西湖凹陷平湖構造帶斷裂垂向封閉性研究

孫思堯 ，范昌育 ，蒲仁海 ，王剛 ，王愛國 ，黃雷

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.西北大學地質學系，陜西 西安 710069）

0 引言

近年來，斷層側向封閉性研究取得了長足進步，解釋或解決了大多數(shù)斷塊油氣田成藏及預測問題［1-5］。盡管如此，隨著斷塊油氣藏勘探的不斷深入，發(fā)現(xiàn)在一些地區(qū)如渤海灣盆地［6-7］出現(xiàn)了斷層側向封閉性好、油源充足、運移路徑暢通而無法成藏的案例。

西湖凹陷平湖構造帶發(fā)育大量的斷塊、斷鼻圈閉。前人在西湖凹陷平湖構造帶斷層側向封閉性研究方面開展了大量工作［8-10］，卻沒有對斷層垂向封閉性進行研究。隨著西湖凹陷勘探的深入，發(fā)現(xiàn)眾多斷塊圈閉在油源和運移條件滿足、側向封閉性良好的情況下，依然無法成藏的現(xiàn)象。

斷層的封閉性由側向和垂向封閉性構成，忽視任一方面都將導致斷塊圈閉預測失利。在油源充足、運移路徑暢通的前提下，若斷層垂向封閉，側向未封閉，則深層的油氣會運移至圈閉淺層沿斷層側向泄露；若斷層垂向開啟，油氣勢必會沿斷層垂向泄露。只有斷層垂向、側向均封閉，油氣才會成藏。西湖凹陷平湖構造帶平中段P5小層是一套穩(wěn)定并且連續(xù)的泥質巖準區(qū)域蓋層，本文通過分析P5準區(qū)域蓋層上下油氣、壓力分布已及巖石物理學性質，使用泥巖涂抹系數(shù)法對斷層垂向封閉性進行評價，進而得到斷層垂向封閉的臨界值，并以此對典型失利斷塊進行了分析，為該區(qū)及同類地區(qū)斷塊圈閉油氣藏的預測提供了依據。

1 地質概況

在中國東海盆地內，東北向的西湖凹陷是由古近紀大陸邊緣巨塊演化形成的。西湖凹陷可分為平湖構造帶、中央背斜和東部斷裂帶3個構造子單元，平湖構造帶是本次的研究區(qū)（見圖1a）［10-11］。根據現(xiàn)有勘探資料，平湖構造帶目前勘探的區(qū)塊有W油氣田、K氣田、P油氣田、T氣田以及B氣田，而W-K次凹目前尚未勘探。

據現(xiàn)有的鉆井資料解釋，西湖凹陷新生代地層由老到新依次為：寶石組（E2b）、平湖組（E2p）、花港組（E3h）、龍井組（N11l）、玉泉組（N12y）、柳浪組（N13l）、三潭組（N2s）和第四系東海群（Qd）［12］（見圖 1b）。平湖組為主要的油氣勘探層系，烴源巖主要是位于泥巖厚度較大的平下段（P11—P12），平中和平上段烴源巖基本不發(fā)育［13］。平湖組地層由新到老分為四段以及細分為12個小層，分別是P2—P4（平上段）、 P5—P8（平中段）、P9—P11（平下上段）以及P12（平下下段）。地震反射層分別是平上段頂T30、平中段頂T31、平下上段頂T32、平下下段頂T33。平湖組和上覆的花港組存在不整合接觸，缺失小層為P1［14］。在研究區(qū)西湖凹陷平湖構造帶，縱觀整個平湖組，在平中段P5小層是一套穩(wěn)定并且在平面上分布連續(xù)的泥質巖蓋層，厚度20～70 m，可作為平湖構造帶的準區(qū)域蓋層［15］，研究區(qū)邊緣位置P5準區(qū)域蓋層厚度小，研究區(qū)中間位置P5準區(qū)域蓋層厚度大。根據現(xiàn)有井資料，圍繞研究區(qū)邊緣位置的油氣顯示并非良好，多為失利井，而研究區(qū)中間位置的油氣保存良好。同時平下上段最大海泛面附近（P11小層）也可作為阻擋平湖組深層油氣的蓋層［16］，而平湖組大量的油氣位于平中段以及平下上段，極少油氣位于平湖組平下下段P12小層，因此平湖組P5準區(qū)域蓋層為平湖組油氣的主控蓋層。

圖1 西湖凹陷平湖構造帶構造位置、斷裂分布及CD剖面

西湖凹陷的形成可分為3個階段，分別是斷陷期、斷-坳轉換期和坳陷期［17］。研究區(qū)發(fā)育正斷層，斷層根據所斷層位可劃分為早期活動型、中期活動型和長期活動型，早期活動型斷層切割T30—Tg，中期活動型斷層切割 T24—T32，長期活動型斷層切割 T20—Tg（其中基巖頂面為Tg，花港組頂面為T24，柳浪組頂面為T20），斷層斷距整體呈上小下大分布（見圖1c）［10］。西湖凹陷平湖構造帶圈閉類型以斷塊和斷鼻為主，圈閉形態(tài)受斷裂控制［18］，油氣藏富集程度依靠于區(qū)域性泥巖蓋層［19］。平湖構造帶地層受斷裂影響呈西高東低階梯狀分布，并且控圈斷層基本都切割P5小層，深層成熟的油氣可通過P5準區(qū)域蓋層進行垂向調整。

2 斷層垂向封閉機理

2.1 斷層面緊閉封閉機理

斷層面緊閉封閉機理是一個理想化的模型機理，把斷層帶看成斷層面進行研究。并且，國內學者認為斷層帶里面沒有填充物僅僅靠斷層面接觸，斷層垂向封閉性主要靠斷層面的壓力來決定［20］。當斷層面埋深越大，上覆地層對斷面的壓力越大，斷面就會越緊閉，孔隙度和滲透率越差，進而斷面的排替壓力就會越大，斷層垂向封閉性越好［21］。但在三維模型上看，沿著斷層走向斷層面并不是光滑平整的，而是凹凸不平的，因此當斷層面緊閉時，就會存在滲漏的空間，以致油氣泄漏。斷層面緊閉機理還不能使斷層垂向完全封閉。

2.2 斷層帶內泥質填充物封閉

斷層兩盤并不是靠斷層面接觸，而是靠斷層兩盤的斷裂帶接觸，斷層在活動時期斷裂帶中會填充一些沙質、泥質的物質。斷層是否可以在垂向上封閉住深層運移上來的油氣，靠的是斷裂帶中的泥質物質。當斷裂活動時，將蓋層中的泥巖進行拖拉，泥巖發(fā)生涂抹，填充斷裂帶中的滲漏空間，進而使斷裂帶垂向封閉，油氣無法沿斷裂帶向上運移［22-23］。同時碎裂作用和后期礦化作用也會影響斷層垂向封閉性，斷裂帶填充物越細和膠結作用越強，孔滲性越差，排替壓力越大，即當斷層巖排替壓力大于或者等于下伏巖石壓力時，油氣不易沿斷層垂向泄漏；反之，斷層垂向封閉性越差［21］。當斷距很大，將蓋層泥巖涂抹拉斷，那么斷裂帶中即存在泥質物，斷層垂向也會開啟。因此斷層垂向封閉須滿足蓋層為泥質巖石并且斷距合適，斷層垂向才會封閉。

3 斷層垂向封閉性定量評價

3.1 評價方法

泥質巖石在地表以下，隨著埋深的增加，其巖石的物理力學性質會發(fā)生變化。當埋深較淺時，巖石呈脆性變形階段；當埋深進一步增加時，溫度和壓力同時作用，使巖石會過渡為脆-塑性變形階段；當埋深較深時，巖石最終會呈塑性變形［24］。

國內學者認為，當泥質巖蓋層的巖石性質呈脆性時，可使用斷接厚度法定量評價斷層垂向封閉能力［25］；當泥質巖蓋層在脆-塑性變形階段時，斷裂容易形成典型的泥巖涂抹結構，泥巖涂抹的連續(xù)性決定斷層垂向封閉的能力，可使用SSF（泥巖涂抹系數(shù)）法進行定量評價斷層的垂向封閉能力［26］。當泥質巖蓋層在塑性變形階段時，斷層垂向上是封閉的［27］。

式中：Hfc，HC， HS分別為斷接厚度、斷距、蓋層厚度，m。

西湖凹陷平湖構造帶P5準區(qū)域蓋層，巖性以泥巖為主。根據巖石力學性質，西湖凹陷西斜坡脆性系數(shù)低，巖石學性質呈脆-塑性變形階段并且蓋層穩(wěn)定［28］，斷裂將蓋層拉張時會形成泥巖涂抹，因此本文決定利用SSF法進行評價西湖凹陷斷層垂向封閉性。

3.2 評價結果

研究斷塊圈閉的控圈斷層在垂向上是起封閉作用還是起輸導作用，取決于斷層和蓋層的配置關系。若斷層垂向開啟，深層油氣在蓋層之上成藏，斷裂則起輸導作用；若斷層垂向封閉，油氣被封堵在蓋層之下，斷裂則起封閉作用。因此可通過蓋層上下的油氣顯示初步說明控圈斷層是否垂向開啟，若油氣在蓋層上下呈“上油（氣）下油（氣）”、“上油（氣）下水”和“上水下水”分布，那么油氣發(fā)生垂向調整，控圈斷層垂向開啟；若油氣在蓋層上下呈“上水下油（氣）”，那么油氣未發(fā)生垂向調整，控圈斷層垂向封閉（見圖2）。

如果僅僅利用蓋層上下的油氣分布來判斷控圈斷層垂向是否封閉是片面的、不可靠的，所以利用地層壓力數(shù)據對控圈斷層垂向封閉性進行驗證。當蓋層上下地層不是同一套壓力體系時，即蓋層之下地層為超壓體系，蓋層之上地層為常壓體系，利用實測壓力數(shù)據可以確定油氣是否沿斷裂垂向運移。若地層實測壓力在蓋層之下表現(xiàn)為超壓，之上表現(xiàn)為常壓，證明斷裂垂向封閉，并且蓋層上下油氣顯示為“上水下油（氣）”，那么油氣沒有通過垂向運移也沒有通過側向運移；當上下油氣顯示為“上油（氣）下油（氣）”，證明蓋層之上的油氣是沿斷層側向運移至此。若實測壓力在蓋層上下都表現(xiàn)為常壓，證明斷裂垂向開啟。當蓋層上下地層是1套壓力體系時，利用實測壓力數(shù)據來驗證斷裂垂向的啟閉性則毫無意義。

根據現(xiàn)有資料，西湖凹陷平湖構造帶地區(qū)儲層呈現(xiàn)2套壓力系統(tǒng)，分別為正常壓力系統(tǒng)和超壓系統(tǒng)［29］，平湖組上段為常壓系統(tǒng)，平湖組中下段 （3 500～4 000 m）發(fā)育超壓［30］。本次研究對26口資料相對齊全的井附近斷層圈閉進行斷蓋配置的分析。如圖3a所示，圖中13口井中P5準區(qū)域蓋層上下均有油氣顯示，并且地層壓力均為常壓，證明斷層垂向開啟；如圖3b所示，圖中13口井中P5準區(qū)域蓋層之下有油氣顯示，地層壓力為超壓，P5準區(qū)域蓋層之上無油氣顯示，地層壓力表現(xiàn)為常壓，證明油氣未沿斷層側向運移至蓋層之上并且斷層垂向封閉。

圖3 西湖凹陷平湖構造帶P5準區(qū)域蓋層上下油氣顯示情況

依據以上理論，利用SSF法對控圈斷層垂向封閉性進行定量評價（見圖4）。圖3a中13口井的控圈斷層SSF值均大于1.9，斷層垂向開啟，圖3b中13口井的控圈斷層SSF值均小于1.9，斷層垂向封閉。因此，本次研究以SSF等于1.9作為西湖凹陷平湖構造帶斷層垂向是否封閉的界限。

圖4 斷蓋配置關系及油氣聚集-泄漏對應的SSF界限

西湖凹陷平湖構造帶邊緣部位斷層垂向封閉性差，構造帶內部斷裂垂向封閉性良好，這是因為邊緣位置斷裂斷距大而P5準區(qū)域蓋層厚度小，內部位置斷裂斷距小且準區(qū)域蓋層厚度大。構造帶W-K次凹目前是勘探空白區(qū)，該次凹位于構造帶內部，預測斷層垂向封閉性良好，因此W-K次凹是西湖凹陷平湖構造帶良好的勘探有利區(qū)。本次研究認為西湖凹陷平湖構造帶斷裂垂向封閉性對油氣的保存起著非同小可的作用。

3.3 典型斷層圈閉分析

T氣田位于西湖凹陷平湖構造帶平北地區(qū)南部，為西湖凹陷典型的斷層所控制的氣田，T2井位于T氣田北部，由圖7a，7e，7f可識別出該圈閉是由2條同向斷層F1大斷裂和F2斷層所控制。T2井為失利井，T氣田主力砂層組是P7，P8砂層，砂層厚度分別是32，26 m，而T2井P7，P8砂層只含水，其他砂層均無油氣。但該地區(qū)暗色泥巖和煤厚度大，成熟度高［31］，生烴條件好，發(fā)育多期疊置的大型砂體［18］，并且T1井與T2井僅一條斷層之隔，而T1井鉆井發(fā)現(xiàn)工業(yè)油氣。本次研究將對T2失利井進行封閉性綜合解剖。

3.3.1 斷層側向封閉性定量評價

為了排除T2井主力砂層失利是由斷層側向封閉性差導致，因此首先研究T2斷塊控圈斷層的側向封閉性。利用斷層側向封閉性評價常用的斷層巖比率（SGR）法［32］（見式 3）和 Knipe 圖解［33］對斷層側向封閉性進行半定量評價。對于一條被解剖的斷層而言，若斷層垂向開啟，斷層無論有多大的SGR值均不能封閉。因此，在定某個區(qū)塊的斷層側向SGR封閉界限的時候，需要確定斷層垂向封閉。若未考慮到斷層垂向封閉，會導致SGR界限值偏高，從而會漏評大量有利斷塊，導致預測失利。一般認為，SGR為62%是斷層側向封閉的界限［10］，之所以SGR界限值偏高是因為前人并未提及和考慮到斷層垂向上是否封閉。本次研究在保證斷層垂向封閉即SSF小于1.9的前提下，對23個水層和油氣層進行SGR的計算統(tǒng)計和分析，油氣層的SGR為22%～86%，水層的SGR為3%～29%，得到研究區(qū)斷層側向封閉界限為22%～30%。當SGR≥30%時，斷層側向封閉；SGR≤22%時，斷層側向開啟。

式中：Vsh為泥質體積分數(shù)；ΔZ為地層厚度，m；D為斷距，m。

西湖凹陷平湖構造帶F1大斷裂為長期活動型斷層，斷層延伸長、斷距大。F1大斷裂在P7，P8砂層處已經和對盤的基巖對接，說明F1大斷裂在P7，P8砂層處側向封閉性良好，屬于對接封閉。解剖F2斷層的側向封閉性，利用Knipe圖解（見圖5）和P7，P8砂層實測斷距可知斷面巖性對接情況 （見圖6b，6c），P7砂層與對盤的泥巖對接，無需計算P7砂層SGR值，F(xiàn)2斷層在P8砂層處沿斷層走向距離存在砂砂對接，利用式（3）對P8砂層砂砂對接處的SGR進行計算，在P8砂層砂砂對接處的SGR為43.8%～46.0%（見圖7a）。因此，F(xiàn)2斷層在主力砂層P7，P8側向封閉性良好。

圖5 西湖凹陷平湖構造帶T2斷塊Knipe圖解

3.3.2 斷層垂向封閉性定量評價

上文研究分析了該斷層圈閉中F1大斷裂、F2斷層側向封閉性良好，再進行解剖T2斷塊圈閉的垂向封閉性。利用SSF法對F2斷層進行詳細解剖，F(xiàn)2斷層全段SSF均大于1.9（見圖7b）。因此，F(xiàn)2斷層全段垂向開啟（見圖6d），與圈閉不含油氣只含有水相吻合。F1大斷層為長期活動型斷層，斷距整體大于F2斷距，所以F1大斷層SSF大于1.9，這也是導致該圈閉不含油氣的直接原因。當油氣在深層成熟之后沿著斷裂垂向泄漏，斷層側向封閉性再好也無法成藏，斷層垂向封閉性在這個地區(qū)顯的尤為重要。

圖6 西湖凹陷平湖構造帶T2斷塊構造剖面及F2斷層封閉性評價

圖7 西湖凹陷平湖構造帶F2斷層封閉定量性評價

西湖凹陷平湖構造帶除了T2斷塊之外還有眾多斷塊失利，斷塊失利的主要原因是斷層垂向封閉性差。如K2和K3斷塊，兩斷塊位于西湖凹陷平湖構造帶平北地區(qū)北部（見圖1c），其平湖組中上段以及平湖組下上段均不見油氣，而西湖凹陷平湖構造帶K地區(qū)油源充足，運移路徑暢通［34］。 K2井所在的斷塊失利，K2井所在斷塊的控圈斷層SGR為28%～41%，K3井所在斷塊同樣失利，K3井所在斷塊的控圈斷層SGR為33%～64%，K2井所在斷塊的控圈斷層于P5準區(qū)域蓋層的SSF為2.0～2.5，K3井所在斷塊的控圈斷層于P5準區(qū)域蓋層的 SSF 為 2.0～2.8（見圖 8）。 K2，K3斷塊在平湖組主力砂層未見油氣，失利的主要原因是控圈斷層垂向封閉性差，這同樣也印證了斷層的垂向封閉性在西湖凹陷平湖構造帶地區(qū)對于油氣成藏有著至關重要的作用。

圖8 西湖凹陷平湖構造帶K2，K3斷塊封閉性評價

4 結論

1）在西湖凹陷平湖構造帶，當SSF大于1.9時，油氣發(fā)生垂向調整，P5上下地層為常壓，斷層垂向開啟；當SSF小于1.9時，油氣未發(fā)生垂向調整，P5之上地層為常壓，之下為超壓，斷層垂向封閉。

2）西湖凹陷平湖構造帶W-K次凹斷裂斷距小，P5準區(qū)域蓋層厚度大，斷層垂向封閉性良好，該次凹是目前勘探的空白區(qū)，也是油氣勘探的有利區(qū)。

3）西湖凹陷平湖構造帶，油源充足、運移路徑暢通、側向封閉性良好的斷塊（如 T2，K2，K3斷塊）勘探失利的主要原因是垂向封閉性差。斷層垂向封閉性的評價為提高該類斷塊勘探成功率提供理論依據。