含油气盆地断裂带结构特征及其与油气运聚关系

苏圣民， 蒋有录

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580)

断裂带是含油气盆地中重要的构造现象，是一系列复杂的断层面分割的不规则岩体，具有较高的内部复杂性和不均匀变形特征，且岩石物理性质有别于围岩[1]。不同发育阶段或不同空间位置的断裂带结构存在差异性，表现为横向上不对称、垂向上分层和走向上分段的特征[2]。由于所受应力强度、活动时期、运移动力及演化周期的差异，断裂带内部各结构单元输导油气机制、持续的时间、运移速度和效率都是不同的[3]。断裂带不同结构单元在油气运聚中的作用不同,很多学者研究认为，断层核主要起侧向封闭作用[4]，上盘破碎带裂缝发育，为油气主要的纵向运移通道，而下盘破碎带封闭性好，有利于油气在下盘聚集成藏[2,5]。实际上，断裂带在活动期和静止期的油气输导模式不同[3]，断层核作为油气运聚过程中的封堵层更多的体现在断层的静止期。断裂带结构的划分和各结构单元输导能力的研究是明确断裂带与油气运移聚集关系的基础，但目前对断裂带结构类型及特征、不同演化阶段断裂带内部油气输导特征等的研究还不够深入。笔者在综合前人研究成果基础上,主要以二连、渤海湾、松辽等碎屑岩含油气盆地典型断裂带为例,总结断裂带结构类型及特征，对断裂带不同结构单元的输导性及控藏特征进行系统分析，以期进一步完善断裂控藏理论，并为断裂发育区油气勘探提供理论支持。

1 断裂带结构特征

对于断裂带结构，国外学者通常将其划分为断层核和破碎带两部分[1]，国内学者则将其划分为滑动破碎带和诱导裂缝带[2,5]，实际上，两种划分方案本质上一致。断层核对应滑动破碎带，是位移和应变较大的区域，主要包括滑动面、伴生裂缝和断层岩(断层泥、角砾岩和碎裂岩)等。破碎带对应诱导裂缝带，是由受断层相关破裂影响的岩石块体组成，内部包含诱导裂缝、小规模断层、变形带、断层褶皱发育带等结构(图1)，可以分为端部破碎带、围岩破碎带和连接破碎带3类[6]。端部破碎带主要发育在断层端部的应力集中区；围岩破碎带主要发育于围岩中，应力集中相对较低；连接破碎带发育在断层叠覆区内，裂缝密度相对较高。有些学者在此基础上增加了接近破碎带和相互作用破碎带，可反映不同走向或不同活动时间断裂带之间的影响作用[7]。

图1 断裂带内部结构单元分布模式

1.1断裂带结构类型

断裂带结构的变化主要受岩性、断裂带力学性质和埋深等因素影响。不同岩性地层由于抗剪强度和脆性指数不同，其发育的断裂带结构存在一定的差异性[8]。不同力学性质的断裂带结构差异较大，脆性断裂带断层核主要发育断层岩和伴生裂缝，破碎带内发育诱导裂缝[9]。塑性断裂带内诱导裂缝不发育，断裂带结构表现为几条充填断层泥的大裂缝组合，不存在破碎带[9]。断裂带在不同埋藏深度情况下所处的温压环境不同，原岩中脆-塑性特征也随之变化，导致断裂带结构相应发生变化[8]。

受控于多种影响因素，断裂带具有复杂的内部结构，各结构单元组合方式多样。本文中在对比国内外不同盆地断裂带结构特征基础上，采用次生孔隙度(φ2)、裂缝发育系数(FIR)和电阻率差比(RTC)对南堡凹陷和乌兰花凹陷内部多个断裂进行结构识别与划分，并根据内部结构单元组合方式将断裂带划分为结构残缺型、结构完整型和结构复杂型3大类。结构残缺型断裂带表现为内部结构单元发育不完整，可以细分为结构残缺Ⅰ型(仅滑动面)、结构残缺Ⅱ型(仅断层核)、结构残缺Ⅲ型(仅破碎带)和结构残缺Ⅳ型(断层核和上盘破碎带)4小类。结构完整型为最常见的断裂带类型，根据上下盘破碎带的对称关系可以细分为结构完整Ⅰ型(上下盘破碎带对称)和结构完整Ⅱ型(上下盘破碎带不对称)2小类。结构复杂型断裂带各结构单元往往分界不明显，可发育多个断层核或破碎带，内部包含断裂“空腔”等复杂结构(图2)。

图2 断裂带内部结构单元组合类型划分

断层发育初期，活动性低且断距较小，若此类断层消亡时间早，内部往往没有形成完整的断裂带结构[2]。对于脆性地层，岩石所受构造应力超过强度极限时发生破裂形成微裂缝[3]，发育结构残缺Ⅲ型断裂带；对于塑性或半塑性地层，诱导裂缝不发育[9]，形成结构残缺Ⅰ型或Ⅱ型断裂带。断层发育中晚期，活动强度较大，发育了断层核和破碎带两个结构单元，由于两盘岩性及应力场差异分布[2]，形成结构残缺Ⅳ型或结构完整型断裂带。断层发育晚期，活动强度高且断距大，受后期构造演化和成岩作用等影响，断裂带内部各结构单元组合复杂，形成构造复杂型断裂带。

以二连盆地乌兰花凹陷F1和F2正断层为例，综合岩心观察及声波时差、补偿中子曲线变化率(ΔXCNL)和电阻率差比等测井参数识别出两条断裂带过不同井位的结构单元。其中F1断裂带过L18X井处以破碎带为主，上下盘破碎带厚度约为50 m，为结构完整Ⅰ型断裂带。随着埋深增加，过L18-4X井处F1断裂带断层核和上盘破碎带厚度变化不大，而下盘破碎带厚度明显减小，转变为结构完整Ⅱ型断裂带。F2断裂带过L18X井处以破碎带为主，上盘破碎带厚度大于下盘，结构组合方式为完整Ⅱ型。随着埋深增加，L33井处F2断裂带断层核和上盘破碎带厚度明显增加，而下盘破碎带厚度略有降低(图3)。整体上，断裂带在平面上不同部位和纵向不同深度段的内部结构单元组合类型差异较大。

图3 二连盆地乌兰花凹陷F1和F2断裂带不同位置的结构单元特征

1.2 断裂带渗透性及裂缝发育特征

通过对比国内外不同盆地断裂带内部渗透率特征[10-14]可知，各结构单元之间渗透率差异较大。断层核由于受到强烈的断裂作用而造成研磨、破碎，渗透率较破碎带和围岩明显偏低。破碎带由于发育裂缝、断层褶皱带等构造，其渗透率较高，比断层核高2～5个数量级，较围岩高1～3个数量级。围岩为破碎带外侧的正常岩层，其渗透率介于断层核与破碎带之间(图4(a))。断层核与破碎带内部渗透率分布也具有较强的非均质性，断层核内部滑动面和胶结作用强的部位渗透率较低。对比不同断裂带内部断层岩渗透性特征[10-14]可知，角砾岩渗透率比断层泥和碎裂岩高1～5个数量级，碎裂岩渗透率较断层泥高1～3个数量级(图4(b))。破碎带内渗透率整体表现为距断层核距离增加而降低的趋势，破碎带间相互作用强的部位渗透率会明显增加[10]。

图4 断裂带内部不同结构单元及不同断层岩渗透率特征

断裂带内部渗透率分布差异性主要受裂缝密度、应力状态和成岩作用等影响。裂缝密度是渗透率分布差异性的最主要影响因素，通过对比不同断裂带内部裂缝密度与渗透率关系[11-14]可知，两者存在明显的正相关关系(图5(a))，裂缝对断裂带内部渗透率有明显的改善作用，可以使渗透率增加1～2个数量级。应力大小和方向影响渗透率变化趋势，随着断裂带所受有效应力增大，渗透率逐渐减小[14]。多个学者对断裂带内部不同方向的渗透率特征研究发现，高渗透层主要沿σ2应力方向分布于断层核两侧的破碎带中[15]。成岩作用对断裂带内部渗透率分布具有双重影响，有利于渗透率增加的成岩作用主要包括角砾岩化和溶蚀作用，使渗透率降低的成岩作用主要包括胶结、破碎作用和泥岩涂抹等[12]。

图5 断裂带内部裂缝密度与渗透率和距断层核距离关系

断裂带的油气输导能力很大程度上取决于裂缝的发育特征，因此对裂缝的研究至关重要。裂缝研究参数可以分为两大类：一类是对单个裂缝的研究，主要包括产状、张开度、长度、充填成分、充填程度等；另一类为宏观裂缝的研究参数，主要包括裂缝组合样式、密度、连通性、交切关系、饱和度等。其中断裂带内部裂缝研究常用的参数为裂缝产状、充填成分、充填程度和密度等。

以乌兰花凹陷L18X井为例，通过声波时差、补偿中子、声波时差曲线变化率(ΔXAC)和电阻率差比法对其内部结构进行划分并研究裂缝发育特征。断层核内裂缝整体不发育，岩心观察显示破碎带内岩心破碎，可见大量裂缝发育，部分被方解石充填。成像测井显示破碎带内以斜交缝为主，其中上盘破碎带内裂缝倾向以北西向为主，整体裂缝密度为0.69条/m；而下盘破碎带倾向以北东向为主，裂缝密度为0.51条/m，低于上盘破碎带。裂缝密度与断裂带的孔渗性具有很好的对应关系，高裂缝密度往往对应高渗透率，为断裂带内部有利的油气运聚区(图6)。

图6 二连盆地乌兰花凹陷L18X井断裂带内部裂缝发育特征

断裂带内部裂缝发育差异性主要受构造位置、断裂带力学性质及围岩岩性影响。通过对比国内外不同断裂带内裂缝分布特征可以看出[13-17]，裂缝主要发育于破碎带中，呈现出离断层核距离增加密度减小的趋势，随后裂缝的发育程度逐渐一致。两侧破碎带内裂缝发育密度也有一定的差异性，主动盘裂缝密度一般大于被动盘(图5(b))。不同力学性质断裂带裂缝发育特征不同，张性正断层主要形成与主断裂平行的张裂缝和剪裂缝；走滑断裂控制的裂缝是与其斜交的多组剪裂缝、一组张裂缝和一组与其平行的剪裂缝；逆断层控制的裂缝主要是垂直于逆断层走向的最大主应力方向形成的张裂缝、一组产状与断层面相同的和另一组与断层面在剖面上呈一定角度相交的剪裂缝[18]。围岩岩性也是控制断裂带内部裂缝发育的重要因素，脆性地层中伴生裂缝与诱导裂缝较为发育，而塑性地层中诱导裂缝不发育[9]。对于碳酸盐岩来说，随着白云石含量增加，裂缝发育密度也相应增大；对于碎屑岩来说，岩相粒度越细，裂缝密度越大，粉砂岩和细砂岩相裂缝发育程度较高[19-20]。裂缝在由较软的岩层向较硬的岩层扩展时，会发生裂缝的终止或弯曲，进而控制了断裂带不同结构单元内的裂缝分布特征[19]。

2 断裂带内部油气运聚特征

2.1 油气输导通道及输导方式

宏观上，断裂带内部断层核和破碎带都可以作为油气输导通道，以破碎带内的油气运移为主。由于复杂的应力状态，断裂带内往往会形成构造复杂带，如端部破碎带、连接破碎带和相互作用破碎带等，这些复杂的构造带为有利的油气输导通道[19]。微观上，断裂带输导油气的主要通道为伴生裂缝、诱导裂缝和连通孔隙等[5,21]。

断裂带内油气运移具有很强的非均质性和阶段性，国内外学者通过研究断裂带内油气运移特征，提出了不同的断裂带油气输导方式。整体上，断裂带内部油气的输导方式可以总结为3种：油气在断层活动时以“地震泵”形式进行幕式运移，输导通道以断层核内的伴生裂缝为主，其次为破碎带内的诱导裂缝[21]，是断裂带输导油气最主要和最高效的阶段。在断层静止到诱导裂缝充填前，油气主要沿破碎带内部连通的诱导裂缝和孔隙进行连续运移。在诱导裂缝充填后，断裂带可以在断层核和破碎带内进行缓慢运移，输导通道以连通孔隙为主。断裂带在各个活动阶段相互转化的过程中，3种油气输导方式也相应地交替变化(图7)。

图7 断裂带不同演化阶段各结构单元输导能力

不同结构单元组合类型断裂带的输导通道和输导方式具有一定的差异性，结构残缺Ⅰ型断裂带输导通道为伴生裂缝，而结构残缺Ⅱ型断裂带输导通道以伴生裂缝和连通孔隙为主，两种类型断裂带都以断层活动期幕式油气运移为主。结构残缺Ⅲ型断裂带输导通道为诱导裂缝和连通孔隙，结构残缺Ⅳ型、结构完整型和结构复杂型断裂带输导通道为伴生裂缝、诱导裂缝和连通孔隙，4种类型断裂带都存在断层活动期幕式运移、断层静止到诱导裂缝充填前连续运移以及诱导裂缝充填后缓慢运移3种油气输导方式，且结构完整型和结构复杂型断裂带输导能力较强。

2.2 断裂带输导-封闭双重特征

从前述断裂带渗透率和裂缝密度对比及输导方式演化特征可看出：断层活动时，断层核和破碎带都可以作为油气幕式运移通道;在诱导裂缝充填后，断层核和破碎带的输导能力较低，主要起遮挡作用。在断层静止到诱导裂缝充填前，断裂带对油气具有输导和封闭双重作用，主要取决于不同结构单元之间的组合关系。断裂带结构指数Fa为破碎带宽度与断裂带宽度的比值[4]，Fb定义为断层核宽度与断裂带宽度的比值。当Fa=0且Fb=0时，断裂带为结构残缺Ⅰ型，此时断层可以作为油气侧向输导通道，输导能力取决于两侧地层的对置关系。当Fa=0且Fb≠0时，断裂带为结构残缺Ⅱ型，可以作为油气运移和聚集的封堵层，封闭性与断层岩含量有关。对比不同断层岩渗透率(图5(b))，泥岩涂抹形成的断层泥或研磨作用形成的碎裂岩含量越高，断层核封堵能力越强[4]。当Fb=0且Fa≠0时，断裂带为结构残缺Ⅲ型，起到了油气侧向和纵向输导通道的作用(图8)，输导能力主要与破碎带内裂缝密度及连通性有关[16]。

图8 不同结构单元组合类型断裂带的输导和封闭性特征

当Fa和Fb皆不为0时，断裂带对油气运聚所起的作用取决于断层核和破碎带的相对含量。Fa较大且Fb较小时，断层核几乎不发育，表现为宽度较窄且不连续的特征，此时断裂带以油气输导为主。Fb较大且Fa较小时，破碎带几乎不发育，断裂带以油气封堵为主。当Fa和Fb都较大时，断裂带为输导-封堵组合型，断层核为油气侧向封堵层，破碎带可以作为油气纵向输导通道(图8)。对于破碎带，结构完整型断裂带内主动盘破碎带裂缝密度高，其输导能力强于被动盘(图8)。由于构造复杂性，结构复杂型断裂带内部往往形成多个断层核、破碎带或“空腔”等结构，这些“空腔”或者端部、连接和相互作用破碎带内流体流速相对更高，为油气有利的运移和聚集区[22]。

以南堡凹陷为例，综合识别出结构残缺Ⅱ型、结构残缺Ⅲ型、结构残缺Ⅳ型、结构完整Ⅰ型、结构完整Ⅱ型和结构复杂型6种结构单元组合类型，其中柳南地区柳102和高柳断裂带为结构完整Ⅱ型，柳南5断裂带为结构残缺Ⅱ型，高3X3断裂带为结构残缺Ⅳ型。

非烃化合物中由于含有氮原子杂环化的咔唑类分子而具有较强的极性，在石油运移过程中出现明显的地质色层分馏效应，故可以用来指示油气运移方向[23]。以柳102断裂带为例，1,8-二甲基咔唑/2,7-二甲基咔唑和苯并咔唑[c]/苯并咔唑[a]两个参数值的增大趋势指示了油气运移方向为由L102-7井到LN3-3-P3井及由L103-1井到LN6-2井，而LN6-2井和L102-7井的两个参数之间没有明显的变化，说明两口井之间没有油气进行跨断层侧向运移，由此证明了柳102断裂带为输导-封堵组合型断裂带，断层核为油气侧向运移的封堵层(图9)。结合油气运移路径示踪、油气纵向分布特征和断裂带结构可以看出，柳102、高3X3和高柳断裂带活动性强，静止到诱导裂缝充填前为输导-封堵组合型断裂带，柳南5断裂带活动性弱，整体表现为封堵型。油气主要沿柳102、高3X3和高柳断裂带的上盘破碎带纵向运移，四条断裂带的断层核为油气侧向运移的遮挡层，控制了油气富集于柳102、高3X3和高柳断裂带上盘圈闭中(图9)。

图9 南堡凹陷柳南地区运移路径示踪及断裂带内部油气运聚模式图

2.3 断裂带“时间-空间”耦合控藏模式

断裂带内部结构单元组合类型控制了油气运聚特征，多个学者据此提出了不同的断裂带控藏模式。根据断裂带不同位置的输导和封闭性建立了“主动盘破碎带输导油气、被动盘遮挡油气”的控藏模式[5]；根据东营凹陷东辛复杂断块油气田的断裂沥青带研究建立了“断裂空腔”控藏模式[22]；综合识别出富油凹陷仅上盘破碎带、仅断层核、断层核和上盘破碎带、断层核和两侧对称破碎带、复杂混合型等6种结构单元组合类型，并建立了相应的成藏模式[24]。

断裂带具有“时间-空间”耦合控藏特征，随着断裂带由活动到静止再到诱导裂缝充填相互转化的过程中，不同结构单元的输导和封闭特征不同。从时间上来说，断裂带输导油气最主要的阶段为活动期间，只有与烃源岩生排烃期匹配的开启断裂带才可以作为油气主力输导通道。从空间上来说，不同演化阶段断裂带内部结构单元对油气所起的作用不同，活动期断裂带为油气输导通道，断层静止到诱导裂缝充填前断裂带具有输导-封闭双重性，而诱导裂缝充填后断裂带整体表现为遮挡层，进而控制了油气运聚特征(图7)。

以松辽盆地龙凤山地区F5断层为例，根据断层活动速率与油气显示叠合关系得到断层活动速率小于3 m/Ma且断面古应力大于70 MPa时断裂带具有封闭性，由此可以看出断裂带在沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)和登娄库组(K1d)沉积期为开启状态，在火石岭组(K1h)、泉头组(K1q)沉积期为封闭状态。研究区内主力烃源岩的生烃期为登娄库组沉积期，因此断裂带在登娄库组沉积期为主要的油气输导期。在登娄库组沉积期时断裂带内部不同结构单元起到的输导作用不同，根据声波时差和密度曲线变化率(ΔXDEN)及裂缝发育系数识别出F5为结构完整Ⅱ型断裂带，上盘破碎带为主要的油气输导通道。断裂带在时间与空间上相互作用，共同控制了油气沿上盘破碎带运移并于上盘圈闭聚集(图10)。

图10 松辽盆地龙凤山地区F5断裂带结构及其开启与封闭史

3 结 论

(1)含油气盆地断裂带结构具有分带性，根据结构单元组合方式将断裂带结构划分为结构残缺型、结构完整型和结构复杂型3大类。断裂带内输导方式分为3种：断层活动时油气以“地震泵”形式进行幕式运移，输导通道以断层核内的伴生裂缝为主；在断层静止到诱导裂缝充填前，油气主要沿破碎带内部连通的诱导裂缝和孔隙进行连续运移；诱导裂缝充填后油气在断层核和破碎带内的连通孔隙中进行缓慢运移。不同结构单元组合类型断裂带的输导通道和输导方式具有一定的差异性。

(2)不同结构类型断裂带在静止到诱导裂缝充填前对油气运聚所起的作用不同，结构残缺Ⅰ型和Ⅲ型为输导型断裂带，输导能力受控于裂缝密度和连通性；结构残缺Ⅱ型为封堵型断裂带，封闭性与低渗透的断层泥和碎裂岩含量有关；结构残缺Ⅳ型、结构完整型和结构复杂型断裂带具有油气输导和封堵双重性,输导能力受控于断层核和破碎带相对含量。

(3)基于输导方式演化特征和结构单元空间差异性，断裂带具有“时间-空间”耦合控藏特征。从时间上看，与生排烃期匹配的开启断裂带为油气主力输导通道；从空间上看，不同演化阶段断裂带内部各结构单元的油气输导特征不同。断裂带在时间和空间上相互影响，共同控制了油气运聚。