潜山复杂断裂描述技术——以渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区为例

吴笑荷

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.中国石化 胜利油田分公司 物探研究院，山东 东营 257022)

桩海地区位于渤海湾盆地济阳坳陷东北部，与桩东凹陷相连[1]。该区前新生界地层遭受印支、燕山构造运动与风化剥蚀的多次改造[2]，多种应力场作用，使得太古界—古生界—中生界断裂体系、地层岩性、残留地层等空间变化复杂，同时也形成多种类型圈闭。在油源、盖层等条件具备时，则形成潜山含油构造。勘探实践表明，桩海地区的潜山油藏是沾化凹陷乃至济阳坳陷最为富集高产的区域[3]。

前人对桩海潜山的构造演化、各地质时期应力场机制及油气成藏控制因素进行过全面细致的研究[4-8]，但是对于在如此多期构造运动改造的叠合型盆地中进行正、逆断层的解释方法没有涉及。本文基于多年来对桩海潜山油藏的现场实践，对潜山内部断层的成因和演化过程进行详细解剖，明确解释方案；优选适用于复杂断层解释的基础资料，针对不同性质的断层研究关键描述技术，构建各个地质时期的应力场形成机制下的潜山断裂样式，形成地震地质一体化的复杂潜山断裂描述技术，准确落实潜山构造形态，从而推动勘探进程。

1 研究区概况及勘探难点

桩海潜山位于埕岛—长堤—孤东—垦东北西向潜山带的北部，西与埕东凸起相邻，向东倾没于桩东凹陷，南与孤北洼陷相接；主要发育有北西、东西、北北东向3组断裂(图1)。

桩海地区前新生界残留地层主要包括太古界泰山群，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系以及中生界侏罗系、白垩系[9](图2)。其中下古生界厚约1 200 m，上古生界残厚约440～630 m，中生界残厚从几十米到上千米不等[5]。下古生界寒武系、奥陶系的碳酸盐岩地层为研究区主要储层，储集空间主要为次生的溶蚀孔洞和裂缝[9]。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区构造纲要Fig.1 Simplified structural map of Zhuanghai region,Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

前新生界地层由于受挤压、拉张应力场的叠合作用，使得断层两盘的地层结构、地层厚度、断层性质、平面组合及上下盘关系都有其独特的特征。正是由于其复杂性，在实际生产中，对于同一条剖面却有2种截然不同的解释方案(图3)：a方案是挤压应力场下的以自东向西的逆冲推覆断层为主；b方案是拉张应力场下的以正断层为主。解释方案的不统一，使得潜山构造特征、潜山类型等都没有统一的认识，严重制约了潜山油气藏的勘探进程。

2 地质地震一体化解释技术

2.1 平衡剖面法确定解释方案

正是由于对成山机理的认识不同，形成了挤压逆冲和拉张正断2种截然不同的解释方案。因此首先利用地质资料运用平衡剖面法进行构造演化分析，明确应力场机制，确定解释方案。

从震旦纪至二叠纪末期(图4a)，桩海地区处于华北地台内，加里东—海西运动影响弱，构造变形不大，断裂不发育，整个济阳坳陷缺失泥盆系和志留系地层。通过实际钻井分析，桩海地区仅保留了部分上古生界(石炭系—二叠系)和下古生界(奥陶系)地层，且石炭系和奥陶系之间为平行不整合接触。

中、晚三叠世(图4b、c)主要为印支运动活动时期，扬子板块和华北板块的碰撞挤压，形成了南西—北东向的挤压应力场，发育系列北西向的大型逆冲断层，在剖面上表现为由东北向西南推覆的系列逆冲构造。在挤压、逆断过程中，地层整体抬升剥蚀，位于构造高部位的逆断层上盘地层剥蚀严重，使得三叠系地层和部分二叠系地层均被剥蚀，甚至下古生界的部分地层都遭受了剥蚀，同时，部分逆断层下盘地层也遭受剥蚀，但整体而言逆断层下盘地层保存较厚。桩古13井在3 570 m从中生界进入马家沟组地层，在冶里组、亮甲山组和凤山组地层之后于3 915 m又一次钻遇马家沟组地层，证实了印支时期的挤压逆冲过程。

早—中侏罗世末(图4d)为燕山运动Ⅱ幕[10]活动的主要时期，由于2个板块的碰撞活动结束，整个盆地进入相对平静阶段。

晚侏罗世—早白垩世(图4e)为燕山运动Ⅲ、Ⅳ幕[10]活动的主要时期，由于太平洋板块对中国大陆的俯冲作用减弱，整体呈现水平拉伸的应力场，桩海地区受郯庐断裂带的影响，拉张应力方向为南西—北东向[6]。在印支期形成的大量北西向逆断层在拉张应力场作用下，遭受剥蚀的逆断层上升盘地层沿断层面下滑沉降，逆断层转换为正断层，形成了现今的下降盘厚度小于上升盘的负反转构造和负反转断层。

图2 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区构造—地层层序组合Fig.2 Tectono-stratigraphic sequences of Zhuanghai region, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

晚白垩世(图4f)为燕山运动Ⅴ幕[10]活动的主要时期，由于郯庐断裂带的强烈左旋走滑，对其西侧的济阳坳陷产生了近东西方向的挤压应力[5]，使得桩海地区又形成了一次东南向西北方向的逆冲[6]。桩古29井钻遇到了寒武系地层叠置在中生界地层之上，证实了桩海地区在中生代末期确实发生过逆冲冲断变形。此次构造变形是继印支运动之后又一次更为强烈的挤压构造变形，多数逆断层是印支时期断层的重新活动，从而加剧了印支时期所形成断层的逆断程度。且根据地震资料可知，这一期的挤压变形多数被保留至今。

图3 不同构造解释方案剖面对比剖面位置见图1AA’。Fig.3 Seismic profile comparison of different interpretation programs

图4 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区构造演化剖面剖面位置见图1 AA’。Fig.4 Structural evolution profiles of Zhuanghai region,Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

新生代(图4g)进入了喜马拉雅期运动阶段，从此滨海地区进入了断—拗沉积期[7]，在郯庐断裂带右旋走滑作用影响下，形成大量北东走向的走滑断层。其中部分走滑断层是沿着原逆断层断面活动，在持续的拗陷过程中，才表现为当今的正断层，所以这些断层在前新生界依然是逆断层性质。

由以上分析可以看出，印支期的挤压作用、燕山早中期的拉张作用、燕山晚期的再次挤压以及喜马拉雅期的拉张走滑控制了本区的潜山构造特征。以中生界顶面(Tr)为界，新生界和前新生界发育2套断裂系统，以单一的正断层解释模式贯穿整个盆地的深浅层解释显然是不合理的。结合各自的应力场特征，新生界以拉张走滑正断层为主，前新生界以挤压逆冲断层为主。应力场方向不同形成了不同走向的逆断层(图1)：印支期是北东—南西方向挤压应力，形成北西走向逆断层,如孤西断层、五号桩断层；燕山晚期是东南—北西向挤压应力，形成北北东走向逆断层，如CB30、CB39断层；而在剖面上都表现为由东向西的推覆逆冲。因此，在前新生界的主断裂地震解释时要遵循这一规律：平面北西走向或北东走向，剖面断层倾向东南。那么显然图3a解释方案更为合理。而在新生界，受郯庐断裂带右旋走滑作用，主要形成北北东向走滑断层，如长堤断层、孤东断层、垦东断层。

2.2 时间域、深度域资料对比

叠前深度偏移三维资料与叠前时间偏移三维资料相比，具有构造直观准确的特点，尤其是构造复杂或者速度复杂的地区具有较明显的优势[11]。且不用进行时深转换，可以提高解释精确度。

对于构造极其复杂的桩海地区前新生界，叠前深度偏移资料信噪比明显提高，成像改善明显，潜山顶面及标准层反射连续性提高，各级断层断面归位准确，断点落实，尤其是断层两侧接触关系清晰。因此，叠前深度域偏移三维地震资料为前新生界潜山构造特征的精细解释提供了良好的资料保障。

2.3 断裂系统解释关键技术

2.3.1 “地层块体对比法”解释逆断层

发育在中、古生界的逆推断层对本区潜山内幕构造具有重要的分块作用[12]。要明确潜山构造特征，只有优先合理解释这些逆断层。但由于在印支期、燕山期形成的逆断层埋藏深度大，受后期构造作用改造强烈，地震反射杂乱，用常规断层解释方法不能奏效，本次笔者采用“地层块体对比法”进行逆断层的厘定。

地层块体是地层分布特征在地震剖面上的综合体现，主要表现在地层厚度、波组特征、产状特征3个方面。在受到构造应力时，地层块体会发生改变，改变较大时形成断层。当形成逆断层时，地层块体的改变更为明显。因此，可以通过对比分析地震资料上所反映的地层块体的变化来判断断层的存在和性质。

ZG29井在4 118 m由中生界进入寒武系，在4 280 m又重新钻遇中生界，中生界地层发生重复，说明该处发育逆断层。从过ZG29井东西向地震剖面(图3a)可以看出，地层块体变化体现在两点：(1)地层厚度的突变。断层东侧的Tg(中生界与古生界或太古界之间的剥蚀面)和Tg2(古生界馒头组页岩顶面)层位呈背斜形态，Tg和Tg2之间的厚度最大处为600 m；而西侧的Tg、Tg1(下古生界顶面)和Tg2层位表现为明显的负向结构特征，Tg和Tg2之间厚度从750 m减薄至400 m。(2)地层产状发生突变。在经历不同时期的挤压、拉张、再挤压后，地层产状与对盘地层横向发生突变，断层上盘地层产状西倾，下盘产状东倾，倾角变大，两盘地层呈明显角度不整合。从以上2个特征均可判定逆断层的存在，所以运用地层块体分析可以判断逆断层的存在。

运用地层厚度变化率导数、倾角导数2个参数分别表达地层厚度突变和地层产状突变，表征地层块体的变化，从而得到逆断层的平面展布规律。

地层厚度变化率是单位水平距离内地层厚度的变化[13]，但是并不适用于倾斜产状地层。进一步对地层厚度变化率求导可以表示任意产状的地层厚度的变化快慢，值越大说明厚度变化越快，也即地层厚度发生突变，则为逆断层可能发育区。在桩海地区，由于逆断层一盘地层遭受过剥蚀使得断层两盘厚度变化剧烈，在数值大于0的红色区域(图5a)，厚度变化最快，为逆断层发育区。

倾角代表了同一套地层产状的变化，地层产状变化则倾角大小发生变化。逆断层地层产状突变，则倾角变化快，倾角导数的大小正是倾角变化快慢的表现，可用于逆断层识别。图5b红色区域代表了倾角导数较大，体现了逆断层的平面展布规律。全区共发育4条贯穿南北的北北东走向的逆断层，将桩海潜山分成4个北北东走向的构造高带。

2.3.2 “切片断面联合法”解释走滑断层

走滑断层具有典型的“海豚效应”和“丝带效应”，特点是断面会左右迁移甚至倾向发生变化，断层走向也复杂多变，故而断层组合难度大。此时首先利用水平切片对断层走向有一个初步认识，再进一步采用“断面闭合法”进行断层组合是有效方法。

水平切片是对某一时间域的地震数据体进行切片显示，可以迅速观察到由于地层产状发生变化而形成的构造形态及断层走向。从图5c中可以明显看出，长堤断层是桩海潜山和长堤潜山的分界断层，东部长堤地区为一个向东倾没的单斜构造，而长堤断层则为近南北走向转为北北东走向。

在剖面上，长堤断层东西两侧构造格局迥异，地层差异较大(图6a-c)。最南边的东西向627剖面断面清晰，断层两侧地震反射特征不同(图6a)。东侧的长堤地区，地震同相轴连续性好，产状一致；西侧的桩海地区，同相轴破碎，成层性较差。而向北的681剖面(图6b)，长堤断层在中生界断面依然清晰，但到了古生界，断面不清晰，有2种解释方案(图中的红和蓝)。再往北的699剖面(图6c)可以看出，这种现象依然存在，古生界地层2个断面分的更远。之前的解释方案认为分割洼陷和潜山的蓝色断层为长堤断层。

将有争议的2条断层在垂直于断层走向的剖面上分别进行断面解释，再利用平行于断层走向的剖面进行断面闭合，判断2条断层之间的关系。从剖面(图6d )中可以看出，红色断层为长堤断层，蓝色断层为长堤断层的分支断层。该分支断层在北部与长堤断层距离较远，向南距离逐渐减小，在CDP699、681处迅速向长堤断层靠拢，使得剖面上不易分辨2条断层的关系，至南部(即CDP627)与长堤断层合并为一条断层。通过断面闭合，明确了长堤断层应为剖面上的红色断层，从而可知剖面上红、蓝2条断层之间的断块在构造上应属于西侧桩海潜山体系，而不是之前认为的长堤潜山体系。

2.3.3 属性体融合法解释正断层

拉张正断层和拆离断层均表现为明显的正断层特征。研究区的拉张正断层和拆离断层的解释重点在于断点位置的确定和平面组合[14]。针对本区内潜山地震资料低信噪比、低分辨率的特点，采用相干体、蚂蚁体、三维空间体3种方法，彼此相互印证落实正断层。

图5 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区多属性断层识别平面图位置见图1研究区范围。Fig.5 Fault distribution of attributions, Zhuanghai region, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

图6 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区长堤断层典型剖面

相干体反映了地震相邻道间的相似度和差异性，可用于断层和特殊地质体的识别。由于本区构造极为复杂、逆冲断层发育，所以选择应用沿层相干属性来识别断层。如图5d所示，通过相干可迅速明确区内断层的基本展布规律，拉张断层多数为东西走向，将北东走向的构造带切割成多个构造圈闭。

蚂蚁体技术更擅长于对正常地震剖面资料上不能识别的低序级断层的精确解释。首先利用钻、测井资料明确井上断点，将该井断点投影在蚂蚁体资料上，经过对与该断点相似路径的搜索，解释出该断层，提高了解释的可靠性。从图5e可以看出，在CB30-CB306块，发育多条东西和北东向的低序级断层，断层延伸有限，不能形成独立构造圈闭，但是对改造储层有十分重要的意义。

建立切片、相干等多属性三维空间体，可以对研究区内各个地质年代的断裂系统有一个整体的概念，可帮助地质研究人员掌握目标层系的空间变化规律，同时也可以检验浅、中、深层的解释合理性。图5f直观反映了研究区下古生界顶面构造形态和主干断层的空间断面形态。

3 应用效果分析

3.1 构造特征

在明确了印支、燕山、喜马拉雅运动时期应力场的基础上，应用地层块体对比法、切片断面联合法、多属性融合的断层描述方法，落实了桩海地区古生界顶面构造特征(图7b)。与原解释方案相比(图7a)，断裂系统整体展布更符合应力场规律。北东向的2条走滑断层——长堤断层(f1)和埕东断层(f2)和东西向的2条负反转断层——桩西断层(f3)和埕北断层(f4)形成桩海潜山的边界断层。尤其落实了CBG7、CBG9、CB30、CB306等4条北北东向逆断层(f5-f8)。这4条逆断层是构造应力场由北东向挤压向北西向拉张转换的过程中发育的，具有控山分带的作用，进一步将潜山分成4个近南北向展布的逆冲高带。挤压形成的正牵引构造成为油气的富集区带，目前的探明储量区块、控制储量区块均沿逆断层上升盘分布，规律性比原解释方案更加清晰。发育在逆冲高带内的东西向拆离断层将南北向的潜山条带分割成多个断块，形成一系列的滑脱断块，亦形成多个油水系统。

经过断面闭合重新落实了潜山边界断层——长堤断层(位置见图7b中f1)，明确了桩海潜山体系和长堤潜山体系的分界位置，使得油气更为富集的桩海潜山体系含油面积向东(图6b、c中红、蓝断层之间的断块)、向南扩大了15 km2(图7b中有利面积范围)。部署了多口井位，均获得成功，其中ZX169井是胜利探区近20年来的产量最高井。

3.2 断裂样式

结合应力场分析及构造描述结果，建立桩海地区断裂样式：印支期和燕山末期形成的逆(冲)型断层样式，燕山早中期形成大型负反转断层样式，喜马拉雅期形成的走滑断层样式。

(1)逆(冲)断层样式(图8a)。印支期挤压应力方向为北东—南西向，燕山末期应力场方向为东西向，因此逆冲断层在平面延展方向应大致为北西向或近南北向。在剖面上，断面倾向东或者北东，倾角60°～70°，上盘地层呈背斜形态，多个逆断层断面平行，逆冲断块呈叠瓦状排列，形成逆冲叠瓦构造。各个断块由于遭受剥蚀的程度不同，残留地层有所差异。

图7 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区古生界顶面构造图对比

图8 渤海湾盆地济阳坳陷桩海地区断裂样式剖面Fig.8 Fault models of Zhuanghai region, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin

(2)负反转断层样式(图3a)。燕山早中期的拉张作用和喜马拉雅期的拉张走滑作用，使得之前形成的逆断层上盘沿断面下滑，转换为正断层，形成负反转断层和负向结构[5,16]。这类断层主要起到确定潜山边界或划分潜山次级构造单元的作用，绝大多数表现为正断层，或者是新生界、中生界为正断层，古生界为逆断层。如图3a所示，该断层下降盘的古生界由于早期遭受剥蚀，其残留厚度小于上升盘，即表现为古生界地层负向结构。这些断层在地震构造解释中比较容易确定,但需要区分同一条断层在不同地质时期的活动性质。

(3)走滑断层样式。桩海地区的走滑断层形成于2个时期：燕山期的左旋走滑[15]和喜马拉雅期的右旋走滑。由于喜马拉雅期的走滑运动形成的断层主要出现在新生界中，故对于该区潜山构造有主要影响的是燕山期的左旋走滑运动。左旋走滑运动形成的东西向挤压应力场，使得桩海潜山形成了具有挤压性质的走滑断层。这类断层具有2个明显特征：第一是断层在不同的平面位置具有不同的性质。如埕东断层，在北部是断距为2 800 m的逆断层；向南断距逐渐减小，至中部两盘地层深度相当，基本没有断距；在南部成为断距为700 m的正断层。第二个特征是在剖面上不同的层系其地层厚度和落差均不一致，且具有正逆转换特征。如图8b，长堤断层两侧的ZHG1井和ZH102井的钻井分层数据表明，ZHG1井的中生界顶面深度小于ZH102井的深度，而古生界顶面深度则是ZHG1井大于ZH102井。该断层在剖面上表现为上正下逆的转换特征。

4 结论

(1) 济阳坳陷桩海地区印支期受南西—北东向的挤压应力场作用，发育北西走向逆冲断层，形成潜山雏形；燕山早期在拉张应力作用下形成典型负向构造，燕山晚期的东南—北西向挤压应力形成北北东走向逆断层，奠定潜山格局；喜马拉雅期在走滑作用下，以拉张断陷方式改造潜山。

(2)针对不同性质断层采用相应的解释技术：地层块体对比法解释逆冲断层，切片断面联合法解释走滑断层，多属性体融合法解释拉张断层。重新厘定了边界断层的位置，理顺了逆冲断层、拉张断层、拆离断层之间的接触关系和平面走向规律，完善构造解释方案，扩大有利含油气范围；油气在逆断层上升盘更为富集，成藏规律更加清晰，为圈闭评价和井位部署提供了可靠的基础数据，取得了良好的勘探效果。

(3)桩海地区前新生界潜山广泛发育逆冲、负反转和走滑3种断层样式。潜山变形受边界断层控制，4条北东向的平行逆冲断层及其伴生正断层，以及多条东西走向的拉张正断层，使得桩海潜山内幕呈现出复杂的“垒、堑”相间排列的构造格局。

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