松辽盆地三肇凹陷葡萄花油层油源断层新探

王有功，严萌，郎岳，付广，李鑫

（1.东北石油大学地球科学学院；2.非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地；3.黑龙江省高等学校“油气成藏与保存”科技创新团队）

松辽盆地三肇凹陷葡萄花油层油源断层新探

王有功1,2,3，严萌1,3，郎岳1,3，付广1,2,3，李鑫1,3

（1.东北石油大学地球科学学院；2.非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地；3.黑龙江省高等学校“油气成藏与保存”科技创新团队）

从断层活动引起断层两盘地层变形特征分析断层在松辽盆地三肇凹陷上白垩统葡萄花油层油气成藏关键时刻（构造反转期）的活动特征，重新厘定油源断层。基于前人对三肇凹陷断层系统划分及活动规律研究结果，对上白垩统嫩江组二段、三段沉积时期及反转期构造变形特征进行分析，认为断层断至T06地震反射层（嫩江组三段底界面）不能作为断层是否在构造反转期发生活动的判断依据。而反转期构造变形使伸展期地层受断层影响形成断层扩展反转褶皱变形，表现为反转期前后断层上下两盘地层变形存在明显差异，据此可确定反转期断层是否发生活动，进一步可厘定葡萄花油层的油源断层。根据油源断层是否断穿伸展期地层进一步划分为隐伏型和穿透型两种油源断层，这两种油源断层对研究区葡萄花油层油气平面分布的控制作用与以往研究结果相比更加明显。图8参14

松辽盆地；三肇凹陷；葡萄花油层；油源断层；构造反转

1 研究区概况及问题提出

三肇凹陷是目前松辽盆地北部油气勘探的重点地区，该区从下至上发育下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组，以及古近系、新近系（见图1、图2）。上白垩统姚家组葡萄花油层是该区的主力产油层位（见图2），目前已发现卫星、升平、徐家围子、肇州、宋芳屯、模范屯、永乐和尚家等油田（见图1），充分展示了该区葡萄花油层良好的勘探前景[1]。油源对比表明，大庆长垣以东地区葡萄花油层原油主要来自下伏青山口组一段烃源岩，既有分布

在烃源灶范围内的油藏，也有分布在烃源灶范围外的油藏。烃源灶分布范围内主要分布徐家围子、宋芳屯、卫星、升平和永乐油田，其原油运聚成藏过程及模式为：青一段烃源岩生成的原油在超压和原油本身浮力作用下，通过油源断层向上覆葡萄花油层中运移，在油源断层附近的断块或断层-岩性圈闭中聚集成藏[1]。因此油源断层的厘定是该地区葡萄花油层油气勘探的关键。

图1 三肇凹陷位置及构造纲要图

前人在断层系统划分基础上[2-3]，结合断层活动规律对三肇凹陷葡萄花油层油源断层进行了大量研究，普遍认为断层密集带边界断层为油源断层，对油气运移起输导作用，葡萄花油层油气主要在断层密集带及其附近聚集成藏。这对三肇凹陷葡萄花油层油气勘探提供了有利的指导作用，但随着勘探开发工作的不断深入，上述观点不能合理解释不同断层密集带油气富集程度的差异性，而且划分的油源断层平面分布与实际油气平面分布也具有一定差异，严重影响了三肇凹陷葡萄花油层油气勘探的深入开展，需对该区葡萄花油层油源断层重新认识。本文从断层活动引起断层两盘地层变形特征分析断层在葡萄花油层油气成藏关键时刻（构造反转期）的活动特征，进一步厘定油源断层，使得今后对该区葡萄花油层油气勘探更具有目的性，同时对于进一步丰富断层控藏理论具有重要意义。受三维地震资料限制，本文主要选取了三肇凹陷的升平工区和永乐向斜西部的台九工区，构造上包括升平鼻状构造、升西向斜、大庆长垣及永乐向斜的部分地区（见图1）。

2 前人对油源断层的厘定

三肇凹陷伴随松辽盆地构造演化经历了断陷、拗陷、反转3个阶段，3期演化过程中均有断层的强烈活动，而且活动规律和变形性质存在明显差异，这些差异在断层几何学特征上表现得尤为明显。利用断层活动速率以及典型剖面的伸展率参数，结合盆地演化过程综合判断，可以得到断层存在7期强烈活动时期，即断陷期的火石岭组—营城组沉积时期；拗陷期的泉头组—青山口组沉积早期，姚家组沉积时期，嫩江组一、二段沉积时期；盆地反转演化阶段嫩五段沉积末期、明水组沉积末期和古近纪末期。根据3种性质演化及7期断层强活动时期可将三肇凹陷断层划分为6种类型，分别为仅断陷期活动的断层（Ⅰ型）、仅拗陷期活动的断层（Ⅱ型）、仅反转期活动的断层（Ⅲ型）、断陷—拗陷期持续活动的断层（Ⅰ-Ⅱ型）、拗陷—反转期持续活动的断层（Ⅱ-Ⅲ型）和断陷—拗陷—反转期持续活动的断层（Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型）。葡萄花油层断层主要

有上述6类断层中的4种，即仅拗陷期形成的断层（Ⅱ型），空间上大部分向下断穿T2反射层或T3反射层，向上断穿T1-1反射层或T1反射层，部分仅断穿T1-1反射层；断陷期形成、拗陷期继续活动的断层（Ⅰ-Ⅱ型），空间上向下断穿T4反射层或T5反射层，向上断穿T1反射层；拗陷期形成、反转期继续活动的断层（Ⅱ-Ⅲ型），空间上向下断穿T2反射层或T3反射层，向上断穿T06反射层；断陷期形成、拗陷期和反转期继续活动的断层（Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型），空间上向下断穿T4反射层或T5反射层，向上断穿T06反射层[1-4]（见图2）。

图2 三肇凹陷地层柱状图

按照上述断层系统划分方法，得到三肇凹陷葡萄花油层的油源断层主要为拗陷期形成、反转期继续活动的断层（Ⅱ-Ⅲ型）和断陷期形成、拗陷期和反转期继续活动的断层（Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型）[3-4]。这种断层活动性的确定方法仅考虑断层空间的穿层特征，以下部卷入断层的最新地层和未被断穿的上覆最老地层确定断层的形成及活动时期。三肇凹陷受地震资料处理解释成果所限，反转期浅层地震反射界面目前无法追踪，解释最浅层位为嫩江组三段底界，即T06反射层。因此普遍认为凡是断至T06反射层及其以上地层的断层均为反转期活动断层[1-4]。

3 嫩江组二段、三段沉积时期断层变形特征

在张性构造环境中可以形成与正断层相关的褶皱构造[5]，这些断层相关褶皱的几何学特征与压性环境下形成的褶皱几何学特征明显不同，代表伸展变形环境。目前在三肇凹陷地震解释的最浅层位T06反射层为松辽盆地上白垩统嫩江组三段的底界，随着地震资料品质的不断提高，笔者在T06反射层上部地层中发现了伸展成因的断层传播褶皱（见图3）。伸展区正断层向上传播使断层顶部地层弯曲，进而形成伸展断层传播褶皱。这类伸展断层符合三剪变形（剪切变形区域为一个三角形）的发育模式，断层滑动发生在下部地层中，上覆地层在剪切带内发生变形，变形位置由断层向上传播与向下滑动速率比值决定，当传播速率大于滑动速率时，断层将迅速穿过地层发生脆性变形，三剪带内没有内部变形，反之则发生塑性变形形成褶皱[6]。通过对伸展断层传播褶皱进行几何学分析，可以重建褶皱变形过程[7-8]。在T06反射层上部地层发现伸展断层传播褶皱说明该时期断层活动是以伸展变形为特征的，而从松辽盆地的构造演化分期看，嫩江组沉积期松辽盆地处于拗陷期，以伸展变形为主，应不具备反转期断层活动特征。

4 反转期活动断层变形

松辽盆地晚白垩世以来由于太平洋板块向欧亚板块俯冲以及印藏碰撞所产生的远程效应影响，发生了多幕反转构造运动，大致经历了3期构造反转，分别对应嫩江组沉积末期，明水组沉积末期及古近纪末期，其中以明水组沉积末期反转作用最为强烈。三肇凹陷内部反转特征并不明显，也没形成规模较大的反转断层，但三肇凹陷周边为3条反转构造带所环绕，同时受断陷期构造沉积格局及基底断层展布影响，部分断陷期及拗陷期形成的断层在构造反转期持续发生活动[4]。区域应力体制的改变使得原有断层继承性活动，由于断层上盘地层发生变形而形成断层型反转构造[9]。

这类反转构造主要表现为伸展期形成的铲式或高角度正断层上方的沉积盖层中，构造反转期受挤压应力影响，断层在扩展过程中将其挤压缩短作用转移至断层端部而发育褶皱变形，由于断层上盘向上滑动受阻，表现为沿主断层面反转的位移量逐渐减小，在断层端点处位移量为零，即断层没能穿过伸展期沉积地层，反转构造的变形均被断层上盘褶皱地层所吸收，形成隐伏型断展反转褶皱（见图4a）。如果后期挤压收缩变形进一步增强，反转断层没有在断层端部消失，而是进一步活化穿透早期反转形成的扩展褶皱，同时将延伸至反转期沉积地层。反转构造变形被断层向上逆冲扩展及形成的褶皱共同吸收，形成穿透型断展反转褶皱（见图4b）。总之，随着挤压作用持续增强、挤压应变不断增大，隐伏型反转褶皱会向穿透型反转褶皱发展。但不论哪种反转，褶皱形成均受断层控制，且主控断层上盘发生了明显变形，而断层下盘地层一般不变形或变形不明显，即断层两盘地层变形特征存在明显差异，进一步说明构造反转期主控断层是活动开启的。

图4 断层扩展反转模式

5 油源断层厘定及分布

由上述分析可知，仅仅依据断层是否断至T06反射层不能判断断层在构造反转期（油气成藏关键时刻）是否发生活动。由于受构造反转挤压应力作用影响，岩层首先发生塑性褶皱变形，随反转强度进一步增大，当挤压应力超过岩石破裂极限时，岩层发生断裂变形，变形过程中受下部伸展期断层影响，伸展期断层上方地层相对薄弱，伸展期断层得以逆转，并以高角度向上断至反转期地层，而仅通过伸展期断层性质逆转发生构造反转的可能性很小[10]。构造反转活动必然首先要发生地层的褶皱变形，如果断层两侧地层褶皱变形特征存在差异，则说明该断层在构造反转期是活动开启的。因此葡萄花油层油源断层的厘定不仅要考虑断层空间断穿的层位，更应该分析断层在盆地演化不同阶段、不同变形机制下断层两盘地层的变形特征，确定构造反转期（油气成藏关键时刻）是否发生活动，进而厘定油源断层。

以三肇凹陷内部的升平工区及永乐向斜西部的台九工区（见图1）为例，对葡萄花油层油源断层进行了重新厘定。升平工区位于三肇凹陷北部，目前发现的油气主要分布在升平鼻状构造上，而其西部的升西向斜内油气呈零星分布（见图5）。据青山口组烃源岩供烃能力分析结果可知，升西向斜内青山口组烃源岩供烃能力更强[3]。利用AB剖面地震资料对该区油源断层分布情况进行分析，由图6可知，过该地震剖面自西向东发育6条断层，其中F1和F2断层位于升西向斜内，而F4、F5和F6断层位于升平鼻状构造上。如果按照以往对葡萄花油层油源断层的厘定方法，在构造反转期变形后F1—F6断层在空间上均断至T06地震反射层，且以上断层均沟通了青山口组烃源岩及葡萄花油层，这6条断层在构造反转期均是活动的，均构成葡萄花油层的油源断层。但是通过该地震剖面构造反转变形前后地层变形特征可以看出，位于升西向斜内的F1和F2两条断层在构造反转期前后，断层两盘地层并未发生明显变形，虽然向上断至T06反射层，但并未断穿伸展期沉积地层。因此这两条断层仅仅在伸展期发生活动，在构造反转期并未活动，不能构成葡萄花油层的油源断层。F3、F4、F5断层在反转变形后断穿伸展期沉积地层，且发生了强烈的褶皱变形，这3条断层在构造反转期是活动开启的。F6断层虽未向上延伸扩展，但断层上盘地层受反转作用影响，发生明显褶皱变形，而下盘地层变形特征并不明显，断层两盘地层变形特征存在差异，说明F6断层在构造反转期是活动开启的。

因此由反转期断层两盘地层变形特征可以判断，上述6条断层中F3、F4、F5及F6可以构成葡萄花油层的油源断层，其中F3、F4、F5 3条断层断穿伸展期沉积地层，而F6断层并未断穿伸展期沉积地层。按照上述方法对升平工区葡萄花油层油源断层进行重新厘定，其厘定结果与以往方法厘定结果对比存在一定差异（见图5）。由图5可知，本文厘定的油源断层对葡萄花油层油气分布控制作用更加明显，如在升西向斜区内，北部地区油源断层对油气分布具有控制作用，油气分布在油源断层附近，而升西向斜区南部并不发育油源断层，这即是该区葡萄花油层油气勘探未获得重大发现的一个重要原因。

图5 升平工区葡萄花油层油源断层本文厘定结果与以往厘定结果对比

图6 升平工区反转期前后构造变形特征（剖面位置见图5）

按照上述方法对三肇凹陷永乐向斜西部的台九工区油源断层进行了厘定，该区葡萄花油层油气主要来源于下伏的青山口组烃源岩[11]。按照以往对油源断层的厘定方法[12-13]，研究区可识别出6条油源断层（见图7），且这些断层均断穿伸展期沉积地层。但是通过该区最新处理的三维地震资料发现，工区南部的Fa断层在空间上并未断至T06反射层（见图8），该断层在以往的研究过程中，普遍认为在构造反转期是不活动的，不能成为葡萄花油层油源断层。但是通过该断层反转期前后断层两盘地层变形特征可以看出，Fa断层反转变形后受挤压应力作用影响，伸展期地层发生了明显的褶皱变形，在断层上盘形成断层扩展反转褶皱背斜构造，正是反转期前后断层两盘地层的变形差异说明该断层在构造反转期应该是活动开启的，而且该断层从空间上沟通了青山口组烃源岩与葡萄花油层，因此Fa断层应为葡萄花油层的油源断层，其附近的U14油藏明显受该断层控制。

通过以上分析可以说明，仅依靠断层是否断至T06

地震反射层不能判断断层在构造反转期是否活动，如有些断层虽然断至T06地震反射层，但并不一定说明这些断层在构造反转期一定活动开启。如果这些断层在构造反转期前后两盘岩层没有发生明显变形，则说明这些断层在构造反转期并未活动，也就不能成为葡萄花油层的油源断层；而有些断层纵向上虽未断至T06反射层，但是在构造反转期挤压应力作用下，受断层控制在断层上盘发育断层扩展反转褶皱，导致两盘地层变形存在明显差异，说明这些断层在构造反转期是活动开启的。如果这些断层空间上能够沟通青山口组烃源岩和葡萄花油层，即可成为葡萄花油层的油源断层，而这类断层在过去油源断层厘定上往往被忽略。因此，根据断层在构造反转期两盘地层变形差异划分的油源断层更为可靠，并在此基础上根据断层是否断穿伸展期沉积地层，可进一步划分为穿透型油源断层和隐伏型油源断层两类。若油源断层断穿伸展期沉积地层称为穿透型油源断层，如图6中的F3、F4、F5断层；反之，若油源断层未断穿伸展期沉积地层则称为隐伏型油源断层，如图6中F6断层、图8中的Fa断层。这两类油源断层对葡萄花油层油气分布均具有控制作用。

图7 台九工区油源断层分布特征

图8 台九工区反转期前后构造变形特征（剖面位置见图7）

6 讨论

油源断层作为油气运聚成藏的主要输导通道，对油气聚集与分布具控制作用[14]。油源断层厘定的关键因素是断层活动时期的确定，以往研究主要是依据断层活动产生位移，通过下部卷入断层的最新地层和未被断穿的上覆最老地层来确定断层形成及活动时期，在现今地震剖面上主要反映在断层的穿层性上。这种

方法对于同一伸展变形机制下同生断层活动时期厘定是有效的，但如果构造变形机制发生改变，如盆地演化过程中在伸展变形后发生构造反转变形，即构造应力由拉张应力转变为挤压应力时，地层仅仅靠断层逆转发生反转很难实现。反转断层活动并不一定表现为发生位移而向上延伸扩展断至反转期地层，能量可以通过地层变形得以吸收，因此通过断层穿层性确定断层活动时期具有一定局限性。但是岩层不论是在伸展变形还是挤压变形环境中，受构造应力影响断层附近地层首先发生塑性变形，弯曲形成褶皱。但在不同应力条件下，断层相关褶皱的形成机制及其构造样式是不同的，根据不同变形机制下形成的断层相关褶皱特征确定断层的活动时期，进而厘定油源断层是一种简单有效的方法。

7 结论

松辽盆地三肇凹陷嫩江组二段、三段具有伸展变形特征，仅依靠断层是否断至T06地震反射层（嫩江组三段底界面）不能够判断断层在构造反转期是否活动，据此方法厘定葡萄花油层油源断层具有局限性。构造反转期受断层活动影响，在断层上盘地层发育断层扩展反转褶皱，导致断层两盘地层变形存在差异，根据这种变形差异可以确定断层是否在构造反转期（葡萄花油层成藏关键时刻）发生活动，进一步可厘定葡萄花油层油源断层。根据断层是否断穿伸展期沉积地层可以进一步划分为隐伏型油源断层和穿透型油源断层两种类型，这两种类型的油源断层对葡萄花油层油气平面分布的控制作用与以往研究结果相比更加明显。

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（编辑 黄昌武）

Re-determining source faults of the Upper Cretaceous Putaohua oil layer in Sanzhao sag of Songliao Basin,NE China

Wang Yougong1,2,3,Yan Meng1,3,Lang Yue1,3,Fu Guang1,2,3,Li Xin1,3
(1.Earth Science College of Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Accumulation and Development of Unconventional Oil and Gas State Key Laboratory Cultivation Base Jointly-constructed by Heilongjiang Province and the Ministry of Science and Technology,Daqing 163318,China;3.Oil and Gas Accumulation and Preservation Science and Technology Innovation Team of Colleges and Universities in Heilongjiang Province,Daqing 163318,China)

From the deformation characteristics of two walls of a fault caused by fault activities,the activation of faults in the critical moment of oil and gas accumulation (structural inversion period) was analyzed to determine the source faults in the Upper Cretaceous Putaohua oil layer of the Sanzhao sag in Songliao Basin.Based on the previous classification and research results of activity patterns of the faults in the Sanzhao sag,the analysis of the structural deformation characteristics during the deposition of the 2nd and 3rd members of the Upper Cretaceous Nenjiang Formation and the inversion reveals that the feature of cutting to T06reflection layer (bottom interface of the third member of the Nenjiang Formation) can not be taken as the basis to judge whether the faults were activated during the inversion or not.But during the structural inversion period,the structural deformation caused by faults would lead to fault-propagation inverted folds and fault-bend inverted folds,which would further lead to obvious deformation differences between hanging walls and foot walls of faults,this can be taken as the basis to determine if the faults were activated or not in the inversion period,and then the source faults of the Putaohua oil layer can be determined.Furthermore the source faults can be divided into two kinds,hidden faults and penetrating faults,according to if the source faults cut through layers of inversion period or not.These two kinds of source faults show more obvious control over the planar oil distribution in the Putaohua layer than the previous study results.

Songliao Basin;Sanzhao sag;Putaohua oil layer;source fault;structural inversion

国家重点基础研究发展计划（973）前期研究专项项目（2012CB723102）；国家自然科学基金项目（41372154）；国家油气重大专项（2011ZX05007）

TE122.1

A

1000-0747(2015)06-0734-07

10.11698/PED.2015.06.05

王有功（1978-），男，内蒙古牙克石人，博士，东北石油大学地球科学学院副教授，主要从事石油地质及油区构造分析方面的教学与科研工作。地址：黑龙江省大庆市，东北石油大学地球科学学院，邮政编码：163318。E-mail: wangyougong@163.com

2014-10-27

2015-08-25