渤中凹陷北部中生界顶面断层破碎带量化研究

陈宇航，张新涛，余一欣，杨 帆，柳永军，张 震，丁 康

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室， 北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院， 北京 102249；3.中国石油长庆油田分公司， 陕西 西安 710018；4.中海石油(中国) 有限公司勘探部， 北京 100010；5.中海石油(中国) 有限公司天津分公司， 天津 300459；6.中国石油西南油气田公司勘探事业部， 四川 成都 610041)

0 引 言

断层是构造活动的主要表现形式之一，对圈闭发育、储层物性、油气运移等成藏条件都有重要影响[1-3]。随着研究的深入，研究者们意识到断层不是通常意义上的单一平面结构，而是具有复杂内部结构和三维特征的岩石变形区域[4]。基于此，将断层划分为断层核以及破碎带两个部分，将这两部分组成的整体称为断层破碎带(fault damage zones)(图1)。Chester和Logan根据观测野外露头，建立了含有单个断层核的断层模式[5](图1(a))；Faulkner等在前人研究的基础上提出了含有多个断层核的断层模式[6](图1(b))。Faulkner等研究显示断层破碎带对地层的力学性质、地震响应特征、油气运移与成藏等方面能产生重要影响[7]，因此量化断层破碎带具有重要意义。前人通过实际观测、数值模拟[8-9]、断地比[10]、分形理论[11]、断面脱空法[12]、地震属性[13-15]等多种方法进行断层破碎带的量化研究，均取得了不错的成果。其中，廖宗湖等学者提出的利用地震方差属性值对断层破碎带进行定量分析的方法[13-15]，相较其他方法更加便捷，且原始资料相对易得。基于廖宗湖等人的研究成果[13-15]，本文利用三维地震数据，提取方差属性值，通过改变测线的布置方式，建立断层破碎带与断层斜距之间的数量关系，对较大区域内的断层破碎带进行量化。相较于前人，本文的方法对量化多条断层破碎带时更加方便易行；同时，结合方差值等值线图和薄片资料，对断层影响强度的平面变化规律进行了讨论。

渤中凹陷是渤海海域最大的生烃凹陷[16]，研究区处于环渤中凹陷的潜山带，是油气勘探的热点区域[17-19]，但中生界火山岩的整体勘探效果不佳。近年来，随着研究程度的深入，研究区部分构造带中生界火山岩测试获得了可观的油气产量，重新掀起了火山岩油气勘探的热潮。构造的改造作用对火山岩储层的发育具有重要意义，构造形成的裂缝系统，对油气的运聚起主要作用[20]。断层是形成裂缝的主要控制因素之一，断层破碎带是断层诱导裂缝发育的主要区域，因此量化断层破碎带对于寻找有利火山岩储层具有指导意义。研究区内目前缺乏对断层破碎带的量化研究，本文的研究工作能够为渤中凹陷北部火山岩油气勘探提供理论基础和科学依据。

1 区域地质概况

渤海湾盆地处于我国华北地区东北部，分为陆地和海域两部分，是典型的新生代裂陷盆地[21]。渤海湾盆地基底经过印支期、燕山期的强烈改造，后期又叠加新生代的伸展裂陷作用，断层成为盆地内最主要的构造表现形式。研究区处于渤海海域中部，北邻辽西低凸起南倾没端，南至石臼坨凸起东倾没端，东西两侧分别受渤中凹陷和秦南凹陷围限(图2)，石油地质条件优越。研究区内中生界白垩系义县组厚层火山岩广泛分布，火山岩主要以火山角砾岩、流纹岩、安山岩、玄武岩和凝灰岩5种岩性为主[22]，零星散布阜新组、沙海组和九佛堂组的碎屑岩。

2 研究方法与结果分析

2.1 研究方法

地震方差属性值量化断层破碎带的基本原理是由于地震方差属性的方差值介于0～1之间，裂缝越发育、破碎程度越强烈的地方，则方差值越接近于1，以方差值最大的地方作为断层核的部位，在确定背景方差值的前提下，由断层核向两侧拓展，直至方差值减小至背景方差值大小时，此范围即为断层破碎带的宽度[13]。

廖宗湖等在利用地震方差属性值量化断层破碎带时，选择与断层走向垂直的任意线作为测线，选择与断层走向近平行的任意线作为基线，断层破碎带的宽度由测线长度根据比例尺计算获得[13](图3(a))。在三维地震测网中，主测线与联络线之间相互垂直，并且任意一条断层都势必会与主测线或者联络线之间呈斜交关系，且当断层与测线斜交时，无论所选测线与断层垂直与否，都不会对最终断层破碎带的量化结果产生影响，因此本文选择过断层的主测线和联络线作为基线和测线(图3(b))。由于本文所选测线与研究区内断层走向为斜交关系，因此本文中所指断距均为斜距。同时由于测网布置的特点，每条主测线或者联络线之间都是等距的，因此在“方差值—距离”曲线图中(图3(a))，可以将横坐标轴简化为主测线或者联络线的线道号(图3(b))，计算断层破碎带的宽度时只需计算断层核方差值向两侧分别延伸至背景方差值之间的总测线数，总测线数与道间距的乘积即为量化结果(联络线道间距12.5 m，主测线道间距25 m)。本方法易于计算且可以避免利用比例尺计算断层破碎带宽度所造成的误差。故本文所述的具体方法为：(1)选择与目标断层斜交角度最大的测线，既可以是主测线，也可以是联络线；(2)大致确定所选主测线(联络线)穿过目标断层破碎带区域的起始联络线(主测线)线道号(图3(b))；(3)取多条穿过目标断层的测线；(4)以所选主测线(联络线)所穿过的断层附近的联络线(主测线)为横坐标，以每条联络线(主测线)与主测线(联络线)交点处的方差值为纵坐标，绘制每条主测线的“方差值—距离”曲线图；(5)选择合适的围岩背景方差值确定断层破碎带宽度。

基于上述方法，在断层解释的基础上，结合方差属性图，选取在方差属性图上显示清晰、且与断层分布图对应良好的A、B、C三条断层为例进行定量分析(图4)，以此排除非断层因素造成的异常方差值对量化结果产生的影响。

根据A、B、C三条断层的规模以及走向，布置不同密度和不同方向的测线，具体测线布置方案为：A、B断层分别布置7条、3条主测线方向的测线，C断层布置3条联络线方向的测线(图4)。

2.2 断层破碎带识别

提取布置测线上所有点的方差值，建立“方差值—距离”曲线图。在“方差值—距离”图上，每一条主测线上的方差值均有多峰特征，表明目标断层均为多核断层。方差值最大的峰值视作断层的主核，越靠近断层的主核方差值越大，主峰宽度越宽表明断层的主核越宽。

量化断层破碎带宽度需要对背景方差值进行选取，背景方差值是经验值，可以有不同的选取方式。廖宗湖等通过对单核断层两侧多个测点的方差值取平均值，将累计方差值散点图中曲率的突变值作为背景方差值[13]。根据研究区实际地质特征，本文选取中生界顶面方差值的平均值(0.2)作为背景方差值。根据背景方差值、主测线道间距(25 m)和联络线道间距(12.5 m)，在“方差值—距离”曲线图中对研究区内不同测线上的A、B、C三条断层破碎带的宽度进行量化，结果如表1和图5所示。

表1 研究区不同测线断距与断层破碎带宽度数据表

2.3 建立断距与断层破碎带宽度的数量关系

当工区内断层数目众多时，利用“方差值—距离”曲线图的方法对各个断层的量化工作过于繁杂。在实际工作中，断层的断距数据最容易获得，因此我们在通过“方差值—距离”曲线图的方法量化了某些特征明显的断层破碎带的基础上，建立断距与断层破碎带宽度的数量关系(图6)，通过断距数据对工区内众多断层破碎带进行量化，相较于利用“方差值—距离”曲线图的方法而言，对多个断层破碎带量化时更为简单。

利用断距与断层破碎带宽度之间耦合的数量关系，对研究区内断层的断层破碎带逐一量化。结果显示，研究区北部断层发育密集，受断层破碎带影响范围较大，距离相近或者相交的两条断层之间，断层破碎带存在相互影响，从而在平面上显示断层破碎带的宽度异常扩大(图7)。

3 验证与讨论

3.1 验 证

翁剑桥等基于数值模拟的方法，表明断层破碎带宽度与断层规模之间存在明显的正相关，建立了断距与断层破碎带宽度的关系图版(图8(a))，同时利用前人研究的大量成果对图版的可靠性进行了验证，图8(b)中落在灰色区域的数据为部分走滑断层或者逆断层对应的数据[9]。将表1中断层破碎带宽度和断距数据，投影到断距与断层破碎带宽度的关系图版中(图8(b))，结果显示，“方差值—距离”曲线图方法量化的断层破碎带结果符合断层破碎带宽度与断层规模之间的内在关系。

选取研究区内钻遇中生界的5口典型井，根据图7可知，QHD30-A、QHD30-B、QHD30-D以及LD25-A井都处于断层破碎带范围内，且QHD30-A井和LD25-A井处于断层破碎带的内部，QHD30-B井和QHD30-D井处于断层破碎带的边缘，QHD30-C井不受断层破碎带影响。根据现有薄片资料，分别取QHD30-A井中距中生界顶面55 m、165 m、296 m的薄片(图9(a)、(b)、(c))、QHD30-B井中距中生界顶面36 m的薄片(图9(d))、QDH30-C井中距中生界顶面336 m的薄片(图9(e))、QHD30-D井距中生界顶面184 m、200 m的薄片(图9(f)、(g))和LD25-A井距中生界顶面36 m的薄片(图9(h))。结果显示，处于断层破碎带范围内的井位薄片中，QHD30-A井火山岩中裂缝十分发育，碎屑岩中主要以孔隙为主，裂缝较发育；QHD30-B和QHD30-D井中裂缝发育程度一般，薄片中裂缝数目较少；LD25-A井裂缝呈网状分布，十分发育，在裂缝交汇部位形成裂缝孔洞；QHD30-C井处于断层破碎带之外，薄片中未见裂缝发育，以砾间孔隙为主。各个钻井对应的镜下薄片特征与断层破碎带量化结果具有良好的对应关系。

3.2 讨 论

前人研究结果显示方差值的大小与破碎程度相关，即方差值越大，则破碎程度越强烈，裂缝也越发育[13]。但是，利用“方差值—距离”曲线图或是断距与断层破碎带宽度的关系式对断层破碎带的量化结果，都不能体现断层破碎带的强度变化，因此，本文利用等值线图的思想绘制方差属性值等值线图，通过不同颜色对不同的方差值进行区分，以此体现断层破碎带在平面上的强度变化特征。

根据图7中井位与断层破碎带之间的位置关系讨论断层的影响强度，对处于断层破碎带内钻井的薄片资料进行对比分析，结果显示，QHD30-A和LD25-A的裂缝最为发育，QHD30-D次之，QHD30-B最差，而其所对应的方差值显示也是逐渐减小的(颜色由红色逐渐向黄色过渡)(图10)。断层的影响强度或破碎程度的直观表现是裂缝的发育密度，由此可以利用方差值的等值线图，在已知某一井位的裂缝密度的基础上，对其他未知区域的裂缝密度进行预测。

本文在前人工作基础上进行了一定改进，提出对多个断层量化时更易操作的测线选择方案，并且将其结果与更易获得的断距数据建立数量关系，为较大区域上断层破碎带的量化方法提供了新的思路。同时利用等值线图的特点，讨论了断层破碎带影响程度在平面上的特征，从影响范围和影响强度两个方面对断层破碎带进行了研究。但是，利用方差属性值量化断层破碎带的方法中，与前人存在相似的局限性，受限于地震资料的品质和背景方差值的选择。

4 结 论

(1)利用地震方差属性值量化断层破碎带时，选择原始地震测网中的主测线或联络线作为断层破碎带的测线时，能够提高量化结果的精度；建立断距与断层破碎带宽度之间的数量关系，能够减少量化大范围多条断层破碎带时的工作量。

(2)渤中凹陷北部中生界顶面断层均具有多核特征，断层系统复杂，断层破碎带规模由几百米至几千米不等。断层破碎带对中生界火山岩影响显著，对碎屑岩的影响较弱。距断层的远近决定了受断层影响的强弱，处于断层破碎带内的中生界受断层影响强烈，裂缝发育，离断层越远，受断层的影响越弱，裂缝越不发育。

(3)利用地震方差属性值量化断层破碎带的结果，符合前人研究断层破碎带与断距的相关规律，并且能够与研究区内的薄片资料结果相吻合，地震方差属性值对断层破碎带的定量研究具有较高的可信度和可行性。