油气由断裂向砂体侧向分流能力定量评价方法——以渤海湾盆地饶阳凹陷留楚构造为例

王 伟，孙同文，曹兰柱，吕延防，付 广，鲁秀芹，邓 玮，张 桓

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318; 2.中国石油 华北油田分公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

油气由断裂向砂体侧向分流能力定量评价方法
——以渤海湾盆地饶阳凹陷留楚构造为例

王 伟1，孙同文1，曹兰柱2，吕延防1，付 广1，鲁秀芹2，邓 玮1，张 桓1

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318; 2.中国石油 华北油田分公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062552)

在油田勘探中，判断油气由断裂垂向运移后侧向分流的优势层位十分重要，但目前缺少有效的评价方法。以渤海湾盆地饶阳凹陷留楚地区为例，在综合分析盖层厚度和断-砂接触面积等影响油气侧向分流能力因素的基础上，利用储层地震反演等地球物理技术建立了主要影响因素的求取方法，并系统分析圈闭充满度与各因素之间的相关性，优选出有效影响因素，然后综合有效因素建立断-砂侧向分流能力定量评价公式。结果表明：当断-砂侧向分流系数R大于0.3时开始发生油气侧向分流，并且R越大圈闭充满度越高，当R大于0.9时油藏为纯油层。利用断-砂侧向分流系数对f038和f008两条断层的侧向分流情况进行验证，结果与实际钻井情况吻合较好。

断-砂侧向分流；定量评价；油气运移；留楚构造；饶阳凹陷；渤海湾盆地

在断陷盆地下生上储构造区，油气往往围绕断裂在其两侧呈“多层楼”式分布，然而不同断裂或断裂两侧不同砂层之间油气富集的差异性很大，如何有效利用可操作的地质和物探资料研究油气侧向分流的层位，对解释油气垂向上差异分布及指导油气钻探目的层的选择具有重要意义。

前人对断-砂侧向分流油气的研究主要集中在物理实验模拟方面[1-5]，很少应用于油气勘探实践中，之后一些学者在油气勘探中逐渐总结出“断-砂接触长度”等定性或半定量研究方法[6]，但过于简化断-砂之间的接触关系。付广(2014)定量评价了南堡凹陷中、浅层的断裂侧向分流油气能力，但评价公式中只考虑了断砂对接的储层条件的影响[7]。在前人研究的基础上，本文综合考虑盖层条件、断裂条件以及砂岩输导层条件对影响油气侧向分流能力地质因素进行系统总结，阐述了各因素的求取方法。其中借鉴断层侧向封闭性定量评价方法对上覆盖层段断裂带泥质含量进行计算，并在断面形态刻画的基础上，首次应用储层地震反演确定了三维断裂-砂体接触面积。通过对各因素与分流油气的充满度间的相关性分析，优选出相关性较高的参数并建立了定量评价公式，后期验证吻合度较高。此结果一方面可以合理地解释留楚地区油气富集规律，另一方面可为其他相似地区的勘探评价提供思路。

1 油气由断裂向砂体侧向分流能力的影响因素

在常压盆地中，油气沿油源断裂运移的主要动力为浮力，而当垂向运移受到的阻力大于向储层侧向运移的阻力时，油气发生侧向分流。综合前人实验室物理模拟及油田勘探实践结果，可知油气沿断裂向砂体侧向分流主要受以下6个方面因素影响(图1)：①储层砂体厚度；②断层及储层倾角；③储层砂体物性；④储层砂地比；⑤储层上覆泥岩厚度；⑥储层上覆泥岩泥质含量。

1) 储层砂岩厚度

储层砂岩厚度越大，与断裂面的接触面积就越大[4,7]，那么油气进入储层通道空间就越大，油气侧向分流能力也越强(图1a)。

2) 断层及储层倾角

断层倾角越小，储层倾角越大，使浮力为主要驱动力的油气向储层运移的分力就越大[8]，油气越容易向储层充注(图1b)。

3) 储层砂体物性

在研究单砂体油气侧向分流能力时，砂体的孔隙度和渗透率表征了砂体物性的好坏，断砂接触的砂岩物性越好，其排替压力也越小，油气侧向分流能力就越强，如果研究某段储层的侧向分流能力，往往利用砂地比来代替孔、渗来表征储层条件[8](图1c)。

4) 储层砂地比

储层砂地比越高，储层中砂岩所占的比例越高，油气侧向分流能力越强[9](图1d)。

5) 储层上覆泥岩厚度

储层上覆泥岩厚度的大小是影响油气能否继续沿断裂向上运移的关键因素[4]，断裂两盘储层上覆泥岩厚度越大，断裂在形成时，落入断裂带内的泥岩也就越多，断裂带内泥质含量越大，致使断裂带上覆的排替压力也越大，使油气继续向上运移的阻力变大(图1e)。

6) 上覆泥岩泥质含量

上覆泥岩泥质含量越高，断裂形成时落入断裂带内泥岩的泥质含量也越高，导致储层之上断裂带内排替压力也越大[10](图1f)。

通过对前人研究成果的分析，有一些参数可以进行优化，例如储层砂岩厚度可以通过增加断层面与储层砂体的对接面积来提高油气的侧向分流能力，可以利用地球物理相关技术手段直接求取断砂接触面积来表征油气的侧向分流能力。因此在总结分析上述影响因素的基础上，本文又提出了两个可能更好地表征油气侧向分流能力的参数(图2)：储层上覆断裂带内泥质含量和断砂对接面积。

图1 影响断-砂侧向分流油气能力的各种地质因素模式Fig.1 Various geological factors influencing fault-sand lateral diversion probability of oil and gasa.储层砂岩厚度；b.断层及储层倾角；c.储层物性；d.砂地比；e.上覆泥岩厚度；f.上覆泥岩泥质含量

图2 断-砂侧向分流油气三维模式Fig.2 3-D model of fault-sand lateral diversion of oil and gas

1) 储层上覆断裂带内泥质含量

断裂不是简单的线和面，而是一个非常复杂的三维地质体[11-15]，储层上覆断裂带内泥质含量直接影响着断裂带内排替压力，进而影响着油气向上运移的阻力，其值越大，油气侧向分流的能力越强。

2) 断-砂接触面积

断层凸面单元(以下称断面脊)是油气垂向运移的优势通道[16-17]，断面脊是断层的凸面部分，断面凹面和凸面的拐点控制着断面脊的宽度(图2)。断-砂接触面积是指储层中的砂体与断面脊对接的面积，该参数能够真实反映砂体与有效运移油气断层面的接触情况。断-砂接触面积越大，油气侧向分流能力越强。

2 影响侧向分流能力主要参数的求取

2.1 研究区地质背景

本文以下生上储的渤海湾盆地饶阳凹陷留楚地区东营组二段和三段储层为例进行油气侧向分流能力定量评价研究。留楚构造位于渤海湾盆地饶阳凹馅中南部(图3)，勘探面积约为344 km2，完钻探井58口，全区覆盖三维地震。

留楚构造是主体受东侧留楚-皇甫村断层和西侧大王庄东断层双向挤压作用并后期塌陷所形成的NE走向不对称塌陷背斜构造(图4)。该区发育沙河街组一段下亚段和沙河街组三段上亚段两套烃源岩。通过前人的油源对比认识[18]，东营组二段和东营组三段储层中的油气主要来源于沙河街组一段下亚段烃源岩，配合东营组一段的优质盖层，构成浅部的生储盖组合(图4)。

断裂-砂体配置类型分为反向正断层、顺向正断层、反“屋脊式”正断层和“屋脊式”正断层4类(图5)。研究区主要的断裂-砂体配置类型为反向正断层，油气更易向油源断裂上盘充注，在充注方向上遇到断层遮挡形成断层圈闭。

留楚构造浅部的生储盖组合是典型的下生上储、先垂向后侧向运移的油气成藏模式[19]，是开展油气侧向分流能力研究的理想地区。

2.2 影响因素求取

2.2.1 储层上部断裂带泥质含量

求取方法是利用断面附近井资料以及岩性反演结果，通过Traptester软件进行断裂面泥质含量(SGR，%)的求取。Yieding[20]和Knipe[21]利用SGR描述断层岩中的泥质含量，其算法是在假设断层两盘地层在错断过程中均匀将砂泥成分填充于断裂带内前提下，利用公式1来求取。

十八大以来，习近平总书记在多个场合强调科技创新的重要性，曾在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上强调：“要在我国发展新的历史起点上，把科技创新摆在更加重要的位置，吹响建设世界科技强国的号角。”还多次提到要掌握核心技术，并指出核心技术受制于人是最大的隐患，而核心技术靠化缘是要不来的，只有自力更生。

(1)

式中：ΔZ为地层厚度，m；Vsh为地层的泥质含量，%；D为断距，m。

本次通过对研究区13条主干油源断裂断面SGR值进行求取，然后读取储层上部断面脊处的最小SGR值作为储层上部输导脊断裂带泥质含量Rm(图6)。

2.2.2 断-砂接触面积

1) 垂向优势运移路径刻画

在精细解释目标断层的基础上，进行古断层三维构造建模以及古断面埋深图的制作，精细刻画成藏期断面脊的位置，确定油气垂向优势运移路径分布图(图7)。

图3 饶阳凹陷留楚地区构造位置(a)和主要油源断裂(Ed2底)分布(b)Fig.3 Structural location(a) and major oil-migrating faults(bottom of the Ed2) distribution(b) of Leave Chu area,Raoyang Sag

图4 留楚构造地震剖面(Line3256)Fig.4 Seismic profile of Leave Chu Structure(Line3256)Ng.馆陶组；Ed1.东营组一段；Ed2.东营组二段；Ed3.东营组三段；Es1(上).沙河街组一段上亚段；Es1(下).沙河街组一段下亚段

2) 断-砂对接反演岩性提取

结合岩性反演体，利用软件提取目标层段与断面对接的储层岩性，为去除断裂附近地震绕射波对反演结果造成的假象，提取了距断面50ms处上盘的储层岩性，代表上盘储层与断面的岩性对接情况(图8)。

3) 断-砂接触面积求取

利用断面脊两侧的拐点连线确定断面脊的宽度，目的储层的顶底确定断储接触的高度，可以确定目的储层与断层接触面积的范围(图8a)，然后利用公式(2)计算断-砂接触面积，具体算法为首先计算断面脊接触地层的断面(曲面)的面积Sd，然后根据单砂体的厚度设置网格(图8b)，读取接触面积内的砂体网格数Pc与所有网格数Pd进行比值，最后再乘以断储接触范围的面积Sd，从而计算出断面脊范围内断砂接触面积Sc。

(2)

图5 留楚地区断裂-砂体配置类型分类Fig.5 Classification of fault-sand configuration type in Leave Chu areaα1.断层上盘储层倾角；α2.断层下盘储层倾角；Fb.浮力；F1.浮力向储层运移分力；F2.浮力沿断裂运移分力

图6 留楚地区f037断层断面泥质含量Fig.6 Shale content of f037 fault surface in Leave Chu area

式中:Sc为断砂接触面积，m2；Pc为砂体网格数，个；Pd为所有网格数，个；Sd为断储接触积，m2。

2.2.3 其他因素求取

储层砂岩厚度和储层上覆泥岩厚度可以利用反演结果结合井资料进行求取，储层上覆泥岩含量可利用自然伽马测井资料由文献[22]中泥质含量求取方法获得。储层砂岩的物性资料由于井资料和地震解释精度的限制，无法进行物性反演，所以只能从井上获取。断层及储层倾角可以在地震解释结果中读取(表1)。

3 参数有效性分析及评价公式的建立

3.1 参数有效性分析

通过前人的大量研究可以看出，不同地区影响油气侧向分流能力的因素不尽相同，这与不同地区的地质条件有关，因此必须综合考虑地质研究中可操作的所有可能影响侧向分流能力的地质因素，分析各个地质参数对分流能力的贡献大小，才能够清晰、准确地建立数学公式，提高定量评价的准确性和可操作性。

充满度是指油藏油柱高度与圈闭闭合高度的比值[4]。通过建立东营组二段和三段6个含油储层64个圈闭的充满度与主要影响因素之间的统计关系(表1)，利用最佳的拟合相关系数，可以反映这些影响因素表征油气侧向分流能力的有效性。由于各层段部分圈闭为水层或干层，其圈闭充满度为0，但是在单因素分析时，该圈闭无油气充注的原因可能是由于某一地质因素造成的。在单因素分析时，充满度为0的数据不参与统计分析，以避免某一个不利因素对其它因素相关性分析的干扰。

上覆断裂带泥质含量(图9a)：该参数与充满度为正相关关系，与预想的结果一致，二者的相关系数为0.613，对油气侧向分流有重要的贡献。

图7 留楚地区主要油源断裂古断面埋深及垂向优势运移路径分布Fig.7 Buried depth of ancient fault surface of major oil-migrating faults and dominant vertical migration path in Leave Chu area

图8 储层地震反演方法求取断-砂接触面积Fig.8 Fault-sand contact area calculation by using reservoir seismic inversiona.断-砂接触范围确定；b.网格设置求取断-砂接触面积

井名层位油源断裂储层上覆断裂带砂质含量(Rm)砂地比(Rc)断-砂接触面积(Sc)/(104m2)储层砂岩厚度(Hs)/m上覆泥岩厚度(Hm)/m储层上覆泥岩泥质含量(Rn)断层倾角正弦值(sinβ)储层倾角正弦值(sinα)侧向输导系数(R)充满度楚101Ed2(1)f007050017808001411026079053047040楚101Ed2(2)f007052031886971170076079060108050楚101Ed2(3)f00704002570528495057080059052013楚101Ed3(1)f03704701960506800054093062035034楚101Ed3(2)f037048022939881050041094059061060楚101Ed3(3)f0370580299612281306056094060102068楚45Ed2(1)f008＿1059039899441840076098048102079楚45Ed2(2)f008＿104902270491770048098052040020楚103Ed2(1)f03703502061179600017097067030002楚103Ed2(2)f03705102949270770032097064047032楚103Ed3(1)f0370560349711001280064097064122067楚105Ed2(3)f0770490248213101190040098057057040楚105Ed3(1)f077048021722161050042099059044022楚105Ed3(2)f077049035966551286053099057097060楚107Ed2(1)f00504101775417795050097060032015楚107Ed3(1)f005050018672541375055097060038026楚107Ed3(3)f00504702962837775039097060053030楚17Ed2(1)f0950540178015221236041095057045040楚18XEd3(1)f0100530331077301213064091056115068楚18XEd3(2)f010046023756001360055091054048043楚18XEd3(3)f01005503512010072000073091054139077楚28Ed2(1)f00505102049741645015097062032028楚28Ed3(1)f00606003411018001500055097053122086楚28Ed3(2)f00603302170330975044098064032015楚28Ed3(3)f006042019682471537027098063035024楚29Ed2(1)f00704503070463630037078052063025楚29Ed2(2)f0070510286513971038041082054062043楚29Ed3(2)f03705003511315141600057093053112063楚29Ed3(3)f0370470349315471548041092052083044楚30Ed2(3)f01605801962225800051097053038030楚30Ed3(2)f01605002468308928043097053046031楚32Ed2(3)f01505401853670500035098059031024楚32Ed3(1)f0150480328312231267055097057075060楚34Ed2(3)f07703302181187370016098052030003楚34Ed3(1)f01505402362449700055098053041020楚34Ed3(2)f0150650351107781122065098048124081楚35Ed2(3)f00705103010215951420061077057118071楚35Ed3(1)f0070550288017681146070081059090067楚35Ed3(2)f03704102366314850046087056040037楚39Ed2(1)f04705502347754815035066050045040楚39Ed2(2)f047051031821384739046066052102042楚39Ed2(3)f04704002253253400043071052034002楚40Ed2(3)f007052016503991388040078071038038楚40Ed3(1)f0070530319910541213057081072145070楚40Ed3(2)f007049033881056991055084069119059楚41Ed3(1)f006043029618931543044097064050027楚41Ed3(3)f00203801869538829050094063032018楚43Ed2(1)f095051025604581195046094081066046楚43Ed3(3)f09503701565258800023097082030006

续表1 留楚构造影响油气侧向分流能力因素

图9 单一影响因素与圈闭充满度相关性Fig.9 Correlation between single influence factors and percentage of trap-filling

储层砂地比(图9b)：总体上砂地比越大，圈闭充满度越大，二者相关系数为0.632，说明该参数能够较好的表征油气侧向分流的能力。

断砂接触面积(图9c)：该参数与充满度的相关性最高，达到0.649，总体表现为储层砂地比越大，充满度越高，说明该参数对油气侧向分流有重要的贡献。

储层砂岩厚度(图9d)：储层砂岩厚度与充满度统计关系表明，总体上充满度随着储层砂岩厚度越大，充满度越大，但二者的相关性较差，拟合程度最高的对数关系系数仅为0.478，说明储层砂岩厚度不足以反映油气侧向分流的能力。

储层砂岩孔隙度(图9e)：该参数数据点较少，充满度随着孔隙度的变化几乎不变，二者拟合程度最高的二次多项式相关性仅为0.13，说明在研究某一段储层时，单砂体的孔隙度并不能代表整个储层的物性。

储层上覆泥岩厚度(图9f)：整体上表现储层上覆泥岩厚度越大，圈闭的充满度越高，但二者的相关性仅为0.428，说明该参数不能很好的表征油气侧向分流的能力。

储层上覆泥岩泥质含量(图9g)：该参数与圈闭充满度总体上成正比，但相关系数较低，为0.477，表明储层上覆泥岩泥质含量不能有效的表征油气侧向分流的能力。

断层上盘储层倾角及断层倾角的正弦值(图9h,图9i)：理论上，油气沿断裂向反向断层的上盘储层冲注，断层倾角越小，储层倾角越大，其侧向分流能力就应该越强，但是通过相关性分析发现，两个参数与充满度基本上没有相关性。其它因素都是通过影响油气垂向或者侧向运移的阻力来对油气侧向分流能力产生影响，而断层和储层倾角直接影响着以浮力为主要运移动力的油气侧向分流的动力分量大小，因此有必要将这两个参数加入之后侧向分流能力评价公式的建立中。

3.2 评价公式建立

通过上述分析，确定了影响研究区油气侧向分流能力的因素为断砂接触面积、上覆断裂带排替压力及储层砂地比，据此定义了适合留楚地区的油气侧向分流系数R，如式3所示。

(3)

式中:Sc为断砂接触面积，104m2；Rm为断裂带内泥质含量,小数；Rs为储层砂地比，小数；α为储层倾角，(°)；β为断层倾角，(°)。

对东营组6个含油储层64个油藏的断砂侧向分流能力系数进行计算并与充满度进行交汇分析(图10)。结果显示：64个层段的侧向分流系数介于0.3～1.5，将侧向输导系数与充满度做交汇分析可以看出两者的相关度达到0.811，说明侧向分流系数R较各单因素能够更好地反映油气侧向分流的能力，而且侧向分流系数越大，储层的含油性越好；当侧向分流系数R大于0.3时，油气开始向储层充注，R介于0.3～0.9时，储层中油水同层、含油水层及油层均有分布，当R大于0.9时，储层为纯油层。

笔者将断层倾角和断层上盘储层倾角两个参数去除后的侧向分流系数再次与充满度进行交汇分析(图11)，二者的相关系数降到0.698，这也说明了虽然断层和储层倾角与充满度的相关性较低，但是当二者与其它影响因素配合时对油气侧向分流能力具有较大的影响，因此有必要将这两个参数加入侧向分流系数公式中。

图10 侧向分流系数与圈闭充满度关系Fig.10 Relationship between lateral diversion factor and percentage of trap-filling

图11 未加入断层倾角和储层倾角的侧向分流系数与圈闭充满度关系Fig.11 Relationship between lateral diversion factor (without inclination angle of faults and reservoirs) and percentage of trap-filling

4 评价公式验证

以未参与相关性分析的f038和f008两条断层进行验证，分别计算两断层供给油气的9个储层的侧向分流系数(图12)，与两条断层上盘对接的Ed3(1)段侧向输导系数分别为0.81和1.01，钻井揭示两段储层均为油层，与f038断层上盘对接的Ed2(1)、Ed2(2)和f008断层对接的Ed2(2)的侧向分流系分别为0.12，0.22和0.11，低于油气侧向分流下限0.3，均为水层或干层，其他层段的分流系数介于0.48～0.71，钻井揭示储层为油水同层。两条断层侧向分流能力评价结果与油气勘探实际情况相吻合，证实该评价公式能够有效地评价留楚地区油气侧向分流能力。

图12 油气侧向分流能力评价结果验证剖面Fig.12 Profile for verifying the evaluation method of oil and gas lateral diversion probabilityNg.馆陶组；Ed1.东营组一段；Ed2(1).东营组二段一亚段；Ed2(2).东营组二段二亚段；Ed2(3).东营组二段三亚段；Ed3(1).东营组三段一亚段；Ed3(2).东营组三段二亚段；Ed3(3).东营组三段三亚段；Es1(上).沙河街组一段上亚段；Es1(下).沙河街组一段下亚段

5 讨论及结论

本次研究的饶阳凹陷留楚构造属于常压型盆地，沙河街组一段下亚段源岩层不发育超压[23]，油气运移动力以浮力为主，因此利用该方法评价油气侧向分流能力时总体应用效果较好，但对于发育超压，油气主要是在压力作用下沿断裂幕式运移时，本论文所建立的评价公式不适用。

1) 在不同的含油气构造中，影响油气侧向分流能力的地质因素不尽相同，每种参数都可能涉及了某个特定地质因素的贡献，因而可以或多或少的表征油气侧向分流能力。然而，这些单因素往往不能够很好的表征油气侧向分流的能力，通过分析参数的有效性，然后利用最佳参数建立的评价公式，能够最大程度地表征油气侧向分流的能力。

2) 饶阳凹陷留楚构造勘探资料可获得的各种量化参数与充满度之间的统计表明，储层上覆断裂带泥质含量、断-砂接触面积以及储层砂地比是影响留楚构造油气侧向分流能力的主要地质因素。

3) 饶阳凹陷留楚构造侧向分流系数越大，储层的含油性越好；当侧向分流系数R大于0.3时，油气开始向储层充注，当R介于0.3～0.9时，储层中油层、油-水同层及含油水层均有分布，当R大于0.9时，储层为纯油层。利用该评价公式对两条后验断层供给油气的9段储层进行验证，断-砂侧向分流能力评价结果与油气勘探实际情况相吻合，证实该评价公式能够准确地评价留楚地区油气侧向分流能力。

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(编辑 张玉银)

An quantitative evaluation method of probability for diversion flow oil and gas laterally from faults to sand bodies:A case study from Leave Chu Structure in the Raoyang Sag，Bohai Bay Basin

Wang Wei1，Sun Tongwen1,Cao Lanzhu2,Lyu Yanfan1,Fu Guang1,Lu Xiuqin2,Deng Wei1,Zhang Huan1

(1. College of Geosciences,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China;2.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofHuabeiOilfieldCompany,PetroChina,Renqiu,Hebei062552,China)

In hydrocarbon exploration,it is very important to identify the dominant strata for oil and gas lateral charge after vertical migration,but there is few effective evaluation method.This paper took Leave Chu area of the Raoyang Sag in the Bohai Bay Basin as an example.On the basis of comprehensive analysis on factors influencing oil and gas lateral diversion probability,such as caprock thickness and contact area between faults and sand bodies,evaluation methods of influence factors were established by using reservoir seismic inversion.Correlation between percentage of trap-filling and various selected factors was systematically analyzed to build quantitative evaluation equation for fault-sand lateral diversion probability.The results show that when fault-sand lateral diversion factorR>0.3,oil and gas lateral diversion initiates.A positive correlation between theRand percentage of trap-filling is observed.Moreover,whenR>0.9,reservoirs are fully charged net pay zone.The factorRis applied to the faults f038 and f008,and the results are in good agreement with drilling data.

fault-sand lateral diversion,quantitative evaluation,oil and gas migration,Leave Chu Structure,Raoyang Sag,Bohai Bay Basin

2016-09-27;

2016-10-12。

王伟(1985—)，男，博士研究生，油气运移与保存条件。E-mail:yujian-zachj@163.com。

国家自然科学基金项目(41602164)；黑龙江省自然基金项目(QC2016048)；东北石油大学研究生创新科研项目 (YJSCX2015-003NEPU)。

0253-9985(2016)06-0979-11

10.11743/ogg20160620

TE122.1

A