斷層轉折及其斷層組合應力特征控油規(guī)律研究

鄧 宇，張慶國，陳亞軍

(東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318)

在油氣勘探中，地下斷層信息依靠地震反射來確定，由于地震資料的多解性和分辨率的局限性，人們往往習慣于把斷層面用一條平滑曲線表示，斷層面的空間形態(tài)及形變特征不被揭示。由巖石破裂應力應變曲線可知，斷裂的形成是一個過程而非一個狀態(tài)。地震解釋的地下斷層信息是由諸多斷裂面貫通性聯接的結果，是多個形態(tài)多變的斷面的組合，因此，僅依靠地震剖面上的斷層信息來分析斷層對油氣運聚的控制作用[1-7]以及依據巖性對置原理[8-9]來判斷斷層的封閉性是不可靠的[10-12]。為提高油氣勘探精度和提升下一步油氣有利指向區(qū)預測，就需要對斷裂轉折擴容、斷裂折射機理、不同斷裂組合型式應力集中位置有一個精細而系統(tǒng)的認識。

1 地殼巖石構造應力應變破裂特征

構造物理學者[13]認為，斷層起源于裂隙。格里菲斯強度理論認為，巖石內部存在微小的裂隙，巖石破壞是從微小裂隙處開始的，巖石內部原始裂縫的尖端或附近由于應力集中將產生很大的拉應力，當拉應力超過巖石的抗拉強度時，巖石內部原始裂紋就擴展，不斷傳播擴大，導致巖石裂隙的產生[14-15]。格里菲斯(Griffith)強度理論較好的解釋了裂隙的產生，而裂隙的產生是形成斷層的前提與基礎。只有當斷裂錯動地層發(fā)生相對位移才叫斷層，這就表明從裂隙發(fā)展到斷層需要一定的力學條件[16]。巖石的斷裂破壞不是突然發(fā)生的，而是損傷積累的結果，這里所說的損傷是指巖石受載荷作用過程中產生的微裂縫、微裂隙，他們會在構造應力下不斷擴展貫通成宏觀裂縫，宏觀裂縫不斷擴展成長，導致巖石應變強度持續(xù)降低，最終失去自身承載能力，巖石完全被形成的大斷裂破壞而錯動變形。從損傷力學理論[17]來看，巖石的破裂是一個過程，并非一個狀態(tài)，圖1曲線是從實驗的角度反映了巖石受載荷應力應變的整個破壞過程。

圖1 巖石受載荷應力應變全過程變化曲線

此應力應變曲線分為5個階段：0-Ⅰ段為上覆載荷加載的初期(第1階段)，巖石處于彈性變形階段，載荷與變形量呈明顯的線性關系，巖石內部原始微裂縫逐漸閉合，巖石處于穩(wěn)定未形變破壞狀態(tài)；Ⅰ-Ⅱ段(第2階段)，此時巖石變形呈現出很小的非線性狀態(tài)，由于應力局部集中在巖石內出現新的微裂縫，原始微裂縫這時開始穩(wěn)定擴展，巖石的變形成為了塑性變形；當上覆沉積的載荷強度增至峰值時，巖石內部的微裂縫失穩(wěn)急劇擴展進入Ⅱ-Ⅲ階段(第3階段)，裂縫有規(guī)律地按主應力方向逐步匯集貫通性聯連接成大的裂縫，就宏觀來看，巖石的形變大幅度變化，上覆載荷增加緩慢；當越過載荷峰值強度Ⅲ點后，巖石變形進入Ⅲ-Ⅳ段(第4階段)即應力應變軟化區(qū)；經過此區(qū)域巖石變形繼續(xù)增大，進入Ⅳ-Ⅴ段(第5階段)，但此時巖石的承載能力卻逐趨下降，這個階段巖石內部裂縫已貫通連接成大的斷裂，錯動巖層，他控制著巖層的變形；Ⅴ點之后的變化過程屬于巖石的蠕變階段，巖石承載力小，變形量增大較快，而應力作用基本恒定。這就充分說明斷裂面的空間幾何形態(tài)極其復雜的，不是簡單平直型或平滑面。

2 斷裂轉折成因及其特征

2.1 斷裂轉折的成因

沉積盆地中斷裂是極為普遍的構造應變樣式，而斷裂轉折又是自然界普遍發(fā)育的構造地質現象。斷層轉折的成因眾多，主要有以下4方面：①斷裂是地殼巖塊在一定地應力及構造應力背景作用下形成破裂的表現，巖石和其他材料壓破裂的模擬試驗也揭示,脆性斷裂是由剪切斷裂形變開始，最后由引張斷裂形變發(fā)展完成[18]，因此先期交替遷就X型剪切面形成鋸齒狀追蹤張裂是自然界中斷裂轉折的重要成因；即就單條斷裂，在格里菲斯(Griffith)及其修正的破裂準則基礎上，已有實驗證實裂隙也具分岔擴展的發(fā)育特征[19]；②由于地殼巖石結構以及力學性質的不均勻性，在同一構造應力場作用下，脆塑性巖性介質物性、力學性質的差異，當斷裂在上覆載荷作用下不斷擴展切過不同地層巖性介質時，其斷層產狀將在接觸帶或者接觸面上發(fā)生拐折，即構造上所謂的斷層折射[20](圖2)；③同一巖性地層，巖層內部結構依然存在不均一性，以及在構造變形過程中，空間不同部位賦存邊界條件的差異性等因素，均可導致原始裂縫擴展成長過程中發(fā)生斷裂轉折；④在長期構造演化中，由于后期構造應力疊次作用的差異性，必然對擴展過程中的斷裂不斷進行活動改造，以及不同方向上不同級次斷裂交接復合部位，一組斷裂局部遷就利用另一組斷裂，導致斷裂形態(tài)形變以及產狀的改變而發(fā)生斷裂轉折。

圖2 斷裂折射示意

2.2 斷裂轉折擴容特征

野外實際地質現象揭示，斷層事實上并不是一個簡單的平直面或者滑面，而是由許多小段滑面貫通性相連組成的[11-12]，在橫向上具有一定的厚度，是斷層帶(斷層核和兩側誘導裂縫帶)。斷裂擴展傳播切過不同巖性介質時剪裂角在不同巖性地層中是有差異的，如果巖層的巖石物理—力學性質相差甚大，斷裂面沿走向、傾向產狀變化將非常顯著，許多巖心中可見的折線狀裂縫已被實證；這種現象與光從空氣中入射到不同介質中發(fā)生折射的現象相似，因此在構造上稱為“斷層折射”現象[21]。當斷裂擴展過程中切穿不同巖性地層時，正斷層由塑性巖層擴展至脆性巖層時，折射規(guī)律為：其斷裂傾角變大(圖3a)；其轉折擴容規(guī)律為：由于不同巖層接觸面斷裂擴展回撥應力作用形成不同角度與巖性接觸面相交的斷裂，這樣就形成了接觸帶斷裂轉折處一定范圍的擴容域(圖3b)，這些不同方位折射斷裂的作用是為了消除沿轉折斷層面所產生的潛在間隙，即調節(jié)空間相容性問題。

2.3 斷裂轉折應力分布特征

斷裂轉折形式可分為折線形和弧線形2種(圖4a)，弧形又可分為犁式、帚型、S型等；折線形可分為純張性和張扭性鋸齒狀斷裂。前人實驗表明[22]對于折線形斷裂轉折，斷裂轉折的轉折角大小對應力集中程度與部位存在一定聯系(圖4b)，當轉折角較大時，其轉折疊復部位外鈍角一側為剪應力高值區(qū)，期次斷裂尖端出現相應剪應力高值現象；當轉折角較小時，轉折角的內側也會出現應力集中現象。對于弧形轉折斷裂，高曲率部位凸側為剪應力高值區(qū)，其次是斷裂尖端部位；但總的來看，在形同應力作用條件下，折線形要比弧線形斷裂轉折應力值高、應力集中現象更為顯著一些(圖4a)。折線形斷裂轉折外鈍角一側由于是剪應力高值區(qū)，是引張擴容區(qū)；弧形斷裂高曲率凸側為剪應力高值區(qū)，具有一定的斷裂轉折引張的擴容空間。

圖3 正斷層斷層折射與巖性變化關系

圖4 斷裂轉折應力分布

3 正斷裂組合及其應力分布特征

3.1 正斷層組合幾何形態(tài)及其特征

通過對地下繁雜的斷塊區(qū)斷裂構造樣式的精細研究，對2條相交式和切割式正斷層組合模式進行了剖析，并建立了常見正斷層組合樣式及其空間、平剖面對應關系圖表，其各立體、平剖面特征見表1。

表1 正斷層組合模式及其空間、平剖面對應關系

單一斷裂只有一條斷裂錯斷地層，引起兩側地層變形。相交式斷裂組合樣式指2條斷裂交匯于一點，平面特征表現為一條小規(guī)模斷裂消亡與主干斷裂上，而未切穿主干斷裂。這種組合樣式其主干斷裂活動性一般較次支斷裂強、發(fā)育規(guī)模較次支斷裂大、形成時期較次級斷裂早；該類型在斜坡帶和斷裂帶常見[23]。依據主次斷裂的傾向，給組合樣式可分為如下4種：①次級斷裂發(fā)育于主干斷裂的下盤并與其相交，二者傾向相同；②次級斷裂發(fā)育于主干斷裂的下盤并與其相交，二者傾向相反；③次級斷層發(fā)育于主干斷層的上盤而與其相交，二者傾向相同；④次級斷層發(fā)育于主干斷層的上盤而與其相交，二者傾向相反。交切式斷裂組合樣式指兩條斷層交互，而其中一條斷裂切斷另一條斷裂，平面上揭示為晚期次斷裂切穿早期次斷裂，此種組合模式也常見于斜坡帶[24]。組合樣式依據兩條斷裂傾向可分為以下兩種：①交切斷層與被切穿斷層同傾向組合模式；②交切斷層與被切穿斷層反傾向組合模式。

無論是單條正斷裂還是交叉式、切割式正斷裂組合，應力集中部位與斷裂平面切割深度和縱向相交程度或錯列疊復程度息息相關(圖5)，因此造成控油特征差異。

圖5 斷裂應力集中狀態(tài)解析

3.2 斷裂及其組合應力集中狀態(tài)解析

斷裂尖端為應力集中區(qū)毋庸置疑，原因是地殼大型活動斷裂帶在地表通常延伸較遠，所以，平面上斷裂端點實際上是跡線清晰的斷裂和網狀微裂隙的交匯點、分支點等，單一的端點極其少見，若存在也僅僅是一些微裂隙消亡的末梢，無實質意義；而縱向上斷裂的端點則不然,當大型活動斷裂帶在地表貫通性相連時，水平方向的延伸達到極限之后，斷裂帶的擴展主要向深處進行，剖面上的斷裂尖端是斷裂面下界，是斷裂向深處擴展切割的先驅，尤其在基底起伏陡傾的層段，即斷裂下切深度突變的地段，極易成為地應力高度集中的部位，葉洪等實驗已證實這一點；對于平面上單條斷裂來說，斷裂切割深度變化的部位是應力集中的位置(圖5a)，也是引張擴容的部位；對于斷裂拐點，大部分學者只注意到平面上斷裂的拐折點，而未真正認識剖面上斷裂的拐點，實際上，斷裂在向深部擴展時，斷裂傾角會發(fā)生復雜的變化，甚至出現反向傾斜(圖5b)，在后期構造應力疊次作用下，斷裂繼續(xù)活動時，是應力高度集中區(qū)。對于交匯斷裂和分支斷裂，同樣是平面上斷裂的拐點和交叉點，有的斷裂交叉點和拐點處，斷裂縱向切割深度沒有顯著的變化，容易引起應力集中；而另一些斷裂交匯點和拐點斷裂縱向切割深度顯著變化，一般不易引起引力集中(圖5c)，這已被實踐所證明；縱向上，斷裂交匯處、斷裂為直接相交，尖端相距一定范圍內出現應力集中現象(圖5d)，縱向上斷裂錯列部位也是應力集中區(qū)(圖5e)。

4 控油規(guī)律研究

前人關于斷裂轉折控礦、斷裂組合、斷裂密集帶與油氣分布關系都做過一定程度的研究[1-7]，有學者認為斷裂組合型式與油氣垂向分布有一定關系，有學者認為斷裂交叉控制油氣垂向優(yōu)勢運移通道。筆者認為斷裂控油與斷裂轉折程度、斷裂折射機理、斷裂間力學關系及其局部應力場息息相關。由上述斷裂轉折特征、斷裂折射機理、斷裂組合應力狀態(tài)分布解析。

1)斷裂轉折程度控油：斷裂切穿不同巖性介質時，由于巖石物理—力學性質的差異必然導致斷裂轉折，由于伸展剪切作用形成規(guī)模性引張擴容空間，為礦液的充填、聚集提供良好的賦礦空間，若與高孔高滲砂體的有利配置決定著油氣的主流向。無論是陡坡帶伸展斷裂構造、陡坡帶轉換擠壓斷裂構造還是平壓縮斷裂構造，其斷裂轉折引張部位均可成富油帶(圖6)，圖中富油帶是指伸展剪切作用形成的規(guī)模性擴容空間而非斷裂帶。

圖6 不同斷裂構造轉折控油示意

2)就剖面而言，不能一味地拿地震解釋的斷裂特征來分析他與油氣運聚關系。剖面上地震解釋的每一條斷裂傾向并非是一成不變的，而是由傾向有差異的小段斷層面貫通性構成的，其傾向變化的位置是應力集中區(qū)(圖7)，由于轉折和折射機理縱向上也會形成拉分剝離空間，如果與高孔高滲砂體對置，可為規(guī)模性油氣提供賦存空間。

3)斷裂交叉點并非全是應力集中區(qū)，平面上，交匯的斷裂只有在交匯處切割深度突變時才是應力集中部位(圖7)，當交匯點處是應力集中部位時，改變了巖石物性，裂縫發(fā)育，主干斷裂與其應力擾動形成的張性裂縫貫通性連接，構成油氣優(yōu)勢運移通道和增大運移量；反之，不然。

4)強應變區(qū)控油：油氣往往富集于斷裂帶脆塑性接觸帶構造應力疊復強應變部位，斷裂應變強度越高油氣富集程度一般越高。

圖7 斷裂應力集中與油氣分布關系

綜上，油氣平面和縱向分布與斷裂面轉折程度、斷裂折射機理、不同斷裂組合型式應力集中分布狀態(tài)等息息相關。因此，在分析斷裂構造控油作用時，需把地震解釋的地下斷層信息和斷裂擴展傳播過程、斷裂折射機理、斷裂轉折程度、應力集中狀態(tài)等有機的結合起來，才能更精確、更合理的剖析斷裂構造控油機理。

5 結 論

1)斷裂轉折擴容控油，斷裂轉折部位在伸展剪切作用下形成規(guī)模性擴容域，與高孔高滲砂體的有利配置控制著油氣的主流向和富集程度。

2)不同斷裂組合應力集中不同,控油氣規(guī)律存在差異，斷裂切深突變處、斷裂錯裂疊復部位、斷裂交匯部位、斷裂傾角變化的部位、斷裂尖端部位均是應力集中區(qū)，通常也是油氣富集區(qū)。

在應力集中梯度帶上主斷裂與其誘導的張性裂縫貫通性連接構成油氣優(yōu)勢運移通道以及增大運移量。

3)斷裂強應變區(qū)控油，油氣往往富集于斷裂脆塑性接觸帶或接觸面的構造應力疊復的強應變部位，而且油氣富集程度與斷裂面變形強度一般呈正相關，斷裂應變強度越大的部位油氣富集程度一般越顯著。

[1] 張國良, 陳國童.歧口凹陷斷裂對油氣運聚的控制作用[J].中國海上油氣(地質), 1996, 10(5):290-296.

[2] 邱貽博,查明,陳剛.高郵凹陷陳堡地區(qū)斷裂對油氣運聚的控制作用[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2006, 28(3):206-208.

[3] 陳少平, 熊才華, 林水清, 等.雙城凹陷斷裂特征及其對油氣運聚的控制[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2006，28(5):16-20.

[4] 于俊吉,羅群,張多軍,等.北部灣盆地海南福山凹陷斷裂特征及其對油氣成藏的控制作用[J].石油實驗地質, 2004，26(3):241-248.

[5] 萬濤，蔣有錄，董月霞，等.南堡凹陷斷層活動與油氣成藏和富集的關系[J]. 中國石油大學學報(自然科學版), 2012，36(2):60-67.

[6] 張華文, 周江羽, 劉德志, 等.南堡凹陷4號構造帶蛤坨斷層特征與油氣成藏關系[J].海洋石油，2010，30(2):14-22.

[7] 李宏義, 姜振學, 董月霞, 等.渤海灣盆地南堡凹陷斷層對油氣運聚的控制作用[J].現代地質，2010，24(8):755-761.

[8] Smith D A.Theoretical consideration of sealing and non-sealing faults[J].AAPG,1966,50(2):363-374.

[9] Smith D A.Sealing and non-sealing faults in the Louisiana Gulf CoastBasin[J].AAPG,1980,64(2):145-172.

[10] 張壽庭,李忠權.斷裂轉折及其控礦特征[J].礦物巖石，1998，18(2):85-89.

[11] 魯兵,陳章明, 關德范，等.斷面活動特征及其對油氣的封閉作用[J].石油學報,1996, 17:33-37.

[12] 魯兵, 劉忠, 孔憲政, 等.斷層折射與斷層封閉性的關系[J].石油勘探與開發(fā), 1999, 26(3):28-30.

[13] 馬瑾.構造物理學概論[M].北京：地震出版社.1987.

[14] 肖樹芳.巖體力學[M].北京：地質出版社.1999.

[15] 白清霖,范柱國,薄強.滇西北羊拉礦區(qū)斷裂構造的分形特征分析[J].中國錳業(yè),2016,34(5):5-6.

[16] 許進鵬，宋楊，程久龍，等.小斷層的走向長度與斷距關系的數學模型[J].煤炭學報，2005，30(1):22-25.

[17] Kachanov L M. Variational methods of solution of plasticity problems[J].Journal of Applied Mathematics and Mechanics,1959,13(3):880-883.

[18] 張文佑.斷塊學說[M].北京:石油工業(yè)出版社,1984.

[19] 陳子光.巖石力學性質與構造應力場[M].北京:地質出版社,1986.

[20] 翟裕生,林新多.礦田構造學[M].北京:地質出版社,1993.

[21] 陳國達.成礦構造研究法[M].北京:地質出版社.1978.

[22] 葉洪, 馬瑾, 汪一鵬, 等.從破裂模擬實驗探討破壞性地震發(fā)震條件的一些初步成果[J].地質科學, 1973(1):48-55.

[23] 任紅民, 陳軍, 張春峰, 等.精細地震解釋技術在花莊北地區(qū)的應用[J].石油地球物理勘探，2009，44(2):179-184.

[24] 閆愛英, 楊艷.高郵凹陷沙埝地區(qū)復雜地震資料的構造解釋[J].石油物探,2006，45(1):93-97.