孟令東,付曉飛,王雅春,張曉玲,呂延防,姜義博,楊宏松
(1.東北石油大學(xué)CNPC斷裂控藏實(shí)驗(yàn)室;2.“非常規(guī)油氣成藏與開(kāi)發(fā)”省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地;3.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠(chǎng);4.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠(chǎng)計(jì)劃規(guī)劃部)
斷層側(cè)向封閉性影響斷圈(斷層相關(guān)圈閉)聚油氣能力,是區(qū)帶和圈閉風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的重要研究?jī)?nèi)容[1-6]。目前對(duì)砂泥互層地層斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封閉性的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)識(shí)到斷層帶普遍發(fā)育破碎帶和斷層核“二元”結(jié)構(gòu)[7-9]。破碎帶因巖石物性差別而表現(xiàn)出不同的滲透性:高孔砂巖斷層的破碎帶主要發(fā)育變形帶[10-11];低孔巖石斷層帶的破碎帶則以發(fā)育裂縫為主,普遍為高滲特征[12-13]。斷層核的滲透性因其內(nèi)部充填物不同而表現(xiàn)出較大差異,這是圍巖與斷層存在差異滲透性的根本原因[14-16]。針對(duì)碎屑巖斷層形成的斷層巖封閉,2002年,Bretan等學(xué)者建立了斷層帶斷層泥比率與封閉最大烴柱高度的關(guān)系[17],實(shí)現(xiàn)了碎屑巖斷層側(cè)向封閉性的定量評(píng)價(jià)[18-19]。然而,目前關(guān)于火山巖斷層側(cè)向封閉性的研究相對(duì)較少。
松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖天然氣分布受斷層控制明顯,本文基于火山巖斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和兩盤(pán)對(duì)接特征,并結(jié)合氣水分布特點(diǎn),通過(guò)研究斷層封閉機(jī)理,利用改進(jìn)的斷層封閉性評(píng)價(jià)方法,系統(tǒng)分析了徐家圍子斷陷營(yíng)一段火山巖斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與斷層側(cè)向封閉性,探究了斷層封閉性對(duì)該地區(qū)天然氣聚集和分布的影響。
徐家圍子斷陷位于松遼盆地東部斷陷帶的中部(見(jiàn)圖1),為“西斷東超”的箕狀斷陷,其上疊加后期發(fā)育的三肇凹陷,具有典型的“下斷上坳”的二元結(jié)構(gòu)[20]。斷陷期自下而上發(fā)育初始裂陷期的火石嶺組(K1h)、強(qiáng)烈裂陷期的沙河子組(K1sh)和斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化期的營(yíng)城組(K1y),層間均以角度不整合相接觸?;鹗瘞X組為一套火山巖建造,沙河子組沉積時(shí)斷陷強(qiáng)烈活動(dòng),形成優(yōu)質(zhì)烴源巖,營(yíng)城組沉積時(shí)斷陷逐漸向坳陷轉(zhuǎn)化,發(fā)育兩套火山巖建造。登婁庫(kù)組沉積時(shí)斷陷活動(dòng)停止,轉(zhuǎn)入斷陷期后的熱冷卻沉降期。目前勘探證實(shí),營(yíng)城組火山巖普遍富氣,已發(fā)現(xiàn)的天然氣藏主要富集在走滑斷層附近。走滑斷層封閉特征與天然氣運(yùn)移、分布規(guī)律之間存在特定的耦合關(guān)系,因此研究斷層變形特征及控藏機(jī)理有利于深入揭示天然氣藏的分布規(guī)律。
圖1 徐家圍子斷陷氣源斷層和氣藏平面分布[20]
斷層帶普遍發(fā)育“二元”結(jié)構(gòu)[7,13],即斷層核和破碎帶。研究發(fā)現(xiàn),不同結(jié)構(gòu)特征的斷層對(duì)流體的控制作用存在很大差異[7],因此正確認(rèn)識(shí)斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)是斷層封閉性研究的基礎(chǔ)。
斷層通常是巖漿“裂隙式”噴發(fā)的通道,雖然斷層活動(dòng)誘導(dǎo)火山噴發(fā),但強(qiáng)烈的巖漿作用抑制了斷層帶結(jié)構(gòu)的形成[20]。只有噴發(fā)回落的堆積物和冷卻后的巖漿固結(jié)成巖之后,斷層再次變形,才能形成明顯的斷層帶“二元”結(jié)構(gòu)。火山巖的斷層變形主要有 3種形式,破碎帶處一般以破裂作用為主,表現(xiàn)為大量的裂縫切割圍巖;斷層核處以破裂和碎裂流作用為主[13],巖石發(fā)生很大程度的破裂,主要形成斷層角礫巖;斷層核內(nèi)的滑動(dòng)面位置則以研磨作用為主,具有擦痕,可見(jiàn)斷層泥、碎裂巖和角礫巖[7,20-21]。2005年,Gray等人通過(guò)研究美國(guó)內(nèi)華達(dá)州尤卡山熔結(jié)凝灰?guī)r斷層帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),隨著斷距的增加,斷層帶結(jié)構(gòu)差異越來(lái)越明顯[21]??蓺w納為 4種典型斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu):Ⅰ型斷層帶發(fā)育不連續(xù)的斷層滑動(dòng)面和擦痕,斷距為幾毫米到幾厘米,幾乎不發(fā)育破碎帶,其寬度小于2 cm;Ⅱ型斷層帶發(fā)育較薄的斷層核和不明顯的破碎帶,斷距小于1 m,斷層核內(nèi)以角礫巖充填為主;Ⅲ型斷層帶由斷層核和破碎帶構(gòu)成,斷距為幾厘米到幾十米,斷層核由無(wú)內(nèi)聚力或內(nèi)聚力較小的碎裂巖和角礫巖組成,直徑約為幾十厘米到1 m,破碎帶發(fā)育小斷層、裂縫和巖脈,寬度約為1~10 m;Ⅳ型斷層帶由斷層核(由斷層泥、碎裂巖和角礫巖組成)和破碎帶組成,斷距為10 m到幾百米。綜上可知火山巖斷層帶的形成特點(diǎn):斷層隨著斷距增加,逐漸從單一斷層核向“二元”結(jié)構(gòu)發(fā)展,斷層核由角礫巖向碎裂巖和斷層泥方向發(fā)展。
基于對(duì)熔結(jié)凝灰?guī)r斷層帶結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)識(shí),對(duì)天然氣富集的營(yíng)城組營(yíng)一段火山巖斷層帶進(jìn)行分析。營(yíng)一段火山巖主要為流紋巖和凝灰?guī)r。為了了解兩類(lèi)火山巖的變形特征和斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)營(yíng)一段流紋巖斷層(松遼盆地吉林九臺(tái)地區(qū))與凝灰?guī)r斷層(柳江盆地義院口地區(qū))分別進(jìn)行了描述。
吉林九臺(tái)地區(qū)營(yíng)一段露頭巖性為流紋巖,其發(fā)育F1和F2兩條斷層(見(jiàn)圖2),斷層滑動(dòng)面的擦痕方向指示兩條斷層均為正斷層。F1斷層發(fā)育明顯滑動(dòng)面,滑動(dòng)面不同位置的產(chǎn)狀具有一定差異,但整體為近西傾的高角度正斷層。斷層帶“二元”結(jié)構(gòu)清晰,斷層核寬度為0.4~2.3 m,其內(nèi)充填大量較松散的斷層角礫巖,受風(fēng)化作用呈紫紅色,成巖程度相對(duì)圍巖較低,且發(fā)育大量交叉、連通的網(wǎng)狀裂縫。自滑動(dòng)面沿剖面方向向東,斷層核充填物粒度逐漸增大(長(zhǎng)軸長(zhǎng)為幾毫米至2.4 m),由角礫巖逐漸過(guò)渡為構(gòu)造透鏡體,且裂縫發(fā)育密度呈下降趨勢(shì)。未變形位置的圍巖裂縫發(fā)育程度低,巖石本身非常致密,發(fā)育的孔洞和裂縫較少,且連通性差,因而整體上流紋巖與流紋巖對(duì)接處的斷層帶相對(duì)圍巖具有較高的孔滲特征。F2斷層僅發(fā)育滑動(dòng)面,局部位置發(fā)育斷層核。斷層核內(nèi)部為斷層角礫巖,基本無(wú)斷層泥,滑動(dòng)面兩側(cè)為發(fā)育裂縫的破碎帶。因此,由兩條斷層特征可知,營(yíng)一段斷層帶在流紋巖—流紋巖對(duì)接處,裂縫密度高,裂縫連通性好,斷層不具備封閉能力,且在一定程度上增強(qiáng)了斷層帶相對(duì)圍巖的滲透能力。
圖2 松遼盆地周邊火山巖露頭區(qū)發(fā)育的斷層(吉林省九臺(tái)地區(qū))
柳江盆地義院口地區(qū)發(fā)育 1條明顯的凝灰?guī)r斷層(見(jiàn)圖3)。依據(jù)滑動(dòng)面上擦痕的指示方向,判斷其為逆斷層,傾角約43°。斷層兩盤(pán)無(wú)明顯標(biāo)識(shí)層,難以確定斷距大小。該斷層具備清晰的“二元”結(jié)構(gòu)特征,斷層核寬為5~20 cm,破碎帶發(fā)育較長(zhǎng)的交叉裂縫(幾十厘米至幾米)(見(jiàn)圖 3a)。斷層核附近的網(wǎng)狀交叉裂縫十分發(fā)育(見(jiàn)圖3b),裂縫連通性好。斷層核內(nèi)充填物主要為風(fēng)化的斷層角礫巖(見(jiàn)圖3c),其抗風(fēng)化能力相對(duì)母巖較弱,成巖程度比圍巖低。在斷層核部分位置發(fā)育開(kāi)啟的裂縫,局部新鮮面有膠結(jié)的裂縫(見(jiàn)圖3c),說(shuō)明斷層變形后期斷層核具備高滲特征,為后期流體在斷層帶流動(dòng)和流體攜帶物質(zhì)沉積提供了條件。凝灰?guī)r斷層帶內(nèi)斷層泥含量極低,斷層核與破碎帶均發(fā)育大量連通裂縫。綜上可大致推斷,相對(duì)圍巖,凝灰?guī)r斷層帶總體呈現(xiàn)高滲特征,基本不具備封閉能力,其封閉性與流紋巖斷層基本相同。
露頭觀(guān)測(cè)到流紋巖與凝灰?guī)r斷層帶“二元”結(jié)構(gòu)清晰。盡管不同斷層的斷層核與破碎帶厚度相差較大,但流紋巖和凝灰?guī)r斷層在同層火山巖對(duì)接處均呈現(xiàn)高滲特征,不具備封閉能力,且付曉飛等研究發(fā)現(xiàn)火山巖—火山巖對(duì)接的部位均為水層[20]。因此可推斷徐中斷層在營(yíng)一段火山巖對(duì)接位置難以依賴(lài)斷層巖形成封閉,只能依靠火山巖儲(chǔ)集層與低滲透性巖性對(duì)接、蓋層泥巖涂抹或后期的膠結(jié)封閉作用才能形成有效的封閉。但由于大規(guī)模天然氣運(yùn)移極大阻礙膠結(jié)作用的發(fā)生[20],因此膠結(jié)封閉難以形成。同時(shí)通過(guò)對(duì)比徐中斷層登二段區(qū)域蓋層、營(yíng)四段局部蓋層的累計(jì)厚度與蓋層頂面斷距發(fā)現(xiàn),其蓋層厚度在任意位置均大于頂面斷距(見(jiàn)圖4),因此蓋層并未被錯(cuò)斷,泥巖涂抹封閉模式不存在。因而研究區(qū)斷層封閉的形成主要依賴(lài)營(yíng)一段火山巖儲(chǔ)集層與對(duì)盤(pán)上覆低滲透層巖性對(duì)接形成封閉。
圖4 徐中斷層登二段蓋層頂面斷距與蓋層投影厚度對(duì)比關(guān)系
營(yíng)一段火山巖氣層上覆地層巖性主要為泥巖和礫巖。根據(jù)徐中斷層周?chē)Y料,對(duì)比火山巖儲(chǔ)集層和礫巖物性及排替壓力發(fā)現(xiàn),礫巖比下伏火山巖物性差,因此存在火山巖—礫巖對(duì)接封閉模式[20]。從而說(shuō)明營(yíng)一段火山巖與上覆泥巖、礫巖可形成對(duì)接封閉,同時(shí)火山巖—火山巖對(duì)接位置是側(cè)向滲漏的,因此氣藏的氣水界面受控于火山巖與火山巖對(duì)接部位的最小深度(見(jiàn)圖5)。
圖5 營(yíng)一段火山巖斷層對(duì)接封閉模式
在明確營(yíng)一段火山巖斷層為對(duì)接封閉的基礎(chǔ)上,對(duì)徐中斷層等主要控圈斷層的封閉性進(jìn)行了解剖。對(duì)接封閉評(píng)價(jià)中應(yīng)用最普遍的為Allan圖(斷面巖性對(duì)接圖)[22]和 Knipe圖(傳統(tǒng)單井三角圖)[23],兩者結(jié)合即可定量分析斷層的對(duì)接封閉性。Knipe圖主要應(yīng)用于正斷層和逆斷層的斷層封閉性分析,其原理是利用斷層附近一口典型井的測(cè)井及錄井成果表征斷層兩盤(pán)的地層特征,進(jìn)而通過(guò)斷層控圈部分?jǐn)嗑嗟拇笮±L制傳統(tǒng)單井三角圖。在不考慮剝蝕和同生作用的情況下,正、逆斷層形成后兩盤(pán)的地層基本特征(巖性、厚度、層序和滲透性)變化較小,因此該方法只能應(yīng)用于斷層兩盤(pán)地層特征相同或相似的區(qū)塊。
圖6 與徐中斷層方向平行和垂直剖面的地層厚度與層序變化特征(剖面位置見(jiàn)圖1)
由兩條過(guò)徐中斷層的地層剖面可知:受斷層走滑作用、剝蝕作用和火山巖發(fā)育厚度不均一的影響,徐中斷層兩盤(pán)的火山巖儲(chǔ)集層厚度和地層層序都存在明顯差異(見(jiàn)圖 6)。走滑作用導(dǎo)致平面上不同地層特征的兩盤(pán)發(fā)生對(duì)接。另外走滑斷層的垂直斷距使得斷面巖性的對(duì)接關(guān)系趨于復(fù)雜,若采用 Knipe圖法,則難以準(zhǔn)確確定不同斷距下斷層兩盤(pán)的巖性對(duì)接關(guān)系。為了評(píng)價(jià)走滑斷層對(duì)接封閉性,對(duì)傳統(tǒng)三角圖的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn),基于 Knipe圖法的基本原理,進(jìn)一步考慮走滑作用下兩盤(pán)地層特征的差異,繪制雙井三角圖。如圖7a中所示,走滑斷層導(dǎo)致平面上不同地層特征的區(qū)帶對(duì)接。當(dāng)區(qū)帶Ⅰ與區(qū)帶Ⅲ對(duì)接時(shí),斷層兩側(cè)的地層特征存在明顯差異。因此在利用三角圖分析巖性對(duì)接關(guān)系過(guò)程中,在斷層兩盤(pán)各選取 1口典型井(A′井與C井)繪制三角圖,并依據(jù)兩口井的目的層頂面確定垂直斷距,進(jìn)而繪制斷層兩盤(pán)垂向上的巖性對(duì)接關(guān)系(見(jiàn)圖7b)。雙井三角圖能夠真實(shí)反映走滑作用下不同垂直斷距的巖性對(duì)接關(guān)系,并且可以更為真實(shí)地反映斷層兩盤(pán)的地層特征,降低高滲透性?xún)?chǔ)集層與對(duì)盤(pán)低滲透—非滲透性蓋層(簡(jiǎn)稱(chēng)低非滲透性蓋層)對(duì)接范圍的不確定性,提高了利用三角圖評(píng)價(jià)斷層封閉性的精度。
圖7 走滑斷層雙井三角圖繪制原理
結(jié)合雙井三角圖和Allan圖[22-23],對(duì)控圈作用明顯的徐中斷層及其兩盤(pán)發(fā)育的小型正斷層進(jìn)行了評(píng)價(jià),包括徐深1、徐深7、徐深14及徐深27等4個(gè)典型氣藏。評(píng)價(jià)過(guò)程中,引入了“風(fēng)險(xiǎn)斷距”的概念[24],即斷層形成封閉條件所對(duì)應(yīng)的最小斷距,小于該斷距值則說(shuō)明斷層存在較高的側(cè)向滲漏風(fēng)險(xiǎn)。分析野外斷裂帶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),在火山巖儲(chǔ)集層同層對(duì)接處,斷層不具備封閉能力,因此可以依據(jù)雙井三角圖所顯示的火山巖對(duì)接關(guān)系確定風(fēng)險(xiǎn)斷距。
徐深 1氣藏?cái)鄬涌厝Σ糠值膬?chǔ)集層頂面斷距為80~708 m,由徐深1井與對(duì)盤(pán)徐深502井雙井三角圖可知(見(jiàn)圖8),該斷圈的風(fēng)險(xiǎn)斷距為260 m,因此部分控圈斷距小于風(fēng)險(xiǎn)斷距,因此控圈斷層存在同層火山巖儲(chǔ)集層對(duì)接滲漏窗口。通過(guò)斷面巖性對(duì)接圖發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖9),同層火山巖儲(chǔ)集層對(duì)接處最小海拔深度為?3 550 m,即對(duì)接滲漏所確定的氣水界面海拔為?3 550 m,對(duì)應(yīng)斷距為223 m。
圖8 徐深1井—徐深502井雙井三角圖
圖9 斷面巖性對(duì)接分析圖
依據(jù)以上原理,分別利用徐深7與徐深201井、徐深14與徐深141井、徐深27與徐深302井繪制雙井三角圖,對(duì)徐深7、徐深14及徐深27斷圈進(jìn)行評(píng)價(jià),確定3個(gè)斷圈的氣水界面海拔分別為?3 810 m、?3 636 m、?3 792 m。對(duì)比單井氣測(cè)解釋結(jié)果與評(píng)價(jià)氣水界面,發(fā)現(xiàn)斷圈內(nèi)部分井的含氣段深度與評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差別,因此對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了不確定性分析(見(jiàn)表1)。其中徐深1斷圈內(nèi)徐深6、徐深601、徐深5井與徐深14斷圈內(nèi)徐深12井的實(shí)際含氣深度均較評(píng)價(jià)結(jié)果淺。分析 4口井的測(cè)井解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn):徐深 6井在?3 550.0~?3 472.9 m仍然見(jiàn)氣,但為氣水同層,該深度段內(nèi)的巖樣壓汞數(shù)據(jù)顯示滲透率值僅為(0.06~0.40)×10?3μm2,孔隙度為 0.9%~6.2%,即該井在圈閉氣水界面以上出現(xiàn)氣水同層主要為儲(chǔ)集層物性差所致;徐深601井在海拔?3 494.3 m以下無(wú)儲(chǔ)集層,導(dǎo)致單井氣測(cè)結(jié)果較圈閉氣水界面淺;徐深 5井在海拔?3 574.0~?3 509.9 m深度段無(wú)氣測(cè)結(jié)果,但在?3 574.0 m以下為水層,即圈閉氣水界面?3 550 m介于氣測(cè)結(jié)果的工業(yè)氣層段與水層段深度之間,與評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合;徐深12井與徐深601井相似,在?3 465.4 m以下無(wú)儲(chǔ)集層,導(dǎo)致單井氣測(cè)結(jié)果較評(píng)價(jià)結(jié)果淺。
表1 斷圈評(píng)價(jià)結(jié)果與單井氣水界面氣測(cè)解釋結(jié)果差異分析表
通過(guò)不確定性分析得出,鉆遇火山巖儲(chǔ)集層的探井(徐深1、徐深7、徐深14和徐深27井),其實(shí)際氣水界面與評(píng)價(jià)結(jié)果的最大誤差為15.1 m,基本與地震分辨率相當(dāng),處于可控誤差范圍。說(shuō)明斷圈整體含氣特征與評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。
由于火山巖是多期火山噴發(fā)產(chǎn)物的復(fù)合體,其厚度變化大,物性不均一,具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性[25],由不確定性分析結(jié)果可知,火山巖儲(chǔ)集層中天然氣的聚集很大程度上受儲(chǔ)集層厚度和物性特征控制,從而導(dǎo)致火山巖儲(chǔ)集層斷圈沒(méi)有明顯統(tǒng)一的氣水界面,但其總體氣水分布規(guī)律受斷層側(cè)向封閉性控制。
研究 4個(gè)典型火山巖斷圈的封閉性發(fā)現(xiàn),在上升盤(pán)圈閉的斷層控圈處更易于形成有效對(duì)接封閉。在徐家圍子斷陷火山巖儲(chǔ)集體中,無(wú)論發(fā)育走滑斷層、正斷層還是逆斷層,天然氣藏均聚集在斷層的上升盤(pán),因此研究區(qū)斷圈封閉條件與斷層性質(zhì)不存在直接關(guān)系。同時(shí)由于走滑斷層的“海豚效應(yīng)”,最終導(dǎo)致徐中斷層兩盤(pán)的天然氣藏呈“正弦”交替特征分布(見(jiàn)圖 10)。
圖10 徐家圍子斷陷火山巖斷圈天然氣聚集模式
徐家圍子斷陷營(yíng)一段火山巖主要為凝灰?guī)r與流紋巖,其斷層帶均不同程度地發(fā)育“二元結(jié)構(gòu)”。破碎帶位于斷層兩盤(pán),發(fā)育大量網(wǎng)狀裂縫;以滑動(dòng)面為標(biāo)志,斷層核位置巖石發(fā)生強(qiáng)烈破碎,內(nèi)部為大量的無(wú)內(nèi)聚力斷層角礫巖,發(fā)育大量開(kāi)啟裂縫與極少量斷層泥,斷層帶整體呈現(xiàn)高滲特征,不具備封閉能力。
徐家圍子斷陷斷層帶斷層封閉機(jī)理為巖性對(duì)接封閉。營(yíng)一段火山巖儲(chǔ)集層在火山巖同層對(duì)接處不具備封閉能力,斷層僅在火山巖儲(chǔ)集層與上覆致密砂礫巖層或泥巖層對(duì)接處形成封閉。進(jìn)一步考慮走滑斷層兩盤(pán)的巖性、厚度、層序等特征差異,通過(guò)改進(jìn) Knipe圖,選取斷層兩盤(pán)關(guān)鍵位置或?qū)ΨQ(chēng)位置的兩口典型井,繪制雙井三角圖,從而更加真實(shí)地反映斷層兩盤(pán)的巖性對(duì)接關(guān)系。
通過(guò)評(píng)價(jià)徐家圍子斷陷控圈斷層的封閉性可知,天然氣均聚集在斷層的上升盤(pán),在徐中走滑斷層“海豚效應(yīng)”的影響下,氣藏圍繞斷層呈“正弦”形態(tài)分布。
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