从断裂带内部结构剖析油气沿断层运移规律

大　庆　石　油　学　院　学　报　第３Ｏ卷　ＶｏＩ．３Ｏ　第３期　Ｎｏ．３　２００６年６月　Ｊｕｎ．　２００６　ＪＯｕＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＱＩＮＧ　ＰＥＴＲＯＩ　ＥＵＭ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　从断裂带内部结构剖析油气沿断层运移规律　宋胜浩　（大庆石油学院电子科学学院，黑龙江大庆　１６３３１８）　摘要：为研究油气沿断层的运移规律，通过野外地质观察和物理模拟实验表明，断裂带内部结构具有分带性，主要　包括破碎带和诱导裂缝带，油气沿断裂运移存在３种类型的通道，即断裂活动时期形成的优势裂隙、诱导裂缝带的裂缝　网络和无黏结力断层岩带孔隙系统．断层活动至静止期的演化过程中，油气沿断裂运移基本划分为３个阶段：断裂活动　时期油气在“地震泵”抽吸的作用下以管道流形式沿优势裂隙快速运移阶段；断裂停止活动后到诱导裂缝充填前油气沿　诱导裂缝以浮力流或管道流形式运移阶段；诱导裂缝充填后油气沿无黏结力断层岩带以渗流形式缓慢运移的阶段．油气　沿这３种通道运移并非同时并存，而是连续发生的过程．　关键词：断裂带；内部结构；流体运移　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１８９１（２００６）０３—００１７—０４　中图分类号：ＴＥｌ２２．３　断层是含油气盆地中重要的构造现象，在油气运移和聚集中具有双重作用，既是油气运移的通道，又　是油气聚集的遮挡条件．ＰＨＩＬＩＰＰＩ　Ｇ　Ｔ［】　推断出油气沿断层的纵向运移．ＨＯＯＰＥＲ　Ｅ　Ｃ　Ｄ＿２］明确指出　了当生长断层活动时，发生流体运移；而断层停止活动后，流体不运移．ＳＣＨ０ＬＺ　Ｃ　Ｈ［３　等指出浅源地震　的流体运移能力常在地震发生前后得以充分表现，断层活动能激发流体在断层或断层附近有大规模的运　移．国内许多学者探讨控制流体沿断层运移的影响因素　］，普遍认为，在油气聚集期已停止活动的断　层，对油气起到较好的封堵作用；在油气大规模运移期仍强烈活动的断层，在纵向上常具开启性，可使油气　沿断裂自深层向浅层运移．这些成果对于研究断裂控制的圈闭成藏过程是非常重要的，但更重要的是油　气沿断裂运移通道的类型及运移规律，它直接影响对断层输导油气的能力和效率的评价．为此，笔者分析　了断裂带内部结构特征，总结油气沿断层运移的规律．　１　结构特征　断裂形成是当应力超过岩石的强度极限时，岩石体积迅速扩大，微裂隙扩张并集中形成断层面，导致　宏观上岩石破裂．当断层面一旦形成并且超过摩擦阻力时，两盘开始相对滑动，破碎的岩石填入断层拉开　的空间形成破碎带．由于碎裂作用、黏性流动、研磨作用和胶结作用使破碎带内的岩石发生变质形成断层　岩，围岩也因应力集中伴生大量的裂缝．常将岩石分割成扁菱形、三角形等块体，形成诱导裂缝带．因此，　断裂带内部结构可分为破碎带和诱导裂缝带，其模式见图１．　（１）破碎带．破碎带是在一定岩石体积内复杂的、成组的、交叉排列的断层滑动面和相应断层体的组　合．含油气盆地深度范围为地壳浅处的低温条件，岩石具有脆性，其形变主要表现为岩石的破裂．岩石主　要发生碎裂作用，特别是由摩擦滑动机制形成了碎裂岩［７］．从显微构造演化来看，破裂作用开始出现的微　裂隙是离散的，只限于颗粒内部，逐渐微裂隙开始连接，并穿过颗粒，以致弥漫于整块岩石．随着裂隙的不　断发育，颗粒碎裂，粒度减小，出现典型的碎裂结构．在碎裂岩中，长石内部裂隙化程度往往比石英高，并　常伴有蚀变，可使岩石进一步弱化，以致发生面理化．矿物中，石英开始以破裂为主，长石在碎裂岩中以粒　收稿日期：２００６一Ｏ３—１６；审稿人：付广；编辑：陆雅玲　基金项目：国家“９７３”重点基础研究项目（２００１ＣＢ２０９１０４）　作者简介：宋胜浩（１９６４一），男，硕士，讲师，主要从事地球物理方面的研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

大庆石油学院学报　第３Ｏ卷２００６年　由断裂中心至被动盘一侧　农螅兀　由断裂中心至主动盘一侧　内部结构分带原岩　裂缝发育带　无黏结力　有黏结力　无黏结力　破碎带　断层岩带　破碎带　裂缝发育带　原岩　勾造岩分带政党岩层　交结程度原始胶结　姆　▲，　▲▲．　▲▲　　蛰　　碎裂岩化带　原始胶结　后期胶结　逐渐增加　断层角砾　糜棱岩化　断层角砾　断层泥　片理岩化　断层泥　碎裂岩化　后期胶结　碎裂岩化带　原始胶结　后期胶结　逐渐增加　正常岩层　原始胶结　图１　断裂带内部结构分带模式　温度、压力　变化程度　化和摩擦滑动为主．由于断层多期活动，每期活动变形层次和变形强度要发生改变，致使多种类型断层岩　共生．　（２）诱导裂缝带．诱导裂缝带分布在破碎带与完好岩石之间的过渡地带（图１），位于断层两侧有限区　域内．诱导裂缝带以发育多种类型的裂缝为主要特征，岩石除破裂外没有发生其它变化．裂缝是构造变　形过程中诱导出的局部变形而形成的，因此称为诱导裂缝，其分布是由断层活动引起的次级构造应力场和　岩石力学性质所决定的．诱导裂缝常将岩石分割成扁菱形、三角形等块体．　２　静止期物性特征及运移通道的判识　２．１物性特征　断裂带内部不同分带由于岩性和变质程度的差异，其物性特征也不同．有黏结力断层岩带由于颗粒　尺寸的减少和矿物沉淀作用，使其与相邻的原地岩性相比具有较低孔隙度、渗透率和突破压力．从阿尔什　国家公园露头区Ｅｎｔｒａｄａ砂岩Ｍｏａｂ层变形条带（碎裂岩系列），与围岩的孑Ｌ隙度一渗透率剖面可以发现，　从围岩到变形条带孑Ｌ隙度和渗透率均下降　］．　无黏结力断层岩带包括３种类型：断层角（磨）砾带、断层泥带和角（磨）砾与断层泥混杂带，断层角砾　带角砾松散，颗粒间碎基和断层泥含量很小，渗透性极好，但该带在一般断裂带内并不连续分布，很难成为　油气运移的有利通道．断层泥中无土壤和沉积层土中的团粒结构，显得致密，因而渗透性很低，是油气运　移的有利屏障　］．断裂带内部最发育的是角砾与断层泥混杂带，该带能否具有很高的渗透率取决于断层　泥含量．如果大量断层泥充填使其渗透率大大降低，该带就是封闭的；相反，可能成为油气运移的通道．　诱导裂缝带如果裂缝处于开启的状态，大量裂隙构成裂隙网，可能导致该带拥有比断层岩带和未变形　原地岩石更高的孑Ｌ渗性．煤矿的突水实验证实该带渗透性极好　，通常成为油气运移的有效通道．　２．２运移通道判识　对比断裂带内部的物性差异可发现，断裂静止期诱导裂缝带和断层泥与角砾混杂带均可能成为油气　运移的通道，具体特征如下：　（１）诱导裂缝带．诱导裂缝带表现为多方位、多种性质的裂缝交错分布构成裂缝网络，其作为油气运　移的通道具有不连续性和时限性．不连续性是因为同一断裂切穿脆塑性地层时裂缝发育的不均匀性造成　的．塑性地层内断层蠕滑形成塑性断层，诱导裂缝极不发育；脆性地层裂缝发育，但受到无裂缝塑性地层　的遮挡，使通道变得不连续分布．时限性指裂缝作为通道只发生在断裂停止活动后到后期成岩裂缝被充　填前这一段时间，而活动时期起通道作用的是断裂带内部的伴生裂缝系统，诱导裂缝并非主要．断裂停止　・　１　Ｒ．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　宋胜浩：从断裂带内部结构剖析油气沿断层运移规律　活动后，裂缝一旦被充填，就失去了通道作用．油气沿诱导裂缝运移有２种机制：①油气源供给充足、压力　较高、裂缝高度连通时，油气沿裂缝运移具有管道流的特征；②油气源供给不充足、压力较低、裂缝高度连　通时，油气沿裂缝运移具有浮力流的特征，即烃类在水介中上浮取决于烃类与水的密度差，与水是否流动　无关，而渗流（达西流）是在流体势差作用下，烃类与水一起呈多相或单相流动．　（２）断层泥与角砾混杂带．单一的断层角砾带渗　透性很好，与断层泥混合后角砾之间的空间被充填，可　大大降低渗透性．因此，断层泥与角砾混杂带能否成　为油气运移的通道关键是取决于断层泥的质量分数．　模拟实验证实，不同粒度的角砾混合不同质量分数的　断层泥才能封闭油气，其下限值见表１．最常见的角砾　的粒径大于２　ｍｍ，该种粒径的角砾需要混合３０　的　断层泥才能封闭住油，混合４８％的断层泥才能封闭住　表１　不同粒度石英砂实验室条件下模拟断裂　带填充物理论下限值　注：”。　，　分别为断裂带内对石油或对天然气封闭所　需断层泥质量分数下限值．　天然气．如果根据断层性质、断距和断移地层的岩性能计算出断裂带内颗粒与断层泥的相对质量分数，可　对照模拟实验结果判断混杂带是否为油气运移的通道．　３　活动期“地震泵”的抽吸作用　“地震泵”首先由ＳＩＢＳＯＮ　Ｒ　Ｈ提出［１　，ＨＯＯＰＥＲ　Ｅ　Ｃ　ＤＥ　在烃类的运移中首次运用了这一动力机　制，认为流体沿生长断层的流动具有周期性、突发性的特征，成熟油气源岩的活动（生长）断层能作为油气　运移的通道．中国不少含油气盆地中确实存在着广泛的沿断层的油气垂向运移，而油气沿断层或裂隙的　垂向运移应该在断层活动，即地震活动时尤为显著，油气垂向运移机理与地震泵作用过程有关．断层的形　成源于裂隙的递进发展，在裂隙发育成断层的过程中的每一阶段，地层中的应力变化均会引起岩层中裂隙　的引张或闭合．在垂直于最小主应力内的方向上由于存在应力差，而使岩层发生剪切破裂，引起岩石膨　胀，体积增大，孔隙度和渗透率增加，致使断裂带中的流体压力降低，其变化见图２（ａ）．　在裂隙内外压力差的驱动下，围岩中的流体运移进入岩石的裂隙中　，或者说断裂带相对“负压”会抽　吸围岩中的流体，这个过程称之为“地震泵”抽吸作用，其过程见图２（ｂ）．图２（ｂ）中，Ｋ为渗透率；Ｐ为孔　隙流体压力；ｒ为剪切应力；ｒｆ为剪切强度．随着裂隙的产生，断层的滑动，应力逐渐释放，裂隙弹性回复闭　合或岩石裂隙破裂滑动，将裂隙中的流体压出，排驱进人压力较小的上部裂隙或沿断层面运移至上部地层　一一　一一一一』一　，　ｌ』芏　ＩＴ　Ｉ层　，构造　力　裂缝　地震泉｝Ｉ　Ｊ吸阶段　裂缝　累丰５｛阶段　张裂蚶Ｊ　液体流入　断层活动　闭合期　，，一　、／，ｌ　　　——　，储　……………・　一一　一一，　层　ｆ　，．，　，．．．，　，一一一一　……’　ｌ　一一一一　隔　一　．＼　一一一一　　一　一层　　＼＼．　．一　一—一、　、、Ｌ・…．－Ｉ・・・・・・・　・・０　烃　●●●●●●　一／’　＼　……　、　’、●…．＿．●　　●一　岩屋　●●　・・・・・・・・・・　＾、　”・・・・・・・　・一　一裂隙范闹　断　裂　带　ｆ流入　　ｌ内　Ｉ流出　●　．，．．１一一　，，，　（ａ）倾向剖面及烃源岩与断裂之问压力变化　（ｂ）地震泵抽吸作用下烃类运排过程　图２　地震泵抽吸作用机理模式（图（ｂ）据阎福礼，１９９９，略改）　维普资讯 http://www.cqvip.com

大庆石油学院学报　第３Ｏ卷２００６年　中去，这就是地震泵的排驱机制．上述抽吸与排驱过程，代表一次断裂活动油气从烃源岩层进入断裂带内　部，并向上排运的过程，由于地应力积累和释放以及构造活动的周期性，导致断裂周期性破裂，决定了断层　抽吸和排驱流体呈周期性、间歇性和脉动的特点．油气沿断裂带优势裂隙运移具有管道流特征，油气开始　从围岩进入断裂带中是相对“负压”的抽吸作用，之后沿断裂带运移受到构造应力、异常压力和浮力的共同　驱动，运移的速度（文献［１２］计算热液上侵流速为０．０８　ｍ／ｓ）远远高于达西流和扩散流．因此，只要有充足　的油气来源，在断裂活动短时间内天然气可以大规模运移．　４　结束语　断裂带内部结构具有分带性，主要包括破碎带和诱导裂缝带２部分，油气沿断裂运移存在３种类型的　通道，即断裂活动时期形成的优势裂隙、诱导裂缝带的裂缝网络和无黏结力断层岩带孔隙系统．断层活动　至静止期的演化过程中，油气沿断裂运移的通道是变化的，沿每种类型通道运移的机制、动力、持续的时　间、运移速度和效率都是不同的，基本划分为３个阶段：断裂活动时期油气在“地震泵”抽吸的作用下以管　道流形式沿优势裂隙快速运移，是断裂输导油气效率最高的阶段；断裂停止活动后到诱导裂缝充填前油气　沿诱导裂缝以浮力流或管道流形式运移，是断裂输导油气效率较高的阶段；诱导裂缝充填后油气沿无黏结　力断层岩带以渗流形式缓慢运移的阶段，是断裂输导油气效率较低的阶段．油气沿这３种通道运移并非　同时并存，而是连续发生的过程．　参考文献：　［１］ＰＨＩｌ　ＩＰＰＩ　Ｇ　Ｔ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ，ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ３．Ｇｅｏｃｈｉｍｉｃａ　Ｃｍｍｏｃｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ．１９６５（２９）：１　０２１—１　０４９．　［２］ＨＯ（）ＰＥＲ　Ｅ　Ｃ　Ｄ．Ｆｌｕｉｄ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　ｇｒｏｗｔｈｆａｕｌｔｓ　ｉｎ　ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｓｅｄｉｍｅｎｔｓＩ－Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｇｅｏｌｏｇｙ．１９９１（１４）：１６１一　】８Ｏ．　［３３　ＳＣＨ（）Ｉ　ｚ　Ｃ　Ｈ．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ．１９７３（１８１）：８０３—８１０．　［４］李文学．高宁．断层垂向封闭形成的主控因素［Ｊ］．大庆石油学院学报，２００５，２９（２）：９８—１Ｏ０．　［５］阎福礼．贾东．卢华复．等．东营凹陷油气运移的地震泵作用［Ｊ３．石油与天然气地质，ｌ９９９，２０（４）：２９５－－２９８．　［６］赵密福．刘泽容．信荃麟．等．控制油气沿断层纵向运移的地质因素［Ｊ］．石油大学学报：自然科学版．２００１．２５（６）：２１～２４．　［７３林爱明．断层岩与断层模式［Ｊ］．高校地质学报．１９９６．２（３）；２９５—３０６．　［８］焦大庆．粱志刚．王长青．等．含油气盆地流体演化研究［Ｍ３．北京：石油工业出版社．１９９８：１０７—１１９．　［９］邵顺妹．断层泥研究的现状和进展［Ｊ］．高原地震，１９９４，６（３）：５１—５６．　［１０３熊永旭，先容有．董秀芳．破裂面性质与油气渗滤关系探讨［Ａ］∥石油地质论文集（构造３）［ｃ］．北京：地质出版社，１９７８：１６４—１６８．　［１１］ＳＩＢＳＯＮ　Ｒ　Ｈ．Ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｕｍｐｉｎｇ－－ａ　ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ￣Ｊ３．Ｊｏｕｒ．Ｇｅｏ１．Ｓｃｉ．１９７５．１３１（６）：６５３—６６０．　［１２］　赵伦山．岑况．叶荣．热液流体泵吸上侵管流动力学模拟及其预测意义［Ｊ］．地学前缘，２０００，７（１）：２０５—２１５．