源外斜坡区顺向和反向断裂控藏差异性——以渤海湾盆地冀中坳陷文安斜坡中南部为例

刘峻桥，王海学，吕延防，孙同文，张梦迪，何伟，孙永河，张桐，王超，曹兰柱

（1. 广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名 525000；2. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318；3. 中国石化石油工程地球物理公司南方分公司，成都 610041；4. 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163712；5. 中国石油华北油田公司，河北任丘 062552）

0 引言

源外斜坡区是指超出有效烃源岩区展布范围、距离生油凹陷一定距离的斜坡区[1]，通常情况下，生油凹陷烃源岩生成的油气在断裂的配合下可沿连通砂体侧向运移至斜坡区并在相应圈闭内聚集成藏[2-3]。断裂作为一种常见的地质现象，其与地层产状之间的配置关系不同导致不同断裂附近油气藏规模和分布存在明显差异[4-7]，顺向和反向断裂是斜坡区2种常见的控藏断裂类型，顺向断裂倾向与地层倾向相同，而反向断裂倾向与地层倾向相反。前人曾对断裂在油气勘探中的作用进行了大量的研究和探讨，主要包括断裂作为重要的运移通道对油气运移的控制作用[8-10]、断裂对储集层的改造作用[11-12]、断裂对油气聚集的遮挡作用[13-14]等方面。然而，关于顺向和反向断裂聚油差异性的研究主要集中在断层封闭性对油气聚集的控制作用方面，研究表明：反向断裂与储集层对接的部位为滑动破碎带，其封闭油气的遮挡物为泥岩；顺向断裂与储集层对接的部位为诱导裂缝带，封闭油气的遮挡物为断层岩，并从断层岩与储集岩排替压力关系的角度出发认为反向断裂侧向封闭能力较顺向断裂侧向封闭能力强[15-16]。这些研究仅从断裂带内部结构和断裂两盘几何关系角度来分析顺向和反向断裂封闭能力对油气保存条件的影响，缺少断裂形成演化规律和断层圈闭形成机理方面的研究和探讨，这无疑不利于断裂控藏理论研究的深入。此外，以往研究认为岩性圈闭、地层圈闭以及构造-岩性圈闭是斜坡区主要油气圈闭类型[17-18]，忽略了断层圈闭作为重要的圈闭类型在斜坡区油气勘探中的重要作用。笔者在前人研究的基础上，结合断裂形成演化规律，通过研究顺反向断裂调整油气分布层位和断层圈闭发育部位及形成时期，开展源外斜坡区顺反向断裂控藏差异性研究。

1 地质概况

文安斜坡位于渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷东侧，整体近北北东走向，是一个东抬西倾的沉积斜坡（见图1）。该区自下而上发育古近系沙河街组、东营组和新近系馆陶组、明华镇组以及第四系。渐新世以来，受张家口—蓬莱左旋走滑断裂带和渤海湾盆地霸县—汤阴右旋走滑断裂带的影响，冀中坳陷整体处于转换拉张的应力场环境，纵向上发育两套断裂体系，分别为裂陷期发育的北北东向伸展断裂和拗陷期转换拉张作用下所形成的次级断裂[19]。文安斜坡经历了多期构造运动，但构造活动强度较弱，地层弯曲程度低，褶皱作用不明显，属于典型的弱构造带[20]，同时，华北地区在新生代以来整体差异升降运动下，张性断裂效应显著，不易导致地层弯曲变形，构造变形以拉张作用为主，发育的构造圈闭以断层圈闭为主。

文安斜坡中南部发育的史各庄鼻状构造、长丰镇鼻状构造以及议论堡鼻状构造带面向生油洼槽，是油气运移的主要指向[21]，截至目前，文安斜坡中南部发现的油气主要分布在 3个鼻状构造带的古近系沙河街组二段、沙河街组一段和东营组。油气勘探结果显示，不同规模的顺向和反向断裂对油气富集部位、垂向分布层位的控制作用差异明显，具体表现为：①顺向断裂控制的油气主要分布在规模较大的断裂附近，而反向断裂控制的油气则在任意规模的断裂附近皆有分布；②同一顺向断裂控制下的油气既有单层分布的特征，也有多层分布的特征，而同一反向断裂控制下的油气往往只表现为单层分布特征（见图2）。针对文安斜坡这种油气分布现象，从断裂形成演化及断层圈闭形成机制角度出发，分析顺反向断裂控藏作用的差异性。

2 断层圈闭发育部位的差异性

断层圈闭是指沿储集层上倾方向受断层遮挡所形成的圈闭，源外斜坡区主要在断裂面向生油洼漕的一盘发育断层圈闭，即顺向断层圈闭发育在断裂上盘，反向断层圈闭发育在断裂下盘。

断裂生长包括孤立生长、“软连接”和“硬连接”3个阶段。断裂“软连接”是指断裂生长过程中，断裂之间不直接连接，但在运动学上保持协调一致，通过位移的传递导致断块变形的断裂组合方式；“硬连接”是指两条或多条断裂相交，断裂之间位移可以直接转换、传递的断裂组合[22]。断裂在孤立生长阶段，其位移具有中部大，向两侧端部位移逐渐减小为零的特征[23]，孤立断裂这种位移变化特征导致附近地层变形形成褶皱，在断裂上盘发育横向向斜构造，受重力平衡效应影响，下盘抬升与上盘沉降幅度近于一致，在孤立断裂下盘位移最大位置发育横向背斜构造[24-25]（见图3a）。断裂生长进入“硬连接”阶段时，其分段生长连接的部位位移最小[26-27]，导致地层变形在断裂上盘分段生长点处形成横向背斜构造，同时各断层段下盘位移最大位置受地层掀斜作用形成横向背斜构造[25]（见图3b）。由于断裂断距与位移具有线性关系，因此可以用断裂断距变化来表征断裂位移变化特征。

图1 文安斜坡构造位置及油气分布

图2 文安斜坡史各庄地区油藏剖面

若断裂断距变化形成的横向背斜在上倾方向受该断裂遮挡，则相应的横向背斜发育部位能够形成断层圈闭构造。当顺向断裂为进入“硬连接”阶段的断裂时，在其上盘分段生长部位发育的横向背斜构造受该条断裂遮挡形成顺向断层圈闭，而下盘地层形成的横向背斜上倾方向与地层倾向一致，难以形成断层圈闭。反向断裂下盘断距最大位置在掀斜作用下形成的翘倾断块受该断裂遮挡形成反向断层圈闭，孤立生长的反向断裂形成的断层圈闭发育在断裂下盘断距最大部位，分段生长的反向断裂形成的断层圈闭发育在各断层段下盘断距最大部位（见图4）。

图3 断裂横向褶皱示意图

顺向和反向两类断裂在斜坡区广泛分布。文安斜坡在转换拉张的伸展作用下，平面上，其主断裂表现为沿走向弧形展布特征，多条主断裂之间近于平行分布，受局部走滑作用，主断裂与部分次级断裂呈辫式组合；剖面上表现为顺向阶梯、反向阶梯和垒堑式断裂组合方式。这些被断裂切割的断块在上倾方向受顺向和反向断裂遮挡形成断层圈闭，油气从洼漕区向斜坡区运移的过程中，在这些断层圈闭内聚集成藏。据上述断层圈闭形成机制可知，顺向断层圈闭主要发育在规模较大的已经进入“硬连接”阶段的断裂上盘分段生长点部位，例如议论堡地区的王仙庄断裂；反向断层圈闭发育在反向断裂下盘断距最大部位，例如史各庄断裂（见图1）。

图4 断层圈闭形成演化模式

3 断层圈闭形成时期的差异

顺向断层圈闭发育在断裂上盘分段生长点部位，顺向断裂进入“硬连接”阶段标志着顺向断层圈闭开始形成，而反向断裂开始活动时期，断裂下盘即发生掀斜作用，形成反向断层圈闭，即不同生长阶段的断层均可形成反向断层圈闭，反向断层圈闭形成于断裂开始活动时期，定型于断裂活动终止期（见图4）。

源岩生排烃高峰期和圈闭形成时间匹配关系表明[28]，若圈闭形成时期早于烃源岩大量排烃期或同期，则有利于油气在圈闭内聚集成藏，反之，则不利于圈闭捕获油气。对于顺向断层圈闭而言，若油气成藏期时断裂即为分段生长断裂，且分段生长部位处于“硬连接”阶段，则有利于顺向断层圈闭油气聚集成藏。对于反向断层圈闭而言，若断裂形成时期早于油气成藏期，则有利于反向断层圈闭油气聚集成藏。

断层圈闭的形成与沿断裂走向断距变化规律密切相关，要想判别断层圈闭形成时期与油气成藏时期是否匹配，就要恢复地质历史时期断裂古断距分布特征。目前，主要有垂直断距相减法[29-30]和最大断距相减法[31]2种古断距恢复方法，垂直断距相减法是指下部层位断距减去垂直对应的同剖面上部层位断距；而最大断距相减法是指下部层位断距减去对应上部层位各断层段最大断距。一般情况下，断裂生长过程中，断距随着断裂长度的增加，具有线性递增的特征[32]，因此，最大断距相减法更能够真实反映断裂形成演化历史[33]。

4 断裂垂向调整油气分布层位的差异性

连通砂体和断裂是源外斜坡区油气运移的主要通道，断裂作为斜坡区重要的垂向通道，通常对沿连通砂体侧向运移来的油气或已经聚集的油气起垂向调整作用。研究认为：砂岩输导脊发育部位是油气沿连通砂体侧向运移的优势通道[34]，断裂活动位移变化形成的横向背斜构造是砂岩输导脊发育的有利部位，是油气运移汇聚的指向（见图5a）。断裂对油气的垂向调整取决于断裂对盖层的破坏程度，通常用断接厚度来评价断裂对盖层的破坏程度，其值为盖层厚度减去断裂断距（见图5b）；断接厚度越小，断裂对盖层的破坏程度越大[35-36]。同一断裂形成的横向背斜构造范围内，盖层规模一般不会存在明显差异，盖层厚度可视为相近，因此，断裂对盖层的破坏程度主要取决于断裂断距的变化，断裂断距越大，其相应的断接厚度值就越小，断裂对盖层的破坏程度越强。

图5 断裂垂向调整油气分布层位示意图（剖面位置见图1）

4.1 顺向断裂

顺向断裂横向背斜轴部位于断裂断距最小的部位（见图5c），若油气沿砂体侧向运移，则分段生长连接部位形成的横向背斜轴部是油气运移汇聚的主要指向；若油气在顺向断层圈闭聚集，则该横向背斜轴部是断层圈闭最高点的位置。顺向断裂上盘形成的横向背斜轴部断距最小，对盖层的破坏程度也就最小，背斜轴部向断层段两翼断距逐渐增大，对盖层的破坏程度也逐渐增大。当盖层未被顺向断裂破坏时，油气不能沿断裂进行垂向调整，只能在盖层之下的层位富集。当顺向断裂破坏盖层对油气起垂向调整作用时，若横向背斜轴部盖层被断裂破坏，横向背斜轴部两侧断距更大的部位盖层破坏程度也更大，油气均沿顺向断裂垂向调整，这种情况下，横向背斜范围内，油气均可突破盖层在其上有利层位聚集成藏；若横向背斜轴部盖层未被顺向断裂破坏，仅其两侧翼部断距较大部位盖层被断裂破坏，则油气部分向横向背斜轴部汇聚，部分垂向调整至盖层之上（见图5d）。因此，顺向断裂垂向调整油气后，油气分布既有单层分布特征，也有多层分布特征。

4.2 反向断裂

反向断裂下盘面向生油洼陷，下盘发育的横向背斜轴部位于断裂断距最大部位（见图5b），此部位断裂对盖层破坏程度最大，向两侧横向背斜翼部破坏程度减小。若盖层未被断裂破坏，断裂不能垂向调整油气。若断裂破坏盖层垂向调整油气，反向断裂横向背斜轴部位置对盖层破坏程度最大，若其两侧盖层未被断裂破坏，则盖层之下油气向横向背斜轴部汇聚，再由破坏盖层的断层段垂向调整至盖层之上（见图5e）。因此，无论反向断裂是对侧向运移而来的油气进行垂向调整，还是破坏断层圈闭内古油藏垂向调整油气，在砂体发育良好的条件下，油气均会向横向背斜轴部汇聚，下部层位油气能够全部调整至上部层位，调整油气表现为单层分布特征。

5 实例分析

文安斜坡油气分布受断裂控制，顺向断裂和反向断裂对油气分布的控制作用明显，主要表现在顺反向断裂控制下油气分布层位的差异，以及顺反向断裂形成断层圈闭的时期与源岩大量排烃期匹配关系对油气成藏的控制作用方面。

5.1 顺反向断裂垂向调整作用对油气分布的控制作用

文安斜坡中南部油气主要来自西侧霸县洼漕和马西—鄚州洼漕沙一段源岩[37]，从深部到浅部，从洼漕区到斜坡带，油气沿断裂和连通砂体呈阶梯状运移[21]。沙一段烃源岩通过顺向断裂与斜坡区沙二段、沙一段砂体对接后，生成的油气沿连通砂体侧向运移至斜坡区（见图6）。受沉积作用和成岩作用影响，砂岩输导层具有明显的非均质性，导致砂岩输导层横向连通性存在差异。砂岩输导层连通性[38]评价结果表明：文安斜坡沙一段连通砂体分布面积较小，斜坡西部靠近油源区一侧砂体连通性差，不能作为油气侧向运移的输导通道，中部和东部砂体连通性好，可以作为油气侧向运移输导通道（见图7a）。沙二段连通砂体分布面积较沙一段大，大部分砂体连通性较好（见图7b）。在顺向断裂对接条件下，沙一段与烃源岩对接部分砂体不连通，油气无法沿沙一段砂体发生侧向运移，而沙二段连通砂体与沙一段源岩对接，可以成为油气侧向运移的通道。

图6 文安斜坡油气运移聚集示意剖面（剖面位置见图1，Nm—新近系明华镇组）

文安斜坡中南部多口试油井数据显示，顺向断裂控制下的试油井含油层位既有单层位含油，也有多层位含油特征，而反向断裂控制下的试油井多表现为单层含油（见图 8）。研究表明，文安斜坡断裂发育具有明显的继承性，东营组沉积末期为文安斜坡油气成藏期[37]，该时期断裂活动较古近系孔店组—沙河街组沉积时期弱，但断裂活动速率可达15 m/Ma[39]，能够对侧向运移来的油气进行垂向调整。对比文安斜坡中南部主力含油层位顺反向断裂与油气分布关系，史各庄地区油气主要聚集在反向断裂下盘，沙一段和东营组油气较为富集，沙二段以油气显示为主，表明沙二段曾发生过油气运移，通过断裂将沙二段侧向运移来的油气垂向调整至沙一段或东营组储集层聚集成藏，长丰镇和议论堡地区油气主要聚集在王仙庄断裂上盘，该断裂控制下的油气在沙二段、沙一段和东营组皆有分布。整体上，文安斜坡中南部同一反向断裂控制下，油气表现为单层分布特征，而顺向断裂控制下油气既有多层分布、也有单层分布（见图1、图8）。

5.2 顺反向断层圈闭形成时期对油气聚集的控制作用

选取文安斜坡王仙庄断裂和史各庄断裂 2条典型断裂来分析顺反向断层圈闭形成时期差异对油气成藏的影响，其中王仙庄断裂为顺向断裂，史各庄断裂为反向断裂。

图7 文安斜坡不同层位砂体连通区域划分

图8 文安斜坡断裂控制下油气垂向分布层位

图9 文安斜坡王仙庄断裂断层圈闭形成时期厘定

王仙庄断裂位于文安斜坡南部议论堡地区，整体近北北东走向。研究表明，该条断裂共发育 7个分段生长点，表现为8段式生长特征（见图9a），相应的在分段生长点发育部位形成一系列横向背斜（见图5d），受上倾方向王仙庄断裂遮挡形成顺向断层圈闭。通过最大断距相减法恢复成藏期（东营组沉积末期）王仙庄断裂断距分布特征及断裂形态（见图9b），结果表明，东营组沉积末期，断层圈闭①、③、④、⑤发育部位为断裂分段生长部位，该时期这些顺向断层圈闭已经形成，有利于油气聚集，文117井、文121井、文86井以及文 6井等工业油藏均位于这些圈闭内。而断层圈闭②、⑥、⑦发育部位，成藏期断裂尚未连接，圈闭尚未形成，不利于油气聚集，导致位于这些圈闭内的文123井、文107井和苏88井勘探失利，文123井和文 107井均为油气显示井，进一步证实了该位置曾发生过油气运移，圈闭在油气运移时期尚未形成是导致钻探失利的主要原因。

史各庄断裂位于文安斜坡史各庄地区，断面东倾，是一条典型的反向断裂，该断裂发育 1个分段生长点，表现为两段式生长特征（见图 10a），在断裂下盘分段生长点两侧受地层掀斜作用形成横向背斜（见图 5e），上倾方向受该断裂遮挡形成反向断层圈闭。成藏期史各庄断裂古断距恢复结果表明，断裂在东营组沉积末期已经形成，且为分段生长断裂，反向断层圈闭在分段生长点两侧已经形成，有利于烃源岩大量排烃期聚集油气（见图10b）。文63井和文20井油藏分别位于分段生长点两侧反向断层圈闭内，勘探效果良好。

图10 文安斜坡史各庄断裂断层圈闭形成时期厘定

6 结论

顺向断层圈闭发育在处于“硬连接”阶段的断裂上盘分段生长点发育部位，是断裂分段生长点处发育的横向背斜受断裂遮挡形成的断层圈闭构造；任意时期反向断裂均可形成反向断层圈闭，反向断层圈闭是断裂下盘各断层段断距最大位置受掀斜作用形成的断层圈闭构造。

当源外斜坡区断裂对侧向运移的油气起调整作用时，若断裂为顺向断裂，油气可能部分调整或全部调整，既有单层分布特征，也有多层分布特征；若断裂为反向断裂，油气通常全部调整至上部层位，油气分布表现为单层分布特征。

顺向断裂进入“硬连接”阶段标志着顺向断层圈闭形成，反向断裂开始活动时期即为反向断层圈闭形成时期，若断层圈闭形成时期早于烃源岩大量排烃期或同期，则有利于油气在断层圈闭内聚集。

文安斜坡中南部顺向断裂控制下的油气在古近系沙二段、沙一段和东营组皆有分布，而反向断裂控制下的油气表现为仅在单一层位分布。对于王仙庄断裂，早于油气成藏期形成的圈闭有利于油气聚集，勘探效果较好，部分断层圈闭在成藏期尚未形成是导致这些圈闭钻井失利的主要原因，史各庄断裂形成的断层圈闭形成时期早于油气成藏期，勘探效果良好。

关于源外斜坡区油气勘探，顺向断裂应着眼于断裂上盘断距较小部位，而反向断裂应关注断裂下盘断距较大的部位。

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