廊固凹陷大柳泉地区断层侧向启闭性评价及成藏模式

胡欣蕾 吕延防 曹兰柱 杨德相 孙永河

(①东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； ②中国石油华北油田勘探开发研究院，河北任丘 062552)

1 引言

中国绝大多数盆地的油气勘探都避不开断层因素，它的存在不仅增加了油气成藏模式的复杂性，还增加了油气钻探的风险。因此，在断层发育区评价断层启闭性对油气分布规律及成藏模式的分析至关重要。断层既可以是油气聚集的遮挡物，也可以是油气运移的输导通道[1]，具体的作用取决于断层自身的启闭性。若断层起封闭作用，由其组成的相关圈闭可为油气聚集成藏提供良好的储集空间；若断层开启起输导作用，则从源岩初次运移至此的油气可穿过断层继续向上调整，直至遇到合适圈闭聚集成藏[2-5]。对于断层相关圈闭而言，断层侧向启闭性决定圈闭的有效性及油气的分布规律[6]。前人关于断层侧向启闭性的研究方法可分为两类：一是根据断层岩与储层岩石排替压力的相对大小评价断层启闭性，这需要实测排替压力数据建立评价方程，不利于快速评价；二是利用断层岩泥质含量评价断层启闭性，主要包括CSP(泥岩涂抹潜力)、SSF(泥岩涂抹因子)及SGR(断层泥比率)法[7-9]。其中，CSP和SSF法分别适用于剪切和挤压特定的构造环境，没有考虑砂岩层中泥质成分对启闭性的贡献； SGR法综合了砂、泥岩层厚度、泥质含量及断层断距，考虑的地质因素更加全面，计算结果与野外实测断层岩泥质含量吻合程度较高[10]，是目前国内外学者评价断层侧向启闭性最主要的方法。

廊固凹陷受构造作用强烈改造，发育北东和近东西走向的两组断层[11]，厘清相互交错的断层系统的侧向启闭性是研究油气富集规律的重点与难点。前人对廊固凹陷大柳泉地区的研究大多集中在源岩发育特征[12,13]、储层物性演化规律[14,15]、断层成因机制[16,17]等方面。有关断层侧向启闭性及油气成藏模式的研究较少，仅见针对旧州断层的分析[18]，对于成藏模式的分析大多没有考虑断层启闭性的控制作用[19]。因此，本文基于地震、测井及开发动态数据，利用断层岩SGR下限值法评价廊固凹陷大柳泉地区沙三下亚段内断层的侧向启闭性，并结合源岩、输导及储层条件等因素，分析大柳泉地区油气成藏模式，以期降低大柳泉地区断层相关圈闭钻探风险，完善油气成藏规律方面的认识。

2 区域地质背景

廊固凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷西北部，面积约为2600km2。北与大厂凹陷相接，南靠牛驼镇凸起，东邻武清凹陷，西接大兴凸起(图1a)。在东北和西南两侧分别被河西务断层和大兴断层夹持[12]。古近系呈一北东走向的箕状断陷[20]。廊固凹陷是冀中坳陷主要的富油区之一，其受右旋剪切伸展应力场及局部伸展应力场的共同作用[11]，主要发育北东和近东西向两组断层，差异运动控制着凹陷的发展和沉积地层的发育。古近系地层逐层超覆在寒武系—奥陶系碳酸盐岩和石炭系—二叠系煤系地层之上[21]，形成北断南超、西断东超的构造格局[22]。

大柳泉地区位于廊固凹陷中西部，古近系及新近系自下而上发育的地层主要有孔店组(Ek)、沙河街组(Es)、东营组(Ed)、馆陶组(Ng)和明化镇组(Nm)，形成了六套上粗下细的正旋回层[11]，沙三段和沙四段既是主力烃源岩又是主要的含油气层系[12,13]。该区发育被断层复杂化的中央隆起构造带，以旧州断层为界自西向东可划分为两个构造区[19]。西部的固安—旧州鼻状构造主要发育北东向断层，与局部发育的北西向断层交错，在平面上呈网格状分布，剖面上呈断阶及断垒状组合模式；东部的柳泉—曹家务塌陷背斜发育旧州断层和由其派生的琥珀营、王居、曹家务等一系列断层，平面上呈羽状或“入”字形相交，剖面上形成“Y”或反“Y”字形断层组合，在挤压应力作用下形成多个局部断背斜构造(图1b)。复杂的断层构造为油气成藏提供了必要的遮挡及圈闭条件，如果配以充足的烃源岩供给、良好的储盖组合，就可以形成油气藏。

图1 廊固凹陷构造位置及典型地震剖面(a)构造单元划分图； (b)典型地震剖面AA′(位置见图a)

3 油气成藏条件分析

为明确大柳泉地区油气成藏模式，需要分析源岩、输导断层、沉积砂体及油气藏遮挡条件等。

3.1 源岩条件

大柳泉地区发育沙三下及沙四上亚段两套成熟的烃源岩，烃源岩的品质不同，对成藏的贡献也不同。其中，沙三下亚段源岩分布面积广，主要集中在凹陷西南及北部的柳泉—曹家务—琥珀营一带(图2a)，TOC平均值超过1.2%，氯仿沥青“A”平均值超过0.1%，有机质类型为Ⅱ1型，对成藏贡献较大；沙四上亚段源岩有机质丰度稍低，TOC平均值为0.8%，氯仿沥青“A”为0.05%～0.1%，有机质类型以Ⅱ2～Ⅲ型为主，对成藏贡献次之[23]。油—岩对比分析[24]确定旧州断层西部及琥珀营地区油气主要来自沙三下亚段源岩，中岔口地区油气主要来自沙四上亚段源岩，其他地区油气多来自两套源岩的混源。因此，大柳泉地区充足的油源供给可为油气成藏提供良好的物质基础。

3.2 断—砂输导条件

在下生上储式组合中，由于目标储层与源岩之间被多套泥岩层相隔，源岩生成的油气无法通过地层孔隙直接向上覆储层中运移，只能沿输导断层或断—砂输导体系向上调整。通过对大柳泉地区断层几何学与运动学特征的研究，依据断层性质和活动期次，确定出输导断层在研究区广泛分布(图2a)。除此之外，油气在沿输导断层向上运移的过程中，还会受到上覆区域性盖层的影响，发生向两侧砂体的侧向分流；储层中砂地比值越高，砂体连通性越好，越有利于油气的侧向分流。大柳泉地区发育的近岸水下扇、三角洲前缘砂体及浊积体[15]都可以发生油气分流运移。通过统计发现，油层主要分布在地层砂地比大于18%的部位(图2b)。同时，由图2a可知，研究区西北部地层砂地比普遍偏高，展布规律与油气富集规律相吻合。因此，大柳泉地区有效的断—砂配置提供了良好的油气输导条件。

图2 大柳泉地区沙三下亚段成藏要素示意图(a)源岩、输导断层与储层砂地比叠合图； (b)储层砂地比下限值确定图

3.3 遮挡条件

大柳泉地区构造作用强烈，发育大量北东和近东西向相互交错的断层，在多套层系内形成多个断层相关圈闭，有利于油气聚集成藏。考虑到圈闭发育特征，有效的遮挡条件除断层外，还有构造高部位的背斜圈闭及馆陶组与沙二段地层间发育的不整合面(可形成地层不整合、地层—断层复合圈闭)。因此，良好的遮挡条件也可为油气聚集成藏提供保障。

4 沙三下亚段断层侧向启闭性评价

并不是所有断层对油气成藏均有作用，断层相关圈闭能否有效捕获油气，主要取决于断层的侧向启闭性[6]。若断层处于侧向封闭状态，油气受断层遮挡可在相关圈闭内聚集成藏；若断层处于侧向开启状态，则不能形成有效遮挡，油气将穿过断裂带发生侧向运移，直至遇到合适圈闭聚集成藏。因此，判断断层的侧向启闭性是研究油气运聚成藏规律和成藏模式的关键。

4.1 影响因素

前人曾开展断层启闭性的研究，考虑的地质因素不尽相同，但归纳起来断层启闭性主要受断层岩压实成岩程度及SGR的影响。一方面，断层岩压实成岩程度越高，岩石越致密，孔渗性越差，断层越易形成侧向封闭能力[25]；其大小可用断层岩的压实成岩埋深表示，且二者具有一定正相关性。断层最后一次停止活动时间越早，上覆沉积载荷对断层岩的作用时间越长、作用力越大，断层岩的压实成岩埋深越大。另一方面，断层岩泥质含量越高，断裂带内孔隙空间越小，油气穿过断层发生侧向运移的概率也越小，断层侧向封闭能力越强[8,26,27]。

地震资料揭示，大柳泉地区主要含油层系——沙三段地层埋藏深度及地层厚度变化较小[16]，故同一亚段内断层所受上覆岩层的压实成岩压力大致相同。同时，根据断层生长指数剖面，确定大柳泉地区发育断层多经历三期活动，且主要断层多在馆陶组沉积早期停止活动，故断层压实成岩时间也大致相同。因此，同一亚段内发育的、相同活动期次的断层，其压实成岩程度对断层侧向启闭性作用效果基本一致，进而将整个沙三段地层自下而上分为3个亚段分别建立断层启闭性的评价标准，以表征断层岩压实成岩程度对启闭性的控制作用。

对于某一亚段内、压实成岩程度及其对断层侧向启闭性作用与效果相近的断层岩而言，启闭性主要取决于泥质含量的大小，只有当断层岩SGR值大于等于该层位断层侧向封闭油气下限时，断层才是封闭的。Yielding[28]通过实验确定，只有当断层岩SGR值在15%～20%时，泥岩涂抹才趋于连续；而当SGR值大于30%时，所有断层才会封闭。同样，在澳大利亚吉普斯兰盆地标志渗漏物均出现在SGR小于30%的区域[29]，只是受沉积地层属性差异的影响，不同地区、不同层位断层侧向封闭的SGR下限值不同。

4.2 评价方法

根据上述已确定的影响因素及其对断层启闭性的控制作用，针对大柳泉地区沙三段不同亚段地层(压实成岩程度相近)分别建立定量评价断层侧向启闭性的SGR下限值法，既考虑了断裂带内细粒物质对断层启闭性的影响，也没有忽略断层岩压实成岩埋深变化的控制作用，具体步骤如下：

(1)断层岩SGR值的确定

根据地震资料解释成果提取目标断层及层位数据，以此为基础进行构造地质建模，确定断面上各点的垂直断距；同时利用SP、GR等测井曲线数据确定目标断层周围地层沉积特征(砂、泥岩层厚度及其泥质含量)的变化规律。利用已确定参数，应用SGR算法[9]，可以得到目标断层在三维空间内任意一点的断层岩SGR属性值

(1)

式中： SGR为断点处断层岩泥质含量；n为垂直断距范围内滑过断点的砂、泥岩层总数；i为滑过断点的第i层岩层； ΔZi为滑过断点的第i层岩层的厚度；Vshi为滑过断点的第i层岩层的泥质含量；D为断层的垂直断距。

(2)控制试油层段断面区域的确定

断面范围一般较大，只是在一定范围内断面区域的封闭性控制含油气性。因此，依据断层及地层倾角属性，将目标井上油层顶、底深度确定为控制油层段断面区域的顶、底界限； 以目标井为中心，分别向断层两端延伸(长度为供油半径)后确定的范围为控制断面区域的宽度界限[30,31]。结合断面构造形态，从而确定控制油层段的断面区域。

(3)断层侧向封闭SGR下限值的确定

针对某一套沉积稳定的地层，优选探明储量范围内受相同活动期次断层(中期走滑伸展，在馆陶组沉积早期停止活动)控制的试油井，读取每口井所在试油层段对应断面区域内的最小SGR值，根据各井试油层段与断面最小SGR值间的相互关系，确定断层侧向封闭的SGR下限值。

(4)断层侧向启闭性的确定

比较目标断层实际SGR值与该层位断层侧向封闭下限值间的相对大小，判断断层的侧向启闭性。若断层岩SGR值大于等于下限值，断层侧向封闭； 反之，断层侧向开启。

4.3 沙三下亚段断层侧向启闭性定量评价

基于上述对大柳泉地区源岩、断—砂配置等成藏条件的分析，为了剔除其他失利因素对油气聚集规律的影响，在源岩供烃充足、断—砂匹配可为油气提供垂、侧向运移路径的地区内，筛选出试油层段性质不同(油层、气层及水层)的11口井共计16套试油层位作为研究基础资料。它们均受馆陶组沉积早期停止活动的断层影响，故压实成岩程度相近，因而可以利用断层岩SGR的相对大小评价断层侧向启闭性。综合断层及地层倾角属性、井位供油半径与断面构造形态，确定不同试油层段对应的断面区域，并读取各区域内的最小断层岩SGR值。依据典型井试油层段与对应断面区域最小SGR值的关系，绘制断层侧向封闭下限评价模型。由图3所示，沙三下亚段断层侧向封闭的SGR下限值为29%。即当实际断层岩SGR值大于等于29%时，断层具有侧向封闭油气的能力；反之油气可穿过断层发生侧向运移。依据上述建立的标准，对大柳泉地区沙三下亚段内主要断层的侧向启闭性进行确定(图4)，结果发现，断层启闭性的分布具有分区性规律，位于研究区中部及北部的断层多表现为封闭断层，零星夹杂少量开启断层；而在南部则主要表现为开启断层。并且，同一条断层受砂泥配置关系影响所呈现出的断层封闭或开启状态不同。以研究区中部发育的大型油源断层——旧州断层为例，其封闭属性具有明显的分段性，在断层北段及中南段为封闭断层，而在断层中段及南段则为开启断层(图4)。

图3 大柳泉地区沙三下亚段断层侧向封闭下限值确定图

图4 大柳泉地区沙三下亚段断层侧向启闭性示意图

通过上述分析，断层启闭性与油气分布规律具有较好的吻合关系。其中，曹5井位于大柳泉地区中部旧州断层与曹家务断层的交叉部位，根据实际资料模拟，确定控制该井试油层段的断面区域的SGR值为41%～45%(图5)，远大于29%的断层侧向封闭下限值，这说明断层岩中细粒物质达到较高含量时[8,26,27]，可侧向遮挡油气并在断层相关圈闭中聚集成藏，其与曹5井在沙三下亚段(3108.0～3119.8m)钻遇低产油层相吻合。同样，对于位于大柳泉地区中岔口南部的安14井，通过构造地质建模确定其上倾方向断层在沙三下亚段断层岩SGR值变化较大，为3%～97%；且根据目的井试油深度投影及供油半径圈定的断面区域，确定其内断层岩SGR值为6%～44%。如图5所示在构造高部位存在小于断层侧向封闭SGR下限值的渗漏区域，表明断层侧向开启，由该断层形成的相关圈闭表现为无效圈闭，不能遮挡油气成藏，这与安14井在沙三下亚段(1295.6～1297.8m、1380.0～1385.0m)钻遇水层相吻合。

在埋藏较浅的沙三中、上亚段中，由于上覆岩层作用在断面上的正应力较小，断层形成侧向封闭所需的断层岩SGR下限值较沙三下亚段有所增大。根据上述定量评价方法求得断层封闭所需的SGR下限值约为30%。证明了压实成岩程度也是影响断层侧向启闭性的重要因素。断层埋深越大，压实成岩作用越明显，断层侧向封闭的SGR下限值越小。

图5 大柳泉地区典型井含油气性与断层侧向启闭性关系图

5 断层侧向启闭性应用效果验证

为了分析断层侧向启闭性评价结果的准确性，可以从典型断层两侧地层泥地比、地层压力系数及油/气水界面关系等角度开展应用效果验证。

5.1 断层侧向启闭性与地层泥地比关系

断层一旦形成或再次活动后，上、下两盘块体间必定形成断层裂缝[32]，该裂缝同时被断层活动过程中从围岩上刮削下来的岩石碎屑所充填，并伴随大量地层水的注入。在岩压的作用下，断裂充填物中的地层水不断被排出，并缓慢压实形成断层岩[26]。因此，断层岩SGR值的大小在一定程度上受断层两盘围岩地层物性的影响。而围岩地层的物性可用其泥地比来反映，泥地比越高，表明围岩中泥岩层所占比重越大，滑动削截掉入断裂带中的泥质碎屑就越多，断层岩SGR值越大，断层越容易形成侧向封闭。

通过统计大柳泉地区沙三下亚段典型井在断距范围内的地层泥地比，并将其与断层侧向启闭性评价结果相叠合(图6a)，可以发现地层泥地比相对较低的井位多分布在侧向开启断层附近，而泥地比相对较高的井位则分布在侧向封闭断层附近，进一步验证了大柳泉地区沙三下亚段断层侧向启闭性评价结果的准确性。并且，存在一个泥地比界限值0.68(图6b)，当地层泥地比值大于等于该界限值时，井位多受侧向封闭断层控制，钻井含油气性较好；反之则受侧向开启断层控制，钻井含油气性较差。以研究区西北部的固17井为例，沙三下亚段存在三套试油层段(图6c)，其中，1号层段为厚泥薄砂的配置类型，泥地比为0.78，大于断层侧向封闭的泥地比界限值，因而断层在相应断面区域内侧向封闭，试油结论为油层；而2、3号层段为砂、泥薄互层的配置类型，砂地比分别为0.63和0.66，均小于泥地比界限值，因而断层在相应断面区域内侧向开启，试油结论均为水层。

5.2 断层侧向启闭性与地层压力系数关系

受断层封闭或开启状态的影响，在同一地区不同圈闭内地层压力及压力系数关系不同[33]。对于侧向封闭断层，其两侧的油、气、水层受断层分隔互不连通，属于相互独立的压力系统，故断层两侧地层压力及压力系数不同；而对于侧向开启断层，由于其对油气遮挡无贡献作用，仅可作为流体运移的输导通道，故断层两侧的流体相互连通，具有相同的地层压力和压力系数。

图6 大柳泉地区断层侧向启闭性与地层泥地比关系图(a)断层侧向启闭性与井位泥地比关系； (b)断层侧向封闭的典型井泥地比确定图； (c)典型井泥地比与油气关系

联合测井声波时差、地震数据可以对沙三下亚段地层压力数据进行估算[34]，结合静岩压力确定典型井的压力系数。其中，曹5井及曹6井分别位于旧州断层(F1)两盘，通过对断层断距及围岩地层属性模拟，确定F1断层在沙三下亚段断层岩SGR值为36%～47%，为侧向封闭断层(图7)。依据国内常用的地层压力分类方案[35]，曹5井在整个沙三下亚段的压力系数均为1.2～1.5，表现为高压地层；而曹6井则表现为常压—高压地层。两口井的压力系数数值及变化趋势具有明显的差异，验证了F1断层在沙三下亚段是侧向封闭的。

同样，固17井与固古1井分别位于F2断层两盘，通过模拟确定该断层在沙三下亚段断层岩SGR值为16%～33%(图7)，为侧向开启断层。固17井与固古1井在沙三下亚段均表现为常压—高压地层。对比两口井地层压力系数的变化规律，可以发现，在固17井AA′区间与固古1井BB′区间具有较好的相似性(图7)，表明二者处于同一压力系统，验证了F2断层在沙三下亚段是侧向开启的。固17井与固古1井试油结论均为低产油层，油层受北部F3封闭断层的控制。

图7 大柳泉地区断层侧向启闭性与两侧地层压力系数关系图

5.3 断层侧向启闭性与油/气水界面关系

与地层压力及压力系数相似，不同封闭属性断层两侧的油水或气水界面特征不同[36]。对于侧向封闭断层，由于断层的遮挡作用，其两侧油/气层与水层相互独立且互不连通，油/气水界面受构造幅度及储层物性影响具有明显差异；而对于侧向开启断层，低部位一侧油气可穿过断裂带向另一侧运移，故两侧油/气层与水层相互连通，具有统一的油/气水界面。

通过统计大柳泉地区沙三下亚段断层侧向封闭属性、试油结论与储量范围等数据，可以验证断层侧向启闭性评价结果的准确性。泉51井、曹7井、安46井位于研究区中南部，过上述3口井的剖面CC′穿过多条断层(图8)，通过断面属性模拟确定典型井上倾方向断层在沙三下亚段的断层岩SGR值均大于29%，表现为侧向封闭断层。其中，泉51井油水界面海拔为-2667.6m，向东南方向延伸受断层活动影响，沙三下亚段地层不断被抬升，曹7井与安46井油水界面海拔分别为-2626.5m与-1374.0m，不同断块间相互独立，具有不同的油水界面，进一步验证了断层是侧向封闭的。同样，位于旧州断层西部的固131井与固13井均表现为工业气层，通过模拟确定固131井北侧F4断层为一侧向封闭断层，而南侧F5断层为一侧向开启断层(图8)。依据储量综合图及典型地震剖面DD′可知，固131井与固13井所在圈闭均具有明显的上气下水的分布规律，且所在圈闭具有相同的气水界面(海拔-1872.0m)，也验证了F5断层是侧向开启的，其两侧圈闭可统一视为受F4断层遮挡的断层相关圈闭，表明利用SGR下限值法评价断层侧向启闭性是可行的。

图8 大柳泉地区断层侧向启闭性与两侧油/气水界面关系图

6 成藏模式分析

通过上述对大柳泉地区源岩、输导断层、沉积砂体、断层侧向启闭性等分析，可将研究区的成藏模式归纳为：沙三下及沙四上亚段源岩生成油气首先沿输导断层发生垂向运移，受上覆盖层遮挡后，向地层砂地比大于18%的储层中发生侧向分流运移，油气沿断—砂输导体系不断向高部位调整，直至遇到侧向封闭断层、背斜圈闭或不整合面方可形成相应油气藏(图9)。

图9 大柳泉地区油气成藏条件示意图

7 结论

(1)断层岩泥质含量及其压实成岩程度共同控制断层的侧向启闭性。在同一层位内，由于廊固凹陷大柳泉地区地层埋深及厚度变化不大，压实成岩程度对某一亚段内相同活动期次断层作用基本一致，可建立断层侧向封闭的SGR下限值法评价断层侧向启闭性，当断层岩SGR值大于等于29%时，断层侧向封闭可遮挡油气聚集成藏；反之断层侧向开启。在不同层位内，断层埋深越大，压实成岩程度作用效果越明显，断层越容易形成封闭，当各层位地层物性相近时，埋深越大断层侧向封闭的SGR下限值越小。

(2)大柳泉地区地层泥地比、压力系数及油/气水界面关系与断层侧向启闭性评价结果相吻合。①地层泥地比越大，断层岩中泥质成分含量越高，断层越易形成侧向封闭，当目标井地层泥地比大于等于0.68时，其受封闭断层控制概率较大，钻井含油气性较好；②地层压力系数与油/气水界面关系在侧向封闭断层两侧差异较大，在侧向开启断层两侧具有相似性。

(3)大柳泉地区油气成藏模式为：沙三下及沙四上亚段源岩生成油气沿输导断层发生垂向运移，受上覆盖层遮挡后，向砂地比大于18%的目的储层中侧向分流，油气沿断—砂输导体系不断向上调整，直至遇到侧向封闭断层、构造高部位背斜或地层不整合面后聚集成藏。