郝牧歌，張金功，李順明，劉林玉，郝睿林

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；2.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；4.埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，巴伐利亞州埃爾朗根，91054）

濟(jì)陽坳陷是渤海灣盆地的主要含油氣坳陷之一，其82%的油氣藏為與斷層相關(guān)的油氣藏［1-2］。斷層作為油氣向上運(yùn)移的單向閥，對(duì)油氣運(yùn)移及成藏起重要的控制作用［3］。鄂爾多斯盆地中生界及古生界［4］、柴達(dá)木盆地英雄嶺構(gòu)造帶［5］、渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷渤南地區(qū)和林樊家地區(qū)［6］以及中國其他地區(qū)［7-8］的致密油氣藏勘探實(shí)踐表明，斷層在活動(dòng)期產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫（斷生裂縫），對(duì)油氣從烴源巖運(yùn)移到致密儲(chǔ)層起輸導(dǎo)作用。常規(guī)油氣藏的輸導(dǎo)體系包括骨架砂、斷層和不整合面［9-11］，而致密油氣藏的輸導(dǎo)體系則是由烴源巖/砂巖的裂縫、斷層和連續(xù)性砂體構(gòu)成［12-14］。因次，無論是常規(guī)油氣藏還是致密油氣藏，斷層始終是輸導(dǎo)體系的重要組成。

斷層整體的活動(dòng)強(qiáng)度、輸導(dǎo)能力和封閉性是目前研究重點(diǎn)［15-16］。斷層泥比率（SGR）可以定量評(píng)價(jià)斷層的整體封閉性［17-18］，或其橫向封閉性［19-21］。根據(jù)斷面產(chǎn)狀和現(xiàn)今地應(yīng)力［22］，可以評(píng)價(jià)斷層的垂向封閉性［23］。將斷層垂向與橫向封閉性相互結(jié)合，建立斷層輸導(dǎo)模式［24-28］，可以指導(dǎo)油氣藏勘探。但受斷面體兩側(cè)巖性及泥質(zhì)含量空間變化的影響，溝通烴源巖與儲(chǔ)層的通源斷層在不同地質(zhì)時(shí)期、不同空間位置（斷片區(qū)）的輸導(dǎo)能力會(huì)有一定差異［29-31］。對(duì)于受通源斷層控制的致密油氣藏，不但需要考慮烴源巖品質(zhì)、生排烴壓力、斷層輸導(dǎo)能力差異，還要分析生排烴期-成儲(chǔ)期-斷層活動(dòng)期-成藏期-斷層靜止期等各時(shí)期的耦合關(guān)系。

現(xiàn)階段致密油氣藏輸導(dǎo)體系研究存在的主要問題為：①烴源巖及砂巖的裂縫成因還不夠清楚；②尚未明確裂縫-斷層耦合輸導(dǎo)機(jī)制；③尚未建立斷層差異輸導(dǎo)定量評(píng)價(jià)方法，這會(huì)直接影響斷控致密油氣藏勘探的成效。為此，首先根據(jù)斷層的活動(dòng)強(qiáng)度及兩側(cè)巖石的力學(xué)性質(zhì)等因素，提出斷層輸導(dǎo)指數(shù)的計(jì)算方法，為精細(xì)評(píng)價(jià)各斷片區(qū)輸導(dǎo)能力的差異性奠定基礎(chǔ)；然后應(yīng)用成藏動(dòng)力學(xué)理論，分析烴源巖生排烴期、斷層活動(dòng)期、成圈期、致密油氣成藏期以及源儲(chǔ)配置等因素的時(shí)空耦合關(guān)系，闡明斷控致密油氣成藏機(jī)理，建立成藏模式；以濟(jì)陽坳陷渤南洼陷為例，結(jié)合地震、測井、巖心、薄片等資料，精細(xì)描述通源斷層各斷片區(qū)的活動(dòng)強(qiáng)度，定量評(píng)價(jià)輸導(dǎo)能力；綜合考慮斷層輸導(dǎo)指數(shù)、源儲(chǔ)壓差及儲(chǔ)層類型等因素，建立斷控致密油氣成藏有利區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而預(yù)測渤南洼陷沙三段上亞段斷控致密油氣藏的有利區(qū)分布，以期為致密油氣藏精細(xì)勘探提供依據(jù)。

1 斷層輸導(dǎo)差異性定量評(píng)價(jià)

斷層幕式活動(dòng)期和靜止期分別對(duì)油氣運(yùn)移起輸導(dǎo)作用和封閉作用。在斷層活動(dòng)期，斷生裂縫、未固結(jié)的斷層巖是油氣運(yùn)移的優(yōu)勢路徑［32］，對(duì)油氣成藏起輸導(dǎo)作用［33］。斷層的活動(dòng)強(qiáng)度越大、活動(dòng)時(shí)間越長，斷生裂縫的密度就越大、輸導(dǎo)能力就越強(qiáng)。由于斷層活動(dòng)強(qiáng)度及其附近巖性存在空間變化，各斷片區(qū)的輸導(dǎo)能力也會(huì)有一定的差異。在斷層靜止期，斷層巖將經(jīng)歷壓實(shí)、膠結(jié)等減孔成巖作用，斷生裂縫因次生礦物充填而閉合。如果成巖后斷層巖的排驅(qū)壓力大于儲(chǔ)層的排驅(qū)壓力，則斷層具有封閉性，其封堵能力與斷層巖喉道半徑的大小有關(guān)［34］。

1.1 斷層累積生長指數(shù)

評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)強(qiáng)度的方法主要有生長指數(shù)法［35］、位移-長度法［36］、古落差法［37］、斷距-埋深法［38］、活動(dòng)速率法［39］、古滑距法［40］等。其中生長指數(shù)法應(yīng)用較廣，用于評(píng)價(jià)斷層在特定時(shí)期的活動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)生長指數(shù)接近于1時(shí)，該時(shí)期為斷層靜止期；當(dāng)生長指數(shù)大于1時(shí)，該時(shí)期為斷層活動(dòng)期［35］。

為了精細(xì)表征斷層不同區(qū)域的特性，可將一條斷層的斷面劃分為若干“斷片區(qū)”。首先沿?cái)鄬幼呦驅(qū)鄬泳譃槿舾啥危蝗缓髲目v向上將斷面劃分為烴源巖上覆淺層（A 段）、烴源巖上覆深層（B 段）和烴源巖層系（C 段）等3 個(gè)部分，從而把斷層面劃分成若干斷片區(qū)（圖1）。

圖1 斷片區(qū)劃分示意Fig.1 Fault section division

考慮到斷層活動(dòng)的時(shí)間跨度對(duì)其輸導(dǎo)能力的影響，提出利用斷層累積生長指數(shù)來表征斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。斷片區(qū)的斷層累積生長指數(shù)的計(jì)算式為：

在L值較大的斷片區(qū)，具有較長的活動(dòng)時(shí)間或較大的活動(dòng)強(qiáng)度，易產(chǎn)生更廣泛的斷生裂縫網(wǎng)絡(luò)，其輸導(dǎo)能力也較強(qiáng)。

1.2 斷生裂縫系數(shù)

在斷層活動(dòng)期，斷片區(qū)兩側(cè)巖層出現(xiàn)的斷生裂縫會(huì)提高斷片區(qū)的輸導(dǎo)能力［41-42］。在斷片區(qū)活動(dòng)強(qiáng)度一定的情況下，巖性不同產(chǎn)生裂縫后的滲流能力也有所不同。斷生裂縫系數(shù)表征斷片區(qū)兩側(cè)因斷生裂縫而提高輸導(dǎo)能力的幅度。其表達(dá)式為：

顯然，被錯(cuò)斷巖層產(chǎn)生裂縫后滲透率增加幅度越大，巖石的破裂壓力越小，則斷生裂縫系數(shù)越大，斷層的輸導(dǎo)能力越強(qiáng)。

1.3 斷層輸導(dǎo)指數(shù)

斷層在某一地質(zhì)時(shí)期的輸導(dǎo)指數(shù)是斷層累積生長指數(shù)與斷生裂縫系數(shù)的綜合反映，定量表征了斷層及其兩側(cè)巖層在斷層活動(dòng)期的輸導(dǎo)能力，其表達(dá)式為：

2 斷控致密油氣成藏機(jī)理

濟(jì)陽坳陷致密油氣藏具有烴源巖持續(xù)供烴、相勢控藏、大面積分布的特點(diǎn)［43］，孔隙和斷生裂縫組成大面積連通的微裂縫-孔隙網(wǎng)絡(luò)，是致密油氣成藏的重要輸導(dǎo)體系［44-46］。致密油氣成藏受驅(qū)動(dòng)力和毛管阻力協(xié)同控制［47-52］，烴源巖生烴形成的異常高壓是油氣充注致密儲(chǔ)層的主要驅(qū)動(dòng)力［53-55］。

賦存于烴源巖的干酪根經(jīng)過熱演化而轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜌猓ㄉ鸁N）。受烴源巖封閉環(huán)境和欠壓實(shí)的影響，生烴導(dǎo)致烴源巖內(nèi)部壓力升高，出現(xiàn)生烴增壓。當(dāng)烴源巖內(nèi)部壓力超過其破裂壓力時(shí)，將產(chǎn)生微裂縫，甚至觸發(fā)通源斷層活化；烴源巖生成的高壓油氣流沿微裂縫運(yùn)移到烴源巖附近儲(chǔ)層或沿通源斷層裂縫網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移到其他儲(chǔ)層；之后烴源巖內(nèi)部壓力降低，微裂縫封閉。隨著烴源巖熱演化的持續(xù)進(jìn)行，將再次重復(fù)生烴增壓—微裂縫開啟—烴源巖排烴的過程，即烴源巖的幕式生排烴［56］。

在斷層靜止期，斷生裂縫與斷層巖因壓實(shí)、膠結(jié)作用而形成非滲透段，與斷層對(duì)接盤的泥巖等非滲透巖石共同形成通源斷層的側(cè)向封堵。這些非滲透層段與致密儲(chǔ)集體之間存在排驅(qū)壓力差［57］。烴源巖幕式生排烴期、斷層活動(dòng)期、致密儲(chǔ)層成儲(chǔ)期、油氣成藏期、斷層靜止期等各時(shí)期之間相互耦合，實(shí)現(xiàn)斷控致密油氣成藏和有效保存。

斷控致密油氣藏是烴源巖生烴增壓形成的高壓油氣流，在通源斷層活化、烴源巖幕式排烴和源儲(chǔ)壓差等因素的共同影響下，沿通源斷層運(yùn)移至與烴源巖近鄰的致密儲(chǔ)層而形成的油氣藏［58］。綜合考慮烴源巖-通源斷層-儲(chǔ)層的空間配置關(guān)系、生烴增壓、斷層輸導(dǎo)差異性、斷生裂縫網(wǎng)絡(luò)等因素，建立了斷控致密油氣成藏模式（圖2）。

圖2 斷控致密油氣成藏模式Fig.2 Fault-controlled tight oil and gas accumulation pattern

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 區(qū)域地質(zhì)背景

濟(jì)陽坳陷分為車鎮(zhèn)、沾化、惠民、東營等凹陷［59-62］，渤深4 斷層位于沾化凹陷北部的渤南洼陷，其東側(cè)、南側(cè)、西北側(cè)分別為孤島凸起、陳家莊凸起、義和莊凸起（圖3）。該洼陷主力烴源巖為沙三段中亞段、下亞段深灰色頁巖，暗色泥巖平均厚度約為350 m，以Ⅰ型干酪根為主，平均總有機(jī)碳含量為1.84%。在東營組沉積末期，烴源巖進(jìn)入生油門限［63-64］。

圖3 渤深4斷層斷片區(qū)劃分Fig.3 Sections of Fault Boshen4

該區(qū)烴源巖生烴增壓能夠提供足夠的排烴動(dòng)力［65］。主力烴源巖的鏡質(zhì)組反射率小于0.9%，受生烴母質(zhì)的影響，生成的原油密度大多超過0.85 g/cm3［66］。筆者研究的目的層段為渤深4 斷層上升盤沙三段上亞段致密砂巖儲(chǔ)層［66］。

3.2 斷層輸導(dǎo)指數(shù)

地震及測井信息顯示，渤深4 斷層面呈紡錘形（圖3）。依據(jù)地震解釋成果，分別將地表至東營組底、東營組底至沙二段底、沙二段底至沙三段底分別劃分為烴源巖上覆淺層（A 段）、上覆深層（B 段）和烴源巖層系（C 段）等3 個(gè)部分；再從橫向?qū)鄬觿澐譃?1 個(gè)基本等寬的片段，即渤深4 斷層可劃分為33 個(gè)斷片區(qū)。利用（1）式計(jì)算出渤深4 斷層各斷片區(qū)在活動(dòng)末期的斷層累積生長指數(shù)（表1）。

表1 渤深4斷層各斷片區(qū)生長指數(shù)及烴源巖層系累積生長指數(shù)Table1 Growth index and cumulative growth index of source rock strata at each section of Fault Boshen4

渤深4 斷層兩側(cè)砂巖及泥頁巖16 組巖心及薄片資料顯示，該區(qū)裂縫發(fā)育，裂縫的熒光顯示較好，是有效的油氣運(yùn)移通道［67］。該斷層兩側(cè)砂巖和泥頁巖的破裂壓力分別為88.3和118.3 MPa，巖石破裂后，滲透率大幅增加，砂巖和泥頁巖的滲透率平均增大791.4和38.0倍（表2）。

表2 巖石破裂前后滲透率對(duì)比Table2 Permeability before and after rock fracturing

根據(jù)（2）式計(jì)算，該區(qū)砂巖和泥頁巖的斷生裂縫系數(shù)分別為2.90 和1.58 MPa-1。結(jié)合斷層兩側(cè)砂地比展布數(shù)據(jù)，計(jì)算出各斷片區(qū)兩側(cè)巖層在沙三段的斷生裂縫系數(shù)和斷層輸導(dǎo)指數(shù)（表3）。

表3 渤深4斷層各斷片區(qū)沙三段油氣成藏評(píng)價(jià)指標(biāo)Table3 Consistent oil and gas accumulation indices for Third Member of Eocene Shahejie Formation at each section of Fault Boshen4

分析渤南洼陷斷層活動(dòng)情況、封閉性與油氣成藏的關(guān)系［67］，明確斷層開啟與封閉所對(duì)應(yīng)的輸導(dǎo)指數(shù)為5。如果輸導(dǎo)指數(shù)大于5，則該斷片區(qū)在斷層活動(dòng)期可以起到輸導(dǎo)作用；如果輸導(dǎo)指數(shù)小于5，則該斷片區(qū)主要起封堵作用。

3.3 烴源巖系數(shù)

為精細(xì)評(píng)價(jià)烴源巖的質(zhì)量和生烴潛力，利用烴源巖系數(shù)來反映烴源巖的厚度、總有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)類型等。其計(jì)算式為：

根據(jù)（4）式計(jì)算渤深4 斷層各斷片區(qū)的烴源巖系數(shù)（表3）。渤南洼陷構(gòu)造/地層油氣藏與巖性油氣藏的烴源巖系數(shù)界限為0.25［66］。如果烴源巖系數(shù)大于0.25，該烴源巖可以為致密油氣藏供烴；如果烴源巖系數(shù)小于0.25，該烴源巖只能為構(gòu)造/地層油氣藏供烴。

3.4 油氣成藏事件

渤深4斷層附近已發(fā)現(xiàn)油氣藏的油氣來源為沙三段中亞段和下亞段烴源巖［66］。生排烴期歷經(jīng)東營組沉積時(shí)期至明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期，其中館陶組沉積時(shí)期烴源巖開始排烴，并逐漸達(dá)到生排烴高峰。東營組沉積時(shí)期—館陶組沉積時(shí)期，斷層具有一定活動(dòng)性，館陶組沉積時(shí)期為致密油氣運(yùn)移成藏關(guān)鍵期。明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期及第四紀(jì)，渤深4 斷層停止活動(dòng)，油氣難以沿?cái)鄬永^續(xù)向上運(yùn)移，為致密油氣藏的主要保存期（圖4）。

圖4 渤深4斷層沙三段上亞段斷控致密油氣成藏事件Fig.4 Tight oil and gas accumulation events in Upper Third Member of Eocene Shahejie Formation of Fault Boshen4

3.5 油氣成藏有利區(qū)

致密油氣成藏需考慮油氣輸導(dǎo)體系、運(yùn)移動(dòng)力以及有利儲(chǔ)層分布等因素。斷層輸導(dǎo)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，渤深4 斷層C4—C9 斷片區(qū)的輸導(dǎo)能力較強(qiáng)，其中C6 斷片區(qū)輸導(dǎo)能力最強(qiáng)。渤深4 斷層沙三段中亞段和下亞段烴源巖排烴后的剩余壓力為6～28 MPa，而目的層沙三段上亞段致密砂巖儲(chǔ)層的中值毛管壓力平均為1.83 MPa，源儲(chǔ)壓差為4～16 MPa（表3），該區(qū)烴源巖的原油充注動(dòng)力遠(yuǎn)大于儲(chǔ)層的毛管阻力。

渤深4斷層上升盤發(fā)育沙三段上亞段濁積扇沉積的致密儲(chǔ)層，與其對(duì)接的下降盤是沙二段深湖亞相泥質(zhì)巖［33］，封堵性能好，在斷層靜止期能有效封堵上升盤沙三段上亞段的致密油氣。

根據(jù)致密砂巖油氣成藏及分布特點(diǎn)［43-46］，建立致密砂巖油氣成藏有利區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)。在斷層影響區(qū)域內(nèi)，斷片區(qū)輸導(dǎo)指數(shù)大于5、烴源巖系數(shù)大于3、源儲(chǔ)壓差大于10 MPa、發(fā)育中厚層砂體的區(qū)域?yàn)橐活愑欣麉^(qū)；斷片區(qū)輸導(dǎo)指數(shù)小于5、烴源巖系數(shù)為0.25～3、源儲(chǔ)壓差為5～10 MPa、發(fā)育薄層砂體的區(qū)域?yàn)槎愑欣麉^(qū)。在斷層影響之外的區(qū)域，發(fā)育厚層砂體的區(qū)域?qū)儆谝活愑欣麉^(qū)，發(fā)育薄層砂體的區(qū)域?qū)儆诙愑欣麉^(qū)。

依據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測渤深4 斷層上升盤與孤北斷層之間為沙三段上亞段致密油氣成藏有利區(qū)。C5—C10 斷片區(qū)沙三段上亞段烴源巖系數(shù)為3.0～5.5、源儲(chǔ)壓差為12～16 MPa、發(fā)育濁積扇砂體，斷片區(qū)輸導(dǎo)指數(shù)大于5，斷層活動(dòng)期輸導(dǎo)能力強(qiáng)，為一類致密油氣成藏有利區(qū)（圖5）。

圖5 渤南洼陷沙三段上亞段致密油氣成藏有利區(qū)預(yù)測Fig.5 Favorable area prediction for tight oil and gas reservoirs in Upper Third Member of Eocene Shahejie Formation in Bonan Sag

在一類致密油氣成藏有利區(qū)完鉆義11探井，于沙三段上亞段鉆遇致密油層8 m；義77 探井鉆遇沙三段上亞段致密油層9 m。預(yù)測的致密油氣成藏有利區(qū)得到了實(shí)際勘探的證實(shí)，今后可對(duì)一類致密油氣成藏有利區(qū)的其他區(qū)域進(jìn)一步開展致密油滾動(dòng)勘探。

4 結(jié)論

斷層輸導(dǎo)能力可通過斷層累積生長指數(shù)和斷生裂縫系數(shù)來表征。由于斷層不同部位的活動(dòng)強(qiáng)度、活動(dòng)時(shí)間、斷面兩側(cè)巖性等在空間上具有一定的變化，因此，按斷片區(qū)評(píng)價(jià)斷層的輸導(dǎo)能力可以揭示斷層輸導(dǎo)的差異性，對(duì)斷控致密油氣藏精細(xì)勘探具有重要意義。斷控致密油氣成藏機(jī)理揭示，高源儲(chǔ)壓差、通源斷層差異輸導(dǎo)和斷層巖側(cè)向封堵是斷控致密油氣成藏的主控因素。生烴期、排烴期、斷層活動(dòng)期、成圈期、成藏期、斷層靜止期等各時(shí)期有機(jī)耦合，是斷控油氣成藏和有效保存的關(guān)鍵。綜合斷層輸導(dǎo)差異性定量評(píng)價(jià)、烴源巖系數(shù)及儲(chǔ)集體特征，建立斷控致密油氣成藏有利區(qū)分類標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)勘探實(shí)踐證實(shí)，致密油氣成藏有利區(qū)預(yù)測范圍與實(shí)際勘探結(jié)果基本一致。

符號(hào)解釋

a——斷片區(qū)斷生裂縫系數(shù)，MPa-1；

C——斷片區(qū)總有機(jī)碳含量，%；

E——有機(jī)質(zhì)類型賦值；

h——斷片區(qū)烴源巖厚度與研究區(qū)最大烴源巖厚度的比值；

i——沉積時(shí)期的編號(hào)；

L——斷片區(qū)的斷層累積生長指數(shù)；

n——斷層活動(dòng)時(shí)期的數(shù)量；

Qi——斷層某一活動(dòng)時(shí)期的生長指數(shù)；

S——斷層輸導(dǎo)指數(shù)，MPa-1；

t——烴源巖系數(shù)；

Ti——斷層某一活動(dòng)時(shí)期的時(shí)間跨度，Ma；

Tz——被斷開地層的沉積時(shí)間跨度，Ma；

ΔK——巖石破裂后與破裂前滲透率的比值；

σ——巖石破裂壓力，MPa。