渤海海域東部彎曲走滑斷裂派生伸展與擠壓作用的定量表征及其油氣地質(zhì)意義

李 偉， 蒙美芳， 陳興鵬， 張同杰， 楊海風(fēng)，牛成民， 吳智平， 馮建偉

(1．中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； 2．深層油氣地質(zhì)與地球物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (中國石油大學(xué)(華東))，山東青島266580； 3．中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

走滑派生構(gòu)造是近年來走滑構(gòu)造研究的一大重要進(jìn)展，由于走滑斷裂并不總是平直和連續(xù)的，在其活動(dòng)過程中必然會導(dǎo)致主走滑斷裂尾端、彎曲或疊接部位發(fā)生塊體的匯聚或離散，從而派生出相應(yīng)的局部伸展或擠壓應(yīng)力場[1-2]，依據(jù)局部應(yīng)力特征可以劃分為伸展型(釋壓型)或擠壓型(增壓型)走滑派生構(gòu)造。前人在走滑派生構(gòu)造的類型劃分與特征解析[2-3]、構(gòu)造物理模擬試驗(yàn)[2-4]、控藏作用[2,5-7]等方面開展大量的研究，但目前多是基于構(gòu)造變形特征的定性分析討論和總結(jié)歸納，缺少定量表征派生局部伸展或擠壓作用強(qiáng)弱的技術(shù)方法。渤海海域是中國東部重要的含油氣區(qū)，目前在東部郯廬斷裂帶及其周緣發(fā)現(xiàn)的大、中型油氣田數(shù)量占到整個(gè)渤海海域的70%以上，儲量超過渤海海域總量的60%，走滑及其派生構(gòu)造對油氣聚集成藏具有重要的控制作用[8]。前人研究認(rèn)為，增壓型派生構(gòu)造控制大中型油氣田的分布[2,8]，但是伴隨著近年來勘探程度的日益深入，部分增壓型走滑派生構(gòu)造陸續(xù)出現(xiàn)勘探失利，而釋壓型走滑派生構(gòu)造也有發(fā)現(xiàn)，從而對已有的走滑及派生構(gòu)造控藏機(jī)制和控藏作用認(rèn)識提出挑戰(zhàn)。與伸展、擠壓構(gòu)造相比，走滑構(gòu)造的研究程度相對較低，走滑派生構(gòu)造作為其中的重要進(jìn)展，目前的研究已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期，如何從定性走向定量、從現(xiàn)象深入機(jī)制是目前面臨的主要問題，也是制約走滑派生構(gòu)造控藏作用研究亟待解決的問題。定量分析一直是地質(zhì)學(xué)尤其是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的難點(diǎn)也是熱點(diǎn)之一[9]，筆者以走滑作用強(qiáng)烈、走滑派生構(gòu)造較為發(fā)育的渤海海域東部地區(qū)為研究對象，建立彎曲走滑斷裂派生局部伸展和擠壓作用的定量表征方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合典型區(qū)帶的實(shí)例解剖，探討增壓和釋壓型走滑派生構(gòu)造的油氣地質(zhì)意義。通過本研究可以進(jìn)一步深化走滑及派生構(gòu)造分析理論，豐富走滑及派生構(gòu)造控藏作用研究，為渤海油田及相似地區(qū)油氣勘探提供借鑒。

1 彎曲走滑斷裂派生伸展與擠壓強(qiáng)度的定量表征

郯廬斷裂帶在走向上具有明顯的分段性，在渤海海域自北向南可分為遼東灣段、渤中—渤東段和渤南段，同一區(qū)段又可以分為不同分支斷裂，走向上的彎曲和疊覆現(xiàn)象普遍存在(圖1)[2,10]。新生代漸新世東營組沉積期以來郯廬斷裂帶具有顯著的右旋走滑活動(dòng)特征，走滑派生構(gòu)造十分發(fā)育[2,10]。盡管目前針對走滑派生構(gòu)造研究程度相對較高，但就如何定量表征走滑派生擠壓和伸展作用的強(qiáng)弱鮮見報(bào)道，柳嶼博等[6]提出利用彎曲度定量表征S型主走滑斷裂局部構(gòu)造應(yīng)力的方法。選取渤海海域東部典型的彎曲走滑斷裂，基于走滑派生構(gòu)造的定義，建立走滑派生伸展與擠壓強(qiáng)度的定量表征方法，并與構(gòu)造變形特征進(jìn)行對比分析。

圖1 渤海海域東部區(qū)域構(gòu)造位置及主要斷裂平面展布Fig.1 Regional tectonic position and distribution of main faults in the eastern area of Bohai Sea

區(qū)域走滑作用力方向與彎曲走滑斷裂走向并不一致，因而其作用在走滑斷裂帶走向不同位置的局部應(yīng)力特征存在差異，可以分解為垂直于斷裂走向的法線方向分力和平行于斷裂走向的切線方向分力，其中沿法線方向的分力就是該位置派生擠壓或伸展作用的強(qiáng)度，其計(jì)算公式為

Fd=Fscosα.

(1)

式中，F(xiàn)d為走滑派生作用力;Fs為區(qū)域走滑作用力；α在主斷裂右旋走滑時(shí)為彎曲走滑斷層任意點(diǎn)法線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至區(qū)域走滑方向的角度，當(dāng)主斷裂左旋走滑時(shí)α為彎曲走滑斷層任意點(diǎn)法線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至區(qū)域走滑方向的角度(圖2)。區(qū)域走滑作用力的方向和大小是計(jì)算的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，區(qū)域走滑方向首先參考前人的研究成果明確為NE-SW向[11-12]，進(jìn)而依據(jù)渤海海域東部遼東灣—渤東—渤南連片處理地震資料的解釋成果，確定區(qū)域走滑方向?yàn)镹E32°。區(qū)域走滑作用力大小可以用走滑量代替，當(dāng)針對同一走滑斷裂某一區(qū)段進(jìn)行研究時(shí)，可以近似認(rèn)為走滑量大小不變，進(jìn)而將式(1)簡化，直接用cosα來定量表征彎曲走滑斷裂派生伸展與擠壓作用的強(qiáng)弱。該值為彎曲走滑斷裂派生出的垂直于主走滑斷層走向的擠壓或伸展作用與主走滑作用強(qiáng)度的比值，將其定義為走滑派生強(qiáng)度系數(shù)。當(dāng)該系數(shù)為正值時(shí)代表派生擠壓作用(增壓段)，當(dāng)該系數(shù)為負(fù)值時(shí)代表派生伸展作用(釋壓段)，絕對值表示派生伸展與擠壓作用的相對大小。

圖2 彎曲型走滑斷裂派生伸展、擠壓強(qiáng)度的 定量表征方法示意圖Fig.2 Schematic diagram showing quantitative characterization method of local extension and compression derived from bending strike-slip fault

以遼東灣坳陷中部的遼中1號斷裂為例，計(jì)算得到不同層系的走滑派生強(qiáng)度系數(shù)(圖3)，整體新生界中下部層系(Ek—Es)派生強(qiáng)度系數(shù)絕對值和變化均較小，而淺部層系(Ed—(N+Q))絕對值有所增大。為了驗(yàn)證該方法計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步對比遼中1號斷裂不同位置的剖面特征，圖3中A-A′、C-C′剖面所在位置走滑派生伸展作用(釋壓段)，遼中1號斷裂傾角較緩，表現(xiàn)為輕微鏟式，斷裂對地層沉積具有一定的控制作用；圖3中B-B′、D-D′剖面所在位置走滑派生擠壓作用(增壓段)，斷裂直立、緊閉，兩側(cè)同相軸被切斷、拖拽，表現(xiàn)出一定的擠壓特征。

2 彎曲走滑斷裂派生伸展、擠壓強(qiáng)度定量表征的油氣地質(zhì)意義

基于彎曲走滑斷裂派生構(gòu)造的類型劃分與派生強(qiáng)度定量表征，從源巖發(fā)育演化、圈閉類型規(guī)模、斷裂輸導(dǎo)與封堵、油氣分布規(guī)律等方面探討彎曲走滑派生構(gòu)造的油氣地質(zhì)意義。

2.1 對源巖發(fā)育的控制作用

走滑派生出的伸展作用會促進(jìn)凹陷或洼陷區(qū)的快速沉降[3]，使盆地處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，有利于優(yōu)質(zhì)源巖的發(fā)育[13]。如具有控洼性質(zhì)的遼中2號斷裂東營組走滑派生伸展、擠壓強(qiáng)度系數(shù)與垂向斷距具有很好的相關(guān)性,增壓段垂向斷距明顯較小，而釋壓段斷距明顯增大，且派生伸展強(qiáng)度系數(shù)越大斷距越大，表明派生伸展作用促進(jìn)洼陷的構(gòu)造沉降，利于半深湖—深湖的發(fā)育，形成渤海海域特有的東三段主力烴源巖[14-15]。進(jìn)一步對比渤海海域東部典型生烴洼陷最大烴源巖厚度、最大總有機(jī)碳含量(TOC)與走滑派生強(qiáng)度系數(shù)的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，東營組最大烴源巖厚度與走滑派生伸展強(qiáng)度系數(shù)的絕對值呈正相關(guān)(圖4(a))，最大總有機(jī)碳含量(TOC)也表現(xiàn)出相同的特征(圖4(b))，這在一定程度上說明走滑派生伸展作用有利于形成好的烴源巖[15]。

圖3 遼東灣坳陷遼中1號斷裂不同層系走滑派生強(qiáng)度系數(shù)與剖面特征Fig.3 Strike-slip derived strength coefficient in different layer and pofile characteristics of Liaozhong 1 fault in Liaodong Bay depression

2.2 對構(gòu)造圈閉發(fā)育的控制作用

前人研究認(rèn)為走滑派生伸展構(gòu)造發(fā)育的圈閉往往規(guī)模較小，以小型斷塊為主；走滑派生擠壓構(gòu)造有利于大中型圈閉的形成，一般是背斜類、斷背斜類或鼻狀構(gòu)造為主的圈閉[2]。圖5為遼東灣坳陷南部中央走滑斷裂走滑派生強(qiáng)度系數(shù)評價(jià)結(jié)果及不同位置的地震剖面，圖5(b)、(c)測線所在位置為釋壓段，可以發(fā)現(xiàn)地層彎曲變形幅度較小、地震反射同相軸平直，圈閉規(guī)模??；而在圖5(d)、(e)測線位置為增壓段，地層彎曲變形幅度明顯增大，進(jìn)而導(dǎo)致圈閉幅度的增大。整體上彎曲走滑斷裂派生擠壓、伸展類型及強(qiáng)度與圈閉幅度具有很好的相關(guān)性，增壓段幅度明顯大于派生伸展部位，且派生強(qiáng)度系數(shù)越大圈閉幅度越大。

圖4 東營組沉積期走滑派生伸展強(qiáng)度系數(shù)與源巖發(fā)育關(guān)系Fig.4 Relationship between extensional strength coefficient of strike-slip derivation and source rock development of Dongying Formation

2.3 對油氣輸導(dǎo)與封堵的控制作用

斷裂在油氣運(yùn)聚成藏過程中具有雙重作用:一方面可以作為油氣運(yùn)移的通道，另一方面又可為油氣聚集成藏提供封堵條件[16]。近年來的研究認(rèn)為不同局部應(yīng)力狀態(tài)的走滑斷裂對油氣的輸導(dǎo)與封堵作用存在差異，走滑派生增壓段具有良好的封閉作用，而走滑派生釋壓段斷裂處于開啟狀態(tài)，難以阻止流體的運(yùn)移[2,8]。但目前多是基于對典型實(shí)例的總結(jié)歸納，而缺少機(jī)制性的探討，基于對渤海海域彎曲走滑斷裂派生伸展與擠壓強(qiáng)度的定量表征，分析不同類型、強(qiáng)度派生局部構(gòu)造應(yīng)力對斷裂帶及其附近儲層物性特征(孔隙度、滲透率)的控制作用，進(jìn)而探討走滑派生局部應(yīng)力對油氣輸導(dǎo)與封堵的控制作用。

2.3.1 走滑派生局部應(yīng)力導(dǎo)致斷裂及其附近孔隙度變化

孔隙度影響因素主要有巖石的原始沉積組構(gòu)、成巖作用強(qiáng)度及局部構(gòu)造應(yīng)力[17-18]。走滑派生局部構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致顆粒排列方式發(fā)生變化，進(jìn)而影響孔隙度。統(tǒng)計(jì)遼東灣坳陷遼中1號斷裂附近各井的實(shí)測孔隙度數(shù)據(jù)(圖6)，結(jié)果表明孔隙度整體具有走滑派生增壓段小于釋壓段的特點(diǎn)。

2.3.2 走滑派生局部應(yīng)力導(dǎo)致斷裂及其附近滲透率變化

統(tǒng)計(jì)遼東灣坳陷遼中1號斷裂附近各井的實(shí)測滲透率數(shù)據(jù)，由于滲透率的影響因素較多，主要選取泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為10%～15%、孔隙度為20%～25%條件下的滲透率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明滲透率整體具有走滑派生增壓段小于釋壓段的特點(diǎn)，與孔隙度特征相似(圖7)。

滲透率為一定壓差下巖石允許流體通過的能力，具有各向異性，可以分解為3個(gè)分量(Kv，Khmax，Khmin)[19]。就斷裂帶滲透率而言，各分量的方向和大小與其所處部位的主應(yīng)力方向和相對大小存在相關(guān)性，通常情況下最大滲透率分量的方向與中間主應(yīng)力方向平行，而最小和中間滲透率分量的方向分別對應(yīng)于最小和最大主應(yīng)力方向[20]。純走滑斷裂應(yīng)力狀態(tài)下最大滲透率分量沿?cái)鄬哟瓜蚍植?，中間滲透率分量與斷裂走向平行，最小滲透率分量垂直于斷裂走向,而在主走滑斷裂彎曲情況下，派生出的局部擠壓、伸展作用影響斷裂水平方向的滲透率。Wang等[21]認(rèn)為斷裂滲透率與所處部位的正應(yīng)力有關(guān)，斷層所受正應(yīng)力越大，滲透率越小。Faulkner等[20]提出作用在斷面上的有效正應(yīng)力具有壓扭段>純走滑段>張扭段的特點(diǎn)，有效正應(yīng)力為斷面正應(yīng)力減去流體壓力(ρwgh,ρw為水的密度，g為自由落體加速度，h為埋深)，其中流體壓力在同一深度恒定，因此有效正應(yīng)力大小主要決定于斷面正應(yīng)力(垂直斷面的應(yīng)力)大小，由此可以推測作用在彎曲走滑斷裂斷面上的正應(yīng)力同樣具有增壓段>純走滑段>釋壓段的特點(diǎn)。綜合上述分析，就彎曲走滑斷裂而言，增壓段縱向滲透率分量大，平面滲透率分量沿?cái)鄬幼呦虼?、垂直斷層最??；釋壓段縱向滲透率分量大，平面滲透率分量垂直斷層大、沿?cái)鄬幼呦蜃钚　?/p>

圖7 遼東灣坳陷遼中1號斷裂附近各井的實(shí)測滲透率散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagram of measured permeability from wells near Liaozhong 1 Fault in Liaodong Bay depression

2.3.3 走滑派生局部應(yīng)力影響油氣運(yùn)移

油氣沿?cái)嗔褞Т嬖诖瓜颉?cè)向和走向3個(gè)方向的運(yùn)移分量，優(yōu)勢方向取決于各方向的運(yùn)移動(dòng)力及阻力[22]。對彎曲走滑派生構(gòu)造斷裂及附近的孔隙度和滲透率分析結(jié)果表明，走滑派生的局部構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致斷裂帶及其附近物性特征的變化，從而影響油氣運(yùn)移尤其是優(yōu)勢運(yùn)移方向。

(1)油氣穿過走滑斷裂增壓段運(yùn)移、釋壓段封堵。油氣在何種情況下能夠穿過斷裂帶側(cè)向運(yùn)移,長期以來為石油地質(zhì)工作者們所爭論。就彎曲走滑斷裂而言，釋壓段孔隙度相對較大，平面滲透率分量垂直斷裂大、沿?cái)嗔炎呦蜃钚?；增壓段孔隙度相對較小，平面滲透率分量沿?cái)嗔炎呦虼?、垂直斷裂最小，因此可以推測在釋壓段油氣更容易穿過斷裂側(cè)向運(yùn)移。為了證實(shí)這一問題，統(tǒng)計(jì)遼東灣坳陷遼西1號斷裂兩側(cè)井的原油密度和黏度數(shù)據(jù)，由于原油密度和黏度具有沿油氣運(yùn)移方向逐漸增大的特點(diǎn)，因此能夠反映油氣運(yùn)移路徑。結(jié)果表明,原油密度和黏度反映油氣可以自西向東由遼西凹陷穿過遼西1號走滑斷裂釋壓段運(yùn)移(圖8)。圖9為遼東灣坳陷2條典型油藏剖面，其中SZ36-1油田油氣主要來自西側(cè)的遼西凹陷南洼，遼西1號走滑斷裂派生增壓作用導(dǎo)致油氣難以穿過斷裂側(cè)向運(yùn)移，而是沿?cái)嗔严驕\層運(yùn)移成藏(圖9(a))；而在遼東凸起周緣地區(qū)，來自遼中凹陷的油氣穿過遼中2號走滑斷裂釋壓段運(yùn)移至遼東凸起，遼東1號走滑斷裂增壓段可以有效封堵油氣，進(jìn)而在遼東凸起上淺層成藏(圖9(b))。

(2)油氣沿走滑斷裂增壓段、釋壓段均可以垂向運(yùn)移。油氣在浮力作用下可沿?cái)嗔褞Т瓜蜻\(yùn)移，由于走滑及其派生構(gòu)造斷裂相對傾角較陡，因此受到上覆地層的壓力更小，垂向滲透率分量大，更容易發(fā)生垂向運(yùn)移。以圖9為例，無論是走滑斷裂增壓段和釋壓段來自下部沙河街組和東三段的油氣均可沿?cái)嗔汛瓜蜻\(yùn)移至淺層成藏，從而構(gòu)成淺層油氣成藏的關(guān)鍵。

(3)油氣沿走滑斷裂增壓段走向運(yùn)移。在彎曲走滑斷裂增壓段，油氣難以穿過斷裂側(cè)向運(yùn)移，在沿?cái)嗔炎呦虬l(fā)育構(gòu)造脊的情況下，油氣可以沿?cái)嗔炎呦蜻\(yùn)移。以渤東地區(qū)PL-19構(gòu)造為例，統(tǒng)計(jì)該構(gòu)造部分井的原油密度資料，整體具有自北向南逐漸增大的特點(diǎn)，進(jìn)一步結(jié)合走滑斷裂的派生強(qiáng)度系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，2條走滑斷裂在該部位都為擠壓性質(zhì)，強(qiáng)度系數(shù)大于0.2，油氣并沒有穿過斷裂運(yùn)移，而是選擇沿走滑斷裂形成的構(gòu)造脊走向運(yùn)移至高部位成藏(圖10)。

圖8 遼東灣坳陷遼西1號斷裂兩側(cè)原油密度、黏度資料反映油氣穿過彎曲走滑斷裂釋壓段運(yùn)移Fig.8 Density and viscosity data of crude oil indicating oil and gas migration through releasing section in both sides of Liaoxi 1 fault in Liaodong Bay depression

圖9 遼東灣坳陷典型油藏剖面反映油氣運(yùn)移方向Fig.9 Typical reservoir profiles reflecting preference of oil and gas migration in Liaodong Bay depression

圖10 渤東地區(qū)PL-19構(gòu)造油藏剖面及原油密度資料反映油氣運(yùn)移方向Fig.10 Reservoir profile and crude oil density data reflecting migration of oil and gas along restraining segment of bending strike-slip fault of PL-19 structure in Bodong area

2.4 對油氣聚集分布的控制作用

目前渤海海域已發(fā)現(xiàn)的大中型油氣田中有30多個(gè)分布在郯廬斷裂帶及其附近，其中絕大多數(shù)分布在不同類型的增壓型走滑派生構(gòu)造中[8,15]。彎曲走滑斷裂派生擠壓、伸展類型及強(qiáng)度對油氣的運(yùn)移和封堵具有明顯的控制作用，因此必然會影響油氣的分布規(guī)律。對目前渤海東部大部分彎曲走滑斷裂已鉆構(gòu)造進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以增壓段成藏為主，釋壓段成藏?cái)?shù)量少、部分構(gòu)造失利，這與前人認(rèn)識一致。值得注意的是，供烴條件的差異會導(dǎo)致油氣分布存在差異。對于增壓段，單側(cè)供烴條件下主要在上盤成藏，下盤成藏少，雙側(cè)供烴條件下兩盤均多層系成藏(圖11(a))。就釋壓段而言，無論是單側(cè)供烴還是雙側(cè)供烴均僅在局部形成小型油氣藏，主要受控于圈閉的有效性；在與其他走滑斷層增壓段相匹配提供封堵條件下可以在下盤淺層成藏(圖11(b))。

3 結(jié) 論

(1)垂直于彎曲走滑斷裂走向的區(qū)域走滑作用力法線方向分力為該位置走滑派生擠壓或伸展作用的強(qiáng)度。區(qū)域走滑作用力大小可以用走滑量代替，針對同一斷裂某一區(qū)段可以近似認(rèn)為走滑量不變，直接用cosα來定量表征彎曲走滑斷裂派生增壓和釋壓作用的強(qiáng)弱，將其定義為走滑派生強(qiáng)度系數(shù)。當(dāng)該系數(shù)為正值時(shí)代表派生擠壓作用，當(dāng)該系數(shù)為負(fù)值時(shí)代表派生伸展作用，絕對值表示派生擠壓或伸展作用的相對大小。利用該參數(shù)可定量表征走滑轉(zhuǎn)換帶任一位置、不同層位或任意深度的派生擠壓或伸展強(qiáng)度。

(2)走滑派生作用影響局部構(gòu)造變形，進(jìn)而影響源巖、圈閉的發(fā)育演化。派生伸展作用促進(jìn)洼陷的構(gòu)造沉降，利于半深湖—深湖的發(fā)育，從而有利于烴源巖的形成，走滑派生伸展強(qiáng)度系數(shù)絕對值越大烴源巖厚度、總有機(jī)碳含量越大；走滑派生局部擠壓導(dǎo)致圈閉幅度增大，派生擠壓部位的圈閉幅度明顯大于派生伸展部位，且派生強(qiáng)度系數(shù)越大,圈閉幅度越大。

(3)走滑派生局部伸展、擠壓應(yīng)力的差異導(dǎo)致斷裂及其附近孔隙度、滲透率發(fā)生變化，進(jìn)而影響走滑及其派生斷裂對油氣輸導(dǎo)與封堵的控制作用。增壓段孔隙度、垂直斷裂走向滲透率分量降低，因而具有更強(qiáng)的側(cè)向封堵性，油氣可沿?cái)嗔褞ё呦?構(gòu)造脊)或垂向運(yùn)移；而釋壓段斷裂孔隙度、垂直斷裂走向滲透率分量相對較大，側(cè)封性弱，故在該部位油氣可以穿過斷裂帶側(cè)向運(yùn)移、沿?cái)嗔褞Т瓜蜻\(yùn)移，難以沿?cái)嗔炎呦蜻\(yùn)移。不同類型和強(qiáng)度派生構(gòu)造對油氣輸導(dǎo)和封堵的差異性影響油氣的分布規(guī)律。