第六讲断裂构造与油气成藏关系

在2007中国科协学术建设发布会上，中国科协副主席、中国科学院常务副院长白春礼表示,目前地质学的研究工作存在着“三多三少”现象，即：

1）证明西方学者提出的假说和理论的研究多，提出中国自己的假说和理论少；2）单一学科封闭式研究多，真正意义上的多学科交叉与综合集成研究少；3）模仿性研究多，独创性的成果少。ChinaUniversityofGeosciences2/1/20231断裂构造与油气成藏关系Faulting,FracturingandHydrocarbonaccumulationChinaUniversityofGeosciences石油构造分析——第六讲2/1/20232断裂构造

当作用于岩石上的力超过其强度界限时，岩石就会发生断裂。根据断裂面两侧岩石位移的程度，可将断裂分为两种基本类型：其一，断裂面两侧的岩石位移不明显，称之为节理；其二，断裂面两侧的岩石位移明显，称之为断层。

ChinaUniversityofGeosciences2/1/20233

一、节理及节理分类

倾向节理顺层节理斜向节理1、根据节理产状与岩层产状的关系分为：走向节理、倾向节理、斜节理、顺层节理走向节理ChinaUniversityofGeosciences2/1/202342、根据节理与褶皱轴方位的关系分为：a.纵节理；c.横节理；b.斜节理ChinaUniversityofGeosciences2/1/202353、根据力学性质剪节理2/1/20236张节理3、根据力学性质ChinaUniversityofGeosciences2/1/20237断层（Fault）是地壳岩石体（地质体）中顺破裂面发生明显位移的一种破裂构造；是地壳表层岩石的一种脆性破裂；断层构造2/1/20238ChinaUniversityofGeosciences2/1/20239ChinaUniversityofGeosciences2/1/202310上盘（下降盘）下盘（上升盘）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202311断层分类

正断层：上盘下降，下盘上升的断层。特征：断面产状陡，倾角一般在45度以上，大型正断层往往上陡下缓呈铲状。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202312

逆断层(Reversefault)：上盘上升，下盘下降的断层。高角度逆断层：断面倾角在45度以上。低角度逆断层：断面倾角小于45度。逆冲断层：位移量很大的低角度逆断层，倾角在30度左右。推覆构造，推覆体，飞来峰，构造窗ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023132/1/202314

平移断层(Strike-slipfaults)：断层两盘顺断面走向相对运动的断层。特征：断面近于直立。左行(left-lateral)平移断层；右行(right-lateral)平移断层走滑断层：规模巨大的平移断层。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202315斜向滑动断层(Oblique-slipfault)，命名采用组合命名法。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202316

断层的两盘以断层面上某一点为轴作旋转运动称之为枢纽断层。枢纽断层分两种类型，旋转轴位于断层的一端，其特点为断层各处的断距不等，近轴处短，远处大；旋转轴位于断层的中间，其特点为断层的一侧如为正断层，另一侧则为逆断层。ChinaUniversityofGeosciences2/1/20231712345671、正断层2、逆断层3、平移断层4、正平移断层5、逆平移断层6、7、枢纽断层断层分类ChinaUniversityofGeosciences2/1/202318阶梯状断层地堑地垒断层组合ChinaUniversityofGeosciences2/1/202319断层组合叠瓦状断层对冲式断层背冲式断层ChinaUniversityofGeosciences2/1/202320平行于最大压应力方向产生节理形成雁行排列节理带最终形成共轭断层节理带渐进演化成连续的角砾岩带ChinaUniversityofGeosciences2/1/202321断层带立体示意图ChinaUniversityofGeosciences2/1/202322ChinaUniversityofGeosciences断裂与油气成藏关系封闭（Seal）？输导（Transport）？2/1/2023231、在勘探方面，断层开启性—沉积盆地穿层、汇聚式流动，即油气垂向输导系统；封闭性—侧向遮挡形成圈闭。2、在开发方面，因断层分隔作用而造成油气藏的非均质性和截然不同油气水界面。3、断层作用对原生油气的破坏作用。4、通过断层的流体流动而造成储层的溶蚀/胶结作用。归纳起来，可分为五个方面：（1）断层对油气聚集的“集中效应”；（2）断层对油气藏的“分散效应”；（3）断层对油气藏的“连通效应”；（4）断层对油气藏的“分隔效应”；（5）断层对油气储、盖层的“改造作用”。断裂作用与油气成藏关系研究意义Faulting,FaultSealingandFluidFlowinHydrocarbonReservoirsChinaUniversityofGeosciences2/1/202324断裂与油气成藏关系的研究开始于上世纪60年代Smith,D.A.,1966,Theoreticalconsiderationofsealingandnonsealingfaults:AAPGBulletin,v.50,p.363–374.Smith,D.A.,1980,Sealingandnon-sealingfaultsinLouisianaGulfCoastsaltbasin:AAPGBulletin,v.64,p.145–172.ChinaUniversityofGeosciences2/1/202325Allan,U.S.,1989,Modelforhydrocarbonmigrationandentrapmentwithinfaultedstructures:AAPGBulletin,v.73,p.803–811.Anderson,R.N.,1994,GulfofMexicogrowthfaultdrilled,seenasoil,gasmigrationpathway,Oil&gasJournal,June6,97-104

Knipe,R.J.,1997,Juxtapositionandsealdiagramstohelpanalyzefaultsealsinhydrocarbonreservoirs,AAPG,v.81,n.2,p187-195

Yielding,G.,1997,Quantitativefaultsealprediction,AAPG,v.81,n.6,p897-917

Alexander,L.L.,1998,Fluidflowinafaultedreservoirsystem:faulttrapanalysisfortheBlock330fieldinEugeneisland,southaddition,OffshoreLouisiana,AAPG,v.82,n.3,p387-411ChinaUniversityofGeosciences2/1/202326

Losh,S.,1998,Oilmigrationinamajorgrowthfault:structuralanalysisofthepathfindercore,southEugeneislandBlock330,OffshoreLouisiana,AAPG,v.82,n.9,p1694-1710

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G.Jones、Q.J.Fisher和R.J.Knipe(1998)著《Faulting,FaultsealingandFluidFlowinHydrocarbonReservoirs》

吕延防等编著《断层封闭性研究》（2002），石油工业出版社

AAPGThemeIssue《FaultSealing》(2003,87-3).

AAPGMemoir（2005，85）《Faults,fluidflow,andpetroleumtraps》

ChinaUniversityofGeosciences2/1/202327九十年代以前，主要是断层圈闭样式及断层带毛细管力相对遮挡能力的评价（Smith,1966,1980;Schowalter,1979;Watts,1987;Allan,1989;Bouvier等，1989）。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202328

九十年代以后，断层与油气成藏研究才真正进入到实质性阶段：1、断层损伤带、断裂岩物理特性及其封闭性分析；2、断裂带古流体温压条件和流体化学特性；3、断裂带与汇聚式流体流动；4、断层封闭性定量分析。

ChinaUniversityofGeosciences2/1/202329克拉2构造克拉2构造总发育6条逆断裂，断裂的拟和相态为“人”字型和“入”字型。除F5和F6断裂外，其他4条断裂均断穿储层与原岩层，并向上终止于下第三系膏泥岩层中，只有F1断裂断穿老第三系膏泥岩之中。F1断裂上部及F6断裂属于盖层内滑脱断裂。克拉2气田的气源为来自中上三叠统，中下侏罗统的暗色泥岩，储集层为下白垩统巴什基奇克组合下第三系底砂岩，盖层为下第三系泥岩、膏泥岩和岩盐。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202330断裂输导实验（据吕延防，2006）模型装载完毕后，开始注人氨气，打开排气阀氨气沿底部石英砂层平行推进关闭排气阀，向上同时抽提各胶皮至要求部位氨气在压力差作用下迅速沿断裂空腔向上运移氨气顺着断裂临近砂体发生侧向运移最后，氨气充注到克拉2构造圈闭中ChinaUniversityofGeosciences2/1/202331东秋5构造发育两条北倾滑脱性质逆断裂F4和F5。圈闭形成于库车期，定性于第四系，与烃源岩排烃期相匹配。但该构造只受F1一条穿盐断裂控制，且被F1断裂相连通的盐上康村组储层物性远远高于下第三系和白垩系储层物性。

东秋5构造2/1/202332实验现象氨气沿底部石英砂层平行推进关闭排气阀，向上同时抽提各胶皮至要求部位氨气在压力差作用下迅速沿断裂空腔向上运移氨气顺着断裂临近砂体发生侧向运移氨气充注到顶部砂体中，进而通过F4断裂散失掉模型装载完毕后，开始注人氨气，打开排气阀F4F2F12/1/202333通过上述两个模拟实验，可以发现天然气通过活动开启断裂的运移具有以下四个特点：（1）断裂活动形成的空腔为天然气的运移提供了畅通的通道。（2）天然气沿断裂空腔内的运移比在储层内的运移更容易。（3）沿断裂运移的天然气向相邻储层注入时具有明显得选择性。（4）天然气运移聚集的主要方向和场所是断裂带上盘储层。天然气沿断裂带运移与注入图解ChinaUniversityofGeosciences2/1/202334断层既作为油气运移的重要输导通道，也作为油气聚集的重要遮挡条件，其在油气运移和聚集过程中，这两种不同性质作用的决定因素是断层本身的封闭性，断层开启时起输导通道作用，断层封闭时起遮挡油气作用。同一条断层在其发育的全过程中，可能要经历多期开启与封闭过程，准确认识断层封闭与开启性及其发育历史，有助于正确认识油气运移、聚集、散失过程及油气现今分布规律。因此，自上个世纪60年代初期，Smith发表的第一篇关于断层封闭性研究的文章以后，已有众多研究者对此进行过深入研究，并取得了许多重要研究成果。断层封闭性（FaultSealing）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202335断层封闭机理断层封闭程度主要取决于断层带物质及其两侧岩石的封闭能力，主要由薄膜封闭实现的，其本质取决于差异排替压力（Smith，1966，1998）

ChinaUniversityofGeosciences2/1/202336侧向封闭垂向封闭断层封闭ChinaUniversityofGeosciences2/1/202337

所谓断层侧向封闭性是指断层在侧向上沿断层面法线方向穿过断层面运移油气的封闭能力。断层侧向封闭机理分为以下三种形式：1）砂泥对接封闭机理2）断裂带高排替压力封闭机理3）泥岩涂抹形成的侧向封闭机理断层侧向封闭机理ChinaUniversityofGeosciences2/1/202338当断层两盘岩层以“面”接触时，断层能否形成侧向封闭主要取决于断层两侧对接岩层排替压力的相对大小。1）砂泥对接封闭机理ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023392）断裂带高排替压力封闭机理当断层两盘为“带”接触时，尽管断层两盘为砂砂接触，尽管对置盘砂岩的排替压力低于油气运移盘岩层的排替压力，如果断裂带的排替压力大于油气运移盘岩层的排替压力，断裂带就能阻止油气的侧向运移，断层具侧向封闭性。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202340(1)泥质填充封闭(2)后期成岩封闭依据断裂带物质形成高排替压力的原因此种封闭作用又可分为以下两种形式。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202341成因：

由于同生断层在活动过程中，由于构造应力和上覆岩层重量的作用，断层两盘的未固结或半固结的泥岩层被削截、挤压进入断裂空隙，在断层两盘削截砂岩层上形成的一薄泥质岩层。3）泥岩涂抹形成的侧向封闭机理ChinaUniversityofGeosciences2/1/202342泥岩涂抹（smear）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202343涂抹层的分类泥岩涂抹层分布广泛，厚度展布较均匀，是遮挡油气的良好隔层。涂抹层的厚度通常随着与原泥岩层距离的增加而减小，在上下盘对应层的中间位置达到最薄。a剪切型：主要发生在断距相对较大，断层倾角较缓，断面较光滑的断层处。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202344b削截型：是砂岩滑过涂抹层后，削截作用所形成的泥页岩薄层。断距逐渐增大，涂抹层本身也逐渐被削蚀掉。这种类型一般发育在砂岩刚性较强的断层中。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202345c填塞型：涂抹层对砂岩中裂缝及孔隙的局部充填，有学者称为侵入型涂抹。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202346泥岩涂抹（smear）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202347（3）涂抹层的分布涂抹层在空间上的分布并不是理想规则，主要受泥岩厚度、断距、主应力、断面粗糙程度的影响。一般情况下，断层带中涂抹层拖拽越远，其厚度越薄；断层带空间较大，易发育较厚涂抹层，反之，发育较薄涂抹层，甚至不发育。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202348由于泥岩涂抹层在形成过程中受到较大的剪应力与地重力的共同作用，使其孔渗性明显低于相应深度的泥岩层的孔渗性，故具有较高的排替压力，可形成对目的层的侧向封闭，且只要存在泥岩涂抹，这种侧向封闭油气不存在任何问题，故这种侧向封闭作用主要取决于其空间分布的连续性，其空间分布的连续性越好，泥岩涂抹的侧向封闭性越好，反之则越差。ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023492、断层垂向封闭机理1）断层面紧闭封闭机理这种封闭机制的形成所需要的地质条件是断层两盘之间无断裂填充物，断层两盘之间以“面”接触。在这种情况下，断层面主要是依靠上覆岩层重力或区域主压应力使其发生紧闭。然而，由于断层面的凸凹起伏，仍会遗留渗漏空间，通常在断层缓角处紧闭，陡角处开启造成油气渗滤散失。因此，仅仅依靠断层面所受到的压力，还不能使断层对油气在垂向上形成完全封闭，还必须借助于泥岩的塑性流动，来堵塞断层紧闭后遗留下来的渗漏空间。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202350大量实验结果(鲁兵等，1996)表明，断层面紧闭处地层多为岩性较软的泥质岩层，硬度低，塑性强，尤其是当其所受压力超过泥岩塑性变形所需要的最小压力(据李德发等1991年对川西坳陷上三叠统泥岩的高压实验研究证明，其所抗最大压力不超过5MPa)时，泥岩便发生塑性变形向渗漏空间流动，堵塞断层面紧闭后所遗留的渗漏空间，使其愈合起来，在垂向上形成对油气的封闭作用。否则，断层在垂向上难以形成封闭。ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023512）断裂带排替压力差封闭机理

指断层两盘之间存在断裂充填物，断层两盘呈带接触。

（1）泥质填充封闭机理（2）后期成岩封闭机理ChinaUniversityofGeosciences2/1/202352储层段与盖层段内油气运移方向示意图储层段内应研究断层的侧向封闭性，盖层段内应研究断层的垂向封闭性。断层封闭性研究的层段差别ChinaUniversityofGeosciences2/1/202353断层封闭性影响因素ChinaUniversityofGeosciences定性判断封闭性2/1/202354ChinaUniversityofGeosciences2/1/202355三、两大研究方法：

twoimportantmethodsfortheresearch

岩性对接——Allan图解（juxtaposition）

粘土涂抹（smear）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202356Allan,U.S.,1989,Modelforhydrocarbonmigrationandentrapmentwithinfaultedstructures:AAPGBulletin,v.73,p.803–811.Allan假设

断层本身没有封闭能力

断层也不是开启的通道

圈闭和运移取决于断层两侧对接的岩性ChinaUniversityofGeosciences2/1/202357（a）砂岩/泥岩圈闭（b）砂岩/砂岩侧向运移1）岩性对接（juxtaposition）ChinaUniversityofGeosciences2/1/202358断层侧向封闭性评价的Allen图解Allan’shypothesisandAllanfault-planesection（1989）

ChinaUniversityofGeosciences2/1/202359ChinaUniversityofGeosciencesAllan断面图编制方法①针对研究断层，垂直断层走向选择若干条剖面（≥3）；②根据钻井资料进行地层划分，作断层剖面图；③将每条剖面所揭示的断层两盘地层投影到断层面上，连接顶底界面点即可2/1/202360Allan假设和Allan图（断面图）

问题：

未考虑断层带本身的封闭性？

过渡岩性对接的封闭能力？ChinaUniversityofGeosciences2/1/202361ChinaUniversityofGeosciences两盘大多以断层带接触2/1/202362（据赵密福等，2006）ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023632、泥岩涂抹（smear）2/1/202364Bouvier(1989)在研究尼日尔三角洲时,提出“泥岩玷污潜力CSP(ClaySmearPotential)”,表示沿断面某点某泥岩层被涂抹的相对量值,其值随泥岩厚度或泥岩层数的增加呈正相关关系,随断距的增大呈相反关系。CSP适用于断面剪切型的涂抹ChinaUniversityofGeosciences2/1/202365Lindsay(1993)提出了“泥岩涂抹因素SSF(ShaleSmearFactor)”,提出断层的断距越大,断开泥岩的厚度越小,泥岩涂抹层在空间上的连续性越差;断层的断距越小,断开泥岩的厚度越大,泥岩涂抹层在空间上的连续性越好。SSF与源岩层的厚度、层数成反比,而与断距成正比。SSF适用于压入型的涂抹ChinaUniversityofGeosciences2/1/202366Yielding(1997)等提出了“断层泥比率SGR(ShaleGougeRatio)”,对于砂泥岩层序,用断面中各泥岩层的厚度之和与断距之比SGR来评价断面的封闭性,其方法比较实用简单。Yielding,G.,B.Freeman,andD.T.Needham,1997,Quantitative

faultsealprediction:AAPGBulletin,v.81,p.897–917.

ChinaUniversityofGeosciences2/1/202367断层泥比率（SGR）定量分析断层封闭性的步骤①根据测井分析确定地层砂泥成分；②根据公式计算断裂带SGR值；③根据盆地已知封闭和泄漏断层的SGR值，确定SGR门限值(25~30%)；④根据门限值标准判断断层封闭性ChinaUniversityofGeosciences2/1/202368大张坨断层断面上SGR的分布特征ChinaUniversityofGeosciences2/1/202369ChinaUniversityofGeosciences粘土涂抹（smear）问题：

仅适用于断开的砂/泥层序，碳酸盐岩？

SGR门限值的确定？

逆冲断层或走滑断层？2/1/202370目前，国内外常规的断层封闭性分析：将断面图（Allan图）和SGR的分析作为一个整体来考虑①编制断面（Allan）图；②计算断层砂泥比；③编制断层砂泥比图；④确定断层砂泥比门限值；⑤综合判断断层封闭性分析步骤ChinaUniversityofGeosciences2/1/202371主参数断层封闭性评价岩性配置关系（确定性参数）泥岩涂抹指数（相对性参数）封堵层的排替压力断面埋深断面压应力断距单层砂岩厚度断层活动期所处的成岩阶段断面倾角相关参数ChinaUniversityofGeosciences2/1/202372研究实例Anewprocess-basedmethodologyforanalysisofshalesmearalongnormalfaultsintheNigerDelta砂泥对接与泥岩涂抹结合2/1/202373ChinaUniversityofGeosciences2/1/202374ChinaUniversityofGeosciences2/1/202375ChinaUniversityofGeosciences2/1/2023762/1/202377ChinaUniversityofGeosciences2/1/202378基本原理应用三维地震、测井资料并结合正断层分段模型，确定断层几何形状，评价涂抹泥岩的性质，最终建立一个真实的并置图，进行断层封闭性分析。分析过程①利用正断层分段模式，在三维地震剖面中进行断层几何形状的精确解释，主要是对断层进行分段以及识别张性断层的断裂叠复过渡带（extensionalrelay）。②构建断裂带和断裂岩结构：根据一些规则，可在剖面中对断裂带和断裂带结构进行详细的识别。③利用测井数据来识别和绘出沿着断层以及横穿断层的储层和非储层地层。④依据横穿断层的泥岩涂抹绘出断裂岩的分布，在此基础上构建包括断裂岩在内的并置图。⑤利用该真实的并置图进行断层封闭性分析。适用条件高品质三维地震资料地区，利用断层分段模式可在剖面上识别出断层段以及断裂叠复过渡带，才能进一步确定泥岩涂抹及断裂岩的分布。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202379其它方法1、断面正应力分析2、流体地球化学证据3、温、压系统分析4、模糊数学综合分析ChinaUniversityofGeosciences2/1/202380断面正应力越大，断面的紧闭程度越好，封闭性越强。而对于断面正应力的计算应考虑最大主应力、最小主应力、重力及流体压力的综合效应。断面正应力大于孔隙压力，是断层封闭的一个重要前提，当具备这个条件时，断面应是闭合的，否则断面将开启，不具封闭性。断面正应力ChinaUniversityofGeosciences2/1/202381流体地球化学证据ChinaUniversityofGeosciences2/1/202382断层两侧若无岩性、物性的横向剧变，且不属于同一个压力系统，那么断层应是封闭的。另外，干扰试井法、示踪剂法及油水井生产动态分析法等也对断层封闭性研究有重要意义。ChinaUniversityofGeosciences2/1/202383主要考虑以下几种因素：（1）断层两侧的岩性配置关系（s1）（2）断层的力学性质（v2）（3）断层泥的分布(SSF封堵指数)（v3）（4）岩层产状配置关系（v4）（5）封堵层泥