歧口凹陷断裂构造特征及其控油气作用

魏真真, 王丙贤, 杨 静

(1.中国石油大学胜利学院油气工程学院，东营 257000；2.中石化石油工程设计有限公司，东营 257000；3.中国石油大港油田分公司采油工艺研究院，天津 300280)

“断裂控藏”一直以来都是陆相断陷盆地油气差异聚集的重要研究内容之一[1-2]。歧口凹陷作为黄骅坳陷中北区的主力生烃中心，断裂构造发育，目前已发现大量断块油气藏，因此，断裂构造研究始终贯穿于油气勘探过程，断裂构造对油气的控制作用成为近年来诸多学者研究的热点问题。前人对歧口凹陷的研究主要集中于凹陷形成、演化、板内变形机制，以及物源、构造对沉积体系的控制，新近系油气富集成藏等方面[3-8]，也对帚状断裂及其油气意义进行过相关探讨[9]，但尚缺少对全区断裂构造特征进行系统、全面的研究，尤其缺少几何学、运动学方面的证据。因此，笔者结合歧口凹陷地质、地震等实测资料，选取典型剖面进行构造解析，系统梳理区内断裂构造的平面、剖面几何学特征，并利用断层落差法对主要断层活动性进行定量分析，创新性地将模糊数学定量方法引入断层封闭系数计算，在此基础上进一步确定了主要油源断层及其对油气的控制作用，以期为指导下一步油气勘探提供重要依据。

图2 歧口凹陷古近纪—新近纪断层展布优势方向对比Fig.2 Contrast of dominant directions of fault distribution between Paleogene and Neogene in Qikou Sag

1 区域地质概况

图1 歧口凹陷构造简图Fig.1 Structural sketch of Qikou Sag

歧口凹陷构造位置上位于渤海湾盆地黄骅坳陷中北区，以汉沽断层与其北部的燕山褶皱带相邻，南部向上超覆于埕宁隆起，东侧以沙垒田凸起与渤中坳陷相接，西侧以沧东断裂与沧县隆起相邻(图1)。研究区受燕山隆起、沧县隆起和埕宁隆起三大物源区的影响，基岩为太古界及下元古界变质岩，上覆地层自下而上分别为中-上元古界、古生界、中生界和新生界，总厚度达14 000 m。古近系自下而上包括孔店组、沙三段-沙二段、沙一段、东营组，新近系在本区广泛分布，除厚度差别外，各区岩相区别不大，是良好的储集层。其中，沙河街组和新近系是主要勘探目的层。

2 歧口凹陷断裂构造特征

2.1 断裂构造平面特征

歧口凹陷断裂构造走向以NNE、NE、EW和近EW向4组方向为主，且不同地区断裂带走向差异性明显。沿海岸构造带两侧，断裂带走向方位发生明显变化，其中，西侧陆上以滨海断层、大张坨断层、港东断层、南大港断层、羊二庄断层等为代表，沿NEE、NE走向展布；东侧海域以张东断层、歧东断层、歧中断层、海河-新港断层等为代表转为NW和近EW向，以滨海1号构造带内断层为代表转为NEE向。除走向变化，在断层倾向上发生极性的改变，如歧中断层、歧东断层、张北断层、张东断层等均向北倾，而滨海断层、港东断层、南大港断层等均向南倾。统计对比研究区内不同构造时期的断层走向优势方位发现，古近系沙三段沉积时期断层优势走向为NEE和NE向，沙一段沉积时期断层优势走向为近EW向，至新近系沉积时期，断层优势走向为NEE向(图2)，反映不同构造演化构造应力场的控制作用。

歧口凹陷断裂平面构造样式中，以帚状平面组合样式最为典型，如滨海断裂东段、南大港断裂东段，多条NW向弧形次级断层与主干断层构成“帚状”，西侧收敛，向东侧撒开(图3中①、②)。此外，歧中断层与歧东断层中部可见一系列NWW向次级断层呈明显的雁列式平面组合样式(图3中③)，张北断层主断层两侧分别发育有一组平行式次级断层与其相交，整体构成羽列式平面组合样式(图3中④)，羊二庄断层西侧有近EW向的次级断层与主断层斜交，终止于羊二庄断层，构成典型的斜交式平面组合样式(图3中⑤)。

图3 歧口凹陷T1 750 ms相干体切片解释图Fig.3 Interpretation of coherence slices of T1 750 ms

图4 歧口凹陷断裂剖面构造样式Fig.4 Profile structural style of fault in Qikou Sag

2.2 断裂构造剖面特征

以研究区三维地震资料为基础，运用几何学、运动学特征分析，对歧口凹陷断裂构造的剖面构造样式进行系统研究。过歧口凹陷的南-北向剖面显示，研究区发育典型的伸展构造样式、伸展-走滑构造样式，且自南向北表现出明显的差异性。其中，南部埕北断阶带发育典型的伸展构造样式，以羊二庄断层、张东断层、歧中断层和歧东断层等几条规模较大的断层为代表，剖面上均为北倾正断层，断面呈板状或铲状，节节北掉，构成南高北低的阶梯状断层组合[图4(a)]；中部歧北凹陷、北大港潜山均发育典型的伸展构造样式，岐北凹陷显示半地堑结构，北大港潜山构造带中段显示地垒结构[图4(b)]；中北部北大港潜山东部发育典型的伸展构造样式，过该区NNW-SSE向剖面显示，主干断层和与其上盘的多条低级别断层构成复杂的多级Y字型组合样式[图4(c)]；北部新港潜山发育典型的伸展构造样式和伸展-走滑构造样式，过海河断层的SN向剖面显示典型的同向Y字型组合样式[图4(d)]；以新港断层、海河断层为主干走滑断层，浅部表现为向上分叉、撒开的正断层，构成典型的负花状构造[图4(e)]。

3 主要断层活动性分析

断层既是油气垂向运移的主要通道，也是构造圈闭的重要遮挡条件，而断层活动性成为其中重要的控制因素[10-12]。因此，通过主要断层活动性分析，定量表征断层运动学特征，对进一步深入探讨其控油作用具有关键意义。目前，用于定量表征断层活动性的方法有断层落差、断层生长指数、断层活动速率等[13]，这里主要通过断层落差计算来表征岐口凹陷断层活动性。其基本原理为：在沉积补偿前提下，不考虑沉积压实，断层两盘同一岩层厚度之差即为断层活动造成的构造沉降[14]。选取歧口凹陷3条典型构造剖面(图5)，编制构造演化平衡剖面，以此为基础，采用断层落差方法对研究区内12条主要控洼断层Es3—Nm沉积时期的断层活动性进行定量分析(表1)。研究表明，歧口凹陷断层的活动性具有明显的分段特征，其中，Es3时期、Es1时期和Ed时期断层活动性强，Ng时期以来断层活动性明显减弱。

图5 歧口凹陷典型地质剖面(剖面位置详见图1)Fig.5 Typical geological section of Qikou Sag (section location detailed as Fig.1)

表1 歧口凹陷主要断层活动性分析

续表1

4 油源断层确定及其控油气作用

4.1 主要油源断层的确定

断层是沟通深部源岩与浅部储层的重要通道，其垂向输导性存在多种影响因素。成为油源断层需同时满足：具有高孔、高渗的断裂带物质结构；断层活动时期与生排烃时期相匹配；断层连通主要源岩层系或与连通源岩层系的断层相连通，三者缺一不可[15-17]。岐口凹陷以沙三段(Es3)、沙一段(Es1)和东三段(Ed)为主力烃源岩层系。前述12条控洼断层中，除南部的羊二庄断层、赵家堡断层和扣村断层外，均断至沙三段(Es3)，均有可能成为直接油源断层。当断层对应生排烃期活动时，常具有开启性，成为纵向上油气运移的重要通道，运移至浅层圈闭成藏，而断层对应生排烃期已停止活动时，断层带中常被矿物充填或胶结，纵向上对油气具有封堵作用。因此，只有活动时期与油气生排烃时期相匹配的断层，才有可能成为油源断层[18-20]。岐口凹陷具有长期成藏的特点，存在Es1末—Ed、Ng—Nm两个生排烃期。结合前述断层活动性分析发现，Es1末—Ed期，断层活动性较强(图6)，油气可从沙三段烃源岩系运移至沙二段、沙一段和东营组，不利于油气聚集，未成为研究区主要成藏期。至Ng—Nm时期，仅港东断层、歧中断层、南大港断层、张东断层和歧东断层活动性较强，成为油气纵向运移的重要通道，而研究区其他断层整体活动性减弱。同时，断层活动较弱有利于油气聚集成藏，使此阶段成为研究区主要的成藏期。基于此，笔者依据木桶理论的“短板效应”原理，分别从断层与沙二段、沙一段和东营组源岩的沟通情况、断层活动与生排烃期的匹配关系(图7)等方面对岐口凹陷12条主要断层进行了综合评价，最终确定出岐口凹陷油气藏的主要油源断层为涧南断层、海河断层、大张坨断层、港东断层、歧中断层、南大港断层、歧东断层。

4.2 断层对油气的控制作用

断层垂向输导为油气由深部向浅部运移提供了重要通道，而断层侧向封堵是断层油气藏及断层复合油气藏成藏不可缺少的条件[21-23]。岐口凹陷油气藏中，断层油气藏占有重要地位，因此，断层对油气的侧向封堵成为研究区油气成藏的关键因素。

前人对歧口凹陷构造应力场特征进行了系统研究，研究表明，Es1时期、Ed时期、Nm时期和Q时期的主压应力方向分别为NE87°、NE77°、SE178°、NE71°[24-25]。前已述及，歧口凹陷的断层走向主要有NNE、NE、EW和近EW向4组方向，但不同地区断层走向差异性较大。基于此，笔者采用模糊定量统计方法，即主压应力方向与断层展布方向夹角越小，则断层开启性越强、封闭性越差，用较小的系数表示；反之，主压应力方向与断层展布方向夹角越大，则断层开启性越差、封闭性越好，用较大的系数表示(表2)。前述歧口凹陷内主要断层均具有继承性活动，可依据断层与主压应力之间的夹角换算出Es1时期、Ed时期、Nm时期和Q时期的封闭系数，进而得出新生代以来的平均封闭系数(表3)。结果表明， NNE向断层封闭性最好，封闭系数为3.50；其次为NE向断层，封闭系数为2.50；EW向和NEE向断层封闭性较差，封闭系数小于2.0。

图6 岐口凹陷主要断层最大古落差直方图Fig.6 Histogram of maximum paleo-drop of main faults in Qikou Sag

图7 岐口凹陷断裂活动与油气成藏事件匹配关系图Fig.7 Matching diagram of fault activity and oil-gas accumulation events in Qikou Sag

表2 最大主压应力与断裂走向夹角所对应的封闭系数取值

表3 岐口凹陷主要断层封闭系数测算表

5 结论

(1)地震资料解释研究表明，歧口凹陷断裂构造平面上以NNE、NE、EW和近EW向4组走向为主，不同构造时期优势方位差异性明显，Es3时期NEE和NE向为主，Es1时期以近EW向为主，新近纪时以 NEE向为主；剖面上发育典型的伸展构造样式、伸展-走滑构造样式，南部发育阶梯状断层组合，中部发育半地堑和地垒，中北部发育多级Y字型组合样式，北部发育同向Y字型组合样式和负花状构造。

(2)断层落差分析定量描述了歧口凹陷断层的活动性。歧口凹陷断层分段性明显，总体表现为沙三段、沙一段和东营组沉积时期活动性较强。其中，大神堂断层、涧南断层、大张坨断层、港东断层、南大港断层、歧东断层、张东断层和赵家堡断层在Es3时期达到峰值，海河断层、扣村断层在Ed时期达到峰值，歧中断层、羊二庄断层在Ed时期达到峰值，馆陶组沉积以来总体活动性减弱。

(3)断层综合评价研究确定出岐口凹陷油气藏的主要油源断层为涧南断层、海河断层、大张坨断层、港东断层、歧中断层、南大港断层、歧东断层。

(4)模糊定量统计明确了歧口凹陷主要断裂构造的控油作用。Es1—Ed时期歧口凹陷主要断层的封闭系数均较低，不利于油气成藏；Ng—Nm时期主干断层封闭系数均较高，以4～6为主，明显优于Ed时期，成为歧口凹陷油气成藏与分布的主控因素。