南堡凹陷3号构造中—深层两期断裂特征及其对油藏的控制

张博明, 赵晓东, 刘　晓, 乔海波, 李　亮

( 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山　064300 )



南堡凹陷3号构造中—深层两期断裂特征及其对油藏的控制

张博明, 赵晓东, 刘晓, 乔海波, 李亮

( 中国石油冀东油田分公司 勘探开发研究院，河北 唐山064300 )

基于三维地震资料解释和构造几何学，研究南堡凹陷3号构造中—深层两期断裂的油藏的控制作用。结果表明：南堡凹陷3号构造中—深层具有构造体系转换界面和构造反转界面，沙河街组顶部是构造体系转换的关键界面，早期以北东向伸展为主，晚期以南北向伸展兼右旋走滑为主；南堡凹陷3号构造主断层具有长期发育、旋回式活动特征，东西向断层具有活动时间晚、强度稳定特征，存在3类区域构造样式和12类局部构造样式；沙河街组一期断裂影响程度较小，造成深部断层具有较好的断层封闭性，而东营组二期断裂向下断入沙河街组一段内且与砂体连通，在伸展期极易开启并造成油气沿着浅部断层向上运移，深部油气聚集成藏非常有利，也为油藏聚集的有利场所。

构造转换； 两期断裂； 中—深层； 3号构造； 南堡凹陷

0　引言

断裂是重要的油气运移通道，对油气的聚集成藏起重要作用[1-3]。南堡凹陷3号构造自2007年中浅层勘探获得发现以来，在古近系沙河街组、寒武系潜山相继获得工业油流[4-5]，研究认为中—深层东营组二、三段也具有良好的油气聚集条件，但未获突破。南堡凹陷3号构造油藏类型主要为构造控制下的断背斜油气藏，断裂系统是控制南堡凹陷3号构造油气成藏的主要因素之一。随着南堡凹陷中—深层油气勘探不断深入，人们对构造和成藏进行研究，如黄曼宁等研究南堡凹陷构造油气藏分布，认为地质相控油气作用的基本模式为优地质相—高孔渗控藏，流体势控油气作用的基本模式为低势控藏，烃源灶控油气作用的基本模式为近源控藏[6]。董月霞等研究南堡凹陷走滑断层对油气成藏的控制作用，认为南堡凹陷古近纪成盆演化主要受柏各庄—西南庄基底断裂左行走滑活动控制，属于走滑—伸展凹陷，断层对沙河街组沉积有明显的控制作用[7]。范柏江等研究南堡凹陷断裂系统对油气成藏的控制作用，认为南堡凹陷内部断裂以NEE向或近NE向断裂为主，剖面上形成"坡坪式""铲式""多米诺式"等多种构造样式[8]。汪泽成等研究南堡凹陷源上成藏组合油气勘探潜力，认为南堡凹陷油气成藏具有两期充注，油源断层是源上成藏组合油气成藏的关键要素[9]。徐安娜等划分南堡凹陷岩性—地层油气藏区带，将南堡凹陷纵向上发育源上、源内、源下三个一级油气成藏组合体[10]。童亨茂等研究南堡凹陷断裂系统成因的构造解析，认为南堡凹陷是典型的斜向伸展变形样式，纵向上划分下部和上部两个断裂系统，断层的平面组合有平行状、平行交织状、梳状和帚状4种形式[11]。这些研究在构造发育特征、构造成因机制及其对成藏控制作用方面缺乏系统认识，尤其是断裂与油藏、深层上部储层成藏等方面研究较少。笔者以构造几何学和构造地质学理论为指导，根据三维地震资料开展构造精细解释，分析南堡凹陷3号构造中—深层断裂系统发育特征及其对油藏的控制作用，研究南堡凹陷3号构造储量，为后续油藏勘探评价提供依据。

1　区域地质概况

南堡凹陷3号构造西与南堡2号构造、东与南堡4号构造相接，东南部和西北部分别紧邻生烃凹陷曹妃甸次凹和林雀次凹，位于两个次凹中间的隆起区，构造内次级断层多为北东向，构造面积为240 km2，整体呈东西向展布(见图1)。南堡凹陷3号构造为发育在寒武系古潜山的一个断背斜油藏，之上依次发育古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组，缺失古生界至中生界大段地层。研究目的层主要为古近系沙河街组一段(沙一段)和东营组三段(东三段)，地层沉积厚度大，主要发育辫状河三角洲、湖泊及深水砂质碎屑流等地层沉积，沉积盆地形成的物源供给主要来自沙垒田凸起，具有典型断陷盆地的沉积特征[12-15]。目前，在中—浅层、中—深层古近系和寒武系潜山发现油藏，有利勘探面积约为200 km2，具有巨大的勘探开发潜力。

图1　南堡凹陷3号构造区域位置Fig.1 Regional location of No.3 structure in Nanpu sag

2　断裂特征

2.1断裂发育特征

南堡凹陷3号断裂以沙河街组顶为界，存在两期断裂系统，在沙一段交叉，将沙河街组沉积时期断裂定义为沙河街组一期(沙一期)断裂，东营组断裂定义为东营组二期(东二期)断裂。

研究区地震剖面显示复杂的“X”字型断层组合(地震测线依次从研究区的东部到西部相间排列)，西部主要由南倾的主断层控制，北倾深部断层断距不明显。东二期断裂发育不明显的地堑构造，中部井区断裂系统左下支主要由一条断距较大的北倾断层构成，而“X”字型断层组合的其余分支分别由多条较密集的小断层构成，断距在百米以内，先存主断层对该“X”字型断层组合的形成有重要影响[16]。东部地区断层剖面构型十分复杂，中东部由东部、西部的“X”字型断层体系逐渐变为阶梯状断层样式，由多个北倾型断层复合而成，断距相当。总体上，两套断层体系特征在中部地区最为明显，向两侧逐渐减弱(见图2)。

中部的沙河街组三段(沙三段)及沙河街组二段(沙二段)地层厚度比两侧的大，说明研究区存在构造反转或古地貌。南堡凹陷早新生代构造活动与晚新生代构造活动具有明显差异[17-18]，并且多认为在始新世末—渐新世早期存在构造反转，尤其在东部地区，整个上覆地层呈现背斜特征，下部地层呈现向斜特征，中间以东营组三段上亚段(东三上亚段)—东营组二段(东二段)为构造反转零线。

图2　南堡凹陷3号构造地震解释断层特征Fig.2 Fault characteristics by seismic interpretation of No.3 structure in Nanpu sag

2.2断裂差异特征

2.2.1活动程度

断裂平面延伸长度反映断裂的规模大小，统计断层在平面上的延伸长度，发现沙一期断裂延伸长度为2.0～6.0 km(见图3(a))，10.0 km以上的断裂比例较少；东二期断裂延伸长度为2.5～11.0 km(见图3(b))，断拗构造层内10 km以上的断裂比例自下而上有逐渐减小的趋势，表明东营组二期的断裂活动程度强于沙河街组一期的。统计各构造层内断裂延伸长度，自下而上断裂规模逐渐增大，反映应力逐渐变化的过程，并且晚期构造变形强度相对早期增大。

2.2.2活动范围

文献[19]将南堡凹陷断裂划分为一级、二级和其他等3个级别断裂，南堡凹陷3号构造主要发育二级和其他级别断裂。为研究不同断裂不同时期的活动范围差异，将沙一期断裂和东二期断裂进行层位细分，并利用生长指数进行分析，生长指数越大，反映断层活动范围越大。设定南堡凹陷3号构造生长指数≥1.15表示断层正常活动；0.85≤生长指数<1.15表示未断层活动；生长指数<0.85表示断层反转，发生挤压作用，并且将断层正常活动范围用红色区域表示出来。

图3　南堡凹陷3号构造主要沉积时期断层延伸长度Fig.3 Fault length in main sedimentary periods of No.3 structure in Nanpu sag

沙三段沉积时期，F2西段、F4断层正常活动，即南堡3号构造中部、东部活动，东南端F3断层受二级断层F2上升盘影响，发生逆转(见图4(a))。沙二段沉积时期，活动区域明显增多，断层大多属于正常活动，说明该时期区域拉张作用增强(见图4(b))。沙河街组一段下亚段(沙一下亚段)湖侵域沉积时期，断层活动特征和沙河二段沉积时期差别不大，仅西北部F1断层发生逆转，区域拉张作用有减弱的趋势(见图4(c))。沙一下亚段湖退域沉积时期，相比沙一下亚段湖侵域沉积时期活动区域明显缩减，研究区仅中间区域F2南段影响的范围继续活动，说明此对应时期拉张作用明显减弱(见图4(d))。沙河街组一段中亚段(沙一中亚段)湖侵域沉积时期，F6、F8断层控制的范围内正常活动，F2北段、F5断层交接的部位断层正常活动(见图4(e))。分析沙一中亚段湖退域和东营组三段下亚段(东三下亚段)湖侵域沉积时期，在东三下亚段湖侵域沉积时期，南堡3号构造内断层大面积正常活动，比前一时期正常活动范围强烈增大，表明区域拉张作用再次增强，这个时期也是断层活动转换的关键时期。从东三下亚段湖退域到东二段低位域沉积时期，断层的正常活动范围逐渐减小，部分断层发生逆转，尤其是东三上亚段湖退域沉积时期对应F2、F8、F9断层(见图4(f-i))。东二段湖侵域和高位域沉积时期，相比东二段低位域沉积时期，断层正常活动范围有所增大(见图4(j-l))。研究区主要发育的二级断裂和其他断裂的活动范围具有分期分段的特点，总体呈现“强—弱—强—弱—强”的趋势。

图4　南堡凹陷3号构造主要沉积时期断层活动范围Fig.4 Fault range in main sedimentary periods of No.3 structure in Nanpu sag

2.2.3断层组合

在南堡凹陷3号构造主要存在3类区域构造样式和12类局部构造样式，3类构造样式体系分别为走滑伸展构造、伸展构造和反转构造，其中东营组为走滑伸展断层系统，沙河街组为伸展断层系统，沙河街组—东营组为反转断层系统[11](见图5)。

图5　南堡凹陷3号构造断层构造样式Fig.5 Fault tectonic style of No.3 structure in Nanpu sag

东营组单断层类型为板状和铲状，其中板状活动时间短，铲状相对发育时间长。在剖面上呈“y”字或“反y”字型、平面上呈斜交式的断层在全区发育；在剖面上呈同向断阶组合类型，平面上呈雁列式的断层主要在西南部地区发育；在剖面上呈反向断阶组合类型，平面上呈平行式的断层在中部、东部地区发育；在剖面上呈地堑或白菜心式，平面上呈平行式或斜交式的断层在中部井区或潜山顶部发育；在断层剖面上呈调节型，平面上呈正交或分叉式的断层在中部潜山顶部发育；在剖面上呈逆牵引组合类型，平面上呈弧形类型的断层在主断层发育；在剖面上呈差异压实型，平面上呈杂乱型的断层在潜山顶部东营组地层发育。

沙河街组单断层类型为铲状和躺椅状，躺椅状类型比铲状的活动时间长。沙河街组中在剖面上呈“入”字型，在平面上呈斜交式类型的断层主要在中东部地区、潜山核部沙河街地层发育；在剖面上呈地垒型，在平面上呈平行式的断层在中西部地区、潜山核部沙河街地层发育；在剖面上呈韧性剪切带，在平面上呈断续式的断层在西北部主断层发育；在剖面上呈垂向剪切型，在平面上呈雁列式的断层在东南部主断层发育。

沙河街—东营组单断层类型为铲状，其断层在剖面上呈反转型，在平面上呈“S”字型的断层主要发育在西南部东三段、西北部东三段、中部沙一段、东部东二段和东部东三段(见图5)。

3　断裂对油藏的控制作用

南堡凹陷沙三段烃源岩在沙一段开始生烃，东二段末期进入排烃高峰；沙一段烃源岩在东一段末期开始生烃，馆陶组开始排烃，明化镇中期进入排烃高峰[20-22]。南堡凹陷3号构造沙一段油气为混源特征，主要来自于自身烃源岩和少量沙三段烃源岩，说明自沙一下亚段晚期延续至今3号构造一直排烃，且3号构造在沙河街组沉积时期处于盆地强烈伸展阶段的断块掀斜活动状态，东营期处于裂陷盆地弱伸展阶段的弱掀斜状态，经历明化镇早期构造活动期后，新构造不断形成，早期构造得到改造，从而形成大量构造圈闭。由此可见，构造圈闭的形成期和发育期或早于主排烃期，或者与主排烃期同步，具有良好的时间配置关系[23-24]。

“X”字型断层体系存在于沙一段，中间砂体的有效沟通是断层作为油气运移有效通道的关键，并以“X”字型断层的相交区域为界，与围岩构成深层及浅层有效圈闭控制油气成藏[15]。如控垒的3条反向断层沟通沙三段烃源岩，但后期的继承性活动破坏沙一段烃源岩，使油气继续向上运移。一方面，夹限区地层通常发生较明显的变形，形成一定幅度的背斜或单斜，当“X”字型断层封闭性良好时成为有利圈闭；另一方面，深部地层距油源较近，或其本身是油源，具有优先油气捕获机会，能够形成油气聚集规模[23]。结合断层活动特征与排烃时间研究，3条控垒断层活动时间晚，基本在沙一段中期开始活动，结束时间较早；3条断层基本是在早期北东向断层发育的基础上形成，沙一段至东三段早期受区域转换应力场的作用，近于东西向发育，然后停止活动，在纵向上属于两套断层体系。尽管后期的南北向拉伸和右旋走滑控制产生大量近东西向断层，但作为深层控垒断层受影响较小，即晚期的坳陷活动对于垂向上不连续的两套断层系统影响程度差异大，最终造成深部断层较好的断层封闭性，但东营组二期断裂向下断入沙一段内，且与砂体相连通，在伸展期极易开启，造成油气沿着浅部断层向上运移(见图6)。另外，东三段晚期—东营组二段(东二段)早期也存在明显的构造反转现象，对圈闭发育和油气运移有重要影响，由于早期为正断层，晚期为逆断层，形成下凹上凸的椭球特征，对深部油气的向上运移和聚集成藏非常有利，使东营组成为油藏聚集的有利场所。2014年8月东营组获得突破，南堡306x9井试油日产油7.679 m3，证实南堡凹陷3号构造东营组具有良好勘探前景。

图6　南堡凹陷3号构造两期断裂与油气聚集关系Fig.6 Relationship of two phase fault and oil gathering of No.3 structure in Nanpu sag

4　结论

(1)南堡凹陷3号构造以沙河街组顶为界存在两期断裂系统，沙河街组一期断裂以北东向伸展为主，东营组二期断裂以南北向伸展兼右旋走滑为主。

(2)两期断裂在活动程度、活动范围、断裂组合差异等方面具有明显差异：东营组二期的断裂活动程度要强于沙河街一期的；活动范围具有分期分段的特点，总体上呈现出“强—弱—强—弱—强”的趋势；主要存在3类区域构造样式和12类局部构造样式。

(3)沙河街组一期断裂沟通沙三段烃源岩，晚期的坳陷活动对于垂向上不连续的两期断层系统影响程度差异大，沙河街组一期断裂影响程度较小，造成深部断层具有较好的断层封闭性，而东营组二期断裂向下断入沙一段内且与砂体相连通，在伸展期极易开启，造成油气沿着浅部断层向上运移。另外，在东三晚期—东二早期构造反转，由于早期为正断层，晚期为逆断层，形成下凹上凸的椭球特征，对深部油气的向上运移和聚集成藏非常有利，使东营组成为油藏聚集的有利场所。

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2015-12-21；编辑：张兆虹

国家科技重大专项(2011ZX05006-06)；中石油股份公司科技重大专项(2014E-050211)

张博明(1983-)，男，工程师，主要从事构造地质学及沉积储层方面的研究。

赵晓东，E-mail: zhaoxiaodong1984_1@126.com

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.008

TE122.1

A

2095-4107(2016)01-0072-08