東營凹陷中央背斜變換帶的形成機制

東營凹陷中央背斜變換帶的形成機制

1區(qū)域構(gòu)造格局變化對變換帶的控制作用變帶是盆地的一個非常重要的構(gòu)造系統(tǒng)。褶皺沖斷帶的剖面平衡是基于偏沖斷裂帶的不同結(jié)構(gòu)特征（dalvstim，1969）。通過轉(zhuǎn)換不同的構(gòu)造風(fēng)格，如分支斷裂或褶皺，以實現(xiàn)區(qū)域適應(yīng)性和穩(wěn)定性。由Scott,Morley等將其引入伸展域,Fauld等(1998)將其細分為傳遞帶(TransferZone)和調(diào)節(jié)帶(AccommodationZone)兩大類型。實際上,作為調(diào)節(jié)縱向主斷裂體系的變換帶,在地質(zhì)歷史中隨著主斷裂體系形成演化而不斷調(diào)整和變化,其構(gòu)造樣式既可以是Faulds的傳遞帶或調(diào)節(jié)帶,也可以是這兩種構(gòu)造類型的組合體,故本文將伸展域中的變換帶界定為“發(fā)育在縱向斷裂體系之間、與區(qū)域構(gòu)造線近于垂直且具有構(gòu)造分區(qū)(段)功能、在時空上具有一定規(guī)模和延伸方向的變換構(gòu)造集合體”。國內(nèi)外學(xué)者在研究變換帶幾何學(xué)、運動學(xué)特征的基礎(chǔ)上(Morleyetal.,1990;FauldsandVarga,1998;Adel,2002;楊明慧,2009;ShamikandShankar,2010;王家豪等,2010),探討了變換帶對盆內(nèi)沉積物展布、儲集層物性及油氣聚集等方面的控制或影響作用(PeacockandSanderson,1994;Moustafa,2002;勞海港等,2010;侯宇光等,2010),成為含油氣盆地分析不可或缺的組成部分。東營凹陷中央背斜是濟陽坳陷、乃至整個渤海灣盆地典型的復(fù)雜斷塊油氣藏發(fā)育區(qū),構(gòu)造特征一直是該區(qū)帶油氣勘探的重要研究對象。前人對中央背斜斷裂體系差異構(gòu)造變形的機理提出多種觀點(李春光,1994;云金表和趙利華,2003;于建國等,2005),但在勘探實踐中效果并不理想。本文利用研究區(qū)大量的地震和地質(zhì)資料,分析不同地質(zhì)歷史時期斷裂系的發(fā)育情況,進而研究變換帶的構(gòu)造特征。結(jié)合物理模擬實驗,在探究變換帶內(nèi)部主要斷裂特征的基礎(chǔ)上探討變換帶的控油規(guī)律。2構(gòu)造單元組成東營凹陷位于渤海灣盆地的東南部,是一個發(fā)育在古生代基底之上的中-新生代陸相裂陷盆地。凹陷內(nèi)主要發(fā)育NW至NE向展布的陳南控凹斷裂、高青—平南控凹斷裂及濱南、利津、勝北、永北等多條二級斷裂。在高青—平南斷裂與濱南斷裂、濱南斷裂與利津斷裂、利津斷裂與勝北斷裂、勝北斷裂與永北斷裂之間形成了四個構(gòu)造斷層橋(潘元林等,2004)。剖面上為北斷南超的的箕狀斷陷結(jié)構(gòu),由北向南依次分布陡坡帶、中央背斜帶和緩坡帶三個正向單元,其中中央背斜帶是一個由利津、民豐、牛莊三個洼陷所圍限的二級正向構(gòu)造帶。東營凹陷構(gòu)造由底、下、中、上、頂?shù)任鍌€構(gòu)造層組成。底構(gòu)造層為一套泰山群的變質(zhì)花崗片麻巖;下構(gòu)造層由海相碳酸鹽巖及海陸過渡相碎屑巖組成,涉及寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系四套地層;中構(gòu)造層包括侏羅系和白堊系兩套地層,發(fā)育碎屑巖和火山巖等地層;上構(gòu)造層為第三系地層,主要發(fā)育河流相、湖泊相和三角洲相沉積;頂構(gòu)造層為第四系的平原組地層。3中央背斜不同構(gòu)造部位的構(gòu)造差異東營凹陷中央背斜是一個多組系斷裂發(fā)育區(qū)。利用三維地震資料對斷裂產(chǎn)狀要素進行走向頻率、傾向極點坐標作圖,結(jié)果表明斷裂具有明顯的分組性,不同組系的斷裂分布在中央背斜的特定構(gòu)造部位(圖1)。(1)近EW向斷裂是以營8斷裂與辛120斷裂為代表的一組平行對傾斷裂組合,主要出現(xiàn)在背斜的東部;(2)NEE向斷裂以西部的河125斷裂、河106斷裂為典型代表,一系列NNW傾向的斷裂組成階梯狀斷裂組合;(3)NE向斷裂發(fā)育在中央背斜中南部,以辛40斷裂、營59斷裂為代表;(4)NW向斷裂主要由營66-1斷裂、營31斷裂組成,部分是由東部EW向斷裂系尾端走向突變形成的,分布在中央背斜的中心位置;(5)SN向斷裂,這組斷裂級別較低,主要出現(xiàn)在中央背斜北部地區(qū),在中央背斜中部地區(qū)出現(xiàn)的斷裂級別則更低。在近南北剖面上,中央背斜不同構(gòu)造部位的斷裂特征及組合方式明顯不同(圖2)。中央背斜東部南傾斷裂呈現(xiàn)上陡下緩的特征,斷層傾角在17°~45°之間;而其北傾斷裂傾角為30°~65°,兩者組成“負花狀”不對稱復(fù)式地塹結(jié)構(gòu)。中部由NW向勝北斷裂與NEE向河125斷裂沿著T6界面延伸,兩者相接形成“蓮花瓣”狀構(gòu)造樣式。西部則由河125斷裂及其上盤的低級序斷裂形成NEE—NE向斷裂系,主干斷裂傾角在17°~65°之間,剖面上呈同向“Y”形組合,反向次級斷裂發(fā)育規(guī)模小。4構(gòu)造亞層的組成根據(jù)中央背斜斷裂的發(fā)育演化、地震反射特征及地層接觸關(guān)系,將始新世中期以來的構(gòu)造層分為Es4上—Es2,Es1—Ed,Ng和Nm等四個構(gòu)造亞層。受主要斷裂發(fā)育的控制,變換帶在不同構(gòu)造亞層中的構(gòu)造特征有所差異(圖3),從而造成不同地質(zhì)歷史時期變換帶的構(gòu)造特征也有所區(qū)別。4.1b勝實質(zhì)-橫向傳遞斷層這一時期東營凹陷北部的EW向勝北斷裂與NWW向永北斷裂形成大型疊覆型變換構(gòu)造(潘元林等,2004),在兩者間的古隆起之上形成NW向勝坨橫向傳遞斷層。勝坨橫向傳遞斷層穿過中央背斜延伸至辛40井附近,平面上呈弧形彎曲,將中央背斜一分為二,多數(shù)EW向斷裂在此橫向傳遞斷層上中止(圖3a)。剖面上,呈現(xiàn)“U”形的勝坨橫向傳遞斷層將中央背斜分成東、西兩個斷裂變形不同的構(gòu)造區(qū)。4.2勝環(huán)境傳遞斷層—沙一—東營構(gòu)造亞層(Es1—Ed)這一階段,勝北斷裂活動強度明顯大于永北斷裂,導(dǎo)致勝北斷裂在中央背斜帶上所派生的西部NEE—NE向斷裂活動增強,而由永北斷裂所派生的中央背斜東部EW向斷裂繼承性發(fā)育。兩大派生斷裂在營66井至營40井一線呈鈍角相交,發(fā)育營66-1傳遞斷層,調(diào)節(jié)中央背斜東、西部斷裂系差異變形(圖3b),成為中央背斜主要傳遞斷層。邊界斷裂之間發(fā)育的勝坨橫向傳遞斷層對中央背斜主斷裂系調(diào)節(jié)構(gòu)造變形的作用有所降低,部分EW向次級斷裂可穿越該傳遞斷層。同時,勝坨傳遞斷層北段新派生出東風(fēng)2傳遞斷層,其南段與營66斷裂共同派生出辛16次級弧形傳遞斷層。兩種成因不同、性質(zhì)相似的傳遞斷層在中央背斜呈“V”型相交,實現(xiàn)了對中央背斜的構(gòu)造分區(qū)。東營凹陷沙一段沉積期,在東營凹陷東北部有兩大物源向凹陷內(nèi)提供沉積物。利用鉆井、錄井及測井資料所繪制的沙一段砂巖平面展布圖(圖4)證實,北部一支沉積物沿著發(fā)育在勝利村橫向低凸起上的勝坨橫向傳遞斷層、東風(fēng)2傳遞斷層導(dǎo)入盆地內(nèi),形成的扇三角洲前緣到達辛35附近;另一支來自東部的沉積物,沿著近EW向的斷裂帶長驅(qū)直入,在辛17井附近分叉,其中一支沿著營66-1傳遞斷層向利津洼陷延伸,另一支順著辛40斷層進入牛莊洼陷,形成本區(qū)延伸最長的扇三角洲,分選較好的砂體成為本區(qū)有利的儲集相帶。4.3橫向傳遞斷層勝北斷裂與永北斷裂活動減弱,導(dǎo)致中央背斜東部與西部斷裂數(shù)量明顯增加,斷裂分叉、分段更加明顯(圖3c)。勝坨橫向傳遞斷層也分為南北兩段,在中央背斜內(nèi)部隱約可見其斷續(xù)分布的次級橫向傳遞斷層;同時辛16弧形傳遞斷層活動也有所減弱,EW向斷裂在此橫向傳遞斷層帶處表現(xiàn)出分叉、彎曲及消失現(xiàn)象。勝坨橫向傳遞斷層北段派生的東風(fēng)2傳遞斷層活動增強,向南延伸至營8斷裂末端。營66-1傳遞斷層也演化為營66-1和營31兩條次級傳遞斷層,調(diào)節(jié)近EW向斷裂與NEE—NE向斷裂差異構(gòu)造變形,成為該構(gòu)造亞層重要的傳遞斷層。4.4傳遞斷層與邊界斷裂相結(jié)合構(gòu)造中央背斜中央背斜斷裂規(guī)模與數(shù)量均迅速減小,由控凹邊界斷裂產(chǎn)生的橫向傳遞斷層(東風(fēng)2傳遞斷層系)向北萎縮,不再影響中央背斜的構(gòu)造面貌。調(diào)節(jié)中央背斜東、西部構(gòu)造變形的營66-1傳遞斷層系演變?yōu)槎鄺lNW向傳遞斷層,其與東部EW向斷裂系呈鈍角相交,與西部NE向斷裂系呈直角相交。勝坨橫向傳遞斷層與辛16傳遞斷層消失,但隱伏的深層傳遞斷層造成了切割館陶組構(gòu)造亞層的斷裂在此出現(xiàn)分叉、消失的現(xiàn)象(圖3d)。由此可以看出,東營凹陷中央背斜主要發(fā)育以傳遞斷層為主的變換構(gòu)造。在中央背斜上不僅發(fā)育由邊界斷裂所伴生的傳遞斷層,而且邊界斷裂所派生的EW向斷裂與NEE—NE向斷裂之間同樣發(fā)育傳遞斷層。兩種不同成因的傳遞斷層在不同地質(zhì)時期活動強度交替變化,變換了區(qū)域差異構(gòu)造變形,實現(xiàn)了區(qū)域構(gòu)造分區(qū)。多條傳遞斷層相互疊置,在中央背斜中部形成由多組系、多方位傳遞斷層所圍限的復(fù)雜“V”型斷塊區(qū)。5以其為原料的油氣聚集過程,其油氣聚集過程即起遮封劑斷塊油氣藏中,斷裂在油氣運移過程中起疏導(dǎo)作用,而其在油氣聚集過程中則起遮擋封閉作用,對油氣運聚具有雙重作用。目前關(guān)于這方面已取得很多研究成果,但缺乏對變換帶中傳遞斷層的精細研究。5.1泥巖涂表面活性劑對斷層側(cè)向注油效果的影響中央背斜沙三段和沙二段主要發(fā)育河流-三角洲相沉積,而東營組與館陶組以河流相沉積為主?？碧阶C實,這兩套層序的砂體具有孔、滲條件好、橫向連通性好、骨架砂體發(fā)育等特征,其與斷裂相匹配形成的斷塊圈閉能否聚集油氣則取決于斷裂的封閉性,而斷裂力學(xué)成因分析是評價斷裂是否能封堵油氣的關(guān)鍵。中央背斜上發(fā)育大量“Y”及“X”型共軛斷裂組合,利用赤平投影方法求取共軛斷裂三軸應(yīng)力狀態(tài)及斷裂的滑移方向。針對研究區(qū)Es3—Es2與Es1—Ed兩套構(gòu)造亞層分別取6個測點(圖5),研究表明,中央背斜東部斷裂垂直的最大主應(yīng)力軸(σ1)在93°~85°之間,σ3近于水平,為伸展應(yīng)力狀態(tài);西部斷裂最大主應(yīng)力軸(σ1)在85°~79°之間,稍微有點偏移,為右旋正斜滑;變換帶中的勝坨橫向傳遞斷層最大主應(yīng)力軸在76°~69°之間,具有明顯的左旋正斜滑特征,并且控制兩套構(gòu)造亞層的斷裂在不同構(gòu)造亞層中的斜滑方向也存在明顯差異。針對正斷層與正斜滑斷層(即傳遞斷層)兩種不同力學(xué)性質(zhì)的斷裂封閉性,設(shè)計了正斷裂與正斜滑斷層兩組泥巖涂抹實驗。兩組實驗中均采用相同的砂、泥比例,其中砂泥巖互層中的3,2,1層的泥巖厚度分別為3,2,1cm,正斜滑斷裂的斜滑角度設(shè)計為10°。構(gòu)造變形結(jié)束后,在斷層下盤一側(cè)注油,觀察斷裂的側(cè)向封堵性。采用泥巖涂抹勢(CSP)、泥巖削刮比(SGR)、泥巖涂抹因子(SSF)對兩條斷裂封閉性進行定量評價。實驗結(jié)果表明,隨著泥巖厚度的增加,CSP和SGR呈遞增趨勢,而SSF則遞減。在正斷裂下盤側(cè)向注油過程中(圖6a),1,2層均有油穿過斷層面,3層油氣聚集在斷層下盤,其上盤未見油;相比而言,正斜滑斷層中(圖6b),僅有1層上盤有油氣顯示,2,3層上盤均未見油。由此可見,伸展斷陷盆地中影響斷層側(cè)向封閉性的主要原因不僅與泥巖厚度、斷距有關(guān),更重要的是斷裂應(yīng)力狀態(tài)改變所引起的泥巖涂抹的變化,哪怕僅有10°的斜滑角,也會導(dǎo)致斷層封閉的千差萬別。對比模擬實驗中2層的泥巖涂抹參數(shù),正斜滑斷裂的CSP和SGR值均小于正斷裂,SSF值大于正斷裂,斷距是正斷層的1.4倍,結(jié)果卻是其能封堵石油,而正向斷裂封堵性則很差。5.2傳遞斷層斷面傾角和含油氣的分布規(guī)律即使同為傳遞斷層,其控制的油氣聚集量也存在一定的差異,其中斷裂面傾角與含油氣高度有一定的關(guān)系。對勝坨、營66-1、營31及辛16等傳遞斷裂中的油柱高度進行統(tǒng)計的結(jié)果表明,含油高度與斷裂傾角存在負相關(guān)性。以傾角40°為界,斷面傾角小于40°時,相關(guān)的油柱高度迅速增加(圖7)。勝坨、營66-1、營31及辛16等傳遞斷層的斷面傾角差異較大,造成不同傳遞斷層的油氣聚集有所差異,其中營66-1傳遞斷層的含油氣高度最高可達169m,相關(guān)的油藏數(shù)量也最多。即使同一條傳遞斷層不同斷層段的油氣富集也存在明顯差異,斷面越緩,油氣越富集。例如勝坨傳遞斷層南段傾角相對較緩,北段傾角相對較陡,造成“南富北貧”的油氣分布規(guī)律。斷裂面傾角與斷面之上受到的正壓力也密切相關(guān)(呂延防等,1996;王志欣和信荃麟,1997),而正壓力是評價斷裂封閉性的重要指標。從傳遞斷層斷面正應(yīng)力與油柱高度之間的散點圖上可以看出(圖7),正應(yīng)力與油柱高度之間呈正相關(guān)性。隨著正應(yīng)力的增大,含油高度有增大的趨勢。例如勝坨傳遞斷層傾角從77°向下降至0°,與南部的河125斷裂組成統(tǒng)一的“U”型斷裂系統(tǒng),斷裂面與油氣藏有關(guān)的正壓力從7MPa增加至20MPa,相應(yīng)的油柱高度也逐漸增高。5.3中央背斜土壤內(nèi)各地區(qū)的生長狀況及成因變換帶中發(fā)育多條傳遞斷層,且斷裂多切穿烴源巖。斷裂活動時間與油氣主要運移期的匹配關(guān)系是多層系油氣聚集的關(guān)鍵。在中央背斜不同測線上選取關(guān)鍵點,對二、三級斷裂東營至明化鎮(zhèn)組沉積期的生長指數(shù)進行統(tǒng)計,表明中央背斜東營組至館陶組沉積期以變換帶為界,具有東強西弱的特征;明化鎮(zhèn)期則呈現(xiàn)中部強兩邊弱的規(guī)律(圖8)。東營凹陷分為東營組早期和館陶、明化鎮(zhèn)組晚期兩期大的油氣成藏,且以晚期成藏為主(祝厚勤等,2007)。明化鎮(zhèn)組沉積期不僅是一次大規(guī)模的油氣充注期,同時也是對早期油氣藏的再次調(diào)整。傳遞斷層在明化鎮(zhèn)組沉積期強烈活動,在油源與圈閉之間形成良好的運移通道,有利于變換帶構(gòu)造部位的油氣富集。據(jù)已發(fā)現(xiàn)的油氣藏表明,變換帶相關(guān)的各斷塊平均含油高度在30~110m之間,明顯高于中央背斜東、西部含油氣斷塊的油柱高度。5.4斷裂活動區(qū)域變換帶緊鄰利津、民豐、牛莊三大生油洼陷,變換帶內(nèi)部斷裂及斷裂-骨架砂體的空間組合是決定油氣富集程度的關(guān)鍵,斷裂的時空演化是斷塊圈閉成藏的主控因素。斷裂的活動時間與活動強度控制著油氣的縱向運移,而斷裂的性質(zhì)、產(chǎn)狀則決定了油氣聚集與分布。變換帶中的勝坨橫向傳遞斷層活動時間主要在沙三至沙一段沉積期,東營組沉積早期斷裂活動減弱;該斷裂正斜滑分量較大,斷面較緩,斷裂封閉性較好,其遮擋的斷塊圈閉是油氣的理想聚集場所,形成的油氣藏沿著斷裂走向呈弧形展布(圖3)。由于斷裂活動時間早于油氣主要運移期,所以斷裂良好的封閉性造成了該斷塊圈閉的油氣主要聚集于中、下構(gòu)造亞層中(圖3,圖9F1)。營66-1傳遞斷層從沙二段沉積期開始活動,至明化鎮(zhèn)組沉積期結(jié)束。斷裂的正斜滑性質(zhì)形成的破碎帶具有良好的封閉性,其形成的誘導(dǎo)裂縫帶則具有很好的通道。這種誘導(dǎo)裂縫帶的油氣輸導(dǎo)能力在斷