微小斷層野外地質調查及作用初探

楊滿平，王正茂

(1.燕山大學，河北 秦皇島 066004;2.中油天然氣股份有限公司，北京 100011)

引 言

斷層是一種常見的構造，對斷層的研究也是與地質相關的行業和研究單位的1個重點，但大部分研究往往集中于一些控制構造發育特征的主要斷層上，對于一些斷距非常小的小斷層和微小斷層，并沒有得到重視，相關的研究也比較少。對于油氣藏開發來說，油氣藏的形成和開發生產是與油藏所處的地層直接相關的，地層的巖石特征、孔隙結構特征以及構造特征等都能影響油氣藏的最終開發效果，斷層則是1個非常重要的構造因素，其重要性不言而喻。對于斷距較大的斷層，一般可以通過地震資料和地層對比進行識別，但是對于一些斷距比較小的斷層，如斷距小于20 m的斷層，用常規方法解釋地震資料很難識別，而這些小斷距斷層對油田開發影響卻很大［1－2］。針對這種小斷距斷層，目前都集中在對地震資料通過最先進的方法和技術進行精細處理與解釋，如利用地震動力學信息尋找微小斷層［3］、模式識別方法［4］、地震資料的關聯維識別技術［1］、相干體技術和三維可視化技術［5］等。這些方法可識別斷距落差5 m以上的小斷層，但對于斷距5 m以下的小斷層和微小斷層，目前尚沒有可行的方法和技術。

本次提出微小斷層的概念，是基于對中國東部斷塊油氣藏成藏特征研究及油氣田開發中所面臨的一些矛盾和問題而得到的，目的則是通過野外地質調查研究這種極小斷距斷層的特征，并分析其對油氣成藏和油氣田開發的作用和影響等。

1 微小斷層的定義及形成機理

1.1 斷層分級及微小斷層的定義

斷層是斷裂的一種類型。一般根據斷層對構造、沉積的控制作用以及構造發育史來對斷層進行分級，但由于不同盆地或構造帶，斷層的發育期次、規模和成因機制都有所不同，因而斷層分級尚沒有1個統一的方案。根據中國東部斷陷盆地的特征，一般可以將斷層分為4～5個級別［6－7］:一級斷層，控制盆地沉積，斷穿基底，在剖面上上下盤斷距非常大，平面上延伸很長，規模較大;二級斷層，是盆地內部局部構造及構造帶的主控斷層，是構造帶的分界線，剖面特征也很明顯，斷距比較大，一般數百米以上，平面延伸較長;三級斷層，控制局部構造，剖面特征上斷距比較大，一般都在100 m以上，平面上能延伸數千米;四級斷層，多數為更高級別斷層的伴生斷層、小斷層，數量多，分布廣，斷距一般為幾米到幾十米，延伸一般數百米到2 km;五級斷層是指斷距不明顯的斷層，也是一種伴生斷層，這種斷層剖面上落差小，延伸距離短，一般難以識別，斷層穿過的地層少甚至只發育在某一地層的層內。

本次主要研究斷距大小對油氣成藏及油氣田開發的影響，因此以斷距大小作為斷層分級的標準，并結合上述斷層分級方法，將斷層分為5個級別進行研究(表1)。

表1 根據斷距大小劃分斷層級別標準

微小斷距斷層簡稱微小斷層，可以穿過多條地層，也可以在某一地層內發育。如果斷距為0，平面上也沒有出現滑動，級別更小則稱之為高角度或垂直裂縫。實際中判斷斷距絕對為0的情況是非常困難的，因此這種高角度或垂直裂縫也可以當成微小斷層來進行研究。

之所以定義斷距小于2 m的斷層為微小斷層，并對其進行重點研究，是因為在中國東部斷陷盆地的陸相多油層砂巖油藏開發過程中，大部分動用的單個油層厚度都大于2 m，對于斷距小于2 m的斷層，一是難以在油層內部形成有效的遮擋或形成封閉，對油氣成藏和油氣開發都會產生重要影響，二是目前對微小斷層的認識程度不高，需要深入研究。

1.2 微小斷層的形成機理

斷層的形成主要是因為巖層或巖石受力超過其強度后發生破裂并產生相對位移或失去連續性和完整性而形成的［8］，這種應力產生的機制大部分來源于構造運動，微小斷層作為最低級別的斷層，是在較大斷層形成的基礎上伴生形成的，構造活動強度越大，持續時間越長，活動的范圍寬，形成的微小斷層的數量越多，分布范圍也越廣泛。另外也有少部分微小斷層是沉積成巖作用而產生的，主要是在沉積成巖過程中，由于差異壓實作用、同生變形作用等導致地層或巖石應力集中并形成斷層，并在一些文獻中進行了研究和探討［9］。這種斷層也叫同沉積斷層［10］，規模一般比較小，以小斷層和微小斷層為主。

2 微小斷層野外地質調查

2.1 微小斷層識別方法

對地下斷層的識別，目前常用的方法有地震勘探、鉆井資料的精細地層對比等，地面則可以通過野外地質露頭的觀察進行研究。

地震解釋和精細地層對比是石油行業研究油藏地質構造最常用也是最成熟的方法，可以準確識別斷距比較明顯的斷層，如對50 m以上的中—大斷距斷層的識別比較可靠;小于50 m的斷層，則要根據地震資料的精度和處理方法結合精細地層對比才能進行有效識別。研究表明，如果采用比較好的方法和技術處理地震資料，并采用先進的解釋技術，能夠識別5 m以上的小斷距斷層。采用井間地震的手段甚至能夠識別到5 m以內的小斷距斷層，但這種方法研究成本高，難以推廣。對于斷距為2 m以下的微小斷層，用目前傳統的地震處理與解釋技術還難以識別。

采用鉆井資料進行地層對比的方法能精確識別小斷距以上的斷層，即斷距為10 m以上的斷層。在地層旋回特征清晰，單個旋回地層厚度不大的情況下，通過精細地層對比也能識別10 m以下級別的斷層。對于小于2 m的井間地層或巖性厚度變化，則屬于地層厚度或巖性變化的正常范圍，如巖性的橫向變薄或尖滅、地層的超覆或尖滅等，都可能導致鉆遇地層或巖性的厚度發生變化，當然微小斷層也是導致地層或巖性厚度發生變化的的一個原因。因此通過地層對比也很難識別斷距小于2 m以下的微小斷層。

2.2 微小斷層野外地質調查

野外地質剖面和地質露頭觀察是研究構造特征最直觀也是最準確的方法，對國家級地質公園秦皇島柳江盆地的5個地質剖面進行了觀察，巖性以砂巖和碳酸鹽巖為主，沉積環境有海相(砂巖和碳酸鹽巖)，也有陸相(河流相砂巖)，通過觀察所有剖面均可見到微小斷層的分布。下面以2個典型的地質剖面來分析微小斷層的特征。

2.2.1 砂巖地層剖面

該地層剖面位于秦皇島國家地質公園雞冠山，巖性為青白口系長龍山組的海綠石石英砂巖，該剖面為新近開挖采石后出露，保存較好，微小斷層發育特征比較明顯 (圖1)。剖面長6.5 m，觀察到完整切割上下地層的微小斷層有4條，剖面平均分布密度為1.83 m/條，斷距最大為15 cm，最小為3 cm，斷層傾角都大于65°，最大達到80°以上，都為高傾角斷層。另外還觀察到8條左右級別更低的微小斷層，發育在下部厚砂巖的層內，斷距一般小于5 cm，部分微小斷層斷距不明顯，斷距不明顯的微小斷層也可稱之為高角度裂縫。在微小斷層附近，裂縫比較發育，為高角度縫，一般在層內發育，垂向延伸的距離比較短，長度一般在幾十厘米左右。

圖1 砂巖地層微小斷層發育情況(秦皇島雞冠山，2011年)

2.2.2 碳酸鹽巖地層剖面

秦皇島國家地質公園碳酸鹽巖的剖面比較多，尤以奧陶系亮甲山灰巖和寒武系張夏組鮞粒灰巖分布廣泛，從觀察的3個碳酸鹽巖剖面中，微小斷層比較常見，分布密度比較大，一般剖面分布密度都小于3 m/條，高角度裂縫的發育更為普遍。這里選擇一個典型的小背斜剖面來觀察其微小斷層發育情況(圖2)，該剖面位于秦皇島秋子峪，巖性主要為寒武系張夏組的鮞粒灰巖和泥質條帶灰巖，根據觀察結果，該剖面長度為10 m左右，明顯可見的微小斷層有4條，剖面分布密度約為2.5 m/條;斷距最大為40 cm，最小10 cm左右;斷層傾角大部分大于60°，以高傾角斷層為主;微小斷層主要位于小背斜的兩翼，分析其形成原因，應為地層在擠壓隆起變形過程中發生斷裂錯動而形成;另在微小斷層附近高角度裂縫也比較發育，隨處可見。

圖2 灰巖地層微小斷層發育情況(秦皇島秋子峪，2010年)

根據對秦皇島國家地質公園幾個典型地質剖面的詳細觀察，總結微小斷層的分布具有以下幾個特征:①微小斷層在地層中是普遍存在的，特別是經歷過多期構造運動的地層中;② 構造活動越頻繁、活動強度越大、活動時間越強，微小斷層發育程度越高，分布密度越大;③微小斷層的傾角都比較大，大部分大于60°;④ 微小斷層附近伴生有大量的高角度裂縫。

3 微小斷層作用初探

3.1 油氣成藏中的作用

復雜斷塊油氣藏在成藏過程中，斷層作為油氣運移的重要通道已經是1個非常成熟的理論，也是所有石油工作者的共識［11－13］。如認為二、三級斷層對油氣的聚集起著控制的作用［6］。斷層對油氣成藏的作用是雙重的，它能破壞已經形成的油氣藏，使油氣資源沿著開啟的斷層破裂帶流失;同時它也能形成一些新的有利構造圈閉和油氣運移通道，形成新的油氣藏。

中國東部的陸相斷陷盆地中，中淺層的第三系東營組和館陶組等儲層比較發育，在多期構造運動背景下形成了大量的構造－巖性圈閉，但這些地層內部生油層不發育，生油層則大部分處于較深部位的第三系沙河街組，因此斷層對油氣的運移聚集起著關鍵作用。對于構造－巖性圈閉的成藏機理目前的認識比較成熟可靠，但是對于巖性透鏡體和巖性尖滅等巖性圈閉的成藏則存在較大分歧，有的學者認為毛管壓力是其成藏的主要動力［14］;有的學者認為差異突破壓力是其成藏的根本動力;還有人認為烴濃度差是成藏的主要動力。這些理論都是建立在這種巖性圈閉所處地層自身具有生油能力的環境中，對于地層自身不具有生油能力的巖性圈閉，其成藏機理更為復雜。筆者認為，微小斷層在這種巖性圈閉的成藏過程中發揮了至關重要的作用。圖3為中國東部某斷塊油藏的成藏示意圖，二級斷層基礎上發育的三、四級斷層在上部地層中形成了大量的構造－巖性圈閉形成的油藏，通過深入的油藏描述研究后，發現還存在較多的砂巖透鏡體油藏，這些透鏡體所處地層并無生油能力，距離下部的生油層距離也較遠，油藏在開發過程中顯示有裂縫發育的特征。因此判斷其成藏時，由三、四級斷層形成過程中產生大量的微小斷距斷層或微小斷層，為油氣運移聚集提供了重要的通道，這些微小斷層或微小斷層斷距小，切割的地層少，為油氣資源的后期保存提供了有利的條件，并且通過傳統的地震解釋和地層對比難以發現這種微小斷層，因而形成了這種巖性油氣藏假象，其實質仍然屬于構造－巖性油氣藏類型。

圖3 微小斷層在油氣成藏過程中的作用示意圖

3.2 油氣田開發中的影響和作用

微小斷層在油氣田開發中作用表現在2個方面，一是有利的方面:微小斷層特別是具有垂直裂縫特征的微小斷層，斷層能發揮裂縫的導流作用，是油、氣、水流動的重要通道，這種通道對低滲透油氣藏來說尤為重要;另一方面，微小斷層對開發也能產生不利的影響，如注水井和采油井如果剛好鉆遇微小斷層或在微小斷層附近，注入水就會沿著微小斷層快速到達相應的油井，使得油井在短時間內水淹，不利于油井的合理開發;同時由于微小斷層如果穿過上下地層，或者與橫向的非儲層連通，在注水壓力較高的時候，使微小斷層形成的裂隙張開，注入水沿裂隙進入其他地層中，最終導致大量的無效注水，浪費生產資源，同時也使油井難以見效而產能降低。對于微小斷層在油氣田開發中的雙重作用，可以通過對油藏的靜態和動態特征綜合研究充分認識微小斷層(裂縫)的分布特征后，合理部署注采井網，發揮微小斷層(裂縫)的導流作用并降低其負面影響，提高油藏的采出程度。

4 討論

微小斷層的提出只是考慮了斷距的大小，而在實際油氣田的生產過程中，還要詳細研究微小斷層在平面上的延伸方向和延伸距離，這些參數對油氣成藏和油氣田的開發也會產生很大的影響。因而對微小斷層的特征以及微小斷層對油氣田開發的影響還需要更為詳細和深入的研究。

地球上的構造活動是時刻存在的，局部地區的地層穩定或斷層不發育只是一個相對的概念，在一些比較穩定的盆地如中國的鄂爾多斯盆地，其中部地區的三疊系延長組低滲透油層在傳統的認識上都認為斷層欠發育或者不發育，但在實際油藏開發中則表現出大量裂縫存在的特征，通過研究表明這些裂縫大部分為高角度縫，這種現象預示著，雖然鄂爾多斯盆地中部地區沒有受到過大型構造運動的影響，但小的構造運動還是存在的，這些小型的構造運動能形成一些微小斷層、以及裂縫等，用傳統的地質研究方法很難識別，但是對油氣藏的成藏和開發生產卻會產生重要的影響。

從微小斷層的定義和野外地質剖面看，要嚴格區分微小斷層與高角度裂縫之間的差別還是比較困難的，特別是在高角度裂縫比較發育的碳酸鹽巖地層中，因此還需要更為精確的研究和定義二者之間的關系。

本次觀察的野外地質剖面都是古生代及以前的地層，年代比較久遠，受構造運動影響的期次多，影響時間長，因而微小斷層比較發育。由于我國目前所發現的油氣藏所處地層大部分都是古生代及以上的地層為主，特別是東部地區的斷塊油氣藏則主要分布在第三系的地層中，年代相對要近得多，經歷的構造運動其次相對要少，因此微小斷層的發育程度和分布特征可能也要受到影響，需要針對這些地層通過尋找合適的地質剖面做詳細的研究。

5 結論

(1)提出了以斷距大小對斷層進行分級的標準，將斷層分為5個級別，并將斷距小于2 m的斷層定義為微小斷層。

(2)對微小斷層的識別目前難以通過常規的地質勘探和精細地層對比等地質手段來達到目的，但通過野外地質剖面和露頭的研究則可以對微小斷層的特征進行詳細觀察和研究。

(3)微小斷層的發育程度、分布密度、延伸方向等特征受構造運動的活動強度、活動時間等因素的控制。

(4)微小斷層可以作為油氣運移聚集的重要通道，形成一些巖性油氣藏的假象;在油氣田開發過程中，微小斷層類似垂直裂縫，對油、氣、水的流動起著導流的作用;同時，微小斷層也可能導致油井暴性水淹和水井無效注水等開發問題。

(5)在斷層不發育的地區或地層中(如中國鄂爾多斯盆地中部等)，也可能由于小型的構造運動、埋藏壓實作用、同生變形構造作用等形成的微小斷層，需要研究其分布特征對油氣運移、油氣田開發的影響和作用。

［1］王彥輝，牛彥良，周再林，等.用地震資料的關聯維識別微小斷層［J］.石油勘探與開發，1998，25(6):76－77.

［2］房寶才，王長生，劉卿，等.微小斷層識別及其對窄薄砂體油田開發的影響［J］.大慶石油地質與開發，2003，22(6):24－26.

［3］高如曾.用地震動力學信息尋找微小斷層的嘗試［J］.石油地球物理勘探，1988，23(4):497－503，512.

［4］崔若飛，趙愛華.利用模式識別方法解釋微小斷層［J］.石油地球物理勘探，1995，30(4):556－563.

［5］王志君，黃軍斌.利用相干技術和三維可視化技術識別微小斷層和砂體［J］.石油地球物理勘探，2001，36(3):378－381.

［6］王平.為什么二、三級斷層對油氣聚集起控制作用——復雜斷塊油氣田形成條件系列論文之四［J］.斷塊油氣田，1994，1(5):1－5.

［7］劉巖，陳清華，馬婷婷.吳堡斷裂帶低序級斷層分級研究［J］.西北大學學報:自然科學版，2011，41(2):268－272.

［8］戴俊生.構造地質學與大地構造［M］.北京:石油工業出版社，2006:138－147.

［9］孟祥超，韋學銳，韓維哲.差異壓實作用中的同沉積小斷層成因探討——以高臺子地區扶楊油層為例［J］.大慶石油地質與開發，2007，26(6):20 －23.

［10］馮明.構造地質學［M］.北京:地質出版社，2007:93－94.

［11］肖煥欽，陳廣軍.斷層在油氣成藏中的作用探討——以濟陽坳陷為例［J］.特種油氣藏，2003，10(2):17－19，30.

［12］王強，周瑤琪，陳勇平，等.平南大斷層特征及與油氣運聚的關系［J］.特種油氣藏，2006，13(1):50－52.

［13］顏世永，李月，周瑤琪.文西斷裂帶構造特征與油氣運聚關系［J］.特種油氣藏，2006，13(4):35－38，41.

［14］龐雄奇，陳冬霞，李丕龍，等.砂巖透鏡體成藏門限及其控油氣作用機理［J］.石油學報，2003，24(3):38－41.