渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区油源断裂垂向输导能力定量评价

刘峻桥，王 伟，吕延防，付 广

(1. 广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000；2.广东省非常规能源工程技术研究中心 广东石油化工学院，广东 茂名 525000；3.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318)

随着油气勘探的不断深入，断裂作为油气垂向运移的通道已得到石油地质工作者的广泛认可[1-3]。断裂是多期构造运动和地质流体作用形成的复杂三维地质体[4-5]，大量研究已证实，断裂具有断层核和破碎带的二元结构[6-8]，其复杂的结构特征导致其不仅可以作为油气运移的输导通道[9-10]，还可以为油气聚集提供遮挡条件[11-12]。并非所有的断裂都能作为油气垂向运移的输导通道，只有沟通源岩和储层并且在油气成藏关键时期活动的断裂才可以作为油气运移的输导通道，即油源断裂[13]。不同断裂或同一断裂不同部位的输导能力存在明显差异。

国内外学者认为断裂输导能力的影响因素主要包括断裂带内部结构[6,14]、断裂输导油气运移动力[9,15]和断裂输导油气运移时期[16]等方面，并从早期的定性分析逐步向定量研究的思路转变[17-20]，但关于断裂输导能力定量评价的研究仍相对薄弱。本文在前人研究的基础上，针对不同断裂及同一断裂不同部位输导能力的差异性，以三维地震为基础，结合影响断裂输导能力的多重因素和油田实际生产资料，建立断裂垂向输导油气能力的定量评价方法，以期丰富断裂控藏理论，并为油田勘探提供理论依据。

1 地质背景

廊固凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷北部，大柳泉构造带是廊固凹陷西部富烃洼槽内重要的油气聚集带，是南部牛驼镇凸起强烈抬升作用及北部桐南洼槽持续下降的区域构造运动影响下形成的大型反转鼻状构造带，勘探面积约为550 km2。该区油气主要富集在石家务、柳泉、中岔口、王琚、曹家务、琥珀营、旧州、石佛寺和固安等11个局部背斜和断鼻构造内(图1)。油源对比结果表明，油气主要来自古近系沙河街组沙四上亚段和沙三下亚段源岩[21]，沙三中亚段、沙三上亚段、沙二段和沙一段地层是大柳泉地区主要含油气层系，属于典型的下生上储式生储盖组合。大柳泉地区构造运动强烈，断裂以北东向为主，目前发现的油气藏主要围绕断裂分布。但不同断裂或同一断裂不同部位富油程度存在明显差异，有发现高产油气藏的王琚背斜和柳泉背斜，同时也有钻探失利的曹家务东和中岔口西地区，油气分布受断层控制明显(图1a)。这种复杂构造背景下油气沿断裂分布关系，迫切需要从断裂输导能力的角度对其进行合理的解释。

2 油源断裂厘定

廊固凹陷断裂经历了孔店组—沙二段沉积时期伸展变形、沙一段—东营组沉积时期的走滑伸展变形和新近纪以来的张扭变形3个阶段。这种断层三期三性质的变形特征，决定了廊固凹陷发育6种类型断裂系统[13,20](图1b)：①仅在伸展变形时期活动的早期伸展断裂系统(Ⅰ型)；②仅在走滑伸展变形时期活动的中期走滑伸展断裂系统(Ⅱ型)；③仅在新近系张扭变形时期活动的晚期张扭断裂系统(Ⅲ型)；④伸展变形时期和走滑伸展变形时期均活动的早期伸展—中期走滑断裂系统(Ⅳ型)；⑤走滑伸展变形时期和张扭变形时期均活动的中期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅴ型)；⑥伸展变形时期、走滑伸展变形时期和张扭变形时期均活动的早期伸展—中期走滑—晚期张扭断裂系统(Ⅵ型)。

大柳泉地区沙三段主要发育早期伸展断裂系统(Ⅰ型)和早期伸展—中期走滑伸展断裂系统(Ⅳ型)和早期伸展—中期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ型)(图1a，图2)。前人研究表明，沙二段沉积早期至馆陶组沉积中期是大柳泉地区油气成藏关键时期[21]，Ⅳ型断裂系统和Ⅵ型断裂系统在此时期活动，部分沟通了沙四上亚段或沙三下亚段烃源岩和上覆储层的Ⅳ型和Ⅵ型断裂，可以作为大柳泉地区油气垂向运移的油源断层(图2)。

图1 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区断裂系统分布特征Fig.1 Characteristics of fault system distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

图2 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区典型剖面剖面位置见图1。Fig.2 Typical profile of Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

3 断裂垂向输导能力影响因素

断裂垂向输导油气能力受油气来源、运移动力、断裂活动时期以及断裂几何学和运动学特征等多方面因素控制[22]。因此，笔者从这些方面出发对断裂垂向输导油气能力的影响因素加以分析，并结合油源断裂和实际油气分布关系，总结出大柳泉地区断裂垂向输导能力影响因素的主要评价参数。

3.1 断裂活动强度

断裂活动强度作为断裂输导能力评价的重要参数在渤海湾盆地大部分地区已得到广泛应用[18,23-25]。研究表明，断裂带的宽度与断裂断距呈正相关关系[26]，因此，油气沿断裂带运移过程中，若断裂断距越大，其对应发育的断裂带宽度越大，越有利于油气沿断裂带运移。此外，断裂垂向输导油气通常发生在源岩大量排烃期之后油气大规模运移期，构造应力是油气沿断裂运移的重要驱动力[27-28]，同时也是断裂形成的直接原因，断裂的形成是多次地震事件累加的结果[29]，若成藏期断裂活动强度大，表明其受到的构造应力越大或经历的构造事件越多，为油气运移提供的动力也就越大，有利于断裂垂向输导油气。综上，可以用成藏期断裂活动速率这一参数，表征运移动力、断裂活动时期、断裂带内部结构和断裂运动学特征对断裂垂向输导能力的影响，只有断裂活动强度处于合适的范围内才有利于油气运移。

大柳泉地区沙三段储层上覆盖层沉积厚度大，能够为油气聚集提供良好的封盖条件。应用最大断距相减法[30]，定量恢复大柳泉地区油源断裂沿走向各个部位成藏期断裂活动速率，结果表明，油源断裂成藏期活动速率一般为0～40 m/Ma之间，断裂活动速率高值段，断裂活动强烈，断裂带宽度和构造应力较大，油源断裂输导能力强，有利于油气在断裂活动速率高的部位聚集成藏(图3)。以旧州断裂为例，沿该断裂走向成藏期断裂活动速率大于10 m/Ma的部位，断裂输导能力较强，是油气主要的聚集部位；而断裂活动速率小于10 m/Ma的区域，油气富集程度较低，甚至无油气富集(图4)。

3.2 异常压力

如果烃源岩内存在异常高压，在成藏期断裂活动开启时，超压作为潜在的运移动力可以为油气沿断裂运移提供动力[22]。当源岩层内异常压力积累到一定程度时，断裂开启形成压力释放区，烃源岩生成的油气在超压驱动下，向断裂压力释放区汇聚，超压流体释放，压力降低，断裂闭合，之后流体压力进一步积累，导致断裂再开启释放，周而复始，这就是超压驱动下断裂输导油气的“地震泵”抽吸作用[27]。大柳泉地区沙四上亚段和沙三下亚段烃源岩层超压普遍发育，多期裂陷活动导致沉积中心的迁移，形成了石佛寺断鼻和柳泉—柳泉东背斜2个超压中心，由超压中心强超压带(压力系数1.27～1.73)向四周地区逐渐变为弱超压地区(压力系数1.06～1.27)和低—常压带(压力系数0.96～1.06)，油气主要富集在异常压力较大的地区(图3)。

3.3 充足的油源

充足的油源是断裂垂向输导油气的物质基础。

图3 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区异常压力、断裂活动速率与油气分布关系Fig.3 Relationship between abnormal pressure, fault activity rate and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

图4 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区旧州断裂活动速率与油气聚集关系测线位置见图3。Fig.4 Relationship between fault activity rate and hydrocarbon accumulation of Jiuzhou Fault in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

大柳泉鼻状构造带位于廊固凹陷富烃洼槽内，研究表明，廊固凹陷内烃源岩品质无明显差异，大规模发育的烃源岩有利于断裂垂向输导油气，造成断裂输导油气供给量差异的主要原因是源岩层内砂体“中转站”的发育。断裂作为一个三维地质体深入源岩层内，与烃源岩接触面积有限，在成藏关键时期会导致源岩供烃量不足，油气在上覆储层零星分布的情况。若源岩层内油源断裂根部发育砂岩“中转站”，则大大提高了油源断裂与烃源岩层的接触面积[31]，“中转站”内汇聚的油气在油气成藏期可以为油源断裂提供充足的油气来源。同理，可以用源岩层内砂体厚度来表征断裂在深入源岩层段的中转能力。大柳泉地区沙四上亚段和沙三下亚段源岩层内砂体普遍发育，厚度一般在0～600 m，以柳泉背斜处砂体厚度最大，达600 m以上，其次为王琚背斜附近，砂体厚度约为290 m。对比源岩层内砂体发育规模与油气分布关系发现，下伏源岩层内砂体厚度大于50 m的区域，其上覆储层内油气富集程度较高；而在砂体厚度发育较小的部位，油气零星分布(图5)。

3.4 断裂优势输导通道

同一条油源断裂断面往往表现出凹凸不平的几何形态，这就导致油气并不是沿整条油源断裂均匀地向上运移，而是优先向低势区汇聚运移。油气沿断层面运移主要表现为平行流、发散流和汇聚流3种形式，分别对应断层面形态为平面、凹面和凸面[1]。其中以汇聚流运移形式的凸面脊发育部位最有利于油气垂向运移，是油气垂向运移的优势输导通道，断裂凸面脊就是以汇聚流形式运移的沿断层面向上断面低势区的连线(图6a)。应用断层面埋深等值线对大柳泉地区油源断裂凸面脊发育部位进行刻画，每条油源断裂凸面脊发育个数不同，如柳泉断裂共发育4条凸面脊(图6b)，在油源和运移动力充足的情况下，油气主要向油源断裂凸面脊发育部位汇聚，在凸面脊附近聚集成藏。断裂凸面脊反映了断裂几何学和运动学特征对输导能力的影响，在油源和动力充足条件下，断裂凸面脊汇聚油气能力主要受其几何特征制约，可以用断裂倾角、凸面脊高度和宽度来表征凸面脊发育规模(式1)。凸面脊发育规模越大，汇聚油气能力越强。

图5 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区源岩层内砂体厚度、油源断裂凸面脊与油气分布关系Fig.5 Relationship between sand thickness in source rock, fault convex ridge and hydrocarbon distribution in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

图6 断面运移油气模式及渤海湾盆地廊固凹陷柳泉断层凸面脊特征Fig.6 Hydrocarbon migration pattern of fault plane and typical convex ridge characteristics of Liuquan fault in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

S=HLsinθ

(1)

式中：S为输导断裂断面脊规模；θ为油源断裂凸面脊倾角；L为凸面脊宽度；H为凸面脊高度。

4 断裂垂向输导能力定量评价

4.1 断裂垂向输导能力定量评价方法

综上分析，大柳泉地区断裂垂向输导能力可以由断裂活动强度、异常压力、砂体“中转站”和断裂凸面脊规模4个参数表征。断裂垂向输导能力大小直接影响到油气藏储量的高低，油气藏储量可以作为评价断裂垂向输导能力的重要指标。根据大柳泉地区多个区块油气分布可以看出,断裂垂向输导能力各影响因素均与油气具有良好的正相关关系(图7)。

断裂垂向输导油气是一个复杂的过程，仅从单一影响因素很难确定断层垂向输导能力，同时，大柳泉地区断裂输导能力4个影响因素具有不同的量纲，因此，通过确定阈值的方法对各影响因素进行无量纲化。由上述研究可知，当断层活动速率大于10 m/Ma时，油气较为富集，因此确定断层活动速率影响断裂输导能力的阈值为10 m/Ma。同理，确定异常压力系数阈值为1.12，砂体厚度阈值为50 m，断面脊规模阈值为0.15 km2(图7)。通过各影响因素值与阈值的比值进行无量纲化处理，得到断层活动速率指数、超压系数指数、砂体厚度指数和断面脊规模指数。在此基础上，可用“断层输导能力评价指数(FTC)”来评价断裂垂向输导能力。

FTC=V0P0T0S0

(2)

式中：FTC表示断层输导能力；V0为断层活动速率指数；P0为超压系数指数；T0为砂体厚度指数；S0为断面脊规模指数。FTC值越大，表明断裂对油气的输导能力越强。

4.2 断裂垂向输导能力综合评价结果

断裂垂向输导能力大小直接影响到油气藏储量的高低，油气藏储量可以作为评价断裂垂向输导能力的重要指标。利用FTC对大柳泉地区断裂垂向输导能力进行评价，并建立实际油气储量与FTC之间的关系，二者之间表现出较好的正相关关系(图8)。表明该方法适用于评价大柳泉地区断层垂向输导能力。

通过大柳泉地区内油源断裂输导能力评价指数的计算，结合大柳泉地区油气储量分布，对该区油源断裂输导油气能力进行定量评价(图9)，油源断裂FTC值大的地区油气较其他地区富集，FTC值小的油源断层附近则几乎无油气富集。

5 结论

(1)大柳泉地区油气以垂向运移为主，Ⅳ型和Ⅵ型断裂系统作为油源断裂是该区油气垂向运移的主要通道。

图7 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区油源断裂输导能力影响因素与储量关系Fig.7 Relationship between influencing factors of source fault transporting ability and reserves in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

图8 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区储量与断层输导能力评价指数关系Fig.8 Contrast of reserve abundance and fault transport ability evaluation index of Daliuquan area in Langgu Sag, Bohai Bay Basin

图9 渤海湾盆地廊固凹陷大柳泉地区油源断层输导能力综合评价Fig.9 Comprehensive evaluation of source fault hydrocarbon transporting ability in Daliuquan area, Langgu Sag, Bohai Bay Basin

(2)断裂输导油气运移时期，断裂呈开启状态，影响其垂向输导能力的主要因素包括运移动力、源岩供烃量以及断裂几何学和运动学特征。结合大柳泉地区地质特征和油气分布规律，可以用断裂活动速率、异常压力、砂体“中转站”规模和断层凸面脊规模4个参数，来表征断裂输导能力影响因素。

(3)大柳泉地区各区块储量与断裂垂向输导能力评价参数存在良好的正相关关系，综合这些断裂输导能力影响因素评价参数回归拟合出断层输导油气能力评价公式，该公式计算结果与实际地质情况吻合良好，表明该定量评价方法具有较好的适用性。