渤海湾盆地冀中坳陷大柳泉地区F8断裂不同时期输导油气能力对油气成藏贡献

于英华，陈达，袁红旗，张亚雄，曹文瑞

1)东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆，163318；2)中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京，100083

内容提要: 为了研究渤海湾盆地冀中坳陷大柳泉地区F8断裂附近油气分布规律，在F8断裂不同时期输导油气通道及分布特征研究的基础上，通过F8断裂活动期伴生裂缝通道及停止活动后凸面脊通道输导油气能力评价，结合F8断裂附近油气分布规律，对F8断裂不同时期输导油气能力对成藏贡献进行了研究，结果表明：F8断裂第二条伴生裂缝通道输导油气能力明显强于第一条伴生裂缝通道输导油气能力，第二条伴生裂缝通道输导油气能力从沙四上亚段(即古近系沙河街组四段上亚段，余类推)至沙三中亚段增强，从沙三中亚段至沙三上亚段减弱，而第一条伴生裂缝通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段增强较慢，从沙三中亚段至沙三上亚段输导油气能力增强较快。F8断裂第1、2条凸面脊通道输导油气能力明显较第3、4条凸面脊通道输导油气能力要强，第1条凸面脊通道输导油气能力从沙三下亚段至沙三中亚段明显减弱，但从沙三中亚段至沙三上亚段变化不大，第2条凸面脊通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段增强，从沙三中亚段至沙二段减弱，从沙二段至馆陶组快速增强；第3条凸面脊通道输导油气能力由沙四上亚段至沙三下亚段变化不大，从沙三下亚段至沙三上亚段快速增大，从沙三上亚段至沙二段变化不大，从沙二段至馆陶组快速减小。第4条凸面脊通道疏导油气能力从沙三下亚段至沙三上亚段快速增加，从沙三上亚段至沙二段快速减小，从沙二段至馆陶组减小缓慢。F8断裂活动期伴生裂缝通道输导油气能力对成藏的贡献无论是在平面上还是在剖面上均大于停止活动后凸面脊通道输导油气能力对成藏的贡献。

大柳泉地区是位于渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷西南部的一个大型鼻状构造带，走向为北东走向，南北长约28 km，东西宽约37 km，面积约为500 km2。该区从下至上发育的地层有古近系、新近系及第四系，古近系地层有孔店组、沙河街组、东营组，新近系有馆陶组和明化镇组。F8断裂位于大柳泉地区东北部旧州断裂内，旧州断裂带主要由F1至F1212条断裂构成，均是在NWW—NEE方向拉张应力作用下伴随着大柳泉背斜构造形成而形成的正断裂(图1)，其断裂特征如表1所示。目前在F8断裂附近的沙三、四段(即古近系沙河街组三段、四段，余类推)地层中已找到了大量油气(图2)。油源对比结果表明，其油气主要来自下伏沙四段源岩，属于下生上储式生储盖组合。然而，F8断裂附近不同层位油气富集程度不同，油气主要富集在沙三中亚段，其次是沙三下亚段和沙三上亚段，最少是沙四上亚段。平面上油气分布特征也不相同，油气主要分布在其中西部，少量分布在东部。这一油气富集及分布特征除了受到F8断裂附近圈闭和砂体是否发育的影响外，很大程度上是受到了F8断裂不同时期输导油气能力对油气成藏贡献大小不同的影响所致。因此，能否正确地认识F8断裂不同时期输导油气能力对油气成藏的贡献，对于正确认识其附近油气分布规律及指导油气勘探均具有重要意义。关于断裂输导油气能力前人曾做过一定研究和探讨，归纳起来主要表现在以下两个方面：第一个方面是根据断裂在油气成藏期古活动速率的相对大小，研究断裂活动时期断裂输导油气通道(Ligtenberg, 2005；姜丽娜等，2009；庄新兵等，2012；付红军等，2014；蒋有录等，2015；于英华等，2019),认为断裂古活动速率相对较大部位，伴生裂缝相对发育，应是断裂活动时期输导油气通道。再者是根据断裂古活动速率相对大小及其他断裂发育特征，对断裂活动时期输导油气能力进行评价研究，并讨论断裂活动时期输导油气能力对油气成藏的贡献(Caine et al., 1996；邓津辉等，2008；付广等，2016；Navas-Lopez et al., 2019；蒋有录等，2020)。第二个方面是根据断裂断层面产状特征，利用断层面油气势能场分布特征，研究断裂停止活动后输导通道(Yielding et al., 1997；杨德相等，2017；付广等，2017；袁红旗等，2019；蒋有录等，2020)，认为断裂凸面脊应是断裂停止活动后输导油气通道，再者是根据断裂凸面脊发育特征，结合其他断裂发育特征，对断裂停止活动后输导油气能力进行评价，并探讨断裂停止活动后凸面脊通道输导油气能力对油气成藏贡献(Yielding et al., 1997；蒋有录等，2011；王辉等，2011；孙永河等，2013；付广等，2017)。以上这些研究成果对正确认识含油气盆地下生上储式断裂附近油气分布规律及指导油气勘探起到了非常重要的作用。然而，上述研究对断裂不同时期输导油气能力评价均是分开进行的，而且没有研究断裂不同时期输导油气活动对油气成藏的贡献，难以准确地反映地下断裂附近油气分布规律，给断裂附近油气勘探带来了一定的风险。因此，开展F8断裂不同时期输导油气能力对油气成藏贡献研究，对于正确认识其附近油气分布规律及指导油气勘探均具有重要意义。

图1 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂发育及沙三、四段油气分布关系图Fig. 1 Fault F8 development and hydrocarbon distribution relationship of Es3 and Es4 ’s in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

图2 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区过F8断裂油藏剖面图Fig. 2 Profile of oil reservoir passing through fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

表1 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区主要油源断裂几何学特征

1 F8断裂不同时期输导通道及其分布特征

大柳泉地区油气成藏期主要为沙二段—东营组沉积时期，其次是馆陶组—明化镇组沉积时期(邹华耀等，2001；宋荣彩，2008；刁帆等，2014；胡欣蕾等，2018；刘峻桥等，2019)。断裂活动时期为沙二段，可作为断裂活动时期研究其输导油气能力，而明化镇组沉积末期断裂已停止活动，可作为断裂停止活动后时期研究其输导油气能力。

1.1 F8断裂伴生裂缝通道及其分布特征

断裂活动时期输导油气通道主要为伴生裂缝，但由于受到目前研究手段的限制难以直接确定出断裂伴生裂缝发育部位，只能借助于间接方法进行预测。具体方法是利用三维地震资料统计F8断裂在不同层位内的断距，利用最大断距相减法(Dutton et al., 2009)恢复油气成藏期—沙二段沉积时期F8断裂在不同层位内的古断距，再除以断裂活动时期，便可以得到不同层位内F8断裂古活动速率(图2)，由图2中可以看出，F8断裂古活动速率相对较大部位主要分布在其中东部，其次是中西部，东西端部古活动速率最小。然后根据大柳泉地区已知井点处断裂古活动速率与其附近油气分布关系(周心怀等，2009)，取含油气处最小的断裂古活动速率，作为伴生裂缝发育所需的最小古活动速率，约为10 m/Ma。最后将F8断裂古活动速率大于伴生裂缝发育所需的最小古活动速率的部位圈在一起，即为F8断裂伴生裂缝通道发育部位(图3)。由图3中可以看出，F8断裂有伴生裂缝发育部位，一处主要分布在其中部较大部位，另一处仅分布在西部边部。将F8断裂在不同层位内伴生裂缝发育部位连接起来，便可以得到F8断裂伴生裂缝通道分布(图4)，由图4中可以看出，F8断裂主要发育2条伴生裂缝通道，其中第1条伴生裂缝通道相对发育，宽度大；而第2条伴生裂缝通道相对不发育，宽度相对较窄。

图3 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂伴生裂缝发育部位厘定图Fig. 3 Calibration of development position of associated fracture for Fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

图4 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂2条伴生裂缝通道分布图Fig. 4 Distribution of two associated fracture channels for Fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

1.2 F8断裂凸面脊通道及其分布特征

利用三维地震资料追索F8断裂断层面空间分布，由不同层位现今埋深,利用地层古埋深恢复方法(庞雄奇等，1991)恢复其在停止活动后—明化镇组沉积末期的古埋深，由式(1)计算其古油气势能值(KJ)，由其古油气势能等值线法线汇聚线，便可以得到F8断裂凸面脊通道分布(图5)。由图5中可以看出，F8断裂发育4条凸面脊通道。第2和第3条凸面脊通道分布在其中部，第1条凸面脊通道分布在其中西部，第4条凸面脊通道分布在东北边部，第1、2条凸面脊通道宽度相对较大，而第3、4条凸面脊通道宽度相对较小。

图5 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂凸面脊通道分布图Fig. 5 Distribution of convex ridge channel for Fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

Φ=gz+p/ρ

(1)

式中：Φ— 断层面古油气势能值，kJ；z— 断层面古埋深，m；p— 断层面流体压力(MPa)，可利用ρwZ求取，ρw地层水密度，g/cm3；ρ— 油气密度，g/cm3；g— 重力加速度，m/s2。

2 F8断裂不同时期输导油气能力及其分布特征

由于断裂活动时期与停止活动后输导通道不同，影响其输导能力的因素也就不同，其输导油气能力及其分布特征也就不同。

2.1 F8断裂伴生裂缝通道输导油气能力及其分布特征

断裂伴生裂缝通道输导油气能力主要受到其宽度、倾角、断裂古活动速率和被其错断地层泥质含量多少(脆塑性)的影响。伴生裂缝通道宽度、倾角和断裂古活动速率越大，被其错断地层泥质含量越小，伴生裂缝通道输导油气能力越强，反之越弱。可据此关系用式(2)综合反映断裂伴生裂缝通道输导油气能力，由式(2)中可以看出T1值与α、l、θ成正比，与Rm成反比，T1值越大，断裂伴生裂缝通道输导油气能力越强；反之伴生裂缝通道输导油气能力则越弱。

T1=a·l·(1-Rm)·sinθ

(2)

式中：T1— 断裂伴生裂缝通道输导油气能力评价参数；a— 伴生裂缝通道平均古活动速率，m/Ma；l— 伴生裂缝通道宽度，m；Rm— 被错断地层泥质含量；θ— 断裂倾角。

式(2)中的α、l、θ和Rm可以利用钻井和地震资料确定(表2)。将其带入式(2)中便可对F8断裂2条伴生裂缝通道输导油气能力进行评价(表2，图6)，由图6中可以看出，F8断裂2条伴生裂缝通道输导油气能力相差较大，第1条伴生裂缝通道输导油气能力相对较弱，输导能力评价参数最大只有60(图6a)，而第2条伴生裂缝通道输导油气能力相对较强，输导能力评价参数最大可达到近1000(图6b)，F8断裂2条伴生裂缝通道在不同层位内输导油气能力具有不同的变化特征，第2条伴生裂缝通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段增强，但从沙三中亚段至沙三上亚段输导油气能力减弱，主要是由于a和D值大小变化所致(图6a)。而第1条伴生裂缝通道输导油气能力由沙四上亚段至沙三中亚段增强较慢，从沙三中亚段至沙三上亚段输导油气能力增强较快，主要是由a值大小变化所致(图6b)。

图6 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂在不同层位伴生裂缝通道输导油气能力变化特征Fig. 6 Characteristics of hydrocarbon transport capacity for Fault F8 associated fracturesin different layers in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

表2 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂在不同层位伴生裂缝通道输导油气能力评价参数特征

2.2 F8断裂凸面脊通道输导油气能力评价

断裂凸面脊通道输导油气能力主要受凸面脊宽度、高度、断裂倾角和断裂填充物泥质含量的影响，凸面脊宽度、高度、断裂倾角越大，断裂填充物泥质含量越小，断裂凸面脊通道输导油气能力越强；反之则越弱。可据此关系用式(3)综合反映断裂凸面脊通道输导油气能力，由式(3)中可以看出，T2与b、h、θ成正比，而与Rf成反比，T2值越大，表明断裂凸面脊通道输导油气能力越强；反之断裂凸面脊通道输导油气能力则越弱。

T2=b·h·(1-Rf)· sinθ

(3)

式中：T2— 断裂凸面脊通道输导油气能力评价参数；b— 凸面脊通道宽度，m；h— 凸面脊通道高度，m；Rf— 断裂填充物泥质含量；θ— 断裂倾角。

式(3)中的b、h、θ可利用钻井和地震资料确定(表3)，Rf可利用钻井和地震资料统计断裂断距和被其错断地层岩层厚度及泥质含量，由式(4)计算获得(表3)。

表3 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂在不同层位凸面脊通道输导油气能力评价参数特征

(4)

式中：Rf— 断裂填充物泥质含量；Ri— 层位i的地层泥质含量；Hi— 层位i的地层厚度，m；n— 被断裂错开地层层数；L— 断裂垂直断距，m。

将上述参数代入式(4)中便可对F8断裂4条凸面脊通道输导油气能力进行评价(表3，图7)，由图7中可以看出，F8断裂第1条和第2条凸面脊通道输导油气能力相对较强，输导油气能力评价参数可达到100以上，而第3、4条凸面脊通道输导油气能力相对较弱，输导油气能力评价参数最大只有90。第1条凸面脊通道输导油气能力从沙三下亚段至沙三中亚段快速减小，从沙三中亚段至馆陶组变化不大，主要是H和L2值大小变化所致(图7a)；第2条凸面脊通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段逐渐增强，从沙三中亚段至沙二段逐渐减弱，从沙二段至馆陶组快速增强，主要是H值大小变化所致(图7b)；第3条凸面脊通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三下亚段变化不大，从沙三下亚段至沙三上亚段逐渐增强，沙三上亚段至沙二段变化不大，从沙二段至馆陶组逐渐减弱，主要是H值大小变化所致(图7c)；第4条凸面脊通道输导油气能力从沙三下亚段至沙三上亚段逐渐增强，从沙三上亚段至沙二段快速减小，从沙二段至馆陶组缓慢减小，主要是H和SGR值大小变化所致(图7d)。

图7 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂在不同层位凸面脊通道输导油气能力变化特征Fig. 7 Variation characteristics of hydrocarbon transport capacity for Fault F8 convex ridges in different layers in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

3 F8断裂不同时期输导油气能力对油气成藏的贡献

由图8中可以看出，F8伴生裂缝通道输分布与油气平面分布关系明显较凸面脊通道分布与油气平面分布关系密切，主要表现在西部，伴生裂缝通道处有油气聚集成藏，而无凸面脊通道处也有油气聚集成藏，伴生裂缝通道输导油气能力对平面上成藏贡献也要大于凸面脊通道输导油气能力对平面上成藏的贡献，主要表现在其中西部和东北部，伴生裂缝通道输导油气能力强，油气聚集范围相对较大，对油气聚集成藏贡献相对较大，而凸面脊通道输导油气能力相对弱，所形成的油气聚集范围相对较小，对油气成藏贡献相对较小。这主要是由于断裂伴生裂缝较断裂凸面脊填充物孔隙有更高的孔渗性，更加有利于输导油气进行聚集成藏所致。

图8 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂不同时期输导油气能力与油气平面分布关系图Fig. 8 the relationship between plane distribution of hydrocarbon and the hydrocarbon transport capacity in different period for Fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

由图9中可以看出，F8断裂伴生裂缝通道输导油气能力与剖面油气分布关系也较凸面脊通道输导油气能力与剖面油气分布关系密切。主要表现在从沙四上亚段至沙三中亚段F8断裂第2条伴生裂缝通道输导油气能力增强，输导油气量增多，有利于油气聚集成藏，造成目前已找到的油气从沙四上亚段至沙三中亚段逐渐增加，从沙三中亚段至沙三上亚段伴生裂缝通道输导油气能力减弱，输导油气量减少，不利于油气聚集成藏，造成目前已找到的油气从沙三中亚段至沙三上亚段逐渐减少，伴生裂缝输导油气能力与油气剖面分布有着较好对应关系。而凸面脊通道只有第2条输导油气能力与剖面油气分布有一定关系，但其余3条凸面脊通道输导油气能力与剖面油气分布均无关系，甚至关系相反。这也表明，伴生裂缝通道输导油气能力对于剖面上成藏的贡献大于凸面脊通道输导油气能力对剖面上油气成藏的贡献，是因为伴生裂缝通道疏导油气能力较凸面脊填充物孔隙输导油气能力强的缘故。

图9 渤海湾盆地冀中坳陷廊固凹陷大柳泉地区F8断裂不同时期输导油气能力与油气剖面分布关系图Fig. 9 the relationship between profile distribution of hydrocarbon and the hydrocarbon transport capacity in different period for Fault F8 in Daliuquan area, Langgu Sag, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin

4 结论

(1)F8断裂发育2条伴生裂缝通道，第1条分布在其西部边部，第2条分布在其中部，F8断裂发育4条凸面脊通道，第2、3条凸面脊通道分布在其中部，第1条凸面脊通道分布在中西部，第4条凸面脊通道分布在东北边部。

(2)F8断裂第2条伴生裂缝通道输导油气能力明显强于第1条伴生裂缝通道输导油气能力，第2条伴生裂缝通道输导油气能力从沙四上亚段(即古近系砂河街组四段上亚段，余类推)至沙三中亚段增强，从沙三中亚段至沙三上亚段输导油气能力减弱，第1条伴生裂缝通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段增强较慢，从沙三中亚段至沙三上亚段输导油气能力增强较快。

(3)F8断裂第1条凸面脊通道输导油气能力从沙三下亚段至沙三中亚段快速减小，从沙三中亚段至馆陶组变化不大；第2条凸面脊通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三中亚段逐渐增强，从沙三中亚段至沙二段逐渐减弱，从沙二段至馆陶组快速增强；第3条凸面脊通道输导油气能力从沙四上亚段至沙三下亚段变化不大，从沙三下亚段至沙三上亚段逐渐增强，沙三上亚段至沙二段变化不大，从沙二段至馆陶组逐渐减弱；第4条凸面脊通道输导油气能力从沙三下亚段至沙三上亚段逐渐增强，从沙三上亚段至沙二段快速减小，从沙二段至馆陶组缓慢减小。

(4)F8断裂伴生裂缝通道输导油气能力对成藏的贡献无论是平面上还是剖面上均大于凸面脊通道输导油气能力对成藏的贡献。