海拉尔盆地碎屑岩地层断裂带内部结构及断层封闭性

王盛波

（成都理工大学 能源学院，四川 成都 610051）

0 引言

断层封闭性研究是油气勘探中重要的环节［1-3］，有关研究主要表现在4方面：（1）明确断层封闭类型：一是对接封闭［4］；二是断层岩封闭（包括碎裂岩、层状硅酸盐—框架断层岩和泥岩涂抹）［1，3，5-8］；三是胶结封闭.（2）提出评价断层侧向封闭性的两种图解——Knipe图解和Allan图解［5，9］；（3）断裂带内部结构表现为断层核和破碎带的二分性［10-13］，断层核由滑动面和不同类型的断层岩组成，断层岩泥质含量决定断层的侧向封闭能力，提出SSF、CSP、CSF、SGR和ESGR等断裂带泥质含量的预测方法［1，14-15］；（4）建立断层封闭的烃柱高度与SGR关系［16］，实现对断层侧向封闭性的定量评价，预测断层圈闭的风险性，有利指导勘探部署.目前，断层封闭性研究存在问题：（1）断层几何学特征呈现出分形特征，断层空间结构特别是围绕大断层周围的亚地震断层极大影响断层封闭性评价结果，亚地震断层缺乏有效的识别手段［5］；（2）断裂带结构复杂多样，断层核和破碎带二分结构很难代表全部的断层，特别是破碎带的发育程度对断层封闭性的影响有待深入［7］；（3）影响断层侧向封闭性的因素很多，确定性因素包括断裂带结构、断层核中泥质含量、埋藏史与断裂变形史之间的关系、断层再活动、断移地层岩石力学特征和胶结作用等，不确定性因素包括应力状态、断面压力等，对断层封闭性的影响机理不清楚，更重要的是缺乏综合考虑不确定因素的评价方法；（4）断层封闭性评价研究集中在砂泥岩互层地层中，断层性质基本为张性正断层，而对碳酸盐区、逆断层和走滑断层封闭性评价缺乏认识.

断裂带内部结构刻画不清，不同类型的盆地断层性质不同、断移地层岩性不同、断层活动规律不同，导致断层带内部结构不同，断层封闭性的影响因素不同.笔者以海拉尔盆地为研究对象，根据断裂带内部结构，分析不同类型、不同级次、不同层位断层侧向封闭类型，特别是泥岩盖层内断裂带结构，为海拉尔盆地普遍存在的断层圈闭封闭性评价提供指导.

1 盆地及断裂演化史

海拉尔盆地古生代位于西伯利亚次大陆与华北微大陆之间的兴—蒙洋位置上，受控于近东西向压性构造体系的控制.侏罗纪—早白垩世构造体制发生明显的改变，由于岩石圈拆沉，地幔隆起，构造格局发生质的改变，从前期的压性状态转化为张性状态，裂陷盆地开始发育［17］.因此，海拉尔盆地为海西褶皱基底上发育的晚中生代—古近纪断—拗陷盆地，早白垩世的发育明显受北东向断裂控制而出现“两隆三拗”的构造格局［18］.海拉尔盆地发育三大构造层（见图1）：断陷构造层（铜钵庙组—南屯组）、断—拗构造层（大磨拐河组—伊敏组）和拗陷构造层（青元岗组—更新统—全新统）.断陷期末有过局部抬升，形成苏德尔特潜山带.伊敏组末期盆地大规模回返，整体抬升.之后进入拗陷阶段，古近纪末期为盆地又一次重要的反转期.受到基底破碎和晚期构造反转作用，在海拉尔盆地形成复杂的断裂系统.根据盆地演化规律，海拉尔盆地断裂可以分为二类五型：一是盆地的基底断裂，均为正断层，盆地发育期常演化为控陷的主干边界断层；二是盆地盖层断裂.根据活动时期和变形特征，分为早期（铜钵庙组—南屯组）伸展断裂系统、中期（伊敏组末期）张扭断裂系统、早期伸展—中期张扭断裂系统、中期张扭—晚期反转断裂系统和早期伸展—中期张扭—晚期（青元岗组末期）反转断裂系统（见图1和图2）.

2 断裂带内部结构

断层的形成源于裂缝的递进发展，伴随地震活动变形，断距逐渐累积而增大，由于受到应变硬化作用，新的活动面并不追踪古老的滑动面，每次地震活动变形均造成断裂带宽度增大.因此，断层并非是一个简单的面，而是一个长度、宽度与断距成正比关系的断裂带.断裂带（Fault zone）结构表现为二分性［10-13，19-21］：断层核（Fault core）和破碎带（Damage zone），断层核吸收断层大部分位移，由滑动面（Slip surface）和多种类型断层岩（Fault rock）构成［22］；破碎带为与断层形成统一应力场和活动派生应力场中形成的大量裂缝切割围岩部分，因此具有比围岩更高的渗透性.如果不考虑胶结作用，断层核渗透性往往比破碎带低得多［12，14，23-24］，断层核表现为特低孔特低渗特征，大量裂缝发育引起破碎带渗透性大大提高.由于断裂性质、活动规律及断移地层岩石力学特征不同，不同类型的断层断裂带内部结构不同，有的只发育断层核，有的只发育破碎带，有的二分结构清楚.

2.1 致密储层断层角砾岩结构

贝38-1井布达特群内部系列断裂带内部结构特征：贝38-1井布达特群（2 521.20～2 529.2m）岩性主要为灰黑色砂岩和泥岩互层，发现多个十几厘米—几米宽度不等的断裂带（见图3），断裂带由断层核和破碎带构成（见图3图版1），断层核主要由断层角砾岩构成（见图3图版1和3），后期被方解石和石英胶结，在断层核内的溶洞见晶粒完整粗大的自生方解石（见图3图版4）.破碎带内裂缝发育，将围岩切割破碎（见图3图版1和2），但裂缝多为胶结物所充填；根据裂缝切割关系（见图4图版2），破碎带为多期形成，早期充填石英，晚期充填方解石（见图3图版2）.根据贝38-1井断裂带内部结构，尽管断裂带二分结构清晰，但普遍被胶结物充填，断层侧向封闭机理多为胶结封闭.

2.2 泥质岩盖层涂抹结构

泥岩涂抹的连续性受控于断距与泥岩厚度的比率（SSF）［15，25-29］，Faerseth R B认为小规模断层（断距小于15m），即亚地震断层（Subseismic fault），泥岩涂抹保持连续SSF变化范围为1～50，通常泥岩层厚度为几毫米～10厘米，断距为几分米～4厘米［25，30-32］.对于规模较大的断层（断距大于15m），泥岩涂抹保持连续的临界值较小，SSF一般为4-8［6，15，26-27，30］.Takahashi M 通过高温高压物理模拟研究表明，当有效正应力为30MPa，SSF大于4.9时，粉砂岩涂抹失去连续性；当有效应力为40MPa，SSF大于6.6时，粉砂岩涂抹失去连续性［28］.因此，随着埋深增加，相同泥岩涂抹越发育，越容易保持连续性.免渡河—扎敦河林场公路10km处南平组浅灰色粉砂岩和灰黑色粉砂质泥岩互层地层中发现断距约为40cm小型正断层（F4），上盘伴生20cm小型逆断层（F5），断裂带宽度为15～20cm（见图4图版1）.

2.3 泥质岩盖层断层泥结构

盆地抬升过程形成断裂，由于应力松弛和卸载作用影响，泥岩塑性强度变差，剪切型泥岩涂抹不发育，断层常常切割盖层.发育在海拉尔盆地灵泉煤矿伊敏组上部的张性正断层，切割黑色煤层和灰白色粉砂质泥岩互层，断距为40～50m，断裂带宽度为5～25cm不等.断裂带填充物松散，为来自两盘围岩的混合物，主要依据：（1）断裂带填充物成分主要为煤和泥岩的混合物，除了构造透镜体发育的地方（见图5图版3），断裂带填充物成分总体表现为煤多于泥.（2）断裂带填充物颜色介于黑色煤层与灰白色粉砂质泥岩之间，总体为深灰色（见图5图版2），反映断裂带填充物为煤和泥岩的混合；（3）在断裂上部粉砂质泥岩与粉砂质泥岩对接的部位（见图5图版4），断裂带内部填充物颜色为灰黑色（见图5图版5），表明断裂上盘煤层滑过该点时卷入断裂带内部.

3 断裂带内部结构模式及封闭性

与油气垂向运移有关的断裂系统包括三类：一是早期伸展—中期张扭—晚期反转断裂系统，即正反转断层，从基底断至青元岗组，控制乌尔逊苏仁诺尔和贝尔凹陷霍多莫尔大磨拐河组一段油藏形成（见图6）.这类断裂后期反转再活动，通常破坏早期的封闭条件，在早期形成的碎裂岩或泥岩涂抹中产生大量裂缝，造成油气垂向运移.

二是早期伸展—中期张扭—晚期反转活动的断裂系统，即反转期再活动的正断层.这类断层反转程度较低，表现为正断层，如贝尔凹陷贝中希58-64、南贝尔凹陷21-69油藏、塔南凹陷19-69和19-78大磨拐河组二段油藏.选择塔南凹陷中西部构造带断层遮挡油藏作为重点研究对象，分析断层成为油气垂向运移通道的条件.该区为反向断层控制的断层遮挡型油藏，大部分油聚集在南屯组一段，只有F1、F9和F19控制的断层圈闭在大磨拐河组二段富含原油，南二段和大磨拐河组一段构成一套厚度较大的盖层，导致断裂在盖层段上下分段扩展，形成剪切型泥岩涂抹，计算每条断层SSF，控制南一段油藏的断裂为早期伸展断裂系统和早期伸展中期张扭断裂系统，在盖层段SSF小于5，控制大二段油藏的断裂为早期伸展—中期张扭反转期活动的断裂系统，在盖层段SSF大于5，但一般不超过6；因此，当SSF大于5时，泥岩涂抹失去连续性，油气垂向运移［33］.

三是中期张扭—晚期反转活动的断裂系统，即褶皱式反转构造翼部正断层.这类断层形成较晚，后期抬升断裂活动，形成贯通性断裂，造成早期聚集油气被调整，如乌尔逊凹陷南部乌20—乌16—乌32大磨拐河组二段油藏（见图7）.

4 结论

（1）海拉尔盆地断裂可以分为二类五型：一是盆地的基底断裂；二是盆地盖层断裂；根据活动时期和变形特征，分为早期伸展断裂系统、中期张扭断裂系统、早期伸展—中期张扭断裂系统、中期张扭—晚期反转断裂系统和早期伸展—中期张扭—晚期反转断裂系统.

（2）海拉尔盆地发育3种断裂带内部结构模式：一是致密储层中断层角砾岩结构，布达特群储层断裂带具有二分结构，断层核主要由断层角砾岩构成，但普遍被胶结物充填，断层侧向封闭性多为胶结封闭；二是泥质岩盖层中泥岩涂抹结构，泥岩涂抹的连续性受控于断距与泥岩厚度的比率，免渡河—扎敦河林场公路10km处南平组小型正断层发育15～20cm宽的剪切型泥岩涂抹带；三是泥质岩盖层内断层泥结构.

（3）与油气垂向运移有关的断裂系统有三类：一是早期伸展—中期张扭—晚期反转断裂系统（正反转断层）破坏早期的封闭条件，造成油气垂向调整运移；二是早期伸展—中期张扭—晚期反转活动的断裂系统（反转再活动正断层），具有剪切型泥岩涂抹结构，当断距超过盖层厚度5倍时，泥岩涂抹失去连续性，垂向运移；三是中期张扭—晚期反转活动的断裂系统，后期抬升断裂活动，形成贯通性断裂，造成早期聚集油气被调整.

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