断裂诱发砂体输导油气变径部位预测方法及其应用

2023-11-04何春波张亚雄于英华袁红旗

石油与天然气地质 2023年5期

何春波，张亚雄，于英华，袁红旗

（1. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；2. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206）

含油气盆地油气勘探实践表明，断裂对油气运移具有重要控制作用。在凹陷区，断裂可以将烃源岩生成的油气直接输导至浅部地层；在斜坡区，油气侧向运移所赋存的砂体被断裂切割时，断裂导致砂体输导油气运移路径改变（变径），使油气向浅部调整，变径不但控制着斜坡区油气运聚层位，而且变径部位还控制着斜坡区油气运聚部位。因此，对于斜坡区浅层油气勘探工作，准确地判识断裂诱发砂体输导油气变径部位是至关重要的。

目前，学者对断裂诱发砂体输导油气变径作用及部位进行了一定的研究，概括为两方面认识：一是根据断-盖配置关系，确定断裂诱发砂体输导油气变径的条件［1-4］，只有断裂贯通盖层情况下，油气由砂体输导的侧向运移变为断裂输导的垂向运移，即断裂对砂体输导油气起变径作用；二是根据油气成藏期，基于断-盖配置的古断接厚度和盖层内断裂分段生长上下连接所需的最大断接厚度的比较，研究断裂对砂体输导油气变径分布区［5-8］，将断-盖配置古断接厚度小于盖层内断裂垂向分段生长连接所需最大断接厚度的部位圈定在一起，即为油气在沿砂体输导过程中断裂起到变径的部位。但是，前人主要侧重于源内油气沿断裂运移至浅层有利部位的预测研究［9-12］，对于源外油气沿砂体运移过程中，断裂诱发砂体输导油气变径部位的研究仍较薄弱。

1 断裂诱发砂体输导油气变径作用

在含油气盆地内，断裂垂向分段生长连接较为普遍。如果位于盖层上部和下部的断裂在盖层内相互连接（硬连接），盖层之下砂体输导的油气遇到断裂后则不再继续侧向运移，而是沿着连接的断裂穿过盖层垂向运移，断裂对砂体输导的油气起到变径作用。如果位于盖层上部和下部的断裂在盖层内没有相互连接（软连接），此时盖层是封闭的，那么油气就不能通过盖层继续向上运移，盖层之下砂体输导的油气遇到断裂后仍然穿过断裂继续侧向运移，断裂对砂体输导的油气不起变径作用。

2 断裂诱发砂体输导油气变径部位预测方法

断裂诱发砂体输导油气变径部位是盖层渗漏部位、断裂输导油气优势路径及砂体输导油气优势路径的耦合部位。

2.1 盖层渗漏部位

断接厚度是盖层被断裂切割后、断裂两盘盖层仍然对接的厚度，是表征受断裂切割的盖层封闭能力的重要参数。利用地震及钻井资料求取现今盖层厚度和断裂错开盖层的断距，通过地层古厚度定量恢复方法［13］和最大断距相减法［14］分别恢复油气成藏期盖层古厚度和断裂错开盖层的古断距，由前者减去后者求取盖层古断接厚度（图1）。由文献［15］中断裂在盖层内分段生长上、下连接所需的最大断接厚度确定方法确定断裂在盖层内垂向分段生长连接所需的最大断接厚度。盖层古断接厚度小于断裂在盖层内垂向分段生长连接所需的最大断接厚度的部位是盖层渗漏部位（图1）。

图1 盖层渗漏部位厘定示意图Fig. 1 Schematic diagram for determining hydrocarbon leakage position of cap rocks

2.2 断裂输导油气优势路径

输导断裂是油气成藏过程中活动、且连接烃源岩与目的层的断裂，断裂输导油气优势路径与输导断裂的活动速率密切相关。在地震解释基础上，进行层位、断裂时-深转换，读取现今输导断裂的断距，由文献［14］中断裂古断距复原方法恢复油气成藏过程中输导断裂在目的层内的古断距，用古断距除以断裂活动时期，最终就可以求得输导断裂在目的层内不同部位古活动速率，由文献［15］中的方法确定研究区断裂输导油气所需的最小活动速率，断裂古活动速率大于最小古活动速率所对应的部位就是断裂输导油气优势路径（图2）。

图2 断裂输导油气优势路径厘定示意图Fig. 2 Schematic diagram for determining dominant pathways for hydrocarbon migration along faults

2.3 砂体输导油气优势路径

砂体连通分布区内古构造脊的分布范围是砂体输导油气优势路径，因此，首先确定砂体连通分布区。应利用钻井资料统计目的层的砂地比值，根据文献［16］所述方法确定出目的层砂体连通分布所需的最小砂地比值，在平面图中，将大于砂体连通分布所需的最小砂地比值连在一起，就能确定出目的层砂体连通分布区。在此基础上，再确定砂体所在地层顶面古构造脊的分布范围。利用地震资料读取现今砂体地层顶面埋深，通过文献［17］中地层古埋深复原方法复原其在形成油气藏的过程中的古埋深，根据［公式（1）］求得古油气势能值，并制作古油气势能等值线，其法线汇聚线便是砂体所在地层顶面古构造脊的分布范围。最后将砂体连通分布区和砂体所在地层顶面古构造脊分布范围叠合，得到砂体输导油气优势路径（图3）。

图3 砂体输导油气优势路径厘定示意图Fig. 3 Schematic diagram for determining dominant pathways for hydrocarbon migration along sand carrier beds

式中：Φ为古油气势能，kJ；Z为古埋深，m；p为流体压力，MPa（其大小等于ρwZ，ρw为地层水密度，g/cm3）；ρ为油气密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2。

将上述确定出的盖层渗漏部位、断裂输导油气优势路径与砂体输导油气优势路径叠合，取三者重合部位，就能获得油气沿砂体运移过程中断裂诱发的变径部位。

3 实例应用

本次以渤海湾盆地歧口凹陷赵北断裂为研究对象，根据上述方法，预测其诱发的沙一下亚段砂体向浅层馆陶组输导油气变径部位，将所得结果与实际研究区馆陶组的油气分布特征进行对比，证明本文所述方法用来研究断裂诱发砂体输导油气变径部位是可行的。

赵北断裂是一条位于歧口凹陷岐南斜坡区的正断裂，走向NEE，倾向NNW，倾角22° ～ 77°，长约20.3 km，从基底一直延伸到地表附近，具有长期继承性发育特点（图4）。研究区地层自下而上发育古近系、新近系和少量第四系，古近系自下而上发育孔店组（Ek）、沙河街组（Es）、东营组（Ed）；新近系自下而上发育馆陶组（Ng）和明化镇组（Nm）。目前研究区的油气大量分布在沙河街组，沙一下亚段油气最为发育，明化镇组和馆陶组油气发育较少。由于研究区处于歧南次凹沙三段源岩区的东南部，源岩生成油气通过油源断裂运移至沙一下亚段，再被沙一下亚段内砂体侧向运移至岐南斜坡区；侧向运移的油气在遇到赵北断裂时，由于赵北断裂破坏了其沙一中亚段和东二段区域性泥岩盖层，沙一下亚段砂体输导的油气不再继续侧向运移，而是沿赵北断裂向浅层馆陶组垂向运移，目前赵北断裂处馆陶组油气仅分布在中部（图4a），这除了与圈闭和砂体发育有关外，更主要的是受到了赵北断裂诱发的沙一下亚段砂体输导油气变径部位的影响，因此准确地预测变径部位是赵北断裂附近浅层馆陶组油气勘探的关键。

图4 赵北断裂与馆陶组油气分布关系Fig. 4 Relationships between the Zhaobei fault and the hydrocarbon distribution in the Guantao Formation

利用井-震资料确定出赵北断裂在东二段和沙一中亚段区域性泥岩盖层内断距和被赵北断裂所断开的东二段和沙一中亚段泥岩盖层厚度，由文献［13-14］中断裂古断距和地层古厚度复原方法求得明化镇组沉积中后期赵北断裂在沙一中亚段和东二段区域性泥岩盖层内古断距和被赵北断裂错断沙一中亚段区域性泥岩盖层古厚度，通过盖层古厚度减去古断距得到研究区沙一中亚段与东二段泥岩盖层古断接厚度［18-19］。因歧口凹陷沙一中亚段和东二段泥岩盖层封闭油气所需的最小断接厚度分别约为139 m 和236 m（图5），其与赵北断裂在沙一中亚段和东二段区域性泥岩盖层内古断接厚度分别相比较，可以确定赵北断裂除了西部局部外，沙一中亚段区域性泥岩盖层皆为渗漏油气部位；东二段区域性泥岩盖层西部为封闭油气部位，中部和东部皆为渗漏油气部位（图6）。

图5 歧口凹陷沙一中亚段和东二段区域性泥岩盖层封闭油气所需的最小断接厚度厘定Fig. 5 Determination of the minimum juxtaposition thicknesses of the regional mudstone cap rocks for hydrocarbon sealing in the middle submember of the 1st member of the Shahejie Formation and the 2nd member of the Dongying Formation in the Qikou Sag

图6 被赵北断裂破坏的沙一中亚段（a）和东二段（b）区域性泥岩盖层渗漏油气部位厘定Fig. 6 Determination of the hydrocarbon leakage position in the regional mudstone cap rocks destroyed by the Zhaobei fault in the middle submember of the 1st member of the Shahejie Formation and the 2nd member of the Dongying Formation

依据文献［20］可知歧口凹陷断裂输导油气所需的最小活动速率约为4 m/Ma（图7）。利用三维地震资料确定赵北断裂在沙一下亚段内断距，由文献［13］中断裂古断距复原方法复原明化镇组沉积中后期油气成藏过程中赵北断裂在沙一下亚段内古断距，再利用所求得的古断距除以断裂具体活动时期，就能获得赵北断裂在沙一下亚段内古活动速率，赵北断裂走向上不同部位在沙一下亚段内古活动速率均大于4 m/Ma（图8），表明整个赵北断裂均为输导油气优势路径。

图7 歧口凹陷断裂输导油气所需的最小活动速率厘定Fig. 7 Determination of the minimum paleo-activity rate required for hydrocarbon migration along faults in the Qikou Sag

图8 赵北断裂输导油气优势路径厘定Fig. 8 Determination of the dominant pathway for hydrocarbon migration along the Zhaobei fault

通过钻井等资料求出研究区沙一下亚段的地层砂地比值，然后做出其平面分布图［21］，基于研究区所在的歧口凹陷中沙一下亚段砂体连通分布所需的最小地层砂/地比值约为15 %（图9）［22］，能够得到研究区的沙一下亚段砂体连通分布区有3处，分别是西部、中部和东部（图10a）。

图9 歧口凹陷沙一下亚段砂体连通分布所需的最小地层砂/地比厘定Fig.9 Determination of the minimum net-to-gross ratio required for the connected distribution of sand bodies in the lower submember of the 1st member of the Shahejie Formation of the Qikou Sag

图10 赵北断裂在沙一下亚段内输导油气优势路径厘定Fig. 10 Determination of the dominant pathways for hydrocarbon migration along the sand carrier beds in the lower submember of the 1st member of the Shahejie Formation

通过文献［17］中地层古埋深复原方法恢复明化镇组沉积中后期油气成藏过程中沙一下亚段顶面古埋深，再根据［公式（1）］计算方法，求得沙一下亚段顶面的古油气势能值，古油气势能等值的线法线汇聚线就是研究区沙一下亚段顶面古构造脊的发育位置（图10b），研究区沙一下亚段顶面古构造脊共有4 条，其中在研究区的东部分布1 条，中部分布1 条，其余2条分布在西部。

将上述已确定出的赵北断裂附近沙一下亚段砂体连通分布区和沙一下亚段顶面古构造脊分布叠合，就能够确定出研究区沙一下亚段内的砂体输导油气优势路径（图10c），研究区存在2 条砂体输导油气优势路径，分别分布在中部和西部。这2 条砂体输导油气优势路径连接了西北岐南次凹沙三段源岩，向赵北断裂输导油气。位于东部的古构造脊未与北部岐口主凹沙三段源岩连接，因此不能向赵北断裂输导油气，是无效的砂体输导油气优势路径。

将上述研究中已确定出的沙一中亚段区域性泥岩盖层渗漏部位、东二段区域性泥岩盖层渗漏部位、赵北断裂输导油气优势路径及沙一下亚段砂体输导油气优势路径叠合，便能够确定出赵北断裂诱发的沙一下亚段砂体向浅层馆陶组输导油气变径部位，变径部位仅有一处，分布在中部（图11）。

图11 赵北断裂对沙一下亚段砂体输导油气向浅层馆陶组的变径作用部位与馆陶组油气分布之间关系Fig. 11 Relationship between the hydrocarbon distribution in the Guantao Formation and the Zhaobei fault-induced change of pathways for hydrocarbon migration along the sand carrier beds in the lower submember of the 1st member of the Shahejie Formation where hydrocarbons migrate into the shallow Guantao Formation

目前在赵北断裂附近馆陶组已发现的油气主要分布在中部，正位于赵北断裂诱发的沙一下亚段砂体向浅层馆陶组输导油气变径部位及其附近。在该部位，赵北断裂将沙一下亚段砂体输导的油气垂向调整到浅层馆陶组，并在馆陶组赵北断裂中部附近聚集成藏。