断层对于油气运移影响的研究进展

郭 真

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

断层对于油气运移影响的研究进展

郭 真

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

断裂对于油气运移具有联通和封闭两种作用，地质实践中这两种状态不易判断，甚至同时存在，具有一定的复杂性。借助前人工作的总结，从断层类型以及影响断层性质的因素入手，针对目前国际研究热点分别进行探讨。对于地堑转换造成的断层形成油气聚集有三种形式:地堑系统深层作为油气聚集区;地堑系统转接部位纵向运移;油气聚集于地堑系统的隆起部位。而挤压破碎造成的断层封闭性决定于微构造、渗透性、门槛压力等条件。实例证明，3种条件对于断层封闭性的预测有决定性影响。通过分析油气在断层中的散失，指出影响油气运移的不利因素。

断层;封闭性;油气运移;渗透性;维京地堑

断裂在油气运移和圈闭过程中具有双重作用，它即可为油气由深部向浅部运移提供快捷通道，又可为油气聚集成藏提供封堵条件。这两种情况都必须发生在适当的时间和空间背景下，才能对油气产生有利的影响。否则，它将对于油气运聚产生不利影响，甚至使其破坏散失。断裂带在什么时候表现为封堵，什么时候表现为输导，其输导性和封堵性的差异性又受到哪些因素的控制?这些问题一直是石油地质研究领域的热点和难点。

1 国内外断层控制油气运移的研究进展

因为断裂带的情况各不相同且极其复杂。对于断裂带的研究关系到物理的应力分析、化学的成岩作用和地质的构造变动，各个不同的学科方向均有国内外学者做出大量细致的研究。总体来说，国内学者倾向于形成定性的理论来分析总结断裂控制油气形成规律。如罗群提出的断裂控烃理论［1］，从宏观的角度将断裂及其所形成的油藏进行分类，系统的总结断裂在油气成藏中的作用，深入的揭示断裂控烃的本质。而国外学者似乎更倾向于具体细致的定量研究以建立模型。如Atilla Aydin通过多种测试研究方法［2］对于裂缝、断层以及油气圈闭和运移的过程及控制进行详细的论述，最终得出了断层系统渗透率判断公式。

断裂的不连续结构，能够表现出三种形式:张裂、挤压和剪切。这三种构造形式的几何形态和流体力学特征区别很大。首先不考虑其分布形式和配置关系，单独针对结构类型而言，不同的基础类型、不同的岩性、不同的岩土力学环境，形成的流动特性也不同。即流体在岩石中的流动，会受到多种因素制约。

断层中，岩石的破碎单元，连接的网络是油气生成和运移很有效的通道，但是能够相互连通的网络是十分有限的。在生产中，可以凭借水平钻井、重力排水和各种注入方法来帮助连接网络中的裂缝形成通道，以增加其连通性使油气排出储层。在连接网络中最有效的元素是连接带。连接带指形成很小的剪切，增加了孔径，以及横向和纵向的连接，从而造成更宽更长的油气通道。

断裂及其造成的岩石破碎可以作为流体流动的导管，增加油气运移的畅通性。同时，源岩的主要特征是会形成高的流体压力，这时如果存在断裂，剪切作用就可以造成开放的裂缝，成为油气运移的通道。因此断层和破碎地带适合油气的勘探和开发。

断层有着复杂的结构，有时能够加强油气运移，有时则对流体流动起着阻碍作用。甚至有些地区对于不同的流体性质同时产生不同的作用。那么，究竟是运移还是阻隔油气，取决于断层断裂过程中，断裂作用对于三个基本要素的特征影响。这三个断裂区结构要素分别是:并置关系、局部扩张和断层岩特征。同时，断裂内部还有许多其他参数特征，如滑动距离、胶结状态、应力状态和时间因素，这些参数对于评价断层开启和封闭效能也可有着至关重要的作用。

经过粗略的测量，断层活动主要有四种类型:(1)传递断层;(2)封闭断层;(3)垂直传递和侧向封闭断层;(4)间歇性封闭或传递断层。

如果想要建立断层的概念模型，则必须对于断层的渗流结构、各种岩土力学特征和沉积环境进行系统研究。根据以上各种资料进行分析填充，才能建立模型。之后将模型应用在未知研究区，同时又是对模型的一种验证。学者们已经可以将裂缝、断层及其含水性进行概念量化，通过不同的信息建立起特定环境下油气运移、圈闭的模型。盆地中，油气运移是一个广泛的物理现象，而裂缝和断层是该现象的首要决定因素。因此，如果没有对于这个决定因素进行物理透视和研究控制，那么这个盆地模型研究则是不完整的。如今研究断层决定流体流动的研究前沿主要有以下两点。

2 地堑转换造成的断层张裂

在分段式地堑系统的发展演化过程中，虽然跨越部位(见图1)是地堑系统中较高的部位，但其底部却是最容易填充油气的单元。紧邻跨越部位的过渡斜坡和走滑断层会成为油气优先运移的通道，将油气从深层的烃源岩运移到更高的圈闭中。

图1 地堑跨越、转换斜坡以及地堑轴转换

在对比了犹他州峡谷地和北海维京地堑之后［3］，发现峡谷地和维京地堑中一些共有的特征对于勘探过程十分重要。转换地堑主要可以分为三种类型，都适用于共有特征(见图2):

(1)第一种:地堑深层段在生油窗内部，而两翼在生油窗外部。很多油气省(包括北海)都具有这种特点，地堑系统整体呈现出为油气灶区域。在连续沉积的过程中，生油窗逐渐转移，最终会离开地堑系统区域。然而地堑的两翼区则可能发展出生油窗。因此地堑区块演化过程中，给地堑源岩提供存在生油窗的更长时间。

(2)第二种:地堑跨越区中转接结构对于油气的运移和圈闭作用。北海类的构造形式中，可渗透的单元和不可渗透的单元相互叠置。某些情况下，页岩发生涂抹，导致大多数断层的封闭。这时，构造中的转接结构能够提供重要的运移路径，使油气从地堑深部上升到结构高点的翼部。断层的封闭能力取决于很多因素，断距、岩石学特性和地层学特性被认为是最重要的因素［4］。在一些临界点上，特别是近断层转折段的部位，构造转换可以使断层从封闭转化为开启。由于断层朝着地堑跨越区和转接结构方向失去转化，所以跨越区极有可能穿过并且联通两边的封闭断层。这种情况也会在转接斜坡的亚地震结构中发生［5］。对于类维京地堑的大尺度地堑跨越环境来说，油气生成在地堑深部，逃逸到周围断层块体，即在地堑系统中沿着断层运移到两翼的高结构部位。然而在维京地堑的北部，油气运移似乎是通过地堑跨越构造产生的通道，沿着构造弱点横向穿过断层的低替换区［6］。

图2 三种地堑跨越的几何模型(点和阴影是低部位)

盆地中流体沿着断层进行纵向运移，但是封闭断层会用横向间歇对于流体在垂直方向进行制约。地堑跨越中断层及其产生的相关裂缝数量非常多，这种构造配置或许会对油气垂向运移进行加强。新西兰分割裂谷系统的对上述结论进行了证实［7］。研究显示地堑跨越区具有明显地地热聚集效应，这种效应与高构造复杂性造成的垂向渗透率的加强具有明显关系。因此可以得出结论:地堑跨越区的构造复杂性会导致油气生成的问题，同时油气生成问题还与其他的区域特征因素有关。这时需要更多深部结构和地震图像进行详细分析，对于复杂性的系统必须进行细致勾画才能了解其具体影响因素。

(3)第三种:峡谷地和维京地堑系统的共同之处在于地堑跨越的构造隆起部位。油气在构造隆起部位进行运移的路径，以及隆起部位能够容纳的量均比浅层和两翼小。但如果地堑系统本身较大，则隆起部位较易聚集大量油气。在维京地堑内，Kvitebj?rn地区是地堑跨越中最大的深度勘探区。跨越区由于面积较大，因而含有2 700万 m3的可采油，和740亿 m3的可采气。

综上，各项研究表明地堑跨越在区域断裂系统中具有良好的油气潜力。地堑跨越是否含有油气，主要取决于跨越构造的深度。如果埋藏较深，由于会产生高温高压导致的挤压和胶结作用，导致渗透率降低，因而只存在气体聚集。虽然Huldra－Kvitebj?rn的地堑跨越区域深层结构的地震解释数据并不清晰，但是根据之前建立的模型概念来看，Huldra－Kvitebj rn油气区跨越有着很大的商业价值，也是维京地堑内唯一生产油气的地方。因此，在未成熟裂谷系统中地堑跨越最有可能成为油气聚集区。研究地堑跨越和高构造部位与潜在油气聚集区域的相互关系，可以帮助该区域勘探的聚焦。

裂谷中的主要地堑是自然分割的，因此地堑跨越的构造形态具有多种不同的变化［8］。最终形成的跨越构造几何形态也包括许多变化，如基底各向异性;挤压区和先前存在构造的角度;跨越构造伸展的长度;断层的深度;裂谷的不对称性以及岩浆的影响。不同的地堑跨越类型及其原始状态的讨论内容很多，在此不详细赘述。但是峡谷地以及维京地堑也可分类为其他地堑系统，这种沿断裂对称性至关重要。这是与一些半地堑组成的非对称裂谷系统相似的地方［9］。Rosendahl通过研究东非裂谷系统，发现地堑系统中，高点部位是调节区［10］。这样的总结，使每一个独立的地堑系统产生联系，有助于对新的系统描绘和勘探。

对维京地堑和峡谷地地堑跨越几何结构的对比研究，发现相似的几何学特征会对研究区的油气勘探具有指导意义:

(1)地堑跨越表示沿着纵向地堑系统的主要松懈区。源岩在较深的中心地带演化成熟后，油气聚集在地堑跨越中。研究该类地堑系统时，识别地堑跨越的范围和位置，具有对运移演化和盆地模拟研究的重要意义。

(2)地堑跨越两侧的封闭断层会因消失或者变为别的构造，进而失去封闭效应。此时，油气可以更轻易的运移进入其他地堑系统，填充浅层两翼结构，形成不同大小的油气圈闭。

(3)已经成型的构造圈闭形成于大型地堑跨越内，比如峡谷地自然公园和维京地堑，具有十分有利的油气聚集条件。因此当地堑系统足够巨大时，体积的优势开始展现，产生足量的油气圈闭以供商业开采。

(4)当地堑轴部宽度偏距比地堑整体宽时，地堑跨越内是容易形成油气圈闭的。虽然地质实际和模型研究证明即使偏距小于宽度，依然可以形成油气富集。

3 挤压破碎造成的断层封闭

除去断层构成的地堑形式之外，断层本身对于油气形成的意义更值得探讨。由于变形带和滑动面的碎裂可能造成胶结涂抹，形成断层的封闭，涂抹断层的渗透率和门槛压力都可以估算出来，依据这些数据，可以对于断层的传输性进行判断。埃及苏伊士断层东湾的实例对于断层封闭性预测具有很好的指导作用［11］。

图3 不同结构形态的断裂带建造

3.1 微构造

通过分析新生、成熟和局部的变形带的微构造，对比沿着滑动表面的碎裂带。沿着次要滑动表面的碎裂带与主滑动面(滑动更频繁)重矿物胶结的微结构大致相同。虽然成熟变形带具有更多的棱角颗粒碎片和大颗粒，但是这些细小的不同并不影响变形带的渗透性。经过研究，局部变形带是滑动面碎裂带的最好代替物。但是，这些构造在露头中极为稀少，也很难在油气储层的岩心中见到。而且局部变形带不能与宏观的成熟变形带区分开来。因此，成熟变形带依旧是最好的大断裂破碎构造的研究对象。不同的微构造和不同构造带具有对应的效果(见图3)。

Aydin和Johnson的研究显示，5 mm的成熟转换变形带和100 m滑动面碎裂是具有可比性的［12］。最终碎裂微构造是在早期变形历史时期的基础上建立的。断裂时候的压力(并非拉张力)是决定粒度减小的决定性因素。通过观察全部滑动碎裂面样品厚度相对均匀的碎裂显微结构，发现滑动表面如果在碎裂里或临近碎裂，碎裂会轻微的张裂，但是微结构基本不会发生变化。因此在滑动面1～3 mm宽的区域里粒度会降低，降低的程度比滑动面其他部分更大。这些构造上的变化是由于不同压力状态和不同岩性造成的。

3.2 渗透性

碎裂带的渗透率和其他三种断裂带也很相似。所有的数据表明碎裂带渗透率可在1.5个数量级里变化，单独断层研究数据也有同样的结果。然而对于特定断层，滑动面碎裂渗透率也在1.5个数量级内变化，但是整个数据显示则大于2个数量级的变化。变形带滑动面对3个断裂带的渗透率是3mD。即变形带渗透率的平均值大约比滑动面碎裂的渗透率平均值高一个数量级。所以，如果取得变形带渗透率，就可计算地震尺度断层岩的渗透率。首先对于给定变形带渗透率数据，选最小渗透率代表滑动面碎裂的算术平均值。其次估算的结果，Humur－B断层偏大为1.3，而南Baba断层偏大为2.4，Muweilih断层偏小为3.3(见图4)。主渗透率大约比表面滑动碎裂的平均值高出3个数量级，这样的偏差在流体模拟模型中不足以带来明显的错误。Ottesen Ellevset做了相似的实验［13］，将渗透率数据用在储层模拟当中，成功地用最低渗透率来定义地震尺度断层，并解释不同样式的油水界面。但当最小渗透率使用在单独碎裂情况下，不能含有高粘土胶结，也不能代表整个断层。如，在S12样品用异常低的渗透率代表整个南Baba断层滑动面碎裂，会导致滑动面渗透率低两个数量级。这说明微结构分析在模型应用中的重要性。前人研究为中等粒度，有空隙的砂岩。取得的结果使得前面两种碎裂的相似性得到很好的验证。成熟变形带更高的平均渗透率是由于微小构造不同。

图4 Baba断层样品限制压力对于气体渗透率的影响

一些其他的研究［14－16］对于胶结物对断层封闭性影响进行了细致的探讨，Ottesen的研究只是考虑了碎裂变形作用对于渗透率的降低［13］。最小的颗粒在决定流体流动特性方面起到了最重要的作用，因为他们在所有尺度阻挡了孔隙空间。所以，他们在早期变形历史时期的出现，之后并不发生变化，导致变形带和滑动面碎裂在渗透率上具有一定的可比性。

上述方法进行渗透率研究的第一个不确定因素是对于断层岩厚度和裂缝张口的计算。于是必须引入SEM和CT分析碎裂厚度，并确定裂缝没有张裂，才能消除这种不确定性，进一步进行研究。裂缝也可能由于后期构造变形所产生，但是以下两个证据表明，裂缝从来没有在研究区岩石中产生:第一，没有发现任何张裂裂缝，而且也没有微小的胶结。第二，主砂岩也不能足够支撑裂开的裂缝，即不能承受过大的压力。另一个不确定因素是在对比不同压力下渗透率时出现。由于岩心都非常脆弱，无法从大的尺度获得完整的核心。解决方法是经过一系列的研究和计算，研究区样品渗透率即使受到不同挤压的影响，但是总体的结果是可靠的。因为渗透率随着压力而变化。如Humur－B断层样品受到持续挤压，但是渗透率值并未发生大规模的改变。

当局限的压力大于2 500 psi时(埋深更大)，水平的渗透率曲线表明，渗透率值没有很大变化(见图4)。但是在温度大于80℃的颗粒接触和石英胶结的情况下，会影响储层的岩石物理特性。来源于含粘土小于15%的砂岩断层岩很有可能由于面积大，同时干净的表面而形成石英胶结［17、18］。由于细粒含量较高，滑动面碎裂比临近变形带渗透率降低更多。这说明不同断层岩类型对于深部断层封闭性具有决定性的作用，能够使得研究难度加大。

3.3 门槛压力

研究表明，预测滑动面碎裂的门槛压力比预测渗透率有更多的不确定性。因为变形带和滑动面门槛压力数据几乎没有重叠。压汞表明门槛压力从主岩到变形带再到滑动面碎裂是阶梯式递增的。变形带和三种断层带具有相似的值，变化在1个数量级以内。Humur－B断裂和南Baba断层的滑动表面碎裂相似，变化在1.5以内。研究表明岩石物理特性沿着断层结构特征发生很大变化。有趣的是，变形带和滑动面样品的门槛压力数据并不像渗透率，很少具有相似性。对于该现象的一种解释是，变形带中有未发现的张裂微裂缝，而滑动面没有。这些微裂缝在做渗透率实验时处于闭合状态，但是在做压汞实验的时候发生张开。图5说明主岩到变形带和滑动碎裂面之间门槛压力随着渗透率的降低，门槛压力的增高和渗透率的降低。因此，先前进行代表主岩和断层岩的计算过于简单，应根据地质实际情况进行修正。

图5 所有样品气体渗透率和压汞门槛压力对比

3.4 断层封闭预测

以上三种对断层地区和滑动面碎裂的分析都是沿着断层长度连续的。当然，除了上述条件，还有其他断层岩特征可以增加封闭。其他条件下，粘土涂抹和断层未必连续，同时几何形态差异变化繁多。研究发现，主断层胶结可以减少渗透率，即使胶结无处于不连续状态。比如，只有到达80℃温度的深度，石英胶结才起到封闭作用［13］。

滑动面碎裂各项指标的平均值近似等于变形带最小值。其中，门槛压力由于复杂程度较高，两者的值相差悬殊。在运移的时候，油气会按照最小的数值运移，因此标记油气柱的高度，最小门槛压力是决定油气封闭高度的决定性因素。［19］。即最大变形带门槛压力可以作为最小断层门槛压力。但是断层岩对于油气柱高度的影响仍然是有争议的。一些学者认为断控油气高度没有必要计算断层岩的门槛压力［20］，然而大部分学者依旧认为，门槛压力是很有必要计算的［21］。

另一个关键的断层封闭性预测因素是滑动碎裂的厚度。碎裂部分厚度在主滑动面2.2到8.1 cm之间变化，次滑动面在0.5到5.9 cm之间。这些碎裂在主次断裂的一面，另一面只有小的颗粒碎屑或者初期的碎裂变形。因此，沿着滑动面只能造成邻岩的小变形。主要的岩滑动面碎裂是发生在滑动之后，而且厚度不大。主滑动面在断层区连续滑动100 m，且只有轻微方向变化。主滑动面碎裂对于穿越断层的流体流动有着重要影响。当然还有其他断层区因素，如小滑动面、几何形状、滑动边界含有物质、破坏区变形带的各种变化，这些因素的数量和连通性都会影响封闭的条件［22、23］。

综上，能够得出一些对于预测流体流动特性的指导性结论。为了聚焦，主要分析浅层埋深断层和由于碎裂造成的渗透率降低。深层埋深和石英胶结需要另文单独讨论。

(1)Nubian层序中，渗透性砂岩滑动面有碎裂存在，碎裂是断层岩整个表面唯一存在的研究单位。在富粘土区和粘土涂抹区给单元增加了封闭性。因此，滑动表面碎裂代表着连续的断层阻挡。所有研究的正断层和近线性横截面组成了滑动面，这个滑动面提供主要的累计滑动。截面上弯曲的滑动面临近或者近似平行与主滑动面，小滑动面活动只有若干米。

(2)沿着主要和次要的滑动面中的碎裂微结构相同，岩石物理特性差别不大。不同的是，主滑动面碎裂层会更厚一点。在主滑动面碎裂层在2.2～8.1 cm之间变化，次滑动面碎裂层厚在0.5～5.9 cm之间变化。重矿物胶结在主滑动面含量较多，平行断层流体导管在次滑动面较多。

(3)对于特定断层，变形带和滑动面碎裂渗透率在1.5个数量级变化。变形带渗透率平均值比滑动面碎裂渗透率平均值高1个数量级。因此若能捕捉到变形带全部的渗透率值，即能够建立地震尺度上可信的断层岩渗透率。因此需选取变形带最小渗透率来代表滑动面碎裂渗透率的最小平均值。需要注意的是，选取的最小渗透率值必须是碎裂岩单独的渗透率，不能用更高的含粘土层或胶结层来代表整个断层。

(4)碎裂岩渗透率降低主要发生在孔渗砂岩变形早期，因此预测断层渗透率成为可能。例如，一个5 mm抵消变形带和100 m滑动碎裂岩有着相似的微构造。断层时候的压力比最终的拉张力更能决定断层岩的渗透性。在一个滑动面与碎裂岩相邻的时候，取代作用使碎裂岩会增厚，但是碎裂粒度的降低是微乎其微的。

(5)预测变形带破坏区滑动面碎裂的门槛压力有着很高的不确定性。最高的变形带门槛压力，只能作滑动面门槛压力的大致估算。滑动面门槛压力的算术平均值超过了变形带最高门槛压力至少4个数量级。

4 油气沿断层散失

断层的开启性质，无疑会造成油气的运移，但是很多情况下，也造成了油气的泄漏。特别是正在活动的断层，对于油气的泄漏有着非常重要的影响。沿着威明顿和福特断层的河道砂存在油气泄漏［5］。古河道T2、T5和T7形成焦油区的间隔发生油气泄漏。在FBⅠ中，油气从三个砂体中间运移到河道沉积，然后沿着威明顿断裂泄漏进入FBⅡA悬壁S砂岩(焦油区的最高砂岩)。在FBⅡA中，T5和T7砂岩间隔中的油气也运输到河道砂，然后泄漏穿过福特断层到FBⅡB悬壁S砂岩。油气断层泄漏至今依然存在。

威明顿断层的油气渗漏比福特断层要严重。由于威明顿断层严重的泄漏，FBⅠ中T2，T5和T7的三个砂岩间隔油气几乎全部耗散。由于福特断层缓慢的泄漏，FBⅡA北翼的T5和T7砂岩单元中河道部分油气部分被排出。这使得北翼的OWCs比FBⅡA南翼低70－150ft。油气沿着古河道散失，引起了从FBⅡA到FBⅠ的油气迁移。这个迁移穿过了威明顿断层南部顶端的三个砂岩间隔中。

5 结语

断层是地质构造中十分重要的组成部分，无论是大尺度的断裂还是小尺度的裂缝，均对其中流体的运移起着至关重要的作用。然而断裂的复杂性和多样性给研究带来巨大的挑战，因此必须针对不同的构造环境进行不同研究方法的选择。因此上文从国际上对于断层的研究难点进行简要的剖析，认识到地堑中断层可以造成油气聚集的三种形式;断层虽遭受挤压破碎，但其封闭性仍决定于诸多条件和参数;断层导致油气的散失是十分普遍的。更深一层次的难点在于研究所建立的模型主要是基于野外露头及室内试验，实际地质勘探开发过程中，断层深埋地下，难于直接观察。如何将理想与现实进行对接，从地震资料、测井资料和岩心资料等多角度进行断层宏观及微观刻画，这是所有油气地质工作者需努力奋斗的方向。

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Fault Action On Oil And Gas Migration

GUO Zhen
(Department of Geology，Northwest University，Xi’an 710069，Shaanxi)

Fracture for oil and gas migration has two effects of Unicom and closed，in the course of geological practice，these two states are not easy to judge，or even exist at the same time which has some complexity.With the help of the previous work，the article is starting from the fault type and the factors that affect the nature of the fault and discusses the current international research focus.The formed faults due to fault graben are being three shapes of oil and gas collection，which are the deep graben system as a hydrocarbon accumulation zone，graben system adapter parts vertical migration;uplifts graben system hydrocarbon accumulation on the ground.Crushing squeeze caused by fault sealing depends on the micro structure，permeability，the threshold pressure and other conditions.Paper for each condition are performed to prove instance.Finally，through the analysis of oil and gas lost in fault，show some unfavorable factors hydrocarbon migration.

Fault;closed;hydrocarbon migration;permeability and Viking Graben

TE122.1

A

1004－1184(2015)04－0211－05

2015－03－16

郭真(1987－)，男，陕西西安人，在读博士研究生，主攻方向:盆地构造与油气地质。