赵长鹏,　於　奇,　娄生瑞

(1.东北石油大学 地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318;2.中国石油大庆油田有限责任公司 第三采油厂, 黑龙江 大庆 163113)



徐深气田断裂发育及其对天然气成藏的控制作用

赵长鹏1,於奇1,娄生瑞2

(1.东北石油大学 地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318;2.中国石油大庆油田有限责任公司 第三采油厂, 黑龙江 大庆 163113)

为准确判断松辽盆地徐深气田断裂的发育及其与深层天然气成藏之间的关系,根据钻井、测井和分析测试资料,利用断裂生长指数、断裂活动速率、剖面伸展率及构造演化剖面,厘定徐深气田断裂主要活动时期、断裂系统等,并建立该区的天然气成藏模式。结果表明:徐深气田断裂主要活动时期由古至今依次为火石岭组、沙河子组、营一段、营三段、泉头组末—姚家组沉积时期;气田内断裂可划分为早期伸展断裂系统(Ⅰ)、早期走滑伸展断裂系统(Ⅱ)、晚期伸展断裂系统(Ⅲ)、晚期张扭断裂系统(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展断裂系统(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ)、走滑断裂系统(Ⅶ)(徐中、徐东)。Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型断裂系统是构成气源断裂的主要断裂系统类型。工业气流井均分布在距源断裂3 km范围内的火山岩区域内。

徐深气田; 断裂发育; 天然气; 成藏; 直接源断裂; 间接源断裂

徐家围子断陷为松辽盆地勘探程度较高的主要断陷之一,其西侧以断层与古中央断隆相接,东侧为肇东—朝阳沟凸起,断陷近SN向展布,长80 km,宽达40 km,面积为5 350 km2,是一个南北狭窄、埋深浅，中间宽、埋深大的西断东超式箕状地堑。徐深气田是主要以营城组为开发目的层的深层火山岩气藏,储层类型多样,有效储层预测难,断裂发育较为复杂。在徐深气田内断裂运动不仅是控制火山活动和火山岩分布的重要因素,同时也是控制生油层发育的重要因素,直接控制着油气的生成、运移和聚散。徐深气田成藏模式明显受深大断裂控制[1-3],同时也受到火山机构、构造作用控制,影响成藏的地质因素类型多样。因此,笔者对该地区断裂系统的划分及形成演化特征开展研究,分析断裂对油气运聚的控制作用,进而为徐深气田下一步天然气勘探和开发提供理论依据。

1　断裂发育基本特征

徐深气田地区为典型的“下断上凹”的二元结构,此二元结构决定徐深气田发育两套断层系,即断陷期断层系和坳陷期断层系。断陷构造层断层走向基本为NNW和近SN两个方向,控陷的主干边界断层徐西断裂走向具有分段性,南段自南而北为近SN向—NNW向—近SN向,北段自南而北由近SN向转变为NNW向。走滑断裂徐中和徐东断裂为NNW向。

徐深气田断裂纵向断裂面密度自下而上逐渐增大,T2和T11两个反射层密度最高,之后密度逐渐减小。断陷期断层规模较大,主干边界断层徐西断裂一般为200～800 m;走滑断层垂直断距一般为100～200 m。坳陷期T2断层一般为20～80 m。断层断距逐渐变小,表明盆地拉张强度逐渐减弱。断陷期断裂规模大,徐西断裂延伸长度为151.8 km,其中,北段57.5 km,南段94.3 km。坳陷期断层延伸长度普遍较短,一般不超过6.0 km。

徐深气田剖面和平面上断层呈现特定的组合模式。断陷层断层系剖面以铲式扇、同向调节、反向调节和花状断裂组合为主,平面上平行或侧列叠复组合,反映了伸展变形特征;坳陷层断层系剖面上以“V”字形组合为主,平面以平行或发辫式断层组合为主,反映了走滑(张扭)变形特征。贯穿性断裂直接或近似沟通断陷层和坳陷层,剖面上构成“花状”或“似花状”组合,断陷期断裂为“花茎”,而坳陷期断裂为“花叶”,局部为“y”字形或反“y”字形组合,反映了先伸展后走滑(张扭)变形叠加的特征。

2　断裂形成与演化特征

2.1断裂生长指数

从徐深气田同生断层统计规律看,断穿多层位断层生长指数变化较大,但总体规律为断陷期和泉头组沉积晚期—青山口组沉积早期活动强烈。由生长指数剖面可以确定,徐深气田断裂主要的活动时期由古至今依次为火石岭组、沙河子组、营城组、泉头组末期—姚家组沉积时期等[4]。

2.2断层活动速率

由徐深气田全区28条规模较大的断层活动速率平均值[5]来看,火石岭组沉积时期为裂陷初期,断层活动速率最大;至沙河子组沉积时期断层活动速率变小,之后营城组沉积时期断层活动速率再次增大,然后逐渐衰减;至泉头组沉积末期又有所增加,青山口组沉积时期为另一活动高峰,最后逐渐衰减。

2.3剖面伸展率

伸展率一般指构造演化变形时期垂直于构造走向的剖面长度变化比率,通常用构造变动后剖面长度和演化变动前剖面长度之差与构造变动前剖面长度比值来表示,是反映构造活动或断裂活动强度的重要指标之一[6]。从剖面伸展率变化来看,徐深气田伸展率变化具有两个高值:第一个高值形成于火石岭—营城组时期,伸展量最大;之后明显变小,至泉头组时期开始增大,在青山口组—姚家组形成另一高峰期,之后再次逐渐衰减。断陷沉积时期及泉头组沉积晚期—青山口组沉积时期均为断裂强烈活动时期[4]。

2.4断裂变形期

从研究区内构造演化史剖面看,徐家围子地区发育的断裂在火石岭组、沙河子组、营一段、营三段及青山口组时期均具有较强的活动性。

综合上述各指标可以得出,徐深气田断裂形成演化期次可分为嫩江组、青山口—姚家组、登娄库组—泉头组、营四段、营三段、营一段、沙河子组、火石岭组沉积时期九个阶段。根据生长指数剖面、断层活动速率、剖面伸展率、构造发育史剖面成果,综合判定徐深气田断裂主要活动时期为火石岭组、沙河子组、营一段、营三段、泉头组末—姚家组沉积时期五期。不同时期断裂的活动强度及变形特征有所差异,对深层气成藏的控制作用明显不同[4]。

3　断裂系统划分

3.1断陷期断裂

断陷期发育张扭断裂—徐西主干边界断层、走滑断层—徐中断裂和徐东断裂、伸展断层—NNE向断裂、调节断层—近EW向断裂四种主要类型。

3.1.1徐西张扭断裂体系

徐西张扭断裂体系为徐家围子主控边界断裂,控制了徐家围子“西断东超、西陡东缓”箕状断陷的形成。徐西断裂体系位于研究区的西部,从T5至T4反射层,部分地段只断至T41反射层。徐西断裂的断层生长机制有其特殊性,五条断层属性明显不同,三条SN向断层为典型的控陷断裂,呈现左阶式排列,具有右旋张扭成因的特征[7]。这类断裂体系的活动时期从火石岭组、沙河子组一直延续至营城组。

3.1.2走滑断裂体系

徐深气田共发育两条规模较大的走滑断层,即徐中断裂和徐东断裂。徐中走滑断裂位于研究区的中部,从T5发育至T06反射层。从剖面上看,该断裂为典型的“负花状”构造,平面上徐中断裂将徐西断裂切断,根据徐西断裂被错断后位移方向可确定徐中断裂为典型的右旋走滑断裂[8]。徐中走滑断裂强烈活动时期为营一段时期和青山口组沉积时期。徐东走滑断裂位于研究区的东部,从T5发育至T2反射层。徐东断裂剖面上表现为大型“花状”构造,为典型的走滑断层。徐东断裂强烈的活动时期为营三段时期。

3.1.3NNE向伸展断裂体系

在SSE—NNE向拉张应力场作用下,松辽盆地深层断陷总体格局为NNE向。尽管徐深气田总体上为近SN向,但其形成演化过程依然受这种区域应力场的控制,因此,从应力机制角度看,NNE向为典型的伸展断裂体系。全区发育规模较大的NNE向基底断裂有八条,位于研究区的东部,这些断层在火石岭—营城组均控制地层的沉积,表现为另一方向的控陷边界断层。受徐中和徐东断裂切割、限制,徐西和徐东断裂与NNE向断裂同期不同性质,且前者形成时间晚于后者[9-10]。

3.1.4近EW向调节断层

徐深气田自南而北发育六条近E向断裂,其共同的特征为分布的位置与徐西断裂走向的拐点位置相对应。这些断层为断裂差异伸展形成的典型调节断层。根据断层运动学特征,这些走向拐点两侧断层也具有右旋走滑的特征。从各类断层的相互组合和搭接关系可以得出,调节断层受NNE向断层和徐西断裂限制,走滑断层将其切割,反映调节断裂是控陷断裂和NNE向断裂活动形成时伴随产生的,在火石岭组、沙河子组和营城组沉积时期均有活动[9-10]。

这四类断裂体系中,徐东和徐中走滑断裂体系属于走滑性质,徐西断裂体系和近E向调节断裂体系为走滑伸展性质,而NE向伸展断裂体系主要以伸展性质为主。

3.2坳陷期断裂

坳陷期断裂具有密集成带特征,为典型的“堑-垒”相间的组合模式。“地堑”均为断裂密集带,剖面存在三种模式,分别为负花状、似花状、无根密集带。坳陷层断裂密集成带主要有扭动和伸展两种成因。根据地震解释成果,在徐家围子地区T2反射层共识别出14条近EW向、13条NNE向、17条近SN向和19条NNW向断裂密集带。

综合考虑断陷层与坳陷层发育的断裂在演化过程中的延续性和独立性,以及研究区内实际发育的断裂情况,可将徐深气田断裂划分为七套断裂系统(图1),分别为早期伸展断裂系统(Ⅰ)、早期走滑伸展断裂系统(Ⅱ)、晚期伸展断裂系统(Ⅲ)、晚期张扭断裂系统(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展断裂系统(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ)、走滑断裂系统(Ⅶ)(徐中、徐东)。

图1　徐深气田断裂系统划分模式

徐深气田断裂系统分布特征较明显,其中长期活动断裂多为Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ型断裂系统。徐深气田北部NE走向的徐西和徐东断裂为Ⅶ型断裂系统;徐西断裂主要为Ⅵ型断裂系统;Ⅰ型断裂系统主要分布于研究区东北部;Ⅱ型断裂系统全区几乎不发育;Ⅲ和Ⅳ型断裂系统于全区零星分布,主要为近SN走向。

这几类断裂系统在徐深气田天然气成藏过程中所起的作用均有所差异。在断裂活动时期,早期伸展断裂系统(Ⅰ)、早期走滑伸展断裂系统(Ⅱ)虽然与沙河子组烃源岩沟通,但在青山口组成藏关键时期这两类断裂系统的断裂均未活动,因此,主要起侧向遮挡作用;而在成藏关键时期活动的早期走滑伸展—晚期伸展断裂系统(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ)、走滑断裂系统(Ⅶ)(徐中、徐东)主要起垂向输导作用。这三类断裂系统与优质的储层沟通后,天然气可以向侧向分流。Ⅲ、Ⅳ型断裂系统由于与深层天然气藏无沟通,因此对徐深气田基本无影响。当断裂趋于静止时期,这七套断裂系统均逐渐起到侧向遮挡作用。

4　气源断裂厘定

徐深气田的早期走滑伸展—晚期伸展断裂系统(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ)、走滑断裂系统(Ⅶ)(徐中、徐东)是天然气能够垂向运移的主要输导断裂,这三类断裂系统能够沟通沙河子组烃源岩的均可成为向上输导天然气的通道。在青山口组成藏关键时期活动的断裂均为气源断裂,但气源断裂的类型存在差异,一部分为断裂断至青山口组及以上地层中的断裂,这类断裂向上输导能力较强。而另一类没有断至青山口组及以上地层,而是通过坳陷层发育的花状构造来反映深部断裂活动,这类断裂的活动性一般较弱。因此,按照源断裂发育的特征可将其分为两类:一类是在成藏关键时期直接断至青山口组及以上地层活动较强的强充注断裂;一类是成藏关键时期未直接断至青山口组及以上地层的活动较弱的弱充注断裂(图2)。

由图2可以看出,徐深气田深层源断裂相对较发育,全区均有分布,在T41反射层一般规模较大。强充注源断裂主要为徐中断裂及徐东断裂南端,而弱充注源断裂主要为徐西断裂及徐深气田边部区域。

5　天然气成藏模式

5.1断裂系统对天然气成藏的控制作用

徐深气田沙河子组良好烃源岩与上部的火山岩储层、砂砾岩储层构成下生上储的成藏特征,这类成藏特征必然需要断裂作为沟通源岩与储层的输导通道,因此,气源断裂是徐深气田能够成藏的先决条件。

图2　徐深气田T41反射层气源断裂分布

徐深气田火山岩储层的储集物性相对较差,一般需要次生改造后才能够成藏。气源断裂对火山岩储层具有改造作用。从徐深气田营城组一段试气工业气流井与源断裂的距离统计结果(图3)来看,营一段试气的工业气流井主要分布在距离源断裂3 km范围内。对比研究区内裂缝密度与断裂距离关系,发现距离断裂越近,断裂密度越大,在距离断裂3 km范围内断裂对裂缝的形成均有影响。因此,可以推断源断裂对天然气平面富集具有控制作用,主要富集在距离源断裂3 km范围内。

图3　徐深气田裂缝密度与断裂距离关系

对于为已经探明的天然气藏提供天然气的源断裂,按照强充注和弱充注源断裂进行统计,统计结果如图4所示。由图可以看出,强充注源断裂充注形成的天然气藏储量丰度均较高,均值为1.0×109m3/km2,而弱充注断裂充注的源断裂均值约为4×108m3/km2。因此,强充注断裂充注天然气的能力较弱充注气源断裂强,形成的气藏储量丰度更高。

图4　徐深气田源断裂类型与储量丰度关系

5.2成藏模式

根据断裂生长指数、断裂活动速率、剖面伸展率、构造演化剖面及断裂期次研究成果得出徐深气田成藏模式,如图5所示。

图5　徐深气田断裂控制天然气成藏与分布模式

由图5可看出,深部气源岩排出的天然气主要沿构成源断裂的Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型断裂系统向上运移。其中,直接源断裂向上运移的天然气量较大,丰度较高,而沿间接源断裂向上运移的天然气量较少,丰度较低。但二者形成的天然气藏均分布在距源断裂3 km范围之内。

6　结　论

(1)徐深气田内断裂主要活动时期为火石岭组、沙河子组、营一段、营三段、泉头组末—姚家组。

(2)徐深气田内断裂可以划分为七套断裂系统,即早期伸展断裂系统(Ⅰ)、早期走滑伸展断裂系统(Ⅱ)、晚期伸展断裂系统(Ⅲ)、晚期张扭断裂系统(Ⅳ)、早期走滑伸展—晚期伸展断裂系统(Ⅴ)、早期走滑伸展—晚期张扭断裂系统(Ⅵ)、走滑断裂系统(Ⅶ)(徐中、徐东)。

(3)Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ型断裂系统是构成气源断裂的主要断裂系统类型,按照源断裂发育特征可以分为直接源断裂和间接源断裂两种类型,其中直接源断裂较间接源断裂有利。距离源断裂3 km范围内的火山岩区域为天然气聚集的可能区域。

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(编辑荀海鑫)

Fault development in Xushen gas field and its controlling effect on natural gas accumulation

ZHAOChangpeng1,YUQi1,LOUShengrui2

(1.School of Geosciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Oil Production No.3, Daqing Oilfield Limited Company of PetroChina, Daqing 163113, China)

This paper delves into a more accurate determination of the relationship between the fault development of Xushen gas field and deep gas reservoir formation in Songliao Basin. The study draws on drilling, logging and test data, fault growth index, fault activity rate, section extension rate, and tectonic evolution sections and thereby produces the definition of the main active periods and the fault systems of Xujiaweizi fault and natural gas accumulation models of this field. The determination suggests that Xujiaweizi fault depression is composed of the main active periods: Huoshiling formation, Shahezi formation, Yingyi section, Yingsan section and late Quantou formation-Yaojia formation; the faults can be divided into seven systems: early extensional fault system(Ⅰ), early strike-slip extensional fault system(Ⅱ), late extensional fault system(Ⅲ), late tenso-shear fault system(Ⅳ), early strike-slip and late extensional fault system(Ⅴ), early strike-slip extensional and late tenso-shear fault system(Ⅵ), and strike-slip fault system(Ⅶ)(Xuzhong, Xudong). Type Ⅴ,Ⅵ and Ⅶ are the main fault system types constituting gas source faults. Industrial gas wells are found evenly distributed in volcano rock region in the range of 3 kilometers from source faults.

Xushen gas field; fault development; natural gas; accumulation; direct source faults; indirect source faults

2013-12-12

赵长鹏(1977-)，男，吉林省榆树人，硕士，研究方向：油气资源评价，E-mail:minihot@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.03.014

P618.13

2095-7262(2014)03-0285-05

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