断裂构造与油气成藏关系ppt课件

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 ChinaUniversityofGeosciences 1 断裂构造与油气成藏关系Faulting FracturingandHydrocarbonaccumulation ChinaUniversityofGeosciences 石油构造分析 第六讲 2 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 ChinaUniversityofGeosciences 3 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 ChinaUniversityofGeosciences 4 2 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 ChinaUniversityofGeosciences 5 3 根据力学性质 剪节理 6 张节理 3 根据力学性质 ChinaUniversityofGeosciences 7 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 8 ChinaUniversityofGeosciences 9 ChinaUniversityofGeosciences 10 上盘 下降盘 下盘 上升盘 ChinaUniversityofGeosciences 11 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 ChinaUniversityofGeosciences 12 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 ChinaUniversityofGeosciences 13 14 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 ChinaUniversityofGeosciences 15 斜向滑动断层 Oblique slipfault 命名采用组合命名法 ChinaUniversityofGeosciences 16 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 ChinaUniversityofGeosciences 17 1 2 3 4 5 6 7 1 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 ChinaUniversityofGeosciences 18 阶梯状断层 地堑 地垒 断层组合 ChinaUniversityofGeosciences 19 断层组合 叠瓦状断层 对冲式断层 背冲式断层 ChinaUniversityofGeosciences 20 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 ChinaUniversityofGeosciences 21 断层带立体示意图 ChinaUniversityofGeosciences 22 ChinaUniversityofGeosciences 断裂与油气成藏关系 封闭 Seal 输导 Transport 23 1 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 FaultSealingandFluidFlowinHydrocarbonReservoirs ChinaUniversityofGeosciences 24 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 ChinaUniversityofGeosciences 25 Allan U S 1989 Modelforhydrocarbonmigrationandentrapmentwithinfaultedstructures AAPGBulletin v 73 p 803 811 Anderson R N 1994 GulfofMexicogrowthfaultdrilled seenasoil gasmigrationpathway Oil gasJournal June6 97 104Knipe R J 1997 Juxtapositionandsealdiagramstohelpanalyzefaultsealsinhydrocarbonreservoirs AAPG v 81 n 2 p187 195Yielding G 1997 Quantitativefaultsealprediction AAPG v 81 n 6 p897 917Alexander L L 1998 Fluidflowinafaultedreservoirsystem faulttrapanalysisfortheBlock330fieldinEugeneisland southaddition OffshoreLouisiana AAPG v 82 n 3 p387 411 ChinaUniversityofGeosciences 26 Losh S 1998 Oilmigrationinamajorgrowthfault structuralanalysisofthepathfindercore southEugeneislandBlock330 OffshoreLouisiana AAPG v 82 n 9 p1694 1710 Losh S 1999 Verticalandlateralfluidflowrelatedtoalargegrowthfault SouthEugeneIslandBlock330field OffshoreLouisiana AAPG v 83 n 2 p244 276 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 ChinaUniversityofGeosciences 27 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 ChinaUniversityofGeosciences 28 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 ChinaUniversityofGeosciences 29 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 ChinaUniversityofGeosciences 30 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 ChinaUniversityofGeosciences 31 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 32 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 F4 F2 F1 33 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 ChinaUniversityofGeosciences 34 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 ChinaUniversityofGeosciences 35 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 ChinaUniversityofGeosciences 36 侧向封闭垂向封闭 断层封闭 ChinaUniversityofGeosciences 37 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 ChinaUniversityofGeosciences 38 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 ChinaUniversityofGeosciences 39 2 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 ChinaUniversityofGeosciences 40 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 ChinaUniversityofGeosciences 41 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 ChinaUniversityofGeosciences 42 泥岩涂抹 smear ChinaUniversityofGeosciences 43 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 ChinaUniversityofGeosciences 44 b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 ChinaUniversityofGeosciences 45 c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 ChinaUniversityofGeosciences 46 泥岩涂抹 smear ChinaUniversityofGeosciences 47 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 ChinaUniversityofGeosciences 48 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 ChinaUniversityofGeosciences 49 2 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 ChinaUniversityofGeosciences 50 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 ChinaUniversityofGeosciences 51 2 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 ChinaUniversityofGeosciences 52 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 ChinaUniversityofGeosciences 53 断层封闭性影响因素 ChinaUniversityofGeosciences 定性判断封闭性 54 ChinaUniversityofGeosciences 55 三 两大研究方法 twoimportantmethodsfortheresearch 岩性对接 Allan图解 juxtaposition 粘土涂抹 smear ChinaUniversityofGeosciences 56 Allan 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 ChinaUniversityofGeosciences 57 a 砂岩 泥岩圈闭 b 砂岩 砂岩侧向运移 1 岩性对接 juxtaposition ChinaUniversityofGeosciences 58 断层侧向封闭性评价的Allen图解 Allan shypothesisandAllanfault planesection 1989 ChinaUniversityofGeosciences 59 ChinaUniversityofGeosciences Allan断面图编制方法 针对研究断层 垂直断层走向选择若干条剖面 3 根据钻井资料进行地层划分 作断层剖面图 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 60 Allan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 ChinaUniversityofGeosciences 61 ChinaUniversityofGeosciences 两盘大多以断层带接触 62 据赵密福等 2006 ChinaUniversityofGeosciences 63 2 泥岩涂抹 smear 64 Bouvier 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 ChinaUniversityofGeosciences 65 Lindsay 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 ChinaUniversityofGeosciences 66 Yielding 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 Quantitativefaultsealprediction AAPGBulletin v 81 p 897 917 ChinaUniversityofGeosciences 67 断层泥比率 SGR 定量分析断层封闭性的步骤 根据测井分析确定地层砂泥成分 根据公式计算断裂带SGR值 根据盆地已知封闭和泄漏断层的SGR值 确定SGR门限值 25 30 根据门限值标准判断断层封闭性 ChinaUniversityofGeosciences 68 大张坨断层断面上SGR的分布特征 ChinaUniversityofGeosciences 69 ChinaUniversityofGeosciences 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 70 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 编制断面 Allan 图 计算断层砂泥比 编制断层砂泥比图 确定断层砂泥比门限值 综合判断断层封闭性 分析步骤 ChinaUniversityofGeosciences 71 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 ChinaUniversityofGeosciences 72 研究实例Anewprocess basedmethodologyforanalysisofshalesmearalongnormalfaultsintheNigerDelta砂泥对接与泥岩涂抹结合 73 ChinaUniversityofGeosciences 74 ChinaUniversityofGeosciences 75 ChinaUniversityofGeosciences 76 77 ChinaUniversityofGeosciences 78 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 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 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 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 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 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 ChinaUniversityofGeosciences 79 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 ChinaUniversityofGeosciences 80 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 ChinaUniversityofGeosciences 81 流体地球化学证据 ChinaUniversityofGeosciences 82 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 ChinaUniversityofGeosciences 83 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 封堵层泥岩百分含量 v5 6 断层面所承受的压应力分量 v6 7 断层活动期与油气运移期配置 v7 8 断距 v8 模糊综合评价 ChinaUniversityofGeosciences 84 85 ChinaUniversityofGeosciences 86 87 88 断裂构造与油气成藏关系实例 黄金台断层 89 岩性并置对接分析 断层封闭性 90 断面对置关系图 Allan图 分析 断层封闭 SGR 28 40 91 92 断层断面正应力 A 燕山早期 B 燕山晚期 C 喜山晚期 93 模糊综合评判权系数和评语表 ChinaUniversityofGeosciences 94 95 目前的三个问题1 断层封闭性与输导性的矛盾2 断层封闭性主控因素仍不明晰3 断层横向封闭性与纵向封闭性关系及其综合评价问题目前研究的国内外对比国外 侧重断裂带内部结构的精细解剖 断层演化 从机制上考虑较多 方法上仍然以砂泥对接和泥岩涂抹为重点 正在走综合性的路子 国内 侧重砂泥对接和泥岩涂抹以及宏观定性综合地质方法分析 也在向综合性方向发展 ChinaUniversityofGeosciences 96 发展方向 1 封闭机理上应深层次进一步明确断层的封闭机制及其各种封闭机制之间的相互关系 2 研究方法上对于比较成熟的断层封闭性的研究方法 目前已开始广泛使用计算机开发软件系统 运用数字模拟技术等进行研究 今后除完善这些技术方法及其可靠性外 还应加强新技术的发展 如示踪技术 流体包裹体 三维构造应力场动态模拟技术等 3 研究思路上已从直接研究向间接地通过研究断层的伴生构造 断层附近的压力 流体化学和热异常等分析断层封闭性方向发展 已从单一学科和单一手段逐步向多学科 多手段系统的研究方向发展 4 建立切实可行和可靠的断层封闭性评价系统及标准 ChinaUniversityofGeosciences 97