高邮凹陷汉留1号断层输导通道的时空分布特征

陈星岳，李鹤永，孙思敏，操义军，徐哲航，邹华耀

(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

断层作为控制油气富集的主要地质体，对油气成藏的控制作用在不同时空关系中存在差异。固结地层中，断层具有二分结构，国外学者将其分为断层核和破裂带，国内学者划分为破碎带和诱导裂缝带[1-4]。而对于碎屑岩层系而言断层能够输导油气，是因为流体沿断层的运移遵循地震泵机制[5]，其输导能力主要取决于破裂带裂缝的发育与分布[6-7]。

早期认为断层输导通道的输导性是与断层的开启闭合相一致的。但随着对断层研究的深入，断层对流体的输导能力是由断层派生的裂缝输导介质提供的，油气沿断层的输导是幕式的，油气成藏由多幕次流体充注完成，每一幕次包括稳态汇聚期和瞬态充注期[8-10]；流体遵从地震泵机制，沿断层内部的裂缝带向浅层流动，现今观测到的浅层油气是由多次断层活动累积的结果[11]。依靠断层活动速率可以作为断层输导通道的识别标志已在渤海湾盆地得到应用，同一时期，不同区段断层活动速率的不同，决定了断层输导通道的启闭性差异，最终导致同一断层不同区段油气及幔源CO2富集层段的差异[12-13]，同时，流体的稳态汇聚也与断层面几何形态有关[14]。

目前对高邮凹陷断层输导作用的研究主要针对断层活动强度、构造转换带以及断层输导脊进行定量分析[15-17]，断层侧向遮挡作用的研究集中在深凹带南部真武断裂带控制的一系列断层以及斜坡带的北倾正断层[18-20]。然而，位于深凹带北部汉留断裂带上的联盟庄地区，断层在不同时期的活动性、不同区段对油气稳态汇聚过程的影响均存在差异，也因此导致了油气空间分布的差异。

本研究基于断层启闭性机制原理，计算了汉留1号断层联盟庄地区三垛组沉积期以及盐城组沉积期至今的活动速率，以表征断层在各时期的输导能力；明确了断层活动期断层不同区段流体稳态汇聚的优势区域，进而明确断层对油气在时空上的控制作用，对后续的勘探实践起一定的指导作用。

1 成藏地质背景

高邮凹陷位于苏北盆地东台坳陷，北接柘垛低凸起，南临通扬隆起，西至菱塘桥低凸起，东至吴堡低凸起，凹陷内部自南向北依次可划分为断阶带、深凹带和斜坡带3个次级构造单元[21-22]，本次研究的联盟庄地区位于高邮凹陷深凹带。深凹带油藏以条带状分布在真武断裂带与汉留断裂带附近。位于汉留断裂带中部、邵伯次凹北部的联盟庄油田是深凹带的主力油田之一。依据油气的探明情况大致可将联盟庄地区分为联西地区、L38区块及联东地区，油气主要富集层段为戴南组，油气在平面上沿汉留断层呈条带状分布[23]。

高邮凹陷形成于晚白垩世仪征运动时期，经历了早期断拗阶段、中期的断陷阶段以及晚期的拗陷阶段，自下至上的三个构造演化阶段对应的地层包括：早期断坳阶段发育了泰州组及阜宁组；中期的断陷阶段发育了戴南组及三垛组，这也是深凹带油气富集的主要目的层；晚期的拗陷阶段发育了盐城组及东台组[24-26]。

图1 研究区范围、构造单元划分及综合柱状图Fig.1 Location, structural units and stratigraphic column of the study area

高邮凹陷深凹带针对联盟庄地区地层发育,前人做了大量研究，古近系发育三套地层，下部阜宁组可分为4段，深凹带发育阜二段、阜三段以及阜四段，阜四段作为主力烃源岩主要沉积深灰、灰黑色泥岩[27]，中部戴南组是联盟庄地区主要目的层段，可分为两段，戴一段顶部沉积黑色、深灰色泥岩夹浅灰色砂岩，分布稳定，中下部沉积浅灰色砂岩与浅、灰黑色泥岩呈不等厚互层，戴二段可分为5个亚段，其中二亚段和五亚段油气显示度较高，二亚段沉积灰色、暗棕色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与灰色粉砂岩夹细砂岩呈略等厚互层，五亚段沉积浅棕色、浅灰色粉砂岩、细砂岩、不等粒砂岩与灰色、棕色、紫色泥岩及粉砂质泥岩互层，上部三垛组沉积棕色粗砂岩、含砾不等粒砂岩、细砂岩、不等粒砂岩与棕色泥岩，呈不等厚互层[23,28-29](图1)。

前人研究发现，高邮凹陷戴南组的油气来源为阜四段烃源岩，自戴一段沉积时期开始生烃，三垛组沉积期达到生烃高峰，三垛运动后阜四段烃源岩停止生烃[27]。联盟庄地区发育三角洲沉积体系，砂体沿断层的延伸方向展布，与物源方向垂直或斜交[15, 23]。断层是油气自阜宁组烃源岩向戴南组储集层垂向运移的主要通道，深凹带油气主要充注时间为三垛组沉积期，汉留断层也在该时期活动强烈[30-31]。

高邮凹陷深凹带存在三个主力生烃次凹，对联盟庄地区具有主要生烃贡献的是邵伯次凹[32-33]。始新世以来，高邮凹陷深凹带共经历了两次大规模的剥蚀事件，分别为阜宁组沉积末期和三垛组沉积末期，随着三垛运动时期高邮凹陷整体抬升剥蚀，使高邮凹陷整体抬升约400 m，盆地古地温下降。三垛运动结束后，高邮凹陷东台组和盐城组两套地层开始沉积，在邵伯次凹、樊川次凹以及刘五舍次凹沉积中心平均沉降厚度分别为900 m、1 100 m和1 200 m。但阜四段现今浅部地层温度相比于三垛组沉积末期依旧下降，干酪根受较长时间的冷却降温后不再具备二次生烃能力。

高邮凹陷烃源岩自戴二段沉积期开始生烃，三垛组沉积期达到生烃高峰，三垛运动后生烃作用停止。其主要排烃期为三垛组沉积期，但是自戴南组沉积开始至现今阶段，深凹带阜四段烃源岩普遍存在排烃情况[33]，但相比较于三垛运动前，虽然阜四段烃源岩在三垛运动后成熟度升高，但盐城组沉积期至今阜四段烃源岩排烃量明显降低。考虑到阜四段烃源岩生烃能力的变化，控制排烃量差异的主要因素是排烃动力的不同。烃源岩在三垛运动之前进行生烃、排烃作用，三垛运动后当阜四段烃源岩再次埋藏到更大深度时，即使是烃源岩经受的温度降低，没有再次生烃，烃源岩也会因进一步的压实作用对残留在烃源岩内部的油气发生再次排烃作用，导致第二次成藏(图2)。而在此时期，汉留1号断层的启闭性与三垛组沉积期存在一定差异，也造成了联盟庄地区油气垂向分布的差异。

结合前人研究以及联盟庄地区地球化学特征，戴一段油气成熟度高于戴二段油气成熟度，戴一段油气的成藏时间应晚于戴二段油气的成藏时间，即戴二段油气成藏于三垛组沉积期，戴一段油气成藏于盐城组沉积期至今。

图2 Z86井地层埋藏史、热史与阜四段烃源岩生烃史图Fig.2 Burial history, thermal evolution and hydrocarbon-generating history of fourth Funing member of Z86 well

2 联盟庄地区汉留1号断层启闭性与断层通道识别

油气沿断层运移至储集层后，油气以断层破裂带为起点向储集层调整汇聚，因此断层在成藏关键期是否能输导油气是研究的重点。联盟庄地区控制油气分布的主要地质要素是汉留1号断层。基于动力学机制，断层的垂向输导能力在不同时期、不同区段均存在一定差别。断层的垂向输导能力可以通过油气主要充注期的断层活动速率表征。同时，断层面几何形态对断层的垂向输导能力也具有一定的影响。

2.1 汉留1号断层基本特征

汉留断裂带是高邮凹陷深凹带与斜坡带的分界，汉留断裂带由三条主断层及其派生的次级断层组成，主断层又可由西至东依次命名为汉留1号断层、汉留2号断层以及汉留3号断层，联盟庄地区位于汉留1号断层东部(位置见图1，A—B)。汉留1号断层为走向NE的南倾同沉积正断层，长约24 km，对应三维地震工区测线号Line：L257—L1197。其倾角介于35°与60°之间，在戴南组层段倾角整体偏小，属于同沉积铲式断层(图3(a))。汉留1号断层同时断穿了阜四段与戴南组，在油气成藏过程中可充当油源断层向目的层输送油气。联盟庄地区油气主要富集在戴二段和戴一段二亚段，根据现今地震剖面及前人研究，戴二段为滚动背斜圈闭，戴一段二亚段是以汉留1号断层为遮挡条件的断层圈闭。因此，汉留1号断层的启闭性控制着戴一段二亚段的断层圈闭是否形成。

三垛组沉积期为强裂陷期，汉留1号断层继续强烈活动，地层沉积南厚北薄。此时应力场由NW—SE转换为S—N，深凹带多发育E—W走向断层，汉留1号断层控制上盘变形，整体继承了戴南组沉积时期的凹陷格局。三垛运动伴随有轻微的NE-SW向挤压收缩变形，高邮凹陷遭受剥蚀作用，裂陷期结束(图3(c))。

新近纪以来，在三垛运动基础上，凹陷整体拗陷下沉，应力场转为NW-SE向伸展，凹陷内部产生少量NE走向断层。盐城组沉积早期，凹陷内主要断层活动强度较小，盐城事件后断层活动减弱，斜坡带断层普遍终止于盐城组一亚段，深凹带仍存在部分断层继承性发育(图3(b))。

图3 高邮凹陷过LX38井C—C′地震反射特征及构造演化剖面(剖面位置见图1)Fig.3 Seismic reflection characteristics and tectonic evolution sections of the C-C′ profile of Gaoyou sag across LX38 well(section location is shown in the Fig.1)(a)现今过LX38井C—C′时间域地震反射剖面；(b)现今过LX38井C—C′构造剖面；(c)三垛组沉积末期过LX38井C—C′构造剖面

2.2 断层几何形态识别及油气汇聚模式

依据三维地震工区对汉留1号断层进行构造解释，进而建立汉留1号断层三维构造模型(图3)，位于联盟庄油田区域内的汉留1号断层断面测线L817-L884、L965-L996、L1077-L1117区段呈明显凸面形态，L884-L945、L996-L1077区段为相对凹面。

图4 三垛组沉积末期汉留1号断层A—B区段断层面几何形态与流体沿断层运移模式示意图(剖面位置见图1)Fig.4 Fault geometry and fluid migration model along the fault plane of A-B area, Hanliu-1 fault (section location is shown in the Fig.1)

前人研究表明汉留断层活动时期，即三垛组沉积期，油气在烃源岩内部持续生烃，达到烃源岩顶面水力破裂点后进入戴南组渗透性地层，受浮力作用在渗透性地层顶部相对构造高点汇聚，从构造解释可以看出，处于断层凸面区域的地层界线明显高于平面、凹面区域的地层界线，即流体基于最大动力准则受浮力作用的优势汇聚区。当联盟庄地区受构造应力作用时，在汉留1号断层附近形成一定规模的微裂缝，形成相对低流体势区，此时流体受浮力作用向断层带汇聚，当应力累积至强度极限，断层活动，流体沿断层瞬态穿层运移，穿过其上一定厚度的非渗透性地层，进入渗透性地层。进入渗透性地层后调整至构造高点成藏。

2.3 不同时期断层活动速率

联盟庄地区存在两期成藏，分别是三垛组沉积期和盐城组沉积至今，在不同时期汉留1号断层充当的成藏要素存在差异，基于地震泵机制，断层在短时间内形成开放的通道[34]，油气沿断层的垂向输导取决于裂缝输导介质的发育与分布，而断层活动速率是基于时间层次表征断层输导能力的重要手段。

对于同沉积断层而言，断层古落差可以更准确地反映断层的沉积厚度[4, 35-37]。断层的活动速率是指地质时期某一阶段的断层落差与沉积时间的比值[36, 38]，但由于高邮凹陷在三垛运动时期整体处于抬升剥蚀阶段，导致三垛组顶部存在一定的地层剥蚀，因此计算断层两盘地层厚度时不能直接应用三维地震数据直接读取，需要针对三垛运动时期汉留断层上下盘进行地层厚度恢复。

根据对汉留1号断层三垛组沉积期活动速率分析，汉留1号断层在L817—L1117区段内，汉留1号断层活动速率均>25 m/Ma[13, 39]，均具有较好的垂向输导能力，在L857、L977及1097测线附近出现明显活动速率低值，可能是由于断层面几何形态在该测线处存在明显凸面形态。在L1017测线断层活动速率最大值为59.2 m/Ma(图5(a))。对汉留1号断层盐城组沉积至今活动速率分析，汉留1号断层活动速率均<10 m/Ma[13, 39]，垂向输导能力较弱。油气可在此时期保存于以汉留1号断层为遮挡条件的断层圈闭中(图5(b))。

图5 不同时期汉留1号断层A—B区段活动速率(剖面位置见图1)Fig.5 Fault activity rate at different periods of A-B area, Hanliu-1 fault (section location is shown in the Fig.1)

图6 流体沿断层带排驱过程示意图(据Hooper[11],1991；郝芳等[9]有修改)Fig.6 Process of fluid displacement along the fault zones (modified from Hooper[11], and Hao et al[9].)

2.4 断层输导通道识别

断层活动速率与断层面几何形态是衡量断层输导能力的表现形式。通过对联盟庄地区汉留1号断层的分析，在三垛组沉积期，断层活动速率普遍较高，均大于25 m/Ma，具备垂向输导能力。同时，在L817—L884、L965—L996以及L1077—L1117区段呈凸面形态，油气的稳态汇聚规模在该区域相对较高，瞬态穿层运移的量较大，可作为油源断层区段向戴二段提供油气，即三垛沉积期位于联盟庄地区的汉留1号断层识别出3条断层输导通道，均位于断层面几何形态为凸面的区段。但盐城组沉积至今，断层活动速率较低，不具备油气的大规模垂向输导条件，但对于油气的保存较为有利，可控制戴一段油气的富集。

3 讨论与成藏模式

联盟庄地区油气富集在戴二段的滚动背斜圈闭和戴一段二亚段的断层圈闭中。前人研究表明，戴一段油气成熟度明显高于戴二段油气成熟度。戴二段油气成藏期为三垛组沉积期，此时汉留1号断层活动剧烈，断层活动速率普遍高于25 m/Ma，断层在油气成藏中起输导作用。

3.1 油气沿断层带汇聚与运移的动力学机制

基于Sibosn地震泵理论，结合Hooper、郝芳等对断层内部结构及流体稳态汇聚的分析，将油气沿断层的垂向输导分为两个阶段：(1)流体向断层带的稳态汇聚，该阶段发生于应力累积与沿断层裂缝带的开启过程，随应力的累积，裂缝开启，断层附近形成流体低势带，烃源岩经初次运移排出的烃类，烃源岩排驱至储层的烃类在浮力驱动下向断层带汇聚，裂缝带附近的相对渗透性地层可利用自身孔隙结构使油气沿裂缝带向相对构造高点缓慢调整，该过程为流体的稳态汇聚过程(图6(a))。随油气在裂缝带的汇聚，断层带流体势略高于地层流体势，直至流体充满裂缝带，此时也为构造应力累积极限，地层压力临近断层强度极限(图6(b))。(2)流体遵循地震泵机制的幕式流动，该阶段发生于应力累积至发生岩石破裂的临界时期，此时断层活动，断距产生，应力释放，裂缝闭合，构造应力转移至流体中转换为流体动能，从而沿断层带向上部输导，油气发生穿层运移，后渗流进入储集层缓慢调整富集，发生幕式成藏[9, 11](图6(c))。断层活动终止，随构造应力的再次施加，流体势与上一幕次应力累积前相似(图6(d))。

流体沿断层的汇聚与输导的量取决于断层带及其发育裂缝的规模，而后者受断层带的活动强度控制。由于流体沿断层的输导是发生时期不稳定的、周期性的、幕式的，基于目前的研究手段，对某一幕的断层活动是很难表征的，但是对于阶段性累积的断层活动，断层的位移量可以评价断层在某一时段内的活动规模及其发育裂缝的规模，进而依据断层在单位时间内的位移量对断层活动性进行表征，即断层活动速率。因此断层活动速率越大，断层的输导能力越强，流体沿断层输导的量越大。

3.2 断层面几何形态及其对油气汇聚与输导通道的控制作用

在明确断层起输导作用的前提下，流体的输导存在两种模式，一种是处于应力累积裂缝开启阶段的稳态汇聚模式，另一种是处于应力释放裂缝闭合阶段的瞬态穿层运移模式。流体瞬态穿层运移的规模是受稳态汇聚过程的量决定的。

断层的形成过程中，其几何形态取决于构造应力和地层受其自身非均质性导致的强度极限。在流体的稳态汇聚模式中，基于最大动力准则，相较于凹面、平面区域，凸面的势能更低，汇聚更为优势。因此，在明确断层垂向启闭性的基础上，断层不同区域的几何形态也控制着断层的输导能力。联盟庄地区汉留1号断层在断层凸面区域发生穿层运移，随后在戴二段砂体中调整。以断层凸面与戴二段顶面交线为PATHWAYTM软件油气运移模拟起点，戴二段顶面构造图为数据点进行的油气运移模拟，模拟结果与实际勘探结果相一致。

3.3 油气沿断层输导的控制因素

油气沿断层的输导与断层活动密不可分，断层在油气进入储层过程中可作为输导通道。而断层活动又是非连续的、幕式的，不同区段的活动强度与活动性质也存在差异。因此油气沿断层的输导具有时空性。三垛组沉积期，汉留1号断层全区段活动强烈，具备良好输导能力的区段为断层面呈凸面的区域；而在盐城组沉积时期至今，虽然在三垛组沉积期断层面呈凸面的区域可作为良好的输导通道，但由于汉留1号断层在此时活动微弱，此区段断层输导能力依旧较弱。同一断层，相同时间、不同区段，断层的输导能力不同。以渤海湾地区为例，在油气充注期，F1、F2断层活动速率>25 m/Ma的区段，油气在浅层富集；相反的，活动速率<25 m/Ma的区段，油气在深层富集[12-13]。

3.4 联盟庄地区油气成藏模式

三垛组沉积期，汉留1号断层处于活动期，联盟庄地区对应的L817—L1117测线(图1中A—B区段)断层活动速率普遍处于高值，即断层活动速率大于25 m/Ma[13, 39]，以活动速率高值区及断面几何形态为凸面的区段为油气起点，以戴二段深凹带北部古构造恢复顶面构造图为目的层，应用数值模拟技术，模拟油气运移在戴二段砂体内的运移趋势(图7)。模拟结果整体表现为：油气向L38区块及联西地区戴二段构造高部位运移，部分保存在滚动背斜圈闭中。

三垛组沉积期，汉留1号断层开启，油气受“地震泵”作用沿断层向浅层充注，由于断层核的作用，油气穿越断层带向下盘地层充注的能力较弱，与实际勘探结果一致，油气普遍富集在断层上盘地层中。油气垂向运移过程中，优先以断层面“凸面”区域汇聚，向上部戴二段充注，根据PATHWAYTM的模拟运移结果，联西地区的油气主要由西部断层面呈凸面区段(测线号L817—L884、L965—L996)输导，而L38区块的油气主要由西部断层面呈凸面区段(测线号L1077—L1117)输导，即不同的凸面区段控制了不同位置油气的富集。进入戴二段储层后油气受浮力作用，在戴二段储层内进行侧向运移调整，油气主要向两个方向运移：(1)部分油气在L38区块滚动背斜圈闭内聚集成藏；(2)部分调整至以联7断层控制的断层—背斜圈闭中。同时，也有部分油气以下生上储的模式在阜四段与戴一段砂体接触良好的区域进入戴一段砂体，由于受浮力作用油气运移至紧邻断层的上倾砂体中。但此时汉留1号断层正处于强烈活动时期，断层无法充当遮挡条件，没有形成良好圈闭，进入戴一段砂体的油气以多次、幕式流动的方式沿断层向浅层充注，因此油气无法在此时期于戴一段成藏。

盐城组沉积期至现今，汉留1号断层活动微弱，即断层活动速率低于10 m/Ma[13, 39]，侧向上可以作为遮挡条件形成断层圈闭。此时，阜四段部分烃源岩生烃作用停止，其内部残余的油气受盐城组、东台组沉积作用的影响向上排出，进入戴一段储层；后受浮力作用向戴一段构造高部位运移，最终油气沿砂体运移到断层圈闭内聚集成藏(图8)。

图7 联盟庄油田三垛组沉积期(50.5～38 Ma)汉留1号断层活动速率与输导作用及油气成藏模式图(剖面位置见图1)Fig.7 Fault activity rate, migration capacity and hydrocarbon accumulation model of Lianmengzhuang oilfield during the deposition of Sanduo Formation (50.5-38 Ma) (section location is shown in the Fig.1)

图8 联盟庄油田盐城组沉积期至今(24.6～0 Ma)汉留1号断层活动速率与垂向遮挡作用及油气成藏模式图(剖面位置见图1)Fig.8 Fault activity rate, migration capacity, and hydrocarbon accumulation model of Lianmengzhuang oilfield during the deposition of Yancheng Formation to the present (24.6 Ma to the present) (section location is shown in the Fig.1)

4 结 论

(1)断层垂向上的启闭性主要受断层活动强度的控制，汉留1号断层三垛组沉积期活动速率>25 m/Ma，断层开启具有输导能力，而盐城组沉积期至今断层活动速率<10 m/Ma，垂向上输导能力弱，主要起封闭作用。

(2)沿断层走向，断层带输导通道的位置还受到断层面几何形态的控制，基于油气运移的最大动力准则，3个凸面形成了3条断层输导通道，西边的2条断层输导的油气充注联西圈闭，东边的1条断层输导油气充注联东L38圈闭。

(3)联盟庄地区存在两种输导与充注模式。三垛组沉积期，汉留1号断层开启，油气沿断层输导通道运移至戴二段的滚动背斜圈闭聚集成藏；盐城组沉积期至今，汉留1号断层闭合，断层起遮挡作用，阜宁组烃源岩排出的油气直接进入戴一段聚集于断层圈闭。