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1、 年 霄 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V No l l 断裂输导流体 的机 制及输导形式探讨 孙同 文 付 广 吕 延防 赵 荣 1 东北石油大学地球科学学院 黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 2 东北石油大学油气藏形成机理与资源评价黑龙江省重点实验室 黑龙江大庆 1 6 3 3 1 8 内容提要 张性正断层断裂带一般具有二分结构 即断层核和破裂带 断层核伴生裂缝 连通孑 L 隙及破裂带诱导 裂缝均可作为输导流体的通道 断裂活动具有幕式的特征 一次活动周期可以分为活动期 活动一间歇过渡期和间 歇期 3个阶段 断裂活动期以伴生裂缝为优势输导通
2、道 一般以 地震泵 控制下的幕式运移机制为主 活动间歇期 输导能力较弱 通道为连通孔隙 遵循浮力控制下的缓慢渗流机制 而活动一间歇过渡期兼具有活动期和间歇期 的 部分特征 主要输导通道为破裂带诱导裂缝 断裂输导具有 3个方向的运移分量 即沿断裂纵向方向 沿断裂走向方 向和横穿断层面方向 与此相对应 目前断裂输导形式分为 2型4类 包括沿断层面输导和横穿断层面输导两大类 型 其中 沿断层面输导型又可分为沿断裂纵向向上输导 沿断裂走向输导和沿断裂 向下 倒灌 式输导 3类 沿断 裂纵向向上输导是 目前最重要的断裂输导形式 进一步分为 3种亚类 即线性输导 Y 形输导和似花状输导 似花 状输导所 占
3、比例最大 具体的输导形式及方向取决于活动时期断裂与两侧地层的配置关系及多种运移动力 阻力 的矢量合 关键词 断裂带内部结构 输导通道 输导机制 流体运移特征 断裂输导形式 断裂能够作为油气运移输导的通道已经毋庸置 疑 沿断裂出露地表的油气显示 沿断裂带的矿化作 用 温度 盐度异常及流体势降低都可以作为直接证 据 李明诚 2 0 0 4 罗群等对全国 1 8个盆地 4 O 个 典型油气田统计表明 7 0 以上的油气成藏都与断 裂有关 其中 断裂对油气运移输导的控制率达到 7 2 5 罗群等 2 0 0 7 国内外学者从野外观察 G u d m u n d s s o n 2 0 0 1 吴智平等
4、 2 0 1 0 理论研究 H i n d l e 1 9 9 7 杜春国等 2 0 0 7 陈欢庆等 2 0 0 9 和 物理模拟 曾溅辉和王捷 2 0 0 2 姜振学等 2 0 0 5 付 广等 2 0 0 8 a 等方面对断裂输导流体的情况进行了 大量研究 在断裂带内部结构 断裂控藏等方面取得 了重要的进展 然而 断裂作为一个具有复杂内部 结构的三维地质体 C a in e e t a 1 1 9 9 6 付晓飞等 2 0 1 1 由于其所受应力强度 活动时期及运移动力 等的差异以及演化具有周期性 导致了流体在断裂 中的输导情况非常复杂 往往存在多种输导形式 具 有幕式成藏的特征 H o
5、 o p e r 1 9 9 1 华保钦 1 9 9 5 郝 芳等 2 0 0 4 因此 不同的断裂输导机制及输导形 式下的油气富集 部位 可能截然不 同 但是 目前很 少有学者从断裂带 内部结构出发 系统研究过断裂 不同演化阶段的流体输导机制和三维的输导形式 也就不能全面地认识断裂对油气的输导 成藏特征 笔者在前人对断裂输导体 系研究 的基础上 详细阐 述了断裂不同演化阶段的流体输导机制 并总结了 断裂的输导形式及其特征 以期进一步完善断裂输 导理论并为油气田勘探开发提供理论支持 1 断裂内部结构及输导流体的机制 断裂是含油气盆地中的三维地质体 即平面延 伸长度和垂向切割深度所确定的椭圆型凹
6、凸不平的 面和断裂带宽度的组合 付晓飞等 2 0 1 1 在岩石 受力超过其强度时开始破裂 破裂之初 出现微裂隙 为羽状展布的张裂隙 微裂隙逐渐发展联合 最终形 成明显的破裂面 阎福礼等 1 9 9 9 1 1 断裂带内部结构特征 大量野外露头 岩心 镜下分析等资料表 明张陛 正断层断裂带一般具有二 分结构 国外学者称为断 注 本文为国家油气重大专项课题 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 0 7 黑龙江省教育厅科学技术研究重点项 目 断层分割控油机理研究 编号 1 2 5 2 1 z 0 0 6 和中国石油科技创新基金资助项目 编号 2 0 1 2 D一 5 0 0 6 0 l 1 0
7、 的成果 收稿日期 2 0 1 2 0 4 1 4 改回日 期 2 0 1 2 0 7 2 6 责任编辑 黄敏 作者简介 孙同文 男 1 9 8 4 年生 博士研究生 主要从事流体运移与保存条件研究 通讯地址 1 6 3 3 1 8 黑龙江省东北石油大学地球科学 学院 电话 0 4 5 9 6 5 041 6 5 E ma il s t w p e t r o l c h i n a 1 2 6 c o rn 第 6期 孙同文等 断裂输导流体的机制及输导形式探讨 启和流体排放称为超压 主导型 超压和构造活动共 同控制的断裂开启和流体排放称为超压一构造活动 联控型 而将在 接近静水 压力 条件
8、下 由构造 应力 活动 引起 的断裂开启和流体排放称为突发性构 造事件型 郝芳等 2 0 0 4 因此 当构造应力或孔 隙流体压力积累到超过断裂的门限开启压力时 断 裂及伴生裂隙开启 断裂附近应力得到释放 引起岩 石膨胀 体积增大 孔渗性增强 使断裂带 内形成相 对负压 导致围岩中的流体向断层中运移 而与断裂 沟通的围岩中超压的存在 则更加速了流体向断裂 带的运移 使其发生 地震泵 抽吸作用 此时 进 入断裂带的流体通常为油 气 水混相 运移速率很 大 表 1 是断 裂输 导 流体 的主要 阶段 S i b o n e t a 1 1 9 7 5 H o o p e r 1 9 9 1 郝芳等
9、 2 0 0 5 断裂活动期构造应力 超压或两者共同作为流 体运移 的主要 动力 华 保钦 1 9 9 5 孙 永 河等 2 0 0 7 此时浮力也为运移 的动力之一 但与构造应 力和超压相比 影响相对微弱 断层核部伴生裂缝 连通孔隙及破裂带诱导裂缝都可以作为油气输导的 通道 而伴生裂缝带输导性最好 是活动期流体运移 的优势通道 图 2 表 1 1 2 2 断裂活动一 间歇过渡期输导流体的机制 随着构造活动减弱 流体的释放和压力的降低 在上覆沉积载荷 区域主压应力和流体运移过程中 水一岩作用引起的矿物沉淀等作用下 断层核内伴 生裂缝很快紧闭愈合 诱导裂缝孔渗性也明显降低 图2 但破裂带内岩石并
10、没有破碎 断裂附近应力 状态对裂缝封闭程度影响较小 主要取决于后期充 填的情况 付晓飞等 2 0 0 5 然而 在断裂活动一 间歇的过渡时期 流体运移引起的矿物沉淀速率较 为有限 断裂带与两侧 围岩之间处于一种短暂 的压 力不平衡阶段 部分诱导裂缝连通构成裂隙网 具有 比断层核及未变形原岩更高的孔渗性 在剩余压力 和浮力共同作用下 以混相或单相方式运移流体 运 移速率较快 此种输导机制可以从煤矿突水和透水 麓 m 鼍 l 擘 图2断裂不同演化阶段输导通道和输导能力的变化 据孙永河 2 0 0 5修改 F i g 2 T h e c h a n g e o f c o n d u i t c h
11、 a n n e l s a n d t r a n s p o r t i n g c a p a c i t y i n d i f f e r e n t e v o l u t i o n a r y s a t g e s o f f a u l t m o d i f i e d f r o m S u n Y o n g h e 2 0 0 5 性实验现象可以得到证实 孙永河 2 0 0 5 付晓飞 等 2 0 0 5 此时连通孑 L 隙也具有一定输导能力 但 与诱导裂缝相 比较弱 图 2 表 1 1 2 3 断裂间歇期输导流体 的机制 当压实 充填作用进一步增强 压力达到平衡
12、后 破裂带诱导裂缝被后期 自生矿物充填而封闭 断 层核内由于断层岩颗粒尺寸的减小和矿物沉淀作用 使其孔隙度和渗透率更低 流体沿断裂带运移的能 力也进一步减弱或终止 目前多数学者认为 断裂 在间歇 静止 期主要起遮挡作用 刘泽容等 1 9 9 8 罗群和白新华 1 9 9 8 吕延防等 2 0 0 2 物理模拟实 验证 明 在断裂静止期 如果油气在浮力作用下通过 断裂带连通孔隙运移速度大于零 断裂可以对油气 起输导作用 相反则不能起输导作用 断裂间歇期 是否具有输导油气 的能力 主要受断裂带岩石本身 特征和断裂产状 即岩石颗粒粒度 泥质含量和断裂 倾角大小的影响 对海拉尔盆地乌尔逊凹陷北部苏 仁
13、诺尔断裂静止期运移油气速率的计算结果表明 此断裂西南段在南屯组一段具有一定的输导能力 付广等 2 0 0 8 a 由此可见 断裂在间歇期不具备输导能力或只 表 1断裂不同演化阶段输导特征的差异 Ta b l e 1 Th e d i ffe r e n c e s o f c o n d u i t f e a t u r e i n d i ff e r e n t e v o l u t i o n a r y s a t g e s o f f a u l t 断裂演化阶段 输导机 制 优势输导通道 运移动力 运移相态 运移速率 输导能力 地震泵 控制下的 构造应力和 或 活动期 伴生裂
14、缝 油 气 水混相 很大 很强 幕式运移 超压 浮力 活动一间歇过渡期 幕式运移或缓慢渗流 诱导裂缝 剩余压力 浮力 单相或混相 较大 一般 间歇期 缓慢渗流 连通孔隙 浮力 单相或混相 缓慢 较弱 地质论评 有少数断裂或断裂 的某一段具有输导能力 且输导 能力很弱 输导通道为断裂带连通孔隙 在浮力作 用下 以单相或混相缓慢渗流为主 运移速率很小 图 2 表 1 当断裂演化经历活动期 活动一间歇过渡期和 间歇期之后 流体压力重新不断积累 当构造应力或 孔隙流体压力积累再次超过断裂的门限开启压力 时 断裂活动又一次开启 如此反复 流体间歇性沿 断裂发生幕式运移 2 断裂输导形式划分 断裂输导分为
15、两种大的类型 一是沿断层面输 导型 一是横穿断层面输导型 C h a p m a n 1 9 8 2 李 明诚 2 0 0 4 通 常所说 的断裂输导 主要是 指正常 生 储 盖组合条件下油气沿断裂纵向向上输导 在 此过程 中伴 随 着横 穿 断层 面 向两侧 储 层 中充 注 S t e v e n e t a 1 1 9 9 9 赵密福等 2 0 0 1 许多学者对 这种断裂输导形式的控制条件 影响因素等进行了 大量研究 杜春国等 2 0 0 7 陈欢庆等 2 0 0 9 郭凯等 2 0 1 0 运移特征 已较为清晰 然而 断裂是一个具 有一定体积和复杂结构的三维地质体 就断裂带内 某一个
16、三维质点来说 如图 1 a中 A点 至少应该 存在 3个方 向的运 移分量 即沿断裂纵 向方 向 包 括沿断裂 纵 向向上 和纵 向向下 图 1 a中 z轴方 向 沿断裂走向方向 图 1 a中 轴方 向 和横穿断 层面方向 图 1 a中Y轴方 向 由此可见 沿断层面 输导型除了包括传统意义上的沿断裂纵向向上输导 外 理论上还存在沿断裂纵向向下和沿断裂走向输 导 2种形式 随着 目前勘探程度 的不断深入 沿断层 面输导 的后两种形 式逐渐 被证实 油气沿 断裂 向下 倒 灌 式输导成藏的例子越来越多 戴金星等 2 0 0 0 邹才能 等 2 0 0 5 段毅 等 2 0 0 6 付广 和王有 功 2 0 0 8 b 史建南等 2 0 0 9 不仅存在于碎屑岩地层 中 在碳酸盐岩地层 中也有发现 已逐渐成为一种不 容忽视的断裂输导形式 而油气沿断裂走 向输导的 形式也 日益受到重视 主要发育在临近生油洼陷的 斜坡带 在多个 盆地 中均有发现 侯启 军等 2 0 0 4 孙英杰 2 0 0 4 陈伟等 2 0 1 0 孙 同文等 2 0 1 1 因 此 综合目前勘探实例和研究成果可将断裂输导
