班 麗

(中國石化勝利油田分公司 地質科學研究院,山東 東營 257015)

一活動軸面對油氣分布的控制作用
——以惠民凹陷臨南洼陷為例

班 麗

(中國石化勝利油田分公司 地質科學研究院,山東 東營 257015)

活動軸面指以斷面傾角逐漸變小的正斷層為基底的半地塹盆地在地殼伸展狀態(tài)下,造成上盤產(chǎn)生傾斜的滾卷區(qū)的活動褶皺樞紐。渤海灣盆地內伸展正斷層發(fā)育,通過深入研究其活動軸面的形成機制,并對惠民凹陷臨南油田與臨盤油田含油層系的分析表明,此類正斷層的上盤沿活動軸面產(chǎn)生剪切,形成與主斷層呈反旋向關系的破裂帶或裂隙帶,這些破裂帶或裂隙帶是重要的油氣輸導通道,油氣可沿其發(fā)生二次運移,至有利砂體儲層中成藏?；顒虞S面對于油氣的運移具有重要意義。

臨南洼陷;活動軸面;油氣分布

在諸如渤海灣盆地這樣斷裂構造頻繁發(fā)育的含油氣盆地中,斷裂帶與裂隙帶作為油氣垂向運移通道已被多次證實,裂隙發(fā)育帶的預測對研究隱蔽微裂縫型運移通道具有重要意義。關于裂隙發(fā)育機制的研究較多,但利用活動軸面的概念研究并預測盆地中可能的裂隙帶和破裂帶還未進行過系統(tǒng)研究,本文以惠民凹陷臨南洼陷為例,從活動軸面角度對裂隙發(fā)育帶及其對油氣分布的控制作用進行了細致分析,對隱蔽油氣藏的勘探研究具有重要意義。

1 活動軸面的發(fā)育機制

活動軸面指斷面傾角逐漸變小的正斷層為基底的半地塹盆地在地殼伸展狀態(tài)下,造成上盤產(chǎn)生傾斜的滾卷區(qū)的活動褶皺樞紐[1]。活動軸面和平行的不活動軸面間的區(qū)域為滾卷區(qū),隨著斷層的運動,不活動軸面從活動軸面位置移動開來,這樣滾卷區(qū)隨斷層的滑動規(guī)模增大而加寬(圖1，據(jù)文獻[2])。

莫爾圓和破裂包絡準則可說明活動軸面上巖石的破裂機制:

(1)

式中,τ和σ為平面上的剪切應力和正應力,MPa;k為巖石抗張強度[3],MPa。

圖1 伸展斷層活動軸面的幾何學模型

圖2為抗張應力和壓性應力條件下巖石產(chǎn)生破裂的過程,縱坐標代表剪切應力軸,橫坐標代表正應力軸。莫爾圓直徑為最大主應力σ1和最小主應力σ3之差,破裂包絡線與縱坐標的交點為巖石抗剪強度,與橫坐標的交點為拉張強度。若擠壓應力σ1不斷加大,或由于應力釋放導致σ3減小時,都會使莫爾圓與破裂包絡線相切產(chǎn)生剪切為主的破裂。

圖2 用莫爾圓和破裂包絡線表示的巖石破裂應力場

渤海灣盆地古近紀的沉降主要與地殼拉張引起的盆地差異升降有關,從而形成了沉積凹陷的構造沉降,沉降量、沉降速率與伸展量和伸展速率基本呈線性相關[4]。若將拉張斷層的剖面形態(tài)看作由傾角變小的兩段斷層面組成,發(fā)生構造沉降時,斷層的上盤沿斷層面向下滑動,滑過斷層面彎曲處時,上盤靠近斷層面彎曲處的地層向著斷層面輕微掀斜,沿遠離斷層面方向逐漸減弱并最終變?yōu)闊o掀斜(圖1),此時上盤鄰近斷層面處地層的應力狀態(tài)發(fā)生改變,極易產(chǎn)生微裂縫,隨著上盤繼續(xù)向下滑動,上盤經(jīng)過斷層面彎曲處的地層中會產(chǎn)生更多的微裂縫。根據(jù)活動軸面的概念,斷層面彎曲處的軸面為活動軸面;空間上地層由掀斜轉變?yōu)闊o掀斜的沿斷層走向延伸的面為不活動軸面,一般與活動軸面平行?；顒虞S面與不活動軸面控制的區(qū)域內發(fā)育大量微裂縫,是應變的集中帶,同時也是應力的釋放帶。構造沉降過程中斷層上盤不斷接受沉積,壓實作用不斷增強,使巖石受到不斷加大的垂向擠壓應力σ1,橫向上應力釋放即σ3不斷減小,莫爾圓不斷增大且向左移動,當與破裂包絡線相切時,巖石在應力集中的微裂縫發(fā)生破裂并沿著活動軸面方向在活動軸面與不活動軸面控制的應力集中帶上不斷延伸和擴展,這樣就在滾卷區(qū)內形成了與主斷層呈反旋向關系且以破裂帶或裂隙帶的發(fā)育為特征的活動軸面。

2 臨南洼陷活動軸面的特征

臨南洼陷為惠民凹陷西部的一個近北東向的次級洼陷,主體受近東西向斷層和北東東向斷層的控制,北部發(fā)育商河、臨南斷裂構造帶,東部發(fā)育火成巖相關構造,南部斜坡帶發(fā)育斷塊和鼻狀構造(圖3)。臨南洼陷具有雙層結構,下部古近系斷裂發(fā)育,上部新近系構造平緩,斷層活動減弱。區(qū)內斷層的剖面形態(tài)主要有“平面式”、“鏟式”和“座椅式”3種，其中,“鏟式”和“座椅式”正斷層的上盤易發(fā)育活動軸面控制的傾向與斷層面相反的破裂帶。

圖3 臨南洼陷區(qū)域構造位置及油氣輸導體系分布

本文中選取臨南洼陷中部的南北向地震剖面463測線和洼陷南部的東西向地震剖面58測線,根據(jù)盆地不同時期的伸展程度,研究該盆地活動軸面的形成機制及其分布特征(圖3)。從兩測線剖面上看,古近紀拉張活動從早到晚依次減弱,孔店組沉積時期,盆地南北伸展率和伸展量最大,分別達到3 288.5 m和4.81%;沙四段沉積時期,盆地東西的伸展量最大,為2 711.6 m,伸展率為4.81%。沙三段沉積時期,盆地東西向與南北向的伸展量均顯著降低,至沙一段沉積期伸展活動微弱,之后新近紀時停止伸展活動,開始發(fā)生全盆地范圍的拗陷運動(表1)。

表1 463測線和58測線伸展量及伸展率

臨南洼陷孔店組—沙四段沉積時期盆地強烈伸展,區(qū)內二級斷層臨商斷層的剖面形態(tài)明顯變緩,呈“鏟式”,且形成了一條傾向與其相反的三級斷層——營子街斷層,根據(jù)活動軸面的概念及伸展盆地中活動軸面的產(chǎn)生機制,這條斷層有可能由活動軸面破裂帶演化而來,隨著構造沉降及沉積壓實,該斷層面向下移動成為不活動軸面,活動軸面則沿斷層上盤斷層傾角變化點的法線方向發(fā)育,在沙三段—沙二段沉積時期,盆地的伸展活動雖保持了一定的強度但逐漸減弱,斷層面傾角變化不大,活動軸面很難發(fā)育。區(qū)內另一條二級斷層夏口斷層的剖面形態(tài)呈“平面式”,活動軸面很難發(fā)育。

東西方向上,臨南洼陷仍表現(xiàn)出孔店組—沙四段沉積時期盆地伸展強烈的特征,夏口斷裂帶的三條三級斷層剖面呈“鏟式”和“座椅式”,也具備活動軸面破裂帶發(fā)育的良好條件,根據(jù)活動軸面的概念及伸展盆地中活動軸面的產(chǎn)生機制,活動軸面則沿斷層上盤斷層傾角變化點的法線方向發(fā)育。臨商斷層的剖面形態(tài)也呈“平面式”,活動軸面不發(fā)育。另外該剖面南部“Y”形構造組合形態(tài)較發(fā)育,傾向與主斷層相反的次級斷層都起始于主斷層斷面變緩處,也是活動軸面作用的結果。

3 活動軸面與油氣成藏

臨南洼陷是惠民凹陷生油條件最好的洼陷,研究表明,沙四上烴源巖埋藏深、成熟度較高,沙三下—沙三中是主力烴源巖。前述分析表明,臨商斷層西段和夏口斷裂帶西南段二、三級斷層下降盤中皆發(fā)育有起始于孔店組—沙四段地層的與主斷層傾向相反的活動軸面,將剖面上活動軸面在地面投影,就得到了活動軸面形成的油氣輸導體系在平面上的分布范圍(圖3)?？梢钥闯?臨商斷層西段活動軸面控制范圍內發(fā)現(xiàn)了臨盤油田,夏口斷裂帶西南段活動軸面控制范圍內發(fā)現(xiàn)了臨南油田。沿活動軸面發(fā)育的斷裂帶和破碎帶是重要的隱蔽油氣輸導通道,在浮力、水動力和毛細管阻力的作用下,油氣可以沿其二次運移,至有利砂體儲層中成藏,臨南油田與臨盤油田的形成都與活動軸面有關,而并不主要是斷層帶的作用。如夏口斷裂下降盤的臨南油田油氣豐富,而在其上升盤則為油氣貧乏的錢官屯鼻狀構造。臨南油田沙三段及沙二段地層為主力含油層系,其他層段偶見油氣顯示或不含油,說明該區(qū)油氣有一定的縱向運移。以往認為,臨南油田油氣縱向運移的通道主要是夏口斷裂,而且在全區(qū)大規(guī)模油氣運移期(明化鎮(zhèn)組沉積期—現(xiàn)今),臨南南斜坡所有斷層的活動都較弱,大大限制了油氣的縱向運移,導致該區(qū)油氣有一定的縱向運移但運移不明顯[5]。實際上,若夏口斷裂是油氣二次運移的主要通道,沿斷層運移的油氣更容易進入地層傾角更大的上升盤的錢官屯鼻狀構造砂體中,由于錢官屯鼻狀構造較差的保存條件,將會使油氣大量散失,很難在下降盤烴源巖層以上的層系中富集,油氣將集中于沙三段砂體中,顯然與實際不符。因此該區(qū)斷層并不是唯一的油氣二次運移通道,活動軸面破裂帶的輸導作用不容忽視。活動軸面的形成主要是由于沉積壓實作用,只要盆地接受物源充填,活動軸面的破裂帶就會保持活動性,具有垂向開啟性,因而更易成為油氣的垂向運移通道,油氣沿活動軸面向上運移至有利砂體中,加之夏口斷層良好的側向封堵性而形成側向遮擋油氣藏。由于古近紀末的東營運動使盆地整體抬升,限制了活動軸面破裂帶的繼續(xù)發(fā)育,使活動軸面終止于古近系中下部地層中,油氣的縱向運移也隨之終止，使其垂向運移距離短。中央隆起帶西段臨盤油田的主要含油層系也是沙河街組地層,而在新近系館陶組中較發(fā)育的背斜構造中未發(fā)現(xiàn)油氣顯示,說明活動軸面的發(fā)育對區(qū)內油氣的運移具有控制作用。

4 結 論

(1)渤海灣盆地內伸展正斷層發(fā)育,對活動軸面的形成機制及惠民凹陷臨南油田與臨盤油田含油層系的研究表明,該類正斷層的上盤沿活動軸面產(chǎn)生剪切,形成與主斷層呈反旋向關系的破裂帶或裂隙帶,這些破裂帶或裂隙帶是重要的油氣輸導通道,油氣可沿其發(fā)生二次運移,至有利砂體儲層中成藏。

(2)臨南洼陷的巖性油藏勘探中,由于晚期斷層的強烈活動在洼陷中極少或未發(fā)現(xiàn),從而認為只有在生油層中才可能存在巖性油藏的觀點大大限制了巖性油藏的勘探層系,利用活動軸面的概念解決了油氣運移通道的問題,沿“鏟式”或“座椅式”斷層斷面傾角變緩處有可能發(fā)育以破裂帶為特征的活動軸面,這些破裂帶的活動性主要受控于上部地層的沉積壓實,因此可保持在油氣運移期成為油氣運移的有利隱蔽輸導通道。

[1] HAMBLIN W K. Origin of “reverse drag” on the downthrown side of normal faults[J].Geological Society of America Bulletin, 1965,76:1145-1164.

[2] 華保欽.構造應力場、地震泵和油氣運移[J].沉積學報,1995,13(2):77- 85.

[3] XIAO H, SUPPE J. Origin of rollover[J].AAPG Bulletin, 1992,76(4):509-529.

[4] 漆家福,張一偉,陸克政,等. 渤海灣盆地新生代構造演化[J].石油大學學報,1995,19(增刊):1- 6.

[5] 張勇,趙密福,宋維琪.惠民凹陷臨南斜坡帶油氣縱向運移及其控制因素[J].石油勘探與開發(fā),2000,27(6):21- 22.

[責任編輯] 胡秋媛

2014-11-20

班 麗(1976—),女,山東淄博人,中國石化勝利油田分公司地質科學研究院工程師,博士,主要從事地震地質綜合研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.002

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