郭局子洼陷沙二段断层封闭性定量研究

2014-07-13庞宏磊张营革

中国石油大学胜利学院学报 2014年2期

庞宏磊，张营革，师涛

（中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营257022）

断层通过对油气运移期次、方向、途径和规模的控制，影响着油气藏的形成、类型及展布规律。断层封闭性研究对油气勘探尤为重要。早期研究认为，郭局子洼陷沙二段滩坝砂岩以构造－岩性油藏为主，勘探重点为寻找有利储层发育区，为此做了大量工作，在地震属性预测方面取得了大量成果［1］，同时在鼻状构造［2］、不整合面［3］、古地层压力［4］等因素与油气运聚的关系方面也有重要认识。近年来，在断层下降盘部署的钻井岩心均显示良好但试油大部出水，此类问题严重制约了勘探进展。本文在系统分析郭局子洼陷的断层分布特征和活动性基础上，针对滩坝砂岩非均质分布的特点，优选垂向封堵系数法、横向封堵系数法和断层有效泥比率法，开展断层封闭性定量评价研究，明确郭局子洼陷非均质滩坝砂岩油气运移规律和有利成藏区带，对相关地区的勘探具有一定的参考价值。

1 地质概况

郭局子洼陷位于车镇凹陷东段，南北受义和庄凸起和埕子口凸起夹限，东西分别与大王北洼陷和渤南洼陷相连，呈北陡南缓、东浅西深的箕状断陷盆地（图1），勘探面积约300km2。研究区西段深洼区富含烃源岩，沙河街组多套储层出油，但均未形成规模，勘探程度低。

图1 郭局子洼陷构造纲要图

研究区沙二段发育窄盆浅湖型滩坝砂岩，南北双物源，但物源供给不足，以滩砂发育为主，单层砂体厚度为0.5～2.5m，横向连通差，多套砂体组合成砂组，砂组间泥岩夹层发育，呈“泥包砂”结构。沙二段地层在构造高部位“上剥下超”，形成多条尖灭环带。上覆沙一段与下伏沙三段主要发育厚层油泥岩和泥岩，包夹沙二段滩坝砂岩形成相对密闭的封存箱。依据实钻井测录井显示以及地化指标分析，沙二段滩坝砂岩中的油气主要来自下伏的沙三段中下段烃源岩，属于下生上储的油气成藏模式［5］。

2 断层展布特征

郭局子洼陷在沙二段共发育各类断层56条，其中大型控凹断层有4条，为埕南断层、大35断层、义东断层和孤西断层，其余断层大多为这4条控凹断层的派生分支断层。控凹断层控制着郭局子洼陷的构造沉积演化，延伸长度为10～30km，断距为500～1 300m，沙二期的断层活动速率为11～400m/Ma，为主要的油源断层，因此本文将断层封闭性研究重点放在其余低级别断层。

2.1 埕南断层组合

埕南断层组合由埕南断层和大王东断层共同右旋扭张应力下的一系列伴生断层组成，按应力方向可细分为两组［6－11］。一组为埕南断层的伴生断层，如大211、大360断层，多近东西向展布，延伸5～7km，多拐点，南倾正断层，断距下大上小，最大至300m。第二组为大王东断层伴生断层，如郭15断层，呈近南北向串珠状展布，延伸约1km，主要在深层发育，断距一般小于100m。两组断层在平面上交错呈帚状，垂向上为间隔不均的“Y”状，西部断距明显强于东部。近埕南断层处多表现为铲状，上陡下缓；向洼陷深处，断层逐渐转为板状，断距加大。两组断层断穿沙河街组，至东营组活动停止。

2.2 南坡断层组合

南坡断层组合是喜山期左旋拉张应力下盆地断陷期形成［6－11］的，为近东西向展布的盆倾正断层，沿地势变化呈平行束状排列，局部呈网状，东密西疏，4条主断层延伸长度为5～10km，为同沉积断层，其余次生断层多沿地层走势发育，延伸小于3km。垂向上南坡断层系列呈高角度板状叠瓦排列。

2.3 义东断层组合

义东断层是燕山期发育的控制义和庄凸起和沾化凹陷的走滑拉张断层，主体沿北北东向延伸，倾向北西。郭局子洼陷内为其末段，切割孤西断层，倾没于渤南洼陷，延伸10km，多派生断层，组合发散呈帚状，断面陡直呈板状，断距一般大于100m。

2.4 孤西断层组合

孤西断层为燕山构造期发育的北西向断层，断穿中生界、古近系和新近系，落差下大上小，约80～200m，与埕南断层共同作用，切割渤南洼陷、郭局子洼陷北带，形成复式地堑构造。孤西断层倾没于郭局子洼陷东北部，郭14、郭6和郭斜13断层呈倒“Y”型，倾向北西，延伸约10km。垂向上呈花状切割古近系和新近系，至馆陶期末停止活动。

研究表明，沟通下伏沙三段烃源岩和沙二段滩坝砂岩，且在烃源岩排烃期－东营期末活动的断层才能作为油源断层［12］。据此，埕南断层组合及南坡高部位的大7断层、低部位的大3断层，具备区域油源断层条件；南坡中部的大30、大93等断层未断至沙三段，只控制沙二段内部油气运移。郭局子洼陷烃源岩主要发育在洼陷西部，而孤西和义东组合的东部生烃能力较弱，该两组断层只能将渤南洼陷的油气运移至郭局子洼陷东部，运移能力有限。

3 断层活动性

油源断层的输导能力与其断层本身的发育特征具有极大相关性，通过对其延伸长度、发育密度、倾角、断距和活动性分析，可定性的表征出断层的输导能力，即断层活动性越强，输导能力越强［12］。本文通过断层活动速率和断距两个指标表征郭局子洼陷断层的活动强度。

断层活动速率为断层上下两盘、同一地层的沉积厚度差与该地层沉积时间的比值，单位为m/Ma。大量统计数据分析表明，郭局子洼陷断层活动速率变化呈梭型，沙二期活动最为剧烈，平均活动速率为30 m/Ma，至东营期大多数断层活动性减弱。义东断层组合在沙二期最为活跃，其主断层－郭15断层活动速率已达到180m/Ma，但该组合沙一－东营期活动速率较低，说明其在排烃期－东营末期，断层活动性减弱，油气输导能力弱。孤西断层组合整体活动速率较低，油气输导能力同样较弱。埕南断层组合在沙一－东营期的活动速率均值达到15m/Ma，为郭局子洼陷较大值，分析认为该组合油气输导能力最强。南坡组合仅大7和大3断层具备油气输导能力（图2）。

郭局子洼陷断层断距由深至浅逐渐变小，表明断层的消亡过程，沙二段的平均断距为80m，埕南和义东断层组合断距较大，活动较为剧烈，南坡断层断距最小，验证了活动速率分析的正确性（图3）。

图2 郭局子洼陷次级断层活动速率分析

图3 郭局子洼陷次级断层断距分析

总之，郭局子洼陷断层活动性具有明显的分带性，北带强于南坡，东部强于西部（图2、3）。

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4 断层封闭性

针对沙二段滩坝砂岩相对密闭、类似“封存箱”结构的圈闭特征和“泥包砂”的沉积结构，要分析其油气分布的规律性，必须考虑油气能否运移充注，是否向浅层散逸，在滩坝内部如何侧向运移等几个方面，涉及断层垂向和侧向两个方向的封闭性研究。垂向封闭性指断层输导下伏沙三段烃源岩的油气充注并封存在滩坝储层中的能力；侧向封闭性指断层对沙二段滩坝内部砂体间油气运移的封闭能力［12］。

4.1 垂向封闭性分析

油气沿断层内破碎带在浮力作用下向浅层运移，控制其运移能力的主要为断层破碎带宽度、破碎带充填物类型及压实程度、破碎带化学沉淀胶结程度、断面压力等，而泥岩充填物质对输导能力的制约性最强。断层垂向封闭系数指断层落差和盖层（泥质成分）厚度的比值，以此来分析断面泥岩涂抹对油气垂向运移的阻碍能力，从而判断垂向上油气运移的能力［13］。断层垂向封闭系数越小，断层垂向封闭性越好。沙二段与其他地层接触处发育厚度不均的泥岩，此处将其作为盖层分析断层的垂向封闭能力。断层垂向封闭系数R可以表示为

式中，L为断层垂直落差，m；H为盖层叠加厚度，m。

下伏沙三段发育大套烃源岩，因此沙二段底部断层的垂向封闭系数（油气充注能力）主要受断距控制，断距越大，油气充注能力越强。研究表明，R底值域范围为4～20，R值越小，垂向封闭性越差，埕南和义东断层组合输导能力最强。结合钻井试油得出，郭局子洼陷R底＝8为油气充注的下限值。当R底＜8时，断层垂向封闭，储层多解释为干层或水层。

上覆沙一段底部多发育白云岩，泥岩层厚度较小，但断层断距也较小。研究表明，沙二段顶部断层垂向封闭系数R顶值域为2～10，垂向封闭性强于底部，对已成圈闭形成良好的保护。依据钻井试油得出郭局子洼陷R顶＝5为油气散失的上限值。当R顶＞5时，断层垂向开启，油气有散失的可能。

4.2 滩砂侧向封闭性

断层两盘岩性配置是分析薄层砂岩侧向封堵的关键。泥岩厚度大，则薄砂体对接泥岩可能性增大，断层带泥岩涂抹程度增高，侧向封堵的可靠性随之增加。大量断层实例研究表明，除纯泥页岩外，其他泥质含量高的岩性，也可提高侧向封堵的可能性，因此提出了ESGR的概念，即有效断层泥比率，以准确预测断层带中断层泥含量和泥岩涂抹的程度［11］。ESGR值越大，断层侧向封闭性越好。有效断层泥比率的公式为

式中，h为泥岩层厚度，m；H为断层断距，m。

当ESGR≤14%时，断层带内部主要发育碎裂岩；14%＜ESGR≤40%时，断层带内部主要发育类泥质砂岩；ESGR＞40%时，主要发育泥岩涂抹。

研究表明，郭局子洼陷北部陡坡带滩坝泥质成分较多，ESGR值为136%～405%，断层侧向封闭性极好，薄层滩砂间横向不连通。郭局子南坡滩砂泥质含量近洼陷处含量增高，厚度为10～200m，ESGR值域为48%～532%，断层侧向封闭性大部较好，仅高部位的大7、大93等断层侧向封闭较差，油气沿砂体横向朝地层高部位运移，大7、大30等井钻遇含油水层。

4.3 坝砂侧向封闭性

断层对厚层坝砂的侧向封堵性受控因素较多，涉及构造、储集、岩性等多方面。断层横向封闭系数F由构造封闭系数C、储集封闭系数R和岩性封闭系数G综合而得，该方法准确度高，适用于单砂体储层的侧向封闭性研究，F值越大，断层对砂体横向封闭能力越高［13］。横向封闭系数法的计算公式为

式中，G为岩层封闭系数，封闭层是纯砂岩时为0，泥质砂岩时为0.5，砂质泥岩时为0.75，泥岩时为1.0；L为断层垂直落差，m；H为盖层厚度，m；h为储层厚度，m。

依据钻井录井数据，郭局子洼陷洼陷深处岩性封闭系数G取1，北带和南坡的低部位岩性封闭系数G取0.75，高部位取0.5。研究表明，郭局子洼陷断层的横向封闭系数分布区间为21%～246%，依据钻井试油分析得出，郭局子洼陷断层侧向封闭系数F＝70为成藏下限值。当F值＞70时，断层多为泥岩涂抹，侧向封闭坝砂成藏，集中在北带。当20＜F＜40时，断层破碎带开启，油气可散失，砂体构造位置低含水，主要分布在郭局子洼陷西段南坡。郭局子洼陷东段断层横向封闭系数F值南低北高，横向变化快，与泥质成分的分布关系密切。

综上所述，郭局子洼陷沙二段断层封闭性具有明显的区域性和分段性，导致油气分布的差异性。埕南断层组合垂向充注能力强，侧向封堵能力好，油气沿断层运移至断层下降盘储集体中富集成藏，断距越大，含油高度越大，是较有利的构造－岩性油藏勘探区带。南坡断层组合仅构造低部位的大3断层中段具有垂向输导能力，其余断层仅对薄层砂岩形成侧向封堵；油气沿大3断层中段运移到沙二段后，在浮力驱动下，沿厚层坝砂运移通道，进一步向构造高部位运移，在岩性尖灭带可形成地层－岩性油藏。郭局子西部的义东、孤西两个断层组合垂向和侧向封堵性均较差，油气多散逸至浅层，勘探潜力较低。