南堡凹陷斷層對中、上部含油組合油氣成藏的控制作用

呂延防，韋丹寧，孫永河，胡 明，劉 哲，孫同文，王海學(xué)，許辰璐

東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318

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南堡凹陷斷層對中、上部含油組合油氣成藏的控制作用

呂延防，韋丹寧，孫永河，胡 明，劉 哲，孫同文，王海學(xué)，許辰璐

東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318

南堡凹陷斷層極其發(fā)育，依據(jù)斷層形成時期、變形特征及形成演化機制，可將南堡凹陷斷裂系統(tǒng)劃分6種類型(Ⅰ--Ⅵ)。其中，Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)是中、上部含油組合的主要斷層類型，也是重要的控藏斷層類型；Ⅲ型斷裂系統(tǒng)為晚期形成的斷層，主要對中--上部含油組合的油氣起封閉或調(diào)節(jié)作用；Ⅴ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)為長期發(fā)育的斷層，是油氣從源巖層向中淺層儲層垂向運移的主要通道。晚期活動斷層形成的斷層相關(guān)圈閉是形成油氣藏的主要圈閉類型；晚期形成的斷裂密集帶控制油氣藏的分布；斷層分段生長形成的古轉(zhuǎn)換帶控制了沉積體系及砂體的展布，控制了油氣藏的分布；斷層對蓋層的破壞程度控制了油氣聚集的層位；斷層封閉性演化控制了斷層圈閉中油氣的富集程度。

南堡凹陷；斷裂系統(tǒng)；油氣運移；斷層封閉性；蓋層；油氣聚集；黃驊坳陷

0 前言

前人曾對南堡凹陷斷裂的控藏作用進行過大量的研究和探討。李宏義等[1]研究油源斷裂在油氣運移過程中所起到的作用，認為長期活動的油源斷裂是油氣運移的主要輸導(dǎo)通道；同時部分學(xué)者[2-3]將油源斷裂定義為溝通源巖并在大量排烴期活動的斷裂，且是油氣運移的優(yōu)勢輸導(dǎo)通道。在斷裂活動時期和強度對油氣成藏起到的作用方面：李宏義等[1]認為斷裂活動時期和強度控制油氣縱向分配；董學(xué)源等[4]認為油氣大量生成期與斷裂活動期一致，從而斷裂控制運移與分布。同時在斷裂與蓋層相互關(guān)系研究中大分部學(xué)者[5-6]都認為斷裂會破壞蓋層，造成原生油氣藏的破壞。關(guān)于斷裂的封閉性對油氣聚集成藏的作用，大部分學(xué)者[1, 6-8]認為斷裂封閉性在時間上具有差異性，在油氣運聚過程中扮演輸導(dǎo)和封堵雙重角色;也有學(xué)者從斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，分析斷層不同部位封閉性的差異，從而得到對油氣運聚的差異[9],甚至分析了斷裂在側(cè)向上與垂向上封閉性的不同及其對油氣成藏的控制作用[5, 10]。

筆者意旨能夠通過斷層的相關(guān)研究明確南堡凹陷中淺層油氣控藏規(guī)律。在前人研究的基礎(chǔ)上，進一步細化斷裂對油氣成藏的控制作用，明確了油氣成藏過程中不同類型斷裂系統(tǒng)對油氣的輸導(dǎo)和遮擋作用，同時對控制中淺層油氣聚集的斷裂活動期次進行了界定；在斷裂轉(zhuǎn)換帶研究的基礎(chǔ)上，確定斷裂輸導(dǎo)油氣的優(yōu)勢部位；在斷裂與蓋層的匹配關(guān)系上，確定油氣富集層位的蓋層斷接厚度，最后對斷層封閉性進行研究，得出油氣具體富集的程度。通過研究希望對南堡凹陷中淺層下一步勘探開發(fā)提供指導(dǎo)，同時也對斷裂控制油氣聚集方面添加新的理論。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷北部的一個中、新生代發(fā)育起來的小型生油凹陷，北面以西南莊和柏各莊大斷層為界，南面與沙壘田凸起呈斷超式接觸。整個南堡凹陷面積為1 932 km2，其中灘海面積1 100 km2。南堡凹陷整體構(gòu)造格局為“三坡、三凹、兩個凹中隆”，“三坡”是指西南莊斷層下降盤陡坡帶、柏各莊斷層下降盤陡坡帶和西南緩坡帶，“三凹”是指拾場次凹、林雀柳南次凹、曹妃甸次凹，“兩個凹中隆”是指高柳構(gòu)造帶和南堡2號構(gòu)造帶。目前已發(fā)現(xiàn)了老爺廟、柳贊、高尚堡、南堡1--5號構(gòu)造等8個富油氣區(qū)(圖1)。南堡凹陷鉆遇的地層自下而上依次為古近系的沙河街組(Es)和東營組(Ed)以及新近系的館陶組(Ng)和明化鎮(zhèn)組(Nm)。其中，館陶組和東營組之間以及東營組和沙河街組之間以不整合接觸。南堡凹陷烴源巖主要為沙三段(Es3)、沙一段(Es1)和東三段(Ed3)，主要蓋層為沙三段(區(qū)域)、東二段(Ed2，區(qū)域)、館三段(Ng3，局部)和明上段(Nms，區(qū)域)，主要含油層為基巖潛山、沙三、東一(Ed1)、館四(Ng4)和明下(Nmx)，主要成藏期為東一段沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積末期至今[1，7，9，11-12]。研究表明，沙三段烴源巖在東三段沉積末期開始進入排烴期，東二段至館陶組沉積時期為主要排烴期，沙一段烴源巖在東一段沉積末期進入大量排烴期，東三段烴源巖在館陶組沉積末期進入大量排烴期；東二區(qū)域蓋層之下的油氣藏為兩期注入成藏，分別為東營組沉積末期和明上段沉積末期至第四系沉積期，東二段之上的油氣藏為一期注入成藏，為明上段至第四系沉積期充注。沙三段蓋層與基底潛山構(gòu)成源下含油氣組合(下部含油組合)，東二段蓋層與東三段及沙河街組儲層構(gòu)成源內(nèi)含油氣組合(中部含油組合)，明上段蓋層與館陶組及東一段儲層構(gòu)成源上含油氣組合(上部含油組合)。烴源層與上部含油層相隔上千米距離,斷層是油氣從深層向淺層運移的主要輸導(dǎo)通道[1，7，9]。

南堡凹陷斷層極其發(fā)育，斷層密度在東一段頂為20條/km2，明化鎮(zhèn)組頂高達30條/km2；除盆地邊界斷層外，盆內(nèi)斷層延伸長度一般為10～15 km；斷層走向以北東向和近東西向為主，以雁列式和“帚”狀組合為主(圖1)。單條斷層的剖面樣式主要為面狀、鏟狀和坡平狀；斷層剖面組合樣式主要為“負花狀”、“似花狀”及“y”狀和“x”狀(圖2)。依據(jù)盆地構(gòu)造發(fā)育史剖面及斷層生長指數(shù)研究可知，南堡凹陷斷層強活動時期有3期，即沙二三段沉積時期的伸展變形期、東一段沉積時期的走滑伸展變形期和明化鎮(zhèn)組--第四系沉積時期的張扭變形期[2，5-6]。依據(jù)斷層組合樣式及盆地結(jié)構(gòu)特征可知，沙二三段沉積時期活動的斷層具有伸展變形性質(zhì)，東一段沉積時期活動的斷層具有走滑伸展復(fù)合變形性質(zhì)，而明化鎮(zhèn)組沉積以來的斷層具有張扭變形性質(zhì)。依據(jù)斷層三期三性質(zhì)變形，可將南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)劃分為6種類型[2，5-6](圖2)，即早期伸展斷裂(Ⅰ型)、中期走滑伸展斷裂(Ⅱ型)、晚期張扭斷裂(Ⅲ型)、早期伸展--中期走滑伸展斷裂(Ⅳ型)、中期走滑伸展--晚期張扭斷裂(Ⅴ型)、早期伸展--中期走滑伸展--晚期張扭斷裂(Ⅵ型)。其中，Ⅰ型斷裂系統(tǒng)是在基底以下及在沙二三段沉積期活動的斷裂，在南堡凹陷發(fā)育較少；Ⅱ型斷裂系統(tǒng)是斷穿T4、主要在沙一段沉積末--東三段沉積時期活動的斷裂；Ⅲ型斷裂系統(tǒng)是斷穿T2或T1、主要由明化鎮(zhèn)組--第四系沉積時期的張扭變形作用而形成的斷裂；Ⅳ型斷裂系統(tǒng)為先伸展后走滑伸展活動的斷裂，主要變形時期分別對應(yīng)于沙二三段和東三段沉積時期，斷穿T4或T5，在研究區(qū)不發(fā)育；Ⅴ型斷裂系統(tǒng)是由T5或T4斷至T1或地表(海底)、先走滑伸展后張扭活動的斷裂，在東一段和明化鎮(zhèn)組--第四系沉積時期兩期活動，其中明化鎮(zhèn)組--第四系沉積時期活動并斷穿T1的斷裂為長期活動斷裂，是該系統(tǒng)中主要發(fā)育的斷裂；Ⅵ型斷裂系統(tǒng)由T5或T4斷穿T1或地表(海底)的長期活動斷裂構(gòu)成，經(jīng)歷了伸展、走滑伸展和張扭活動三期變形(圖2)。垂向上晚期形成的Ⅲ型斷裂條數(shù)最多，其次為長期發(fā)育的Ⅴ型斷裂，再次為Ⅵ型斷裂；Ⅲ型斷裂與Ⅴ、Ⅵ斷裂系統(tǒng)在剖面上呈現(xiàn)為明顯的“v”字型或“y”字型密集嵌套，平面上密集成帶分布(圖1)。

2 斷裂系統(tǒng)發(fā)育特征

南堡凹陷中淺層主要由Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅵ型3類斷裂系統(tǒng)組成(圖1)。不同的斷裂系統(tǒng)在油氣成藏中所起的作用存在著差異。其中，Ⅲ型斷裂系統(tǒng)僅在晚期張扭變形活動，主要對東營組沉積末期形成的油氣藏起封閉或調(diào)節(jié)作用；Ⅴ型斷裂系統(tǒng)和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)溝通沙三段、沙一段--東三段兩套源巖和淺部儲層，并且在東營組沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積中期兩期油氣充注關(guān)鍵時期活動開啟，故為長期發(fā)育的Ⅴ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)是南堡凹陷中淺層油氣垂向運移的主要通道。由于烴源巖大量排烴期與Ⅴ型、Ⅵ型斷裂活動時期一致，當(dāng)斷裂活動開啟時，斷裂附近應(yīng)力得到釋放，引起巖石膨脹，體積增大，孔滲性增強，使斷裂帶內(nèi)形成相對負壓，源巖層高壓流體迅速向斷裂帶中匯聚，發(fā)生“地震泵”抽吸作用，此時進入斷裂帶的流體通常為油、氣、水混相，運移速率很大。之后在壓差作用下流體順斷裂帶向淺部地層運移，當(dāng)運移過程中遇到上部蓋層遮擋或斷裂帶與兩側(cè)儲層滲透率相差不大時即發(fā)生側(cè)向充注，在合適的部位聚集成藏[13]。從南堡凹陷中淺層油氣分布與長期發(fā)育的斷裂系統(tǒng)關(guān)系圖中(圖1)可以看出，目前已發(fā)現(xiàn)的油氣幾乎毫無例外地都圍繞著長期發(fā)育的Ⅴ、Ⅵ型斷裂分布，如灘海地區(qū)南堡油田1號構(gòu)造帶(南堡1井區(qū))、南堡2號、3號、4號構(gòu)造帶，陸上北堡(北3井區(qū))、老爺廟油田和高尚堡油田(高29井區(qū))。這是油氣沿斷裂垂向運移并側(cè)向分流成藏的最直接證據(jù)。

Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型為南堡凹陷的斷裂系統(tǒng)類型。圖1 南堡凹陷明化鎮(zhèn)組底界斷裂系統(tǒng)、斷裂密集帶與油氣分布Fig.1 Distribution of fault systems,fault intensive areas,and oil gas on the bottom of Minghuzhen Group in Nanpu sag

圖2 南堡凹陷裂斷系統(tǒng)及斷裂密集帶劃分剖面圖Fig.2 Profile map of fault systems and fault intensive areas in Nanpu sag

3 斷層晚期活動與局部正向構(gòu)造關(guān)系

3.1 晚期活動斷層與圈閉類型關(guān)系

圖3 南堡凹陷中淺層圈閉類型(a)和油氣藏類型(b)分布Fig.3 Histogram of trap types (a) and reservoir types (b) in middle-superficial layer in Nanpu sag

南堡凹陷東營組目的層疊加了中期和晚期兩期斷層變形，而館陶組--明化鎮(zhèn)組目的層僅經(jīng)歷了晚期斷層變形，然而斷層的晚期張扭變形強度較大，形成了大量剖面負花狀、平面呈條帶分布的斷層分布模式。因此，目的層被斷層支解程度較大，從而形成了大量與斷層相關(guān)的圈閉及斷層相關(guān)的油藏類型。對南堡凹陷東一段、館陶組和明化鎮(zhèn)組圈閉類型(圖3a)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)南堡凹陷這3組地層中共有534個圈閉，主要有斷塊圈閉、斷層遮擋圈閉和斷背斜圈閉3種類型。其中以斷塊圈閉為主，約占圈閉總數(shù)的67%；其次為斷層遮擋圈閉，約占圈閉總數(shù)的31%；斷背斜圈閉所占比例最少， 約占2%。可見，除個別為斷背斜圈閉之外，幾乎所有圈閉均為斷層控制的圈閉類型。同時，對南堡凹陷淺層已發(fā)現(xiàn)的油氣藏統(tǒng)計(圖3b)，南堡凹陷發(fā)育的油氣藏有3類，分別是斷鼻構(gòu)造油氣藏、交叉斷層斷塊油氣藏和多斷層復(fù)雜斷塊油氣藏，分別占斷層油氣藏總數(shù)的10%、34%和56%。綜上所述，南堡凹陷淺層發(fā)育的圈閉基本都為斷層相關(guān)圈閉，已發(fā)現(xiàn)的油氣藏均為斷層油氣藏。

3.2 晚期形成的斷裂密集帶特征

南堡凹陷現(xiàn)今斷層組合形態(tài)是在明化鎮(zhèn)組以來張扭變形下而定型的，形成了大量剖面負花狀組合樣式，將剖面上同一組負花狀組合的斷層進行平面追蹤發(fā)現(xiàn)其呈密集的條帶狀分布，即為斷裂密集帶。這些密集帶在斷層張扭變形過程中，受局部應(yīng)力場變化與先存主干斷層關(guān)系及地層變形特征的影響，造成密集帶內(nèi)、外地層的整體協(xié)調(diào)特征存在差異。一種是密集帶內(nèi)地層向上彎曲，并與密集帶外地層協(xié)調(diào)為背斜形態(tài)，稱之為背斜型密集帶(圖4a)；另一種是密集帶內(nèi)地層向下彎曲，并與密集帶外地層協(xié)調(diào)為向斜形態(tài)，稱之為向斜型斷裂密集帶(圖4b)。從南堡凹陷發(fā)育的12條背斜型斷裂密集帶和10條向斜型斷裂密集帶與油氣分布的關(guān)系可知(圖1)，背斜型密集帶內(nèi)、外均有油氣分布，如老爺廟、高尚堡、柳贊、南堡1號、南堡2號、南堡4號和南堡5號等油田；向斜型密集帶內(nèi)至今還沒有油氣的發(fā)現(xiàn)，帶外局部有油氣分布。由此可以看出，由于油氣的運聚成藏首先遵循向低勢區(qū)充注，而相對的構(gòu)造高部位即為低勢區(qū)。因此，背斜型密集帶帶內(nèi)為構(gòu)造高部位，向帶外相當(dāng)于協(xié)調(diào)為一個背斜構(gòu)造，油氣優(yōu)先向密集帶內(nèi)充注，當(dāng)油氣供給充足時，帶外也會發(fā)生油氣的充注聚集。對于向斜型密集帶，帶內(nèi)為低部位、低勢區(qū)，不為油氣充注的有利指向，而向斜型密集帶外因處于帶邊正斷層下盤，斷塊相對上升而成為相對高的部位，因此，可成為部分油氣充注運移的指示區(qū)。

4 古轉(zhuǎn)換帶分布與儲油砂體相互關(guān)系

斷層發(fā)育是一個動態(tài)的分段生長過程[14]，斷層分段生長主要經(jīng)歷“孤立成核”、“軟連接”和“硬連接”三個階段[15]。斷層分段生長過程必然伴隨著轉(zhuǎn)換帶的形成演化，而轉(zhuǎn)換帶的分布與沉積體系的展布具有密切關(guān)系[16]，通常是控制沉積物源進入?yún)R水盆地的通道，從而控制著盆地內(nèi)沉積體系及砂體的展布。

西南莊和柏各莊斷層控制著南堡凹陷的形成演化，從不同時期斷距-距離曲線特征圖(圖5)中可以看出，該兩條斷層明顯具有分段生長特征，東一段沉積時期，西南莊斷層由3條斷層組成，而柏各莊斷層則表現(xiàn)為兩段式發(fā)育特征，其古斷層間的相間部位即是轉(zhuǎn)換帶的位置。從東一段沉積時期轉(zhuǎn)換帶位置與該期沉積相的分布關(guān)系上看，西南莊和柏各莊斷層轉(zhuǎn)換帶明顯控制著砂體入盆的位置，也控制了南堡凹陷物源方向和扇三角洲的分布(圖6)。從古轉(zhuǎn)換帶控制的扇三角洲與油田分布的疊合上看，油氣主要富集于扇三角洲平原和前緣兩個砂體發(fā)育的亞相中(圖6)?？梢姡蜌獾母患c斷層分段生長形成的古轉(zhuǎn)換帶所控制的儲油砂體的分布關(guān)系非常密切。

a.背斜型斷裂密集帶；b.向斜型斷裂密集帶。圖4 南堡凹陷斷裂密集帶成藏過程模式Fig.4 Model of hydrocarbon migrating and accumulation in fault intensive area in Nanpu sag

5 斷-蓋匹配關(guān)系

蓋層的作用是確保油氣在蓋層之下的運移與聚集，一旦蓋層遭到斷層的破壞，油氣就有可能沿著斷層穿蓋層發(fā)生垂向運移，這種垂向滲漏完全可以導(dǎo)致油氣藏的徹底破壞；因此，蓋層被斷層的破壞程度決定了油氣能否在蓋層之下聚集與保存。然而，并非所有被斷層錯斷的蓋層都是被破壞的。當(dāng)斷層向上消失在蓋層內(nèi)部，即該層沒有被錯開時，蓋層的完整性并沒被破壞，對油氣的保存影響不大；當(dāng)斷層完全將蓋層錯斷，且斷距大于蓋層厚度時，蓋層的垂向封閉能力徹底被破壞，油氣往往難以在該蓋層之下得以保存；當(dāng)斷層錯斷了蓋層，但并沒有將蓋層徹底斷開時，蓋層之下的油氣能否得以保存，取決于蓋層厚度和斷層斷距的大小比較，蓋層厚度越小，斷距越大，蓋層被破壞的風(fēng)險也就越大，反之亦然[17-18]。

圖5 南堡凹陷西南莊和柏各莊斷層不同地質(zhì)歷史時期斷距-距離曲線Fig.5 Fault displacement-distance curves of Xinanzhuang fault and Baigezhuang fault in historical period in Nanpu sag

南堡凹陷中、上部含油組合發(fā)育東二段和明上段兩套區(qū)域性蓋層以及館三段火山巖局部性蓋層。東二段區(qū)域蓋層和館三段局部蓋層被大量斷層所錯斷。鉆井資料顯示，同樣遭到斷層破壞的蓋層，有的部位保存完好，其上不見有任何油氣顯示，有的部位則在蓋層之上發(fā)現(xiàn)有大量油氣的聚集。分析認為，這是不同部位蓋層所遭受斷層的破壞程度不同所致。斷層對蓋層的破壞程度可用蓋層斷接厚度來表達，所謂蓋層斷接厚度是指蓋層被斷層錯斷后，斷層兩盤蓋層與蓋層相對接的厚度。顯然，蓋層的斷接厚度越大，表明蓋層被破壞的程度越低，其下部地層中油氣被保存的可能性就越大；否則，油氣穿蓋層通過斷層向上部地層運移的可能性越大。對于某一確定的蓋層，油氣可否沿斷層穿蓋層向上運移，可能存在一個蓋層斷接厚度的閥值，斷接厚度小于該閥值，蓋層被破壞，油氣沿斷層穿蓋層向上運移；反之，蓋層不被破壞，油氣被限定在該蓋層之下運移聚集；該閥值被稱之為蓋層的斷接厚度臨界值。通過蓋層的斷接厚度與斷層附近鉆井揭示的油氣分布層位的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，東二段蓋層的斷接厚度臨界值為90～95 m：即當(dāng)斷接厚度小于此值時，東二段蓋層被破壞，油氣主要分布在其上部地層中；當(dāng)斷接厚度大于此值時，東二段蓋層保存完好，油氣主要分布在該蓋層之下，其上部地層中不見油氣顯示(圖7a)。同理，對斷層附近的44口油井館三段的蓋層斷接厚度進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)館三段蓋層的斷接厚度臨界值為130～150 m：當(dāng)館三段蓋層的斷接厚度小于該臨界值時，油氣穿該蓋層向上部運移并聚集在館陶組上部和明下段儲層中；當(dāng)館三段蓋層的斷接厚度大于該臨界值時，油氣被封隔在館三段蓋層之下(圖7b)。明上段區(qū)域蓋層因厚度大(800～1 000 m)，且斷層的斷距相對小(一般100～150 m)，斷接厚度較大，并且埋藏淺，蓋層塑性相對強，明上段區(qū)域蓋層是一套確保南堡凹陷油氣不向上發(fā)生逸散或很少逸散的有效保護層。

圖7 南堡凹陷東二段(a)館三段(b)蓋層斷接厚度與油氣縱向分布關(guān)系Fig.7 Relationship of the disconnect thickness of Ed2 (a) and Ng3 (b) cap rock with longitudinal hydrocarbon distribution in Nanpu sag

6 斷層側(cè)向封閉性特征

6.1 斷層側(cè)向封閉性及其演化史研究方法

傳統(tǒng)方法圈定斷層圈閉范圍時，不考慮斷層封閉性能，以斷層線和與其相交的最低一根構(gòu)造等高線所圈定的范圍為斷層圈閉范圍。實際上，如果斷層所能封閉的油柱高度大于圈閉幅度，此方法圈定的范圍即為該斷層圈閉范圍；如果斷層所能封閉的油柱高度小于圈閉幅度，斷層圈閉的實際范圍應(yīng)該是斷層在目的層的海拔高度減去斷層所能封閉的油柱高度(目的層在海平面以下)所對應(yīng)的構(gòu)造等高線與斷層線構(gòu)成閉合所圈定的區(qū)域面積?？梢姏Q定斷層圈閉面積大小的關(guān)鍵因素是構(gòu)成該圈閉邊界的斷層本身的封閉能力。

斷層側(cè)向封閉類型主要有兩類，一類是對接封閉型，即斷層封閉能力取決于斷層兩盤滲透性地層與非滲透性地層的對置關(guān)系；另一類是斷層巖封閉型，即斷層封閉性取決于斷層巖的滲透能力。當(dāng)斷層的斷距小于蓋層厚度時，斷層的側(cè)向封閉能力取決于斷層兩盤砂泥巖層對置厚度的大小，此類斷層的封閉為對接型封閉；當(dāng)斷層的斷距大于蓋層厚度時，在砂泥巖薄互層段內(nèi)不能形成像對接型封閉那樣厚蓋層對目的盤儲層的側(cè)向遮擋，斷層側(cè)向上能否形成封閉取決于充填于斷層內(nèi)斷層巖的封閉能力，此類斷層的封閉為斷層巖型封閉[19-20]。南堡凹陷的斷層除了大斷層外，中、上部含油組合內(nèi)斷層的斷距一般為100～400 m，而儲層的最大厚度區(qū)間小于50 m，一般區(qū)間為3～15 m，故封閉類型除兩套區(qū)域蓋層和館三段3套地層以外，中、上部含有組合內(nèi)的斷層主要為斷層巖封閉型。斷層巖是由泥巖碎屑和不同泥質(zhì)體積分數(shù)的砂巖碎屑混雜堆積而成，其封閉能力的大小主要取決于斷層巖的泥質(zhì)體積分數(shù)。斷層巖的泥質(zhì)體積分數(shù)為[21-22]

(1)

式中：φSGR為斷層巖的泥質(zhì)體積分數(shù)，%；∑Hi為研究層段中泥巖層總厚度，m；l為垂直斷距，m。

Bretan等[23]建立了φSGR與所能封閉的烴柱高度統(tǒng)計關(guān)系式：

(2)

式中：h為斷層巖所能支撐的烴柱高度，m；ρw、ρo分別為水和油的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；c為常數(shù)，埋深小于3 000 m時為0.5，埋深為3 000～3 500 m時為0.25，埋深超過3 500 m時為0；d為根據(jù)研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的斷層油藏油柱高度所要標(biāo)定的參數(shù)，值為0～200。

根據(jù)斷層錯斷地層的巖性特征，利用式(1)計算出斷層面各點的φSGR值，通過對已知斷層型油藏的精細解剖，確定h；將該φSGR和h值連同該地區(qū)地下流體物性數(shù)據(jù)代入式(2)，便可確定參數(shù)d和c(相同區(qū)域相同地質(zhì)條件下d、c是常量)。只要d、c確定，式(2)便變成了φSGR與h兩個變量的關(guān)系式。

南堡凹陷3號構(gòu)造東一段φSGR與h的關(guān)系式為

(3)

對于預(yù)評價斷層，只要求得φSGR，便可通過式(3)計算出所能封閉的油柱高度，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的油水界面，并可在平面構(gòu)造圖上圈定出圈閉的范圍。

如果斷層在油氣成藏期封閉能力強，現(xiàn)今封閉能力弱，則現(xiàn)今封閉能力控制著油氣藏高度；如果在成藏期封閉能力比今封閉能力弱，則古封閉能力限定了今油氣藏的高度。由上已知，決定斷層側(cè)向封閉能力的關(guān)鍵因素是斷裂帶的φSGR，只要能恢復(fù)出斷層演化過程中某一時刻(通常為油氣成藏期)斷裂帶的古φSGR，便可利用式(3)對其古側(cè)向封閉能力進行評價。

恢復(fù)古φSGR的前提是恢復(fù)古斷距，最大斷距相減法是被認可的古斷距恢復(fù)方法[24]。其基本原理是用現(xiàn)今斷層斷面某點斷距減去現(xiàn)今斷層在T沉積地層中發(fā)育的最大斷距，用公式表示為

(4)

式中：DP為T沉積時期斷層面某一點的古斷距，m；DN為現(xiàn)今斷層面在某一點的斷距，m；DTmax為現(xiàn)今斷層在T沉積地層中發(fā)育的最大斷距，m。

在恢復(fù)斷層古斷距的基礎(chǔ)上，利用鉆井及測井資料就可以根據(jù)式(1)計算出斷層面各點古φSGR值，將該古φSGR值代入式(3)，便可計算出斷層側(cè)向所能封閉的古油柱高度，同時可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的古油水界面，并在構(gòu)造圖上圈定出圈閉的古有效范圍。

6.2 斷層封閉性演化特征

由上述方法評價南堡凹陷NP3-2構(gòu)造F1斷層在東一段所能封閉的油柱高度為107 m,油水界面海拔-3 407 m(表1)。僅從構(gòu)造圖上看，NP3-2構(gòu)造圈閉范圍應(yīng)該為F1斷層與-3 460 m構(gòu)造等高線所圈定的范圍，但由于受F1斷層今封閉能力所限，圈閉高度減小了53 m(圖8)。通過古斷距恢復(fù)基礎(chǔ)上恢復(fù)古φSGR，發(fā)現(xiàn)成藏期斷層巖的φSGR與現(xiàn)今基本相當(dāng)。如果不考慮斷層巖成巖時間的影響，成藏期F1斷層的側(cè)向封閉性與今封閉性變化不大，有效圈閉的范圍始終為F1斷層與-3 407 m構(gòu)造等高線所圈定的范圍，NP3-2井鉆在了圈閉有效范圍之內(nèi)；因此為工業(yè)油流井。

NP3-3圈閉是受F2、F3和F4三條斷層夾持形成的交叉斷層圈閉。按照上述評價方法，對NP3-3斷層圈閉控圈斷層的現(xiàn)今側(cè)向封閉能力進行定量評價，發(fā)現(xiàn)構(gòu)成該圈閉的3條斷層中F4在東一段封閉能力最弱，所能封閉的油柱高度為236 m，其次是F3斷層，為245 m，F(xiàn)2斷層最強，為252 m(表1)。按“木桶”原理，確認該斷層圈閉所能封閉的最大油柱高度為236 m，按今斷層封閉能力所圈定的控圈范圍應(yīng)為-3 225 m等高線與3條斷層圍限的范圍(圖8)，NP3-3井布到了該斷層控圈范圍之內(nèi)，按現(xiàn)今斷層封閉能力評價結(jié)果，該井應(yīng)該鉆遇油層，但實際上NP3-3井在東一段試油為水層。

表1 南堡凹陷南堡3-3斷圈斷層側(cè)向封閉能力綜合評價結(jié)果

圖8 南堡凹陷南堡3號構(gòu)造東一段斷層圈閉有效性評價Fig.8 Effectiveness evaluation of fault traps in Ed1 of the third structure in Nanpu sag

然而，通過古斷層封閉性恢復(fù)發(fā)現(xiàn)，在油氣主要運移期的明化鎮(zhèn)組沉積末期，控圈的3條斷層封閉能力均與現(xiàn)今有所不同，其中F3、F4比現(xiàn)今略小，而F2封閉能力與現(xiàn)今差別甚大，所能封閉的油柱高度只有45 m(表1)。故此，平面上所能構(gòu)成的有效圈閉范圍只限定在了-3 220 m以內(nèi)(圖8)。實際上NP3-3井鉆在了有效圈閉范圍之外，因此鉆探失利。

按照上述方法，對南堡凹陷已鉆的58個失利斷層圈閉的斷層側(cè)向封閉性及其演化史進行了定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在58個失利斷圈中，38個斷圈為封閉性差造成的失利(占總失利斷圈的65.5 %)，其中今封閉性差32個(占總失利斷圈的56 %)，古封閉性差6個(占總失利斷圈的10%)。這充分說明斷層的封閉性及其演化史決定了油氣的聚集程度。

7 結(jié)論

1)依據(jù)斷層形成時期、變形特征及形成演化機制，可將南堡凹陷斷裂系統(tǒng)劃分6種類型，其中Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)是中、上部含油組合的主要斷裂類型，也是重要的控藏斷裂類型。Ⅲ型斷裂系統(tǒng)為晚期形成的斷裂，主要對中上部含油組合的油氣起封閉或調(diào)節(jié)作用；Ⅴ型和Ⅵ型斷裂系統(tǒng)為長期發(fā)育的斷裂，是油氣從源巖層向中淺層儲層垂向運移的主要通道。

2)晚期活動斷層形成的斷層相關(guān)圈閉是形成油氣藏的主要圈閉類型，晚期形成的斷裂密集帶控制油氣藏的分布，油氣主要富集在背斜型斷裂密集帶內(nèi)部或邊緣。

3)斷層分段生長形成的古轉(zhuǎn)換帶控制了砂體入盆的位置，也控制了南堡凹陷物源方向和沉積體系及砂體的展布，從而控制了油氣藏的分布。

4)斷層對蓋層的破壞程度控制了油氣聚集的層位，東二段區(qū)域蓋層斷接厚度大于臨界值(90～95 m)、館三段火山巖蓋層斷接厚度大于臨界值(130～150 m)時，蓋層基本不被破壞，油氣在此兩套蓋層之下富集；否則，蓋層被破壞，油氣主要在此兩套蓋層之上富集。

5)斷層現(xiàn)今封閉能力決定了斷層圈閉所能容納的最大烴柱高度，斷層封閉性演化史與油氣運移史的配合決定了斷層圈閉中油氣的富集程度，油氣運移高峰期斷層的封閉能力決定了斷層圈閉中油氣聚集的多少。

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Control Action of Faults on Hydrocarbon Migration and Accumulation in the Middle and Upper Oil-Bearing Group in Nanpu Sag

Lü Yanfang, Wei Danning, Sun Yonghe, Hu Ming,Liu Zhe, Sun Tongwen, Wang Haixue, Xu Chenlu

CollegeofEarthScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,Heilongjiang，China

Nanpu sag faults and their development can be systematically classified into 6 types (Ⅰ-Ⅵ)according to the periods of fault development, the deformation behaviour, and the evolution mechanisms. Fault systems Ⅲ, Ⅴ, and Ⅵ are the main fault types in the middle and upper oil-bearing group, and they are also the important controlling pool fault types. Among them, type Ⅲ, a latterly-developed fault system, serves to seal and adjust the hydrocarbon in the middle and upper oil-bearing groups; while type Ⅴ and Ⅵ, which are fault systems with a long history, serve as the main pathways for the vertical migration of hydrocarbon from source rock to intermediate and shallow reservoirs. The traps related to the faults resulting from latterly developed faults are the primary candidates for the development of hydrocarbon reservoirs; The fault intensive areas developed latterly control the distribution of hydrocarbon reservoirs; The palaeo-transition areas caused by the faults development at different periods provide the location of the depositional systems and sand systems, and limit the distribution of the hydrocarbon reservoirs; The breakdown of the cap rock by the faults controls the positions of the hydrocarbon accumulation; And the sealing of the fault controls the enrichment degree of the hydrocarbon in the fault traps.

s: Nanpu sag; fault systems; hydrocarbon migration; fault seal; cap rock; hydrocarbon accumulation; Huanghua depression

10.13278/j.cnki.jjuese.201504101.

2014-10-10

國家科技重大專項項目(2011ZX05007-002)；省部共建國家重點實驗室資助項目(2010-09)

呂延防(1957--)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣保存條件、油氣成藏和油氣資源評價研究，E-mail:571128lyf@nepu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504101

P618.13

A

呂延防，韋丹寧，孫永河，等. 南堡凹陷斷層對中、上部含油組合油氣成藏的控制作用.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(4):971-982.

Lü Yanfang, Wei Danning, Sun Yonghe,et al. Control Action of Faults on Hydrocarbon Migration and Accumulation in the Middle and Upper Oil-Bearing Group in Nanpu Sag.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):971-982.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504101.