鄂尔多斯盆地杭锦旗东部断裂特征及对天然气成藏的影响

齐 荣

(中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引 言

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北缘，构造相对复杂。前人对杭锦旗地区断裂构造的研究多聚焦于规模较大的泊尔江海子断裂[1-5]，鲜有其他小规模的断裂研究。随着勘探程度的不断深入，发现小规模断裂附近存在气藏，断裂对气藏控制和影响成为该区天然气勘探的关键问题之一。该文基于三维地震及钻井资料，研究了杭锦旗东部地区断裂的性质、分布规律及其活动性、封闭性特征，分析了断裂对天然气成藏的影响，总结了断裂对天然气成藏的控制作用。该研究不仅有助于深化研究区断裂发育分布规律和形成机制的认识，而且对研究区天然气勘探部署也有实际的指导价值。

1 区域地质概况

杭锦旗地区东部横跨伊盟北部隆起和伊陕斜坡2个构造单元[6-11]。以泊尔江海子断裂为界，北部属于伊盟北部隆起，整体构造复杂，断裂及褶皱较为发育；南部属于伊陕斜坡，构造相对平缓，局部断裂发育。杭锦旗地区上古生界二叠系自下而上发育太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。气藏烃源岩主要发育于太原组和山西组的煤系地层(包括煤层和暗色泥岩)中，主要分布于泊尔江海子断裂带南部地区(图1)。储层为太原组、山西组、下石盒子组的致密低渗砂岩。在泊尔江海子断裂以北地区，天然气主要分布在盒2和盒3段，在泊尔江海子断裂以南地区，油气主要分布在盒1段；区域盖层是上石盒子组的大套泥岩[5](图1)。

图1 研究区煤层及断裂分布

2 断裂类型及分布特征

研究区断裂总体分为3类：二级断裂为规模很大(平面延伸距离大于50 km)的控带断裂，即泊尔江海子断裂和李家渠、掌岗图西断裂，为盆地北缘次级构造划分边界；三级断裂为规模相对较大(平面延伸距离大于5 km)的次级断裂，即苏布尔嘎、柴登、纳林沟、台吉召西、吴七渠等断裂；四级断裂为中小型断裂。按断裂走向分类，可识别出NE、NW、近EW向，少量近NS向断裂(图1)，从数量上来看，NE向断裂最多，其次为NW向，EW向断裂数量最少。

研究区断裂的平面分布复杂多变，具有明显的区域性。泊尔江海子断裂以北地区断裂发育数量最多，但单条规模不大，断裂的平面走向总体呈NE向并呈大面积带状分布或均匀分布。泊尔江海子断裂以南地区主要发育NE向李家渠断裂、NW向掌岗图西断裂以及NE、NW和近NS向的四级断裂，呈杂乱状分布。

3 断裂活动性分析

鄂尔多斯盆地受区域动力背景控制，经历了多期次和多方向应力作用[1，4]，杭锦旗地区东部的断裂规模、形态和活动期次等与区域构造应力作用密切相关。

结合盆地演化特征和断裂构造特征分析认为，研究区的断裂活动主要经历了3个时期，即海西期挤压逆冲、燕山晚期的强烈挤压逆冲与隆升剥蚀、喜山期张扭活动及构造反转。

海西期，华北板块与西伯利亚板块碰撞，鄂尔多斯盆地杭锦旗地区遭受中等强度的挤压，发育有大量规模较小的断裂，多数未断穿二叠系顶面。如发育了近EW向小型逆冲断裂——吴七渠断裂，从该三级断裂的生长指数特征也可以看出(表1)，该断裂在中二叠世开始活动，生长指数小于1.00，为逆冲断裂。

表1 断裂生长指数

燕山期，库拉—太平洋板块与欧亚板块斜向碰撞加强，导致鄂尔多斯盆地以东的中国东部地区发生强烈构造变形和抬升，在研究区形成以NW向为挤压方向的构造应力场，造成二级断裂泊尔江海子断裂、李家渠断裂的强烈逆冲活动。由表1可知，NE向李家渠断裂主要形成于侏罗纪末期(直罗—安定组)。

喜马拉雅运动期，鄂尔多斯盆地由挤压应力场转变为拉张应力场，并在盆地周缘发育了一系列新生代断陷盆地[1，4]。杭锦旗地区的断裂在喜马拉雅期均存在一定的反转，比如李家渠断裂，其生长指数在早白垩系比晚侏罗系稍有变大(表1)。

苏布尔嘎等NW向断裂数量较少，但单条断裂规模相对较大，平面上，与泊尔江海子断裂和李家渠断裂走向呈近垂直关系，但发育时间比李家渠断裂稍晚，从苏布尔嘎三级断裂的生长指数可以看出(表1)，该断裂主要形成于侏罗世。受NW向挤压应力作用，泊尔江海子断裂和李佳渠断裂发生强烈逆冲运动，苏布尔嘎断裂是在二者之前产生的调节断裂。

4 断裂封闭性分析

断裂的封闭性在空间上表现为侧向封闭性和垂向封闭性2个方面[12-16]。侧向封闭性主要运用改进的断裂泥岩比率法进行分析；垂向封闭性主要运用断面正压力法进行分析。

4.1 致密砂岩断裂泥岩比率法

Yielding等[15]提出的断裂泥岩比率(RSG)法经常用来判定断裂的侧向封闭性，但考虑到研究区发育致密低渗砂岩储层，不具有渗透性，具有封堵作用，因此，提出新的利用RSG判断断裂侧向封闭性的方法：

(1)

式中：RSG为致密砂岩断裂泥岩比率，%；h为断裂位移段内非渗透性层(泥岩+致密砂岩)累计厚度，m；H为断裂的垂直断距，m。

参照吕延防等[16]对盖层封闭性的评价标准结合杭锦旗地区的实际情况，确定RSG评价标准(表2)。在研究区共选取了5条断裂进行计算，结果如表3所示。

表2 杭锦旗地区断裂封闭性评价标准

表3 研究区RSG计算结果

由表2、3可知，吴七渠断裂盒2+3段侧向封闭性好，盒1段侧向封闭性差；J66P2S断裂山1、山2段侧向封闭性较好；锦56断裂山2段侧向封闭性较好，山1段、太原组侧向封闭性差；掌岗图西断裂盒2+3段、盒1段侧向封闭性好，山1段侧向封闭性中等，山2段和太原组差；李家渠断裂盒2+3段侧向封闭性好，盒1段、山1段、山2段侧向封闭性差，太原组侧向封闭性中等。

4.2 断面正压力法

断裂垂向封闭性一般用断面正压力法表征[13]。周庆华指出，断裂的垂向封闭性受断移地层泥岩含量的影响，陆相沉积地层在根据断面压力评价断裂垂向封闭性时，应兼顾断移地层的泥地比值。由于研究区储层属于陆相致密低渗砂岩，需要考虑断移地层的非渗透性地层(泥岩+致密砂岩)与地层厚度的比值(A)(表4)。

表4 研究区断裂垂向封闭性评价结果

由表4可知，J66P2S断裂山2段地层中深为2 560.42 m，断面正压力为7.60 MPa，非渗透性地层占地层厚度的69.7%，垂向封闭性好；山1段地层中深为2 590.78 m，断面正压力为7.74 MPa，非渗透性地层占地层厚度的33.4%，垂向封闭性中等。锦56断裂山2段地层中深为2 799.40 m，断层正压力为6.59 MPa，非渗透性地层占地层厚度的60.6%，垂向封闭性好，山1段和太原组较差；掌岗图西断裂各层垂向封闭性普遍中等。

5 断裂对天然气成藏的影响

杭锦旗地区烃源岩为太原组和山西组煤层，煤层主要分布在泊尔江海子断裂以南地区，泊尔江海子断裂以北的煤系地层薄而且分布范围较为局限，生烃潜力有限。普遍认为，泊尔江海子断裂以北地区天然气主要来自于泊尔江海子断裂以南地区，沿断裂和厚砂体运移而来。

泊尔江海子断裂以北地区断裂发育数量最多，但单条断裂规模并不大，包括规模中等的NW向纳林沟和柴登北断裂、近EW向吴七渠断裂和众多NE向四级断裂，断裂多为逆冲断裂且倾角均较陡，断裂的平面走向总体为NE向，并呈大面积带状分布或均匀分布。

断裂控藏特征主要表现为：①断裂大多断至盒1段下部，未断穿上石盒子组，即断裂未破坏区域盖层；②盒2、盒3段砂体在泊尔江海子断裂以北地区比较发育，当断裂处于开启状态，能够垂向上输导天然气至盒2、盒3段有利储层处，形成岩性和构造-岩性气藏；③逆冲断裂附近常发育有逆牵引背斜，天然气沿断裂垂向运移至逆牵引背斜处，形成背斜气藏，如盒1段；④当断裂侧向和垂向封闭性均较好时，可形成断背斜气藏，如J66P2S井位于宽缓背斜高部位，其北侧发育一条四级逆冲断裂，断裂展布方向近东西向，平面延伸距离为2.0 km，平均断距为30 m，倾角为70 °，断裂断至盒1段(T9d)，未断穿。上述封闭性研究结果表明，J66P2S断裂山1段侧向封闭性中等，断裂在山1段可以形成侧向封堵，从而在山1段形成断背斜气藏(图2)，山1段测试为高产气层。

泊尔江海子断裂以南地区煤层厚且成熟度较高，提供了充足的油气源，是杭锦旗地区气藏的主要来源。该区盒2、盒3段砂体不太发育，盒1段太原组砂体十分发育，二级断裂李家渠、掌岗图西断裂平均断面倾角为67 °，断距从下往上逐渐变小，垂向上断穿区域盖层上石盒子组。掌岗图西和李家渠断裂无论侧向还是垂向封闭性都较差，且仅在掌岗图西断裂附近的锦24井盒1段和李家渠断裂附近的锦20井上石盒子组底部见到气层，这2口井均位于李家渠断裂、掌岗图西断裂控制的逆牵引背斜之上(图3)。因此，该区二级断裂控制了构造圈闭的发育，垂向上沟通烃源岩，在逆牵引背斜处形成气藏(图3)。

图2 过J66P2S及其水平段A、B靶点地震剖面及对应气藏解剖图

图3 过掌岗图西断裂地震剖面及对应气藏解剖图

锦56井附近三、四级断裂也较发育，平面组合呈杂乱状，展布方向复杂多变，正、逆断裂均发育，平面延伸距离为2.5 km，平均断距为30 m，平均倾角为75 °，断裂断至盒1段(未断穿)。封闭性研究表明，锦56断裂山2段侧向和垂向封闭性较好，山1段、太原组较差，说明断裂可以在垂向上沟通至山1段和太原组的烃源岩，将天然气运移至山2段，同时，由于山2段断裂侧向封闭性较好，在山2段形成断块气藏(图4)，山2段测试为高产气层。综合J66P2S四级断裂和锦56三、四级断裂的分析结果，认为三、四级断裂垂向上沟通烃源岩，运移天然气至上部地层，在储层条件有利时可形成岩性气藏，若断裂侧向封闭性好，还可形成断背斜或断块气藏。

图4 过锦56井地震剖面及对应气藏剖面

6 结 论

(1) 研究区断裂类型主要为高角度逆断裂，断裂按走向划分，可识别出NE、NW、近EW向，少量近NS向。从数量上，NE向断裂最多，其次是NW向，EW向断裂数量最少。

(2) 通过对泊尔江海子断裂南北不同地区断裂封闭性研究及气藏精细解剖，认为二级断裂垂向上沟通烃源岩，且易在断裂上盘形成逆牵引构造，在储层条件有利时易在断裂逆牵引背斜处形成气藏；区内高角度三、四级断裂垂向上沟通烃源岩，运移天然气至上部地层，在储层条件有利时形成岩性气藏，若断裂侧向封闭性好，还可形成断背斜或断块气藏。