渤海海域多期伸展型交汇断层封闭性评价方法

2022-09-07韩自军侯栋甲陈兴鹏

高校地质学报 2022年4期

任健，韩芮，黄振，韩自军，侯栋甲，陈兴鹏

1. 中海石油（中国）天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；

2. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，青岛 266580

断层“交汇”是指在一定范围内同时发育有两组或多组走向不同的断层系统，它们在平面上相互接触、切割的现象，是本文对该种类型断层提出的形态学命名。实际上，交汇断层是“非共线”（non-colinear）伸展断层系的一种类型，Keep和McClay（1997），Duffy等（2015），Reeve等（2015），Frseth（1997），Frankowicz（2010）等学者已就“非共线”断层成因、分类、识别等问题有过诸多探讨。按“非共线”交汇断层伸展期次成因，可以将其分为单期伸展型和多期伸展型。在单期伸展过程中，断层连接转换位置的破裂（Trudgill，2002），大型正断层附近的应力释放（Destro，1995），以及先存薄弱带附近的应力扰动（Maerten et al., 1999,2002）等因素均能导致交汇断层的形成。该种成因类型中，走向与伸展方向垂直的主控断层更加发育，其它走向断层虽有发育但通常数量较少且对主断层发育无明显影响。多期伸展过程中，由于伸展方向的改变，形成垂直于拉伸方向的多种走向的伸展断层（Duffy et al.，2015; Reeve et al., 2015），随着断层的演化，发育多期伸展的非共线交汇断层。该种机制下，晚期伸展断层常具有大面积“弥散性”分布的趋势，随着晚期断层的发育成熟，逐渐在纵向和横向上延伸，与不同走向的深层早期断层交汇、切割（Nixon et al.，2011），另外，早期先存伸展断层或薄弱带也会发生活化，在浅层继承性发育并发生斜向拉伸作用（McClay and White，1995; Bechis et al., 2014; Henza et al., 2010; Higgins and Harris, 1997），而与拉伸方向近乎垂直的晚期断层则向不同走向的活化断层延伸、交汇、切割从而形成交汇断层。

渤海海域由于特殊构造地质背景，大量发育多期伸展型交汇断层，并形成断块圈闭，为新构造运动以来的大规模油气充注提供了储存空间。随着勘探程度的提高，这种规模往往不大的交汇型断块圈闭也日益成为油气勘探工作的主要目标之一。但是，渤海大量勘探实践表明，交汇型断层圈闭的成藏差异性十分巨大。相关的应变分析、模拟实验、数值模拟计算（Gartrell et al.，2003, 2004）都证实，交汇位置的封闭条件较差导致的油气漏失，是勘探失利的主要原因之一。本文的目的便是针对多期伸展型交汇断层的油气封闭性提出针对性的分析方案，试图从交汇断层的演化阶段、应力分布，以及油气漏失作用时间等角度入手，半定量评价交汇断层的油气封闭性能，以期为油气勘探提供指导。

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1 区域地质背景

渤海海域位于渤海湾盆地东部，为发育在华北克拉通上的新生代陆内裂陷—坳陷盆地（汤良杰等，2008；漆家福等，2008），岩石圈减薄以及华北克拉通的破坏使渤海湾盆地在新生代发生主动伸展裂陷作用（Wu et al.，2005；Sun et al.，2007）。其动力学成因为新生代以来太平洋板块的俯冲作用，而伸展作用的方向主要与俯冲带的后撤方向的有关（Allen et al.，1997; 童亨茂等，2018）。新生代以来，太平洋板块的俯冲方向发生了明显的转变（朱日祥等，2012; Zhu et al.，2012），40 Ma以前（古新世和始新世），渤海湾盆地的主要伸展方向为为北西—南东方向，而38 Ma以来（渐新世至今），为近南北向伸展（童亨茂等，2018; 任健等，2019；詹润等，2013）。这种伸展方向的明显转变，成为多期伸展型断层交汇断层发育的基础。另外，渤海前新生代先存断裂体系十分发育，中生代已经开始活动的郯庐断裂带和张蓬断裂带在此交汇，在新生代伸展作用体制下，这些先存断裂复活并发生拉伸或斜向拉伸作用，明显增加了多期伸展交汇断层的丰富程度。

本文的主要研究实例集中在多期伸展型交汇断层发育的渤海海域东部、南部地区（图1），包括渤南低凸起南北两侧的渤中29-A区和渤中18-X区，渤东低凸起南侧的蓬莱7-F区等构造区。图2展示了这些构造区的主要交汇断层平面展布形态。

图1 渤海海域构造刚要简图Fig. 1 Map showing the location and the tectonic units of the study area

图2 渤中29-A区、渤中18-X区、蓬莱7-F区多期伸展交汇断层平面展布Fig. 2 Plane view of the multi-stage extensional abutting faults in the study area

上述研究区新生界地层发育较全，自下而上分布有古近系的沙河街组、东营组（一段—三段）以及新近系的馆陶组（下段+上段）、明化镇组（下段+上段）和第四系的平原组，主要含油层位为明下段和馆陶组。

2 交汇断层封闭性影响因素分析及评价方法

2.1 交汇断层的演化阶段对封闭性的影响

2.1.1 多期伸展交汇断层的演化阶段

通过对渤海的交汇断层的实例研究，按照晚期断层在不同走向位置的断距（从自由端到交汇点），可以按照两期伸展交汇断层的演化阶段将其分为4种主要类型：毗邻型、迟滞型、接合型和单峰型（图3）。毗邻型是交汇断层发育的初期阶段：晚期断层在横向和纵向上延伸，未受到早期断层存在的影响，仅仅只是几何形态的接近，晚期断层的断距—走向曲线图呈现明显的对称单峰形态（图3a）；迟滞型为第二个演化阶段，代表交汇断层发育逐渐成熟，早期断层的存在对晚期断层的限制作用逐渐明显，晚期断层的断距峰值明显向早期断层一侧偏移且交汇位置断距开始增大（图3b）；接合型为第三演化阶段，早期断层对晚期断层发育的影响愈发明显，在交汇位置的晚期断层断距逐渐增大，在断距-走向曲线上呈现双峰样式（图3c）；单峰型为交汇断层发育的成熟阶段，在交汇位置的晚期断层断距成为峰值，且为单峰状态（图3d）。渤海的研究实例证明交汇断层的演化模式符合于两期伸展交汇断层演化的常规模式（Nixon et al.，2011），进一步证明了这些交汇断层是多期伸展作用的产物。

图3 两期伸展的交汇断层的平面生长发育模式、断距-走向曲线与断面断距分布立体图（位置见图2）Fig. 3 Schematic diagrams, throw profiles, and strike-projected throw distributions illustrating the evolution stages of multi-stage extensional abutting faults （see Fig.2 for the location of the strike-projected throw distribution）

2.1.2 断层演化阶段与断层封闭性的关系

随着演化阶段的递进，多期伸展型交汇断层的封闭性表现为由差变好再变差的过程。在毗邻阶段，断层的断距还不足够大，圈闭未真正成型，断层封闭能力显然较差；在迟滞阶段和接合阶段，晚期断层断距开始不断增大，断裂带内部的断层核研磨更为充分，封闭性能变好，能成为较好的油气保存位置，也是多期伸展型交汇断层封闭性能最好的阶段；在单峰型发育的成熟阶段，交汇位置在较小的限制区域内要调节较大的地层形变（Gartrell et al.，2003, 2004），复杂的应变机制使地层破裂、张性裂缝大量发育，这也直接导致了其封闭能力的降低，这一阶段是封闭能力较差的阶段。

实验结果显示（图4），随着拉伸程度的增加，两期断层逐渐发生交汇，在迟滞型和接合型阶段，交汇位置并未明显发生地层破坏，但是到了交汇断层形成的成熟阶段即上文所述的单峰型阶段，交汇位置发生了明显的地层块体破坏以及断裂带的开启，不具备良好的油气封闭能力，这一实验结果也能间接验证了上述的变形分析的结论。

表1 两期伸展的交汇断层物理模拟实验参数及结果Table 1 Experimental parameters and results of analogue modeling about the multi-stage extensional abutting faults

本次研究也通过构造物理模拟实验证实了该观点。实验在中国石油大学（华东）构造物理模拟实验室完成，为了更清楚地展现断裂的开启和封闭效果，实验用湿黏土作为实验材料，这种材料与松散石英砂一样，也被大量构造物理模拟实验使用（Atmaoui et al.，2006; Tchalenco，1970）。实验模型与实际构造的相似系数为10~5，因此将3 cm厚的湿黏土平铺于基底的塑性橡胶皮之上，约相当于3 km的地层深度，实验模型平面规模为40 cm×25 cm。实验主要通过两期拉伸基底橡胶皮，观察上覆湿黏土的变形情况，两期拉伸方向相互垂直，第一期拉伸方向为近东西向，第二期拉伸方向为近南北向。绝对拉伸速率与变形特征无关（Rahe et al.，1998），设定拉伸速率为10 cm/h。拉伸量按照地层伸展率1/10~1/6设定，结合实验装置规模，两期拉伸距离均设定为4 cm。实验重复进行多次，保证其可重复性（表1）。

图4 两期伸展的交汇断层的物理模拟揭示的断层封闭性Fig. 4 The analogue modeling experiment with two-phases extension abutting faults

2.2 油气充注—漏失相对时间对封闭性的影响

我说，大头哥，你也吃一张。大头说，我不饿。他声音大起来，带着不满的神情。他说：别大头哥大头哥的，叫老板，李老板。还读书人呢，书读到屁眼里去了。

目前我国反腐法律体系虽已基本形成，但只是构建起基本框架，相关的法律制度仍然不够完备，需要加以弥补，以进一步提升反腐法律法规的整体性和配套性水平。

除了交汇断层的油气漏失强度，油气充注—漏失相对时间也是影响断层封闭性的关键因素。在油气向圈闭内充注保存的时间较长但渗漏时间相对较短的情况下，即使漏失强度大，也并不会造成油藏的剧烈破坏。基于这一基本假设，充注—漏失相对时间可以被等效的看作断层封闭性的衡量因素，充注—渗漏相对时间越长则可以认为封闭性能越好。相对时间的获得需要两个关键的时间跨度（图5），第一个是充注油气得以有效保存的时间，第二个是油气漏失的时间。对于油气得以有效保存的时间，渤海新近纪的大量交汇断层形成时间在新构造运动（5.1 Ma）之后，而渤海海域的油气充注时间普遍与该时期吻合或者早于该时期（孙和风等，2011；杨宝林等，2014），因此可以认为交汇型圈闭的形成时间晚于油气充注时间，断层交汇的时间就可以近似于油气得到有效保存的时间；第二个关键时间跨度是油气的漏失时间，可以用断层到达自由表面的时间点与断层最后活动时间点之差进行表示，断裂到达自由表面（所谓的自由表面是地表或者海底）之后，会造成突然的压力释放，极大加速交汇区油气渗漏，导致圈闭的封闭性降低，而断层不活动之后，上覆地层继续沉积，油气仍然可以继续保存。这两个时间跨度的比值便是本次研究定义的充注—渗漏相对时间，值越大则表示有效充注时间越长，断层的封闭性也越强，如式（1）所示。

2.2.1 时间因素对交汇断层封闭性的影响

上述分析表明，交汇型断层的封闭性与断层演化阶段、充注—漏失相对时间以及斜向拉伸作用导致的地应力有关，仅考虑单一因素来评价断层的封闭性是不全面的，当然岩性对接、泥岩涂抹等因素对其封闭性能也有影响，但是对于渤海岩性组合特征相似的新近系地层而言，这些因素对封闭性的影响是相近的，在不同构造区封闭性能的横向对比过程中，这些因素并不能对交汇断层封闭性起到差别巨大的控制作用，因此本次研究不作重点考虑，仅考虑针对交汇断层封闭控制作用明显的上述三个因素作综合评价。

图5 多期伸展交汇断层充注—漏失相对时间表征模式图Fig. 5 Schematic diagram illustrating the time interval between hydrocarbon charging and leakage

2.2.2 断层交汇时间的评价

断层交汇时间（圈闭形成时间）的确定可以通过断层回剥技术（Chapman and Meneilly，1991;Petersen et al.，1992）恢复断层的活动历史，进而获得。以渤中29-A区的交汇断层形成的构造圈闭为例，该交汇断层发育在渤南低凸起南侧，早期断层呈近东西向的弧形断层发育，晚期断层呈北东东向与早期断层交汇（图2a，图6），两条断层夹持形成构造圈闭。对该构造两条控圈断层进行断距回剥，结果显示（图7），早期断层在新近纪之前就早已形成，但是晚期断层在9.0 Ma之后才开始形成，并逐渐生长并与早期断层交汇，最终构造圈闭的时间在5.3 Ma以后。

地形数据建模包括构建出海图上出现的岛屿、暗礁和陆地等，必须使用IWRAP MKII软件自带的多边形工具手动构建。根据软件中的Google地图并结合厦门港九节礁附近的主航道海图建模见图6。

图6 渤中29-A构造区地震剖面（剖面位置见图2）Fig. 6 Seismic profiles of structure Bozhong 29-A（see Fig.2 for the location of the sections）

图7 BZ29-A构造区交汇断块圈闭回剥分析（位置见图2）Fig. 7 Analysis of throw backstripping of faulted trap in BZ29-A area（see Fig. 2 for the location）

2.2.3 断层到达自由表面时间的评价

应力机制和材料力学的研究（Baudon and Cartwright，2008a）表明断层会在地表之下成核并随后向地表扩展，在某一时间点到达自由表面，随后可能成长为持续活动的同沉积断层，也可能不再活动，当然断层也可能在形成之后便隐伏于地下，并不一定到达自由表面。判断断层是否到达过自由表面的方式有多种，其中之一是通过断层的断面断距分布图进行判断（Duffy et al.，2015; Baudon and Cartwright，2008b，2008c）：如果断层曾经到达过自由表面，则断面上的断距等值线会出现顶端等值线变平、等值线密度变大的现象，而对于没有到达过自由表面的断层，其断面断距等值线则呈对称的椭圆形，等值线分布均匀（图8）。

对于未到达过自由表面的断层，则其充注—渗漏相对时间值较大，封闭性能相对较好；对于到达过自由表面的断层，则需要根据其垂向断距（T-Z）剖面判断其到达自由表面的具体时间（Baudon and Cartwright，2008a）。通常没有到达自由表面的断层，其T-Z曲线呈较平缓的“M”型分布或者对称的“C”型分布（图9b），而对于达到过自由表面的断层，因为在到达自由表面的过程中会出现断层断距的“突变”现象，断距最大值会由原本较深的分布位置转移至自由表面附近，因此T-Z图解呈现侧顶部的不对称“C”型分布（图9a），通过“C”字型的最顶点断距峰值所在的地层层位就能确定其到达自由表面的地质时间。

图8 未到达自由表面与到达自由表面断层断面断距分布模式Fig. 8 Comparison of strike-projected throw distribution stereo display between faults reaching free surface and those not reaching free surface

9月18日，辽宁省政府办公厅发布《关于推进奶业振兴保障乳品质量安全的实施意见》，要求到2020年，100头以上规模养殖比重达65%以上，奶源自给率稳定在70%以上，产品监督抽检合格率达99%以上，养殖废弃物综合利用率达75%以上。到2025年，辽宁奶业实现全面振兴，基本实现现代化，奶源基地、产品加工、乳品质量和产业竞争力达到全国先进水平。

图9 到达自由表面与未到达自由表面的断层垂向断距（T-Z）图解Fig. 9 Vertical throw profiles of faults illustrating the difference between fauits reaching the free surface and those not reaching surface

2.3 地应力对交汇断层封闭性的影响

2.3.1 地应力与断层封闭性的关系

地应力是影响断层封闭性的一个重要因素。前人关于断裂带结构与地应力等方面的研究（刘泽容等，1982; 王平，1986; 童亨茂和李德同，1999）以及渤海的油气勘探实践都表明（吴智平等，2016; 徐长贵，2016; Ren et al.，2018），在某些地应力的释放区，比如张性断裂带结构发育区，有利于油气的运移，而不利于断层的封闭；而在某些地应力集中的区域，如走滑构造或压性构造发育的区域，则断裂结构闭合程度好且碾磨细化致密，断裂带内通常不利于油气运移，但却有着比张性断层更好的封闭能力。

在多期伸展型交汇断层封闭性的研究中，考虑地应力的影响因素十分有必要。因为渤海湾盆地多期的伸展方向的转变导致先存断裂体系在斜向拉伸作用下持续发育，进而导致不同走向角度的断裂体系存在走滑和拉张分量的差异：断裂走向与晚期近南北向拉张方向夹角越大，则拉伸分量越强，断层的封闭性越弱；断裂走向与晚期近南北向拉张方向的夹角越小，则走滑分量越强，断层的封闭性越强。这一观点笔者进行过详尽的论述（任健等，2019），并通过一系列的物理模拟以及数据统计工作进行了论证，在此不再赘述。

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2.3.2 交汇断层地应力评价方法

多期伸展型交汇断层的早期断层在晚期的拉伸过程中遭受斜向拉伸并继承性发育，而晚期拉伸作用会形成近乎垂直于拉伸方向的晚期断层。在具体的弧形断层应力分析中，要针对性的测量起封闭作用的断层走向与拉伸方向的夹角（图10），进行应力封闭值估算，因为多条封闭断层的封闭能力是木桶效应的体现，因此选取多条封闭断层中与拉伸方向较大的一支（即封闭能力较差的一支）的夹角值，用以体现整个交汇断层控制圈闭的封闭能力，如图10中的α。

图10 蓬莱7-F构造区馆陶组顶面交汇断层应力封闭值的测定图解Fig. 10 Structural map of the Neogene Guantao Formation in Penglai 7-F Area illustrating the measurements of stress sealing

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3 三因素影响下的断层封闭能力综合评价方法

本次研究从影响交汇断层封闭性的三个因素入手，运用模糊综合评价法（李储华等，2009；孙梦茹，2005）将各种因素有效地组合起来，对交汇型断层的封闭性作较为客观的综合性评价（表2）。数学模型综合评判结果展开为距阵形式：

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(3)利用PD-HFLWA和决策专家权重确定群体偏好矩阵其中为PD-HFLTS，表征以指标cy为基准，指标cn相对于指标cx的重要度；

式中un为影响因素权重系数，rij为各因素隶属度，bn为各因素综合评价结果。

评价过程可以概括为三个步骤：

（1）确定各因素的隶属度：设定断层完全封闭则值为1，断层完全不封闭则值为0，以此为基础，设定因素一（U1）：断层演化阶段中的毗邻型、迟滞型、接合型和单峰型的隶属度分别为0.25、0.9、0.9、0.25；因素二（U2）：充注—渗漏相对时间，≥2取0.9、1.5~2取0.75、1~1.5取0.5、≤1取0.25；因素三（U3）：地应力夹角，0°~30°取0.9、30°~50°取0.75、50°~70°取0.5、70°~90°取0.25。

（2）采用层次分析法确定各个因素的权重系数，其大小代表其与目标重要程度相关性的大小，运用迈实层次分析软件计算分析结构层次模型，并规定三类地学参数的权重向量之和为1，求取单一参数权重系数，结果显示，各因素对封闭性的影响能力相似U1为0.36，U2为0.35，U3为0.29。

（3）根据式2求取每个交汇型断层控制圈闭的封闭值，选取BZ29-AE-A井、BZ29-A-E井、PL7-F-B井明下段、PL7-F-B井馆陶组以及BZ18-X-A井等交汇断层控制的断块圈闭，进行实例分析。

以BZ29-AE-A井为例（图11），首先根据断面断距图和走向断距分布图，明确交汇断层类型属于迟滞型，隶属度为0.9；圈闭形成时间为5.3 Ma（图7），到达自由表面时间为3.0 Ma，最晚活动时间为1.0 Ma，因此充注—渗漏相对时间为2.6，隶属度为0.9；求得断层走向与晚期拉伸方向的最大夹角为58°，隶属度为0.5，因此利用式2求得其封闭值为0.784。