油气勘探实践表明, 油气成藏后或多或少会受到断裂再活动的影响, 如果油气成藏后断裂再活动强度较大, 那么泥岩盖层封闭被破坏的可能性就较大, 已聚集的油气散失量较大。相反, 如果油气成藏后断裂活动强度较小, 那么泥岩盖层被破坏程度较小, 已聚集的油气散失量较小。对该问题的研究是含油气盆地断裂发育区油气勘探的关键研究之一。虽然前人就断裂对泥岩盖层封闭的破坏作用进行过大量研究和探讨, 但主要针对断裂断距和泥岩盖层厚度的大小研究断裂对泥岩盖层分布持续性的破坏作用^[1-4], 或者基于断层岩排替压力和泥岩盖层岩石排替压力的相对大小研究断裂对泥岩盖层封闭能力的破坏作用^[5-8]。这些研究主要针对的是断裂在油气藏形成过程中对泥岩盖层的破坏作用, 而油气成藏后断裂再活动对泥岩盖层封闭破坏作用的研究相对较少, 仅是在油气藏保存与破坏研究中被提及^[9-12], 其研究的重点是断裂再活动对油气藏的破坏作用, 而不是对泥岩盖层封闭的破坏作用。从断裂再活动对泥岩盖层封闭的破坏作用入手研究断裂对油气藏破坏的文献资料相对较少, 而且缺少定量研究方法, 这不利于含油气盆地断裂发育区油气勘探的深入开展。因此, 我们利用地震资料确定油气成藏后断裂再活动速率和破坏泥岩盖层封闭所需的最小活动速率, 再比较二者的大小, 并建立一套基于地震资料判断油气成藏后断裂再活动是否破坏泥岩盖层封闭的方法, 对于正确认识含油气盆地断裂发育区油气分布规律和指导油气勘探均具有重要意义。

油气藏中已聚集油气是否通过断裂穿过泥岩盖层向外散失, 取决于断裂再活动对断层岩的破坏程度。如果油气成藏后断裂再活动强度超过了断层岩的破裂强度, 且具有明显的地层位移, 破坏了断层岩, 产生了大量伴生裂缝和诱导裂缝, 则会使油气沿其向外散失, 如图 1a所示, 这种断裂再活动就可以完全破坏油气藏。若断裂再活动强度弱, 没有明显地层位移, 这种断裂再活动仅能使断层岩产生微裂缝。从图 2a中显微镜下断层岩显微结构可以看出, 断裂再活动可在断层岩内产生微裂缝。从多次断层岩泥岩涂抹物理模拟实验结果(图 2b)也可以看出, 断裂再活动可以使早期形成的断层岩泥岩涂抹层产生破裂, 形成裂缝。正是这些断层岩中形成的微裂缝, 使油气通过其穿过泥岩盖层向外散失(图 1b), 从而破坏了泥岩盖层的封闭, 使油气藏中的油气散失, 但这种断裂再活动破坏作用明显较前者弱。相反, 如果油气成藏后断裂再活动强度小于断层岩的破裂强度, 那么断层岩不能发生破裂, 也就不能形成微裂缝, 油气藏中的油气不能通过断层岩穿过泥岩盖层向外散失, 如图 1c所示, 断裂再活动不能破坏泥岩盖层的封闭。

图 1(Fig. 1)

图 1 断裂再活动强度与泥岩盖层是否破坏关系示意 a明显地层位移, 断层岩破坏, 泥岩盖层封闭破坏; b无明显地层位移, 断层岩产生微裂缝, 泥岩盖层封闭破坏; c无明显地层位移, 断层岩无裂缝, 泥岩盖层封闭未破坏

图 2(Fig. 2)

图 2 断裂再活动对断层岩的破坏作用 a显微镜下断层岩出现微裂缝; b多次断层岩泥岩涂抹物理模拟实验中形成裂缝

要判断油气成藏后断裂再活动是否破坏泥岩盖层, 就必须分别确定油气成藏后断裂活动强度和断层岩的破裂强度。然而, 由于受钻井和取心限制, 就目前研究技术和手段而言, 还无法通过实测断层岩样品确定其破裂强度和油气成藏后断裂活动强度, 故只能通过泥岩盖层之下油气藏中有无油气分布间接研究断裂再活动是否破坏泥岩盖层封闭。具体方法是基于地震资料统计研究区已知井点处泥岩盖层内断裂两盘油气成藏后地层厚度, 计算断裂生长指数(断裂下降盘地层厚度与同一地层上升盘地层厚度的比值)。如果断裂生长指数等于1, 说明油气成藏后断裂未再活动, 断距为零, 活动速率也为零。相反, 如果断裂生长指数大于1, 说明油气成藏后断裂再活动, 其断裂再活动断距大小应等于目前地层中的断距减去油气成藏期地层中的古断距, 而油气成藏期地层中的古断距可以由文献[13]中的方法计算求得。将断裂再活动断距除以断裂再活动时间, 便可以得到断裂再活动速率, 将其从小到大排列, 再统计泥岩盖层之下有无油气分布, 将泥岩盖层之下有油气分布的活动速率(图 3中的f₈对应的活动速率)认为是断裂再活动破坏泥岩盖层所需的最小活动速率, 如果油气成藏后断裂活动强度大, 破坏了泥岩盖层封闭, 那么油气藏中的油气将沿断裂向外散失, 无油气在泥岩盖层之下聚集分布; 相反, 如果油气成藏后断裂活动强度小, 未破坏泥岩盖层封闭, 那么油气藏中的油气不会沿断裂向外散失, 仍会在泥岩盖层之下聚集分布。最后利用上述方法计算所要研究断裂油气成藏后再活动速率, 与上述所确定出的断裂再活动破坏泥岩盖层封闭所需要的最小活动速率比较, 如果断裂再活动速率大于其破坏泥岩盖层封闭所需的最小活动速率, 那么断裂再活动将破坏泥岩盖层封闭; 反之则不能破坏泥岩盖层封闭。

图 3(Fig. 3)

图 3 断裂再活动破坏泥岩盖层封闭所需最小活动速率厘定示意

本文以渤海湾盆地辽河坳陷齐家—鸳鸯沟地区沙一段泥岩盖层和冀中坳陷饶阳凹陷留楚地区东一段泥岩盖层为例, 采用上述方法分别研究了油气成藏后断裂再活动是否破坏了盖层封闭, 并对比分析了研究结果与已发现油气分布之间的关系, 验证了基于地震资料研究油气成藏后断裂再活动是否破坏泥岩盖层封闭的可行性。

齐家—鸳鸯沟地区位于辽河坳陷西部凹陷西斜坡中南段的坡洼过渡带上, 面积约为350km²。该区从下至上发育有古近系的沙河街组、东营组和新近系的馆陶组、明化镇组地层。油气勘探表明, 辽河西部凹陷西斜坡油气资源丰富, 目前在西斜坡区的中、上台阶上已找到了曙光和欢喜岭两个超亿吨级的油田, 而在研究区的下台阶, 虽然在不同层位中也发现了工业油流(主要为沙二段, 其盖层为沙一段发育的大套泥岩), 但油气主要零散分布在断裂附近, 并且不同部位断裂附近油气富集程度差异较大, 如图 4所示。研究区西北部和东部断裂附近油气富集, 而研究区中部断裂附近油气富集相对较少。这除了与不同部位断裂附近油气成藏所需的油气供给条件、储集条件和圈闭条件不同有关外, 油气成藏后断裂再活动对沙一段泥岩盖层封闭的破坏应是主要原因。

图 4(Fig. 4)

图 4 齐家—鸳鸯沟地区沙二段断裂与油气分布关系示意

由图 4可以看出, 齐家—鸳鸯沟地区发育有大量的北北东向(NNE)和北西向(NW)断裂, 延伸长度不等, 最大达到22.58km。倾角较陡, 一般为50°~60°。断距大小也不等, 最大在沙二段大于700m。此外, 断裂断穿层位也不尽相同, 以断穿T_g—T₂和T₆—T₂为主。通过断裂生长指数、地质构造剖面伸展率(剖面伸展率等于剖面标志层伸展量与其原始水平长度的比值)和构造演化史的综合研究认为:齐家—鸳鸯沟地区断裂演化经历了3个阶段, 即沙四段—沙三段沉积时期的伸展变形, 沙一、二段—东营组沉积时期的走滑伸展变形和馆陶组沉积时期至现今沉积时期的张扭变形, 如图 5所示。由文献[14]可知, 齐家—鸳鸯沟地区油气成藏的主要时期是东营组的沉积末期, 沙二段油气成藏之后的馆陶组沉积时期至现今沉积时期断裂再活动, 是否对沙一段泥岩盖层封闭形成破坏, 对指导齐家—鸳鸯沟地区沙二段油气勘探至关重要。

图 5(Fig. 5)

图 5 齐家—鸳鸯沟地区地层剖面伸展速率

基于地震资料统计齐家—鸳鸯沟地区14个断层圈闭在沙一段泥岩盖层内的断裂两盘在馆陶组沉积晚期的地层厚度, 计算断裂生长指数, 统计生长指数大于1的断裂在馆陶组如今的断距, 利用文献[13]中古断距恢复方法计算馆陶组的古断距, 二者相减再除以馆陶组沉积时期至现今沉积时期这段沉积时间, 便可以得到断裂再活动速率, 将其由小到大排列, 再统计沙一段泥岩盖层之下油气显示情况, 如图 6所示。针对齐家—鸳鸯沟地区油气成藏后的馆陶组沉积地层14个断层圈闭, 断裂再活动破坏沙一段泥岩盖层封闭所需的最小活动速率为2m/Ma。利用该数据可以得到齐家—鸳鸯沟地区断裂再活动破坏沙一段泥岩盖层封闭区, 如图 7所示。齐家—鸳鸯沟地区断裂再活动破坏沙一段泥岩盖层封闭区主要分布在研究区的中部, 其四周为断裂再活动未破坏沙一段泥岩盖层封闭区。目前, 齐家—鸳鸯沟地区沙二段已发现的油田主要分布在断裂再活动未破坏的沙一段泥岩盖层封闭区内, 断裂再活动破坏的沙一段泥岩盖层封闭区内无油气发现。

图 6(Fig. 6)

图 6 齐家—鸳鸯沟地区14个断层圈闭断裂再活动速率和破坏盖层封闭所需最小活动速率厘定

图 7(Fig. 7)

图 7 齐家—鸳鸯沟地区断裂再活动速率与油气分布关系

留楚地区位于渤海湾盆地冀中坳陷饶阳凹陷中南部, 是一个北东(NE)走向的不对称背斜构造, 如图 8所示。该地区从下至上发育有古近系的孔店组、沙河街组、东营组, 新近系的馆陶组、明化镇组地层。油气主要产自东二、三段, 东一段发育的大套泥岩是油气的主要盖层。油气源对比结果表明, 东二、三段油气主要来自下伏沙一段源岩。由图 8可以看出, 留楚地区东二、三段目前已发现的油气主要分布在留楚塌陷背斜构造的核部和留楚南背斜构造的核部, 这除了与这两个部位源岩、储集和圈闭条件相对较好有关外, 油气成藏后断裂再活动对东一段泥岩盖层封闭的破坏也起到了重要作用。

图 8(Fig. 8)

图 8 留楚地区东营组底面构造(华北油田, 2014)

由三维地震资料解释成果(图 8)可以看出, 留楚地区东一段泥岩盖层内发育大量北东(NE)向断裂, 主要发育有中期走滑伸展、晚期张扭、早期伸展—中期走滑伸展、中期走滑伸展—晚期张扭和早期伸展—中期走滑伸展—晚期张扭5类断裂。断裂延伸长度最大可大于500m, 一般小于100m。断裂平均密度0.5条/km²。断裂剖面呈负花状构造, 断裂平面呈条带状密集分布。断裂生长指数和构造演化史研究结果表明^[15-19], 留楚地区东一段泥岩盖层内断裂活动主要有两期, 一期是东营组沉积末期, 另一期为馆陶组沉积时期至现今沉积时期。由留楚地区东二、三段储层流体包裹体均一温度资料确定的油气成藏期主要是馆陶组沉积中晚期^[20]。东一段泥岩盖层内断裂在油气成藏后的馆陶组沉积晚期至现今沉积时期的再活动, 是否破坏东一段泥岩盖层封闭, 对指导留楚地区东二、三段油气勘探至关重要。

基于地震资料统计留楚地区已知井点处东一段泥岩盖层内断裂两盘在馆陶组沉积晚期至现今沉积时期地层厚度, 计算断裂生长指数, 统计生长指数大于1的断裂在现今沉积地层的断距, 利用文献[13]中古断距恢复方法计算断裂在油气成藏期地层的古断距, 二者相减再除以馆陶组沉积晚期至现今沉积时期这段沉积时间便可以得到油气成藏后的断裂再活动速率, 将其由小到大排列, 再统计东一段泥岩盖层之下油气显示情况, 如图 9所示, 可以得到留楚地区油气成藏后断裂再活动破坏东一段泥岩盖层封闭所需的最小活动速率为4.1m/Ma。基于地震资料按照上述方法计算留楚地区东一段泥岩盖层内所有断裂在油气成藏后的馆陶组沉积晚期至现今的断裂再活动速率, 如图 9所示。再按照上述已确定出的油气成藏后断裂再活动破坏东一段泥岩盖层所需的最小活动速率4.1m/Ma, 可以得到断裂再活动未破坏的东一段泥岩盖层封闭区如图 10所示。根据研究区的断裂再活动速率与油气分布关系, 留楚地区断裂再活动未破坏的东一段泥岩盖层封闭区主要分布在留楚塌陷背斜构造的核部和留楚南背斜的核部, 其四周为断裂再活动破坏的东一段泥岩盖层封闭区。目前东二、三段已发现的油气主要分布在断裂再活动未破坏的东一段泥岩盖层封闭的留楚塌陷背斜构造的核部和留楚南背斜构造的核部内, 而断裂再活动破坏了东一段泥岩盖层封闭区内无油气发现。

图 9(Fig. 9)

图 9 留楚地区东一段泥岩盖层内断裂再活动速率和破坏泥岩盖层封闭所需最小活动速率厘定

图 10(Fig. 10)

图 10 留楚地区东一段泥岩盖层内断裂再活动速率与油气分布关系

本文通过比较油气成藏后断裂再活动速率和破坏泥岩盖层封闭所需的最小活动速率的大小, 建立了一套基于地震资料研究油气成藏后断裂再活动破坏泥岩盖层封闭的方法, 并将其应用于渤海湾盆地辽河凹陷齐家—鸳鸯沟地区和冀中坳陷饶阳凹陷留楚地区油气成藏后断裂再活动是否破坏泥岩盖层的研究中, 结果表明:齐家—鸳鸯沟地区油气成藏后断裂再活动速率小于破坏沙一段泥岩盖层封闭所需最小活动速率的区域主要分布在齐家—鸳鸯沟的四周地区。留楚地区油气成藏后断裂再活动速率小于破坏东一段泥岩盖层封闭所需最小活动速率的区域主要分布在留楚背斜构造的核部和留楚南背斜构造的核部, 与齐家—鸳鸯沟地区沙二段和留楚地区东二、三段目前已发现的油气分布相吻合, 表明基于地震资料判断油气成藏后断裂再活动是否破坏泥岩盖层封闭的方法是可行的。

本方法主要适用于具有一定的见油气显示的井数且高品质地震剖面资料, 本次应用属于初步尝试, 还存在许多不足之处。本文在通过泥岩盖层上下是否有油气来确定断裂再活动破坏泥岩盖层封闭所需的最小活动速率时, 没有考虑泥岩盖层之上是否还有其他油气来源以及油气运移至泥岩盖层之上是否发生侧向运移, 如果有其他油气来源或油气运移至泥岩盖层之上发生了侧向运移, 那么所给出的破坏泥岩盖层封闭所需的最小活动速率就不准确, 研究结果就可能不符合实际, 会给油气勘探带来风险。由此看出, 本方法有待完善, 预测精度也有待提高。