渤海海域石臼坨凸起西南缘断层特征对油气成藏的控制作用

庞小军， 王清斌， 张雪芳， 李　欢， 何　京

( 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津　300452 )



渤海海域石臼坨凸起西南缘断层特征对油气成藏的控制作用

庞小军， 王清斌， 张雪芳， 李欢， 何京

( 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津300452 )

为解决石臼坨凸起西南缘烃源岩展布、储层分布、油气成藏规律等不明确问题，采用断层活动速率法，研究沙河街组三段(沙三段)至现今断层的活动性，探讨不同级别断层活动性与油气运聚的关系。结果表明：沙三段至现今，边界断层活动呈强—弱—最强—强—弱—弱—弱—强的特征。沙三段至东营组二段(东二段)边界断层活动强，是烃源岩和近源三角洲储层发育期，储层和烃源岩厚度大，储层范围小；东一段至现今边界断层活动弱，为河流相和浅水三角洲储层发育期。古近系断层活动强的位置发育断层—岩性圈闭；断层活动弱的位置发育岩性圈闭。新近系受明化镇组上段至现今断层活动的影响，发育断层—地层圈闭。东营组末期烃源岩成熟且油气开始运移；馆陶组和明化镇组下段断层活动弱，油气向古近系近源三角洲储层中运移并保存。明化镇组上段至现今断层活动增强，古近系的油气藏遭受破坏，油气向新近系的有利圈闭聚集成藏。当明化镇组上段至现今的断层活动速率小于25 m/Ma时，利于该区油气在古近系聚集成藏；反之，利于在新近系成藏。长期活动和晚期活动的次生断层主要控制油气向浅层运移和成藏。

渤海海域； 石臼坨凸起； 断层活动； 烃源岩； 储层； 圈闭； 油气

0　引言

在陆相断陷盆地中，断层控凹、控烃、控砂、控运、控圈、控藏等理论一直是油气地质学研究的热点，也是对油气成藏条件影响的综合反映[1-7]。罗群阐述断裂控烃理论，以断裂为主要控制因素和基本线索寻找有利的含油气构造[1]。王华等研究南堡凹陷同沉积断裂与沉积格局，认为控凹断裂直接控制局部构造带的可容纳空间变化和古地貌形态，从而形成不同的沉积展布特征[2]。此外，南阳凹陷南部边界大断裂活动性在时间上经历多期强弱变化，活动速率大的地区往往发育规模较大的砂体，断裂活动对沉积作用的控制明显[3]。岐口凹陷主力烃源岩的断层活动速率和差异系数较大地区对应的圈闭油气较为富集；反之，富集程度较差[4]。由于石臼坨凸起浅层新近系油气勘探潜力有限，该区逐渐向凸起边缘陡坡带中深层勘探。近年来，在石臼坨凸起边缘与凹陷的过渡地区发现大量油气，且具有浅层和深层间互出现的特点，油气分布比较复杂，成藏规律不清。石臼坨凸起西部南缘钻井较少，人们在层序地层格架、储层特征等方面进行研究[8-10]，该地区控凹断层发育，对该地区断层特征与油气成藏之间的关系还缺乏研究。笔者利用三维地震资料，结合钻井、测井及分析化验等资料，分析该地区断层特征，探讨断层活动与油气聚集的关系，丰富断裂活动对油气生成、运移、聚集成藏的理论认识，对研究区的油气勘探评价具有指导意义，对预测和寻找类似构造区的有利目标具有借鉴作用。

1　研究区概况

石臼坨凸起是渤海湾盆地埕宁隆起的一个次级构造单元，北为秦南凹陷，南与沙垒田凸起共同夹持渤中西次洼，西与南堡凹陷过渡，东与渤中凹陷主体相接；研究区位于石臼坨凸起西南缘，是与渤中西次洼相接的部分[11-15](见图1)。该构造新生界发育齐全[8-10]，古近系孔店组深灰色泥岩发育，但分布范围及厚度有限；沙河街组三段(沙三段)暗色泥岩发育，是优质烃源岩的发育层段，沙河街组一段、二段(沙一、二段)下部发育一套含钙质及云质粗碎屑沉积，上部沉积深灰色泥岩；东营组三段(东三段)发育厚层深灰色泥岩夹砂岩，东营组一段、二段(东一、二段)下部为浅灰色砂岩与绿灰色泥岩互层，上部砂岩占主要地位，泥岩呈夹层形式出现；新近系馆陶组发育辫状河砂砾岩，夹棕红色泥岩；明化镇组发育曲流河相，下段为棕红色泥岩夹灰绿色细砂岩，上段砂岩比例增加与灰绿色泥岩互层；第四系平原组以黏土、砂土、粉细砂为主。纵向上，紧邻该区的渤中凹陷主要发育沙三段、沙一、二段、东三段和东二段等4套烃源岩[10-12,16-18]，沙三段、沙一、二段、东三段和东二段早期的储层以扇三角洲和辫状河三角洲沉积为主，东二段晚期至东一段主要以曲流河三角洲与辫状河三角洲为主，馆陶组以辫状河为主，明化镇组主要以曲流河与浅水三角洲为主，整体上生储盖条件优越。钻井揭示，该区油气分布比较复杂，分布于古近系沙一、二段、东三段、东二段、馆陶组，且东部油气主要聚集在古近系，西部主要集中在新近系。

石臼坨凸起西部南缘边界控盆断层及次生断层发育，断层对烃源岩分布、储层类型及展布、圈闭类型及油气运聚具有明显的控制作用。

图1　石臼坨凸起西部南缘位置、断层展布、统计点位置和编号Fig.1 Location, fault distribution, number and position of statistic point of the western Shijiutuo uplift

2　断层特征

2.1分布

石臼坨凸起西部南缘边界断层与次生断层较发育，边界断层西部呈近北西—南东走向、倾向南西，东部呈近南西西—北东东走向、倾向南南东，断层背凸面凹，北侧为石臼坨凸起，南侧为渤中凹陷，整体上呈“V”型展布(见图1)。次生断层主要呈近南西西—北东东走向、倾向南南东，局部倾向北北西，且在中部个别断层走向由近南西西—北东东过渡为北西—南东，东部次生断层大多数向北与边界断层相接，向南伸入渤中凹陷，且断层之间呈近平行状或多条断层相接的组合；西部次生断层与边界断层近似平行展布，且断层之间多呈锐角相接。纵向上，边界断层贯穿新生界地层，次生断层主要发育于古近系或切穿新生界、新近系—第四系地层。边界断层以铲式和座椅式为主，与次生断层组合形成负花状或顺向断阶构造样式(见图2)。

石臼坨凸起西部南缘边界断层及其次生断层的平面分布,以及垂向组合形成石臼坨凸起西部南缘与渤中凹陷西北部斜坡带的古地理格局，使断层不同部位的地层厚度、储层分布、烃源岩分布、圈闭类型及油气富集程度受到影响。

2.2活动

断层活动速率等于断层下降盘厚度与断层上升盘厚度之差与沉积时间的比值[2-7]，直接反映断层活动的强度。采用断层活动速率法，利用三维地震和钻井资料，由西向东，计算石臼坨凸起西部南缘边界断层及其多条次生断层的活动速率(见图3)，各段的平均断层活动速率见图4。根据主要成藏期(明化镇组上段(明上段)至现今)断层的活动性，由西向东将边界断层划分为A(L1-L4)、B(L5-L10)、C(L11-L20)和D(L21-L22)等4个段(见图1、图3)。以馆陶组底部为界限，根据断层切穿层位及活动期次，将断层进一步划分为长期活动型、早期活动型和晚期活动型等3种类型(见图1)。长期活动型断层在古近系至新近系活动，早期活动型断层只在古近系活动，晚期活动型断层在馆陶组之后开始活动。

图2　石臼坨凸起西部南缘断层剖面组合样式Fig.2 Fault section assemblage pattern of the south margin of the western Shijiutuo uplift

图3　石臼坨凸起西部南缘断层不同位置不同层位断层活动速率柱状图Fig.3 Fault activity rate histogram at different positions and horizon in south margin of the western Shijiutuo uplift

统计和分析断层活动速率认为：

(1)纵向上，沙三段至现今，断层活动具有强—弱—最强—强—弱—弱—弱—强的特征，边界断层A段、B段和C段活动性呈强—弱—最强—强—弱—弱—弱—强的特征。D段断层活动在馆陶组终止，在明化镇组至现今不活动，具有强—弱—最强—强—弱—弱的特征。长期活动的次生断层活动性呈强—弱—最强—强—弱—弱—弱—强的特征，早期活动的断层只在古近系内部活动，晚期活动的断层只在馆陶组至现今活动，整体呈弱—弱—强的特征。

图4　石臼坨凸起西部南缘各沉积时期不同断层的平均活动速率柱状图Fig.4 Average activity rate histogram of different fault in each sedimentary period at south margin of the western Shijiutuo uplift

(2)平面上，同一地质时期，边界断层活动性呈强—弱交替的变化特征。沙三段沉积时期，边界断层A段、C段和D段活动较强，边界断层B段及C段与D段之间的过渡带活动较弱。沙一、二段沉积时期，断层活动继承沙三段的特征。东三段和东二段沉积时期，边界断层A段、B段和C段等活动性由西向东呈弱—强—弱的特征，且活动性B段>C段>A段>D段。馆陶组和明化镇组下段(明下段)沉积时期，断层活动整体较弱，横向变化不大。明化镇组上段至现今沉积时期，边界断层A段和C段呈弱—强—弱的特征，边界断层B段呈强—弱的特征，边界断层D段不活动，整体上B段最强，A段和C段较弱，D段不活动。

(3)空间上，由于各地质时期断层活动不同，断层空间展布和构造演化具有差异性。沙三段沉积时期，边界断层活动强，为盆地的强断陷期，次生断层不活动；沙一、二段沉积时期，边界断层活动减弱，为弱断陷期，次生断层不活动；东三段沉积时期，断层活动进一步增强，为强断陷期，次生断层开始活动；东二段沉积时期，断层活动由强逐渐减弱，为断拗转换期，次生断层活动性减弱；东一段至明下段沉积时期，断层活动进一步减弱，甚至停止活动，整个盆地进入热沉降期；明上段至现今沉积时期，断层重新活动，活动性增强，为新构造运动期。沙三段至馆陶组沉积早期，边界断层A段至D段活动，且西部比东部活动性强；馆陶组后期至明下段沉积时期，边界断层整体活动弱，甚至停止活动；明上段至现今沉积时期，边界断层A段至C段重新开始活动，D段处于静止状态。因此，该地区断层活动性与渤海湾盆地的构造事件具有一致性，区别是东三段断层活动表现比较强。

因此，纵向上，断层同一位置的活动性在不同地质时期具有明显的差异性；平面上，同一地质时期、同一条断层的不同位置断层活动迥异；空间上，受不同构造事件的影响，断层活动具有明显的差异性，古近系断层活动强，馆陶组至明下段沉积时期，断层活动弱，甚至停止活动；明上段至现今沉积时期，断层重新活动，使边界断层及长期活动的次生断层在古近系的活动宽度和规模比新近系和第四系的大。

3　断层活动与油气成藏的关系

石臼坨凸起西部南缘沙三段、沙一、二段、东三段和东二段的暗色泥岩为主要烃源岩；同时，沙三段至东二段的近源扇三角洲、辫状河三角洲砂体，以及馆陶组的辫状河、明化镇组的曲流河和浅水三角洲砂体为该地区的主要储集层[9-12,17]。在断层活动性分析的基础上，探讨断层与烃源岩分布、储层类型和分布、储盖组合、圈闭类型、油气运移及成藏之间的关系。

3.1烃源岩

石臼坨凸起西部南缘位于渤中凹陷西部北缘。该地区的油气来自渤中凹陷的烃源岩，渤中凹陷的烃源岩主要以暗色泥岩、页岩和钙质页岩等为主，且沙三段烃源岩较好，沙一、二段的次之，东三段与东二段的中等[7-10]。

钻井资料揭示，沙三段烃源岩以暗色泥岩为主，单层厚度大，岩性较纯，有机质成熟度高；沙一、二段以深灰色、灰色页岩、钙质页岩、炭质泥岩和泥岩为主，单层厚度小，有机质成熟度高；东三段和东二段以深灰色泥岩为主，单层厚度大，有机质成熟度中等。地震资料揭示，沙三段烃源岩以低频中等连续中振幅亚平行反射为特征，均方根振幅属性表现为中—强值；沙一、二段以低频较连续强振幅平行反射为特征，均方根振幅属性表现为强值；东三段以中频较连续—连续中—强振幅平行—亚平行反射为主，均方根振幅属性表现为中—强值；东二段以中—低频连续中—强振幅平行反射为主，均方根振幅属性表现为强值。利用地震相和地震属性，结合钻井和地球化学等资料，绘制沙三段、沙一、二段、东三段和东二段等时期的断层活动速率与烃源岩分布的平面图。

平面上，以沙三段为例，石臼坨凸起西部南缘边界断层活动的差异性控制沉降速率在平面上的变化，进而控制该地区的烃源岩分布(见图5)；断层活动越强的位置，沉降中心离断层越近，烃源岩越靠近断层，且厚度越大[5]，如L1-L5沙三段断层活动速率最大达296 m/Ma，断层下降盘沉积烃源岩厚度也最大，大于500 m；L6-L9沙三段断层活动速率较小，小于206 m/Ma，下降盘烃源岩沉积厚度小于200 m。垂向上，沙三段、东三段和东二段断层活动整体较强，烃源岩的总厚度和单层厚度较大；沙一、二段断层活动较弱，沉降速率较慢，水体浅且咸，有利于湖相有机质的发育，烃源岩厚度较小[5,10]。

图5　西南地区沙三段断层活动与烃源岩分布的关系Fig.5 Relationship between fault activity rate and source rock distribution during Es3 at southwest margin

因此，断层活动控制烃源岩在平面上的分布及在纵向上的厚度。东营组沉积末期，埋藏较深的烃源岩开始成熟，在后期幕式断层活动作用下，有助于成熟的烃源岩发生排烃作用。

3.2储层、盖层分布

石臼坨凸起西部南缘古近系的储层主要为沙三段、沙一、二段、东三段和东二段下部的近源扇三角洲、辫状河三角洲砂体，以及东二段上部和东一段的远源曲流河三角洲砂体[8]。由于东三段末期至东二段早期发育广泛的湖侵作用，因此形成能够直接覆盖在近源砂体之上的厚层泥岩，对砂岩储层起到封盖作用；新近系储层主要为馆陶组的辫状河与明化镇组的曲流河、浅水三角洲砂体[9,19]，馆陶组上部至明化镇组，岩性组合为砂泥互层，具有较好的储盖组合特征。同沉积时期的断层活动对沉积相的展布具有明显的控制作用，而切穿储层的断层后期活动对储层的物性具有明显的改善作用[20]。以东三段为例，利用地震反射特征和地震属性，结合钻井、岩心等资料，绘制断层活动速率与储层展布、沉降速率的关系图(见图6)。

图6　东三段沉积相展布与断层活动性、沉降速率的关系Fig.6 Relationship between sedimentary facies distribution and fault activity, sedimentation rate in Ed3

东三段沉积时期，断层活动整体较强。该地区西部受西南倾向边界断层与北东—西南走向次生断层组合的影响，发育一系列北东—西南方向展布的扇三角洲，倾向为西南；东部受南东倾向边界断层与南西西—北东东走向次生断层的影响，发育一系列北西—南东方向展布的扇三角洲。由西向东，边界断层活动性呈强—弱的变化特征，由于断层活动的差异性造成凸起的差异隆升，在凸起边界及断层带形成高—低变化的古地势，在断层活动强的位置，断层下降盘形成较低的古地形，有利于砂体的汇聚。在凸起区发育一系列残留沟谷，由于沉积物快速堆积，断层带早期侵蚀的沟谷易被埋藏保存，刻画东三段沉积时期的沟谷。地震和钻井资料揭示，该地区扇三角洲表现为中频楔状前积反射特征，均方根振幅属性表现为低值，其岩性以砂砾岩夹暗色泥岩为主，砾石较粗，且越靠近断层，粒度越粗，垂向上厚度较大；断层活动越强的位置，砂砾岩储层的厚度越大。

古近系沉积时期，沙三段、东三段、东二段早期断层活动较强，近源砂砾岩体发育，在砂砾岩体发育间歇期，湖相泥岩较发育，且由于扇三角洲或辫状河三角洲根部物性较差，也起到封堵作用，东二段的湖侵作用也在区域上形成分布较稳定的泥岩盖层；沙一、二段断层活动弱，早期发育近源辫状河三角洲和扇三角洲，晚期受湖侵作用的影响，发育区域性的泥岩盖层；东二段晚期至东一段断层活动较弱，凸起被埋没，发育河流相与远源曲流河三角洲沉积；馆陶组、明化镇组下段和明化镇组上段断层活动较弱，主要发育辫状河、曲流河、浅水三角洲、泛滥平原及湖相沉积，岩性主要以砂泥岩互层为主，储盖组合较好。

平面上，由于断层差异性活动形成沉积区洼隆相间的古地貌格局，使碎屑沉积物沿沟谷进入盆地，并向洼中汇聚。纵向上，断层活动强的沉积时期，往往形成近源扇三角洲和辫状河三角洲沉积，且活动性越强，厚度越大；断层活动弱的沉积时期，容易形成辫状河三角洲、浅水三角洲、辫状河和曲流河等砂体沉积。沙一、二段末期、东三段和东二段沉积期发育一套厚度较大的区域性稳定盖层，而东一段、馆陶组和明化镇组发育的泛滥平原也可以成为较好的盖层。

3.3圈闭类型

断层的差异活动往往可以形成不同的圈闭类型。利用三维地震和钻井资料，分析断层活动与圈闭类型的关系。古近系断层活动较强，以楔状砂岩层为主，容易形成断层—岩性圈闭;在局部断层活动较弱的位置，由于受湖侵作用的影响，发生地层上超而形成岩性圈闭。馆陶组至明化镇组，砂岩以层状地层为主，断层活动整体较弱，但受到新构造运动的影响，断层活动增强；受断层活动的影响，砂岩易被错断而形成断层—岩性圈闭(见图7)。

图7　古近系断层活动与圈闭类型的关系Fig.7 Relationship between fault activity and trap type in Palaeogene

3.4油气运移及聚集

渤中凹陷沙三段烃源岩距今30 Ma(东二段沉积时期)进入成熟阶段，沙一、二段烃源岩在距今24 Ma(东一段沉积时期)进入成熟阶段，东三段烃源岩在馆陶组沉积时期进入成熟阶段[10-12]。流体包裹体测试分析表明，渤中坳陷古近系圈闭油气充注时间小于23.3 Ma(相当于馆陶组沉积期开始充注)，上新世—第四纪时期受区域新构造运动的影响，油气发生调整，部分油气向浅层运移；新近系油气充注时间晚于5.3 Ma(相当于明化镇组上段至现今沉积时期)[21]。

研究区位于渤中凹陷西次洼北缘，紧邻生烃凹陷，具有优越的烃源岩、储层和盖层条件。古近系储层紧邻烃源岩，油气具有就近成藏的优越条件；馆陶组至明化镇组储层覆盖在烃源岩的上部，也具有较好的成藏条件。因此，油气是在古近系储层成藏，还是在新近系储层成藏，主要取决于成藏期油气是否具备向上运移的通道和盖层是否被破坏。

研究区古近系和新近系的油气主要来源于沙三段和沙一、二段[10-12]，前者具有下生上储和自生自储组合，后者以下生上储组合为主。在东营组沉积末期开始，烃源岩成熟并开始运移，但东一段至明下段沉积时期，断层活动相当弱，油气无法沿断层向浅层继续运移，只能就近充注成藏，因此在古近系圈闭油气充注期(明化镇组下段沉积时期)，油气主要保存在古近系储层中(见图8)。至新构造运动期，即明化镇组上段沉积时期开始，断层开始活动并逐渐增强，古近系油气藏被破坏，油气开始向浅层运移，并在新近系圈闭中成藏。因此，明化镇组上段的断层活动强度与油气在古近系或者在新近系成藏保存有密切的关系。统计明化镇组上段至现今断层活动速率发现，当断层活动速率小于25 m/Ma时，有利于油气在古近系成藏；反之，有利于油气向浅层运移，并在新近系成藏。边界断层A段和C段断层活动弱，断层活动速率小于25 m/Ma；边界断层D段活动速率值为0，钻井揭示，油气藏主要位于古近系；边界断层B段活动速率大于25m/Ma，油气藏主要位于新近系；当明化镇组上段至现今断层活动速率越大时，录井油气显示越向浅层移动。空间上，油气往往沿着断层走向由断层活动弱的位置向断层活动强的位置及构造高部位运移。

图8　断层活动期与油气充注期、油气藏分布匹配图

因此，明化镇组下段沉积时期，断层活动弱，烃源岩成熟并排烃后，油气主要在古近系就近成藏。明化镇组上段至现今沉积时期，新构造运动活化边界断层及次生断层，使它们成为烃源岩与浅层储层之间的主要通道，当断层活动大于25 m/Ma时，古近系的油气藏被破坏，并向浅层运移成藏；反之，油气主要在古近系成藏。不同位置断层活动的差异形成现今研究区复杂的油气藏分布。

4　结论

(1)石臼坨凸起西部南缘边界断层在平面上呈“V”型展布，纵向上以铲式和座椅式为主，与次生断层组合形成负花状或顺向断阶构造样式。纵向上，同一位置不同时期的断层活动不同，且断层活动与渤海湾盆地的构造事件基本一致，沙三段至现今沉积时期，边界断层A段、B段和C段及长期活动断层的活动性呈强—弱—最强—强—弱—弱—弱—强的特征，边界断层D段在明化镇组至现今不活动；早期活动的断层只在古近系内部活动，晚期活动的断层只在馆陶组至现今活动，整体呈弱—弱—强的特征。平面上，同一条断层在不同位置的断层活动性不同。空间上，由于各地质时期断层活动不同，造成断层空间展布的差异性。

(2)断层活动控制烃源岩的分布和厚度，以及储层的展布、类型和储盖组合。断层活动越强，烃源岩厚度越大，越靠近边界断层，且容易形成厚度较大的近源扇三角洲和辫状河三角洲储层；断层活动越弱，烃源岩厚度越薄，离边界断层越远，且容易形成辫状河三角洲、浅水三角洲、辫状河和曲流河等储层。东二段断层活动强，发育一套厚度较大的区域性稳定盖层，且断层活动强弱变化有利于优质储盖组合的发育。

(3)断层活动的强弱控制圈闭的类型。古近系断层活动较强，发育断层—岩性圈闭，在局部断层活动较弱的位置，发育岩性圈闭。馆陶组至明化镇组，断层活动整体较弱，受到新构造运动的影响，砂岩地层被错断，发育断层—岩性圈闭或背斜圈闭。

(4)断层的幕式活动和差异活动为油气向圈闭中的运移提供路径，且控制油气在纵向上的保存和再分配，以及平面上的油气分布。东营组沉积末期，烃源岩开始成熟并生烃，馆陶组至明化镇组下段沉积时期，由于断层活动极弱，甚至停止活动，油气开始进入古近系储层保存；明化镇组至现今沉积时期，断层活动增强，断层被活化，油气开始向浅层运移。平原组沉积末期，断层活动整体减弱，有利于新近系油气藏的保存。

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2015-11-20；编辑：陆雅玲

国家“十二五”科技重大专项(2011ZX05023-002;2011ZX05023-001-004;2011ZX05023-006-002)

庞小军(1985-)，男，硕士，工程师，主要从事沉积储层预测方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.005

TE121.3；P618.13

A

2095-4107(2016)03-0032-09