油气跨断层侧向运移评价方法
——以渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡史各庄鼻状构造带为例
2017-12-20王超吕延防王权付广王有功孙永河霍志鹏刘峻桥
王超，吕延防，王权，付广，王有功，孙永河，霍志鹏，刘峻桥
（1. 广东石油化工学院，广东茂名 525000；2. 东北石油大学，黑龙江大庆 163318；3. 中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 0625522；4. 中国地质大学，北京 100083）
油气跨断层侧向运移评价方法
——以渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡史各庄鼻状构造带为例
王超1，吕延防2，王权3，付广2，王有功2，孙永河2，霍志鹏4，刘峻桥2
（1. 广东石油化工学院，广东茂名 525000；2. 东北石油大学，黑龙江大庆 163318；3. 中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 0625522；4. 中国地质大学，北京 100083）
为定量研究油气跨断层侧向运移的可能性及发生部位，利用双井 Knipe图解法识别反向断层和顺向断层上、下盘地层砂-砂并置部位及并置模式，结合试油区域断层侧向封闭油气下限法，建立1套油气跨断层侧向运移部位定量评价方法。将该定量评价方法应用于渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡史各庄鼻状构造带古近系沙河街组一段和二段（简称沙一段、沙二段），确定断层上、下盘地层砂-砂并置部位及沙一段和沙二段的断层泥比率（SGR）下限值分别为26%和29%，由此厘定出油气跨断层侧向运移的发生部位。通过分析沙一段和沙二段的油气分布特征及沙一段 4口井含氮化合物的变化趋势，与油气跨断层侧向运移可能发生部位的定量评价结果一致，初步验证了评价方法的可行性。图7表2参28
渤海湾盆地；冀中坳陷；文安斜坡；油气侧向运移；断层泥比率；断层侧向封闭；油气封闭下限；Knipe图解法
0 引言
断层在油气运移过程中既可作为油气垂向运移的输导通道，又可为油气侧向运移提供输导路径。油气能否跨断层侧向运移，主要取决于断层的侧向封闭能力[1-8]。截至2016年，断层侧向封闭性评价方法可分为定性和定量两大类。定性评价方法以 Allan图解法和Knipe图解法为主[9-12]，其中Knipe图解法可快速判断断层上、下盘地层并置情况，当断层上、下盘地层呈砂-泥并置时具有侧向封闭油气的能力，当断层上、下盘地层呈砂-砂并置时有利于油气跨断层侧向运移。定量评价方法主要包括泥岩涂抹潜力法（CSP）[13]、泥岩涂抹因子法（SSF）[14]、断层泥比率法（SGR）[15]等，其中SGR法是断层侧向封闭性定量评价的主要方法，其值与被错断地层内泥岩层的累计厚度成正比、与断距成反比。断层侧向启闭性对于油气运聚具有辩证关系，当断层侧向封闭时，可有效地遮挡油气聚集成藏；当断层侧向开启时，是油气跨断层侧向运移的有利输导通道。目前多是将上述定性和定量的评价方法应用于评价断层能否侧向遮挡油气聚集成藏，应用于油气侧向运移定量分析的很少。因此，本文将定性和定量评价方法相结合，综合分析油气跨断层侧向运移的具体部位，对于准确指示油气运移路径具有理论和实践意义。
1 油气跨断层侧向运移部位评价方法
油气能否跨断层侧向运移的决定因素是断层与砂体的配置关系，即断层上、下盘地层是否存在着砂-砂并置的情况。但是仅考虑砂-砂并置是不够的，同时还要考虑砂-砂并置处断层侧向启闭性。当断层侧向是封闭状态，即使砂-砂并置油气也不能跨断层侧向运移；反之，当断层侧向处于开启状态时，断层两侧并置的砂岩层形成连通，油气便可跨断层侧向运移。因此，识别断层上、下盘地层是否存在砂-砂并置，以及在砂-砂并置处断层侧向启闭性是至关重要的。
1.1 断层上、下盘地层砂-砂并置识别方法
本文采用 Knipe图解法判别断层上、下盘地层是否存在砂-砂并置，其应用的前提条件是假设断层两侧地层厚度、岩性等变化具有一致性。但是受断层作用、同沉积作用、剥蚀作用等地质因素的影响，实际断层上、下盘地层并不具有同一性，而是呈现出差异性。因此，为了尽可能真实地反映断层两侧地层，在断层的上、下盘各选取一口井来分别反映断层两侧地层厚度和地层岩性等特征，即所谓的双井 Knipe图解法。根据断层倾向与地层倾向的关系将断层分为反向断层和顺向断层，在绘制双井 Knipe图时，反向断层和顺向断层的主视盘不同，且断层两侧地层并置关系也存在着差异。反向断层上、下盘地层并置时，断层下盘是主视盘，受同沉积作用或剥蚀作用的影响，出现新的上覆地层或上盘地层发生减薄，随着断距和埋深逐渐增大，下盘地层与之相对应的上盘地层并置范围变小，而与其上覆地层的并置范围变大（见图1a）。顺向断层上、下盘地层并置时，断层上盘是主视盘，受压实和剥蚀作用的影响，下盘地层厚度小于与之相对应的上盘地层厚度，随着断距和埋深逐渐增大，上盘地层与之相对应的下盘地层并置范围变大，而与其上覆地层并置范围则变小（见图1b）。综上所述，基于双井Knipe图解法，结合顺、反向断层上、下盘地层并置模式，根据断距和埋深之间的量化关系，可确定出断层上、下盘地层砂-砂并置部位。
图1 断层上、下盘地层并置模式图
1.2 断层上、下盘地层砂-砂并置部位断层侧向启闭性判定方法
依据断层上、下盘地层砂-砂并置识别方法，可确定断层上、下盘地层砂-砂并置部位。然而在砂-砂并置部位油气能否跨断层侧向运移，还要取决于断层侧向启闭性。采用断层侧向封闭油气下限的方法，可定量分析砂-砂并置处断层侧向启闭性。
1.2.1 断层侧向封闭油气下限的确定
试油区域是厘定断层侧向封闭油气下限不可或缺的因素，指由试油层位深度范围和 2倍供油半径共同控制断面上的区域。Yielding[16]确定断层侧向启闭性方法由于未考虑试油区域，得出的临界值是不准确的。本文首先利用地震解释成果建立断层三维构造模型，计算出断面上每个点的垂直断距值，并利用录井、测井资料计算断移地层泥质含量，应用SGR算法计算断层SGR值[17]；其次根据试油资料确定试油层位在断面上的深度范围，依据开发资料确定试油层位沿断面走向上的控制范围，即 2倍的供油半径[18-19]，试油层位深度范围和 2倍供油半径共同控制断面上的区域即为试油区域，确定各试油井不同层位内对应断面上的试油区域，并筛选出每一口井试油层位所在试油区域内断面最小SGR值；依据统计学方法，厘定研究区内不同层位（地层）断层侧向封闭油气的下限值SGRllt，以此下限值作为标准来判断不同断层在不同地层内的启闭性。
1.2.2 油气跨断层侧向运移部位厘定
根据断层上、下盘地层砂-砂并置识别方法，厘定出断层两侧地层内砂-砂并置部位（见图 2a），依据SGRllt值评价地层内砂-砂并置部位断层侧向启闭性，即当砂-砂并置处断层SGR值大于SGRllt值时，断层侧向封闭，是油气聚集的有利部位；反之，则断层侧向开启，有利于油气跨断层侧向运移。仅确定平面上油气跨断层侧向运移部位是不准确的，还要同时考虑剖面上油气跨断层侧向运移部位（见图2b）。将平面和剖面上油气跨断层侧向运移部位相结合，便可确定油气侧向运移路径。
图2 油气跨断层侧向运移部位示意图
2 实例应用
文安斜坡位于渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷的东部，是霸县凹陷内的三级构造单元，包括部分洼槽区及整个斜坡带，地层向东南逐渐超覆。斜坡东到大城凸起，西与霸县洼槽及马西—莫州洼槽相邻，南到饶阳凹陷的南马庄构造，北以里坦断层与武清凹陷相隔，呈北北东向展布，勘探面积约1 200 km2（见图3）。文安斜坡自下而上主要发育古近系孔店组、沙河街组、东营组和新近系的馆陶组、明化镇组以及第四系。其中沙河街组三段（沙三段）和沙河街组一段（沙一段）是主要烃源岩，油气成藏期次主要为东营组沉积末期和明化镇组沉积期—现今。选取史各庄鼻状构造带古近系沙一段和沙二段，依据上述方法厘定油气跨断层侧向运移路径，并对应用效果适应性进行评价，同时利用地球化学参数验证该方法的可行性。
2.1 断层上、下盘地层砂-砂并置部位识别
史各庄鼻状构造带油气分布受断层控制，F1—F9断层对于油气的侧向运移起到至关重要的作用。在反向断层F5和顺向断层F9上、下盘分别选取文103井和文20井、文102和苏71井，利用断层上、下盘地层砂-砂并置识别方法及断层上、下盘并置模式，确定反向断层F5和顺向断层F9在沙一段和沙二段砂-砂并置部位（见图4），并厘定其余断层（F1—F4、F6—F8）在沙一段和沙二段断层上、下盘砂-砂并置部位。
图3 文安斜坡史各庄鼻状构造带断层分布图
2.2 断层侧向启闭性确定
基于已厘定的史各庄鼻状构造带内断层上、下盘地层砂-砂并置部位，应用断层侧向启闭性判定方法，定量分析断层两侧地层内砂-砂并置处断层侧向启闭性。
2.2.1 断层侧向封闭油气下限确定
首先计算文安斜坡内断面SGR值。在研究区内选取33口试油井，提取控制试油井的断层断面SGR属性，根据试油资料确定33口试油井在沙一段和沙二段试油深度点共计69个。根据开发资料得到井的供油半径均为50 m，确定每口井在沙一段和沙二段断面上的试油区域，并进一步筛选出沙一段和沙二段断面最小SGR值（见表1）。依据统计学方法，厘定研究区内沙一段和沙二段断层侧向封闭油气的SGR下限值分别是26%和29%（见表1）。
图4 文安斜坡史各庄鼻状构造带F5和F9断层上、下盘地层并置图
2.2.2 油气跨断层侧向运移部位确定
在确定断层上、下盘地层砂-砂并置部位的基础上，以沙一段和沙二段内断层侧向封闭油气的SGR下限作为判定标准，定量分析砂-砂并置处断层侧向启闭性。当沙一段、沙二段砂-砂并置部位断层的SGR值分别大于 26%、29%时，断层侧向封闭，是油气聚集的有利部位；反之，断层侧向开启，有利于油气跨断层侧向运移（见图 5）。由此得到 F1—F9断层在沙一段和沙二段侧向启闭的平面分布部位。断层侧向开启部位的平面分布仅是砂-砂并置部位在平面上的投影，还要同时考虑在剖面上油气跨断层侧向运移可能发生的部位。因此，过沙一段和沙二段断层侧向开启的平面部位截取剖面，利用断层侧向封闭油气下限，厘定油气跨断层侧向运移可能发生的部位。结果表明，F1—F9断层在沙二段中下部皆存在断层侧向开启部位，而在沙一段仅F2、F5、F6、F8断层存在侧向开启段（见图6），这些断层侧向开启处是油气侧向运移的有利部位。综上所述，将平面和剖面上油气跨断层侧向运移部位结合起来，便可确定油气侧向运移大致路径（见图5、图6）。
表1 文安斜坡33口井断面上试油区域SGR值统计表
3 应用效果适应性分析与验证
3.1 应用效果及适应性分析
文安斜坡史各庄鼻状构造带油气成藏期为明化镇组沉积期—现今。由沙二段油气跨断层侧向运移定量评价结果可知，F1—F9断层在沙二段中下部砂-砂并置部位处皆是侧向开启的，不能侧向遮挡油气聚集成藏，但可作为油气跨断层侧向运移的有利通道。由沙二段试油资料可知，除了文105井和文102井未钻至沙二段，其余井均有油气显示，这与沙二段断层侧向启闭性评价结果相吻合。
图5 油气跨断层侧向运移图
图6 油气跨断层侧向运移剖面图（剖面位置见图5）
由文献调研可知[20]，文安斜坡史各庄鼻状构造带沙一段油气整体上是以侧向运移为主，局部是沙二段油气沿着断裂向上调整至沙一段。断层输导油气需要满足 2个条件：①存在油气成藏期活动的断层；②断层的断接厚度小于断接厚度下限值。根据断裂系统的划分，确定除F3和F8断层之外，其余断层皆可为油气垂向输导提供有利通道。在沙一段发育 2套泥岩盖层，分别位于顶部和底部，由西向东盖层的厚度逐渐减薄。与隆起区具有统一的断接厚度下限不同，斜坡区并不具有统一的断接厚度下限。因此，根据文安斜坡沙二段顶部断距和沙一段底部泥岩盖层厚度之间的量化关系，结合油气垂向分布，确定中段斜坡内带和中段斜坡中带断接厚度下限分别为135 m和65 m（见图 7）。通过分析史各庄鼻状构造断层在沙二段顶部断接厚度大小，确定除F3和F8断层之外，其余断层皆具备垂向输导和侧向阻挡油气的性能。由沙一段油气跨断层侧向运移定量评价结果可知，在沙一段仅F2、F5、F6、F8断层存在部分侧向开启段，为沙一段油气跨断层侧向运移的有利部位。将断层垂向调整和侧向运移部位与史各庄鼻状构造带油气分布特征相结合，认为文48井和文64井沙一段油气是由F1断层将沙二段油气调整上来的，但是由于F2断层在沙一段底部存在侧向开启段，造成在沙一段底部文48井为油气显示、文64井为油水同层，并且F2断层继续将运移至开启部位的油气垂向调整至沙一段顶部文 64井处聚集成藏。文20井沙一段的油气则是通过F4断层将沙二段油气调整上来，并且由于F5和F6断层在沙一段存在侧向开启段，使油气跨断层侧向运移至文103井和苏65井处聚集成藏。
3.2 地球化学参数验证
含氮化合物的绝对浓度与烷基咔唑类化合物的比值的变化具有规律性[21-28]，可用来研究油气运移方向。选择油气最可能运移的路径（见图5、图6），以1,8/1,4-二甲基咔唑、1,8/1,5-二甲基咔唑、1,8/2,6-二甲基咔唑3个参数为标准，对文安斜坡史各庄鼻状构造带沙一段可能发生油气跨断层侧向运移的4口井（文20、文103、文49、文65）含氮化合物进行分析。根据咔唑类含氮化合物的特点，随着油气运移距离的增大，3个含氮化合物参数皆增大。分析测试结果显示（见表 2），构造低部位至构造高部位 3个含氮化合物指标整体上皆呈现出逐渐增大趋势，表明文安斜坡史各庄鼻状构造带沙一段油气可以跨断层侧向运移，与定量评价结果相吻合，间接证明本文方法的可行性。
图7 文安斜坡中段内带及中带断接厚度与含油气情况
表2 沙一段含氮化合物分析测试表
4 结论
在利用双井 Knipe图解法厘定断层上、下盘地层砂-砂并置部位的基础上，结合断层侧向封闭油气的SGR下限法，建立1套油气跨断层侧向运移部位评价方法，即当断层上下盘地层砂-砂并置部位SGR值大于断层侧向封闭油气下限时，油气不能侧向跨断层运移，反之则可运移。用此方法定量分析判断文安斜坡史各庄鼻状构造带内油气跨断层侧向运移可能性以及发生的具体部位，确定沙一段和沙二段的SGR下限值分别为 26%和29%。通过分析文安斜坡史各庄鼻状构造带沙一段和沙二段油气分布特征，结合文 20、文 103、文49、文65等4口井沙一段含氮化合物的变化趋势，与油气跨断层侧向运移可能发生部位的定量评价结果相吻合，证明本文方法的可行性。
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Evaluations of oil and gas lateral migration across faults: A case study of Shigezhuang nose structure of Wen’an slope in Baxian sag,Jizhong depression, Bohai Bay Basin, China
WANG Chao1, LYU Yanfang2, WANG Quan3, FU Guang2, WANG Yougong2, SUN Yonghe2,HUO Zhipeng4, LIU Junqiao2
(1.Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming525000,China; 2.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China; 3.Exploration and Development Research Institute of PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,China; 4.China University of Geosciences,Beijing100083,China)
To quantitatively study the possibility and location of lateral migration of oil and gas across faults, a quantitative evaluation method for lateral migration of oil and gas across faults was established using the Shuangjing Knipe graphic method to identify the juxtaposition site and juxtaposition patterns of sand and sand in the upper and lower walls of the reverse faults and the consequent faults,combined with the oil and gas limit method of fault lateral seal in the test oil area. The quantitative evaluation method was applied to the first and two members of the Paleogene Shahejie strata (referred to as Es1 and Es2) of Shigezhuang nose structure of Wen'an slope in Baxian sag, Jizhong depression, Bohai Bay Basin, to determine the juxtaposition site of sand and sand in the upper and lower walls of the fault, and the shale gouge ratio (SGR) lower values are 26% and 29% respectively in the strata Es1 and Es2. Thus, the location of lateral migration of oil and gas across faults was determined. Based on the oil and gas distribution characteristics of the strata Es1 and Es2, and variation trend of nitrogen compounds in 4 wells in the strata Es1, the results were consistent with the quantitative evaluation of the location of lateral migration of oil and gas across faults, the feasibility of the evaluation method was preliminarily verified.
Bohai Bay Basin; Jizhong depression; Wen’an slope; hydrocarbon lateral migration; shale gouge ratio; fault lateral seal; oil and gas seal limit; Knipe diagram method
国家自然科学基金项目（41372154，41602154，41572127）；国家科技重大专项（2016ZX05007003-003，2016ZX05006-005）；中国石油科技创新基金（2015D-5006-0103）
TE122
A
1000-0747(2017)06-0880-09
10.11698/PED.2017.06.05
王超, 吕延防, 王权, 等. 油气跨断层侧向运移评价方法: 以渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡史各庄鼻状构造带为例[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(6): 880-888.
WANG Chao, LYU Yanfang, WANG Quan, et al. Evaluation of oil and gas lateral migration across faults: A case study of Shigezhuang nose structure of Wen’an slope in Baxian sag, Jizhong depression, Bohai Bay Basin, China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(6): 880-888.
王超（1986-），男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，主要从事断层侧向封闭性研究工作。地址：广东省茂名市，广东石油化工学院石油工程学院，邮政编码：525000。E-mail: 13704897168@163.com
联系作者简介：吕延防（1957-），男，吉林德惠人，博士，东北石油大学教授，主要从事石油与天然气地质研究工作。地址：黑龙江省大庆市开发区，东北石油大学地球科学学院，邮政编码：163318。E-mail:571128lyf@nepu.edu.cn
2017-03-07
2017-10-12
（编辑 王晖）
