微小斷層野外地質(zhì)調(diào)查及作用初探

楊滿平，王正茂

(1.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004;2.中油天然氣股份有限公司，北京 100011)

引 言

斷層是一種常見的構(gòu)造，對斷層的研究也是與地質(zhì)相關(guān)的行業(yè)和研究單位的1個重點，但大部分研究往往集中于一些控制構(gòu)造發(fā)育特征的主要斷層上，對于一些斷距非常小的小斷層和微小斷層，并沒有得到重視，相關(guān)的研究也比較少。對于油氣藏開發(fā)來說，油氣藏的形成和開發(fā)生產(chǎn)是與油藏所處的地層直接相關(guān)的，地層的巖石特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征以及構(gòu)造特征等都能影響油氣藏的最終開發(fā)效果，斷層則是1個非常重要的構(gòu)造因素，其重要性不言而喻。對于斷距較大的斷層，一般可以通過地震資料和地層對比進(jìn)行識別，但是對于一些斷距比較小的斷層，如斷距小于20 m的斷層，用常規(guī)方法解釋地震資料很難識別，而這些小斷距斷層對油田開發(fā)影響卻很大［1－2］。針對這種小斷距斷層，目前都集中在對地震資料通過最先進(jìn)的方法和技術(shù)進(jìn)行精細(xì)處理與解釋，如利用地震動力學(xué)信息尋找微小斷層［3］、模式識別方法［4］、地震資料的關(guān)聯(lián)維識別技術(shù)［1］、相干體技術(shù)和三維可視化技術(shù)［5］等。這些方法可識別斷距落差5 m以上的小斷層，但對于斷距5 m以下的小斷層和微小斷層，目前尚沒有可行的方法和技術(shù)。

本次提出微小斷層的概念，是基于對中國東部斷塊油氣藏成藏特征研究及油氣田開發(fā)中所面臨的一些矛盾和問題而得到的，目的則是通過野外地質(zhì)調(diào)查研究這種極小斷距斷層的特征，并分析其對油氣成藏和油氣田開發(fā)的作用和影響等。

1 微小斷層的定義及形成機理

1.1 斷層分級及微小斷層的定義

斷層是斷裂的一種類型。一般根據(jù)斷層對構(gòu)造、沉積的控制作用以及構(gòu)造發(fā)育史來對斷層進(jìn)行分級，但由于不同盆地或構(gòu)造帶，斷層的發(fā)育期次、規(guī)模和成因機制都有所不同，因而斷層分級尚沒有1個統(tǒng)一的方案。根據(jù)中國東部斷陷盆地的特征，一般可以將斷層分為4～5個級別［6－7］:一級斷層，控制盆地沉積，斷穿基底，在剖面上上下盤斷距非常大，平面上延伸很長，規(guī)模較大;二級斷層，是盆地內(nèi)部局部構(gòu)造及構(gòu)造帶的主控斷層，是構(gòu)造帶的分界線，剖面特征也很明顯，斷距比較大，一般數(shù)百米以上，平面延伸較長;三級斷層，控制局部構(gòu)造，剖面特征上斷距比較大，一般都在100 m以上，平面上能延伸數(shù)千米;四級斷層，多數(shù)為更高級別斷層的伴生斷層、小斷層，數(shù)量多，分布廣，斷距一般為幾米到幾十米，延伸一般數(shù)百米到2 km;五級斷層是指斷距不明顯的斷層，也是一種伴生斷層，這種斷層剖面上落差小，延伸距離短，一般難以識別，斷層穿過的地層少甚至只發(fā)育在某一地層的層內(nèi)。

本次主要研究斷距大小對油氣成藏及油氣田開發(fā)的影響，因此以斷距大小作為斷層分級的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合上述斷層分級方法，將斷層分為5個級別進(jìn)行研究(表1)。

表1 根據(jù)斷距大小劃分?jǐn)鄬蛹墑e標(biāo)準(zhǔn)

微小斷距斷層簡稱微小斷層，可以穿過多條地層，也可以在某一地層內(nèi)發(fā)育。如果斷距為0，平面上也沒有出現(xiàn)滑動，級別更小則稱之為高角度或垂直裂縫。實際中判斷斷距絕對為0的情況是非常困難的，因此這種高角度或垂直裂縫也可以當(dāng)成微小斷層來進(jìn)行研究。

之所以定義斷距小于2 m的斷層為微小斷層，并對其進(jìn)行重點研究，是因為在中國東部斷陷盆地的陸相多油層砂巖油藏開發(fā)過程中，大部分動用的單個油層厚度都大于2 m，對于斷距小于2 m的斷層，一是難以在油層內(nèi)部形成有效的遮擋或形成封閉，對油氣成藏和油氣開發(fā)都會產(chǎn)生重要影響，二是目前對微小斷層的認(rèn)識程度不高，需要深入研究。

1.2 微小斷層的形成機理

斷層的形成主要是因為巖層或巖石受力超過其強度后發(fā)生破裂并產(chǎn)生相對位移或失去連續(xù)性和完整性而形成的［8］，這種應(yīng)力產(chǎn)生的機制大部分來源于構(gòu)造運動，微小斷層作為最低級別的斷層，是在較大斷層形成的基礎(chǔ)上伴生形成的，構(gòu)造活動強度越大，持續(xù)時間越長，活動的范圍寬，形成的微小斷層的數(shù)量越多，分布范圍也越廣泛。另外也有少部分微小斷層是沉積成巖作用而產(chǎn)生的，主要是在沉積成巖過程中，由于差異壓實作用、同生變形作用等導(dǎo)致地層或巖石應(yīng)力集中并形成斷層，并在一些文獻(xiàn)中進(jìn)行了研究和探討［9］。這種斷層也叫同沉積斷層［10］，規(guī)模一般比較小，以小斷層和微小斷層為主。

2 微小斷層野外地質(zhì)調(diào)查

2.1 微小斷層識別方法

對地下斷層的識別，目前常用的方法有地震勘探、鉆井資料的精細(xì)地層對比等，地面則可以通過野外地質(zhì)露頭的觀察進(jìn)行研究。

地震解釋和精細(xì)地層對比是石油行業(yè)研究油藏地質(zhì)構(gòu)造最常用也是最成熟的方法，可以準(zhǔn)確識別斷距比較明顯的斷層，如對50 m以上的中—大斷距斷層的識別比較可靠;小于50 m的斷層，則要根據(jù)地震資料的精度和處理方法結(jié)合精細(xì)地層對比才能進(jìn)行有效識別。研究表明，如果采用比較好的方法和技術(shù)處理地震資料，并采用先進(jìn)的解釋技術(shù)，能夠識別5 m以上的小斷距斷層。采用井間地震的手段甚至能夠識別到5 m以內(nèi)的小斷距斷層，但這種方法研究成本高，難以推廣。對于斷距為2 m以下的微小斷層，用目前傳統(tǒng)的地震處理與解釋技術(shù)還難以識別。

采用鉆井資料進(jìn)行地層對比的方法能精確識別小斷距以上的斷層，即斷距為10 m以上的斷層。在地層旋回特征清晰，單個旋回地層厚度不大的情況下，通過精細(xì)地層對比也能識別10 m以下級別的斷層。對于小于2 m的井間地層或巖性厚度變化，則屬于地層厚度或巖性變化的正常范圍，如巖性的橫向變薄或尖滅、地層的超覆或尖滅等，都可能導(dǎo)致鉆遇地層或巖性的厚度發(fā)生變化，當(dāng)然微小斷層也是導(dǎo)致地層或巖性厚度發(fā)生變化的的一個原因。因此通過地層對比也很難識別斷距小于2 m以下的微小斷層。

2.2 微小斷層野外地質(zhì)調(diào)查

野外地質(zhì)剖面和地質(zhì)露頭觀察是研究構(gòu)造特征最直觀也是最準(zhǔn)確的方法，對國家級地質(zhì)公園秦皇島柳江盆地的5個地質(zhì)剖面進(jìn)行了觀察，巖性以砂巖和碳酸鹽巖為主，沉積環(huán)境有海相(砂巖和碳酸鹽巖)，也有陸相(河流相砂巖)，通過觀察所有剖面均可見到微小斷層的分布。下面以2個典型的地質(zhì)剖面來分析微小斷層的特征。

2.2.1 砂巖地層剖面

該地層剖面位于秦皇島國家地質(zhì)公園雞冠山，巖性為青白口系長龍山組的海綠石石英砂巖，該剖面為新近開挖采石后出露，保存較好，微小斷層發(fā)育特征比較明顯 (圖1)。剖面長6.5 m，觀察到完整切割上下地層的微小斷層有4條，剖面平均分布密度為1.83 m/條，斷距最大為15 cm，最小為3 cm，斷層傾角都大于65°，最大達(dá)到80°以上，都為高傾角斷層。另外還觀察到8條左右級別更低的微小斷層，發(fā)育在下部厚砂巖的層內(nèi)，斷距一般小于5 cm，部分微小斷層斷距不明顯，斷距不明顯的微小斷層也可稱之為高角度裂縫。在微小斷層附近，裂縫比較發(fā)育，為高角度縫，一般在層內(nèi)發(fā)育，垂向延伸的距離比較短，長度一般在幾十厘米左右。

圖1 砂巖地層微小斷層發(fā)育情況(秦皇島雞冠山，2011年)

2.2.2 碳酸鹽巖地層剖面

秦皇島國家地質(zhì)公園碳酸鹽巖的剖面比較多，尤以奧陶系亮甲山灰?guī)r和寒武系張夏組鮞?；?guī)r分布廣泛，從觀察的3個碳酸鹽巖剖面中，微小斷層比較常見，分布密度比較大，一般剖面分布密度都小于3 m/條，高角度裂縫的發(fā)育更為普遍。這里選擇一個典型的小背斜剖面來觀察其微小斷層發(fā)育情況(圖2)，該剖面位于秦皇島秋子峪，巖性主要為寒武系張夏組的鮞?；?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r，根據(jù)觀察結(jié)果，該剖面長度為10 m左右，明顯可見的微小斷層有4條，剖面分布密度約為2.5 m/條;斷距最大為40 cm，最小10 cm左右;斷層傾角大部分大于60°，以高傾角斷層為主;微小斷層主要位于小背斜的兩翼，分析其形成原因，應(yīng)為地層在擠壓隆起變形過程中發(fā)生斷裂錯動而形成;另在微小斷層附近高角度裂縫也比較發(fā)育，隨處可見。

圖2 灰?guī)r地層微小斷層發(fā)育情況(秦皇島秋子峪，2010年)

根據(jù)對秦皇島國家地質(zhì)公園幾個典型地質(zhì)剖面的詳細(xì)觀察，總結(jié)微小斷層的分布具有以下幾個特征:①微小斷層在地層中是普遍存在的，特別是經(jīng)歷過多期構(gòu)造運動的地層中;② 構(gòu)造活動越頻繁、活動強度越大、活動時間越強，微小斷層發(fā)育程度越高，分布密度越大;③微小斷層的傾角都比較大，大部分大于60°;④ 微小斷層附近伴生有大量的高角度裂縫。

3 微小斷層作用初探

3.1 油氣成藏中的作用

復(fù)雜斷塊油氣藏在成藏過程中，斷層作為油氣運移的重要通道已經(jīng)是1個非常成熟的理論，也是所有石油工作者的共識［11－13］。如認(rèn)為二、三級斷層對油氣的聚集起著控制的作用［6］。斷層對油氣成藏的作用是雙重的，它能破壞已經(jīng)形成的油氣藏，使油氣資源沿著開啟的斷層破裂帶流失;同時它也能形成一些新的有利構(gòu)造圈閉和油氣運移通道，形成新的油氣藏。

中國東部的陸相斷陷盆地中，中淺層的第三系東營組和館陶組等儲層比較發(fā)育，在多期構(gòu)造運動背景下形成了大量的構(gòu)造－巖性圈閉，但這些地層內(nèi)部生油層不發(fā)育，生油層則大部分處于較深部位的第三系沙河街組，因此斷層對油氣的運移聚集起著關(guān)鍵作用。對于構(gòu)造－巖性圈閉的成藏機理目前的認(rèn)識比較成熟可靠，但是對于巖性透鏡體和巖性尖滅等巖性圈閉的成藏則存在較大分歧，有的學(xué)者認(rèn)為毛管壓力是其成藏的主要動力［14］;有的學(xué)者認(rèn)為差異突破壓力是其成藏的根本動力;還有人認(rèn)為烴濃度差是成藏的主要動力。這些理論都是建立在這種巖性圈閉所處地層自身具有生油能力的環(huán)境中，對于地層自身不具有生油能力的巖性圈閉，其成藏機理更為復(fù)雜。筆者認(rèn)為，微小斷層在這種巖性圈閉的成藏過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。圖3為中國東部某斷塊油藏的成藏示意圖，二級斷層基礎(chǔ)上發(fā)育的三、四級斷層在上部地層中形成了大量的構(gòu)造－巖性圈閉形成的油藏，通過深入的油藏描述研究后，發(fā)現(xiàn)還存在較多的砂巖透鏡體油藏，這些透鏡體所處地層并無生油能力，距離下部的生油層距離也較遠(yuǎn)，油藏在開發(fā)過程中顯示有裂縫發(fā)育的特征。因此判斷其成藏時，由三、四級斷層形成過程中產(chǎn)生大量的微小斷距斷層或微小斷層，為油氣運移聚集提供了重要的通道，這些微小斷層或微小斷層斷距小，切割的地層少，為油氣資源的后期保存提供了有利的條件，并且通過傳統(tǒng)的地震解釋和地層對比難以發(fā)現(xiàn)這種微小斷層，因而形成了這種巖性油氣藏假象，其實質(zhì)仍然屬于構(gòu)造－巖性油氣藏類型。

圖3 微小斷層在油氣成藏過程中的作用示意圖

3.2 油氣田開發(fā)中的影響和作用

微小斷層在油氣田開發(fā)中作用表現(xiàn)在2個方面，一是有利的方面:微小斷層特別是具有垂直裂縫特征的微小斷層，斷層能發(fā)揮裂縫的導(dǎo)流作用，是油、氣、水流動的重要通道，這種通道對低滲透油氣藏來說尤為重要;另一方面，微小斷層對開發(fā)也能產(chǎn)生不利的影響，如注水井和采油井如果剛好鉆遇微小斷層或在微小斷層附近，注入水就會沿著微小斷層快速到達(dá)相應(yīng)的油井，使得油井在短時間內(nèi)水淹，不利于油井的合理開發(fā);同時由于微小斷層如果穿過上下地層，或者與橫向的非儲層連通，在注水壓力較高的時候，使微小斷層形成的裂隙張開，注入水沿裂隙進(jìn)入其他地層中，最終導(dǎo)致大量的無效注水，浪費生產(chǎn)資源，同時也使油井難以見效而產(chǎn)能降低。對于微小斷層在油氣田開發(fā)中的雙重作用，可以通過對油藏的靜態(tài)和動態(tài)特征綜合研究充分認(rèn)識微小斷層(裂縫)的分布特征后，合理部署注采井網(wǎng)，發(fā)揮微小斷層(裂縫)的導(dǎo)流作用并降低其負(fù)面影響，提高油藏的采出程度。

4 討論

微小斷層的提出只是考慮了斷距的大小，而在實際油氣田的生產(chǎn)過程中，還要詳細(xì)研究微小斷層在平面上的延伸方向和延伸距離，這些參數(shù)對油氣成藏和油氣田的開發(fā)也會產(chǎn)生很大的影響。因而對微小斷層的特征以及微小斷層對油氣田開發(fā)的影響還需要更為詳細(xì)和深入的研究。

地球上的構(gòu)造活動是時刻存在的，局部地區(qū)的地層穩(wěn)定或斷層不發(fā)育只是一個相對的概念，在一些比較穩(wěn)定的盆地如中國的鄂爾多斯盆地，其中部地區(qū)的三疊系延長組低滲透油層在傳統(tǒng)的認(rèn)識上都認(rèn)為斷層欠發(fā)育或者不發(fā)育，但在實際油藏開發(fā)中則表現(xiàn)出大量裂縫存在的特征，通過研究表明這些裂縫大部分為高角度縫，這種現(xiàn)象預(yù)示著，雖然鄂爾多斯盆地中部地區(qū)沒有受到過大型構(gòu)造運動的影響，但小的構(gòu)造運動還是存在的，這些小型的構(gòu)造運動能形成一些微小斷層、以及裂縫等，用傳統(tǒng)的地質(zhì)研究方法很難識別，但是對油氣藏的成藏和開發(fā)生產(chǎn)卻會產(chǎn)生重要的影響。

從微小斷層的定義和野外地質(zhì)剖面看，要嚴(yán)格區(qū)分微小斷層與高角度裂縫之間的差別還是比較困難的，特別是在高角度裂縫比較發(fā)育的碳酸鹽巖地層中，因此還需要更為精確的研究和定義二者之間的關(guān)系。

本次觀察的野外地質(zhì)剖面都是古生代及以前的地層，年代比較久遠(yuǎn)，受構(gòu)造運動影響的期次多，影響時間長，因而微小斷層比較發(fā)育。由于我國目前所發(fā)現(xiàn)的油氣藏所處地層大部分都是古生代及以上的地層為主，特別是東部地區(qū)的斷塊油氣藏則主要分布在第三系的地層中，年代相對要近得多，經(jīng)歷的構(gòu)造運動其次相對要少，因此微小斷層的發(fā)育程度和分布特征可能也要受到影響，需要針對這些地層通過尋找合適的地質(zhì)剖面做詳細(xì)的研究。

5 結(jié)論

(1)提出了以斷距大小對斷層進(jìn)行分級的標(biāo)準(zhǔn)，將斷層分為5個級別，并將斷距小于2 m的斷層定義為微小斷層。

(2)對微小斷層的識別目前難以通過常規(guī)的地質(zhì)勘探和精細(xì)地層對比等地質(zhì)手段來達(dá)到目的，但通過野外地質(zhì)剖面和露頭的研究則可以對微小斷層的特征進(jìn)行詳細(xì)觀察和研究。

(3)微小斷層的發(fā)育程度、分布密度、延伸方向等特征受構(gòu)造運動的活動強度、活動時間等因素的控制。

(4)微小斷層可以作為油氣運移聚集的重要通道，形成一些巖性油氣藏的假象;在油氣田開發(fā)過程中，微小斷層類似垂直裂縫，對油、氣、水的流動起著導(dǎo)流的作用;同時，微小斷層也可能導(dǎo)致油井暴性水淹和水井無效注水等開發(fā)問題。

(5)在斷層不發(fā)育的地區(qū)或地層中(如中國鄂爾多斯盆地中部等)，也可能由于小型的構(gòu)造運動、埋藏壓實作用、同生變形構(gòu)造作用等形成的微小斷層，需要研究其分布特征對油氣運移、油氣田開發(fā)的影響和作用。

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