断层在油气成藏中的控制作用——以川西东坡地区须二段气藏为例

冯英，邓美洲，李亚晶，陈俊，毕有益，严焕榕

（中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川 成都 610100）

油气藏形成和演化过程均伴有复杂的断层活动。断层活动不仅为油气运移提供通道，为油气聚集提供场所，与裂缝形成相关，还能对致密储层进行改造。断层的作用贯穿于油气成藏的整个过程［1-2］，是油气成藏的关键因素。川西地区须家河组须二段（T3x2）气藏钻探始于20世纪80年代，经历了多轮次的勘探评价，目前在新场地区油气勘探成果显著，形成了“先成藏、后致密、晚期调整”的成藏富集模式及富集规律［3-16］等方面的认识。虽然先后在东坡地区T3x2气藏的合兴场、新盛、丰谷等构造获得了一定的天然气发现，但受多种因素影响，目前尚未大规模高效开发。笔者认为：制约东坡地区T3x2气藏高效开发的主要因素为该区断层较为发育，而目前对断层展布规律、活动性及其对天然气的控制作用等方面尚不明确；该气藏为典型的特低孔超致密砂岩气藏［10-12］（孔隙度 3.65%，渗透率0.098×10-3μm2），获工业气流井的产能与裂缝发育程度密切相关，但地球物理响应特征复杂，裂缝预测难度大。这些因素都制约着对东坡地区油气富集规律的准确认识。为此，本文在系统总结前人工作的基础上，首次对东坡地区T3x2进行断层分级评价及活动性研究，从油气输导、裂缝形成、储层改造等方面，系统分析了川西东坡地区T3x2断层在油气成藏中的控制作用，以期对该区T3x2气藏下步的勘探开发提供技术支撑。

1 地质背景

川西坳陷位于四川盆地西部，北起米仓山-大巴山造山带，南抵峨眉-瓦山断块，西邻龙门山推覆构造带，东接川中古隆起，为北东—南西向的长条形地带。研究区位于川西坳陷东部斜坡区，地表为第四系覆盖，钻遇地层由下而上分别为三叠系的雷口坡组（T2l）、马鞍塘组（T3m）、小塘子组（T3t）和须家河组（T3x），侏罗系的自流井组（J1z）、千佛崖组（J2q）、下沙溪庙组（J2x）、上沙溪庙组（J2s）、遂宁组（J3sn）和蓬莱镇组（J3p），以及白垩系（K）。T3x埋深在 3 000～6 000 m，平均厚度 1 300 m左右， 自下而上划分为 4 段 （T3x2，T3x3，T3x4，T3x5）；而T3x1在该区已抬升剥蚀。T3x2沉积期整体发育“三隆两凹一斜坡”构造格局。其中：“三隆”为合兴场-丰谷、知新场-石泉场及中江-回龙构造带；“两凹”为梓潼凹陷、黄鹿向斜；“一斜坡”为福兴斜坡构造带（见图1）。

图1 研究区构造位置及断层分布

2 断层发育特征

2.1 断层分布

从区域地质事件、区域构造应力、形成时间等方面开展断层成因机制研究，川西坳陷位于扬子地块西北缘，长期的区域应力以挤压为主。中生代以来可分为3个重要时期：一是印支早期，南秦岭与秦岭板块沿勉略结合带全面碰撞造山，东坡地区受南北向构造应力的作用，发育东西向区域性断层，出现东西向构造雏形；二是燕山中晚期，龙门山（主要为中段）向东南逆冲推覆，东坡地区受北西—南东向构造应力的作用，发育北东—南西向断层，并将早期定型的东西向主体构造带调整为北东东—南西西向展布；三是喜山期，青藏高原向东挤压，东坡地区受东西向构造应力作用，发育南北向断层，且横切主体构造部位，进一步改造局部构造。

综合考虑断层活动期次、规模（断距大小、延伸长度、断至深度）等因素［16-21］，区内断层可划分为：二级断层1条，即龙泉山大断层，该断层控制龙泉山断裂带的走向、分布及规模；三级断层9条，为控背斜断层，分布于合兴场-丰谷构造带、知新场-石泉场构造带上；四级断层28条，控制局部圈闭，多为近南北断层，横切主体构造带，规模适中，为主要控藏断层；五级断层73条，为伴生断层及层间小断层（见图1）。

不同构造带上断层分布特征具有差异性（见图2）。其中：合兴场-高庙构造带，早期近东西走向的三级断层（F8，F9，F23）分布在构造带南北两翼，控制着构造带展布，而内部晚期近南北走向的四级断层（F1-2，F40，F43，f41，f42）规模中等，是主要的控藏断层（见图2a）；丰谷构造带，断层较少，发育1条三级断层和2条四级断层，三级断层（F24）控制着丰谷鼻状构造（见图2b）；知新场构造带，发育南北走向的三级断层（F1，F2），规模较大，断距大于200 m，延伸距离均大于20 km，构造带为南北向展布的断背斜（见图2c）；中江-回龙构造带，发育3条四级断层及多条五级断层，除F35断层（断距20～50 m）外，其余规模均较小，构造带为北西西向倾没的鼻状隆起（见图2d）；石泉场构造带，发育1条二级断层（F3）、1条三级断层（F5）及多条四级断层（F1-2，f2，f3，f5，f123），断层规模较大，多数断至浅层蓬莱镇组，断距在20～150 m，构造带呈断背斜特征（见图 2e）。

图2 不同构造带地震剖面特征

2.2 断层的活动性

强烈的断层活动可导致原生气藏的破坏，或保存条件变差。断至浅地表或通天的断层势必会破坏早期气藏，并使得天然气散失；而适中的活动有助于天然气的保存。通过对各断层的精细描述及分级评价，不同级别断层在不同区域向上断至的层位不同。二级断层断距较大，平面延伸较长，向上断至蓬莱镇组；三级断层向上断穿T3x2，合兴场-丰谷地区总体未断出须家河组，知新场地区发育规模较大，断至侏罗系甚至地表；四级断层在合兴场-丰谷地区总体向上延伸至T3x3内，部分断至T3x4，知新场、石泉场地区可断至侏罗系；五级、六级断层断距较小，集中分布在T3x2段内部。总体上，合兴场-丰谷地区保存条件好于知新场、石泉场、中江-回龙地区。同一断层在不同测线、不同沉积期，活动性存在差异。目前主要采用断层生长指数、断层落差和断层活动速率3类参数来定量表征断层活动性［13-14］。断层活动速率为某一地质时期内的断层落差与时间跨度的比值，该参数既保留了断层落差的优点，又弥补了由于缺少时间概念所带来的不足，能够更好地反映断层活动特点。因此，通过对研究区不同沉积期断层活动速率的统计，可以直观地反映不同断层在纵向上及平面上的活动性变化（见图3。图中Cr，In分别表示联络线和主测线）。

从图3可以看出，断层中部活动性较强，末端活动性相对减弱。如T3x2沉积期，F14断层在其北端主测线In1645上，断层活动速率仅2.33 m/Ma；而在其中部主测线In1410上，断层活动速率达20.67 m/Ma。由于受构造应力的作用，早期发育的近东西向断层（F23，F8，F9，F43，F24，f118，F35 等）形成于印支晚期，发育时间较早，在T3x2，T3x3沉积期均有活动，但断层活动速率逐渐减弱；晚期发育的近南北向断层（F17，F40，F42等）在T3x2，T3x3沉积期也均有活动，但活动强度相对较强，为主要的控藏断层。另外，知新场地区发育的南北向断层（F1，F2），规模较大，各沉积期均有活动，断层活动速率呈递增趋势，尤其是F2断层活动性最强；知新场南部-龙泉山地区发育的F3，F5断层，在J1z沉积期仍然活动性较强，这些断层的持续活动使油气的保存条件变差。

图3 不同沉积时期的断层活动速率

3 断层对油气的控制作用

3.1 断层控制油气的运移和聚集

在区域构造背景下，东坡地区二、三、四级断层均断至T3m（见图2、图3），沟通了下伏烃源岩，可作为天然气垂向运移通道。五级断层断距较小，断层集中在T3x2段内部，与四级断层搭配，利于形成有效断缝储渗体［18］，有利于油气沿断层垂向运移后，沿断缝储渗体进一步运移与聚集。

与此同时，不同构造单元，其断层组合样式也是不尽相同，它们对天然气运聚的控制作用也各不相同。川西东坡地区T3x2气藏主要有“Y”字形与反“Y”字形、叠瓦式、复合型等断层组合样式。其中，“Y”字形与反“Y”字形最为有利，叠瓦式次之。“Y”字形与反“Y”字形组合样式多分布于合兴场-高庙构造带和知新场构造带，如合新场-高庙构造带四级断层F17及其伴生断层f41与f42断层（见图2a）断至T2l，有利于沟通下伏烃源岩。反“Y”字形构造样式利于双向供烃，烃源充足；而知新场构造带三级断层F1，F2剖面组合样式虽呈反“Y”字形，但断层规模较大，后期一直活动，向上断至浅层或地表，对油气聚集起到破环作用（见图2c）。叠瓦式组合样式多分布于丰谷构造带及中江-回龙构造带，如丰谷构造带的F24及f118断层（见图2b）、中江-回龙构造带的F35断层及1条五级断层（见图2d），该组合样式单向供烃，油气聚集条件较为有利。复合型组合样式分布于断裂复杂带，如石泉场构造带，断层规模较大，活动剧烈，多数断至浅层，影响油气聚集（见图 2e）。

3.2 断层控制裂缝的形成与分布

通过岩心观察、成像测井解释等方法，发现东坡地区T3x2主要发育2种成因类型的裂缝，即构造缝和层理缝（见图4a。上图为E2井T3x2岩心，下图为C1井T3x2岩心）。其中：构造缝以高角度裂缝为主；而层理缝以低角度裂缝为主。高角度裂缝主要发育在大断层及其伴生断层附近、褶皱弯曲部位。如C1井处近南北向断层f41延伸长度0.03 km，根据高角度裂缝（倾角大于60°）玫瑰花图统计结果，高角度裂缝走向近东西向，与f41断层走向垂直，表明C1井附近高角度裂缝的形成与晚期（喜山期）的构造活动有关。通过常规测井响应特征分析，裂缝发育段表现为自然伽马低—中值（50 API左右）、声波时差显著增大、中子有挖掘效应、补偿密度较低、电阻率中—高值（大于40 Ω·m）的特征，且电成像显示裂缝段暗色正弦条纹发育，裂缝未充填，有效性好，为典型的构造缝特征。应用分频相干、倾角、构造熵、断层因子等多种方法［14］，对 T3x2进行裂缝预测，刻画裂缝在平面上的展布规律。首先，通过分频相干、倾角等属性，沿不同方位和倾角滤波，沿着断层面增强和细化地震属性，实现不同尺度断层面自动精细刻画；其次，利用构造熵、断层因子等属性，通过地震振幅三维空间变化梯度的差异，构建反映地震信号杂乱程度的属性（混沌），并根据成像测井解释裂缝信息统计确定属性门槛值，实现裂缝发育带（破碎带+诱导裂缝带）刻画。

综合分析认为，裂缝在近断层附近尤其是晚期近南北向断层附近最为发育（见图4b—4d。图4d中黑色虚线为A1井轨迹）。

图4 东坡地区T3x2裂缝发育及分布

3.3 断层控制储层储集性能的改造

由于晚期构造活动形成的裂缝，改善了原先致密的孤立孔隙间的连通性，提高了原先已经致密化的储层的物性，特别是储层的渗流能力，使得聚集在孤立孔隙中的天然气发生流动、调整和聚集，形成了气藏中高产的“甜点”。岩心CT检测结果表明，孔隙连通体积越大，储层储集性能越好。例如：M1，M2井位于中江地区，孔隙度较大（4%），孔隙体积较多，但距断层较远，分别为1.2，0.8 km，储层受断层影响小，储层连通体积较小，分别为5.8%，5.6%。D1井位于丰谷地区，距F24断层较远（2.8 km），E1井位于高庙子地区，距F23断层较近 （0.05 km），虽然D1井储层孔隙度较E1井要大，孔隙体积较多，但储层受断层影响小，储层连通体积较小，储层储集性能要差于E1井。

3.4 断层活动与油气成藏关系

川西地区马鞍塘组—小塘子组、T3x3暗色泥页岩为主要烃源岩，T3x2砂岩为主要储层，总体呈现出源储互层的“三明治”式源储配置特点。这种配置关系有利于对储层的双向供烃，同时上部的烃源岩层也构成了下部储层的区域盖层，更有利于天然气的保存。

依据包裹体、自生伊利石K-Ar同位素年龄、烃源岩数值模拟、磷灰石裂变径迹年龄等资料，可以确定东坡地区T3x2主成藏期在晚侏罗世早期—早白垩世中期（150～125 Ma）。 结合 T3x2埋藏史，储层发生致密化（孔隙度为10%）的深度在4 500～4 700 m，对应的地质时期约为130 Ma，晚于天然气大规模成藏时间（150 Ma），T3x2气藏具有“先成藏、后致密”的特点。根据不同走向断层之间的切割关系，并结合不同构造时期区域应力场的分布，研究认为：印支晚期由于北侧米仓山向南逆冲推覆，发育东西向区域性断层，控制着主体构造带的形成，主成藏期天然气开始大规模充注，储层尚未致密，油气在浮力作用下向构造高部位聚集成藏；气藏形成之后，随着埋深的进一步增加，天然气继续发生充注，成岩作用进一步增强，在整体致密背景下发育相对优质的储层，为天然气富集提供了储集空间；随着燕山晚期—喜山期构造活动，区域整体隆升，局部地区发生了构造调整和反转；同时，晚期构造活动使得断层和与褶皱伴生的高角度裂缝对致密储层进行了改造，增强了孤立孔隙之间的连通性，增加了储层的渗流能力，断层和褶皱附近的储层成为了“甜点”。因此，T3x2气藏呈“晚期调整控富、有效裂缝控产、优质储层控效”的特点［9-18］。

4 断层主控下的成藏模式

通过断层分级评价、断层活动性及组合样式等综合分析认为，断层在油气成藏中对油气输导、裂缝形成、储层改造等方面具有控制作用。即：1）晚期形成的南北走向断层［5-19］对先期形成的气藏进行局部的调整和改造，油气富集于晚期断层发育的构造高部位；2）现今有效的构造缝主要为喜山晚期断层和褶皱所形成的裂缝，改善了储层的物性及渗流能力，天然裂缝越发育，气井产能越高；3）储层品质是气井稳产的基础，优质储层厚度越大，物性越好，气井产能越好［19］。通过断控成藏理论认识的突破，建立了“晚期调整控富、有效裂缝控产、优质储层控效”成藏模式［20-21］。目前合兴场-高庙地区存在多个潜力区尚未钻探，参考上述断控成藏模式，该潜力区位于构造高部位，处于油气运移指向上，且该区五级断层发育，断层断距较小、集中分布在T3x2内部，与晚期发育的南北向四级断层搭配，利于形成有效断缝储渗体。尤其是F42，F40，f41，f42断层附近区域，可作为下步评价有利区。

5 结论

1）二、三、四级断层沟通了下伏马鞍塘组—小塘子组烃源岩，可作为天然气垂向运移通道。“Y”字形与反“Y”字形断层组合样式，双向供烃，油气运聚条件最为有利。

2）现今有效的构造缝主要为晚期断层和褶皱所形成的裂缝。通过“分频相干+构造熵+断层因子”等多属性融合裂缝预测技术，明确了裂缝在晚期发育的近南北向断层附近最为发育。

3）晚期构造活动形成的四级断层与五级断层搭配，有利于形成有效断缝储渗体，改善了原先致密的孤立孔隙间的连通性，提高了储层的物性及渗流能力，形成了中高产的“甜点”。通过断控成藏理论认识的突破，建立了“晚期调整控富、有效裂缝控产、优质储层控效”成藏模式，优选合兴场-高庙地区为评价潜力区，支撑了东坡地区T3x2气藏评价。