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油源断裂转换带裂缝发育及其对油气控制作用——以冀中坳陷文安斜坡议论堡地区沙二段为例
张博为1, 付广1, 张居和2, 胡明1, 刘峻桥1, 王浩然1     
1. 东北石油大学地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318;
2. 大庆油田公司勘探开发研究院, 黑龙江 大庆 163712
摘要: 在伸展盆地中,油源断裂转换带往往对油气有着重要的控制作用,是油气的有利聚集部位。为了明确油源断裂转换带裂缝发育及其对油气运聚的控制作用,本文利用垂直累积断距-距离曲线法厘定了文安斜坡议论堡构造3条油源断裂的转换带并明确了其分布特征;依据岩心、露头资料、实钻资料和叠前三维地震资料对油源断裂转换带伴生裂缝分布进行了预测模拟;总结了油源断裂转换带对裂缝发育的控制作用,以及二者与油气成藏关系。结果表明:在本研究区油源断裂转换带部位富含砂岩的输导层较发育,应力相对油源断裂其他部位较集中,是裂缝密度高值的发育区,为油气聚集提供优势的运移通道和指向,使油气向低势区汇聚成藏。
关键词: 断裂转换带     油源断裂     裂缝     油气     议论堡构造     文安斜坡    
Fracture Development in Oil-Migrating Fault Transition Zones and Its Control on Hydrocarbon Migration and Accumulation: A Case Study of Es2 Oil Formation of Yilunpu Structure of Wen'an Slope of Jizhong Depression
Zhang Bowei1, Fu Guang1, Zhang Juhe2, Hu Ming1, Liu Junqiao1, Wang Haoran1     
1. Geoscience College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang, China;
2. Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company Ltd, Daqing 163712, Heilongjiang, China
Supported by National Natural Science Foundation of China (41372153)
Abstract: Oil-migrating fault transition zones often play an important role on controlling hydrocarbon migration and accumulation, and are the preferential parts for hydrocarbon accumulation in a stretching basin. In order to clarify fracture development in oil-migrating fault transition zones and its control on hydrocarbon migration and accumulation, the evolution of vertical cumulative throw-distance curve is applied, and 3 oil-migrating fault transition zones have been recognized in Yilunpu structure of Wen'an slope. Fracture distribution in oil-migrating fault transition zones is forecasted based on the data of outcrop, drilling, logging, and pre-stack seismic. The authors summarize the control effect of fracture development in oil-migrating fault transition zones, and the relationship with hydrocarbon accumulation. The results show that, in the oil-migrating fault transition zones, sandstone and fracture is more developed, stress is more concentrated. The fracture is responsible for the path of hydrocarbon migration and accumulation.
Key words: fracture transition zones     oil-migrating fault     fractures     hydrocarbon     Yilunpu structure     Wen'an slope    

0 前言

1970年Dahlstrom在研究挤压变形中褶皱逆冲断层的几何形态时, 首次提出"转换带"的概念[1]。随后转换的概念被引入伸展构造中[2], 引起了盆地构造研究者的广泛关注。国内也展开了相应的研究, 研究内容主要集中于转换带的分类[3-4]、识别[5-6]及其对石油地质条件的控制[7-11]等方面。虽然不同学者对于该类构造的命名不同[3-4], 但其反映的内涵则大致相同, 即在统一应力场下, 沿断层或构造走向, 不同构造间发生相互转换作用。这种转换既可以表现为构造样式的转换, 也可以表现为断层位移、断层倾角、褶皱幅度等构造要素沿空间的转换[12-17]。而两组断裂构造出现叠置或同时消失的部位, 称其为断裂转换带。

在断裂转换带处, 无论发育哪种类型的断层, 被断裂所破坏的地层必然会产生裂缝。在发育有断裂的储层中也势必会产生裂缝, 一旦储层有裂缝产生, 其储集性能也会随之变好。但影响裂缝发育的因素是多种多样的, 包括岩石的岩性、厚度、发育断裂的规模、距离断裂的远近和位于断裂上下盘的位置均会对裂缝的发育及分布规律有所影响。断裂伴生裂缝的形成由于受到多种因素的控制, 其物理属性也相对复杂, 无论从横向还是纵向上均表现出很强的各向异性。在砂岩、泥质岩和碳酸盐岩甚至火成岩中均可能存在裂缝型储集层。那么断裂转换带所伴生的构造裂缝到底是怎么样发育及分布的?目前在研究区已发现的油气主要分布在油源断裂的转换带处, 那么油气为什么会在此处聚集成藏?能否正确的认识这些问题, 是指导油气勘探的关键。虽然前人曾对油源断裂转换带发育、分布特征及其输导油气的有利条件做过一定的研究[16-23], 但是前人对油源断裂转换带伴生裂缝分布研究相对较少。为了正确认识议论堡地区油气分布规律, 本文以文安斜坡议论堡地区古近系沙河街组二段为例, 利用叠前三维地震资料来检测断裂转换带伴生裂缝的分布, 并以此研究断裂转换带处断裂作用所伴生的裂缝对油气的控制作用, 对于正确认识议论堡地区古近系沙河街组二段油气分布规律和指导油气勘探均具有重要意义。

1 油源断裂转换带厘定及其分布特征 1.1 断裂发育及其分布

文安斜坡是燕山期牛驼镇复背斜的东翼。喜山期以前长期遭受剥蚀, 使基岩地层自东而西由新变老 (中生界至寒武系), 古近系西倾超覆于古斜坡之上[24]。该区断裂主要活动时期是古近系沙三段沉积时期、古近系东营组沉积时期和新近系馆陶组-第四系时期, 其中古近系东营组时期和古近系沙三段时期断裂活动最剧烈。研究区以T5反射层为界构成了两套不同的断裂体系, 上部断层系以"V"字形、同向断阶、"y"字形为主, 多与下部主干断层构成"负花状", 为扭动成因机制; 下部断层系主要以同向、反向调节为主, 反映了断裂多类型伸展变形特征。上下断层系的断层组合反映了断裂先伸展后走滑 (张扭) 变形的特征。由图 1可知, 本区发育3条大型油源断裂, 分别是马西断层、梁召断层、王仙庄断层。马西断层位于研究区中部, 走向近NS向, 平面延伸长度约18 km; 梁召断层位于研究区中部, 走向为NNE向, 平面延伸长度约12 km; 王仙庄断层位于研究区东部, 走向NNE-NE向, 平面延伸长度约为29 km。马西断层剖面形态为非旋转平面式反向正断层, 梁召断层和王仙庄断层剖面形态为非旋转平面式顺向正断层 (图 2), 3条断裂延伸规模较大, 在纵向上能够断穿深部层位, 与源岩范围匹配关系良好, 有充足的油源供给。

图 1 研究区油源断裂位置 Figure 1 Location of oil-migrating faults in study area
图 2 3条断裂line1446剖面 Figure 2 Seismic profile of 3 faults in line 1446
1.2 油源断裂转换带厘定及其分布特征

油源断裂主要是指在下部沟通源岩, 在上部沟通储集层, 并且在油气成藏期活动开启的断裂。文安斜坡议论堡构造断裂发育较多, 目前发现的油气均围绕着油源断裂分布, 但并不是每条油源断裂均有油气分布, 已发现的油气主要分布在油源断裂转换带处。为了研究油源断裂转换带处油气分布特征及影响因素, 我们对文安斜坡议论堡构造油源断裂转换带进行厘定。

由于断距和位移具有一定线性关系, 因此一般应用断距-距离曲线识别转换带。断距-距离曲线是指沿着断裂走向其断距的变化情况, 其低值区即为转换带的位置。首先我们通过垂直累积断距-距离曲线法, 选取了21条地震测线剖面 (图 3), 分别对研究区3条大型油源断裂的上下盘在T2-Tg反射层的埋深进行了统计, 计算出断距; 然后根据3条大型油源断裂的断距随走向的变化, 可以得到3条大型油源断裂的现今垂直累积断距-距离曲线图 (图 4), 根据图 4中的相对低值突变点, 识别出3条大型油源断裂的8个断裂转换带的位置。马西断层发育3个断裂转换带, 分别位于测线L1126、L1254、L1382与马西断层的交叉部位; 梁召断层发育有2个断裂转换带, 分别位于测线L1318、L1606与梁召断层的交叉部位; 王仙庄断层发育3个断裂转换带, 分别位于测线L1222、L1446、L1638与王仙庄断层的交叉部位。

图 3 地震测线平面位置 Figure 3 Location of seismic lines
a.马西断层; b.梁召断层; c.王仙庄断层。 图 4 油源断裂断距-距离曲线 Figure 4 Vertical cumulative throw-distance curve of oil-migrating faults
2 油源断裂转换带裂缝发育及其分布特征 2.1 油源断裂转换带伴生裂缝成因

研究区断裂主要活动时期是沙三段沉积时期、东营组沉积时期和馆陶组第四系沉积时期, 其中东营组和沙三段时期断裂活动最剧烈。断裂的演化过程受控于3种应力场机制。孔店组沉积时期主要是早期伸展变形机制, 此时期的断裂主要是NE向的铲式断层 (张性断裂), 并且控陷断层是楔状沉积, 推测受到NW向的区域拉张应力场作用 (图 5a); 东营组沉积时期主要受控于中期张扭 (走滑伸展) 变形机制, 东营组形成大量东西向断层, 推测该时期受到近SN向拉张应力作用, 受NE向先存断裂控制, 发生右旋走滑, 总体为走滑伸展变形 (图 5b); 馆陶组沉积时期受控于晚期右旋走滑变形 (张扭) 机制, 受印度板块和太平洋板块俯冲作用影响, 盆地整体受NE-SW向剪切应力作用, 发生右旋走滑变形, 产生NEE (R破裂)、近EW向等多个方向次级断裂 (图 5c)。断裂伴生的裂缝存在于断层的形成、发展以及后期重新活动的过程中。由于断层两盘的相对运动, 在断层周围发生应力扰动现象, 在扰动应力场中所形成的裂缝主要包括:与断层平行或近平行的裂缝、与断层共轭的剪切缝以及与断层大角度相交的张性缝。

a.孔店组沉积时期; b.东营组沉积时期; c.馆陶组沉积时期。 图 5 三期活动断裂平面分布图 Figure 5 Distribution of three stages of active faults
2.2 油源断裂转换带伴生裂缝预测及其结果分析

利用叠前属性三维地震资料对文安斜坡南部议论堡构造裂缝发育进行预测, 通过对方位角与炮检距分析 (图 6), 选取了28°、75°、108°、135°、165°五个方位角数据体, 偏移距范围选定为0~1 900 m。由于地震波存在各向异性, 我们对储层进行岩石物理模拟正演的时候, 就可以用数值模拟的方法计算方位振幅随偏移距变化的特征及地震响应, 从而分析裂缝的地震响应特征及属性。图 7是工区内文86井含油岩石物理正演模拟图。从图中可以看到, 各个方位振幅偏移距变化曲线随着入射角的增大而减小, 相比裂缝走向, 裂缝的法向减小得更快, 图中椭圆长轴代表着裂缝的走向。我们再利用5个方位角道集数据体, 提取目的层衰减频率属性来预测模拟出目的层段的裂缝密度。

图 6 方位角与偏移距交会分析 Figure 6 Cross plot analysis of azimuth and offset
图 7 文86井含油岩石物理正演模拟 Figure 7 Rock physics modeling with oil in wen 86 well

由叠前三维地震资料裂缝模拟可知:文安斜坡南部议论堡构造沙二段发育多套裂缝系统, 主要裂缝方位为北东向以及北北东向裂缝组 (图 8); 议论堡构造东部的王仙庄断裂上盘裂缝最为发育, 裂缝密度系数均值为2.2~5.6;梁召断裂南部的上下盘、马西断裂中南部上盘裂缝发育次之, 裂缝密度系数均值为2.0~3.5(图 9)。研究区伴生裂缝高值区域主要集中在断裂密集区发育, 并且围绕着大型油源断裂发育, 远离断裂处裂缝发育明显降低。

图 8 议论堡构造沙二段裂缝走向玫瑰花图 Figure 8 Es2 paleogene rose diagram of fracture strike in Yilunpu structure
图 9 沙二段油源断裂转换带与裂缝发育关系平面图 Figure 9 Relation between fracture growth degree and oil-migrating fault transition zones of Es2
2.3 断裂转换带与裂缝发育关系分析

构造应力与构造位置是构造裂缝发育的主要原因, 构造应力通过控制不同构造位置的局部应力场来影响裂缝的发育程度[25-26]

现在一般认为断层的形成演化主要分为的3个阶段:一是初始的孤立生长成核阶段; 二是断层相互趋近、侧裂叠覆及相互开始破坏阶段, 也就是软连接阶段; 三是两条或两条以上断层已经完全破裂连接到一起的硬连接阶段。在这3个阶段的过程中, 断层分段生长时, 在断层发育的末端段, 地层为了均衡收缩, 所产生的位移就需要产生褶曲、分支断裂、弹性应变等方式来调节转换, 这也就导致了在断层的末端处常常形成一定规模的分支状裂缝发育区域。而断裂转换带是由两条或两条以上的断层分段生长到硬连接阶段完全破裂连接到一起的, 在分段生长的过程中断层的末端段相互作用, 产生多方位的破裂带, 比孤立断层生长时产生的分支状裂缝发育区域更为复杂, 裂缝更加发育, 所以断裂转换带处易形成断裂伴生裂缝的高值区域。

在本研究区构造位置对裂缝的发育具有重要的控制作用, 尤其是油源断裂转换带与裂缝发育程度密切相关 (图 9)。从图 9中不难看出, 3条大型油源断裂转换带处的裂缝密度比同一断裂其他部位裂缝密度要高。王仙庄断层的3个断裂转换带主动盘一侧裂缝密度系数高值可达4左右, 明显较断裂被动盘以及主动盘其他部位高; 马西断层的3个断裂转换带主动盘一侧, 裂缝密度系数高值可达3.5左右, 然而同一条断裂的其他部位均值为2, 二者相差较大; 梁召断层的2个断裂转换带主动盘处也都发育裂缝密度系数高值。在本研究区的3条油源断裂8个断裂转换带处断裂主动盘一侧裂缝发育密度明显较其他部位高。马西断层中部的断裂转换带, 以及梁召断层北部的断裂转换带处, 裂缝密度与其他断裂转换带相比发育程度较低, 是由于这两个断裂转换带处断裂密度相对较低, 导致裂缝密度下降, 但裂缝密度仍高于该断层其他部位。由此可见, 同一条断裂转换带处裂缝发育较该断裂其他部位密集, 并且断裂转换带处断裂主动盘一侧, 伴生裂缝最为发育。

3 油源断裂转换带对油气运聚的控制作用

断裂转换带对油气控制作用的本质是砂体和裂缝起输导作用, 油气在低势区聚集成藏。一般断裂转换带部位富砂输导层较发育, 应力较集中, 是裂缝的密集发育区, 通常为油气聚集提供优势的运移通道和有利区指向[27-28], 同时有断层沟通烃源灶, 使油气向低势区汇聚成藏。

通过研究发现, 本区油源断裂转换带处油气明显较非转换带处油气富集, 油气分布受断裂及其伴生断裂转换带裂缝控制明显。从沙二段断裂伴生裂缝密度与储量叠合图 (图 10) 也可以看出, 控制储量及工业油流井基本分布于裂缝密度系数>3的断裂转换带区域, 而裂缝密度较小区域只见到油气显示, 未形成工业油流。究其原因, 主要是由于在断裂分段生长连接过程中, 断裂转换带位移被吸收或传递, 因而断距较小地势较低, 故其往往是流体低势区, 是河流进入盆地或凹陷的入口, 从而对砂体的沉积展布有明显的控制作用。所以油源断裂转换带处砂地比明显高于非转换带处地层的砂地比, 断裂转换带部位富含砂岩的输导层更为发育, 有利于油气的富集。文安斜坡议论堡地区沙二段主要为冲积扇三角洲相, 是本区的主要砂岩发育段, 该层单砂体厚度较大、砂地比高 (平均50%左右)、砂体侧向连通性好, 与烃源岩在侧向上衔接, 在砂体连通范围内的构造脊位置可作为油气运移的优势通道, 优势运移通道呈近东西向或北东向延伸 (图 10)。研究区3条油源断裂转换带, 基本都在油气优势运移输导通道上或附近, 充足的油源条件, 良好的储集层发育, 是油气围绕油源断裂转换带发育的重要原因。研究区仅梁召断层北部的断裂转换带不在油气优势运移输导通道范围内, 这也是该断裂转换带油气富集较差的主要原因 (图 10)。

图 10 议论堡构造沙二段断裂转换带裂缝发育程度与储量分布关系图 Figure 10 Relation between reserves and fracture growth degree at transfer zones of the Es2in Yilunpu structure

断裂转换带部位不仅富含砂岩的输导层较发育, 而且应力相对断裂其他部位较集中, 油源断裂转换带处断裂伴生裂缝大量发育 (图 10)。断裂转换带及其伴生裂缝的发育为油气运移提供了优势通道, 断裂伴生裂缝能够大大地提高储层的渗流能力, 从而改善储层条件, 大大增强了砂体侧向输导油气能力; 断裂转换带处断裂伴生裂缝大量发育还为油气的聚集提供了储集空间, 主要是由于裂缝本身具有一定的宽度, 可以作为油气运聚的场所, 同时还能沟通地层中相互孤立的微小孔隙, 形成联通的储集空间, 在断层圈闭中裂缝的密集发育有利于油气运聚成藏。据图 11可知, 研究区马西断层北部的断裂转换带以及梁召断层南部发育的断裂转换带处, 虽然裂缝较为发育, 但是由于这两个断裂转换带处圈闭不发育, 油气则不能在此处聚集, 所以呈现油气勘探效果较差。而王仙庄断层断裂转换带附近发育多个鼻状构造, 圈闭条件好, 有利于油气在断裂转换带附近富集。油气成藏不能仅仅依靠单一条件的控制, 只有运、圈、保与成藏期有机耦合才更有利于油气运聚成藏。

图 11 3条断裂及相关鼻状构造分布 Figure 11 Distribution of nose tectonic about 3 faults
4 结论

1) 文安斜坡南部议论堡构造沙二段发育多套裂缝系统, 主要裂缝方位为北东向以及北北东向裂缝组; 议论堡构造东部的王仙庄断层上盘裂缝最为发育, 裂缝密度系数均值为2.2~5.6;梁召断层南部的上下盘、马西断层中南部上盘裂缝发育次之, 裂缝密度系数均值为2.0~3.5。研究区伴生裂缝发育高值区主要集中在断裂密集带处, 围绕着大型油源断裂发育, 并且远离断裂处裂缝发育明显降低。

2) 研究区构造位置对裂缝的发育具有重要的控制作用, 尤其是油源断裂转换带与裂缝发育程度密切相关, 研究区内的3条大型油源断裂发育8个断裂转换带; 断裂转换带处裂缝发育较密集, 并且油源断裂转换带主动盘一侧断裂伴生裂缝最为发育。

3) 断裂转换带对油气控制作用主要体现在:断裂转换带控制物源方向, 砂体较为发育, 同时由于断裂转换带处应力较集中, 伴生裂缝大量发育, 增强了砂体侧向输导油气的能力, 以及裂缝本身的宽度和对微小孔隙的沟通, 为油气聚集提供了储集空间, 有利于油气的运聚。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201702104
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文章信息

张博为, 付广, 张居和, 胡明, 刘峻桥, 王浩然
Zhang Bowei, Fu Guang, Zhang Juhe, Hu Ming, Liu Junqiao, Wang Haoran
油源断裂转换带裂缝发育及其对油气控制作用——以冀中坳陷文安斜坡议论堡地区沙二段为例
Fracture Development in Oil-Migrating Fault Transition Zones and Its Control on Hydrocarbon Migration and Accumulation: A Case Study of Es2 Oil Formation of Yilunpu Structure of Wen'an Slope of Jizhong Depression
吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(2): 370-381
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2017, 47(2): 370-381.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201702104

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收稿日期: 2016-05-07

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