松遼盆地肇州油田層控多邊形斷層發育特征及在油成藏中的作用

平貴東，付曉飛，劉宗堡，謝昭涵，高煜婷，方曉

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松遼盆地肇州油田層控多邊形斷層發育特征及在油成藏中的作用

平貴東1,2，付曉飛1,2，劉宗堡1，謝昭涵1,2，高煜婷3，方曉3

(1. 東北石油大學地球科學學院，黑龍江大慶，163318；2. 黑龍江省普通高校科技創新團隊，黑龍江大慶，163318；3. 慶新油田開發有限責任公司黑龍江安達，151413)

地震解釋和沿層相干切片，結合儲層沉積特征對松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田層控多邊形斷層的發育特征進行研究。研究結果表明：該區層控斷層定向排列，展布方位與斜坡走向平行，并向著斜坡上傾方向傾斜，其發育時期與青山口組末期—姚家組沉積早期的構造抬升事件相對應，地層翹傾引起的重力滑動作用被認為是驅使斷層活動的成因。層控多邊形斷層的平面展布受砂體和構造斷層的影響，集中分布在含砂地層厚度較薄的區域，并且多向著構造斷裂下盤生長。在不同地質歷史時期，多邊形斷裂的啟閉性質不同，其在油成藏中的作用也不同。成藏期(明水組末期)區域應力場為北西向擠壓，北西—北北西向溝通青一段源巖和葡萄花油層的活動斷裂是垂向輸導油的油源斷裂，而此時東西展布的層控斷裂受正向擠壓，斷面緊閉，對油成藏主要起遮擋作用。新生代以來至現今區域應力場轉變為近東西向擠壓，層控多邊形斷層展布方位與現今最大水平主應力方向一致，具有高滲透性，成為油在低滲透儲層內側向運移的高滲透通道，促進油藏連片分布。

多邊形斷層；層控；重力滑動；葡萄花油層；控藏

在過去的20多年中，有一種特殊的非構造成因的正斷層系?多邊形斷層(polygonal faults)，由于它們具有獨特的交叉組合模式、特殊的發育背景以及對區域流體運移的重要影響而引起人們的廣泛關注[1?9]。多邊形斷層又稱為層控斷層或層內變形斷層，為非構造成因的斷裂，其概念自1994年由Cartwright提出以來[10]，已經在世界100多個沉積盆地中有所發現，它是一種平面上走向多方位并相互交叉組合成多邊形形態，剖面上具有層控特征的小型伸展斷裂系統[11]。1個多邊形斷層系通常由一系列斷距小于100 m、傾角為30°~70°、斷裂密度大、走向隨機的小規模正斷層組成，這些斷層主要發育在被動大陸邊緣或陸內克拉通盆地的細粒沉積物中，不過在前陸盆地或聚斂的板塊邊緣地區也偶有發現[12?13]。多邊形斷層走向隨機，發育具有層控性[10]，當地層平緩時沒有優勢傾向，發育的地層缺少構造伸展，這些特點都說明多邊形斷層的形成有別于構造成因斷層，為非構造成因。關于多邊形斷層的成因機制至今沒有統一的觀點，許多學者針對不同地質背景下斷裂發育特征相繼提出了多種成因機制,如密度反轉作用機制(density inversion)[14?15]、斜坡上細粒沉積物的重力滑塌作用機制(gravity collapse)[16]、超壓泥巖層幕式水力破裂作用機制(episodic hydrofracturing)[17]、脫水收縮作用機制(syneresis)[18]、重力載荷作用機制(gravitational loading)[19?20]、差異壓實(differential compaction)[21]及由成巖作用引起的熱或化學收縮[13]等多種假說。隨著3D地震技術的發展，近年來對這種復雜斷層的研究越來越引起石油地質學家們的注意，一方面，人們對它的成因機制還不清楚；另一方面，經過多年研究發現，多邊形斷層對儲層砂體形態以及流體、天然氣水合物的運移和聚集有重要的控制作用，了解這類斷層的分布和發育特征對淺層靶區的石油與頁巖氣勘探及CO2埋存具有重要意義。國外對多邊形斷層的研究有近30年，而國內對這類斷層的研究起步較晚，近些年隨著我國被動大陸邊緣和陸內裂陷盆地多邊形斷層的相繼發現，也逐漸引起地質學者們的關注[6?9]。基于3D地震數據精細解釋，前人已證實松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田葡萄花油層觀察到的小規模斷層為多邊形斷層[6]，這些斷層發育在青山口組泥巖上部并向上斷過了上覆的葡萄花油層，儲層中高密度斷裂發育必然會對油氣成藏及勘探開發產生重要影響，然而，目前關于本地區多邊形斷層在油聚集成藏過程中的石油地質意義尚不明確，影響了勘探開發的進程。為此，本文作者通過分析多邊形斷層發育的構造和地層特征，描述其幾何特征，研究活動規律，探討多邊形斷層成因機制及在油成藏過程中的作用，以期指導油氣勘探。

1 區域地質背景

松遼盆地是位于中國東北部的大型中、新生代陸相含油氣盆地，三肇凹陷為松遼盆地二級負向構造單元，隸屬于一級構造單元的中央坳陷區。它西接大慶長垣東部，東鄰綏化凹陷和朝陽溝階地，北接明水階地。現今葡萄花油層頂面在三肇凹陷腹部總體呈現“三鼻三凹”的構造特征,即宋芳屯、肇州、升平3個鼻狀構造及徐家圍子、升西和永樂3個次級凹陷，見圖1。沉積蓋層自下而上發育下白堊統火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1ych)、登婁庫組(K1d)和泉頭組(K1q)、上白堊統青山口組(K1qn)、姚家組(K1y)、嫩江組(K1n)、四方臺組(K1s)、明水組(K1m)、古近系依安組、新近系大安組和泰康組地層，見圖2。

(a) 葡萄花油層頂面(T11反射層)構造圖；(b) 三肇凹陷葡萄花油層油藏分布圖

圖2 松遼盆地地層綜合柱狀圖[6]

三肇凹陷的形成演化是奠定在下部徐家圍子斷陷和古中央隆起帶基礎上的，自下而上可劃分出三大構造層，即斷陷構造層(K1h—K1ych)、坳陷構造層(K1d—K1s)和反轉構造層(K1m之后)，具有“下斷上凹”的二元結構[22]。下部徐家圍子斷陷呈NNW向展布，受徐西斷裂控制形成西斷東超的箕狀斷陷。該區發育一條徐中右旋走滑斷裂，將徐西斷裂切為南北兩段，造成徐家圍子“兩凹夾一隆、東西分帶、南北分塊”的構造格局[23]，斷陷期徐家圍子斷陷在SSE—NNW方向伸展應力作用下發育4個方位的斷裂[24]：1) 南北向張扭變形的徐西斷裂；2) 北北西向的徐中走滑斷裂；3) 北北東向伸展斷裂；4) 近東西向調節斷裂。這4個方位的斷裂對中淺層斷裂的形成及分布產生重要影響。

自登婁庫組沉積開始，盆地進入坳陷演化階段，登婁庫組—泉頭組沉積早期斷裂活動性較弱，處于相對靜止期，只是在斷陷期后的區域熱沉降作用下形成部分規模較小的次級正斷層。泉頭組晚期—青山口組沉積時期是斷裂的強變形期，青山口組底部T2反射層形成高密度斷裂(后文簡稱T2斷裂)，走向主要為SN向(見圖3(a))，表明受控于近EW向的拉張應力場的控制。眾多物理模擬結果顯示：若先存斷裂與后期應力場方向斜交，則受其影響后生斷裂多會發生張扭變形，平面上呈雁行式排列[25?26]。三肇凹陷斷陷期斷裂展布與坳陷期東西向拉張應力場方向多呈高角度斜交，斜向拉張作用影響下T2斷裂平面展布密集呈帶，不同方位的斷裂密集帶具有不同的變形性質[27]。

(a) T2反射層斷裂展布；(b) T11反射層斷裂展布

青山口組沉積末期松遼盆地經歷了短暫的構造抬升[28]，沉積了姚家組地層。葡萄花油層在姚一段地層中下部，從其頂面構造圖(T11反射層)可以看到三肇凹陷北部斷裂展布以南北向為主，斷裂密集帶依然發育(見圖3(b))，說明這期間區域東西向拉張應力可能一直持續，但三肇凹陷南部尤其是肇州油田地區斷裂卻不再有優勢的展布方向，除了近南北走向斷裂外，東西向的斷層也大量發育。東西向斷裂的存在明顯與該時期東西向拉張應力場不協調，因此，該地區斷裂的形成應當受某種局部應力場的控制，可能為某些非構造因素(如重力滑動、差異壓實、沉積相變等)的影響，形成了具有不同成因機制的特殊類型的斷裂。經斷裂幾何特征分析，前人判定該區斷裂即為多邊形斷層[6]。嫩江組沉積末期松遼盆地回返抬升，至明水組末期反轉構造基本定型，三肇凹陷周邊形成3條反轉構造帶：西側為大慶長垣，東北為望奎－任民鎮反轉構造帶，東南為長春嶺背斜帶。三肇凹陷內部受反轉作用影響相對較弱，并沒有明顯的反轉構造；坳陷期形成的部分斷裂受區域壓扭作用影響傾滑活動，一直斷過T06反射層并向上延伸進入反轉構造層，這些斷層主要為斷裂密集帶的邊界斷層，可以作為葡萄花油層成藏的油源斷裂。

2 發育多邊形斷層的地層區段和巖性特征

多邊形斷層發育在青山口組泥巖上部至姚家組地層內，斷過了葡萄花油層，使儲層復雜化。青山口組地層沉積于松遼盆地坳陷發育的全盛期，主要為一套黑色、綠色泥巖和砂巖。在三肇凹陷肇州地區青一段主要為深湖—半深湖相暗色泥巖和油頁巖，是控制該區中淺層油氣成藏的主要烴源巖，青二、三段以灰綠色或黑色泥巖與粉砂質泥巖互層為主，含有大量介形蟲，反映出該時期水體變淺。青山口組地層因欠壓實作用多具有異常高的孔隙流體壓力，全區超壓普遍為4~10 MPa。

葡萄花油層位于青山口組上覆的姚家組一段中下部，姚一段地層為淺水河控三角洲沉積，受三肇凹陷北西向物源控制，地層厚度總體上呈現自西北向東南逐漸減薄的模式[29]。通過橫跨衛星—宋芳屯—肇州油田開發區南北向骨干剖面層序地層精細解剖(見圖4)，葡萄花油層砂體向南逐漸減薄，在北部衛星油田砂體厚度可達50~60 m，而到肇州油田南部已減小到小于10 m(見圖4(b))。葡萄花油層頂底自北向南砂巖相變為泥巖，在小層底部南北兩區形成砂泥對接模式，劉宗堡等[30]指出葡萄花油層順源逐層減薄主要為三角洲末端同沉積構造抬升控制的結果，說明青山口組沉積末期—姚家組沉積時期三肇凹陷東南部發生構造抬升。多邊形斷層發育區葡萄花油層含砂層段厚度普遍小于14 m，而在多邊形斷層不發育的北部地區厚度普遍大于14 m(見圖4(a))。儲層厚度的變化是影響多邊形斷層分布，導致三肇凹陷葡萄花油層斷裂展布特征南北分區的1個因素，厚層砂巖可能會對下部泥巖中多邊形斷層垂向擴展和生長起到阻礙作用，不利于其發育[13]。

(a) 葡萄花油層含砂層厚度與多邊形斷層分布的關系；(b) 葡萄花油層地層對比剖面

3 斷層幾何學特征

3.1 斷層平面組合特征

多邊形斷層發育構造主體位于肇州鼻狀構造上(見圖1(a))，多邊形斷層的分布區域與其北部不發育區域有明顯的分界線(見圖3(b))，受儲層厚度影響，這個界線幾乎是突變的(見圖4(a))，邊界線的構造位置對應肇州鼻狀構造底部。斷層平面組合樣式在儲集層頂面有較好呈現，從杏山南三維地震工區T11反射層上可以看出斷層呈現明顯的多邊形組合模式(見圖5)，斷層密集交叉，交角多呈直角或高角度。T11斷裂走向以東西向為主，這些斷裂規模相對較小，其次是北北西和北北東向(見圖5(a))，為本區規模較大的斷層，斷距為5~50 m，延伸長度一般為114 m至5 km，個別可超過10 km。T2反射層斷裂走向主要為北北西和北北東向(見圖5(b))，T11層北北西和北北東向斷裂展布與下部T2斷裂系有很好的對應關系，說明這些斷裂在發育過程中受先存斷裂影響較大，這種現象也出現在加拿大大西洋陸緣Sable次盆[31]。

(a) T11反射層斷裂展布；(b) T2反射層斷裂展布

3.2 斷層剖面特征

根據斷裂影響的層位和活動性，將葡萄花油層發育的斷層分為3種類型(見圖6)：1) 層控斷層(Ⅰ型)，僅局限于葡萄花油層及附近的小范圍地層內，一般分布在T1反射層和青山口組內部層A之間，斷層多為平直斷層，斷層斷距為5~10 m，見表1。通過對斷層傾向統計，發現這些層控斷層多向南傾斜(見圖7)，即斜坡的上傾方向，斜坡對多邊形斷層發育起到重要影 響[32]。2) 未能影響到嫩江組之上地層的斷裂(Ⅱ型)，地震剖面上表現為T06反射層之下的斷裂，這些斷裂在葡萄花油層沉積后有部分活動過，地震剖面上可見楔形的生長地層(見圖6)，但嫩江組沉積之后處于靜止狀態。3) 影響了嫩二段及其以上地層的斷裂(Ⅲ型)，斷層最大斷距一般為20~45 m，延伸長度超過1 km(見表1)，地震剖面上表現為斷穿T06反射層，并能繼續影響其上部地層的斷裂，這些斷裂為嫩江組沉積后有再滑動復活的斷裂。Ⅱ型和Ⅲ型斷裂展布多與下部T2斷層系展布方位一致，為受先存T2斷裂控制的繼承性發育斷裂。

(a) 東西向橫剖面斷裂分布；(b) 南北向橫剖面斷裂分布

(a) 不斷類型斷裂平面分布；(b) 各類型斷裂走向玫瑰花圖；(c) 各類型斷裂傾向玫瑰花圖

表1 葡萄花油層斷層類型描述

雖然T11斷裂的發育受T2斷裂系的影響較大，但是在剖面上兩者大多并不是相互連接的，應力的傳遞通常通過2個斷層系疊覆的巖橋區實現。通常斷層垂向疊覆的方式有2種類型[33]：限制型疊覆帶(restraining overlap zones)和釋放型疊覆帶(releasing overlap zones)。限制型疊覆帶為兩斷層疊置的巖橋區，表現為擠壓趨勢的疊覆帶，原則上疊覆帶會通過體積縮小來調節兩斷層間的變形，但通常更多的是表現為疊覆區地層的旋轉(見圖8(a))。與之相反，釋放型疊覆帶則表現為疊覆區具有拉伸的趨勢，像黏土巖或頁巖等軟弱層在釋放型疊覆帶也會發生層位旋轉(見圖8(b)))。若軟弱層較薄的話還可能發生剪切涂抹，則這是形成剪切型泥巖涂抹的常見形式。三肇凹陷T11與T2斷裂系的疊覆類型以限制型疊覆為主(見圖8(c))，疊覆部位地層通常發生褶皺或旋轉。

(a) 限制型疊覆帶；(b) 釋放型疊覆帶；(c) 三肇凹陷限制型疊覆斷層樣式

4 討論

4.1 影響多邊形斷層平面展布的因素

構造成因的斷層在統一構造應力場的作用下，多具有相似的幾何特征。斷裂具有優勢走向，斷層規模上具有自相似性(Self-similar)的特點[34]。三肇凹陷T2斷裂展布方位以南北向為主，是東西向區域伸展作用的結果，為構造成因的斷裂。葡萄花油層頂面T11反射層斷裂展布不同地區存在差異(見圖3)，三肇凹陷北部斷裂密集帶依然發育，密集帶展布與T2密集帶方位基本一致，表明該時期東西向應力場作用依然持續，以凹陷南部的肇州油田NNW和NNE向為主的Ⅱ型和Ⅲ型斷裂，走向與下伏的T2斷裂方位一致(見圖5)，為繼承性發育的構造斷裂，但該區發育眾多東西向展布為主的Ⅰ型層控斷裂(見圖7)。這些斷裂的展布方位與區域東西向拉張應力明顯不協調，用構造的觀點是無法解釋的，剖面上具有層控特征，為規模受限的斷裂系統(scale-bound fault system)[35]，為非構造成因。肇州油田T11斷層密集交叉，交角多呈直角或高角度(見圖7(a))。付曉飛等[6]對斷層交叉連接方式進行了統計，結果表明該區斷層組合方式為小斷層多向著構造斷層的下盤生長。層控斷裂多終止于大的構造斷層(圖7(a))，說明構造斷層在多邊形斷層形成時出現并可能活動，它們的出現可能對局部應力產生擾動，使得最大張應力由垂直構造斷層走向的方位轉變為平行于構造斷層走向，迫使后生成的多邊形斷層向著垂直他們的方向生長[31]。

另一個影響多邊形斷層分布的因素是砂巖的變化。姚家組一段為淺水河控三角洲沉積，泥巖厚度占地層厚度的60%~90% ，為典型的“泥包砂”結構。其內部葡萄花油層砂體自南向北逐漸減薄[29]，多邊形斷層發育區葡萄花油層砂層段厚度普遍小于14 m，而不發育多邊形斷層的北部地區砂層厚度普遍大于這個范圍(見圖4)。很明顯，厚層砂巖的出現對多邊形斷層的發育起了重要影響，這種現象在世界其他盆地也有發現，例如Faeroe—Shetland盆地內1個多邊形斷層發育層序中[13]，有1個夾在厚層細粒黏土層內的海底扇向著地層邊界減薄，在砂體最厚的地區多邊形斷層不發育，而在減薄的地區發育(見圖9)。夾裹在泥巖中的相對粗粒的砂巖會阻礙多邊形斷層的發育，說明它的某種特性能夠抑制斷裂的成核或阻礙斷層的擴展，然而，產生這種影響的機制尚不明確，是砂巖的力學性質影響還是內部物質成分或孔隙流體化學的側向變化等其他因素影響還不得而知。但是，這種砂泥互層的區域也為人們繼續研究斷層的生長歷史提供了線索，若范圍足夠廣，則在多邊形斷層發育的地區突然出現了1塊斷層消失的區域，這可能是砂體的影響。

圖9 Faeroe—Shetland盆地厚層砂巖對層控多邊形斷層分布的影響[13]

4.2 成因機制

關于多邊形斷層的發育特征，盡管有超過20年的探索研究，但目前關于其成因機制國際上依然缺乏明確的解釋。前人對三肇凹陷多邊形斷層成因機制也進行過探討，付曉飛等[6]認為三肇凹陷T11多邊形斷層系可能是盆地反轉期構造運動誘導青山口組泥巖層密度反轉的結果，但多邊形斷層系下部并沒發現有泥巖上涌的波狀變形痕跡；另一方面，根據斷層的發育特征，多邊形斷層應當形成于青山口組末期至葡萄花油層早期，而不是反轉期形成的，所以，密度反轉的觀點并不適合；He等[36]認為多邊形斷層可能是脫水收縮作用的結果，脫水收縮作用多發生于蒙脫石含量較高的地層中，而三肇凹陷粘土礦物中伊利石含量較高，蒙脫石含量較低，不具備脫水收縮作用發生的條件，故脫水收縮作用也不是該區斷層的成因機制。丁修建等[39]認為溶解作用形成的剪切破裂是該區多邊形斷層可能的成因，可是顆粒溶解作用為何只在特定層位產生破裂，微觀上產生的裂縫又如何發育成延伸長度超1 km的規模斷層等問題缺少明確解釋，另一方面，這種實驗室觀測的結論在實際的地質環境中也很難得到有效驗證，所以，溶解作用產生多邊形斷層的說法尚存在爭議。

值得注意的是：從斷層幾何特征的統計看，肇州油田層控斷裂走向以東西向為主，與該區斜坡走向平行，剖面上斷層為平直斷層，具有優勢的斷層傾向，多數都向著地層上傾方向傾斜(見圖7)。以上這些特征都與北海外馬里灣斜坡處古近系層控斷裂的發育特征相似，Higgs等[16]最早用重力滑動機制來解釋其成因。多邊形斷層對局部應力的變化較敏感，當有斜坡[16]或構造斷層[31]影響時斷層平面組合可能會偏離多邊形形態，許多學者研究了沉積斜坡對多邊形斷層發育的影響[16,37?38]。Stewart等[32]提出多米諾斷層的傾向與地層的邊界條件有關，受地層強度差異的影響，當變形層下部不存在滑脫層而是一個相對的剛性層時，地層翹傾容易導致上部軟弱層形成一系列反向斷層(圖10(a))；與之相反，當變形層底部有滑脫層存在時，順向斷層和反向斷層都有可能出現，但在實際地質條件下以順向斷層居多(圖10(b))。

(a) 基底沒有滑脫層的斷層展布模式；(b) 基底有滑脫層的斷層展布模式

隨著三維地震技術的發展，多數觀點都力圖解釋多邊形斷層的網狀特征的成因。所以，一方面，由于無法解釋斷層多方位的展布特征，另一方面，目前發現的多邊形斷層發育區除了古斜坡以外，大部分是在平緩的盆底地區，這樣早期提出重力滑動機制的觀點就很難被廣泛接受。但對于斜坡部位具有優勢展布方位的層控斷層來說，重力滑動作用仍可能是解釋其發育特征的最好機制。

肇州油田層控斷裂剖面上被限定在有限的范圍內，斷層下部端點向著青山口組內部層A逐漸終止(見圖6)。斷層一致向著斜坡上傾方向傾斜，構成一系列多米諾式的反向斷層，發育特征與Stewart等[32]提出的反向多米諾斷層展布方式相似。從斷裂的展布特征及斷裂發育時期與青山口組末—姚家組早期構造抬升事件相吻合這2方面看，本文作者推斷斷裂的形成可能是重力滑動的結果。青山口中下部含有大量油頁巖，一方面，相對上部地層較早地接受壓實，巖石強度增加；另一方面，頁巖壓實成巖過程中蒙脫石向伊利石轉化，產生的鈣離子和硅離子都會使得地層脆性增強，相對于青山口組上部弱壓實地層來說是一個相對的剛性層。青山口組末期地層翹傾，斷層下部端點受底部相對剛性層的影響被“釘”住，而上部端點沿斜坡向下滑動(見圖10(a))，在簡單剪切作用下形成一系列反向斷層。重力滑動的觀點可以解釋目前層控斷層的幾何特征，但仍需要進一步深入研究。隨著巖心測試資料的完善，獲知實測地層強度差異的數據后這個觀點會得到相應驗證。

4.3 多邊形斷層在油氣成藏中的作用

三肇凹陷是松遼盆地北部重要的生油、富油凹陷，葡萄花油層為其主要產層之一，經過多年的勘探與開發，含油面積整體疊合連片，具有滿凹含油的特征[40]。肇州油田由于構造上具有有利的鼻狀構造背景，是三肇凹陷有利的油氣富集區，油田的西部和中部油大面積連片(見圖7)。三角洲前緣席狀砂和水下河道是油分布的主要儲集砂體[30]，然而，其東部油氣顯示較差(見圖11)，鉆井成功率較低。東西兩區相互臨近，油源條件和儲層特征相同，油氣成藏的靜態要素并無顯著差異，因此，造成油水分布差異的主要原因應當是斷裂對油輸導特征的差異。

圖11 肇州油田區域油藏剖面圖(剖面位置見圖7)

三肇凹陷控制中淺層油氣成藏的主力烴源巖為青一段泥巖，青二、三段泥巖由于處于低熟階段對油成藏的貢獻較小，青一段烴源巖生排的油需要溝通儲層和源巖的油源斷裂的輸導，才能向上運移至葡萄花油層的儲層中，而對于葡萄花油層發育的不同類型斷裂，在不同時期活動的差異性控制了油水分布的范圍。

4.3.1 葡萄花油層斷層活動性質

明水組沉積末期，在NW—SE向的擠壓應力作用下[41]，松遼盆地強烈反轉形成多個大型反轉構造，三肇凹陷周邊的大慶長垣、長春嶺背斜及綏棱背斜在此時期定型。然而，三肇凹陷內部受反轉作用影響相對較弱，并沒有明顯的反轉構造，但在NW—SE向區域主壓應力作用下，葡萄花油層先前存在的眾多NW—近SN向斷裂斜滑活動，向上生長延伸，而此時NNE—近WE向斷層受正向擠壓作用，斷面緊閉而不易活動。青一段源巖在嫩江組末期開始生烴，明水組末期開始大量排烴，烴源巖大量生排烴期也是松遼盆地中淺層油藏的主要成藏時期，所以，三肇凹陷葡萄花油層油藏最早形成于嫩江組時期，發育于明水組末期。從地震數據上，三肇凹陷目前能有效識別出的最上部層序是嫩二段，其頂部對應地震反射層位為T06反射層。前人普遍將連通葡萄花油層和青一段源巖并向上斷至T06層以上的生長斷裂(嫩江組中晚期活動的斷裂)定為油源斷裂[42]，即為本文的Ⅲ型斷裂，這些斷裂多是NNW向展布的密集帶邊界斷裂，而Ⅰ型和Ⅱ型斷裂在成藏期均不活動，主要起遮擋油氣的作用。

進入新生代后，太平洋板塊俯沖方向的轉變和后期日本海的弧后擴張作用，松遼盆地區域擠壓應力主要為NEE向[43]。這一應力方向一直持續至今，由于應力機制的轉變，斷裂的啟閉性也發生了變化：早期(嫩江組—明水組)活動的北北西—南北向斷裂(Ⅲ型斷裂)，在北北東向擠壓作用下停止活動，而此時北北東—東西向斷裂(主要為Ⅰ型斷裂及部分Ⅱ型斷裂)則易于開啟。從油田實際生產開發的數據來看印證了這一結論。肇州油田葡萄花油層現今實測地層最大水平主應力為32 MPa，方向為N80°E，顯示出其應力方向對古應力方向的繼承。肇50-21井區開展井間示蹤劑注入試油，與該井平行的東西向井排可以檢測到示蹤劑，而其他方向井排沒有示蹤劑顯示，說明在該井東西方向存在高滲透帶。通過結合電位法井間監測、鉆井取芯及測井解釋結果，葡萄花油層發育眾多NEE—WE向與最大水平主應力方向平行的裂縫，這些裂縫構成了流體運移的高滲透性條帶。斷裂帶和裂縫的滲透性與原地應力的方位有一定關系，通常認為沿平行或近平行于最大水平主應力(Hmax)方向的高角度裂縫或斷裂帶，由于作用到斷面上的正應力最小而容易產生膨脹趨勢，滲透率會得到增強[44?45]。肇州油田葡萄花油層現今Hmax的方位為N80oE，可以推斷NEE—WE向斷層和裂縫可能是開啟的(見圖7)。這里值得說明的是，斷裂帶的滲透性可能受膠結作用的影響而變化，所以，開啟斷層的方向并不一定都依賴于Hmax的方向，尤其是在大于3 km的深度下[46]。然而，本區多邊形斷層發育的層位均小于1.5 km，另外結合井間示蹤劑和電位法裂縫預測結果及目前油藏分布與油源斷裂較吻合，有理由推斷Hmax的方向是控制研究區斷層帶滲透性的主要因素。肇州油田葡萄花油層發育遠源河控淺水三角洲前緣亞相[30]，儲層砂體薄，單砂體一般低于2 m，儲層物性差，但儲層內大量斷裂發育，將增加儲層物性的非均質性。低孔滲儲層中高滲透性斷裂的廣泛發育使得油沿斷裂和裂縫運移調整要比沿砂體流動更容易。

4.3.2 葡萄花油層油成藏規律

從斷層的活動性質看，由成藏期及之后應力場的旋轉變化而引起的斷裂差異活動是肇州油田葡萄花油層油成藏主控因素。圖12所示可說明肇州油田葡萄花油層斷裂演化和成藏的過程。青山口組沉積早期在區域應力場的作用下，形成了有優勢走向的T2斷裂系，隨著區域應力的持續作用，青山口組上部發育繼承性構造斷裂(Ⅱ型和Ⅲ斷裂)，展布方位與下部T2斷裂相同，兩者之間通過限制型疊覆帶實現應力傳遞(見圖12(a))。在青山口組沉積末期—葡萄花油層早期，三肇凹陷南部構造抬升，地層翹傾引起層A上部泥巖發生重力滑動，形成一系列走向平行斜坡，傾向與斜坡相反的層控多邊形斷層(Ⅰ型斷裂)(見圖12(b))；在葡萄花油層沉積時期，三肇凹陷南部持續抬升，儲層砂體自北向南減薄，肇州油田薄層砂體對斷層的拓展阻礙較小，層控斷層向上生長錯斷儲層；在明水組末期盆地反轉，受NNW向擠壓應力影響，NNW—SN向斷裂傾滑活動，此時期也是葡萄花油層成藏的主要時期，這些活動的斷裂成為油從青一段源巖向上部葡萄花油層垂向輸導的油源斷裂(Ⅲ型斷裂)(見圖12(c))，這些斷裂主要分布在肇州油田的中西部，東部地區并無油源斷裂，而此時EW向和NNE向展布的Ⅰ型層控斷裂和Ⅱ型斷裂受正向擠壓，斷面緊閉，對油成藏主要起遮擋作用(見圖12(c))。進入新生代以來，盆地發育處于萎縮階段，區域應力場轉變為近EW向，這個方向的高角度斷裂和裂縫在區域主壓應力場的作用下具有膨脹趨勢，形成易于流體流動的高滲透帶(主要為Ⅰ型斷裂和小部分Ⅱ型斷裂)，有利于油在儲層內的橫向調整，使得油藏相互連通、分布連片(見圖12(d))，而NNW—SN向斷裂此時受正向擠壓而處于封閉狀態，這樣就阻礙了早期油源斷裂附近的油向肇州東部的橫向運移(見圖12(d))。成藏期沒有油源斷裂的垂向輸導，后期油的橫向運移又受到阻礙，這是造成肇州東部油氣顯示差的主要原因。

(a) 青山口組沉積后T11斷理解展布模式；(b) 姚家組沉積早期層控多邊形斷層展布模式；(c) 油氣成藏期斷裂控制藏模式；(d) 主成藏期后多邊形斷層促進油藏連片模式

5 結論

1)松遼盆地三肇凹陷南部肇州油田發育眾多東西向展布的層控多邊形斷層，斷層延伸長度150~3 000 m，斷距多小于10 m，剖面上被限定在青山口組上部至姚一段之間的有限范圍內，斷裂展布方位與區域應力場方向不協調，用構造作用的觀點無法解釋其成因。

2) 層控多邊形斷層平面展布受砂體和構造斷層的影響，集中分布在砂巖較薄的區域，并且多向著構造斷層下盤生長，與構造斷裂高角度相交。

3) 層控斷裂展布方位與斜坡走向平行，剖面上斷層多向著斜坡上傾方向傾斜，構成一系列反向多米諾式斷裂組合。這些斷裂的下部端點一致向著青山口組內部一個統一界面(層A)收斂，斷裂發育時期與青山口組末—姚家組早期構造抬升事件相吻合，這表明重力滑動作用是控制斷層發育的成因。

4) 肇州油田中部和西部葡萄花油層油藏充滿程度高，已經實現連片，但其東部地區含油顯示差，究其原因歸結為不同時期斷裂的差異活動引起不同類型斷裂在油藏中的作用不同，具體表現為成藏期北西—北北西向斷裂斜滑活動，成為油從青一段源巖向上部葡萄花油層垂向輸導的油源斷裂(Ⅲ型斷裂)，而此時東西向和北北東斷裂(Ⅰ型層控斷裂和Ⅱ型斷裂)受正向擠壓主要起遮擋作用。自新生代以來至現今，區域應力場轉變為近東西向擠壓，平行于這個方向的斷裂由于斷面正應力小而具有膨脹趨勢，東西向Ⅰ型層控斷裂和部分Ⅱ型斷裂可以作為油側向運移的高滲透通道，使油藏連片。肇州油田東部成藏期沒有油源斷裂的垂向輸導，后期油的橫向運移又受到阻礙，故油氣顯示差。

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(編輯 陳燦華)

Development characteristic of layer-bound polygonal faults and their role in hydrocarbon accumulation in Zhaozhou Oilfield, Songliao Basin

PING Guidong1, 2, FU Xiaofei1, 2,LIU Zongbao1, XIE Zhaohan1, 2, GAO Yuting3, FANG Xiao3

(1. Faculty of Earth Sciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Science and Technology Innovation Team, Daqing 163318, China; 3. Qingxing Oil Development Limited Liability Company, Anda 151413, China)

Through the 3D seismic data interpretation and coherence slices, combined with depositional characteristics of Putaohua reservoir, the development characteristic of layer-bound polygonal faults (PFs) was studied in Zhaozhou oilfield in the south of Sanzhao depression, Songliao Basin. The results show that the layer-bound faults show preferential alignment, that most faults distribution are parallel to the strike of the slope and that aligned faults incline to updip direction of slope. The development period of PFs is coincided with a late Qingshankou stage to early Yaojia stage tilting event, and gravity sliding model is proposed as a possible mechanism for the deformation. Plannar distribution of the faults is controlled by sand body and tectonic faults, PFs mainly concentrate in the area where sandstone-bearing stratum is thin, and individual PFs mostly grow to the footwall of the tectonic faults. Because of the difference in the activity of PFs in geological times, there are differences in the role of faults in hydrocarbon accumulation. The regional stress field of hydrocarbon accumulation period (the end of Mingshui formation) is NW trending compressive stress, NW—NNW faults where oblique slipping occur are pathways for oil migrating vertically from the source rock of the Qing-l member up to Putaohua reservoir, yet layer-bounding EW trending faults are closed under normal compression, so PFs play seal effect in hydrocarbon accumulation. Since the Cenozoic, regional stress field transforms into EW trending compression, PFs oriented parallel or nearly parallel to the maximum horizontal principal stress show high permeability. PFs are expected to be the dominant lateral migration pathways for oil within low-permeability reservoir, and make oil reservoir interconnected.

polygonal faults; layer-bound; gravity sliding; Putaohua reservoir; reservoir-controlling

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.025

TE122

A

1672?7207(2015)04?1353?13

2014?04?10；

2014?06?22

黑龍江省杰出青年科學基金資助項目(JC201304) (Project (JC201304) supported by the Outstanding Youth Science Fund Project of Heilongjiang Province, China)

平貴東，博士，講師，從事斷裂變形、封閉性及控藏機理研究；E-mail：pingguidong@126.com