惠民凹陷江家店油田低序级断层精细解释及控藏作用

李柄毅,曹爱锋,马宝军,牛子凡,李庆安,甄 鑫

(1.河北地质大学,河北石家庄 050000;2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 257015;3.中国石化河南油田分公司采油一厂,河南南阳 474780;4.中国石化河南油田分公司采油二厂,河南南阳 473400)

古近纪时期,渤海湾盆地受构造演化的影响,发育为拉分盆地,多为拉张断裂,内部断裂发育众多,构造条件复杂,为油气运聚提供有利条件[1-3]。

惠民凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷的一个次级构造单元,东临东营凹陷,西接宁津隆起,南至鲁西隆起,北靠埕宁隆起。惠民凹陷东西方向长度约135 km,南北方向宽度约40～75 km,面积约6 500 km2,走向为NE-SW走向,包括临南洼陷、滋镇洼陷和阳信洼陷,分割性特征明显。目前在惠民凹陷已经发现的含油层系多为古生界、古近系、新近系等。惠民凹陷内部构造复杂,断裂异常发育,各断层的性质不同、方向不同以及受多期次发育活动的影响,形成了不同类型的构造调节带,控制了油气成藏和分布。

目前,针对研究区沙河街组沙三上亚段构造油藏的成藏条件尚不明确,主要是因为没有清晰了解低序级断层空间展布特征及规律,低序级断层识别困难且缺乏有效描述手段,给研究低序级断层的控藏作用带来困难。本文通过精细描述惠民凹陷江家店油田低序级断层的构造特征,研究低序级断层的控藏作用,为进一步的油气勘探开发提供理论基础。

1 区域地质背景

江家店油田位于山东省临邑县境内,北至孟寺,西临营子街,东接玉皇庙。区域构造位置位于惠民凹陷南部,构造位置处于整个夏口断裂带的中部地区,受夏口断裂带的活动影响。近年来,在研究区沙三上亚段中浅层取得了勘探突破,2014年在XX507区块上报控制储量146.5×104t;部署的X972井、X492井均在沙三上亚段获得工业油流,预示着该区仍具有较大的勘探潜力,但该区构造复杂,发育大量低序级断层,给断层刻画和圈闭描述带来较大困难。

孔店组时期,夏口断裂初步开始活动,此时期江家店油田基本上没有受到影响;沙四段时期,夏口断裂持续活动,此时期江家店油田还未受到明显影响;沙三段时期,夏口断裂剧烈活动,江家店油田受其影响发育了众多的二、三级断层,大部分断层圈闭开始形成;沙二段到东营组时期,夏口断裂活动减弱,伴生断层开始减少;东营组时期,夏口断裂活动增强,致使断裂面开裂且使沙四段岩层破裂,由于沙四段的油气已经到达生烃门限,因此油气沿夏口断裂向上运移;在馆陶组和明化镇组时期,夏口断裂继续活动,主要为开启状态,沙三段的油气在这个时期到达生烃门限,所以夏口断裂可以作为油气向上运移的通道,使油气在合适的圈闭中运聚成藏。目前在江家店油田所发现的油气藏多为断块圈闭,主力含油层系为沙河街组的沙三段和沙四段。

2 构造精细解释及应用

江家店油田构造上位于夏口断裂带江家店鼻状构造带上,发育了众多级别不一的断层,使断裂构造体系复杂化,呈现出构造破碎、断裂多、断块小的特征[4]。利用三维地震资料、岩性资料、录测井资料以及区域背景资料,开展研究区低序级断层的构造精细解释。

2.1 断层精细解释

江家店油田断裂体系非常发育,给研究区低序级断层解释带来较大困难。目前,主要利用以下四种方法识别低序级断层。

1)地震剖面直接识别法。大断层在地震剖面上主要表现为以下特征:反射同相轴或波组错位现象出现明显;反射同相轴在断层处具有波形转变等特点;高序级断层在剖面上可以发现断裂带;断层延伸一般较远,对区块或区带起控制作用。

在断层的断距和延伸长度方面,低序级断层的规模相对较小,其剖面上同相轴的变化很小,尤其是断距小于10 m的低序级断层,具有明显的横向不均匀性,对地震波的传播有一定影响,使反射波振幅减弱甚至消失。因此,在地震剖面上,低序级断层主要表现出以下几点特征:①地震同相轴存在微小的错位;②地震同相轴的相位发生了扭曲;③反射的振幅突然呈现出一种减弱或增强的趋势;④在上下相邻的层位中出现错动;⑤相位在同相轴上发生了突变和转换(图1)。

图1 地震剖面直接识别

2)水平切片法。在水平切片上,反射波的强度取决于同相轴的强度,地层的倾斜程度则取决于同相轴的宽度和窄度,而断距的大小则取决于同相轴错位的程度。因此,利用地震资料对低序级构造进行识别和追踪具有重要意义。在此类切片上,低序级断层呈现出以下特征:①同相轴错断现象尤为突出;②同相轴发生位置的错开现象并不明显,其间断性质也不明显;③地震同相轴的宽窄程度会突然发生变化,这种变化会引起振幅的快速波动;④地震同相轴突然发生弯曲现象;⑤在同相轴的延伸方向上发生了变化。

3)相干切片法。断层导致层位不再连续,利用相干体可以有效地突出这种异常特征,改变相干步长可清晰地识别相干切片中的大小断层。相干切片中的小断层主要有以下几种情况:①与断层相遇后地层将出现不连续现象,而地震剖面中则显示出幅度大小的突然改变,应用相干体可以有效的凸显这一异常的特征;②相干切片中深颜色是异常区,亮颜色则代表正常区,这种切片中断层方向及相互间位置关系清晰可见。

4)三维空间解释法。三维空间解释就是将研究区目的层段置于三维空间中,以井为起点,沿纵横向剖面、任意剖面、水平切片或整个数据体作全方位的立体解释,以空间角度解析构造和层位;能够对二维剖面、特殊地质体和座椅状剖面等进行解释,并对解释层位和断面进行迭合展示,从而提高解释精度,利用该方法能够精确地落实断块的构造形态和断裂的空间展布规律。

2.2 应用实例

通过精细构造解释,在低序级断层的识别上,研究结果与前人解释成果有些许差异,以X509块北西断层为例。X509块原构造图中在沙三上亚段地层未显示断层,但蚂蚁体相干体切片显示,X509北部存在小断层,如图2所示,图中蓝圈部分的小断层即为蚂蚁体识别出的小断层。

图2 沙三上亚段油层顶面构造

3 低序级断层构造特征及空间展布规律

江家店油田断层规模不均一,其中二级断层一条(夏口断层),三级断层两条(玉皇庙断层、江家店断层)[5],四级及以下断层发育众多。总体来说,北东向的二、三级断层与构造延伸方向平行,是走向断层。夏口断层为临南洼陷的控洼断裂,向下断至基底,向上活动至东营组、馆陶组,圈闭形成、油气运移和油气藏分布受其控制;玉皇庙断层向下断至沙四段,向上断至东营组、馆陶组,为烃源岩和储层之间连接的油源断层[6]。该区大量发育四级及以下断层,受高序级断层制约,展布方向规律性较差,是高序级断层在不同时期活动时发育的伴生断层。

3.1 构造特征

惠民凹陷的基底构造呈掀斜断块的形态,整体呈不对称的复式地堑,具有北深陡、南浅缓的特点。众多伸展断层的形成和演化对层序和内部油气藏的形成至关重要。根据其走向可划分为北东东向、近东西向和近南北向3种类型。北东东向断层以夏口断层和玉皇庙断层及江家店断层为主,与构造延伸方向相平行,为走向断层;近东西向断层为受主走滑断层的影响形成的次级张性正断层,由一系列走向近东西、倾向向南的断层构成断阶;南北向断层主要分布在X67井北部地区,是由于主断层活动过程中逆牵引作用导致上盘地层在下滑过程发生向下弯曲,由于应力的平衡作用,而产生的一组低序级断层,使构造复杂化。

江家店油田构造形态整体呈一扁平的鼻状构造,走向NEE向,地层倾向NW,构造上呈现出南高北低、东高西低的趋势。

3.2 断裂分级

夏口断层(二级断层):为江家店油田主要控洼断裂,平面上呈向南内凹的弧形,向NEE延伸,倾向NW。该断裂控制了该区构造变形的整个过程,其平面上的组合样式比较简单,多与次级断裂斜交或平行形成斜交式或平行式的组合样式;剖面上,夏口断层为铲形,断层倾角50°～55°;夏口断层西段的剖面组合样式呈现出反向“Y”字形,中段和北东段主要为铲形或阶梯状。夏口断层形成时间早、活动时间长、断层落差大,控制该区的构造格局、沉积特征和油气分布。

玉皇庙断层(三级断层):为同向走滑断裂,由临商断裂和夏口断裂活动派生形成,为夏口断层的调节断层,走向NEE,在研究区内延伸距离较短,其平面组合样式为单一断裂或与次级断层组合成斜交式;剖面上以铲状或反向“Y”字形为主,断面倾角50°～52°。二级断层与三级断层相比,断距较小,导致控制区内油气的富集和流体的分布呈现出更为复杂的特征,对沉积也有一定的影响[7]。

江家店断层(三级断层):为同向走滑断裂,由临商断裂和夏口断裂活动派生形成,走向SW-NE,为夏口断层的调节断层,把江家店鼻状构造分割为东西两个部分。断层平面上组合样式比较简单,为单一断裂,其与次级断裂组合为斜交式;剖面上以铲形为主,断面倾角49°～51°。

四级及以下断层:断层断距较小、延伸距离较短、断距通常小于30 m,多为20 m。断层的走向呈现出多样化的趋势,包括北东向、近南北向以及东西向。其中以北东向和近东西向断距最大,这种断层会引起局部构造格局内部的变化,导致断块内部构造变得更加复杂化,对局部油气分布也产生一定的影响。

3.3 低序级断层组合特征

利用三维地震剖面的精细解释、录井、测井等资料,根据构造埋深图、地层厚度图、相干体切片等平面成果图以及断层产状、断层垂直位移统计分析等数据,总结低序级断层平面及剖面组合特征。

3.3.1 断层平面组合特征

就断层的平面组合特征而言,江家店油田断层的平面组合形式主要为平行式、斜交式。

平行式:由若干条走向大致相同的断层组合而成。常具有等规模性和等间距性,即同一组合内各断层的规模大致相当,相邻两条断层之间的距离大致相同。

斜交式:一条断层终止于另一条断层之上且两者不垂直相交,其具有剪切性质,被限制断层可以是正断层或逆断层,也可以是平移断层。若有NEE-SWW的次级断层与夏口断层发生斜交,则该断层将终止于夏口断层。

3.3.2 断层剖面组合特征

就断层的剖面组合特征而言,主要表现为阶梯状、地堑和地垒、及“Y”字形。

阶梯状断层:两条以上的倾向相同而又相互平行的正断层,其上盘依次下降,这种断层组合称为阶梯状断层。

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地堑与地垒:两条或两组大致平行的断层,其中间断块为共同的下降盘,这种断层组合称为地堑;地垒则相反,中间断块为共同的上升盘。

“Y”字形断层:由主干断层和与其相应的上盘低级别断层组合而成,在剖面上呈“Y”字形状,是生长断层的组合类型。根据上盘低级别断层的数量可以分为反向“Y”字形和多级“Y”字形。

3.4 低序级断层空间展布规律

江家店油田构造位置在顺向基底断裂夏口断裂的下降盘上,因基底断裂的活动产生局部拉张-走滑应力场,从而产生大量的低序级正断层。在二级、三级断层附近,低序级断层与主干断层以斜交式分布,远离二级、三级断层,低序级断层呈现不同方向分布,特别是在X67井北部低序级断层互相切割呈棋盘状。低序级断层作为高序级断层的次级分支断层,多分布在高序级断层的下降盘[8],平面上呈平行式和斜交式等断裂组合类型。

江家店油田断层分为四种类型:

1)北东东、北东东-南南西向主断层(夏口断层、玉皇庙断层、江家店断层)为高序级断层,是研究区内边界断层和控洼断层,平行于构造延伸方向,倾向NW,向上断至东营组以上,平面上不同部位对成藏控藏作用差别较大。

2)北东-南西向断层为低序级断层,是受主走滑断裂的影响,由NEE-SWW向的拉张应力形成的次级张性正断层,作为高序级断裂的调节断层,大都发育于沙三段-沙四段层系中,个别向上断至东营组,部分断至沙二段、沙三上亚段,切割断块。

3)近东西向断层为低序级断层,是受主走滑断裂和差异压实作用影响形成的次级张性正断层,大都发育于沙二段-沙三上亚段层系中,少数向上断至东营组,大部分断至沙二段、沙三上亚段,切割盆地断块。

4)南北向断层为低序级断层,是与东西向低序级断层相伴生的调节断层,具有走滑性质,使断裂体系更加复杂。

4 断层对油气成藏的控制作用

油气成藏主要受烃源岩发育、储层分布、盖层发育、圈闭类型、输导体系特征及保存条件等诸多因素影响。沙三段是临南地区烃源岩的主要发育区域,而沙四段-馆陶组等多套层系则是油气的主要分布区域。尤其是沙三段-沙二段,目前所发现的油气藏,围绕生油中心呈环带状分布,且含油性表现出北部临商断裂体系优于南部夏口断裂体系,临商断裂带东部的帚状分支断裂体系优于西部夏口断裂帚状分支断裂体系的特点[9-10]。

4.1 油气运移通道

在盆地内,油气的二次运移呈现出极度不均匀的特征,这是由于物质条件的非均质性和成藏环境条件的多样性所导致的,这种复杂性使得油气的运移和聚集过程变得异常复杂,油气需要沿着一定的通道才能进行运移[11-12]。该区域主要是通过东西向发育的、断开层位较多且较深的高序级断裂进行输导,这些断裂从深部的烃源岩向浅层的砂岩储层中延伸,油气通过这一纵向通道才得以进入各个储层当中聚集。

4.2 油气分布规律与成藏模式

综合分析研究区油气主要分布区域,并结合油藏剖面,对江家店油田油气分布规律和成藏模式进行了分析和总结。

该区域的油藏主要有以下类型:

1)构造控制的层状油藏。研究区主要发育沙三下亚段油页岩,上部沙三中亚段前三角洲泥岩厚度较大,油气纵向运移困难,因此油气主要在沙四段就近侧向运移聚集成藏,运移到沙三上亚段及上部储层的油气不足。三角洲砂体厚度大,砂岩比例高,泥岩涂抹效应差,封堵性差,侧向运移条件较好,呈现出层状油藏的特点,且油层主要分布在顶部砂体中。

通过解析该地区的油藏剖面可以看出,该地区的油气主要是受构造控制的层状油藏。该区的X492井、X507-X1井、X507-X5井以及X509-X2井所在的断块均含有多套含油层系,主要集中在沙三段上部构造较高部位,构造低部位为水层(图3)。

图3 过X492井-X507-x1井-X507-X5井-X509-X2井-X509-X2井油藏剖面

2)构造-岩性油藏和透镜体岩性油藏。除了构造控制的层状油藏外,在X50井区沙三中亚段顶部发育有构造-岩性油藏,油气沿着主要断裂运移至其中,在岩性尖灭和断层封堵双重作用的影响下,形成构造-岩性油藏。在X943井区下部发现透镜体岩性油藏,该种油藏处于烃源岩之间,物源条件丰富,实现自生自储,储层呈透镜状发育,形成透镜状岩性油藏。这两种类型的油藏在该区域较少(图4)。

图4 过X943井-X50井油藏剖面

5 结论

1)江家店油田主要发育三组低序级断层:①北东-南西向断层,受主走滑断裂的影响,由NEE-SWW向的拉张应力形成的次级张性正断层,大部分发育于沙三段-沙四段层系中;②近东西向断层,受主走滑断裂和差异压实作用影响形成的次级张性正断层,大都发育于沙二段-沙三段层系中;③南北向断层,是与东西向低序级断层相伴生的调节断层,具有走滑性质,使得断裂体系复杂化。

2)江家店油田低序级断层空间展布规律:在二级及三级断层附近,低序级断层与主干断层以斜交式分布,远离二级及三级断层,低序级断层呈现不同方向分布。低序级断层作为派生断层与高序级断层相伴生,多分布在高序级断层的下降盘,平面上与高序级断层或低序级断层之间呈平行式和斜交式等断裂组合类型。

3)临南地区油气主要分布于沙四段-馆陶组等多套层系中,尤其是沙三段-沙二段层系中,目前所发现的油气藏大都围绕生油中心呈环带状分布,江家店油田油藏主要有构造控制的层状油藏和构造-岩性油藏,此外有少量透镜体岩性油藏。