泌阳凹陷下二门地区生长断层控砂作用研究

2024-01-22李智李双建张志业王雷安艳君王雪梅

西北地质 2024年1期

李智，李双建，张志业，王雷，安艳君，王雪梅

（1.中国石化深部地质与资源重点实验室，北京 102206；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206；3.中国石化河南油田分公司，河南南阳 473400）

生长断层，又名同沉积断层或同生断层，是指沉积盆地内随沉积过程长期发育而逐渐“生长”起来的断层（Hardin et al.，1961；Duffy et al.，2015；窦鲁星等，2020）。生长断层断面形态在剖面上常呈上陡下缓、凹面向上的铲状；下降盘地层较上升盘相应地层厚度明显增厚；断距随深度增加而累积增大。其成因主要与基底断裂活动等构造运动因素和重力滑动、沉积压实等重力因素有关。生长断层规模大小不一，根据发育位置可分为盆缘生长断层即控凹边界断裂和盆内生长断层即盖层断裂两类。生长断层的分段、分期差异活动对可容纳空间、沉积速率、物源体系类型及展布特征均具控制作用，是断裂活动与沉积活动同期进行而形成的特殊构造形式，包含了运动学和沉积学两方面因素，是探索活动论构造-沉积耦合的理想对象（杨晓利等，2014；谢通等，2015）。在世界范围内，生长断层主要发育在海相陆缘地区（被动大陆边缘），而在中国则主要发育在东部断陷盆地内。

前人针对生长断层的特征与分类、次生构造、研究方法、成因和演化机理等方面已开展了大量研究，在生长断层控制沉积体系发育和砂体展布方面取得了大量成果（王苗等，2014；李占东等，2016；陈哲等，2020）。但目前的研究多集中在盆地边缘的控凹边界断裂或盆地内规模较大的二级断裂，而对盆地内影响水体迁移、古地貌形成和河道砂体展布的大量小规模低序级生长断层则缺少研究。无论是边界断裂还是低序级断裂，沿走向多具有分段性，其演化过程多是由多条小断层连接而成，且断层不同段的发育具差异性，其对河道砂体流向、叠置关系的控制作用应是一个分段、分区而不断变化的动态过程（Mulrooney et al.，2018；刘玉虎等，2020；李智等，2020a）。因此，需要从低序级生长断层精细刻画、断层活动性定量统计开始，分析其对砂体展布的控制作用。

笔者以泌阳凹陷下二门地区的3D 地震、钻井、测井、岩心资料为基础，以活动论构造控制沉积展布为指导，以古近系始新统核桃园组三段Ⅳ油组1 小层（Eh3Ⅳ1）为研究对象，井-震结合，刻画下二门地区断裂展布和构造特征；通过断层两盘Ⅳ油组1 小层厚度的精细统计，定量分析生长断层活动性；综合岩心、测井资料，建立Eh3Ⅳ1 小层各单层沉积模式，最终分析生长断层对水下分流河道砂体发育展布的控制作用，对泌阳凹陷老区滚动勘探和探讨复杂断裂发育区生长断层对砂体的控制作用均具有一定借鉴意义。

1 区域地质概况

泌阳凹陷是位于秦岭-大别褶皱造山带之上的南襄盆地次级富油气断陷，面积约为1 000 km2，形态呈南断北超的扇状（李智等，2020b，2023）。其南部和东部为桐柏山，西北部是社旗凸起，东北部是伏牛山，西部以唐河低凸起和南阳凹陷相隔（李智等，2020c，2022）。下二门地区位于泌阳凹陷南部陡坡带东段，东临泌阳-栗园边界断裂，北接泌阳凹陷北部斜坡带，西部和南部靠近安棚-安店生油中心（图1）。下二门地区整体为一宽缓背斜，发育一系列SW-NE 转W-E向北倾正断层，延伸距离为1.2～5.0 km，将其切割形成多个断鼻或断块（图2a）。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of study area

图2 下二门地区断层展布及Eh3Ⅳ1 小层柱状图（泌189 井）Fig.2 Fault distribution and Eh3Ⅳ1 sublayer histogram in Xiaermen area

下二门地区钻遇地层层序自下而上依次为古近系大仓房组、核桃园组（自下而上划分为核三段、核二段、核一段）、廖庄组，新近系凤凰镇组和第四系平原组，含油气层位分布在核桃园组-廖庄组。其中核桃园组三段自下而上细分为9 个油组（Eh3Ⅸ-Eh3Ⅰ油组），岩性主要为含砾砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、白云质砂岩与泥岩、钙质泥岩、泥质白云岩、页岩、油页岩呈不等厚互层。笔者主要研究目的层为核三段Ⅳ油组1 小层（Eh3Ⅳ1），其内部又可细分为6 个单层（图2b）。下二门地区物源主要来自北部社旗凸起（张建光等，2011；李智等，2020b），发育自北向南的侯庄辫状河三角洲沉积体系，区内发育前缘亚相，其中水下分流河道及前缘席状砂为主要微相类型。

下二门地区具有“前缘砂体控储、断层-岩性控圈、近源聚集控藏”的有利成藏条件，近年来钻探发现的泌426、泌437 和泌449 等多个高效油气藏均为断层-岩性油气藏，可见砂体的精细刻画是该区高效滚动勘探的关键。但辫状河三角洲前缘亚相的水下分流河道砂体纵向厚度薄、横向迁移快，有效储层表征难度大。因此，从同生断层精细刻画和活动性分析入手，分析其对河道砂体流向和展布的控制作用，对该区滚动勘探开发具有重要意义。

2 生长断层对砂体展布的控制

2.1 生长断层活动性分布

文中使用2019 年下二门3D 地震资料高精度成像处理成果，地震资料信噪比高、断点清楚、断面清晰可靠，地震反射波组特征清楚，可追踪性好。通过对3D 地震资料精细解释，时深转换成图，并利用钻井分层进行了深度校正，准确落实了该区的断裂系统及局部构造特征，编制了Eh3Ⅳ1 小层顶面构造图（图2a）。可见下二门地区自南向北、自西向东逐渐抬升，西部发育的NE-SW 向和中东部发育的SWWNEE 向和近E-W 向正断层将研究区切割为多个断鼻、断块。

在低井控地区，可通过多井时-深转换联合标定Eh3Ⅳ1 小层顶底界面，全区追踪解释，通过断层两盘地层厚度关系来识别生长断层。从地震剖面可见，研究区发育的多条北倾正断层上盘地层厚度均厚于下盘地层厚度，断层生长特征明显（图3）。在高井控地区，也可以通过断层两盘钻井的连井地层对比剖面刻画生长断层并分析其活动性。例如，F12号断层上盘的泌160-2 井Eh3Ⅳ1 小层厚度明显大于下盘的泌200 井，且各单层亦继承性呈这种特征，说明F12号断层在Eh3Ⅳ1 小层沉积期“生长”特征明显（图4）。

图3 下二门地区过生长断层地震剖面（剖面位置见图2）Fig.3 Seismic profile of over growth fault in Xiaermen area

图4 下二门地区过F12 生长断层的连井剖面Fig.4 Well connection profile passing through F12 growth fault in Xiaermen area

井-震结合开展断层生长特征定性分析的基础上，在古落差法、断层活动速率法、滑距法和位移-长度关系分析等断层活动性分析方法中（王燮培等，1990；李勤英等，2000；赵勇等，2003；董进等，2004；卢异等，2010），优选生长指数法，即断层两盘厚度比进行下二门地区生长断层活动性定量分析。通过研究可以看出，下二门地区主要发育三级和四级生长断层，断面多北倾，延伸长度为0.9～4.9 km，断层落差为10～140 m（表1）。沿断层走向，可见断层活动性存在分段变化特征，整体而言下二门地区东部断层活动性较弱，西部活动性偏强；同一断层内部活动性也呈现强弱相间变化趋势（图5）。

表1 下二门地区Eh3Ⅳ油组生长断层要素统计表Tab.1 Statistical table of growth fault elements of Eh3Ⅳ in Xiaermen area

图5 下二门地区Eh3Ⅳ1 小层生长断层活动性定量分布图Fig.5 Quantitative distribution map of growth fault activity of Eh3Ⅳ1 in Xiaermen area

2.2 沉积微相类型

通过对研究区岩心观察和测井相分析（图6），并结合前人研究成果认为该区主要发育侯庄辫状河三角洲沉积的前缘亚相和前三角洲亚相（陈亮等，2006；蔡佳等，2009；朱筱敏等，2011；廖纪佳等，2012；董艳蕾等，2015）。

图6 下二门地区核三段典型岩心照片Fig.6 Typical core photos of Eh3 in Xiaermen area

辫状河三角洲前缘亚相主要发育水下分流河道、河口坝、前缘席状砂和分流间湾等微相。水下分流河道岩性为中、厚层至块状砾岩、砾质砂岩、砂岩，发育平行层理、交错层理、浪成波痕，底面为凹凸不平冲刷面，颗粒分选中等，磨圆差到中等，自然电位曲线多呈箱状、刺刀状。累计粒度概率曲线主要表现为典型的两段式、一跳一悬加过渡式和高斜多跳一悬加过渡式3 种类型（图7）。河口坝岩性为中、厚层细砂岩和粉砂岩，发育交错层理、压扁层理、波状层理、浪成波痕，自然电位曲线呈漏斗形。分流间湾岩性为泥岩、泥质粉砂岩，发育水平层理。

图7 下二门地区单井相图及水下分流河道砂体粒度曲线图（据廖纪佳等，2012 修改）Fig.7 Phase diagram of single well and grain size curve of underwater distributary channel sand body in Xiaermen area

前三角洲亚相岩性为泥岩夹薄层砂岩、粉砂岩，发育水平层理和生物扰动构造，自然电位曲线为低幅度鼓包状或锯齿状。

2.3 生长断层控制沉积微相展布规律

在地层细分对比、岩心观察的基础上，采用地震波形指示反演算法开展相控约束反演研究，综合刻画河道砂体展布特征（图8）。以Eh3Ⅳ16单层为例，红色和黄色色调代表水下分流河道砂体发育区，绿色色调代表席状砂发育区，结合单井砂体厚度统计，刻画各单层沉积微相特征。

图8 下二门地区Eh3Ⅳ16 单层生长断层控制的砂体展布图Fig.8 Sand body distribution controlled by growth fault of Eh3Ⅳ16 in Xiaermen area

由于下二门地区主要发育掉向与物源方向相同的北倾正断层，南掉正断层基本不发育。因此，生长断层对砂体的控制作用主要受断层沿走向活动性差异的影响，具体表现为2 个方面（图8、图9）。

图9 下二门地区Eh3Ⅳ1 小层沉积微相展布图Fig.9 Distribution of sedimentary microfacies of each single layer of Eh3Ⅳ1 in Xiaermen area

（1）在北掉生长断层活动性较弱部位，由于断层南北盘间古地形高差较小，可形成优势水流方向，有利于水下分流河道砂体从此通过。这种情况，河道水流方向及形态变化均不大。例如，在下二门地区东部，生长断层活动性较弱或基本不发育生长断层，则各单层水下分流河道顺直通过断层向南，分流河道砂体流向及形态变化不大。

（2）在北掉生长断层活动性较强部位，由于断层生长活动在下降盘产生相对较低地势，断层两盘古地形落差大，形成低洼区拦截水体流动，导致河道水体方向被偏转，由各断层的软连接部位通过，且生长断层两盘河道砂体厚度和形态差异较大。例如，在下二门地区西部的F10、F9和F6等断层活动性较强，在断层的北盘形成地势相对低洼区，水下分流河道砂体受阻隔不易通过，其方向只能发生偏转，由各断层的软连接部位通过。由于断层活动性较强导致可容纳空间增大，断层北盘砂体展布方向与断层走向近似平行，且厚度增大。

2.4 生长断层对砂体垂向发育的控制作用

通过对过生长断层两盘连井剖面的精细对比可以看出，生长断层对辫状河三角洲前缘砂体垂向发育的控制作用主要表现在砂体叠置样式和砂体厚度变化上（图10）。

图10 下二门地区过生长断层的连井剖面Fig.10 Connecting-well profiles passing through growth faults in the Xiaermen area

统计生长断层上、下两盘钻井的Eh3Ⅳ1 小层各单层单砂体个数和累计厚度可知，生长断层上、下盘差异较大。在断层活动性较弱地区，下盘可容纳空间略大，砂体层数增多、厚度加厚。而在断层活动性较强地区，在断层上盘形成较大可容纳空间，有利于砂体堆积，砂体叠置、加厚。例如，位于活动性较强的F5断层段上盘的泌454 井，Eh3Ⅳ1 小层单砂体16 层，累计厚度为39.8 m；其下盘的泌431 井Eh3Ⅳ1 小层单砂体8 层，累计厚度为14.3 m；过断层砂体间歇分散、厚度减薄。F1断层活动性较弱，下盘的下16 井Eh3Ⅳ1 小层单砂体9 层，累计厚度16.7 m；相比较F1断层上盘的泌431 井砂体叠置发育、厚度增加。

3 生长断层控砂模式及意义

综上所述，对生长断层的精细刻画、断层活动性统计及其对砂体平面、纵向展布规律的控制作用分析可见，生长断层对辫状河三角洲前缘分流河道砂体的控制作用明显。下二门地区主要发育断层倾向与物源方向相同的北倾生长断层，在断层附近水下分流河道砂体形态特征表现为两个方面。

（1）在多条生长断层的连接部位或同一生长断层活动性较弱部位，此处上、下盘古地形高差小，对水下分流河道砂体的阻碍小，是砂体通过断面的主要部位。相对而言，其下盘表现为古地势的低点，有利于通过断面后砂体的汇聚。因此，这类生长断层相对而言控制砂体平面汇聚和纵向叠合、加厚（图11a、图11b）。

图11 下二门地区河道砂体过生长断层前后样式图（据窦鲁星等，2020 修改）Fig.11 Pattern of channel sand body passing through growh fault in Xiaermen area

（2）在生长断层活动性较强部位，此处上、下盘古地形高差大，对水下分流河道砂体的阻碍大，导致砂体不易从该处通过断面。且该处上盘地形相对低洼，形成较大可容纳空间，导致水下分流河道砂体偏转、转向在此汇聚；而其下盘地形相对较高，为古地形高点，不利于砂体沉积。因此，在断层活动性较强处由上盘到下盘，砂体在平面转向和纵向分散、减薄（图11c）。

综上所述，建立了下二门地区生长断层控制辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体分布的模式（图12）。与传统的三角洲前缘水下分流河道沉积模式相比，该方案综合考虑了在断陷盆地斜坡带普遍发育的大量低序级次生断裂对砂体展布的控制，分析了生长断层对河道砂体平面和纵向展布的影响，更具实用性。例如，在传统的三角洲前缘沉积微相研究中，水下分流河道砂体均由高到低呈发散状均匀延伸；而在生长断层控砂模式中，则综合考虑了断层活动性差异导致的古地形差异对砂体分布的控制作用。活动性差异导致河道砂体在平面易通过断面或在断层上盘转向、汇聚；纵向上的叠置和厚薄关系也发生变化。

图12 下二门地区生长断层控砂模式图Fig.12 Sand control model map of growth fault in Xiaermen area

从上述分析可以看出，在复杂断陷盆地勘探开发过程中，基于活动论构造-沉积耦合观点的生长断层控砂模式分析具有重要意义。例如，下二门地区紧邻泌阳凹陷深凹区，油源丰富，生成的油气遇到有效圈闭几乎均可成藏。该地区地形自南向北逐渐抬升。因此，生长断层的南侧即下盘圈闭类型以断层-岩性圈闭和断鼻、断块等构造圈闭为主，那么在断层活动性较弱地区则更易寻找水下分流河道的主河道。而在断层北侧即上盘，河道砂体则更易在断层活动性较强地区汇聚、加厚。因此可见，开展低序级断裂的活动性统计和控砂模式分析，对复杂断块区勘探开发仍具模式意义。