孫同文，高喜成，呂延防，付 廣，王海學(xué)，王浩然

(1.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000； 2. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

斷裂轉(zhuǎn)換帶是斷裂為了保持應(yīng)變和位移量守恒而誘導(dǎo)出的調(diào)節(jié)性構(gòu)造變形，構(gòu)造較為復(fù)雜，與單條、孤立斷層相比，裂縫的數(shù)量增多、方向和范圍較寬，是流體-巖石相互作用的重要場(chǎng)所，幾乎影響所有的流體，包括油氣、CO2、地?zé)崃黧w、變質(zhì)流體和巖漿等[1-3]。在油氣運(yùn)移與聚集研究方面，近幾年來(lái)越來(lái)越多的油田勘探實(shí)踐表明，油氣田往往集中分布于斷裂彎曲轉(zhuǎn)折端、斷裂交匯區(qū)及斷裂末端等轉(zhuǎn)換帶或其附近位置[4-7]，斷裂轉(zhuǎn)換帶表現(xiàn)出明顯的輸導(dǎo)通道特征。但目前對(duì)斷裂轉(zhuǎn)換帶的研究大多側(cè)重于控制砂體入盆[8-11]和生烴洼槽的遷移[12-13]，對(duì)其運(yùn)移油氣特征研究甚少，除轉(zhuǎn)換斜坡可作為側(cè)向運(yùn)移通道[3,14-15]，斷裂交匯區(qū)可作為垂向滲漏通道[16-18]的少數(shù)報(bào)道外，幾乎沒(méi)有人專門對(duì)斷裂轉(zhuǎn)換帶是否可以作為油氣運(yùn)移通道、什么情況下作為側(cè)向或垂向運(yùn)移通道，以及優(yōu)勢(shì)運(yùn)移的條件和模式進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的總結(jié)。然而，在不同的運(yùn)移方式下油氣富集的層位和部位都有較大差異，這無(wú)疑制約了斷陷盆地的油氣勘探部署，也是目前斷裂輸導(dǎo)研究中的薄弱點(diǎn)。本文通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外最新研究成果，在斷裂轉(zhuǎn)換帶形成演化過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其油氣運(yùn)移特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，分別總結(jié)了斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣側(cè)向、垂向運(yùn)移通道的優(yōu)勢(shì)條件和運(yùn)移模式，并通過(guò)礦物沉淀速率、礦床突水現(xiàn)象等證實(shí)了其作為運(yùn)移通道的可靠性。擬通過(guò)本次研究為目前油氣勘探中斷裂轉(zhuǎn)換帶部位的評(píng)價(jià)部署提供參考，以及豐富和完善斷裂輸導(dǎo)油氣理論。

1 斷裂轉(zhuǎn)換帶的形成演化過(guò)程

在張性盆地中，斷裂轉(zhuǎn)換帶是表征控凹主斷層沿走向通過(guò)其他形式的構(gòu)造(分支斷裂、凸起、轉(zhuǎn)換斜坡或撕裂斷層等)傳遞或轉(zhuǎn)換為另一條控凹主斷層，以保持應(yīng)變和位移(伸展量)量守恒，即由于主干正斷層伸展位移誘導(dǎo)出的調(diào)節(jié)性構(gòu)造變形[19-22]。與其相似的概念還有調(diào)節(jié)帶[23]、轉(zhuǎn)換構(gòu)造[24]、傳遞帶[9,14,25]、變換帶[10]、構(gòu)造調(diào)節(jié)帶[26]和變換構(gòu)造[27-28]等。

大量研究認(rèn)為，斷裂分段生長(zhǎng)是轉(zhuǎn)換帶形成的主要機(jī)制[2,29]，也是裂陷盆地形成演化過(guò)程中必不可少的階段。斷層分段生長(zhǎng)連接主要分為三個(gè)階段[30-32]：階段一，孤立成核階段(圖1a，b，t1階段)，兩條斷層之間彼此趨近，但相互不發(fā)生作用，之間沒(méi)有或很少發(fā)育裂縫(圖1c)；階段二，“軟連接”階段(圖1a，t2，t3階段)，兩條斷層逐漸生長(zhǎng)至端部接近并相互疊覆，開始發(fā)生相互作用但沒(méi)有明顯的連接。疊覆區(qū)斷層之間相互作用，開始產(chǎn)生裂縫，并隨著演化裂縫數(shù)量增多、規(guī)模變大(圖1d,e)；階段三，“硬連接”階段[29](圖1a，t4階段)，當(dāng)相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，疊覆區(qū)裂縫數(shù)量及規(guī)模逐漸增加，兩條斷層之間通過(guò)轉(zhuǎn)換帶破壞、貫通形成一條新的連接斷層(變換斷層，F(xiàn)3)，轉(zhuǎn)換帶完全破裂(圖1f)。

圖1 斷裂轉(zhuǎn)換帶演化過(guò)程[31]及裂縫發(fā)育特征[32]Fig.1 The evolution process of fault transformation zones[31] and characteristics of fracture development[32]c.孤立階段；d，e.軟連接階段；f.硬連接階段

根據(jù)斷距—距離曲線上的特征，可以明顯看出斷裂生長(zhǎng)連接部位位移為相對(duì)低值區(qū)，其低值部位即為轉(zhuǎn)換帶的位置(圖1b)。目前常用此方法識(shí)別斷裂轉(zhuǎn)換帶的發(fā)育部位，是斷裂轉(zhuǎn)換帶判識(shí)的重要方法之一。

2 斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣側(cè)向運(yùn)移通道的優(yōu)勢(shì)條件及模式

2.1 斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣側(cè)向運(yùn)移通道的優(yōu)勢(shì)條件

一般認(rèn)為，未被破壞的斷裂轉(zhuǎn)換帶是斷層上的“漏洞”，作為油氣側(cè)向穿過(guò)封閉斷層的通道[12,31]。然而，總結(jié)目前相關(guān)的研究成果表明[3,32-33]，并不是只要發(fā)育轉(zhuǎn)換帶就可以成為油氣側(cè)向穿過(guò)斷層的通道，只有在轉(zhuǎn)換帶演化的早期，其完整性未被破壞，裂縫發(fā)育適中、儲(chǔ)層側(cè)向連通性較好時(shí)才可能成為油氣側(cè)向運(yùn)移的通道。斷裂轉(zhuǎn)換帶作為側(cè)向運(yùn)移通道時(shí)具有以下3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)條件。

2.1.1 具備油氣側(cè)向運(yùn)移的流體勢(shì)梯度

依據(jù)斷層末端傾向的組合關(guān)系，軟連接(未被破壞的)斷裂轉(zhuǎn)換帶又可以分為3類，分別是轉(zhuǎn)換斜坡、斜向背斜和地壘凸起[4](圖2)。根據(jù)目前大量的研究結(jié)果，軟連接斷裂轉(zhuǎn)換帶在勘探階段是流體側(cè)向運(yùn)移穿過(guò)原本封閉斷裂帶的通道[12,31]；在開發(fā)階段，軟連接轉(zhuǎn)換帶代表了引起孤立斷塊之間壓力連通的油、氣、水的路徑，作為流體連通的“傳導(dǎo)器”，其出現(xiàn)和分布是許多斷層油藏中注采方案設(shè)計(jì)和生產(chǎn)井位布署時(shí)要考慮的一個(gè)重要的因素[32-33]。

軟連接斷裂轉(zhuǎn)換帶之所以能作為油氣流動(dòng)的關(guān)鍵通道，其首要原因是因?yàn)榫邆淞肆黧w側(cè)向運(yùn)移的流體勢(shì)梯度。其中轉(zhuǎn)換斜坡和地壘凸起形成斜坡構(gòu)造，而斜向背斜軸部為構(gòu)造脊，均是溝通斷層上、下盤的橋梁，本質(zhì)上是斷層上的“薄弱點(diǎn)”或“漏洞”[32]。當(dāng)油氣沿?cái)鄬訌纳畈可鸁N洼槽垂向運(yùn)移后，優(yōu)先向這些橋梁匯聚并發(fā)生側(cè)向運(yùn)移。其中，轉(zhuǎn)換斜坡一端溝通洼槽中心，另一端溝通斷層上升盤，是最有利的油氣側(cè)向穿斷層運(yùn)移部位(圖2a)，當(dāng)沿斜坡側(cè)向連通性較好時(shí)即可作為優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道[34-35]。

2.1.2 儲(chǔ)層對(duì)接概率大且側(cè)向連通性好

在斷陷盆地中，斷裂轉(zhuǎn)換帶常常是主邊界斷裂帶上的地形低點(diǎn)，具有沉降速率低、高沉積物供應(yīng)特征(圖3)。作為山間河流進(jìn)入盆地的入口，碎屑物質(zhì)沿著轉(zhuǎn)換帶注入盆地[10,22]。轉(zhuǎn)換帶對(duì)沉積體系的控制首先表現(xiàn)為對(duì)物源通道的控制，在轉(zhuǎn)換帶處儲(chǔ)集砂體發(fā)育，容易成為油氣輸導(dǎo)的“中轉(zhuǎn)站”和油氣富集的有利區(qū)帶[3,12]。希臘中部Sperchios盆地發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換帶控制水系入盆的平均面積為87.5 km2，而其他部分平均面積共為17.15 km2[34]。說(shuō)明轉(zhuǎn)換帶明顯控制著水系入盆的位置，進(jìn)而控制了砂體的分布。斷陷盆地中常見硬連接橫向凸起和軟連接轉(zhuǎn)換斜坡兩種典型的轉(zhuǎn)換帶類型，與之對(duì)應(yīng)的斷層下降盤普遍發(fā)育大型扇三角洲或濁積扇砂體(圖3)，其控砂作用的機(jī)制在于同沉積斷裂活動(dòng)導(dǎo)致的古地貌差異，尤其是轉(zhuǎn)換帶斷層下盤的古地貌低地對(duì)物源供給水系起著匯聚和引導(dǎo)作用[36,37]。

在陸源碎屑巖儲(chǔ)層中，完整、未被破壞的斷裂轉(zhuǎn)換帶提供了穿斷層連通性(圖4a)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面斷裂轉(zhuǎn)換帶一般是碎屑物質(zhì)的入盆口，控制形成扇三角洲砂體的沉積，富砂輸導(dǎo)層發(fā)育、連通性好，常常是流體運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道和指向[12]；另一方面，褶皺但未破壞的轉(zhuǎn)換帶地層是連續(xù)的，除了在對(duì)應(yīng)每一層中形成連通的流動(dòng)路徑之外，由于褶皺地層和陡峭的位移梯度，未被破壞的轉(zhuǎn)換斜坡還提供了在斷層錯(cuò)斷層序的多個(gè)層之間的穿斷層并置，導(dǎo)致多儲(chǔ)層單元發(fā)生對(duì)接，增加了流體側(cè)向流動(dòng)的機(jī)率[38]。

圖2 軟連接斷裂轉(zhuǎn)換帶類型及油氣側(cè)向運(yùn)移模式(據(jù)文獻(xiàn)[4]修改)Fig.2 Types of soft-linkage fault transformation zone and modes of lateral hydrocarbon migration (modified after reference [4])a.同向傾斜-轉(zhuǎn)換斜坡；b.相向傾斜-斜向背斜；c.背向傾斜-地壘凸起

圖3 斷裂轉(zhuǎn)換帶控砂及控藏模式[13]Fig.3 A schematic diagram showing the fault transformation zone controlling sandstone development and hydrocarbon accumulation[13]

圖4 軟連接斷裂轉(zhuǎn)換帶油氣側(cè)向、垂向運(yùn)移模式[31]Fig.4 Modes of lateral and vertical migration of hydrocarbon in the fault transformation zone with soft linkage[31]a.轉(zhuǎn)換帶部位提供了穿斷裂進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移的通道；b.轉(zhuǎn)換帶內(nèi)裂縫發(fā)育提供了垂向運(yùn)移的通道

然而，在以下兩種情況下會(huì)使碎屑巖儲(chǔ)層轉(zhuǎn)換斜坡的側(cè)向連通性變差，使油氣沿斜坡側(cè)向運(yùn)移的路徑發(fā)生變化。一是多孔隙砂巖中變形帶(deformation band)的發(fā)育[39]，往往會(huì)成為沿轉(zhuǎn)換斜坡運(yùn)移流體的遮擋物，非常少量低滲透變形帶簇的出現(xiàn)都可能使沿斜坡的有效滲透率減小超過(guò)三個(gè)數(shù)量級(jí)，在研究轉(zhuǎn)換斜坡作為油氣側(cè)向運(yùn)移通道時(shí)需要重新謹(jǐn)慎考慮[40]；二是隨著斷裂轉(zhuǎn)換帶的演化，轉(zhuǎn)換斜坡裂縫密度逐漸增大(圖1c)，垂向滲透性增強(qiáng)，雖然油氣仍可沿轉(zhuǎn)換斜坡砂巖輸導(dǎo)層側(cè)向運(yùn)移[3]，但部分油氣垂向穿過(guò)轉(zhuǎn)換斜坡，發(fā)生油氣的滲漏和調(diào)整[31](圖4b)。

碳酸鹽巖儲(chǔ)層中斷裂轉(zhuǎn)換帶的連通性主要受裂縫系統(tǒng)控制，在該部位裂縫系統(tǒng)最為發(fā)育、滲透率增強(qiáng)最大，確保了相互分離儲(chǔ)層(油藏)單元之間的連通性，因此轉(zhuǎn)換斜坡是碳酸鹽巖儲(chǔ)層中局部油氣流動(dòng)的重要通道[41]。隨著演化的增加，破壞后的硬連接轉(zhuǎn)換帶裂縫系統(tǒng)更加發(fā)育，可能提供了更高的垂向和側(cè)向穿斷層連通性[31],是碳酸鹽巖儲(chǔ)層重要的油氣富集區(qū)。例如，川東南和自流井凹陷鉆在斷裂轉(zhuǎn)換帶附近的25口井中，23口井鉆遇高密度裂縫，其中，高產(chǎn)、中產(chǎn)氣井占70%，表明斷裂轉(zhuǎn)換帶部位裂縫改善了儲(chǔ)集條件，并形成了一定范圍的裂縫圈閉[42]。

2.1.3 具有相對(duì)低的垂向和側(cè)向滲透率比

垂向和側(cè)向滲透率之比(Kv/Kh)也是轉(zhuǎn)換斜坡是否能發(fā)生油氣側(cè)向流動(dòng)的一個(gè)因素。Manzocchi等[38](2010)通過(guò)數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了不同垂向/側(cè)向滲透率比值情況下轉(zhuǎn)換帶對(duì)流體垂向運(yùn)移和側(cè)向運(yùn)移的影響(圖5)。研究模型由低滲透和高滲透層交互的層序組成，在上盤層放置水平示蹤注入器，下盤放置水平產(chǎn)出器(如同注入井和產(chǎn)出井)，設(shè)置有轉(zhuǎn)換斜坡(圖5a)和無(wú)轉(zhuǎn)換斜坡(圖5b)兩種模型，分別模擬在Kv/Kh為高值和低值時(shí)穿斷層流體流動(dòng)速率的變化。結(jié)果表明，當(dāng)垂向/側(cè)向滲透率之比為高值(10-4)時(shí)，不管斷層是否包含轉(zhuǎn)換斜坡，產(chǎn)出速率都是相似的(圖5c)，即有無(wú)轉(zhuǎn)換帶的影響不大，流體主要以垂向運(yùn)移為主；當(dāng)垂向/側(cè)向滲透率之比為低值(10-7)時(shí)，轉(zhuǎn)換帶作用明顯，如果存在轉(zhuǎn)換斜坡，則總的穿斷層流體產(chǎn)出速率大約要高出100倍(圖5d)，流體主要以側(cè)向運(yùn)移為主。

圖5 不同垂/側(cè)向滲透率比情況下轉(zhuǎn)換帶對(duì)穿斷層流體產(chǎn)出速率的影響[38]Fig.5 Effects of fault transformation zone on output rate of fluid through fault under different ratios of vertical to lateral permeability[38]a.包含未破壞轉(zhuǎn)換斜坡的模型；b.無(wú)轉(zhuǎn)換斜坡的等效模型；c,d.不同垂/側(cè)向滲透率比情況下兩種模型的注入流體和滯留流體產(chǎn)量剖面

2.2 斷裂轉(zhuǎn)換帶側(cè)向運(yùn)聚油氣模式

綜合以上分析，未被破壞的斷裂轉(zhuǎn)換斜坡是油氣穿過(guò)封閉斷層發(fā)生側(cè)向運(yùn)移的重要通道。一方面其溝通斷層上盤生烴洼槽和下盤構(gòu)造高部位，并緊鄰油氣源斷層，既具有便利的油氣供給條件，又具備側(cè)向運(yùn)移的流體勢(shì)梯度；另一方面轉(zhuǎn)換斜坡控制扇體入盆，儲(chǔ)集砂體發(fā)育(圖6a)。根據(jù)轉(zhuǎn)換斜坡的演化程度及裂縫發(fā)育密度，其側(cè)向運(yùn)聚油氣特征可總結(jié)為兩種模式[14,43]：未破壞型-側(cè)向連通油氣運(yùn)聚模式和破壞型-側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式。

未破壞型-側(cè)向連通油氣運(yùn)聚模式。在軟連接階段，當(dāng)裂縫發(fā)育適度并與儲(chǔ)集砂體相匹配較好時(shí)，增加了斜坡儲(chǔ)層側(cè)向連通性，但又不增加其垂向連通性(參考數(shù)值模擬結(jié)果，垂向/側(cè)向滲透率之比小于10-7)，此時(shí)轉(zhuǎn)換斜坡處于側(cè)向暢通狀態(tài)，沿油氣源斷層垂向運(yùn)移的油氣在進(jìn)入儲(chǔ)集層后，沿轉(zhuǎn)換斜坡從上盤一側(cè)向下盤側(cè)向運(yùn)移(圖6a)。此時(shí)轉(zhuǎn)換斜坡上連通性整體較好，僅發(fā)育裂縫或小型斷層，在斜坡上，小型斷層遮擋一側(cè)形成斷層遮擋型油氣藏，油氣藏規(guī)模取決于遮擋斷層規(guī)模及斷層的側(cè)向封閉能力。其余油氣進(jìn)入下盤后在均衡沉降形成的背斜圈閉或斷層遮擋部位聚集成藏。例如，Argyll油田位于北海盆地中央地塹，油氣田集中于轉(zhuǎn)換斜坡處，垂直于主斷層的小型斷層側(cè)向封閉，形成斷層遮擋型油藏[14]。

破壞型-側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式。當(dāng)裂縫發(fā)育到一定程度后轉(zhuǎn)換斜坡被破壞，在兩條斷層之間形成與其高角度相交的變換斷層(圖1c)，并受上覆高泥質(zhì)含量封蓋層及斷層活動(dòng)速率的影響，在其垂、側(cè)向形成封閉，油氣沿轉(zhuǎn)換斜坡側(cè)向運(yùn)移至封閉的變換斷層后被遮擋，形成大規(guī)模斷層遮擋型油氣藏(圖6b)。這是轉(zhuǎn)換斜坡油氣富集的主要運(yùn)聚模式，形成大量的相關(guān)類油氣田。例如，國(guó)外的南維京地塹油氣田[4]、利比亞錫爾特盆地Zelten和Lahib油田[44]和我國(guó)渤海灣盆地黃驊坳陷[11]、東濮凹陷西部胡狀集、馬寨和六塔轉(zhuǎn)換斜坡油氣田[9]等。

斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣側(cè)向運(yùn)移通道時(shí)，無(wú)論是未破壞型-側(cè)向連通油氣運(yùn)聚模式還是破壞型-側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式，油氣富集的層位一般與油氣運(yùn)移的層位一致，具有“同層”運(yùn)聚的特征。

3 斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣垂向運(yùn)移通道的優(yōu)勢(shì)條件及模式

3.1 斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣垂向運(yùn)移通道的優(yōu)勢(shì)條件

3.1.1 “硬連接”型轉(zhuǎn)換帶活動(dòng)強(qiáng)度一般較大，容易幕式開啟作為通道

現(xiàn)今斷層走向彎曲轉(zhuǎn)折和斷層交匯的部位往往是斷層演化過(guò)程中發(fā)生分段生長(zhǎng)“硬連接”的位置[15]，由于斷層的彎曲或連接，導(dǎo)致該部位斷面多半崎嶇不平，容易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂活動(dòng)頻繁[45]。天然地震是斷裂活動(dòng)的最直接證據(jù)，在斷裂彎曲轉(zhuǎn)折、強(qiáng)烈活動(dòng)地段和兩組斷裂交匯部位是發(fā)生強(qiáng)地震較多的地方，這已成為較為公認(rèn)的地震標(biāo)志[46]。據(jù)對(duì)我國(guó)190次6級(jí)以上強(qiáng)震統(tǒng)計(jì)，有67%發(fā)生于斷裂交匯部位和斷裂彎曲部位(圖7)。在含油氣盆地中，滕長(zhǎng)宇等[47](2014)研究表明，渤中坳陷位于活動(dòng)較強(qiáng)的營(yíng)口-濰坊與北京-蓬萊走滑斷層交匯所形成的強(qiáng)烈轉(zhuǎn)換拉張構(gòu)造區(qū)，其主干斷層活動(dòng)最強(qiáng)，新近紀(jì)以來(lái)活動(dòng)速率最大(FAR>10 m/Ma)，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期(上新世至今)甚至超過(guò)25 m/Ma，大部分油氣可以通過(guò)這些斷層發(fā)生垂向運(yùn)移并在新近系成藏。由此可見，“硬連接”型轉(zhuǎn)換帶處往往是斷層發(fā)生幕式開啟的重要部位。

圖6 油氣沿?cái)嗔艳D(zhuǎn)換帶側(cè)向運(yùn)聚成藏模式Fig.6 A mode showing the lateral migration and accumulation of oil and gas along a fault transformation zonea.未破壞型-側(cè)向連通油氣運(yùn)聚模式[14]；b.破壞型-垂向、側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式[43]

圖7 中國(guó)大陸地區(qū)6級(jí)以上強(qiáng)震的發(fā)震構(gòu)造條件(據(jù)文獻(xiàn)[45]，修改)Fig.7 Seismogenetic tectonic conditions of strong earthquakes of 6 magnitude or higher in the continental areas of China (modified after reference[45])

3.1.2 “硬連接”型轉(zhuǎn)換帶處斷層面常為脊?fàn)畹蛣?shì)區(qū)，有利于油氣發(fā)生匯聚

在斷層發(fā)生“硬連接”(走向彎曲轉(zhuǎn)折和斷層交匯等)部位，由于斷層面的生長(zhǎng)連接而成為脊?fàn)畹蛣?shì)能區(qū)，有利于油氣匯聚，往往是油氣垂向運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道[48-50]。例如，渤南地區(qū)BZ28-2S/N油田位移—距離曲線顯示，斷裂交叉部位為斷裂轉(zhuǎn)換帶位置，對(duì)應(yīng)于斷層面為脊?fàn)顦?gòu)造，是整個(gè)斷裂面的低勢(shì)區(qū)(圖8)，油氣優(yōu)先向該部位垂向匯聚。從目前斷裂分段生長(zhǎng)點(diǎn)附近已鉆井位，如BZ28-2S-1井、BZ28-2S-3井、BZ28-2S-4井和BZ28-2E-1井產(chǎn)液情況來(lái)看，均為富油氣井位，由此證實(shí)此類轉(zhuǎn)換帶為油氣垂向運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道[49]。

3.1.3 應(yīng)力集中、裂縫發(fā)育，容易破壞蓋層發(fā)生油氣垂向滲漏

Gartrell等[17](2004)通過(guò)直立斷層和傾滑斷層模型，應(yīng)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，對(duì)“硬連接”斷層交匯區(qū)的斷層位移、應(yīng)力(剪切應(yīng)力、差應(yīng)力)及擴(kuò)容變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明斷裂交匯部位是應(yīng)力集中并破壞蓋層發(fā)生垂向滲漏的關(guān)鍵部位(圖8)。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，一是應(yīng)力變化引起上部蓋層在交匯區(qū)附近開啟一個(gè)三角形的高擴(kuò)容帶，成為油氣突破蓋層的垂向充注通道；二是在較高的應(yīng)變下，斷層交匯高擴(kuò)容區(qū)剪切應(yīng)變值低于活動(dòng)斷層面，剪切型泥巖涂抹較低，封閉能力弱。同時(shí)，在兩條或兩條以上斷裂的交匯處，巖石受力較強(qiáng)，容易破碎，扭張縫或張開縫發(fā)育[42]。一般來(lái)說(shuō)，斷裂交匯處的破碎帶規(guī)模要比兩條斷層之和的規(guī)模大的多[51-52]。

圖8 斷裂交匯部位應(yīng)力、應(yīng)變分布數(shù)值模擬[17]Fig.8 The numerical simulation of stress and strain distribution at fault intersections[17]a.數(shù)值模型；b.位移；c.應(yīng)力分布；d.體積應(yīng)變；e.剪切應(yīng)變；f.差應(yīng)力

綜合以上分析，“硬連接”斷層交匯區(qū)和斷層走向彎曲轉(zhuǎn)折部位活動(dòng)強(qiáng)度一般較大，容易發(fā)生幕式開啟，而該部位斷層面往往凹凸不平，一方面脊?fàn)顦?gòu)造有利于發(fā)生油氣匯聚，另一方面容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂縫發(fā)育，對(duì)蓋層發(fā)生破壞。具備了開啟成為通道、匯聚流體集中運(yùn)移和垂向通道暢通的多方面優(yōu)勢(shì)，是發(fā)生油氣(流體)垂向運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道位置。

3.2 斷裂轉(zhuǎn)換帶垂向運(yùn)移油氣模式

在轉(zhuǎn)換斜坡裂縫大量發(fā)育、垂向滲透性增高或者轉(zhuǎn)換斜坡被破壞，形成變換斷層時(shí)，在轉(zhuǎn)換帶部位油氣以垂向運(yùn)移為主。根據(jù)其運(yùn)移特征可總結(jié)為2種模式[3,43]：未完全破壞型-油氣垂向穿斜坡滲漏模式和破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式(圖9)。

未完全破壞型-油氣垂向穿斜坡滲漏模式。當(dāng)轉(zhuǎn)換斜坡未被完全破壞形成變換斷層而裂縫發(fā)育程度較高時(shí)，垂向滲透性明顯增高(垂向/側(cè)向滲透率之比介于10-7和10-4)時(shí)，沿?cái)鄬用鎻纳畈窟\(yùn)移來(lái)的油氣分為兩部分，一部分繼續(xù)垂向運(yùn)移，穿過(guò)轉(zhuǎn)換斜坡發(fā)生滲漏和調(diào)整(圖9a)，另一部分進(jìn)入砂巖儲(chǔ)集層，仍沿轉(zhuǎn)換斜坡側(cè)向運(yùn)移[3]。而當(dāng)垂向滲透性進(jìn)一步增高(垂向/側(cè)向滲透率之比大于10-4)時(shí)，主要以穿轉(zhuǎn)換斜坡的垂向滲漏和運(yùn)移為主，基本不發(fā)生沿轉(zhuǎn)換斜坡的側(cè)向運(yùn)移[39]。

破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式。在轉(zhuǎn)換斜坡逐步被破壞、形成變換斷層的過(guò)程中，斷層彎曲轉(zhuǎn)折部位及交匯部位應(yīng)力集中、活動(dòng)速率較大，發(fā)生幕式啟閉直至最終形成與兩條疊覆斷層近垂直相交的變換斷層，在相交部位斷層面形成脊?fàn)顦?gòu)造[50]，并且附近裂縫發(fā)育，是油氣匯聚的有利部位，沿深層轉(zhuǎn)換斜坡側(cè)向運(yùn)移的油氣通過(guò)變換斷層垂向調(diào)整至淺層進(jìn)行成藏(圖9b)。例如，在珠江口盆地惠西南地區(qū)的HZ26轉(zhuǎn)換斜坡，在轉(zhuǎn)換斜坡被破壞后，深層砂體中聚集的油氣垂向運(yùn)移至中淺層，在一定的蓋層作用下沿著砂體側(cè)向運(yùn)移至圈閉中成藏[43]。

斷裂轉(zhuǎn)換帶作為油氣垂向運(yùn)移通道時(shí)，無(wú)論是未完全破壞型-油氣垂向穿斜坡滲漏模式還是破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式，油氣一般被調(diào)整至淺層富集，具有“跨層”運(yùn)聚的特征。

需要注意的是，破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式和斷裂轉(zhuǎn)換帶側(cè)向運(yùn)聚油氣模式中的破壞型-垂向、側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式在成藏過(guò)程上有著較大差別，是分別發(fā)生于斷裂轉(zhuǎn)換帶演化和斷層幕式活動(dòng)不同階段的運(yùn)移模式。破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式主要發(fā)生于斷裂幕式活動(dòng)及變換斷層形成時(shí)期，油氣主要沿開啟的變換斷層高滲透帶垂向運(yùn)移，油氣往往被垂向調(diào)整至淺層聚集；破壞型-垂向、側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式發(fā)生于變換斷層活動(dòng)間歇期，垂向和側(cè)向上封閉，當(dāng)油氣沿轉(zhuǎn)換斜坡側(cè)向運(yùn)移至變換斷層時(shí)，受其遮擋油氣在下降盤一側(cè)形成聚集，一般富集層位與側(cè)向運(yùn)移層位一致。

圖9 斷裂轉(zhuǎn)換帶垂向運(yùn)聚油氣模式Fig.9 The vertical migration and accumulation mode of oil and gas in the fault transformation zonea.未完全破壞型-油氣垂向穿斜坡滲漏模式[3]；b.破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式[43]

4 斷裂轉(zhuǎn)換帶作為流體運(yùn)移通道的證據(jù)

油氣顯示及油氣富集是曾經(jīng)發(fā)生過(guò)油氣運(yùn)移和聚集最直接的證據(jù)，前面已述及大量斷裂轉(zhuǎn)換帶部位形成大量油氣田，鉆探成功率較高的實(shí)例，除此以外，地下水滲漏、礦物沉淀速率及成巖作用等也可以作為流體運(yùn)移通道的直接證據(jù)。

4.1 地下水滲漏及礦床突水現(xiàn)象

在固體礦產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，沿?cái)鄬悠扑閹菀仔纬傻叵滤蝗氲V床的通道，直接威脅礦井安全。從已發(fā)生的礦床突水情況來(lái)看，絕大多數(shù)都發(fā)生在斷層密集帶、交叉處、收斂處或尖滅端等斷裂轉(zhuǎn)換帶部位[53]。在地?zé)岱矫嫦嗨频难芯勘砻?，熱泉水傾向于集中在斷裂轉(zhuǎn)換帶部位。例如，河南省欒川縣九龍山湯池溫泉出露于馬超營(yíng)斷裂與葫蘆溝斷裂交匯部位的破碎帶上，由于交匯地段巖石破碎十分強(qiáng)烈，成為地球深部的巖漿入侵通道，將熱量向上傳送，形成地?zé)岙惓^(qū)[18]。在此過(guò)程中，由于地下水的長(zhǎng)期滲漏，斷層轉(zhuǎn)換帶往往是形成礦物沉淀的重要區(qū)帶[1,54]。

4.2 礦物沉淀速率及成巖作用

Zhang等[55](2010)通過(guò)二維、三維模型，對(duì)斷層末端及“軟連接”斷層疊覆區(qū)的流體流動(dòng)速率進(jìn)行了數(shù)值模擬，用金(Au)和石英(quartz)進(jìn)行了化學(xué)沉淀反應(yīng)，結(jié)果表明最大Au沉淀速率出現(xiàn)在斷層疊覆段的擴(kuò)容區(qū)，而石英最大沉淀發(fā)生于流體流動(dòng)速率最大的地方，證實(shí)了“軟連接”斷層疊覆區(qū)是流體流動(dòng)速率最大位置，是斷裂上最有利的滲流通道。

由于氧化及成巖作用形成如瀝青、方解石脈和石英膠結(jié)等往往是成藏時(shí)期流體泄露的重要證據(jù)。美國(guó)猶他州Moab斷層曾經(jīng)是重要的流體運(yùn)移通道，與其相關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物主要有方解石、含鐵白云石和孔雀石主要發(fā)育在斷層交匯處、斷階(拉張、擠壓)及斷層末端等斷裂轉(zhuǎn)換帶部位(圖10)，證實(shí)Moab斷層的轉(zhuǎn)換帶是主要發(fā)生流體運(yùn)移的部位[56]。

5 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

1) 目前對(duì)斷裂轉(zhuǎn)換帶的研究更側(cè)重于對(duì)儲(chǔ)集砂體入盆、生烴洼槽的遷移及宏觀上重要的油氣富集區(qū)，而對(duì)于轉(zhuǎn)換帶控制的多種類型圈閉的發(fā)育和作為油氣運(yùn)移通道的分析較為薄弱，尤其是在油氣運(yùn)移方面，幾乎沒(méi)有研究將轉(zhuǎn)換帶與斷裂輸導(dǎo)機(jī)理結(jié)合起來(lái)，忽略了轉(zhuǎn)換帶作為斷裂演化過(guò)程中形成的一種特殊變形構(gòu)造，實(shí)際上是斷裂構(gòu)造上的“薄弱點(diǎn)”或“漏洞”，其自身作為油氣垂向、側(cè)向運(yùn)移通道具有多方面的優(yōu)勢(shì)。從斷裂演化機(jī)理上分析，轉(zhuǎn)換帶與斷層相關(guān)褶皺和斷層面上凹凸形貌的形成都具有內(nèi)在聯(lián)系。在今后的研究中，如果從斷裂演化入手，系統(tǒng)分析不同地質(zhì)歷史時(shí)期的斷裂活動(dòng)速率、斷裂連接特征、地層變形特征和斷層面形貌在統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)下的變化規(guī)律，將能從機(jī)理上更合理地解釋斷裂附近油氣運(yùn)移和富集的全過(guò)程。

圖10 斷裂轉(zhuǎn)換帶相關(guān)的成巖膠結(jié)作用[54]Fig.10 Diagenetic cementation associated with fault transformation zones[54]a.斷層交匯；b.斷層臺(tái)階伸展；c.斷層末端；d.擠壓

2) 目前已開展了大量的研究，以提升在地震可分辨尺度內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)換斜坡幾何學(xué)和演化模式的認(rèn)識(shí)，然而，還需要相當(dāng)多的工作去解決此類構(gòu)造內(nèi)部關(guān)于變形和應(yīng)力分布的問(wèn)題。另外，裂縫發(fā)育程度和滲透率決定了油氣運(yùn)移的方向，數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)垂向/側(cè)向滲透率之比小于10-7時(shí)以側(cè)向運(yùn)移為主，而大于10-4時(shí)以垂向運(yùn)移為主。轉(zhuǎn)換帶的側(cè)向運(yùn)移和垂向運(yùn)移所形成的油氣富集層位差異較大，但是，國(guó)內(nèi)目前關(guān)于轉(zhuǎn)換帶的油氣勘探研究中，其作為運(yùn)移通道，并控制不同油氣富集層位的特征并未得到足夠重視，研究較少并處于定性分析階段，遠(yuǎn)未達(dá)到定量評(píng)價(jià)的程度。

3) 在現(xiàn)階段研究中，一般認(rèn)為“軟連接”疊覆型轉(zhuǎn)換(走向)斜坡是油氣側(cè)向運(yùn)移穿越斷層的通道，通過(guò)孔隙度和滲透率參數(shù)評(píng)價(jià)運(yùn)移通道的連通性。但是，在多孔隙砂巖中，雖然孔滲性整體較高，但變形帶(deformation band)的發(fā)育往往會(huì)成為沿轉(zhuǎn)換斜坡運(yùn)移流體的遮擋物，非常少量低滲透變形帶簇的出現(xiàn)都可能使沿斜坡的有效滲透率減小超過(guò)三個(gè)數(shù)量級(jí)，在研究轉(zhuǎn)換斜坡作為流體輸導(dǎo)通道時(shí)需要重新謹(jǐn)慎考慮。

6 結(jié)論

1) 并不是只要發(fā)育轉(zhuǎn)換斜就可以成為油氣側(cè)向穿過(guò)斷層的通道，只有在轉(zhuǎn)換帶演化的早期，其完整性未被破壞、裂縫發(fā)育適中、儲(chǔ)層側(cè)向連通性較好時(shí)才可能成為油氣側(cè)向運(yùn)移的通道，轉(zhuǎn)換帶作為側(cè)向運(yùn)移通道具有以下三方面的優(yōu)勢(shì)條件：一是具備油氣側(cè)向運(yùn)移的流體勢(shì)梯度；二是砂體發(fā)育，儲(chǔ)層對(duì)接概率大且側(cè)向連通性好；三是具有相對(duì)低的垂向、側(cè)向滲透率比。

2) 斷裂轉(zhuǎn)換帶中，裂縫高度發(fā)育、未被完全破壞轉(zhuǎn)換斜坡和已發(fā)生硬連接的斷層走向彎曲、斷層交匯等部位往往是油氣垂向運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道部位，具備以下三方面優(yōu)勢(shì)條件：一是“硬連接”型轉(zhuǎn)換帶活動(dòng)強(qiáng)度一般較大，容易幕式開啟作為通道；二是“硬連接”型轉(zhuǎn)換帶處斷層面常為脊?fàn)畹蛣?shì)區(qū)，有利于油氣發(fā)生匯聚；三是應(yīng)力集中、裂縫發(fā)育，容易破壞蓋層發(fā)生油氣垂向滲漏。

3) 根據(jù)轉(zhuǎn)換斜坡的演化程度及裂縫發(fā)育密度，其側(cè)向運(yùn)聚油氣特征可總結(jié)為兩種模式：未破壞型-側(cè)向連通油氣運(yùn)聚模式和破壞型-垂向、側(cè)向封閉油氣運(yùn)聚模式，油氣富集層位一般與運(yùn)移層位一致；在轉(zhuǎn)換斜坡裂縫大量發(fā)育或者被破壞時(shí)以垂向運(yùn)移為主，根據(jù)其運(yùn)移特征可總結(jié)為兩種模式：未完全破壞型-油氣垂向穿斜坡滲漏模式和破壞型-油氣沿?cái)鄬用娲瓜蜻\(yùn)移模式，油氣一般被調(diào)整至淺層富集。通過(guò)礦物沉淀速率、成巖作用、地下水滲漏和礦床突水現(xiàn)象等均可證實(shí)斷裂轉(zhuǎn)換帶部位是流體運(yùn)移的通道。