DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.025
松辽盆地肇州油田层控多边形断层发育特征及在油成藏中的作用
平贵东1,2，付晓飞1,2，刘宗堡1，谢昭涵1,2，高煜婷3，方晓3
(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆，163318；
2. 黑龙江省普通高校科技创新团队，黑龙江 大庆，163318；
3. 庆新油田开发有限责任公司 黑龙江 安达，151413)
摘要：地震解释和沿层相干切片，结合储层沉积特征对松辽盆地三肇凹陷南部肇州油田层控多边形断层的发育特征进行研究。研究结果表明：该区层控断层定向排列，展布方位与斜坡走向平行，并向着斜坡上倾方向倾斜，其发育时期与青山口组末期—姚家组沉积早期的构造抬升事件相对应，地层翘倾引起的重力滑动作用被认为是驱使断层活动的成因。层控多边形断层的平面展布受砂体和构造断层的影响，集中分布在含砂地层厚度较薄的区域，并且多向着构造断裂下盘生长。在不同地质历史时期，多边形断裂的启闭性质不同，其在油成藏中的作用也不同。成藏期(明水组末期)区域应力场为北西向挤压，北西—北北西向沟通青一段源岩和葡萄花油层的活动断裂是垂向输导油的油源断裂，而此时东西展布的层控断裂受正向挤压，断面紧闭，对油成藏主要起遮挡作用。新生代以来至现今区域应力场转变为近东西向挤压，层控多边形断层展布方位与现今最大水平主应力方向一致，具有高渗透性，成为油在低渗透储层内侧向运移的高渗透通道，促进油藏连片分布。
关键词：多边形断层；层控；重力滑动；葡萄花油层；控藏
中图分类号: TE122 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)04-1353-13
Development characteristic of layer-bound polygonal faults and their role in hydrocarbon accumulation in Zhaozhou Oilfield, Songliao Basin
PING Guidong1, 2, FU Xiaofei1, 2, LIU Zongbao1, XIE Zhaohan1, 2, GAO Yuting3, FANG Xiao3
(1. Faculty of Earth Sciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;
2. Science and Technology Innovation Team, Daqing 163318, China;
3. Qingxing Oil Development Limited Liability Company, Anda 151413, China)
Abstract: Through the 3D seismic data interpretation and coherence slices, combined with depositional characteristics of Putaohua reservoir, the development characteristic of layer-bound polygonal faults (PFs) was studied in Zhaozhou oilfield in the south of Sanzhao depression, Songliao Basin. The results show that the layer-bound faults show preferential alignment, that most faults distribution are parallel to the strike of the slope and that aligned faults incline to updip direction of slope. The development period of PFs is coincided with a late Qingshankou stage to early Yaojia stage tilting event, and gravity sliding model is proposed as a possible mechanism for the deformation. Plannar distribution of the faults is controlled by sand body and tectonic faults, PFs mainly concentrate in the area where sandstone-bearing stratum is thin, and individual PFs mostly grow to the footwall of the tectonic faults. Because of the difference in the activity of PFs in geological times, there are differences in the role of faults in hydrocarbon accumulation. The regional stress field of hydrocarbon accumulation period (the end of Mingshui formation) is NW trending compressive stress, NW—NNW faults where oblique slipping occur are pathways for oil migrating vertically from the source rock of the Qing-l member up to Putaohua reservoir, yet layer-bounding EW trending faults are closed under normal compression, so PFs play seal effect in hydrocarbon accumulation. Since the Cenozoic, regional stress field transforms into EW trending compression, PFs oriented parallel or nearly parallel to the maximum horizontal principal stress show high permeability. PFs are expected to be the dominant lateral migration pathways for oil within low-permeability reservoir, and make oil reservoir interconnected.
Key words: polygonal faults; layer-bound; gravity sliding; Putaohua reservoir; reservoir-controlling
在过去的20多年中，有一种特殊的非构造成因的正断层系-多边形断层(polygonal faults)，由于它们具有独特的交叉组合模式、特殊的发育背景以及对区域流体运移的重要影响而引起人们的广泛关注[1-9]。多边形断层又称为层控断层或层内变形断层，为非构造成因的断裂，其概念自1994年由Cartwright提出以来[10]，已经在世界100多个沉积盆地中有所发现，它是一种平面上走向多方位并相互交叉组合成多边形形态，剖面上具有层控特征的小型伸展断裂系统[11]。1个多边形断层系通常由一系列断距小于100 m、倾角为30°~70°、断裂密度大、走向随机的小规模正断层组成，这些断层主要发育在被动大陆边缘或陆内克拉通盆地的细粒沉积物中，不过在前陆盆地或聚敛的板块边缘地区也偶有发现[12-13]。多边形断层走向随机，发育具有层控性[10]，当地层平缓时没有优势倾向，发育的地层缺少构造伸展，这些特点都说明多边形断层的形成有别于构造成因断层，为非构造成因。关于多边形断层的成因机制至今没有统一的观点，许多学者针对不同地质背景下断裂发育特征相继提出了多种成因机制,如密度反转作用机制(density inversion)[14-15]、斜坡上细粒沉积物的重力滑塌作用机制(gravity collapse)[16]、超压泥岩层幕式水力破裂作用机制(episodic hydrofracturing)[17]、脱水收缩作用机制(syneresis)[18]、重力载荷作用机制(gravitational loading)[19-20]、差异压实(differential compaction) [21]及由成岩作用引起的热或化学收缩[13]等多种假说。随着3D地震技术的发展，近年来对这种复杂断层的研究越来越引起石油地质学家们的注意，一方面，人们对它的成因机制还不清楚；另一方面，经过多年研究发现，多边形断层对储层砂体形态以及流体、天然气水合物的运移和聚集有重要的控制作用，了解这类断层的分布和发育特征对浅层靶区的石油与页岩气勘探及CO2埋存具有重要意义。国外对多边形断层的研究有近30年，而国内对这类断层的研究起步较晚，近些年随着我国被动大陆边缘和陆内裂陷盆地多边形断层的相继发现，也逐渐引起地质学者们的关注[6-9]。基于3D地震数据精细解释，前人已证实松辽盆地三肇凹陷南部肇州油田葡萄花油层观察到的小规模断层为多边形断层[6]，这些断层发育在青山口组泥岩上部并向上断过了上覆的葡萄花油层，储层中高密度断裂发育必然会对油气成藏及勘探开发产生重要影响，然而，目前关于本地区多边形断层在油聚集成藏过程中的石油地质意义尚不明确，影响了勘探开发的进程。为此，本文作者通过分析多边形断层发育的构造和地层特征，描述其几何特征，研究活动规律，探讨多边形断层成因机制及在油成藏过程中的作用，以期指导油气勘探。
1 区域地质背景
松辽盆地是位于中国东北部的大型中、新生代陆相含油气盆地，三肇凹陷为松辽盆地二级负向构造单元，隶属于一级构造单元的中央坳陷区。它西接大庆长垣东部，东邻绥化凹陷和朝阳沟阶地，北接明水阶地。现今葡萄花油层顶面在三肇凹陷腹部总体呈现“三鼻三凹”的构造特征,即宋芳屯、肇州、升平3个鼻状构造及徐家围子、升西和永乐3个次级凹陷，见图1。沉积盖层自下而上发育下白垩统火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1ych)、登娄库组(K1d)和泉头组(K1q)、上白垩统青山口组(K1qn)、姚家组(K1y)、嫩江组(K1n)、四方台组(K1s)、明水组(K1m)、古近系依安组、新近系大安组和泰康组地层，见图2。
三肇凹陷的形成演化是奠定在下部徐家围子断陷和古中央隆起带基础上的，自下而上可划分出三大构造层，即断陷构造层(K1h—K1ych)、坳陷构造层(K1d—K1s)和反转构造层(K1m之后)，具有“下断上凹”的二元结构[22]。下部徐家围子断陷呈NNW向展布，受徐西断裂控制形成西断东超的箕状断陷。该区发育一条徐中右旋走滑断裂，将徐西断裂切为南北两段，造成徐家围子“两凹夹一隆、东西分带、南北分块”的构造格局[23]，断陷期徐家围子断陷在SSE—NNW方向伸展应力作用下发育4个方位的断裂[24]：1) 南北向张扭变形的徐西断裂；2) 北北西向的徐中走滑断裂；3) 北北东向伸展断裂；4) 近东西向调节断裂。这4个方位的断裂对中浅层断裂的形成及分布产生重要影响。
图1 三肇凹陷区域位置图
Fig. 1 Location map of Sanzhao sag
自登娄库组沉积开始，盆地进入坳陷演化阶段，登娄库组—泉头组沉积早期断裂活动性较弱，处于相对静止期，只是在断陷期后的区域热沉降作用下形成部分规模较小的次级正断层。泉头组晚期—青山口组沉积时期是断裂的强变形期，青山口组底部T2反射层形成高密度断裂(后文简称T2断裂)，走向主要为SN向(见图3(a))，表明受控于近EW向的拉张应力场的控制。众多物理模拟结果显示：若先存断裂与后期应力场方向斜交，则受其影响后生断裂多会发生张扭变形，平面上呈雁行式排列[25-26]。三肇凹陷断陷期断裂展布与坳陷期东西向拉张应力场方向多呈高角度斜交，斜向拉张作用影响下T2断裂平面展布密集呈带，不同方位的断裂密集带具有不同的变形性质[27]。
青山口组沉积末期松辽盆地经历了短暂的构造抬升[28]，沉积了姚家组地层。葡萄花油层在姚一段地层中下部，从其顶面构造图(T11反射层)可以看到三肇凹陷北部断裂展布以南北向为主，断裂密集带依然发育(见图3(b))，说明这期间区域东西向拉张应力可能一直持续，但三肇凹陷南部尤其是肇州油田地区断裂却不再有优势的展布方向，除了近南北走向断裂外，东西向的断层也大量发育。东西向断裂的存在明显与该时期东西向拉张应力场不协调，因此，该地区断裂的形成应当受某种局部应力场的控制，可能为某些非构造因素(如重力滑动、差异压实、沉积相变等)的影响，形成了具有不同成因机制的特殊类型的断裂。经断裂几何特征分析，前人判定该区断裂即为多边形断层[6]。
嫩江组沉积末期松辽盆地回返抬升，至明水组末期反转构造基本定型，三肇凹陷周边形成3条反转构造带：西侧为大庆长垣，东北为望奎－任民镇反转构造带，东南为长春岭背斜带。三肇凹陷内部受反转作用影响相对较弱，并没有明显的反转构造；坳陷期形成的部分断裂受区域压扭作用影响倾滑活动，一直断过T06反射层并向上延伸进入反转构造层，这些断层主要为断裂密集带的边界断层，可以作为葡萄花油层成藏的油源断裂。
图2 松辽盆地地层综合柱状图[6]
Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of Songliao Basin
2 发育多边形断层的地层区段和岩性特征
多边形断层发育在青山口组泥岩上部至姚家组地层内，断过了葡萄花油层，使储层复杂化。青山口组地层沉积于松辽盆地坳陷发育的全盛期，主要为一套黑色、绿色泥岩和砂岩。在三肇凹陷肇州地区青一段主要为深湖—半深湖相暗色泥岩和油页岩，是控制该区中浅层油气成藏的主要烃源岩，青二、三段以灰绿色或黑色泥岩与粉砂质泥岩互层为主，含有大量介形虫，反映出该时期水体变浅。青山口组地层因欠压实作用多具有异常高的孔隙流体压力，全区超压普遍为4~10 MPa。
葡萄花油层位于青山口组上覆的姚家组一段中下部，姚一段地层为浅水河控三角洲沉积，受三肇凹陷北西向物源控制，地层厚度总体上呈现自西北向东南逐渐减薄的模式[29]。通过横跨卫星—宋芳屯—肇州油田开发区南北向骨干剖面层序地层精细解剖(见图4)，葡萄花油层砂体向南逐渐减薄，在北部卫星油田砂体厚度可达50~60 m，而到肇州油田南部已减小到小于10 m(见图4(b))。葡萄花油层顶底自北向南砂岩相变为泥岩，在小层底部南北两区形成砂泥对接模式，刘宗堡等[30]指出葡萄花油层顺源逐层减薄主要为三角洲末端同沉积构造抬升控制的结果，说明青山口组沉积末期—姚家组沉积时期三肇凹陷东南部发生构造抬升。多边形断层发育区葡萄花油层含砂层段厚度普遍小于14 m，而在多边形断层不发育的北部地区厚度普遍大于14 m(见图4(a))。储层厚度的变化是影响多边形断层分布，导致三肇凹陷葡萄花油层断裂展布特征南北分区的1个因素，厚层砂岩可能会对下部泥岩中多边形断层垂向扩展和生长起到阻碍作用，不利于其发育[13]。
图3 T2反射层与T11反射层断裂构造图
Fig. 3 Tectonic map of faults of T2 and T11 reflection horizon
图4 葡萄花油层含砂层对多边形断层分布的影响(位置见图1)
Fig. 4 Effects of sandstone-bearing stratum on distribution of polygonal faults in Putaohua reservoir
3 断层几何学特征
3.1 断层平面组合特征
多边形断层发育构造主体位于肇州鼻状构造上(见图1(a))，多边形断层的分布区域与其北部不发育区域有明显的分界线(见图3(b))，受储层厚度影响，这个界线几乎是突变的(见图4(a))，边界线的构造位置对应肇州鼻状构造底部。断层平面组合样式在储集层顶面有较好呈现，从杏山南三维地震工区T11反射层上可以看出断层呈现明显的多边形组合模式(见图5)，断层密集交叉，交角多呈直角或高角度。T11断裂走向以东西向为主，这些断裂规模相对较小，其次是北北西和北北东向(见图5(a))，为本区规模较大的断层，断距为5~50 m，延伸长度一般为114 m 至5 km，个别可超过10 km。T2反射层断裂走向主要为北北西和北北东向(见图5(b))，T11层北北西和北北东向断裂展布与下部T2断裂系有很好的对应关系，说明这些断裂在发育过程中受先存断裂影响较大，这种现象也出现在加拿大大西洋陆缘Sable次盆[31]。
3.2 断层剖面特征
根据断裂影响的层位和活动性，将葡萄花油层发育的断层分为3种类型(见图6)：1) 层控断层(Ⅰ型)，仅局限于葡萄花油层及附近的小范围地层内，一般分布在T1反射层和青山口组内部层A之间，断层多为平直断层，断层断距为5~10 m，见表1。通过对断层倾向统计，发现这些层控断层多向南倾斜(见图7)，即斜坡的上倾方向，斜坡对多边形断层发育起到重要影响[32]。2) 未能影响到嫩江组之上地层的断裂(Ⅱ型)，地震剖面上表现为T06反射层之下的断裂，这些断裂在葡萄花油层沉积后有部分活动过，地震剖面上可见楔形的生长地层(见图6)，但嫩江组沉积之后处于静止状态。3) 影响了嫩二段及其以上地层的断裂(Ⅲ型)，断层最大断距一般为20~45 m，延伸长度超过1 km(见表1)，地震剖面上表现为断穿T06反射层，并能继续影响其上部地层的断裂，这些断裂为嫩江组沉积后有再滑动复活的断裂。Ⅱ型和Ⅲ型断裂展布多与下部T2断层系展布方位一致，为受先存T2断裂控制的继承性发育断裂。
虽然T11断裂的发育受T2断裂系的影响较大，但是在剖面上两者大多并不是相互连接的，应力的传递通常通过2个断层系叠覆的岩桥区实现。通常断层垂向叠覆的方式有2种类型[33]：限制型叠覆带(restraining overlap zones)和释放型叠覆带(releasing overlap zones)。限制型叠覆带为两断层叠置的岩桥区，表现为挤压趋势的叠覆带，原则上叠覆带会通过体积缩小来调节两断层间的变形，但通常更多的是表现为叠覆区地层的旋转(见图8(a))。与之相反，释放型叠覆带则表现为叠覆区具有拉伸的趋势，像黏土岩或页岩等软弱层在释放型叠覆带也会发生层位旋转(见图8(b)))。若软弱层较薄的话还可能发生剪切涂抹，则这是形成剪切型泥岩涂抹的常见形式。三肇凹陷T11与T2断裂系的叠覆类型以限制型叠覆为主(见图8(c))，叠覆部位地层通常发生褶皱或旋转。
图5 杏山南三维地震工区T11及T2反射层断裂展布特征
Fig. 5 Fault distribution characteristics of T11 and T2 reflection horizons in 3D seismic survey of southern Xingshan
图6 杏山南地震工区横纵地震剖面各类断裂分布(剖面位置见图5)
Fig. 6 Distribution of various faults on cross and longitudinal seismic section in southern Xingshan
图7 杏山南工区油藏与各类断裂平面分布及其展布特征
Fig. 7 Various fault strike orientation characteristics and distribution of faults and reservior in plane of southern Xingshan
图8 断层垂向叠覆的方式[33]及三肇凹陷限制型断层叠覆
Fig. 8 Styles of fault overlap zones and restraining overlap zone in Sanzhao sag
表1 葡萄花油层断层类型描述
Table 1 Description of fault types of Putaohua reservoir
4 讨论
4.1 影响多边形断层平面展布的因素
构造成因的断层在统一构造应力场的作用下，多具有相似的几何特征。断裂具有优势走向，断层规模上具有自相似性(Self-similar)的特点[34]。三肇凹陷T2断裂展布方位以南北向为主，是东西向区域伸展作用的结果，为构造成因的断裂。葡萄花油层顶面T11反射层断裂展布不同地区存在差异(见图3)，三肇凹陷北部断裂密集带依然发育，密集带展布与T2密集带方位基本一致，表明该时期东西向应力场作用依然持续，以凹陷南部的肇州油田NNW和NNE向为主的Ⅱ型和Ⅲ型断裂，走向与下伏的T2断裂方位一致(见图5)，为继承性发育的构造断裂，但该区发育众多东西向展布为主的Ⅰ型层控断裂(见图7)。这些断裂的展布方位与区域东西向拉张应力明显不协调，用构造的观点是无法解释的，剖面上具有层控特征，为规模受限的断裂系统(scale-bound fault system)[35]，为非构造成因。肇州油田T11断层密集交叉，交角多呈直角或高角度(见图7(a))。付晓飞等[6]对断层交叉连接方式进行了统计，结果表明该区断层组合方式为小断层多向着构造断层的下盘生长。层控断裂多终止于大的构造断层(图7(a))，说明构造断层在多边形断层形成时出现并可能活动，它们的出现可能对局部应力产生扰动，使得最大张应力由垂直构造断层走向的方位转变为平行于构造断层走向，迫使后生成的多边形断层向着垂直他们的方向生长[31]。
另一个影响多边形断层分布的因素是砂岩的变化。姚家组一段为浅水河控三角洲沉积，泥岩厚度占地层厚度的60%~90% ，为典型的“泥包砂”结构。其内部葡萄花油层砂体自南向北逐渐减薄[29]，多边形断层发育区葡萄花油层砂层段厚度普遍小于14 m，而不发育多边形断层的北部地区砂层厚度普遍大于这个范围(见图4)。很明显，厚层砂岩的出现对多边形断层的发育起了重要影响，这种现象在世界其他盆地也有发现，例如Faeroe—Shetland盆地内1个多边形断层发育层序中[13]，有1个夹在厚层细粒黏土层内的海底扇向着地层边界减薄，在砂体最厚的地区多边形断层不发育，而在减薄的地区发育(见图9)。夹裹在泥岩中的相对粗粒的砂岩会阻碍多边形断层的发育，说明它的某种特性能够抑制断裂的成核或阻碍断层的扩展，然而，产生这种影响的机制尚不明确，是砂岩的力学性质影响还是内部物质成分或孔隙流体化学的侧向变化等其他因素影响还不得而知。但是，这种砂泥互层的区域也为人们继续研究断层的生长历史提供了线索，若范围足够广，则在多边形断层发育的地区突然出现了1块断层消失的区域，这可能是砂体的影响。
图9 Faeroe—Shetland盆地厚层砂岩对层控多边形断层分布的影响[13]
Fig. 9 Thick sand controls on planform geometry of layer-bounding polygonal faults in Faeroe—Shetland basin
4.2 成因机制
关于多边形断层的发育特征，尽管有超过20年的探索研究，但目前关于其成因机制国际上依然缺乏明确的解释。前人对三肇凹陷多边形断层成因机制也进行过探讨，付晓飞等[6]认为三肇凹陷T11多边形断层系可能是盆地反转期构造运动诱导青山口组泥岩层密度反转的结果，但多边形断层系下部并没发现有泥岩上涌的波状变形痕迹；另一方面，根据断层的发育特征，多边形断层应当形成于青山口组末期至葡萄花油层早期，而不是反转期形成的，所以，密度反转的观点并不适合；He等[36]认为多边形断层可能是脱水收缩作用的结果，脱水收缩作用多发生于蒙脱石含量较高的地层中，而三肇凹陷粘土矿物中伊利石含量较高，蒙脱石含量较低，不具备脱水收缩作用发生的条件，故脱水收缩作用也不是该区断层的成因机制。丁修建等[39]认为溶解作用形成的剪切破裂是该区多边形断层可能的成因，可是颗粒溶解作用为何只在特定层位产生破裂，微观上产生的裂缝又如何发育成延伸长度超1 km的规模断层等问题缺少明确解释，另一方面，这种实验室观测的结论在实际的地质环境中也很难得到有效验证，所以，溶解作用产生多边形断层的说法尚存在争议。
值得注意的是：从断层几何特征的统计看，肇州油田层控断裂走向以东西向为主，与该区斜坡走向平行，剖面上断层为平直断层，具有优势的断层倾向，多数都向着地层上倾方向倾斜(见图7)。以上这些特征都与北海外马里湾斜坡处古近系层控断裂的发育特征相似，Higgs等[16]最早用重力滑动机制来解释其成因。多边形断层对局部应力的变化较敏感，当有斜坡[16]或构造断层[31]影响时断层平面组合可能会偏离多边形形态，许多学者研究了沉积斜坡对多边形断层发育的影响[16,37-38]。Stewart等[32]提出多米诺断层的倾向与地层的边界条件有关，受地层强度差异的影响，当变形层下部不存在滑脱层而是一个相对的刚性层时，地层翘倾容易导致上部软弱层形成一系列反向断层(图10(a))；与之相反，当变形层底部有滑脱层存在时，顺向断层和反向断层都有可能出现，但在实际地质条件下以顺向断层居多(图10(b))。
图10 多米诺断层极性与地层的边界条件的关系[32]
Fig. 10 Relationship between Domino faults polarity and boundary conditions
随着三维地震技术的发展，多数观点都力图解释多边形断层的网状特征的成因。所以，一方面，由于无法解释断层多方位的展布特征，另一方面，目前发现的多边形断层发育区除了古斜坡以外，大部分是在平缓的盆底地区，这样早期提出重力滑动机制的观点就很难被广泛接受。但对于斜坡部位具有优势展布方位的层控断层来说，重力滑动作用仍可能是解释其发育特征的最好机制。
肇州油田层控断裂剖面上被限定在有限的范围内，断层下部端点向着青山口组内部层A逐渐终止(见图6)。断层一致向着斜坡上倾方向倾斜，构成一系列多米诺式的反向断层，发育特征与Stewart等[32]提出的反向多米诺断层展布方式相似。从断裂的展布特征及断裂发育时期与青山口组末—姚家组早期构造抬升事件相吻合这2方面看，本文作者推断断裂的形成可能是重力滑动的结果。青山口中下部含有大量油页岩，一方面，相对上部地层较早地接受压实，岩石强度增加；另一方面，页岩压实成岩过程中蒙脱石向伊利石转化，产生的钙离子和硅离子都会使得地层脆性增强，相对于青山口组上部弱压实地层来说是一个相对的刚性层。青山口组末期地层翘倾，断层下部端点受底部相对刚性层的影响被“钉”住，而上部端点沿斜坡向下滑动(见图10(a))，在简单剪切作用下形成一系列反向断层。重力滑动的观点可以解释目前层控断层的几何特征，但仍需要进一步深入研究。随着岩心测试资料的完善，获知实测地层强度差异的数据后这个观点会得到相应验证。
4.3 多边形断层在油气成藏中的作用
三肇凹陷是松辽盆地北部重要的生油、富油凹陷，葡萄花油层为其主要产层之一，经过多年的勘探与开发，含油面积整体叠合连片，具有满凹含油的特征[40]。肇州油田由于构造上具有有利的鼻状构造背景，是三肇凹陷有利的油气富集区，油田的西部和中部油大面积连片(见图7)。三角洲前缘席状砂和水下河道是油分布的主要储集砂体[30]，然而，其东部油气显示较差(见图11)，钻井成功率较低。东西两区相互临近，油源条件和储层特征相同，油气成藏的静态要素并无显著差异，因此，造成油水分布差异的主要原因应当是断裂对油输导特征的差异。
三肇凹陷控制中浅层油气成藏的主力烃源岩为青一段泥岩，青二、三段泥岩由于处于低熟阶段对油成藏的贡献较小，青一段烃源岩生排的油需要沟通储层和源岩的油源断裂的输导，才能向上运移至葡萄花油层的储层中，而对于葡萄花油层发育的不同类型断裂，在不同时期活动的差异性控制了油水分布的范围。
4.3.1 葡萄花油层断层活动性质
明水组沉积末期，在NW—SE向的挤压应力作用下[41]，松辽盆地强烈反转形成多个大型反转构造，三肇凹陷周边的大庆长垣、长春岭背斜及绥棱背斜在此时期定型。然而，三肇凹陷内部受反转作用影响相对较弱，并没有明显的反转构造，但在NW—SE向区域主压应力作用下，葡萄花油层先前存在的众多NW—近SN向断裂斜滑活动，向上生长延伸，而此时NNE—近WE向断层受正向挤压作用，断面紧闭而不易活动。青一段源岩在嫩江组末期开始生烃，明水组末期开始大量排烃，烃源岩大量生排烃期也是松辽盆地中浅层油藏的主要成藏时期，所以，三肇凹陷葡萄花油层油藏最早形成于嫩江组时期，发育于明水组末期。从地震数据上，三肇凹陷目前能有效识别出的最上部层序是嫩二段，其顶部对应地震反射层位为T06反射层。前人普遍将连通葡萄花油层和青一段源岩并向上断至T06层以上的生长断裂(嫩江组中晚期活动的断裂)定为油源断裂[42]，即为本文的Ⅲ型断裂，这些断裂多是NNW向展布的密集带边界断裂，而Ⅰ型和Ⅱ型断裂在成藏期均不活动，主要起遮挡油气的作用。
图11 肇州油田区域油藏剖面图(剖面位置见图7)
Fig. 11 Local reservoir profile for Zhaozhou oilfield (See Fig.7 for location)
进入新生代后，太平洋板块俯冲方向的转变和后期日本海的弧后扩张作用，松辽盆地区域挤压应力主要为NEE向[43]。这一应力方向一直持续至今，由于应力机制的转变，断裂的启闭性也发生了变化：早期(嫩江组—明水组)活动的北北西—南北向断裂(Ⅲ型断裂)，在北北东向挤压作用下停止活动，而此时北北东—东西向断裂(主要为Ⅰ型断裂及部分Ⅱ型断裂)则易于开启。从油田实际生产开发的数据来看印证了这一结论。肇州油田葡萄花油层现今实测地层最大水平主应力为32 MPa，方向为N80°E，显示出其应力方向对古应力方向的继承。肇50-21井区开展井间示踪剂注入试油，与该井平行的东西向井排可以检测到示踪剂，而其他方向井排没有示踪剂显示，说明在该井东西方向存在高渗透带。通过结合电位法井间监测、钻井取芯及测井解释结果，葡萄花油层发育众多NEE—WE向与最大水平主应力方向平行的裂缝，这些裂缝构成了流体运移的高渗透性条带。断裂带和裂缝的渗透性与原地应力的方位有一定关系，通常认为沿平行或近平行于最大水平主应力(SHmax)方向的高角度裂缝或断裂带，由于作用到断面上的正应力最小而容易产生膨胀趋势，渗透率会得到增强[44-45]。肇州油田葡萄花油层现今SHmax的方位为N80oE，可以推断NEE—WE向断层和裂缝可能是开启的(见图7)。这里值得说明的是，断裂带的渗透性可能受胶结作用的影响而变化，所以，开启断层的方向并不一定都依赖于SHmax的方向，尤其是在大于3 km的深度下[46]。然而，本区多边形断层发育的层位均小于1.5 km，另外结合井间示踪剂和电位法裂缝预测结果及目前油藏分布与油源断裂较吻合，有理由推断SHmax的方向是控制研究区断层带渗透性的主要因素。肇州油田葡萄花油层发育远源河控浅水三角洲前缘亚相[30]，储层砂体薄，单砂体一般低于2 m，储层物性差，但储层内大量断裂发育，将增加储层物性的非均质性。低孔渗储层中高渗透性断裂的广泛发育使得油沿断裂和裂缝运移调整要比沿砂体流动更容易。
4.3.2 葡萄花油层油成藏规律
从断层的活动性质看，由成藏期及之后应力场的旋转变化而引起的断裂差异活动是肇州油田葡萄花油层油成藏主控因素。图12所示可说明肇州油田葡萄花油层断裂演化和成藏的过程。青山口组沉积早期在区域应力场的作用下，形成了有优势走向的T2断裂系，随着区域应力的持续作用，青山口组上部发育继承性构造断裂(Ⅱ型和Ⅲ断裂)，展布方位与下部T2断裂相同，两者之间通过限制型叠覆带实现应力传递(见图12(a))。在青山口组沉积末期—葡萄花油层早期，三肇凹陷南部构造抬升，地层翘倾引起层A上部泥岩发生重力滑动，形成一系列走向平行斜坡，倾向与斜坡相反的层控多边形断层(Ⅰ型断裂)(见图12(b))；在葡萄花油层沉积时期，三肇凹陷南部持续抬升，储层砂体自北向南减薄，肇州油田薄层砂体对断层的拓展阻碍较小，层控断层向上生长错断储层；在明水组末期盆地反转，受NNW向挤压应力影响，NNW—SN向断裂倾滑活动，此时期也是葡萄花油层成藏的主要时期，这些活动的断裂成为油从青一段源岩向上部葡萄花油层垂向输导的油源断裂(Ⅲ型断裂)(见图12(c))，这些断裂主要分布在肇州油田的中西部，东部地区并无油源断裂，而此时EW向和NNE向展布的Ⅰ型层控断裂和Ⅱ型断裂受正向挤压，断面紧闭，对油成藏主要起遮挡作用(见图12(c))。进入新生代以来，盆地发育处于萎缩阶段，区域应力场转变为近EW向，这个方向的高角度断裂和裂缝在区域主压应力场的作用下具有膨胀趋势，形成易于流体流动的高渗透带(主要为Ⅰ型断裂和小部分Ⅱ型断裂)，有利于油在储层内的横向调整，使得油藏相互连通、分布连片(见图12(d))，而NNW—SN向断裂此时受正向挤压而处于封闭状态，这样就阻碍了早期油源断裂附近的油向肇州东部的横向运移(见图12(d))。成藏期没有油源断裂的垂向输导，后期油的横向运移又受到阻碍，这是造成肇州东部油气显示差的主要原因。
图12 多边形断层生长演化与区域成藏过程示意图
Fig. 12 Sketch map showing hydrocarbon accumulation process and evolution of polygonal faults growth
5 结论
1) 松辽盆地三肇凹陷南部肇州油田发育众多东西向展布的层控多边形断层，断层延伸长度150~3 000 m，断距多小于10 m，剖面上被限定在青山口组上部至姚一段之间的有限范围内，断裂展布方位与区域应力场方向不协调，用构造作用的观点无法解释其成因。
2) 层控多边形断层平面展布受砂体和构造断层的影响，集中分布在砂岩较薄的区域，并且多向着构造断层下盘生长，与构造断裂高角度相交。
3) 层控断裂展布方位与斜坡走向平行，剖面上断层多向着斜坡上倾方向倾斜，构成一系列反向多米诺式断裂组合。这些断裂的下部端点一致向着青山口组内部一个统一界面(层A)收敛，断裂发育时期与青山口组末—姚家组早期构造抬升事件相吻合，这表明重力滑动作用是控制断层发育的成因。
4) 肇州油田中部和西部葡萄花油层油藏充满程度高，已经实现连片，但其东部地区含油显示差，究其原因归结为不同时期断裂的差异活动引起不同类型断裂在油藏中的作用不同，具体表现为成藏期北西—北北西向断裂斜滑活动，成为油从青一段源岩向上部葡萄花油层垂向输导的油源断裂(Ⅲ型断裂)，而此时东西向和北北东断裂(Ⅰ型层控断裂和Ⅱ型断裂)受正向挤压主要起遮挡作用。自新生代以来至现今，区域应力场转变为近东西向挤压，平行于这个方向的断裂由于断面正应力小而具有膨胀趋势，东西向Ⅰ型层控断裂和部分Ⅱ型断裂可以作为油侧向运移的高渗透通道，使油藏连片。肇州油田东部成藏期没有油源断裂的垂向输导，后期油的横向运移又受到阻碍，故油气显示差。
参考文献：
[1] Lonergan L, Cartwright J A. Polygonal faults and their influence on deep water sandstone reservoir geometries,Alba Field, United Kingdom central North Sea[J]. AAPG Bulletin, 1999, 83(3): 410-432.
[2] Berndt C, Bünz S, Mienert J. Polygonal fault systems on the mid-Norwegian margin: A long-term source for fluid flow[C]//Rensbergen V, Hillis P, Maltman R R, et al. Subsurface sediment mobilization. London: Special Publications, 2003: 283-290.
[3] Stewart S A. Implications of passive salt diapir kinematics for reservoir segmentation by radial and concentric faults[J]. Marine and Petroleum Geology, 2006, 23(8): 843-853.
[4] Gay A, Lopez M, Cochonat P, et al. Isolated seafloor pockmarks linked to BSRs, fluid chimneys, polygonal faults and stacked Oligocene—Miocene turbiditic paleochannels in the Lower Congo Basin[J]. Marine Geology, 2006, 226(1/2): 25-40.
[5] Gay A, Berndt C. Cessation/reactivation of polygonal faulting and effects on fluid flow in the Voring Basin, Norway Margin[J]. Journal of the Geological Society, 2007, 164(1): 129-141.
[6] 付晓飞, 宋岩. 松辽盆地三肇凹陷“T11”多边断层非构造成因机制探讨[J]. 地质学报, 2008, 82(6): 738-749.
FU Xiaofei, SONG Yan. Nontectonic mechanism of polygonal“T11”faults in the Sanzhao Sag of Songliao Basin[J]. Acta Geologica Sinica, 2008, 82(6): 738-749.
[7] 吴时国, 孙启良, 吴拓宇, 等. 琼东南盆地深水区多边形断层的发现及其油气意义[J]. 石油学报, 2009, 30(1): 22-30.
WU Shiguo, SUN Qiliang, WU Tuoyu, et al. Polygonal fault and oil-gas accumulation in deep-water area of Qiongdongnan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(1): 22-30.
[8] 王秀娟, 吴时国, 王大伟, 等. 琼东南盆地多边形断层在流体运移和天然气水合物成藏中的作用[J]. 石油地球物理勘探, 2010, 45(1): 122-128.
WANG Xiujuan, WU Shiguo, WANG Dawei, et al. The role of polygonal faults in fluid migration and gas hydrate reservoir forming in Southeast Hainan Basin[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2010, 45(1): 122-128.
[9] 尹新义, 任建业, 雷超琼. 琼东南盆地东部层间断层系及其形成机制分析[J]. 大地构造与成矿学, 2010, 34(3): 299-307.
YIN Xinyi, REN Jianye, LEI Chaoqiong. Geometrical characteristics and formation mechanism of intrastratal faults in the southeast of the Qiongdongnan Basin[J]. Geotectonica Et Metallogenia, 2010, 34(3): 299-307.
[10] Cartwright J A. Episodic basin-wide hydrofracturing of overpressured Early Cenozoic mudrock sequences in the North Sea Basin[J]. Marine and Petroleum Geology, 1994, 11(5): 587-607.
[11] Cartwright J A, James D, Bolton A. The genesis of polygonal fault systems: A review[C]//Rensbergen V, Hillis P, Maltman R R, et al. Subsurface Sediment Mobilization. London: Special Publications, 2003: 223-243.
[12] Heffernan A S, Moore J C, Bangs N L, et al. Initial deformation in a subduction thrust system: Polygonal normal faulting in the incoming sedimentary sequence of the Nankai subduction zone, Southwestern Japan[J]. Geological Society, 2004, 29(1): 143-148.
[13] Cartwright J A. Diagenetically induced shear failure of fine-grained sediments and the development of polygonal fault systems[J]. Marine and Petroleum Geology, 2011, 28(9): 1-18.
[14] Henriet J P, de Batist M, Verschuren M. Early fracturing of palaeogene clays,southernmost north sea: Relevance to mechanisms of primary hydrocarbon migration[C]//Generation, accumulation and production of Europe’s hydrocarbons. European Association of Petroleum Geoscientists. Special Publication, 1991: 217-227.
[15] Watterson J, Walsh J J, Nicol A, et al. Geometry and origin of polygonal fault system[J]. Journal of the Geological Society, 2000, 157(1): 151-162.
[16] Higgs W G, McClay K R. Analogue sandbox modelling of Miocene extensional faulting in the Outer Moray Firth[C]//Williams G D, Dobb A. Tectonics and Seismic Sequence Stratigraphy. London: Special Publications, 1993: 141-162.
[17] Cartwright J A. Episodic collapse of geopressured shale sequences in the North Sea Basin[J]. Geology, 1994, 22(5): 447-450.
[18] Dewhurst D N, Cartwright J A, Lonergan L. The development of polygonal fault systems by syneresis of colloidal sediments[J]. Marine and Petroleum Geology, 1999, 16(8): 793-810.
[19] Goulty N R. Polygonal fault networks in fine-grained sediments:An alternative to the syneresis mechanism[J]. First Break, 2001, 19(2): 69-73.
[20] Goulty N R. Geomechanics of polygonal fault systems: a review[J]. Petroleum Geoscience, 2008, 14(4): 389-397.
[21] Davies R J, Irelandn M T, Cartwright J A. Differential compaction due to the irregular topology of a diagenetic reaction boundary: A new mechanism for the formation of polygonal faults[J]. Basin Research, 2009, 21(3): 354-359.
[22] 胡望水, 吕炳全, 张文军, 等. 松辽盆地构造演化及成盆动力学探讨[J]. 地质科学, 2005, 40(1): 16-31.
HU Wangshui, L
Bingquan, ZHANG Wenjun, et al. An approach to tectonic evolution and dynamics of The Songliao Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2005, 40(1): 16-31.
[23] 张元高, 陈树民, 张尔华, 等. 徐家围子断陷构造地质特征研究新进展[J]. 岩石学报, 2010, 26(1): 142-148.
ZHANG Yuangao, CHEN Shuming, ZHANG Erhua, et al. The new progress of Xujiaweizi fault depression characteristics of structural geology research[J]. Acta Petrologica Sinica, 2010, 26(1): 142-148.
[24] 付广, 胡明, 韩莹. 断裂对断陷盆地火山岩天然气的成藏与控制作用: 以松辽盆地徐家围子断陷为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(1): 1-8.
FU Guang, HU Ming, HAN Ying. Controlling of faults to gas accumulation of volcanic rock in depression basin:An example from Xujiaweizi depression of Songliao Basin[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012, 42(1): 1-8.
[25] Clifton A E, Schlische R W, Withjack M O, et al. Influence of rift obliquity on fault-population systematics: Results of experimental clay models[J]. Journal of Structural Geology, 2000, 22(10): 1491-1509.
[26] Tron V, Brun J P. Experiments on oblique rifting in brittle ductile systems[J]. Tectonophysics, 1991, 188(1): 71-84.
[27] 谢昭涵, 付晓飞. 松辽盆地“T2”断裂密集带成因机制及控藏机理—以三肇凹陷为例[J]. 地质科学, 2013, 48(3): 891-907.
XIE Zhaohan, FU Xiaofei. The genetic mechanism and accumulation mechanism of “T2” fault dense zone in Songliao Basin:In Sanzhao depression[J]. Chinese Journal of Geology, 2013, 48(3): 891-907.
[28] 宋鹰, 任建业, 阳怀忠, 等. 松辽盆地北部姚家组底界面特征及其动力学背景[J].石油学报, 2010, 31(2): 187-195.
SONG Ying, REN Jianye, YANG Huaizhong, et al. Characteristics and dynamic background of bottom boundary in Yaojia Formation of the northern Songliao Basin[J]. Acta Petrologica Sinica, 2010, 31(2): 187-195.
[29] 孙雨, 马世忠, 姜洪福, 等. 松辽盆地三肇凹陷葡萄花油层河控浅水三角洲沉积模式[J]. 地质学报, 2010, 84(10): 1502-1509.
SUN Yu, MA Shizhong, JIANG Hongfu, et al. Sedimentary mode of shallow Lacustrine Fluvial dominated delta of Putaohua reservoirs in the Sanzhao depression, Songliao Basin[J]. Act A Geologica Sinica, 2010, 84(10): 1502-1509.
[30] 刘宗堡, 赵淼, 吕延防, 等. 松辽盆地三肇凹陷葡萄花油层地层减薄模式及控油意义[J] .吉林大学学报(地球科学版), 2012, 42(4): 984-990.
LIU Zongbao, ZHAO Miao, L Yanfang, et al. Formation reduce model and govern oil significance of putaohua oil layer in Sanzhao depression, Songliao basin[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2012, 42(4): 984-990.
[31] Hansen D M, Shimeld J W, Williamson M A, et al. Development of a major polygonal fault system in upper cretaceous chalk and cenozoic mud-rocks of the sable sub-basin, canadian atlantic margin[J]. Marine and Petroleum Geology, 2004, 21(9): 1205-1219.
[32] Stewart S A, Argent J D. Relationship between polarity of extensional fault arrays and presence of detachments[J]. Journal of Structural Geology, 2000, 22(6): 693-711.
[33] Rykkelid E, Fossen H. Layer rotation around vertical fault overlap zones: Observations from seismic data, field example, and physical experiments[J]. Marine and Petroleum Geology, 2002, 19(2): 181-192.
[34] Yielding G, Needham T, Jones H. Sampling of fault populations using sub-seismic data: A review[J]. Journal of Structural Geology, 1996, 18(2): 135-146.
[35] Childs C, Walsh J J, Watterson J. A Method for estimation of the density of fault displacements below the limits of seismic resolution in reservoir formations[C]//Buller A T, Berg E, et al. North Sea Oil and Gas ReserviorsⅡ. London, 1990: 309-318.
[36] HE Chunbo, TANG Liangjie, HUANG Deli, et al. Polygonal faults in the Sanzhao sag of the Songliao basin: Their significance in hydrocarbon accumulation[J]. Mining Science and Technology, 2010, 20(2): 300-305.
[37] Victor P, Moretti I. Polygonal fault systems and channel boudinage: 3D analysis of multidirectional extension in analogue sandbox experiments[J]. Marine and Petroleum Geology, 2006, 23(7): 777-789.
[38] Ireland M T, Goulty N R, Davies R J. Influence of stratigraphic setting and simple shear on layer-bound compaction faults offshore Mauritania[J]. Journal of Structural Geology, 2010, 23(4): 1-13.
[39] 丁修建, 柳广弟, 孙明亮, 等. 多边形断层系特征及成因机制:以松辽盆地三肇凹陷为例[J]. 石油勘探开发, 2013, 40(3): 309-319.
DING Xiujian, LIU Guangdi, SUN Mingliang, et al. Origin of polygonal fault systems:A case from the Sanzhao sag in the Songliao Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(3): 309-319.
[40] 赵文智, 邹才能, 汪泽成, 等. 富油气凹陷“满凹含油”论——内涵与意义[J]. 石油勘探开发, 2004, 31(2): 5-13.
ZHAO Wenzhi, ZOU Caineng, WANG Zecheng, et al. The intension and signification of “Sag-wide Oil Bearing Theory” in the hydrocarbon-rich depression with terrestrial origin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2004, 31(2): 5-13.
[41] 陈骁, 李忠权, 陈均亮, 等. 松辽盆地反转期的界定[J]. 地质通报, 2010, 29(2/3): 305-311.
CHEN Xiao, LI Zhongquan, CHEN Junliang, et al. Determination of the reverse period of Songliao Basin, China[J]. Geological Bulletin of China, 2010, 29(2/3): 305-311.
[42] 付广, 李卉, 徐衍彬. 三肇凹陷及周边地区葡萄花油层源-圈空间配置及油运移输导形式[J]. 岩性油气藏, 2010, 12(1): 18-23.
FU Guang, LI Hui, XU Yanbin. Source-trap space allocation and oil migration transporting form of Putaohua oil layer in and around Sanzhao Depression[J]. Lithologic Reservoirs, 2010, 12(1): 18-23.
[43] 侯贵廷, 冯大晨, 王文明, 等. 松辽盆地的反转构造作用及其对油气成藏的影响[J]. 石油与天然气地质, 2004, 25(1): 49-53.
HOU Guiting, FENG Dachen, WANG Wenming, et al. Reverse structures and their impacts on hydrocarbon accumulation in Songliao Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2004, 25(1): 49-53.
[44] Ferrill D A, Winterle J, Wittmeyer G, et al. Stressed rock strains groundwater at Yucca Mountain, Nevada[J]. GSA Today, 1999, 9(5): 1-8.
[45] Ligtenberg J H. Detection of fluid migration pathways in seismic data: Implications for fault seal analysis[J]. Basin Research, 2005, 17(1): 141-153.
[46] Laubach S E, Olson J E, Gale J F W. Are open fractures necessarily aligned with maximum horizontal stress?[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 222(1): 191-195.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-04-10；修回日期：2014-06-22
基金项目(Foundation item)：黑龙江省杰出青年科学基金资助项目(JC201304) (Project (JC201304) supported by the Outstanding Youth Science Fund Project of Heilongjiang Province, China)
通信作者：平贵东，博士，讲师，从事断裂变形、封闭性及控藏机理研究；E-mail：pingguidong@126.com
