断裂输导特征及对油气成藏与分布的控制作用.pdf

第 2 7卷 第 6期 大庆石油地质与开发P ． G ． 0 ． D ． D ． 2 0 0 8年 1 2月 1 文章编 号 1 0 0 0 - 3 7 5 4 2 0 0 8 0 6 - 0 0 0 1 -0 4 断裂输导特征及对油气成藏 与分布 的控制作用 孟 繁 有 中国石油大学 资源与信息学院，北京1 0 2 2 4 9 摘要利用野外观察描述和断裂输导与油气藏分布之间关系，对成藏与分布的控制作 用及断裂输导特 征进行了研究，认为断裂内 部可分为破碎带和诱导裂缝带2个部分，伴生和派生裂缝及碎裂岩的连通 孔隙是其主要输导通道。同一条断裂在不同演化阶段输导油气能力不同，不同断裂在相 同活动时期输 导能力也不同。断裂的空间分布控制着油气的空间分布 ，源岩大量排烃期后的断裂活动时期即为油气 的大规模运聚时期，断裂活动开启程度的差异控制着油气富集程度的差异。 关 键词断裂；输导通道 ；活动时期；空间分布 ；油气富集；油气分布 中图分类号 T El 2 1 文献标 识码 A Cha r a c t e r i s t i c s o f f r a c t ur e t r a n s p o r t a t i o n a nd t he i r c o n t r o l l i ng a c t i o n o n p e t r o l e u m r e s e r v o i r f o r ma t i o n a nd d i s t r i bu t i o n MENG Fa n y o u R e s o u r c e s a n d I n f o r m a t i o n C o l l e g e o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m，B e q i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t By me a ns o f fie l d o b s e r v a t i o n， d e s c rip t i o n a n d t he r e l a t i o n b e t we e n f r a c t u r e t r a n s f o r ma t i o n a n d p e t r o l e u m d i s t r i bu t i o n， t h e c o n t r o l l i n g a c t i o n a n d t r a n s f o rm a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f r e s e r v o i r f o r mi n g a n d d i s t rib ut i o n a r e s t u d i e d ．I t i s t h o u g h t t h a t t h e r e a r e t wo p a rt s w i t h i n a f r a c t u r eb r o k e n b e l t a n d i n d u c e d f r a c t u r e b e l t ，t h e c o n n e c t e d p o r e s a n d fi s s u r e s a mo n g a c c e s s o r y a n d d e r i v e d f r a c t u r e s a n d b r o k e n r o c k s a r e ma i n t r a n s f o r mi n g c h a n n e 1 ． I n d i f f e r e n t e v o l u t i o n s t a g e， e v e n t h e s a me f r a c t u r e h a s d i f f e r e nt a b i l i t y t o t r a ns f o rm p e t r o l e u m a n d f u r t h e rm o r e e v e n i n t h e s a me a c t i v e p e r i - o d，d i f f e r e n t f r a c t u r e s a l s o p o s s e s s e s d i f f e r e n t t h i s k i n d o f a b i l i t y ． T h e s p a c e d i s t ri b u t i o n o f t h o s e f r a c t u r e s c o n t r o l s t h e s p a c e di s t rib u t i o n o f o i l a n d g a s； t h e a c t i v e p e rio d o f t h e f r a c t u r e s a f t e r t h e l a r g e a mo un t h y dr o c a r b o n di s c h a r g e s t a g e i s t h e t i me o f l arg e - s i z e p e t r o l e u m mi g r a t i o n a nd e n ric h me n t ， t h e o p e n e d d e g r e e v a ria t i o n o f a f r a c t ur e a c t i o n c o n t r o l s o n e o f p e t r o l e u m e n r i c hme nt d e gre e ． Ke y wo r dsf r a c t u r e； t r a ns p o rti n g c ha n n e l ； a c t i v e p e rio d； s p a c e d i s t r i b ut i o n； p e t r o l e um e n ric h me n t ； p e t r o l e u m d i s t r i b u t i o n 油气勘探的实践表明，中国绝大多数含油气盆地 油气的聚集和分布与断裂有着非常密切的关系。在某 种程度上 ，断裂活动与分布决定着_个盆地或凹陷油 气的富集与分布。断裂作为油气在地下运移的重要输 导通道 ，所起的作用明显不同于砂体 ，它不仅可以使 油气在地下进行穿层运移 ，而且具有速度快 、时间短 和幕式特征。关于断裂作为输导通道前人已做过大量 研究和探讨⋯ ，对其输导油气机制 、特征及在油气 运聚成藏中的作用已有 了初步认识和了解 ，但对其输 导油气的本质特征及对油气运聚成藏与分布的作用仍 缺乏深入认识 。为此 ，从断裂内部结构人手研究断裂 输导油气通道及其特征 ，再通过其与油气聚集及分布 关系阐明了其在油气聚集成藏中的作用。 1 断裂 内部结构 由于地壳中的岩石受地应力作用发生变形 ，使应 力集中于某些部位 ，当岩石所受应力超过其强度极限 时便开始破裂，破裂之初 出现微裂缝 ，呈羽状展布 ， 属张性。微裂缝逐渐发展联合，形成一条明显的破裂 面，两盘岩石便沿破裂面发生明显错动而形成断裂。 在此过程中，两盘破裂岩石填入断裂拉开的空间中形 基金项 目国家 “ 9 7 3 ” 重大基础研究项 目 2 0 0 1 C B 2 0 9 1 0 4资助。 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 5 - 2 0 作者简介 孟繁有 1 9 6 2一 ，男 ，教授 ，在读博士 ，从事油气地质教学与科研工作。 2 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 第 2 7卷 第 6期 成破裂带。由于破裂作用 、粘性流动、研磨作用和胶 结作用使破碎带内岩石发生变质形成断裂岩，围岩也 因应力集 中伴生大量 的裂缝 ，常将岩石切割成扁菱 由断裂中心垒被动盘一倒 形、三角形块体 ，形成诱导裂缝带。因此，从断裂带 形成过程看其内部结构，主要包括破碎带和诱导裂缝 带两个部分 图 1 。 由断裂中心至主动盘一侧 部 结 构 部 分 原 岩 一 诱 导 裂 缝 带 ． - 嚣- ． 萎 黧一 ． ． - 一 ． 一 诱 导 裂 缝 带 一原 岩 姆 ▲ ▲ ▲ 尊 姆 ▲ ▲ _ 一 ▲▲▲▲▲ ▲． ▲▲ ▲ ▲ 勾 造岩分带 正常岩层 一破裂岩化带 断层角砾 一 断层角砾 ． _ 一破裂岩化带 _ 一 正常岩层 断层泥 断层泥 胶结程度 原始胶结_ ． ． - 原始胶结和后期胶结 _ ’ 一未胶结 ’ 一 后期胶结 一 未胶结 一原始胶结和后期充填 ’ 一原始胶结 温度、压力 变质程度 图1断裂带 内部 结构分带模式 Fi g． 1 Z o n a l m o d e o f t h e i n n e r s t r u c t u r es of f r a c t u r e d b e lt 1 ． 1破碎 带 破碎带是在一定岩石体积内复杂 、成组 、交叉排 列的断裂滑动面 或 伴生裂缝 和断裂体 的组合。 破碎带位于断裂中心处 ，以发育断裂岩为特征 ，断裂 岩是在深部及浅部地壳的剪切位移带中，至少可以认 为是具有明显的由过去的剪切过程所产生的结构特征 岩石。其成分及发育程度明显受其断裂性质 、活动程 度及断移地层岩性的控制。按照岩石结构特征， 可以 把断裂岩进一步划分为不具线理和面理结构的碎裂岩 系列和具有线理和面理结构的糜棱岩系列。碎裂岩系 列是断裂活动过程中破碎岩石“ 张性一摩擦” 的产物 ， 而磨棱岩系列则是断裂活动过程 中破碎岩石 “ 准塑 性” 的产物。二者 由于致密程度 的差异， 其孑 L 渗性也 存在差异， 从碎裂岩石至磨棱岩石孔渗性变差。 1 ． 2 诱导裂缝带 诱导裂缝分布在破碎带至完好岩石之间的过渡地 带 图 1 ， 位于断裂两侧有限区域 内。诱导裂缝带以 发育多种类型的裂缝为主要特征 ， 岩石除破裂外未见 其它变化 。裂缝是断裂形成过程中诱导出的局部变形 结果 ， 分布是由断裂活动引起 的次级构造应力场和岩 石力学性质决定的。在靠近断裂的部位构造活动强度 大 ， 断裂的规模和密度大， 随着远离断裂中心距离的增 大 ， 裂缝的密度越来越小， 最后完全消失。岩石颗粒越 大 ， 厚度越大 ， 裂缝密度越大 ， 反之裂缝密度越小。 2 断裂输导油气特征 由于断裂输导油气的通道主要是破碎带中破裂岩 的连通孔隙和伴生及诱导裂缝，这两种输导通道对于 同一条断裂在不同演化阶段和不同断裂在相同的活动 时期均具有不同特征 ，所以其输导油气的特征也就不 同。 2 ． 1 同一条断裂在不同演化阶段输导油气能力不同 在断裂形成或活动过程中 ，断裂带内部的伴生裂 缝和两侧诱导裂缝活动开启 ，在断裂带内部及其附近 构造 了一个错综复杂的网络系统 ，成为断裂活动时期 输导油气的主要输导通道，其具有时间短、速度快和 幕式的特点。当断裂形成或停止活动后 ，其伴生和派 生的裂缝在上覆沉积载荷 、区域主压应力 、成岩和胶 结等作用下 ，逐渐紧闭愈合失去输导能力 ，代之其对 油气起输导作 用的应是破碎带 中破裂岩石 的连通孔 隙，但输导油气能力较断裂形成或活动过程中的裂缝 输导油气能力明显降低 ，甚 至会失去输导油气能力 图 2 。这主要取决于断裂性质、断移地层岩性和后 期成岩作用程度 ，如果断裂为张性 ，断移地层以砂质 为主，后期成岩作用弱 ，破裂岩致密程度低 ，孔渗性 好，仍会具有一定的输导油气能力；相反，如果断裂 为压性 ，断移地层以泥质为主 ，后期成岩作用强 ，破 裂岩致密程度高 ，孔渗性差 ，就会失去输导油气能 力。如海拉尔盆地苏仁诺尔断裂西南部为一长期继承 性发育的断裂 ，从兴安岭群沉积时期开始发育 ，一直 到南屯组沉积之时，大一段沉积时继续活动，大二段 沉积时停止活动 ，伊敏组沉积时又开始发育，伊敏组 沉积后期发生反转 ，青元岗组沉积时期停止活动。由 此可见，苏仁诺尔断裂西南部主要输导油气时期为兴 2 0 0 8年 l 2月 孟繁有 断裂输导特征及对油气成藏与分布的控制作用 3 安岭一大一段沉积时期 、伊敏组沉积时期 ，其它时期 断裂活动停止输导油气能力弱或无 。 I R 曲 图2断裂输导通道输导能力随时间演化特征 F i g ． 2 Ev o l u ti o n c h a r a ct e ri s t i c s o f t h e t ra n s p o r ti n g a bi l i t y o f fr a ct u r e c h an n el wit h ti me 2 ． 2 不同断裂在相同活动时期输导油气能力不同 由于不同断裂在相同活动时期走 向与最大主压应 力方向不同，造成其开启程度不 同，输导油气能力也 不同。当断裂走向与最大主压应力方 向几乎垂直时， 断裂垂向趋于闭合状态，断裂伴生和派生裂缝垂向紧 闭和破裂带 中破裂岩的磨碎和压实程 度高 ，孑 L 渗性 差 ，断裂垂向开启程度低 ，输导油气能力差 ；当断裂 走 向与最大主压应力方 向几乎平行时，断裂垂向呈开 启状态 ，断裂伴生和派生裂缝垂 向开启和破裂带 中破 裂岩的磨碎和松散程度高，孔渗性好，断裂开启程度 高，输导油气能力强 ；当断裂走向与最大主压应力方 向斜交时，二者之间的交角越小 ，断裂垂向开启程度 较高，输导油气能力越强；相反 ，二者之间的交角越 大 ，断裂垂向开启程度相对较低 ，输导油气能力相对 较弱 ] 。 3 对油气成藏的控制作用 3 ． 1 断裂的空间分布控制着油气的空间分布 断裂空间分布对油气空间分布 的控制不仅在剖面 上控制着油气分 布，而且也在平面上控 制着油气分 布。 3 ． 1 ． 1 断裂空间延伸层位控制着油气垂向运聚层位 断裂作为油气运移输导通道，其空间延伸层位控 制着油气在垂向上运移的最大距离 ，在一定程度上决 定了油气在空间上运聚成藏的范围。如松辽盆地北部 深部天然气从基岩至泉一 、二段皆有分布，天然气主 要来 自下 白垩统沙河子组煤系源岩 ，其生成排出的天 然气主要是通过 ] r 5 一] r 3断裂向各储气层 中运移成藏 的。但由于 L 断裂在平面上的分布存在明显的 差异性 ，使得天然气在不同地区的分布层位也存在着 明显的差异性。升平一汪家屯地区和朝长地 区，T 一 T 断裂发育 ，沙河子组源岩生成排 出的天然气沿其 可运移至不同储气层 中聚集成藏 ，既形成营城组火山 岩气藏和登娄库组砾岩气藏 如升平 、汪家屯 、薄 荷台、四站 气藏 ，又形成 了泉 一 、二段 砂 岩气藏 如汪家屯和三站气藏 。而昌德地 区仅发育断穿 T 层的断裂 ，沙河子组源岩生成排 出的天然气沿其只能 运移至登娄库组 储气层 中聚集 成藏 如 昌德气藏和 昌德东气藏 ，这充分说 明了断裂在空间上的延伸层 位控制着油气的运聚层位。 3 ． 1 ． 2 断裂的平面分布控制着油气的平面分布 断裂作为油气的运移输导通道 ，油气在沿其运移 输导过程 中便 优先在其 附近形 成圈闭 如断 背斜 、 断块 、断层遮挡和断层 一岩性 中聚集形成油气藏， 致使油气沿断裂分布成为以断裂为主输导通道含油气 盆地或凹陷油气平面分布的典型特征。 如海拉尔盆地乌尔逊凹陷北部 ，目前发现的油气 几乎全部分布在苏仁诺尔断裂带上或 附近 图 3 ， 且油气藏类型以断块和断层 一岩性为主，表明苏仁诺 尔断裂在乌尔逊凹陷北部油气 的运聚成藏过程 中曾起 输导通道作用，使南一段源岩生成排出的油气沿其向 南二段储层中运移 ，并在其附近形成的断块和断层 一 岩性 圈闭中聚集形成，这充分说明断裂的平面分布控 制着油气平面分布。 J 苏l 3 ● 苏 2 1 苏 弗l 东 北 苏 1 3 1 ． 一一 2 ． 厂 苏1 7 毒 l 。 扪 图3苏仁诺尔断裂及工业油气流井平面分布 Fi g ． 3 P l a n e di s t ri b u ti o ns o f c o m m er c i a l p e t ro l e u m fl o w we l l a nd S u r e n n u’e r f r a c t u r e d be l t 3 ． 2 源岩大量排烃期后的断裂活动时期即为油气的 大规模运聚时期 由上可知 ，断裂活动时期伴生 和派生裂缝开启 ， 输导能力明显增强，是断裂输导油气的主要时期。但 是，断裂在活动时期是否对油气起输导通道作用，还 应取决于断裂 活动时期与源岩大量排烃期 的匹配关 系，只有源岩大量排烃期后所发生的断裂活动，才能 使源岩生成排出的油气沿断裂输导通道进行大规模运 移和聚集 ，这些断裂活动时期才是油气 的大量运聚时 期。而发生在源岩大量排烃期之前的断裂活动，虽然 断裂具有输导通道作用 ，但无油气沿其进行输导运移 和聚集。 松辽盆地北部断裂活动史研究表明，该区断裂主 要在沙河 子组一营城组沉积时期 、登娄库组沉 积时 4 大庆石油地质与开发P ． G ． 0 ． D ． D ． 第2 7卷 第6期 期 、泉头组沉积时期一青二 、三段沉积中期 、嫩江组 沉积末期 、明水组沉积末期和古近系沉积末期活动开 启，成为输导通道。但 由文献 [ 1 4]可 知，该 区气 源岩沙河子组源岩在营城组沉积末期开始生成和 排出天然气，在嫩二段沉积末期达到了生排气高峰。 由此可见 ，沙河子组一营城组沉积时期 、登娄库组沉 积时期和泉头组沉积时期一青二 、三段沉积中期断裂 活动不能成为天然气运移的输导通道 ，因为这些时期 源岩尚未进入大量生排烃期 ，无大量天然气沿断裂进 行大规模运移和聚集。而嫩江组沉积末期 、明水组沉 积末期和古近系沉积末期的断裂活动可以成为天然气 大规模运移的输导通道 ，因为这些时期源岩正进入大 量生排气期，有大量天然气沿断裂进行大规模运聚成 藏。这一认识与流体包裹体测试所确定的天然气注入 时期是一致的，充分说明源岩大量排烃期后的断裂活 动应是油气大规模运聚时期。 3 ． 3断裂活动开启程度的差异控制着油气富集程度 的差异 由上可知 ，断裂作为油气运移输导通道 ，不仅控 制着油气的空间分布 ，而且其活动开启程度的差异控 制着油气的富集程度差异，断裂活动开启度越高 ，沿 其运移的油气量就越大 ，发生油气聚集的量也就越 大 ；相反，断裂活动开启程度越低 ，沿其运移的油气 量就越少，发生油气聚集的量也就越少。如海拉尔盆 地乌尔逊凹陷北部的苏仁诺尔断裂 ，由于东北部和西 南部走向与最大主压应力方向不同，在断裂活动时期 开启程度存在 明显差异 ，东北部断裂开启程度 较 高明显好于西南部 中等 ，即东北部断裂输导油 气能力明显好于西南部输导油气 能力 图 3 ，使得 东北部油气富集数量 目前见到 1 1口工业油流井 明显多于西南部 目前只有 5口工业油流井 ，这充 分说明了断裂输导油气能力差异控制着油气富集程度 差异 4 结论 1 断裂内部可 以分为破碎带和诱导裂缝带两部 分 ，伴生 、派生裂缝和碎裂岩的连通孔隙是断裂的主 要输导通道。 2 断裂输导油气具有同一条断裂在不同演化阶 段输导油气能力不同和不同断裂在相同活动时期输导 油气能力不同 2个特征。 3 断裂作为输导通道对油气成藏与分布的控制 作用主要有 ①断裂的空间分布控制着油气的空间分 布 ；②源岩大量排烃期后的断裂活动时期即为油气的 大规模运聚时期 ；③断裂活动开启程度的差异控制着 油气富集程度差异。 参考文献 [ 1 ]付广，薛永超 ，付晓飞 ．油气运 移输导系统及其对成藏 的控制 [ J ]．新疆石油地质， 2 0 0 1 ，2 2 1 2 4 - 2 6 ． [ 2 ]付广，孟庆芬． 徐家围子地区深层运移输导系统及对天然气成 藏与分布的控制 [ J ]．油气地质采收率 ， 2 0 0 4，l l 2 l 8 - 2 O ． [ 3 ]付广 ，孙永河 ，吕延防，等 ．库车坳陷北带断裂输导 天然气效 果评价 [ J ]．大庆石油地质与开发，2 0 0 7 ，2 6 1 2 6 - 3 1 ． [ 4]雷茂盛 ，林铁锋 ．松 辽盆地断裂纵 向导 流性 浅析 [ J ]．石油勘 探与开发 ，1 9 9 9 ，2 6 1 3 2 - 3 5 ． [ 5 ]李铁军 ，罗晓容 ．碎屑岩输导层内油气运聚非均一性 的定 量分析 [ J ]． 地质科学， 2 0 0 1 ， 3 6 4 4 0 2 41 3 ． [ 6 ]谢泰俊 ． 琼 东南盆 地天然气运移输导 体系及成藏模式 [ J ]．勘 探家 ， 2 0 0 0，5 1 l 7 2 1 ． [ 7 ]张照 录，王华 ，杨红 ．含油气 盆地的输 导体系研究 [ J ]． 石油与天然气地质 ， 2 0 0 0 ，2 1 2 1 3 3 - 1 3 5 ． [ 8 ]赵忠新 ，王华，郭奇军 ，等 ．油气输导体 系的类型及其输导性 能在时空上的演化 分析 [ J ]．石油 实验 地质 ，2 0 0 2 ，2 4 6 5 2 7 ． 5 3 2 ． [ 9 ]B e k e l e E，P e r s o n M，M a r s i l y G ． P e t r o l e u m m i g r a t i o n p a t h w a y s a n d c h a r g e c o n c e n t 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