郭局子洼陷沙二段斷層封閉性定量研究

龐宏磊，張營(yíng)革，師 濤

（中國(guó)石化勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營(yíng)257022）

斷層通過對(duì)油氣運(yùn)移期次、方向、途徑和規(guī)模的控制，影響著油氣藏的形成、類型及展布規(guī)律。斷層封閉性研究對(duì)油氣勘探尤為重要。早期研究認(rèn)為，郭局子洼陷沙二段灘壩砂巖以構(gòu)造－巖性油藏為主，勘探重點(diǎn)為尋找有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)，為此做了大量工作，在地震屬性預(yù)測(cè)方面取得了大量成果［1］，同時(shí)在鼻狀構(gòu)造［2］、不整合面［3］、古地層壓力［4］等因素與油氣運(yùn)聚的關(guān)系方面也有重要認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，在斷層下降盤部署的鉆井巖心均顯示良好但試油大部出水，此類問題嚴(yán)重制約了勘探進(jìn)展。本文在系統(tǒng)分析郭局子洼陷的斷層分布特征和活動(dòng)性基礎(chǔ)上，針對(duì)灘壩砂巖非均質(zhì)分布的特點(diǎn)，優(yōu)選垂向封堵系數(shù)法、橫向封堵系數(shù)法和斷層有效泥比率法，開展斷層封閉性定量評(píng)價(jià)研究，明確郭局子洼陷非均質(zhì)灘壩砂巖油氣運(yùn)移規(guī)律和有利成藏區(qū)帶，對(duì)相關(guān)地區(qū)的勘探具有一定的參考價(jià)值。

1 地質(zhì)概況

郭局子洼陷位于車鎮(zhèn)凹陷東段，南北受義和莊凸起和埕子口凸起夾限，東西分別與大王北洼陷和渤南洼陷相連，呈北陡南緩、東淺西深的箕狀斷陷盆地（圖1），勘探面積約300km2。研究區(qū)西段深洼區(qū)富含烴源巖，沙河街組多套儲(chǔ)層出油，但均未形成規(guī)模，勘探程度低。

圖1 郭局子洼陷構(gòu)造綱要圖

研究區(qū)沙二段發(fā)育窄盆淺湖型灘壩砂巖，南北雙物源，但物源供給不足，以灘砂發(fā)育為主，單層砂體厚度為0.5～2.5m，橫向連通差，多套砂體組合成砂組，砂組間泥巖夾層發(fā)育，呈“泥包砂”結(jié)構(gòu)。沙二段地層在構(gòu)造高部位“上剝下超”，形成多條尖滅環(huán)帶。上覆沙一段與下伏沙三段主要發(fā)育厚層油泥巖和泥巖，包夾沙二段灘壩砂巖形成相對(duì)密閉的封存箱。依據(jù)實(shí)鉆井測(cè)錄井顯示以及地化指標(biāo)分析，沙二段灘壩砂巖中的油氣主要來(lái)自下伏的沙三段中下段烴源巖，屬于下生上儲(chǔ)的油氣成藏模式［5］。

2 斷層展布特征

郭局子洼陷在沙二段共發(fā)育各類斷層56條，其中大型控凹斷層有4條，為埕南斷層、大35斷層、義東斷層和孤西斷層，其余斷層大多為這4條控凹斷層的派生分支斷層。控凹斷層控制著郭局子洼陷的構(gòu)造沉積演化，延伸長(zhǎng)度為10～30km，斷距為500～1 300m，沙二期的斷層活動(dòng)速率為11～400m/Ma，為主要的油源斷層，因此本文將斷層封閉性研究重點(diǎn)放在其余低級(jí)別斷層。

2.1 埕南斷層組合

埕南斷層組合由埕南斷層和大王東斷層共同右旋扭張應(yīng)力下的一系列伴生斷層組成，按應(yīng)力方向可細(xì)分為兩組［6－11］。一組為埕南斷層的伴生斷層，如大211、大360斷層，多近東西向展布，延伸5～7km，多拐點(diǎn)，南傾正斷層，斷距下大上小，最大至300m。第二組為大王東斷層伴生斷層，如郭15斷層，呈近南北向串珠狀展布，延伸約1km，主要在深層發(fā)育，斷距一般小于100m。兩組斷層在平面上交錯(cuò)呈帚狀，垂向上為間隔不均的“Y”狀，西部斷距明顯強(qiáng)于東部。近埕南斷層處多表現(xiàn)為鏟狀，上陡下緩；向洼陷深處，斷層逐漸轉(zhuǎn)為板狀，斷距加大。兩組斷層斷穿沙河街組，至東營(yíng)組活動(dòng)停止。

2.2 南坡斷層組合

南坡斷層組合是喜山期左旋拉張應(yīng)力下盆地?cái)嘞萜谛纬桑?－11］的，為近東西向展布的盆傾正斷層，沿地勢(shì)變化呈平行束狀排列，局部呈網(wǎng)狀，東密西疏，4條主斷層延伸長(zhǎng)度為5～10km，為同沉積斷層，其余次生斷層多沿地層走勢(shì)發(fā)育，延伸小于3km。垂向上南坡斷層系列呈高角度板狀疊瓦排列。

2.3 義東斷層組合

義東斷層是燕山期發(fā)育的控制義和莊凸起和沾化凹陷的走滑拉張斷層，主體沿北北東向延伸，傾向北西。郭局子洼陷內(nèi)為其末段，切割孤西斷層，傾沒于渤南洼陷，延伸10km，多派生斷層，組合發(fā)散呈帚狀，斷面陡直呈板狀，斷距一般大于100m。

2.4 孤西斷層組合

孤西斷層為燕山構(gòu)造期發(fā)育的北西向斷層，斷穿中生界、古近系和新近系，落差下大上小，約80～200m，與埕南斷層共同作用，切割渤南洼陷、郭局子洼陷北帶，形成復(fù)式地塹構(gòu)造。孤西斷層傾沒于郭局子洼陷東北部，郭14、郭6和郭斜13斷層呈倒“Y”型，傾向北西，延伸約10km。垂向上呈花狀切割古近系和新近系，至館陶期末停止活動(dòng)。

研究表明，溝通下伏沙三段烴源巖和沙二段灘壩砂巖，且在烴源巖排烴期－東營(yíng)期末活動(dòng)的斷層才能作為油源斷層［12］。據(jù)此，埕南斷層組合及南坡高部位的大7斷層、低部位的大3斷層，具備區(qū)域油源斷層條件；南坡中部的大30、大93等斷層未斷至沙三段，只控制沙二段內(nèi)部油氣運(yùn)移。郭局子洼陷烴源巖主要發(fā)育在洼陷西部，而孤西和義東組合的東部生烴能力較弱，該兩組斷層只能將渤南洼陷的油氣運(yùn)移至郭局子洼陷東部，運(yùn)移能力有限。

3 斷層活動(dòng)性

油源斷層的輸導(dǎo)能力與其斷層本身的發(fā)育特征具有極大相關(guān)性，通過對(duì)其延伸長(zhǎng)度、發(fā)育密度、傾角、斷距和活動(dòng)性分析，可定性的表征出斷層的輸導(dǎo)能力，即斷層活動(dòng)性越強(qiáng)，輸導(dǎo)能力越強(qiáng)［12］。本文通過斷層活動(dòng)速率和斷距兩個(gè)指標(biāo)表征郭局子洼陷斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。

斷層活動(dòng)速率為斷層上下兩盤、同一地層的沉積厚度差與該地層沉積時(shí)間的比值，單位為m/Ma。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，郭局子洼陷斷層活動(dòng)速率變化呈梭型，沙二期活動(dòng)最為劇烈，平均活動(dòng)速率為30 m/Ma，至東營(yíng)期大多數(shù)斷層活動(dòng)性減弱。義東斷層組合在沙二期最為活躍，其主斷層－郭15斷層活動(dòng)速率已達(dá)到180m/Ma，但該組合沙一－東營(yíng)期活動(dòng)速率較低，說(shuō)明其在排烴期－東營(yíng)末期，斷層活動(dòng)性減弱，油氣輸導(dǎo)能力弱。孤西斷層組合整體活動(dòng)速率較低，油氣輸導(dǎo)能力同樣較弱。埕南斷層組合在沙一－東營(yíng)期的活動(dòng)速率均值達(dá)到15m/Ma，為郭局子洼陷較大值，分析認(rèn)為該組合油氣輸導(dǎo)能力最強(qiáng)。南坡組合僅大7和大3斷層具備油氣輸導(dǎo)能力（圖2）。

郭局子洼陷斷層斷距由深至淺逐漸變小，表明斷層的消亡過程，沙二段的平均斷距為80m，埕南和義東斷層組合斷距較大，活動(dòng)較為劇烈，南坡斷層斷距最小，驗(yàn)證了活動(dòng)速率分析的正確性（圖3）。

圖2 郭局子洼陷次級(jí)斷層活動(dòng)速率分析

圖3 郭局子洼陷次級(jí)斷層斷距分析

總之，郭局子洼陷斷層活動(dòng)性具有明顯的分帶性，北帶強(qiáng)于南坡，東部強(qiáng)于西部（圖2、3）。

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4 斷層封閉性

針對(duì)沙二段灘壩砂巖相對(duì)密閉、類似“封存箱”結(jié)構(gòu)的圈閉特征和“泥包砂”的沉積結(jié)構(gòu)，要分析其油氣分布的規(guī)律性，必須考慮油氣能否運(yùn)移充注，是否向淺層散逸，在灘壩內(nèi)部如何側(cè)向運(yùn)移等幾個(gè)方面，涉及斷層垂向和側(cè)向兩個(gè)方向的封閉性研究。垂向封閉性指斷層輸導(dǎo)下伏沙三段烴源巖的油氣充注并封存在灘壩儲(chǔ)層中的能力；側(cè)向封閉性指斷層對(duì)沙二段灘壩內(nèi)部砂體間油氣運(yùn)移的封閉能力［12］。

4.1 垂向封閉性分析

油氣沿?cái)鄬觾?nèi)破碎帶在浮力作用下向淺層運(yùn)移，控制其運(yùn)移能力的主要為斷層破碎帶寬度、破碎帶充填物類型及壓實(shí)程度、破碎帶化學(xué)沉淀膠結(jié)程度、斷面壓力等，而泥巖充填物質(zhì)對(duì)輸導(dǎo)能力的制約性最強(qiáng)。斷層垂向封閉系數(shù)指斷層落差和蓋層（泥質(zhì)成分）厚度的比值，以此來(lái)分析斷面泥巖涂抹對(duì)油氣垂向運(yùn)移的阻礙能力，從而判斷垂向上油氣運(yùn)移的能力［13］。斷層垂向封閉系數(shù)越小，斷層垂向封閉性越好。沙二段與其他地層接觸處發(fā)育厚度不均的泥巖，此處將其作為蓋層分析斷層的垂向封閉能力。斷層垂向封閉系數(shù)R可以表示為

式中，L為斷層垂直落差，m；H為蓋層疊加厚度，m。

下伏沙三段發(fā)育大套烴源巖，因此沙二段底部斷層的垂向封閉系數(shù)（油氣充注能力）主要受斷距控制，斷距越大，油氣充注能力越強(qiáng)。研究表明，R底值域范圍為4～20，R值越小，垂向封閉性越差，埕南和義東斷層組合輸導(dǎo)能力最強(qiáng)。結(jié)合鉆井試油得出，郭局子洼陷R底＝8為油氣充注的下限值。當(dāng)R底＜8時(shí)，斷層垂向封閉，儲(chǔ)層多解釋為干層或水層。

上覆沙一段底部多發(fā)育白云巖，泥巖層厚度較小，但斷層斷距也較小。研究表明，沙二段頂部斷層垂向封閉系數(shù)R頂值域?yàn)?～10，垂向封閉性強(qiáng)于底部，對(duì)已成圈閉形成良好的保護(hù)。依據(jù)鉆井試油得出郭局子洼陷R頂＝5為油氣散失的上限值。當(dāng)R頂＞5時(shí)，斷層垂向開啟，油氣有散失的可能。

4.2 灘砂側(cè)向封閉性

斷層兩盤巖性配置是分析薄層砂巖側(cè)向封堵的關(guān)鍵。泥巖厚度大，則薄砂體對(duì)接泥巖可能性增大，斷層帶泥巖涂抹程度增高，側(cè)向封堵的可靠性隨之增加。大量斷層實(shí)例研究表明，除純泥頁(yè)巖外，其他泥質(zhì)含量高的巖性，也可提高側(cè)向封堵的可能性，因此提出了ESGR的概念，即有效斷層泥比率，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)斷層帶中斷層泥含量和泥巖涂抹的程度［11］。ESGR值越大，斷層側(cè)向封閉性越好。有效斷層泥比率的公式為

式中，h為泥巖層厚度，m；H為斷層斷距，m。

當(dāng)ESGR≤14%時(shí)，斷層帶內(nèi)部主要發(fā)育碎裂巖；14%＜ESGR≤40%時(shí)，斷層帶內(nèi)部主要發(fā)育類泥質(zhì)砂巖；ESGR＞40%時(shí)，主要發(fā)育泥巖涂抹。

研究表明，郭局子洼陷北部陡坡帶灘壩泥質(zhì)成分較多，ESGR值為136%～405%，斷層側(cè)向封閉性極好，薄層灘砂間橫向不連通。郭局子南坡灘砂泥質(zhì)含量近洼陷處含量增高，厚度為10～200m，ESGR值域?yàn)?8%～532%，斷層側(cè)向封閉性大部較好，僅高部位的大7、大93等斷層側(cè)向封閉較差，油氣沿砂體橫向朝地層高部位運(yùn)移，大7、大30等井鉆遇含油水層。

4.3 壩砂側(cè)向封閉性

斷層對(duì)厚層壩砂的側(cè)向封堵性受控因素較多，涉及構(gòu)造、儲(chǔ)集、巖性等多方面。斷層橫向封閉系數(shù)F由構(gòu)造封閉系數(shù)C、儲(chǔ)集封閉系數(shù)R和巖性封閉系數(shù)G綜合而得，該方法準(zhǔn)確度高，適用于單砂體儲(chǔ)層的側(cè)向封閉性研究，F(xiàn)值越大，斷層對(duì)砂體橫向封閉能力越高［13］。橫向封閉系數(shù)法的計(jì)算公式為

式中，G為巖層封閉系數(shù)，封閉層是純砂巖時(shí)為0，泥質(zhì)砂巖時(shí)為0.5，砂質(zhì)泥巖時(shí)為0.75，泥巖時(shí)為1.0；L為斷層垂直落差，m；H為蓋層厚度，m；h為儲(chǔ)層厚度，m。

依據(jù)鉆井錄井?dāng)?shù)據(jù)，郭局子洼陷洼陷深處巖性封閉系數(shù)G取1，北帶和南坡的低部位巖性封閉系數(shù)G取0.75，高部位取0.5。研究表明，郭局子洼陷斷層的橫向封閉系數(shù)分布區(qū)間為21%～246%，依據(jù)鉆井試油分析得出，郭局子洼陷斷層側(cè)向封閉系數(shù)F＝70為成藏下限值。當(dāng)F值＞70時(shí)，斷層多為泥巖涂抹，側(cè)向封閉壩砂成藏，集中在北帶。當(dāng)20＜F＜40時(shí)，斷層破碎帶開啟，油氣可散失，砂體構(gòu)造位置低含水，主要分布在郭局子洼陷西段南坡。郭局子洼陷東段斷層橫向封閉系數(shù)F值南低北高，橫向變化快，與泥質(zhì)成分的分布關(guān)系密切。

綜上所述，郭局子洼陷沙二段斷層封閉性具有明顯的區(qū)域性和分段性，導(dǎo)致油氣分布的差異性。埕南斷層組合垂向充注能力強(qiáng)，側(cè)向封堵能力好，油氣沿?cái)鄬舆\(yùn)移至斷層下降盤儲(chǔ)集體中富集成藏，斷距越大，含油高度越大，是較有利的構(gòu)造－巖性油藏勘探區(qū)帶。南坡斷層組合僅構(gòu)造低部位的大3斷層中段具有垂向輸導(dǎo)能力，其余斷層僅對(duì)薄層砂巖形成側(cè)向封堵；油氣沿大3斷層中段運(yùn)移到沙二段后，在浮力驅(qū)動(dòng)下，沿厚層壩砂運(yùn)移通道，進(jìn)一步向構(gòu)造高部位運(yùn)移，在巖性尖滅帶可形成地層－巖性油藏。郭局子西部的義東、孤西兩個(gè)斷層組合垂向和側(cè)向封堵性均較差，油氣多散逸至淺層，勘探潛力較低。

4 結(jié) 論

（1）郭局子洼陷斷層分布具有明顯的區(qū)帶性，可分為埕南斷層組合、南坡斷層組合、義東斷層組合及孤西斷層組合。油源斷層主要分布在洼陷西部的埕南斷層組合和南坡的大7、大3斷層。

（2）斷層活動(dòng)性定性反映油氣輸導(dǎo)能力，郭局子洼陷斷層活動(dòng)性北帶比南坡活動(dòng)劇烈，東部比西部活動(dòng)性強(qiáng)。

（3）郭局子洼陷沙二段斷層封閉性具有明顯的區(qū)域性和分段性，導(dǎo)致油氣分布的差異性。西部油氣資源豐富，是郭局子洼陷的重點(diǎn)勘探區(qū)帶。埕南斷層組合垂向充注能力強(qiáng)，側(cè)向封堵能力好，可形成構(gòu)造－巖性油氣藏；南坡組合側(cè)向封堵差，油氣聚集地層高部位，形成地層－巖性油氣藏；東部油氣多散逸，勘探潛力小。

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