的構造階段［16-19］。晚侏羅世—早白堊世，受太平洋板塊持續俯沖的影響，太平洋板塊活動取代了揚子板塊、西伯利亞板塊活動對華北地區構造演化的控制地位，濱太平洋構造域基本形成。太平洋板塊沿NNW 向的俯沖至歐亞板塊之下，使得NNE 向郯廬斷裂發生強烈的左旋走滑。

與此同時，中國東部巖石圈強烈減薄，伴隨地幔柱活動與軟流圈隆升。在這兩種機制作用下，中國東部進入大規模裂陷發育階段，早期形成的NW向逆斷層發生構造反轉，變為正斷層，在華北地區形成了一系列斷陷盆地（如膠萊盆地、蘇北盆地、南黃海盆地等），沉積了較厚的地層并伴有強烈的火山活動。晚白堊世，太平洋板塊俯沖速率增加至200 mm/a［20］，導致我國東部形成高大造山帶［21］的同時，在華北地區形成近EW 向的擠壓應力場，濟陽坳陷東北部地區、走向近SN 向擠壓構造的存在是該時期應力場的良好證據［22］；晚白堊世晚期，太平洋板塊轉變為向北低速運動，導致海溝后退與板片后撤，由于海溝后退矢量轉變為南，華北克拉通東部出現近SN向拉張［22］。

2.2 中、新生代構造應力場與潛山內幕斷層形成的關系

晚三疊世，在揚子板塊與華北板塊“剪刀式”碰撞形成NE—SW 向的擠壓應力作用下，華北地區發育形成了大量的NW 向逆斷層［5-6、23］，埕島地區的埕北斷層及埕北20斷層就形成于該時期，其逆沖活動導致斷層上盤靠近斷層的區域發生強烈剝蝕，而缺失石炭—二疊系，甚至奧陶系部分被剝蝕，造成靠近斷層處古生界薄而遠離斷層處古生界厚的特征（圖2）。

圖2 埕島地區下古生界頂面斷裂體系

雖然NW 向潛山內幕斷層斷至太古界，但斷層上盤古生界未出現剝蝕減薄的現象，因此該組斷裂在晚三疊世的NE—SW 向擠壓應力下未發育，NNE向斷層與近EW 向斷層與NW—SE 向擠壓應力場不符，因此，晚三疊世，埕島地區僅發育NW 向的埕北斷層和埕北20斷層，潛山內幕斷層尚未發育。早—中侏羅世，繼承晚三疊世的構造應力場，但整體變弱，華北地區整體拗陷，研究區沉積了一套河湖相含煤地層，地層沉積具有披蓋式、NW 向成帶分布的特點（圖3）。

圖3 過埕島西排山的NEE向地震剖面（圖2剖面1）

晚侏羅世，伊澤奈岐板塊的運動方向突然改變為NNW 向，且以300 mm/a 的速度俯沖于東亞大陸之下［20］，郯廬斷裂發生大規模的左旋走滑，并在中國東部產生壓扭性構造應力場。受此影響，緊鄰郯廬斷裂的埕島地區新生NNE 向左旋走滑斷裂，同時先前NW 向斷裂右旋走滑活動。NNW 向的埕北20斷層與NNE 向的埕北30 北斷層所夾的中排山處于走滑斷裂派生的共軛增壓區，NNE埕北30北斷層與埕北30 南斷層之間東排山處于走滑斷裂疊接增壓區，加之整個中國東部壓扭性構造應力場的影響，在中排山和東排山內部形成了大量的NNE 向壓扭走滑斷層，剖面上表現為高角度逆斷層（圖4），東排山NNE 向斷層向海域延伸，斷層兩盤地層厚度發生明顯變化，表現出走滑斷層特有的海豚效應，中排山NNE 向斷層向海域延伸，斷層傾向發生改變，表現出走滑斷層特有的絲帶效應。NW 向埕北斷層與NNW 向埕北20 斷層之間的西排山，在走滑作用之下新生少量的走滑拉張斷層，剖面上表現為高角度（近直立）正斷層（圖3）。

圖4 過埕島中排山和東排山的NWW向地震剖面

在晚白堊世早期近EW 向擠壓、晚期SN 向伸展的應力場作用下，埕島地區整體抬升，遭受強烈剝蝕。部分形成于晚侏羅—早白堊世的NNE 向的走滑斷層繼續壓扭活動，形成擠壓背斜（圖4）；同時新形成一系列近EW 向、傾向南的鏟式或板式正斷層（圖5）。

圖5 過埕島中排山和東排山的NNE向地震剖面

3 斷裂體系特征

埕島地區潛山主要發育NW 向、NNE 向及近EW 向斷裂，其中NW 向斷裂僅在西排山發育，NNE向斷裂則在中排山和東排山發育，近EW 向斷裂在研究區廣泛分布，不同方向斷裂相互切割，構造研究區呈“北撒南斂”的網狀斷裂體系（圖2）。

3.1 NW向斷裂體系

埕島地區潛山內幕NW 向斷裂較少，僅在西排山發育，部分斷裂與埕北斷層平行，規模較小；部分斷裂與埕北20斷層近乎平行，與埕北斷層小角度相交（圖2）。剖面上，NW 向內幕斷裂為板式正斷層，傾向NE 或SW，切割太古界至下白堊統，但對寒武系—奧陶系和中、下侏羅統的沉積無明顯的控制作用，僅控制上侏羅統—下白堊統的沉積（圖3）。

3.2 NNE向斷裂體系

NNE 向斷裂在中排山和東排山廣泛發育，且被近EW 向斷層切割。平面上該組斷裂與NNE 向的埕北30 北和埕北30 南斷層近于平行（圖2）；剖面上為高角度逆斷層，多數傾向SW，僅一條傾向NE，斷層同樣切割太古界至下白堊統。

3.3 近EW向斷裂體系

該組斷裂在埕北地區廣泛發育，對NW 向和NNE 向斷裂具有明顯的切割作用（圖2）。剖面上，該組斷裂多為鏟式或板式正斷層，傾向南，多數斷層僅切割太古界至下白堊統，但對寒武系—奧陶系和中、下侏羅統的沉積無控制作用，僅控制上侏羅統—下白堊統的沉積，切割至明化鎮組的斷層對新生界各組段的沉積具有明顯的控制作用（圖5）。

4 斷裂體系的封閉性

影響斷層封閉性的地質因素很多，如斷裂帶填充物的膠結和成巖作用、斷層兩盤對置的巖性、斷裂帶的泥巖涂抹、斷層的力學性質、斷面正應力、斷層產狀配置等［24］。埕島地區潛山儲集層會出現碳酸鹽巖與碳酸鹽巖或砂巖對接的關系，不宜采用泥巖涂抹與巖性匹配評價其封閉性。本文從新生代活動強度、局部應力場的性質、巖性產狀配置、斷層性質這4 個因素對研究區潛山斷層進行定性評價，同時探索了基于斷層兩側瞬時頻率屬性差異性的封閉性預測方法，預測潛山斷層的封堵性。

4.1 斷層圈閉的單因素分析

4.1.1 新生代活動強度

斷層活動強度可以用斷層斷距、斷層年齡和斷層活動速率來表征。斷距大，斷裂帶物質遭受的碾磨作用強，容易形成斷層泥，橫向封閉性好。但如果斷距大于區域蓋層的厚度，其縱向封閉性會很差；若斷距太小，斷面不易形成封閉物質，橫向封閉性會很差［25］。在相同條件下，生長斷層比非生長斷層的封閉性要好，因為未充分固結的泥巖很可能沿斷面涂抹，利于形成薄膜封閉。年輕斷層或重新復活的斷層，尤其在斷開不整合面或淺部儲集層時，近代活動性越大縱向封閉能力越差。通過斷層斷距、斷層年齡和斷層活動速率的計算，結果表明，研究區埕北20斷層在新生代停止活動，在其上升盤目前已經發現SHG1 等多個古生界的探明儲量塊，證明其封閉性好，有利于封堵油氣；而埕北30斷層、長堤斷層活動小，斷層封堵性中等；對于埕北斷層、ZH104 南斷層、樁南斷層活動強度大，封堵性差，有利于油氣運移。

4.1.2 局部應力場性質

灘海地區進入新生代以來，郯廬斷裂帶由左行走滑轉為右行走滑，埕島地區的應力場由NE—SW拉張轉變為NW—SE 拉張，加之右旋走滑作用的影響，使得局部應力場發生變化，郯廬斷裂左旋派生出疊加增壓區、疊接釋壓區、共軛釋壓等區域應力場。其中埕北30 北斷層、埕北30 南斷層處于疊接增壓區，封堵性好；ZH104 南斷層、樁海斷層處在疊接釋壓區，封堵性中等。完鉆的CB309 井位于埕北30斷層南部的疊接增壓區，獲得百噸高產，斷層兩側都是古生界奧陶系地層對接，證實斷層封堵有利。

4.1.3 巖層產狀配置

正斷層與其兩側巖層產狀的配置關系可分為同向正斷層、反向正斷層、屋脊式正斷層、反向屋脊式正斷層幾種組合形式。本文通過對研究區精細的油藏解剖表明，油藏分布特征及斷層的封閉性特征是有規律可循的，通常主斷裂多為同向正斷層，封閉性較差，為油氣向下盤地層運移提供了可能性；分支斷層多為反向正斷層，封閉性較好，為油氣在下盤地層的成藏提供了條件。

通過對埕島地區潛山成藏井附近的斷層產狀配置關系進行統計分析，結果表明除埕北30南斷層巖層產狀配置為同向正斷層、封堵性中等外，其余斷層為反向正斷層及屋脊式正斷層，均封堵性好（表1）。長堤斷層上升盤的長堤潛山主要發育的同向正斷層，基本是只見油氣顯示未能聚集成藏，如構造高部位的ZGX66、ZG12等井。

表1 埕島地區潛山主要斷層巖層產狀配置評價

4.1.4 斷層性質

斷裂性質是影響斷層封閉性的重要因素。通常情況下壓扭性斷層封閉性最好，走滑斷層較好，張性斷層次之。針對埕島地區潛山而言，受郯廬斷裂帶的影響，NW 向埕北斷層左旋走滑伸展斷層的彎曲段派生擠壓或者拉張作用，擠壓區封堵性較好，而NNE 向右旋伸展走滑斷層，在平面上表現為“S”型彎曲，斷層中部具有走滑擠壓的性質，因此斷層中部封堵性好，NE向伸展斷層的封堵性則比較差（表2）。

表2 埕島地區主要斷層性質評價

4.2 基于斷層兩側瞬時頻率屬性差異性的封閉性預測

斷層兩側的數據體指的是在原始SEGY 數據中，存在于斷層兩側的數據體。已知斷層數據，需要先從SEGY 數據中提取出其兩側的數據來，計算這部分數據體的屬性，包括振幅、均方根振幅比、瞬時振幅、瞬時相位、瞬時頻率等，進而分析兩側數據的屬性變化規律，尋找與封堵性之間的關系。一般情況下在儲層段由于油氣的存在會導致高頻成分的衰減。如果斷層封閉且含有油氣，那么高頻成分衰減的可能性就大，會導致封閉的地方瞬時頻率會下降［26］。研究區下古生界儲層以碳酸鹽巖為主，除了不整合面為連續的強反射地震特征，內幕為短軸狀的雜亂反射，潛山斷裂兩側地層頻率的變化主要與所含流體有關，因此本文認為通過開展基于斷層兩側地震資料瞬時頻率屬性變化率能在一定程度上預測研究區潛山斷裂的封閉性。

首先基于三維地震資料開展斷層面的構造解釋，形成斷層平面構造圖。提取斷層面兩側瞬時頻率屬性值，將斷面兩側瞬時頻率屬性值進行差值運算，得到斷面兩側瞬時頻率屬性差；再利用解釋的斷層面構造圖，計算斷層面的傾角數據，并進行正弦值計算，得到斷層面的傾角正弦值；最后利用對接型封堵斷層評價公式進行封堵性評價參數的計算。

其中：F為封堵參數；A為儲層段瞬時頻率值，Hz；B為儲層對接段瞬時頻率值，Hz；θ為斷面傾角，（°）。

在計算出封堵性參數的基礎上，利用已知斷層油藏進行標定，明確研究區封堵參數F的值域范圍，即確定斷層封堵時參數F的大小；計算沿斷層的封堵評價參數F平面分布圖，明確在空間上斷層的封堵特征。

本文利用上述方法對埕島地區潛山斷裂的封堵性進行預測，其中圖6 為CBG14 西斷層計算出的封堵評價參數F平面分布圖，紅黃色區域為斷層封堵性相對較好的區域，藍色區域為封堵性相對較差的區域。CBG14 井位于封堵性好的紅色區域，成藏條件良好并獲得了百噸以上的高產工業油流，CBG14 井證實封堵參數F大于0.5 時斷層具有較好的封閉性。

圖6 CBG14井西斷層斷面瞬時頻率變化率屬性

研究表明斷層封閉性與新生代活動強度、局部應力場的性質、巖性產狀配置、斷層性質等多種因素相關，僅考慮單一因素來評價斷層的封閉性是不全面的。本文從影響斷層封閉性的諸多因素入手，對埕島地區潛山斷裂的封閉性進行系統評價，并形成了基于斷層兩側瞬時頻率屬性差異性的封閉性預測方法。預測結果表明：成藏期不活動斷裂封閉性好；新生代活動斷裂，增壓段封閉性好，釋壓段及拉張斷裂封閉性差。從整個研究區看（圖7）：西排山斷層封堵，油源風險大；中排山斷層封堵性有一定風險；東山整體封堵條件良好。

圖7 埕島地區下古生界斷層封堵性綜合評價

5 結論

（1）埕島潛山主要發育NW 向、NNE 向和近EW向三組斷裂體系，NW 向斷裂僅在西排山發育，NNE向斷裂在中排山和東排山均有發育，近EW 向斷裂則廣泛發育在埕島地區。

（2）NW 向內幕斷裂為同向埕北斷層晚侏羅世—早白堊世右旋走滑活動過程中形成的走滑伸展斷層；NNE 向斷層則為郯廬斷裂左旋走滑活動和區域擠壓應力場下形成的左旋壓扭斷層；近EW 向斷裂的形成與晚白堊世晚期近SN 向伸展應力場有關。

（3）形成針對潛山斷裂封堵性多因素定性評價方法，并探索基于斷層兩側瞬時頻率屬性差異性的封堵性預測。研究結果表明：埕島地區西排山斷層封堵，油源風險大；中排山斷層封堵性有一定風險；東排山整體封堵條件良好，成藏條件有利。