中國西部盆地臺盆區(qū)高角度斷層成因與油氣成藏

中國西部盆地臺盆區(qū)高角度斷層成因與油氣成藏

0斷裂與油氣成藏關(guān)系這些缺陷一直受到石油和天然氣儲存能力的控制（smith，1980）。特別是近年來，國內(nèi)外對這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究（sibson，1994；perezandbole，2002；shtolandbole，2002；rotal.，2002；ro群，2002；ro曉榮等人，2004）?；竟沧R是，在活動期，斷裂具有路徑效應(yīng)，在靜態(tài)期，斷裂具有密封作用。當(dāng)然，斷裂兩個(gè)板塊的巖性界面對斷裂的通道或關(guān)閉效果的強(qiáng)度有一定的影響（dannywull，1990）。中國西部盆地多是經(jīng)歷多次復(fù)合、疊加才最終定型的,盆地多由海相沉積過渡到陸相沉積,經(jīng)歷了多次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動,斷裂是疊合盆地控制油氣生運(yùn)聚散和分布的根本原因(羅群,2002),針對中國西部疊合盆地?cái)嗔训目赜蜌庾饔?前人已做過大量工作(魏國齊等,1995;王燮培和嚴(yán)俊君,1995;楊春林等,2000;魏國齊和賈承造,2001).在對中國西部疊合盆地油氣地質(zhì)研究的過程中,筆者注意到中國西部盆地臺盆區(qū)廣泛發(fā)育高角度斷層這一客觀地質(zhì)現(xiàn)象,本文嘗試從成因上分析這些高角度斷層形成的機(jī)制,并結(jié)合具體實(shí)例分析、探討油氣沿高角度斷裂垂向運(yùn)移過程中在縱向上各層系中分配充注的基本規(guī)律,為分析中國西部盆地臺盆區(qū)高角度斷裂的控油氣作用提供一條新的思路,以提高油氣分布預(yù)測的準(zhǔn)確性,有效地指導(dǎo)油氣勘探.1層內(nèi)高角度斷層與構(gòu)造組合從中國西部盆地的勘探實(shí)際看,臺盆區(qū)廣泛發(fā)育高角度斷層(傾角>45°)是個(gè)不爭的事實(shí)(表1),而且這類斷層多以一定的構(gòu)造組合樣式出現(xiàn).在塔里木盆地輪南地區(qū),輪南斷層與其派生的輪南南斷層、桑塔木斷層與其派生的桑塔木南斷層在剖面上分別構(gòu)成了“Y”字形斷層組合(圖1),其中,輪南斷層是本區(qū)規(guī)模較大的一條基底逆斷層,走向北東轉(zhuǎn)東西,斷面南傾,傾角較陡(圖1),最大斷開層位震旦系—三疊系.準(zhǔn)噶爾盆地陸東地區(qū)呈現(xiàn)的兩凸夾一凹的構(gòu)造格局主要就是受大型高角度逆斷層控制的,如滴水泉南北斷層、石南1井西和石南1井東斷層、三個(gè)泉斷層等,傾角普遍較高(表1),其中,滴水泉南斷層直接影響到滴西凸起和滴水泉凸起的油氣聚集和分布,斷層傾角達(dá)70°～80°,斷開層位石炭系—三疊系,部分?jǐn)嘀临_系,垂直斷距410～650m,斷距下大上小,對二疊系和三疊系沉積有明顯的控制作用.在柴達(dá)木盆地尕斯地區(qū),逆斷層一般都具有高角度(圖2,表1),并且這類斷層多為同生逆斷層,相伴生的是正牽引背斜(圖2),它們組合形成的構(gòu)造樣式是油氣聚集的重要場所.高角度斷層在臺盆區(qū)是一個(gè)普遍現(xiàn)象,這類斷層的形成機(jī)制到底是怎樣的呢?進(jìn)一步分析原因,發(fā)現(xiàn)其主要受區(qū)域應(yīng)力場和地層沉積共同控制,其中壓扭性應(yīng)力場起著關(guān)鍵作用.在塔北地區(qū),NNE向斷層的發(fā)育是盆地北緣板塊活動對盆地造成的巨大擠壓應(yīng)力的結(jié)果,在這種壓扭性應(yīng)力場作用下(魏國齊等,1995),輪南斷層和桑塔木斷層構(gòu)造組合得以形成;仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),南北向的擠壓應(yīng)力并沒有引發(fā)大規(guī)模的褶皺,而是相對垂直的上升運(yùn)動,從力學(xué)機(jī)制上看,一方面反映了應(yīng)力的快速釋放,另一方面也說明地層脆性變形的特點(diǎn).在陸東地區(qū),海西中晚期,在強(qiáng)烈的壓扭性應(yīng)力場作用下,深層壓扭性斷層形成發(fā)展,一直延續(xù)到印支期,它們在平面上呈雁列式排列,個(gè)別斷層在燕山期都有不同程度的活動和發(fā)展,如滴西1井區(qū)的雁列式斷層(圖3),就是受北北西向的擠壓應(yīng)力而形成的.另外,石南2號西斷層、石南1井東斷層、石南1井西斷層、滴水泉北斷層、滴水泉南斷層、三個(gè)泉北斷層、陸南斷層也是在晚海西期受壓扭性應(yīng)力作用形成并相繼定形的.在柴達(dá)木盆地尕斯凹陷,由于受第三紀(jì)阿爾金走滑斷層活動的影響,該區(qū)斷層也表現(xiàn)出一定的扭動性質(zhì),即形成壓扭性同生逆斷層,對構(gòu)造的發(fā)育和形成有較大的影響.總之,這種高角度的斷層主要受壓扭性應(yīng)力場控制,同時(shí)對地層的脆性變形也有一定的影響.2西部疊加盆地高角度斷層對油氣運(yùn)動的影響2.1靜封閉壓力pi從對油氣的運(yùn)移角度看,斷層的封閉性起主要的控制作用,封閉作用存在廣泛性(而不是普遍性)、相對性和易變性(王平等,1994),但總體上還是受應(yīng)力場控制,斷層的封閉性是斷面所受靜封閉壓力的函數(shù),隨著斷面所受靜封閉壓力的增大,斷層的開啟性減小,靜封閉壓力(Pi)可由下式來表示:式中,Pi為作用于斷面上的靜封閉壓力(MPa);μ為巖石泊桑比;H為埋藏深度(km);ρs、ρw分別為上覆地層巖石和地層水的容重(kg/m3);σ1、σ3分別為構(gòu)造應(yīng)力場的最大、最小主應(yīng)力(MPa);θ為斷層傾角;β為構(gòu)造應(yīng)力場的最大主應(yīng)力與斷層走向的夾角.根據(jù)以上公式,筆者計(jì)算了準(zhǔn)噶爾盆地陸東地區(qū)晚燕山期不同方向的斷層斷面靜封閉壓力隨傾角的變化(圖4),從圖上可以看出,在同一方向上的斷層的靜封閉壓力隨著傾角的增大而減小,表明隨斷層傾角的增大,斷面的開啟性增加,有利于油氣的運(yùn)移.仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),斷層斷面靜封閉壓力隨著斷層方向出現(xiàn)有規(guī)律的變化,同一傾角的斷層,東西走向的斷層較南北走向的斷層靜封閉壓力大,這主要與該時(shí)期區(qū)域最大主應(yīng)力為近北北東方向有關(guān).2.2斷層面和地層內(nèi)的重力油氣的運(yùn)聚都是受力學(xué)法則控制的,有2個(gè)方面的原理:一是運(yùn)移動力大于阻力,油氣發(fā)生運(yùn)移,反之,油氣發(fā)生聚集;二是油氣運(yùn)移指向阻力最小的方向(康永尚等,2004).浮力是油氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?水動力也發(fā)生一定的作用,但作用時(shí)間有限,這是因?yàn)樵跀鄬踊顒訒r(shí)垂向上不同層系之間的壓力差很快達(dá)到平衡,而浮力是恒久的一個(gè)動力,所以,總體上可僅考慮浮力的作用.假設(shè)油氣在浮力作用下有2個(gè)流向——斷層面和地層中的分流,把浮力分解到2個(gè)方向(圖5),這樣,油氣沿?cái)鄬舆\(yùn)移相對于沿地層儲層運(yùn)移的動力倍數(shù)就是斷層傾角的正切函數(shù)(tan),隨著α的增大,tan增大,沿?cái)鄬用嫔系倪\(yùn)移動力倍數(shù)也增大.從高角度斷層的開啟性大和平行斷層面油氣浮力的分力大2個(gè)方面綜合來看,高角度斷層更有利于油氣的垂向運(yùn)移.3西部疊加盆地高角度斷層的控制油氣田的作用3.1流體卸壓型油氣運(yùn)移斷層西部盆地在縱向上都存在不同的成藏流體動力系統(tǒng),如準(zhǔn)噶爾盆地陸東地區(qū)以三疊系白堿灘組泥巖為分隔,形成C-T深部成藏系統(tǒng)和J-K中上部成藏動力系統(tǒng)(康永尚等,2004).不同系統(tǒng)成藏的控制因素存在明顯的差異:對深部系統(tǒng)來說,斷層斷開的地方容易出現(xiàn)流體卸壓,是流體勢降低的方向,成為油氣運(yùn)移的指向區(qū),易在斷層帶附近出現(xiàn)油氣聚集,如在輪南和陸東地區(qū),許多油氣藏都與該類斷層有關(guān);而中上部系統(tǒng)的油氣多來自深部,如在輪南凸起和陸東地區(qū)中上部系統(tǒng),其本身不存在烴源條件,油氣通過斷層自深部系統(tǒng)垂向運(yùn)移而來,油氣的來源主要有兩種形式,一是直接從深部烴源層運(yùn)移上來,二是因?yàn)橄虏肯到y(tǒng)古油氣藏的破壞,而運(yùn)移到中上部系統(tǒng)調(diào)整成藏,但不管怎樣,油氣總要穿過厚層泥巖封隔層才能進(jìn)入到上部系統(tǒng),所以,斷層成為中上部系統(tǒng)成藏的關(guān)鍵.高角度斷層對不同系統(tǒng)油氣的分配作用主要是強(qiáng)調(diào)斷層控制油氣分布和對不同系統(tǒng)油氣的貢獻(xiàn).圖6是塔里木盆地輪南凸起下三疊統(tǒng)油氣分布與斷層關(guān)系圖,三疊系的油氣主要來自深部寒武系—奧陶系的烴源巖,其油氣分布明顯受斷層控制,在上部系統(tǒng)的其他層系中也有這樣的關(guān)系.3.2厚層泥巖厚度對油氣運(yùn)移過程的控制作用斷層的作用主要是溝通垂向上的不同層系,常常是油氣自烴源層向儲集層運(yùn)移的重要通道,或者是溝通不同儲集層,從而使油氣在不同儲集層之間分配的重要通道.油氣沿?cái)鄬影l(fā)生運(yùn)移的過程中,途經(jīng)切穿的儲集層(或運(yùn)載層)時(shí),要在不同的儲集層中進(jìn)行分配,尤其是緊臨的儲集層,一般情況下,這種分配不是均勻的,存在分配選擇的規(guī)律性和機(jī)理,這在系統(tǒng)內(nèi)部表現(xiàn)得非常明顯.下面首先闡述油氣沿高角度斷層的充注機(jī)制,然后結(jié)合實(shí)例來加以說明.油氣進(jìn)入斷層后主要受浮力和毛管力,浮力是運(yùn)移的動力,毛管力是油氣運(yùn)移的阻力,而毛管力又與儲集層物性或斷層帶的滲透率有關(guān),斷層帶的滲透率取決于斷層帶的開啟程度和裂縫發(fā)育程度,而斷層帶的開啟程度和裂縫發(fā)育程度又與巖性及其厚度關(guān)系密切.一般在碳酸鹽巖或砂巖段,斷層帶滲透率較高,而在泥巖或膏巖段,斷層帶滲透率較低甚至完全封閉.在高傾角斷層前提下,不同厚度泥巖(或膏巖)對斷層帶滲透性能及油氣在沿?cái)鄬哟瓜蜻\(yùn)移過程中在不同儲集層之間的分配存在幾種情況:(1)泥巖厚度小(幾m).當(dāng)泥巖厚度小時(shí),如圖7中儲集層①和儲集層②之間的薄層泥巖,其對斷層帶滲透率的影響不大,油氣可以“無阻”地沿?cái)鄬訋Ю^續(xù)向上運(yùn)移,因此,儲集層①不分流或少量分流(可以忽略)垂向運(yùn)移的油氣.(2)泥巖厚度中等(十幾m).當(dāng)泥巖厚度中等時(shí),如圖7中儲集層②和儲集層③之間的泥巖,其對斷層帶滲透率有一定影響,油氣沿?cái)鄬哟瓜蜻\(yùn)移阻力增加,使部分油氣分流側(cè)向充注儲集層②.(3)泥巖厚度大(幾十m).當(dāng)泥巖(或膏巖)厚度大時(shí),泥巖(或膏巖)蓋層的塑性變形以及泥巖的涂抹作用,使斷層帶附近裂縫發(fā)育程度降低,斷層帶傾向于呈閉合狀態(tài),此時(shí),油氣沿?cái)鄬拥拇瓜蜻\(yùn)移受到障礙,從而選擇厚層泥巖(或膏巖)蓋層之下緊鄰的儲集層③充注,厚層泥巖(或膏巖)之上的儲集層④由于受厚層泥巖(或膏巖)蓋層的屏蔽而沒有油氣注入(圖7).需要說明的是,強(qiáng)調(diào)油氣優(yōu)先充注到儲集層③中,并不排除有部分油氣充注到儲集層②或①中,只是說儲集層③相對于儲集層②或①更有利于油氣的充注.再次,強(qiáng)調(diào)儲集層③相對于儲集層②或①更有利于油氣的充注,并不否認(rèn)儲集層②或①在一定的條件下同樣具有勘探潛力,如在油氣沿?cái)鄬涌焖龠\(yùn)移至儲集層③而儲集層③又無快速吸納能力的情況下,油氣自然會向儲集層②或①中分流.所以,油氣向上運(yùn)移的過程中分流到哪一層的關(guān)鍵是斷層斷穿的層系和上述的油氣沿?cái)鄬拥某渥C(jī)制,在前者一定的情況下,后者起主要的控制作用.在準(zhǔn)噶爾盆地陸東地區(qū),因?yàn)槿B系厚層泥巖的存在,其上下層系表現(xiàn)出不同的構(gòu)造特征(圖8):中上部侏羅系以張扭性斷層為主,白堊系以南傾單斜為主,而下部地層(三疊系以下)中的構(gòu)造以壓扭性斷層為主;除斷穿三疊系的少數(shù)斷層外,多數(shù)斷層分布在2個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部,油氣的成藏明顯受此影響.因淺層白堊系儲集層總體上要優(yōu)于侏羅系儲層,斷層以高角度為主,有利于油氣沿?cái)鄬影l(fā)生垂向運(yùn)移,向斷層斷開的厚層泥巖之下緊鄰的儲集層中充注,如在石東地區(qū),盡管深部侏羅系中也見到了油氣顯示,但卻在白堊系中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)油氣流,油氣在斷層帶附近的分配就與上述的優(yōu)先充注機(jī)制有關(guān).圖9是塔里木盆地輪南2井油藏油氣運(yùn)聚和調(diào)整剖面圖(顧家裕和周興熙,2001),從該圖可以看出,斷層是發(fā)生在下部油氣藏形成之后,傾角大;頂部油藏的油柱高度明顯要比下面的高,這從一個(gè)側(cè)面說明油氣在沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)聚過程中是優(yōu)先充注上部儲集層的.4高角度斷層與油氣垂向運(yùn)移的關(guān)系中國西部盆地臺盆區(qū)普遍發(fā)育高角度斷層,這是一個(gè)客觀存在的地質(zhì)現(xiàn)象,高角度斷裂的形成與區(qū)域壓扭應(yīng)力場的作用存在成因聯(lián)系,同時(shí)與地層的脆性變形有關(guān).斷層面靜封閉壓力的計(jì)算和沿?cái)鄬用孢\(yùn)移的油氣所受浮力在平行斷層面方向上的分力分解表明,高角度斷層更有利于油氣的垂向運(yùn)移.根據(jù)高角度斷層更有利于油氣的垂向運(yùn)移這一認(rèn)識,結(jié)合中國西部盆地的實(shí)例分析,本文認(rèn)為中國西部盆地臺盆區(qū)域性高角度斷層是溝通深部成藏動力學(xué)系統(tǒng)與中上部成藏動力學(xué)系統(tǒng)的重要通道,是中上部系統(tǒng)