南堡凹陷断裂对油气成藏控制作用的定量评价

刘 哲,付 广,吕延防,胡 明,孙同文,王 超

(东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318)

南堡凹陷断裂对油气成藏控制作用的定量评价

刘 哲,付 广,吕延防,胡 明,孙同文,王 超

(东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318)

通过南堡凹陷断裂发育特征分析,考察油气分布与断裂之间的空间位置关系及断裂在油气成藏中的控制作用；利用模糊数学方法对断裂在油气成藏中控制作用进行综合定量研究,并对南堡2号东构造断层圈闭进行油气钻探风险性评价。结果表明:源断裂类型控制着对圈闭的供烃能力,断裂活动形成的背形构造是油气聚集的有利部位,断裂调节带控制着优质储层的发育,断裂对盖层的破坏程度控制着油气分布层位,断裂侧向封闭能力控制着断层圈闭油气富集程度；T4-51N和T4-21N为两个油气钻探风险最小的断层圈闭。

南堡凹陷；断裂；断裂控藏；油气成藏；定量评价

南堡凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷北部的一个中、新生代富油气盆地,面积约1900 km2,总体上具有北断南超的箕状断陷的特征。从下至上依次发育古近系的沙河街组(Es)和东营组(Ed),新近系的馆陶组(Ng)和明化镇组(Nm)以及第四系地层平原组(Qp)。近年来在滩海地区发现了大量的油气[1],充分显示出了该凹陷油气勘探的资源远景。南堡凹陷经历了多期构造建造和改造,形成了复杂的断裂系统。随着油气勘探程度的深入,断裂在油气圈闭勘探中的矛盾日益凸显。目前已发现的老爷庙、柳赞、高尚堡、南堡1～5号构造等富油气构造均受控于断裂构造带展布,但是各断裂构造带之间以及断裂构造带内部的断层圈闭含油气性具有明显的差异性(图1)。断裂控藏理论认为沉积盆地中断裂构造对油气生、储、盖、运、圈闭和保存条件方面具有重要的控制作用[2]。南堡凹陷断裂演化经历了断陷期、断拗期和拗陷期,其中断陷期断裂控制着烃源岩分布,而拗陷期断裂控制着圈闭的形成[3],断裂的多期活动造成了南堡凹陷纵向多层系含油气的特点[4],同时断裂的分段生长特征控制着地层沉积特征[5]。笔者以南堡凹陷为例,在研究断裂发育特征的基础上,分析油气分布与断裂之间的空间位置关系,利用模糊数学方法开展断裂控藏作用的综合定量研究,并分析已钻断层圈闭失利原因。

1 断裂发育特征

南堡凹陷断裂构造十分发育,以馆陶组底为界,下部和上部2套断层系具有不同的几何学特征。断裂密度方面,下部断层系为15条/km2,上部断层系为30条/km2；断裂发育规模方面,下部断层系断距一般为0～200 m,延伸长度一般为0～6 km,而上部断层系断距一般为0～100 m,延伸长度一般为0～4 km。断裂走向方面,下部断层系呈多方位展布,上部断层系则表现为NE向展布。断层组合样式方面,下部断层系为伸展成因的阶梯状组合,上部断层系则为扭动成因的为负花状构造组合和复“Y”字型组合[3]。

南堡凹陷以沙二段+沙三段与东营组之间以及东营组与馆陶组之间2个重要的构造层序界面为界,自下而上划分为3个构造层[3],即由沙二段+沙三段构成的断陷构造层、沙一段—东营组构成的断坳构造层以及馆陶组—第四系构成的坳陷构造层,相应地可以将盆地构造演化阶段分为早期的断陷期、中期的断拗期和晚期的拗陷期3个阶段[6](图1)。依据断层与构造层的关系及其运动学特征可以划分出6种类型的断裂(图2):Ⅰ型断裂为仅在断陷期发育活动的早期伸展断裂；Ⅱ型断裂为仅在断拗期发育活动的中期走滑伸展断裂；Ⅲ型断裂为仅在拗陷期发育活动的晚期张扭断裂,在这3种类型断裂基础上又演化出另外3种复合型断裂；Ⅳ型断裂为断陷期和断拗期持续活动的早期伸展-中期走滑断裂；Ⅴ型断裂为断拗期和拗陷期持续活动的中期走滑-晚期张扭断裂；Ⅵ型断裂为断陷期、断拗期和拗陷期持续活动的早期伸展-中期走滑-晚期张扭断裂。

图2 南堡凹陷断裂类型划分模式Fig.2 Division mode of faults type of Nanpu sag

2 断裂对油气成藏的控制作用

通过南堡凹陷目前已发现的326个油气藏分布与断裂之间的空间位置关系研究可以得到断裂对油气成藏起到了以下控制作用。

2.1 源断裂类型控制着对圈闭的供烃能力

源断裂是指成藏关键时刻活动的,并且沟通源岩与储层的断裂,源断裂是油气输导的重要路径[2]。南堡凹陷主力烃源岩为沙三段和沙一段—东三段的暗色泥岩[1],通过对比分析南堡凹陷所发育的断裂类型与源储关系可以得到(图2),Ⅴ型和Ⅵ型断裂在东营组沉积末期和明化镇组沉积末期两个成藏关键时刻均活动,且沟通了沙三段以及东三段—沙一段2套烃源岩与沙三段、东一段、馆陶组和明下段等多套储层,因此Ⅴ型和Ⅵ型断裂为南堡凹陷的源断裂。由图1也可看出,南堡凹陷已发现油气藏均受Ⅴ型和Ⅵ型断裂所围限,说明Ⅴ型和Ⅵ型断裂在成藏关键时刻为油气提供了运移路径。但是,Ⅴ型和Ⅵ型断裂普遍发育,仅是其部分发育的位置为含油气区(图1),通过对比分析南堡凹陷断裂与两套源岩层的配置关系(图3(a)),可以将断裂的类型分为双源型源断裂、单源型源断裂和非源断裂。统计结果(图3(a))显示油气主要富集在双源型源断裂附近,其次是单源型源断裂附近,而非源断裂附近最少。这是因为双源型源断裂沟通两套烃源岩,在油气大量运移期时能够作为通道向圈闭中源源不断地供给大量油气,仅沟通一套烃源岩的源断裂对圈闭的供烃能力就要差一些,非源断裂对圈闭是不起供烃作用的,因此其附近几乎没有油气显示。

2.2 断裂活动形成的背形构造与油气聚集的关系

断裂在形成演化过程中会对地层的构造形态进行改造,形成有利于油气富集成藏的断层圈闭,在流体势的作用下这些由断层形成并控制的低势区便成为油气运移的有利指向区[1,7]。南堡凹陷断裂密集呈带的特征显著,即断裂在平面呈带状组合,而剖面上呈负花状构造组合和复“Y”字型组合,可在南堡凹陷识别出9条断裂构造带(图1)。

断裂密集带内发育多种类型圈闭,为油气富集提供了良好的圈闭条件,南堡凹陷的富油气构造均发育在断裂构造带内,但是不同断裂密集带之间以及同一断裂密集带内部油气富集程度具有明显的差异性(图1)。统计结果(图3(b))表明,南堡凹陷油气藏主要分布在断裂密集带的高部位或较高部位上,其中背形构造含油气圈闭数量最多,断阶构造含油气圈闭数量次之,向斜构造含油气圈闭数量最少。

2.3 断裂调节带控制着优质储层的发育

对于伸展盆地,在裂谷发育期间,控凹的一条主正断层沿走向可以通过其他型式的构造(如分支正断层、凸起等)传递到或者转换为另一条控凹的主正断层,两条主正断层叠覆区和其间的其他型式构造的应变和位移量守恒。对于两条主正断层叠覆区这类构造,Morley等[8]称之为调节带(accommodation zone)。断裂调节带对沉积储层具有重要影响作用,断层分段生长过程中,“软连接”或“硬连接”调节带的断层下盘往往是长期继承性发育的低势区域,该区域是物源进入湖盆的优势入口,有利于优质储集体的发育[5,9]。

根据漆家福[10]对调节带类型的划分,对南堡凹陷的断裂调节带进行识别,并与圈闭含油气性进行对比(图3(c)),南堡凹陷相交同倾型断裂调节带附近含油气圈闭数量最多,相交对倾和背向倾斜型断裂调节带附近含油气圈闭数量,不发育断裂调节带附近的含油气圈闭数量最少,说明南堡凹陷断裂调节带控制着优质储层的发育,为圈闭中油气的聚集成藏提供了良好的储集体。

图3 南堡凹陷断裂对油气成藏控制作用Fig.3 Control of faults on hydrocarbon accumulation in Nanpu sag

2.4 断裂对盖层破坏程度控制油气分布层位

盖层在油气的运移路径上起到了垂向阻烃的重要作用,但是当盖层段发育断裂的时候,断裂的构造演化活动会对盖层垂向阻烃能力造成一定的影响,甚至使盖层垂向封油气能力完全失效[11]。这里引入盖层断接厚度的概念来表征断层对盖层垂向阻烃的破坏作用,盖层某处的断接厚度为盖层在该处的厚度与该处所发育断裂断距之差,即

R=H-T.(1)式中,R为盖层某处的盖层断接厚度,m；H为盖层某处的厚度,m；T为盖层某处所发育断裂的断距,m。

南堡凹陷主要区域性盖层为东二段和明上段的湖相泥岩[1],由图3(d)可以看出,当东二段盖层断接厚度小于90～95 m时,东二段盖层上下的储集层中均有油气富集；当东二段的断接厚度大于90～95 m时,油气仅在东二段盖层之下的储集层富集,表明东二段泥岩盖层断接厚度值控制着东二段泥岩盖层上下储层的含油气性。当东二段盖层断接厚度小于90～95 m时,断裂对盖层垂向阻烃能力破坏程度较大,有利于油气沿断裂穿越盖层向上运移,在盖层之上的断层圈闭中聚集成藏,而对盖层之下的油气藏将起到调整甚至是破坏作用；当东二段的断接厚度大于90～95 m时,断裂对盖层垂向阻烃能力破坏程度较小,油气难以沿断裂穿越盖层向上部运移,只能被封盖在东二段泥岩盖层之下,有利于东二段泥岩盖层之下断层圈闭的油气成藏,而不利于东二段泥岩盖层之上的断层圈闭油气成藏。

对于明上段泥岩盖层,盖层巨厚,一般为800～1000 m,而明上段发育断层的断距一般为100～150 m。盖层断接厚度很大,能够有效阻止油气向上逸散,同时也说明了南堡凹陷具备发育大油田的封盖条件。综上表明,断层对盖层破坏程度(即盖层断接厚度)控制着油气分布层位。

2.5 断裂侧向封闭能力控制圈闭油气富集程度

断裂侧向封闭能力是指断裂阻止油气穿过断裂侧向运移的能力[12]。断层泥比率(SGR)算法[13]是目前定量评价断层侧向封闭能力最为广泛和准确的方法[14]。Bretan15]建立了断层泥比率与其所能封闭的最大油柱高度之间的理论关系式,即

式中,h为断层侧向所能封闭的最大烃柱高度,m； rSG为泥岩断层泥比率,%；d为与地层沉积特征有关的常量,0～∞；c为与断层埋深有关的地质常量,0～0. 5；ρw为圈闭中水的密度,103kg/m3；ρo为圈闭中烃类密度,103kg/m3；g为重力加速度,m/s2。

由式(2)可知,断层泥比率值越高,断层侧向所能封闭油柱高度越大,侧向封闭能力越强,反之,则越弱。利用断层泥比率算法对南堡凹陷主要含油气构造断层圈闭控圈断裂侧向封闭能力定量分析,结果如图3(e)所示。平面上,柳赞构造断层侧向封闭能力最强,其次是一号、二号、四号和三号构造,五号构造断层侧向封闭能力最弱,而勘探成果也表明柳赞构造油气富集程度最高,一号、二号、四号和三号构造次之,五号构造油气富集程度最差(图1),即各含油气构造断层rSG平均值越大,断层圈闭油气充满程度平均值越大；反之则越小；剖面上,东一段断层侧向封闭能力最强,其次是馆陶组,明化镇组最弱,而勘探成果也表明南堡凹陷主力含油层位是东一段,其次是馆陶组,而明化镇组最差。综上表明,断层侧向封闭能力控制着圈闭的油气充满程度,即断层侧向封闭能力越强,圈闭充满程度越高,反之则越低。

3 断裂控藏作用的定量评价

3.1 评价方法

断裂在南堡凹陷油气成藏中的控制作用表现为源断裂类型控制着对圈闭的供烃能力、断裂活动伴生的背形构造是油气聚集的有利部位、断裂调节带控制着优质储层的发育、断裂对盖层破坏程度控制着油气分布层位以及断裂侧向封闭能力控制着圈闭油气富集程度5个方面。

利用模糊数学方法,建立断裂对油气成藏控制作用综合定量评价方法:

(1)将上述分析得到的源断裂类型、断裂伴生构造类型、调节带类型、东二段盖层断接厚度以及预测圈闭油气充满程度5个单因素选作上述断裂对油气成藏控制作用5个方面的评价参数,分析认为各因素在油气成藏中所起的作用是相同的,因此赋予相同的权重(表1)。

表1 南堡凹陷断裂控藏各因素权重及赋分Table 1 Weight and score of various control of faults on hydrocarbon accumulation in Nanpu sag

(2)根据上述分析得到的各单因素不同特征对油气成藏控制作用的强弱进行类型划分,并按照其对油气成藏所起的作用由强到弱,分别赋予3分、2分和1分(表1)。

(3)按照下式计算目标断层圈闭断裂控藏作用综合评价Q值:

式中,Q为断裂对目标断层圈闭油气成藏的控制作用综合评价总得分；ai为第i个因素的评价得分；ki为第i个因素的权重值(影响程度)。

从断裂控藏角度讲,Q值越大,说明目标断层圈闭越有利于油气聚集成藏,油气钻探风险越小；反之则大。在实际的操作过程中可以选取一些已钻成功圈闭,计算其Q值来衡量目标断层圈闭的有效性。

3.2 实例分析

南堡凹陷2号东构造位于南堡凹陷2号构造东部(图1),为冀东油田滚动勘探的有利构造。该构造LP1断块在东一段钻遇工业油流,并已投入开发,但是该构造其他断块的油气勘探并不理想,围绕LP1断块所布的探评井NP2-15、NP2-23、NP2-30和NP2-20并未见工业油流(图4),这无疑给该区域下一步滚动勘探目标决策带来困难。本文利用上述方法,对南堡2号东构造东一段已钻断层圈闭失利原因进行分析,并对目标断层圈闭油气勘探风险性进行评估,以期指导该区下一步的油气勘探。

图4 南堡凹陷2号东构造东一段断层圈闭断裂控藏评价结果Fig.4 Evaluation result of faults control on hydrocarbon accumulation in No.2-east structure(Ed1),Nanpu sag

LP1断块构造上位于半地垒,控圈断裂F4-10与F4-80为双源型油源断裂,且位于相向倾斜型断裂调节带附近,该断层圈闭东二段泥岩盖层断接厚度为81 m,钻井证实该圈闭充满程度为78%(图4,表2)。利用上述断裂控藏综合定量评价方法(表1,式(3))研究得到已钻成功断层圈闭LP1断裂控藏作用综合评价得分Q值为2.6(表2),可用此值来衡量研究区断层圈闭油气钻探成功率。

表2 南堡凹陷2号东构造东一段断裂控藏各因素发育类型及评价值Table 2 Type and score of various control of faults on hydrocarbon accumulation in No.2-east structure(Ed1),Nanpu sag

按照上述步骤,对南堡2号东构造东一段其他7个待评价的断层圈闭油气勘探风险性进行评价(图4,表2)。由表2中可以看出,已钻断层圈闭NP2-20和NP2-23的Q值小于2.6,这是造成这2个断层圈闭钻探失利的根本原因。已钻断层圈闭NP2-30和NP2-15的Q值较高,圈闭油气钻探风险小一些,但是预测的圈闭平面有效范围较小,NP2-30井和NP2-15井并未钻遇所预测圈闭有效范围之内(图4),造成这2口井钻探失利。

利用建立的方法评价了已钻断层圈闭断裂对油气成藏控制作用,结果表明该方法是准确可行的,可以将其用来评价研究区未钻断层圈闭油气钻探风险性,寻找有利勘探区。由表2中可以看出,未钻断层圈闭T4-21N和T5-51N的Q值均为2.6,与LP1断块一致,从断裂控藏角度来讲,圈闭油气钻探风险最小,可以作为下一步油气勘探目标。断层圈闭T3-12S的Q值为1.8,从断裂控藏角度来讲,圈闭油气钻探存在一定的风险。

4 结 论

(1)南堡凹陷源断裂类型控制着对圈闭的供烃能力,断裂活动形成的背形构造是油气聚集的有利部位,断裂调节带控制着优质储层的发育,断裂对盖层破坏程度控制着油气分布层位,断裂侧向封闭能力控制着圈闭油气富集程度。

(2)南堡凹陷二号东构造可以优选出圈闭油气钻探风险最小的T4-51N和T4-21N 2个断层圈闭作为下一步油气勘探目标。

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(编辑 徐会永)

Quantitative evaluation for control of faults on hydrocarbon accumulation in Nanpu sag

LIU Zhe,FU Guang,LÜ Yan-fang,HU Ming,SUN Tong-wen,WANG Chao
(College of Earth Sciences,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Based on the analysis of faults characteristics of Nanpu sag,the relationship between hydrocarbon distribution and faults location and the control of faults on hydrocarbon accumulation were investigated.In addition,the control was comprehensively quantitatively studied by using fuzzy mathematics method and the fault traps drilling risk of No.2-east structure of Nanpu sag was evaluated.The results show that source faults types control the capacity of hydrocarbon injection into fault traps.Antiformal structure formed by the fault activity is a favorable site for hydrocarbon accumulation.Fault accommodation zone controls the development of high-quality reservoir.The extent of cap rock damaged by fault controls hydrocarbon distribution vertically.Fault lateral sealing ability controls the fault trap hydrocarbon accumulation extent.Two fault traps(T4-51N,T4-21N)in No.2-east structure of Nanpu sag have the minimal hydrocarbon drilling risk.

Nanpu sag；faults；control of faults on hydrocarbon accumulation；hydrocarbon accumulation；quantitative evaluation

TE 122；P 618.13

A

1673-5005(2013)01-0027-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.01.005

2012-06-17

黑龙江省研究生创新科研资金项目(YJSCX2012-049HLJ)；中国石油科技创新基金项目(2012D-5006-0110)；国家”973”重点基础研究发展规划项目(2012CB723102)

刘哲(1984-),男,博士研究生,主要从事油气藏形成机制与保存条件研究。E-mail:liuzhe-mars@163.com。