松辽盆地三肇凹陷青一段多边形断层的发育及其油气地质意义

全夏韵, 李祥权,, 任建业, 程 涛

(1.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉430074; 2.中国科学院 海洋研究所海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 3.中海油研究总院, 北京100027)

松辽盆地三肇凹陷青一段多边形断层的发育及其油气地质意义

全夏韵1, 李祥权1,2, 任建业1, 程 涛3

(1.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉430074; 2.中国科学院 海洋研究所海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071; 3.中海油研究总院, 北京100027)

松辽盆地青一段发育大量密集分布的小型张性断层系, 其成因一直以来颇受争议。本文选取松辽盆地三肇凹陷为研究区, 通过新连片三维地震剖面精细解释及沿层相干切片分析等手段, 详细描述了三肇凹陷青一段密集张性断裂系统的剖面和平面特征, 提出: ①青一段张性断裂系主体为非构造成因的多边形断层, 其成因可能是由青山口组青一段泥岩超压幕式排烃破裂所导致, 同时盆地构造反转活动对断层发育特征具有重要影响; ②凹陷内多边形断层主要发育于嫩江组沉积末期, 明水组沉积末期盆地强烈构造反转致使早期形成的多边形断层再活动, 且对部分多边形断层的发育进行改造; ③多边形断层起到沟通青一段烃源岩和分别位于其上部与下部的葡萄花、扶杨2个油气储层的作用, 是凹陷内油气成藏的重要运移通道; ④嫩江组沉积末期, 超压使油气通过多边形断层从青一段短距离向下部扶杨储层“倒灌”运聚成藏;明水组沉积末期, 超压导致油气沿重新开启的多边形断层向上部葡萄花储层或向下部扶杨储层运移聚集形成油气藏, 同时垂向延伸较长的多边形断层对下部扶杨油藏可能具有一定的破坏作用。

三肇凹陷; 多边形断层; 扶杨油层; 葡萄花油层; 油气运移成藏

多边形断层(polygonal fault)最早由英国学者Cartwright于1994年在研究北海盆地泥岩沉积层段中的断层时提出, 它是指一种非构造成因的、具有微小断距、在平面上走向各异且相互交织成多边形的张性断裂系(Cartwright, 1994a), 一般发育于深水环境下沉积的细粒泥岩或页岩中(Cartwright, 1994a; Lonergan et al., 1998; Cartwright and Dewhurst, 1998; Dewhurst et al., 1999a, 1999b; Goulty, 2003)。目前, 已在全世界50多个深水沉积盆地中发现了多边形断层(Lonergan et al., 1998; Hansen et al., 2004)。国外学者对多边形断层的发育特征、形成机制及其对油气运移的输导作用等均进行了较多的研究(Cartwright, 1994a, 1994b; Cartwright and Dewhurst, 1998; Lonergan et al., 1998; Dewhurst et al., 1999a; Goulty and Swarbrick, 2005)。我国在多边形断层的研究方面起步较晚(余一欣等, 2005), 目前仅在琼东南盆地(吴时国等, 2009; 陈端新等, 2009, 2012; Sun et al., 2009, 2010; 王秀娟等, 2010)和松辽盆地(付晓飞和宋岩, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)相继提出多边形断层的存在。

松辽盆地是目前世界上已发现油气资源最为丰富的陆相沉积盆地之一, 发育于盆地内青一段烃源岩的张性断裂体系(又称T2断层系)一直受到人们的广泛关注, 且备受争议。对于该张性断裂系的性质主要存在以下两大争议: 一是构造成因(胡望水, 1995; 刘德来等, 1996; 谢昭涵和付晓飞, 2013)与非构造成因(梅廉夫等, 1996; 付晓飞和宋岩, 2008; He et al., 2010; 丁修建等, 2013)之争; 二是非构造成因观点里存在断裂体系的成因机制和发育层位之争。最初, 梅廉夫等(1996)认为“T2”断层系是由于超压压力仓导致幕式破裂、流体排放而形成的天然水力断裂系统; 付晓飞和宋岩(2008)则指出, 因松辽盆地三肇凹陷青山口组泥岩密度反转, 在青山口组顶部发育“T11”多边形断层系; He et al. (2010)随即又在三肇凹陷青山口组顶界面(T11)与底界面(T2)同时识别出多边形断层, 并认为其可能是由泥岩脱水收缩作用造成; 丁修建等(2013)则指出在松辽盆地三肇凹陷内T1层和T3层之间共发育3组多边形断层系,并认为其有可能是溶解作用的结果。为了明确松辽盆地三肇凹陷青一段张性断裂系的成因属性, 本文以覆盖整个凹陷范围的新连片3D地震资料为基础,对该套张性断裂系的平面展布特征、垂向发育特征和断距、走向等进行了详细描述和系统分析, 并在前人研究基础上, 结合盆地构造背景对该套断层系的成因机制进行探讨。研究认为, 松辽盆地三肇凹陷青一段张性断裂系为非构造成因的多边形断层系, 但其发育特征受盆地多期构造反转作用的影响, 多边形断层系的多期发育对油气输导、成藏具有十分重要的意义。

1 区域地质背景

三肇凹陷位于松辽盆地北部, 是中央坳陷区的一个二级负向构造单元, 它西接大庆长垣, 东临朝阳沟阶地, 北连明水阶地, 凹陷面积约为5575 km2(图1), 是松辽盆地最重要的生油、富油凹陷之一。三肇凹陷由下至上发育有断陷期的下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组, 坳陷期的下白垩统泉头组, 上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组和构造反转期的上白垩统四方台组和明水组(表1)。

1.1 沉积特征

图1 三肇凹陷构造位置图Fig.1 Map showing the location of the Sanzhao Sag, in Songliao Basin

松辽盆地是中国东北地区晚中生代以来发育的大型近海大陆裂谷盆地, 具有典型的断陷–坳陷复合结构。下白垩统泉头组沉积期, 盆地进入坳陷期快速沉降阶段, 三肇凹陷处于沉降和沉积中心, 沉积体系以冲积扇、河流、滨浅湖为主, 岩性为各色砂–泥岩互层。上白垩统青山口组沉积期, 盆地仍处于快速沉降阶段, 但相比泉头组时期构造沉降开始变缓。该组沉积物的沉积分为三段: 青一段时期由于气候十分湿润, 海平面大幅上涨造成湖海沟通事件(马立祥等, 1992; 珺王璞等, 1996), 湖盆水量增多,水体加深, 物源供给较弱, 岩性以灰黑、深灰色页岩夹四套黑色油页岩为主。青山口组二、三段沉积时期, 气候向干旱转变, 海平面开始下降, 湖海沟通结束, 但物源供应依然较弱, 沉积物粒度较青一段略有变粗, 表现为灰色、灰黑色泥岩夹粉砂岩, 厚度较大, 一般在200～300 m之间。上白垩统姚家组沉积期, 盆地进入缓慢热沉降阶段, 湖盆范围明显变小, 以滨浅湖–河流相–三角洲沉积为主, 与下伏青山口组呈平行不整合接触。嫩江组是继青山口组沉积期之后盆地发育的又一鼎盛时期, 湖盆扩大, 水体加深, 岩性以黑色泥岩、灰色粉砂岩、泥质粉砂岩夹泥岩为主, 地层厚度500～700 m(表1)。

1.2 含油气组合

三肇凹陷垂向上发育了多套优质烃源岩。青一段大规模海侵事件形成本区最为重要的一套40～70 m厚的生油岩层。油主要产于下白垩统泉头组三、四段的扶余和杨大城子油层(简称扶杨油层)及上白垩统姚家组的葡萄花油层中。油源对比结果表明, 三肇凹陷及其周边地区扶杨油层和葡萄花油层中的油主要来源于青山口组一段烃源岩(牟敦山等, 2010;于有等, 2011)。以青山口组一段油页岩、页岩和泥岩为生油层及区域盖层, 并以下伏泉头组三、四段河流相扶杨油层为储集层, 构成凹陷内“上生下储”式的下部含油气组合。以青山口组一段为主要生油层, 以上覆姚家组一段三角洲复合体相葡萄花油层为储集层, 并以嫩江组一、二段灰黑色暗色泥岩为区域性盖层, 构成该凹陷内“下生上储”式的中部含油气组合。

表1 松辽盆地地层单元与构造演化阶段Table 1 The stratigraphic units and tectonic evolution of Songliao Basin

1.3 构造演化

根据松辽盆地形成机制及其大地构造背景可将松辽盆地垂向演化划分为断陷、坳陷和反转3个构造阶段。断陷阶段形成松辽盆地的雏形, 后由于区域重力均衡调整作用、海底扩张加速和太平洋板块俯冲, 松辽盆地整体下沉, 断陷向坳陷转化, 进入盆地发育全盛时期。该时期盆地中部中央坳陷区的三肇凹陷、大庆长垣与齐家–古龙凹陷长期处于沉积、沉降中心, 沉积了盆地内最主要的生油、储油岩系。构造反转阶段, 受太平洋板块向西挤压左旋压扭应力的作用, 三肇地区周边褶皱隆起(正反转),西侧和东南侧分别形成大庆长垣背斜和朝阳沟–长春岭背斜带, 东北侧抬升形成松辽盆地东北隆起带,其间夹持了一个相对低缓的倒三角形凹陷, 即三肇凹陷, 其西界为NNE向的黑鱼泡–头台断裂带, 东北界为NW向的滨州断裂带, 东南界为松花江断裂带(孙雨等, 2008)。松辽盆地正反转构造主要可分为嫩江组沉积末期和明水组沉积末期两期: 嫩江组沉积末期, 构造反转强度较弱, 形成构造雏形; 明水组沉积末期, 构造反转强烈, 使变形在原有基础上加强, 盆地内普遍形成了一系列压性正反转构造,松辽盆地大部分构造在此期定型(陈昭年和陈布科, 1996; 孙永河等, 2013)。

2 青一段张性断层系的几何学特征

青一段黑色泥岩及油页岩是三肇凹陷内最为优质的烃源岩, 对应于地震剖面上的T2地震反射界面。T2界面是松辽盆地最为明显的地震反射标志层,其反射轴由2～3个强振幅反射波组成, 连续性好,全区分布稳定。本文将研究区内以T2地震反射界面为中心上下延伸距离较短, 且平面发育规模较小的断层系简称为T2断层系。

2.1 断层平面发育特征

此次研究在高精度三维地震资料精细解释的基础上, 通过地球物理沿层相干切片技术清晰精确的绘制出三肇凹陷T2断层的平面展布图(图2)。由此,我们归纳出三肇凹陷T2断层系平面几何特征如下:①断层在平面上发育密集、短且平直, 断层走向普遍具有多向性(图3a、3b); ②断层平面延伸长度长短不一, 一般为0.1～8 km不等, 绝大部分断层长度集中在1～3 km之间(图2); ③断层密度较大, 从图2中统计,三肇凹陷内T2界面发育断层条数为3501条, 其平均密度为0.63条/km2。断层密度大小因所处部位的不同而有所不同, 凹陷北部断层密度小于南部, 凹陷中部现今埋藏深度最大的位置断层发育密度较小(图2)。

图2 松辽盆地三肇凹陷青一段(T2界面)断层系展布图Fig.2 Distribution of T2faults in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

2.2 断层剖面发育特征

通过对高精度三维地震剖面的精细解释, 在三肇凹陷内坳陷期白垩系的各地层中一共识别出了两类断层(图4)。第一类是局限在T2界面附近发育的断层, 即本文所研究的T2断层系(地震剖面上的红色解释断层), 整体而言其在垂向上延伸距离较短,主要发育于T1界面(姚家组顶界面)与T3界面(泉头组底界面)之间, 仅有少量断层的垂向延伸较长, 并切穿上部的T1界面或下部的T3界面; 第二类是局限在T11界面附近发育的微小断层系, 我们称之为T11断层(地震剖面上的黑色解释断层), 该套断层系具有密度大、垂向延伸短、断距小和层控性等特点, 该套断层系的发育在平面上具有较强的不均一性, 在三肇凹陷南部较发育, 而北部则发育较少, 甚至不发育(图4)。有部分学者提出T11断层为非构造成因的多边形断层(付晓飞和宋岩, 2008; He et al., 2010;丁修建等, 2013)。

图3 三肇凹陷T2断层玫瑰花图(位置见图2) (左: 相干切片图; 右: 玫瑰花图)Fig.3 Strike rose diagrams of T2faults in the Sanzhao Sag

从地震剖面上看, 三肇凹陷内T2断层系均为正断层, 断面平直, 具有明显的层控性; 断距较小(通常小于100 m), 且在T2界面处断距最大, 以T2界面为中心向上、下延展方向断距逐渐减小, 直至消失;断层倾角较大, 一般为50°～70°, 断层倾向具有随机性。将三肇凹陷内由南至北所选取的三条东西向地震剖面进行对比研究表明(图4): 凹陷南部, T2断层系发育较为密集, 断距较大, 断层垂向延伸长短不一, 部分断层在剖面上具有“似花状”剪切组合特征(图4a);凹陷北部, T2断层系发育较为稀疏, 断距较小, 断层垂向延伸较短, 倾向具有随机性, 不具明显的剖面组合特征(图4c); 凹陷中部, T2断层系发育特点介于凹陷南部和北部断层发育特点之间(图4b)。

3 多边形断层属性确定

3.1 T2张性断层系非构造成因特征

前文已经提到, 有学者提出松辽盆地“T2”断层系为构造成因, 并认为其是青山口组沉积早期伸展作用的产物(胡望水, 1995; 刘德来等, 1996)。另外,在盆地沉积后期, 松辽盆地受到了至少两期主要的构造反转运动。那么松辽盆地T2张性断层系到底有没有可能是盆地伸展背景下或者是反转背景下发育的纯构造成因断层呢？

伸展构造断层的形成受盆地区域应力场的控制,在同一构造应力背景之下, 其发育断层的走向和倾向往往都具有定向性。而三肇凹陷T2断层走向玫瑰花图显示凹陷内T2断层系走向为SN向、NNE向、NNW向、NW向和近EW向等多个方位(图3a、3b), 在平面和剖面上和盆地构造走向及大的区域断层并没有明显的派生组合关系, 主要表现为随机发育的特征, 而这些特征用纯构造成因观点是很难加以解释的。付晓飞和宋岩(2008)在研究三肇凹陷T11多边形断层时就已经指出,很难用构造成因的观点解释T11断层同时发育大量SN向和EW向断层的现象。葛荣峰等(2010)通过平衡剖面恢复表明, 自登娄库组沉积末期盆地进入坳陷阶段之后, 松辽盆地的伸展幅度已大大减弱, 不及断陷阶段的十分之一。这些证据足以否定三肇凹陷T2张性断层系为伸展背景下纯构造成因断层的观点。

图4 三肇凹陷南部(a)、中部(b)和北部(c)地震剖面图(位置见图2)Fig.4 Seismic sections in southern part (a), central part (b) and northern part (c) of the Sanzhao Sag

另外, 在青山口组一段沉积以后, 松辽盆地曾受到多期压性正反转构造作用, 其中最主要的构造反转活动为嫩江组沉积末期(T03)和明水组沉积末期(T02)两次大的区域构造反转事件, 形成两个大的区域性不整合面。松辽盆地T2张性断层系的发育并不集中在T03与T02界面附近, 而是主要局限在T1界面(姚家组顶部)和T3界面(泉头组底部)之间。从构造成因的角度上说, T2张性断层系的发育与这两期压性构造反转活动在时间上和应力性质上均不具有匹配关系。因此, 也可以排除其为构造反转背景下的纯构造成因断层。

3.2 T2张性断层系多边形断层属性

通过前人(Dewhurst et al., 1999a; Cartwright et al., 2003)大量的研究, 多边形断层的主要发育特征可以概括为以下几点: ①广泛发育于海相地层中,岩性以超细粒蒙脱石黏土或碳酸盐岩等细粒沉积物为主; ②断层系统涵盖盆地的大部分区域, 且在平面上随机分布; ③断层限制在一个层段内发育; ④断层是张性的; ⑤断层的断距小、间距小、分布密度高; ⑥断层倾角、倾向在很小的距离内发生很大的变化。如前文所述, 三肇凹陷T2张性断层系发育于青一段细粒泥岩中, 在平面上具有延伸长度小、密度大、走向具多向性及垂向上断距小, 具层控性等典型多边形断层的发育特征。

吴时国等(2009)、Sun et al. (2010)对世界上几个典型盆地多边形断层系统发育的平面长度、间距和断距、倾角等特征进行了量化对比(表2)。据此次研究统计, 三肇凹陷T2张性断层系断层平面长度为1000～3000 m、断层平面间距100～1500 m, 断层断距20～100 m, 断层倾角50°～70°(表2)。这些量化指标亦显示三肇凹陷T2张性断层系和世界典型盆地非构造成因的多边形断层发育特征具有很大的相似性。因此, 无论是从表现特征还是量化指标上来看, 三肇凹陷青一段T2张性断层系都具有典型的多边形断层成因特征。

3.3 T2多边形断层构造叠加属性

世界上已经发现的多边形断层主要形成于被动大陆边缘构造稳定的深水细粒沉积物中, 虽然普遍认为其是非构造成因的断层, 但是构造应力等外界条件却可能会对多边形断层的发育密度、断层走向等产生重要影响。如Clausen et al. (1999)在研究北海北部多边形断层系统时发现多边形断层走向具有NW-SE方向上的定向性, 并且认为多边形断层走向的定向性是受盆地斜坡引起的重力滑动和板块运动产生的区域应力场的影响所导致。付晓飞和宋岩(2008)在研究松辽盆地三肇凹陷的多边形断层时, 也已经观察到三肇凹陷南北处于整体凹陷的相同构造背景, 经历了相同的构造演化, 而断层的发育特征却存在明显的差异, 但是却未能找到造成该差异的原因。

表2 松辽盆地T2断层系与世界多边形断层主要几何特征对比Table 2 Comparison of the geometry features between T2faults in the Songliao Basin and polygonal faults of typical basins in the world

概括起来三肇凹陷T2断层系南北差异性主要表现在以下几个方面: ①平面上断层密度具有不均一性, 凹陷南部断层密度明显比北部大(图2); ②凹陷北部断层在剖面上的垂向延伸短而且较一致(图4c),而凹陷中部和南部部分断层垂向延伸较长, 整体表现为长短不一(图4a、4b); ③凹陷南部断层在剖面上表现出“似花状”剪切应力组合特征, 而凹陷北部则表现为不受应力控制的随机组合特征(图4c); ④整体而言, 凹陷南部断层断距最大, 向北部断距逐渐减小; ⑤在剖面上可观察到的T11多边形断层在凹陷南部较为发育, 而在北部则几乎不发育(图4)。对于上述三肇凹陷T2断层系发育特征的南北差异性,用非构造的纯多边形断层成因很难解释得通, 我们分析认为其是在T2断层系多边形断层成因基础上叠加了盆地反转构造应力的影响。

三肇凹陷是受大庆长垣和朝阳沟阶地两个近NE向构造反转带夹持所形成的倒三角形区域, 区域上受SE-NW向反转挤压应力的作用, 这种特征决定了三肇凹陷内反转应力在南部及西南部因处于反转构造带的前缘或两侧反转构造带的夹角位置而更加集中, 向凹陷北侧及西北侧反转应力则明显减弱(张功成等, 1996)。三肇凹陷南部及西南部因反转应力集中, 致使在该区域内多边形断层的发育相对密集, 断距较大, 并且应力优先释放导致南部部分多边形断层垂向延伸发育较长, 使其在剖面上表现为长短不一(图4a、4b)。该区域内多边形断层在剖面上具“似花状”剪切组合样式及在SN和NW方向表现出优势方位, 可用区域压性构造反转应力场下派生的剪切力偶作用来解释。如图5, 在三肇凹陷中部发育一NW向发辫式断裂密集带, 虽然这些断裂就个体而言主要呈SN走向(图5a), 但就整个断裂密集带而言却具有明显的NW向右旋剪切应力性质, 南北向的小断层属于剪切带中的R(里德尔)断裂(图5b), 在地震剖面上这些小断裂表现出具有剪切性质的“似花状”特征(图5c)。三肇凹陷北部及西北部, 随着凹陷宽度增加, 并且远离应力来源方向, 其所受到的构造应力逐渐减弱, 因此凹陷北部多边形断层发育受构造应力的影响不明显, 多边形断层发育密度较凹陷南部明显减小, 断距较小, 断层垂向延伸较短且延伸长度较一致(图4c), 更具有典型多边形断层的发育特征。通过以上对断层平面特征、剖面特征, 以及凹陷形态和构造应力场的分析, 表明三肇凹陷T2断层系主体为非构造成因的多边形断层, 因叠加了盆地构造反转应力的影响而表现出具有构造断层的一些特征。

4 多边形断层形成机制

图5 三肇凹陷中部断层发育的应力分析图(位置见图2)Fig.5 Stress analysis of faults in the central part of the Sanzhao Sag

对于多边形断层的形成机制有多种认识, 到目前为止, 仍然是众说纷纭, 没有定论。影响多边形断层形成的因素也有很多, 主要有岩石物性、矿物成分及含量、构造应力和成岩作用等(Dewhurst et al., 1999a; Gay et al., 2004)。笔者相信在不同的盆地类型与发育背景下, 多边形断层发育的机制可能有所不同。就松辽盆地而言, 在研究三肇凹陷多边形断层发育机制时就提出了密度反转(付晓飞和宋岩, 2008)、脱水收缩作用(He et al., 2010)和溶解作用(丁修建等, 2013)三种成因机制, 其中密度反转主要考虑了岩性和压实作用的影响, 脱水收缩作用主要考虑了蒙脱石含量的影响, 而溶解作用则主要考虑了成岩作用的影响。密度反转和脱水收缩机制有一个共同点,就是都与凹陷内所发育的超压具有密不可分的联系。青一段是松辽盆地的主力优质烃源岩, 受压实、黏土矿物脱水、热力作用、生烃等因素的影响, 青一段普遍积蓄了较高的孔隙流体超压, 其中青一段泥岩的生烃作用是形成松辽盆地泥岩超压的最主要因素(吕延防等, 2000; 向才富等, 2006), 超压的积累可以产生强烈的能量效应, 进而导致地层发生破裂(郝芳等, 2004)。因此, 我们提出超压破裂可能是形成三肇凹陷青一段多边形断层的最主要因素, 同时盆地多期构造反转活动对多边形断层发育特征具有重要影响。

由于超压的积累和释放具有幕式特点, 加上又受到最重要的两期盆地构造反转的影响, 因此确定三肇凹陷内T2多边形断层的形成时期十分关键。因为嫩江组沉积末期构造反转程度较弱, 而明水组沉积末期则发生了强烈的构造反转, 考虑到这两期反转对多边形断层发育的影响, 可以提出以下两种假设: ①T2多边形断层为两期发育, 嫩江组沉积末期形成断距小、垂向延伸短的断层, 明水组沉积末期先存的多边形断层选择性开启, 凹陷南部断层断距增大、部分断层发生垂向上的延长; ②T2多边形断层为一期发育, 即明水组沉积末期在凹陷内同时形成南部较密集、断距大、垂向延伸长短不一的断层和北部密度较小、断距小、垂向延伸短的断层。青一段烃源岩的生、排烃始于嫩江组沉积末期, 明水组沉积末期达到生、排烃高峰(付广和王有功, 2008;杨喜贵和刘宗堡, 2009)。青一段地层超压也形成于嫩江组沉积末期, 到明水组沉积期达到高峰, 嫩江组沉积末期、明水组沉积末期这两期构造反转期与青一段的超压聚集期和油层的油气聚集期, 三者在时间上同步发展并有机匹配(迟元林等, 2000)。因此,本文更倾向于三肇凹陷内T2多边形断层的两期发育模式。嫩江组沉积末期的构造反转活动强度较弱,构造应力作用仅仅表现为诱使凹陷内青一段超压地层更易破裂, T2多边形断层在整个凹陷内发育, 且断距较小, 断层垂向延伸较短, 基本表现为刚刚错断青一段地层。明水组沉积末期是盆地强烈构造反转时期, 而此时青一段烃源岩大量生烃并存在异常高压, 超压致使先存多边形断层选择性开启, 强烈的区域构造反转产生的应力使断层断距增大、部分多边形断层发生垂向上的延长, 并且导致凹陷中、南部, 尤其是在靠近构造反转带的斜坡区, 断层密度增大, 甚至出现了多条断裂密集带。

5 多边形断层对油气运移成藏的意义

5.1 多边形断层对油气运移的输导作用

多边形断层可以作为油气运移的主要通道已经得到共识(Bünz et al., 2003; Hansen et al., 2004, 2005; Gay et al., 2006a; Hustoft et al., 2007; Sun et al., 2009, 2010)。以青一段为烃源岩在松辽盆地内发育了位于青一段之上“下生上储”式的葡萄花油层和青一段之下“上生下储”式的扶杨油层。青一段烃岩源发育的多边形断层和泥岩的生烃超压具有成因关系, 同时断层又可起到沟通油源和上下储层的作用(He et al., 2010; 丁修建等, 2013), 因此对该地区的油气运聚具有十分重大的意义。

扶杨油层紧临青一段烃源岩, 油气属于短距离近源运移, 油气藏类型为受油源断层和河道砂体共同控制的岩性或断层–岩性油藏(刘宗堡等, 2009a)。但由于该层油气属于“上生下储”的“倒灌式”油气藏,要想青山口组一段烃源岩生成的油向下倒灌运移需要满足以下两个条件: ①源岩具备足够大的超压;②存在连通源岩和储层的断层输导通道(邹才能等, 2005; 刘宗堡等, 2009b)。姚家组葡萄花油层和青一段烃源岩中间被青二、三段多套泥岩层相隔, 青一段源岩生成的油不能通过孔隙直接运移至葡萄花油层, 因此存在能沟通油源和姚家组储层的断层输导通道显得尤为重要。葡萄花油层和扶杨油层在垂向上发育有多个油层, 这些油层具有油层厚度小, 平面上大面积连片, 含油气面积大等特点(丁修建等, 2013)。研究表明, T2油源断裂的发育区控制着油气聚集区(付广等, 2010a, 2010b), 尤其在T2断裂密集带附近易形成大面积连片油层(付广和王超, 2011)。丁修建等(2013)指出, 仅依靠少量油源大断裂难以形成平面上大面积连片的油层, 再加上葡萄花油层和扶杨油层以浅水三角洲沉积为主, 砂体厚度小、非均质性强, 油难以在砂体中做远距离运移, 因此,数量众多的多边形断层系可能是葡萄花油层和扶杨油层的重要运移通道。

5.2 多边形断层的发育及成藏模式

基于青一段张性断层系为多边形断层成因机制并受盆地构造反转作用影响, 在前文中提出了三肇凹陷内T2多边形断层具有两期发育模式, 在这个模式的基础上我们建立了三肇凹陷内受多边形断层发育所控制的两期油气成藏模式(图6)。

嫩江组沉积末期, 青一段烃源岩进入生烃门限并开始排烃, 生烃超压致使青一段地层破裂而发育大量多边形断层, 此时多边形断层发育规模小、垂向延伸短(图6a)。因该时期多边形断层发育规模较小, 不能沟通青一段烃源岩和姚家组储集层, 油气受青二、三段发育的多套泥岩层的阻挡, 不能进入葡萄花油层中聚集成藏。而对于紧邻烃源层的下伏泉头组扶杨储集层而言, 该时期发育的多边形断层虽然断距小, 垂向延伸短, 但是仍能很好地沟通青一段烃源岩和泉头组的储集层, 在巨大的生烃超压及多边形断层输导的双重控制下油气主要向下部扶杨油层进行“倒灌”运移成藏, 前人研究也证实了青一段烃源岩向扶杨油层的排烃始于嫩江组沉积末期(杨喜贵和刘宗堡, 2009)。青一段烃源岩生成的油气通过T2断层系“倒灌”进入扶杨油层, T2断层下盘处于构造高部位的储层圈闭, 因距烃源岩近, “倒灌”运移所受到的阻力小而优先充注, 形成断层–岩性油气藏(杨玉华, 2009; 付广和刘雪雪, 2010), 而其上盘相对应的储层圈闭则由于油源充注度的问题可能是水层或油水同层, 从而形成扶杨油层断层两侧“上油下水”的分布特征(杨玉华, 2009)。

图6 嫩江组(a)和明水组(b)沉积末期多边形断层发育及成藏模式图Fig.6 The development and accumulation model of polygonal faulting and reservoir forming in the end of the deposition period of the Nenjiang Formation(a) and the Mingshui Formation(b)

明水组沉积末期, 青一段烃源岩继续积累异常高压, 超压致使凹陷内先存的多边形断层选择性开启, 加上该时期强烈的构造反转活动, 使得部分开启的多边形断层发生垂向上向两端延长(图6b)。断层活动产生超压释放, 形成盆地排烃成藏高峰期(于有等, 2011)。超压导致油气沿着开启的多边形断层向上部葡萄花油层, 或向下部扶杨油层运移聚集形成油气藏, 该时期也为上、下两个油层的成藏关键期(杨喜贵和刘宗堡, 2009; 杨殿军等, 2011)。巨大的超压使油气沿垂向延伸短且开启的多边形断层继续向下部扶杨油层“倒灌”运移成藏; 垂向延伸长且开启的多边形断层, 向上沟通了青一段烃源岩层和姚家组的储集层, 成为青一段源岩生成的油向葡萄花油层中运移的主要输导通道, 因该类断层向下延伸至泉头组储集岩, 垂向上的油气输导作用可能会对下部嫩江组沉积末期形成的扶杨油藏起到一种破坏作用。对于葡萄花油层而言, 油气先沿明水组沉积末期在超压下重新开启、并在构造反转作用下垂向增长的多边形断层进行垂向运移, 再通过T11断层进行短距离侧向运移, 因而断裂密集区与三肇凹陷葡萄花油层油藏有着良好的对应关系(杨殿军等, 2011)。

6 结 论

通过对三肇凹陷内T2断层系发育平面特征及剖面特征的详细剖析, 并结合松辽盆地沉积特征、构造演化等研究, 对T2断层系断层属性及形成机制进行深入探讨, 进一步对比分析以青一段为烃源岩而发育的上、下两套含油气组合的特点和成藏过程,主要得出以下2点认识:

(1) 三肇凹陷内发育的T2张性断层系为多边形断层成因, 且其发育具有多期性, 加上幕式排烃期次与不同强弱性质的构造反转作用相叠合, 导致研究区在不同的构造部位所发育的多边形断层特征具有较大差异。在嫩江组沉积末期, 由于超压泥岩幕式排烃破裂作用, 在整个三肇凹陷内发育有大量的多边形断层, 其在平面上具有多方向性, 垂向上具有层控性、延伸短、断距小等特点。在明水组沉积末期, 超压致使先存的多边形断层选择性开启, 强烈的区域构造反转使凹陷南部断层断距增大、断层密度增加、部分多边形断层发生垂向上的延长。

(2) 青一段发育的油页岩是研究区的主力烃源岩, 对其上部葡萄花油层和下部扶杨油层均具有贡献作用, 青一段发育的T2多边形断层正好作为油气运移通道, 对源岩与储层具有良好的沟通作用。嫩江组沉积末期, 因青一段烃源岩与下部扶杨油层储集体直接接触, 在源岩内部超压作用下, 油气沿着青一段发育的规模小、垂向延伸短的多边形断层“倒灌”进入扶杨油层, 形成油气藏, 向上因受到多套泥岩的阻挡且多边形断层垂向延伸较短, 无法与上部葡萄花油层相沟通形成油气藏; 明水组沉积末期,超压导致油气沿开启的多边形断层向上部葡萄花储层或向下部扶杨储层运移聚集形成油气藏, 由于强烈的构造反转导致部分多边形断层垂向延长, 从而沟通了青一段烃源岩层和上部葡萄花油层, 油气向葡萄花油层中运移聚集成藏, 然而这种垂向上的输导作用对于嫩江组沉积末期形成的扶杨油藏可能会起到一定的破坏作用。

三肇凹陷青一段多边形断层的定义及其发育和成藏模式的提出, 对深化研究区乃至整个松辽盆地油气成藏及聚集规律具有重要的意义, 本文在这些方面提出了一些关键性的认识, 但这些认识仅仅停留在模式的建立之上, 尚需在今后的研究和应用中加以进一步的深化和证实。

致谢: 东北石油大学付晓飞教授为本文多次提出宝贵的修改建议, 使其内容得以不断完善, 在此特别表示感谢。

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Polygonal Faulting and Petroleum Geological Significance of Qn1Formation in the Sanzhao Sag, Songliao Basin

QUAN Xiayun1, LI Xiangquan1,2, REN Jianye1and CHENG Tao3
(1. MOE Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, Shandong, China; 3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Numerous small-scaled, extensional faults occur densely in the mudstone layer of the Qingshankou 1stmember (Qn1) in Songliao Basin. Its attribute and genetic mechanism are highly concerned but still controversy. The high-resolution 3D seismic datasets of a new block that covers most of the Sanzhao sag of Songliao Basin is studied., The characteristics of the profile and plane geometry of the extensional fracture system in the Sanzhao sag were depicted in detail through fine seismic interpretation using coherent technology. Based o the results, we proposed that: (1) The extensional fault system is mainly polygonal fault, which probably resulted from rupture pressure related to the episodic hydrocarbon-expulsion from the mudstone of Qn1. However, the tectonic inversion in Songliao Basin may also contribute to the formation and development of the polygonal fault system; (2) The polygonal faults were mainly formed by the end of deposition period of the Nenjiang Formation, and some experienced vertical direction propagation caused by the strong tectonic inversion at the end of deposition period of the Mingshui Formation; (3) The polygonal faults connect the Qn1hydrocarbon source rock with the underlying Fuyang oil layer and the overlying Putaohua oil layer, and thus are important migration channels for the oil and gas accumulation; (4) Until the end of deposition period of the Nenjiang Formation, hydrocarbon generated in the Qn1mainly migrated downward into the underlying Fuyang oil layer via the small polygonal faults rather than upwards to the Putaohua oil layer. On the contrary, by the end of deposition period of the Mingshui Formation, the oils from Qn1source rock can migrate either downward into the Fuyang oil layer or upward into the Putaohua oil layer. It is noteworthy that the vertical propagation of the polygonal faults induced by the tectonic inversion might also damage the Fuyang accumulations formed earlier.

Sanzhao Sag; polygonal fault; Fuyang oil layer; Putaohua oil layer; oil migration and accumulation

TE12; P542

A

1001-1552(2015)02-0260-013

2013-09-09; 改回日期: 2014-03-29

项目资助: 国家自然科学基金(批准号: 41102068)和中央高校基本科研业务费专项资金(编号: CUGL110246)联合资助。

全夏韵(1989–), 女, 硕士研究生, 主要从事沉积、构造地质研究。Email: 469707032@qq.com

李祥权(1976–), 男, 副教授, 主要从事沉积盆地动力学、层序地层学、地震沉积学等方面的研究工作。Email: lxq@cug.edu.cn