張博為，付 廣，張居和，陳雪晴，蘭晶晶，胡欣蕾

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國(guó)石油 大慶油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 3.中國(guó)石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816400)

沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移的油氣被泥巖蓋層封閉所需條件的差異性
——以三肇凹陷青一段和南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造東二段為例

張博為1，付 廣1，張居和2，陳雪晴1，蘭晶晶3，胡欣蕾1

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國(guó)石油 大慶油田公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712； 3.中國(guó)石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816400)

為了研究含油氣盆地下生上儲(chǔ)式斷裂發(fā)育區(qū)油氣分布規(guī)律，在不同時(shí)期斷裂本身特征及其附近壓力條件差異性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移特征及其泥巖蓋層封閉運(yùn)移油氣所需條件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，泥巖蓋層封閉沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移油氣所需的條件不同。油氣沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移的動(dòng)力既有地層剩余壓力，又有油氣本身浮力；以伴生和誘導(dǎo)裂縫為輸導(dǎo)通道，孔滲性相對(duì)較好，阻力相對(duì)較小，易于油氣穿過(guò)泥巖蓋層運(yùn)移；泥巖蓋層封閉沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移油氣的條件是斷裂在泥巖蓋層內(nèi)上下不連接。而油氣沿靜止期斷裂運(yùn)移的動(dòng)力僅為油氣本身浮力；以斷層巖孔隙為輸導(dǎo)通道，孔隙性相對(duì)較差，阻力相對(duì)較大，不易于油氣穿過(guò)泥巖蓋層運(yùn)移，泥巖蓋層封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移油氣所需的條件是斷層巖排替壓力大于或等于其下儲(chǔ)層剩余壓力。

活動(dòng)期斷裂；靜止期斷裂；封閉條件；泥巖蓋層；含油氣盆地

油氣勘探的實(shí)踐表明，在含油氣盆地下生上儲(chǔ)式斷裂發(fā)育區(qū)內(nèi)，油氣在沿?cái)嗔延上轮辽系倪\(yùn)移過(guò)程中，之所以會(huì)在其附近發(fā)生側(cè)向分流運(yùn)移和聚集[1-2]，主要是受到了泥巖蓋層的阻擋。泥巖蓋層能否封閉沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移油氣，對(duì)在含油氣盆地下生上儲(chǔ)式斷裂發(fā)育區(qū)內(nèi)的油氣分布中起到了至關(guān)重要的作用。如果泥巖蓋層可封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移的油氣，油氣則在其下聚集分布；反之油氣可在其上下聚集分布。當(dāng)斷裂停止活動(dòng)后，聚集在泥巖蓋層之下的油氣仍然會(huì)通過(guò)斷裂穿過(guò)泥巖蓋層向上散失，如果泥巖蓋層能封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移的油氣，那么有利于油氣聚集與保存；反之則不利于油氣聚集與保存。由此看出，能否正確認(rèn)識(shí)油氣沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移特征及泥巖蓋層封閉油氣所需條件的差異性，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)含油氣盆地下生上儲(chǔ)式斷裂發(fā)育區(qū)內(nèi)油氣分布規(guī)律至關(guān)重要。雖然前人曾從油氣運(yùn)移動(dòng)力、阻力和輸導(dǎo)通道等條件入手，對(duì)油氣沿活動(dòng)期斷裂和靜止期斷裂運(yùn)移機(jī)制做過(guò)大量研究和探討[3-5]，但比較二者差異性的研究相對(duì)較少[6-7]。前人對(duì)泥巖蓋層封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移油氣機(jī)制及條件的研究，主要是從蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力與下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力的相對(duì)大小，來(lái)分析泥巖蓋層封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移油氣機(jī)制及條件[8-12]。前人對(duì)于泥巖蓋層封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣機(jī)制及條件研究的相對(duì)較少，僅從斷裂斷距和泥巖蓋層相對(duì)大小比較，結(jié)合其上下油氣分布，確定出泥巖蓋層封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣所需的最小斷接厚度，再通過(guò)實(shí)際泥巖蓋層斷接厚度與其封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣所需的最小斷接厚度相對(duì)大小來(lái)研究泥巖蓋層是否封閉油氣[13-17]。但對(duì)其封閉油氣機(jī)理缺少闡述，更沒(méi)有闡述泥巖蓋層封閉沿活動(dòng)期和靜止期斷裂運(yùn)移所需條件的差異性，不利于含油氣盆地下生上儲(chǔ)式斷裂發(fā)育區(qū)內(nèi)油氣勘探的深入。

1 油氣沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移特征的差異性

1.1 油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移的動(dòng)力差異

由于活動(dòng)期和靜止期斷裂本身特征及其附近壓力狀態(tài)不同，油氣通過(guò)活動(dòng)期和靜止期斷裂運(yùn)移受到的動(dòng)力也就不同。在斷裂活動(dòng)期，由于斷裂活動(dòng)伴生和誘導(dǎo)出大量裂縫使地層被破壞，壓力釋放降低，使斷裂帶與地層之間形成壓力差。周?chē)貙又械挠蜌庠诖藟毫Σ畹淖饔孟聦⑾驍嗔褞е袇R聚運(yùn)移，進(jìn)入斷裂帶中后的油氣仍會(huì)剩余一定的壓力差(圖1a)，這部分壓力差應(yīng)是油氣沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?。油氣在這種壓力差作用下的向上運(yùn)移被稱(chēng)為“地震泵”作用[18-20]。除此之外，油氣浮力本身也應(yīng)是油氣沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移的動(dòng)力。由此看出，油氣在斷裂活動(dòng)期是在地層剩余壓力和浮力共同作用下沿?cái)嗔堰\(yùn)移，動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，油氣運(yùn)移不僅速度快，而且數(shù)量大。而在斷裂靜止期，由于斷裂伴生和誘導(dǎo)斷裂已在上覆沉積載荷重量和區(qū)域主壓應(yīng)力作用下緊閉愈合，斷裂帶與周?chē)貙又g已無(wú)地層剩余壓力差存在，斷裂帶中的油氣也就無(wú)地層剩余壓力差，只能依靠本身浮力沿靜止期斷裂運(yùn)移(圖1b)，油氣運(yùn)移動(dòng)力相對(duì)較弱，速度慢，且數(shù)量小。

1.2 油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移輸導(dǎo)通道的差異性

由于活動(dòng)期和靜止期斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征不同，油氣通過(guò)二者的輸導(dǎo)通道特征也不同。在斷裂活動(dòng)期，由于斷裂發(fā)育大量伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫(圖2a)，溝通了斷裂帶填充物孔隙儲(chǔ)集空間，使其成為油氣輸導(dǎo)通道。油氣不僅可以沿活動(dòng)斷裂的伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫運(yùn)移，而且還可以沿?cái)嗔褞畛湮锟紫哆\(yùn)移，孔滲性相對(duì)較好，運(yùn)移速度快，數(shù)量大。而在斷裂靜止期，由于伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫在上覆沉積載荷和區(qū)域主壓應(yīng)力的作用下緊閉愈合，已失去輸導(dǎo)能力，僅剩已被壓實(shí)成巖的斷層巖孔隙可以輸導(dǎo)油氣(圖2b)，孔滲性相對(duì)較差，油氣運(yùn)移速度慢，且數(shù)量小。

圖2 不同時(shí)期斷裂輸導(dǎo)油氣通道特征示意圖Fig.2 Schematic diagram showing carrier system characteristics for different stages of faultsa.活動(dòng)期；b.靜止期

1.3 油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移所受到阻力的差異性

由于活動(dòng)期斷裂和靜止期輸導(dǎo)油氣通道特征不同，油氣沿二者運(yùn)移所受到的阻力特征也不同。在斷裂活動(dòng)期，油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移的輸導(dǎo)通道是伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫，因其孔滲性相對(duì)較好，毛細(xì)管阻力相對(duì)較小，易發(fā)生沿?cái)嗔堰\(yùn)移。而在斷裂靜止期，油氣通過(guò)斷層巖孔隙運(yùn)移，因此孔滲性相對(duì)較差，毛細(xì)管阻力相對(duì)較大，不易發(fā)生沿?cái)嗔堰\(yùn)移。

2 沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移的油氣被泥巖蓋層封閉所需條件的差異性

2.1 沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移的油氣被泥巖蓋層封閉所需的條件

在斷裂活動(dòng)期，由于油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移的動(dòng)力既有油氣本身的浮力，又有地層剩余壓力，動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)。又因?yàn)槠漭攲?dǎo)通道為伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫，孔滲性相對(duì)較好，油氣運(yùn)移所受到的阻力相對(duì)較小，所以油氣極易沿活動(dòng)斷裂穿過(guò)泥巖蓋層運(yùn)移，通常情況下泥巖蓋層無(wú)法封閉沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移油氣。那是不是泥巖蓋層就不能封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣呢？顯然不是。在特定的地質(zhì)條件下，泥巖蓋層可以封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移的油氣。即活動(dòng)斷裂在泥巖蓋層內(nèi)分段生長(zhǎng)，上下不連接，不是一條貫通斷裂，其伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫上下也不連接，油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移只能進(jìn)入到泥巖蓋層內(nèi)，而不能穿過(guò)泥巖蓋層。由于泥巖蓋層對(duì)油氣的封閉能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫對(duì)油氣的封閉能力，可以阻止油氣穿過(guò)泥巖蓋層運(yùn)移，反之，泥巖蓋層不能封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣(圖3)。

圖3 泥巖蓋層內(nèi)斷裂發(fā)育分布特征Fig.3 Fault growth and distribution characteristics in mudstone caprocksa.呈上、下兩條斷裂分布；b.上、下斷裂連接成一條分布

圖4 三肇凹陷青一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂發(fā)育特征與天然氣分布關(guān)系[22]Fig.4 Relationship between fracture development characteristics and natural gas distribution in the mudstone caprocks of the Qingshankou 1st member in the Sanzhao Depression[22]

2.2 沿靜止期斷裂運(yùn)移的油氣被泥巖蓋層封閉所需的條件

在斷裂靜止期，由于油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移的動(dòng)力只有油氣浮力，輸導(dǎo)通道為斷層巖孔隙，孔滲性相對(duì)較差，只要斷層巖排替壓力大于或等于油氣浮力(或儲(chǔ)層剩余壓力)，泥巖蓋層便可以封閉油氣；相反，如果斷層巖排替壓力小于儲(chǔ)層剩余壓力，那么泥巖蓋層則不能封閉油氣(圖5)。由此看出，斷層巖排替壓力大于或等于儲(chǔ)層剩余壓力是泥巖蓋層封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移油氣所需的條件。

渤海灣盆地南堡5號(hào)構(gòu)造是主要的含氣構(gòu)造。該構(gòu)造位于南堡凹陷西部，總體上為一個(gè)發(fā)育在潛山背景之上的披覆背斜，北東東向，被北東東向斷裂復(fù)雜化(圖6)。從下至上發(fā)育的地層有古近系的孔店組、沙河街組、東營(yíng)組和新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系。截至目前，已在沙河街組至館陶組皆發(fā)現(xiàn)了天然氣，并且以東二段下部天然氣居多。氣源對(duì)比結(jié)果表明，天然氣主要來(lái)自下伏沙三段和沙一段烴源巖，蓋層為東二段上部發(fā)育的泥巖，屬于典型的下生上儲(chǔ)式生儲(chǔ)蓋組合。NP5-2斷裂在L7和L8測(cè)線處錯(cuò)斷了東二段泥巖蓋層，在天然氣成藏期(東營(yíng)組沉積末期—館陶組沉積早期[23])活動(dòng)，東二段泥巖蓋層之下天然氣可以通過(guò)活動(dòng)期NP5-2斷裂穿過(guò)蓋層向上運(yùn)移，進(jìn)入到館三段火山巖蓋層之下儲(chǔ)層中聚集，這樣天然氣既可以在東二段泥巖蓋層之下聚集分布，又可以在館三段火山巖蓋層之下聚集分布(圖6，圖7)。館陶組沉積中期至今，NP5-2斷裂停止活動(dòng)，東二段泥巖蓋層之下天然氣能否通過(guò)靜止期NP5-2斷裂穿過(guò)泥巖蓋層向上運(yùn)移，取決于NP5-2斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力與其下伏儲(chǔ)層剩余壓力的相對(duì)大小。由NP5-2斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)的埋深，東二段泥巖蓋層壓實(shí)成巖時(shí)間(從其開(kāi)始沉積至今時(shí)間，約為25.3 Ma)，根據(jù)南堡凹陷圍巖(砂泥巖)孔隙度隨埋深變化關(guān)系(圖8)，確定出圍巖的壓實(shí)成巖系數(shù)(為0.000 47)，在假設(shè)斷層巖與圍巖具有相同壓實(shí)成巖歷史的條件下，由公式(1)對(duì)斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，由公式(2)計(jì)算了斷層巖的壓實(shí)成巖埋深(分別為1 438.8 m和1 536.2 m)，再由斷裂斷距和被其錯(cuò)開(kāi)巖層厚度與泥質(zhì)含量，由公式(3)便可計(jì)算NP5-2斷裂在L7和L8測(cè)線處東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖的泥質(zhì)含量(分別為0.632和0.869)，最后將計(jì)算得到的斷層巖壓實(shí)成巖埋深和泥質(zhì)含量代入南堡凹陷實(shí)測(cè)砂泥巖排替壓力與成巖埋深和泥質(zhì)含量關(guān)系式[表1和公式(4)]中，便可以計(jì)算得到NP5-2斷裂在L7和L8測(cè)線處斷層巖排替壓力，分別為0.843 MPa和1.540 MPa。

圖5 泥巖蓋層封閉沿靜止期斷裂運(yùn)移油氣機(jī)理示意圖Fig.5 sketch map for mechanism of mudstone caprock sealing oil-gas migrating along faults in static periods

圖6 南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造過(guò)NP5-2斷裂的氣藏剖面Fig.6 Gas reservoir profile across NP5-2 fault in the structure No.5 of the Nanpu Sag

(1)

(2)

(3)

圖7 南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造NP5-2斷裂與天然氣分布關(guān)系Fig.7 Relationship between NP5-2 fault and gas distribution in the structure No.5 of the Nanpu Sag

圖8 南堡凹陷圍巖孔隙度隨埋深變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the porosity of surrounding rocks and the corresponding depth in the Nanpu Sag

(4)

式中：Tf為斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間，Ma；Ts為東二段泥巖蓋層壓實(shí)成巖時(shí)間，Ma；c為圍巖壓實(shí)成巖系數(shù)；Zf為斷層巖壓實(shí)成巖埋深，m；Z為斷層巖埋深，m；Rf為斷層巖泥質(zhì)含量，小數(shù)；Hi為被斷裂錯(cuò)斷第i層巖層厚度，m；Ri為被斷裂錯(cuò)斷第i層巖層泥質(zhì)含量，小數(shù)；L為斷裂斷距，m；n為被斷裂錯(cuò)斷的巖層數(shù);pr為南堡凹陷砂泥巖排替壓力，MPa；Zr為南堡凹陷砂泥巖壓實(shí)成巖埋深，m；Rr為南堡凹陷砂泥巖泥質(zhì)含量，小數(shù)。

由L7和L8測(cè)線處東二段泥巖蓋層之下儲(chǔ)層埋深(2 459.6 m和2 626.1 m)和實(shí)測(cè)儲(chǔ)層壓力系數(shù)(1.220和1.057)，根據(jù)公式(5)便可以計(jì)算得到L7和L8測(cè)線處儲(chǔ)層的剩余壓力為5.411 MPa和1.497 MPa。由此看出NP5-2斷裂在L8測(cè)線處東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力大于其下儲(chǔ)層剩余壓力，表明東二段泥巖蓋層可以封閉沿靜止期NP5-2斷裂運(yùn)移天然氣，有利于天然氣聚集與保存。而在L7測(cè)線處NP5-2斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力小于其下儲(chǔ)層剩余壓力，表明東二段泥巖蓋層不能封閉沿靜止期NP5-2斷裂運(yùn)移天然氣，不利于天然氣東二段泥巖蓋層之下聚集和保存，這可能是目前在L7測(cè)線處東二段泥巖蓋層之下未找到天然氣的根本原因。

(5)

式中：ΔP為儲(chǔ)層剩余壓力，MPa；ρw為地層水密度，g/cm3；k為儲(chǔ)層壓力系數(shù)；H為儲(chǔ)層埋深，m。

表1 南堡凹陷泥質(zhì)巖蓋層樣品排替壓力與其埋深和泥質(zhì)含量關(guān)系

3 結(jié)論

1) 油氣沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移的特征不同，主要表現(xiàn)在運(yùn)移動(dòng)力、輸導(dǎo)通道和阻力不同。油氣沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移動(dòng)力既有地層剩余壓力，又有油氣本身浮力，以伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫為輸導(dǎo)通道，孔滲性相對(duì)較好，阻力相對(duì)較小，易于油氣運(yùn)移；而油氣沿靜止期斷裂運(yùn)移動(dòng)力僅為油氣本身浮力，以斷層巖孔隙為輸導(dǎo)通道，孔滲性相對(duì)較差，阻力相對(duì)較大，不易于油氣運(yùn)移。

2) 泥巖蓋層封閉沿不同時(shí)期斷裂運(yùn)移油氣所需的條件不同，泥巖蓋層封閉沿活動(dòng)期斷裂運(yùn)移油氣所需條件是斷裂在泥巖蓋層內(nèi)上下不連接，不是油氣運(yùn)移輸導(dǎo)通道；而泥巖蓋層封閉靜止期斷裂運(yùn)移油氣所需的條件是斷層巖排替壓力大于或等于儲(chǔ)層剩余壓力。

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(編輯 董 立)

Analysis on the different sealing conditions required by mudstone caprock at different fault evolution stages:A case study on the 1st member of Qingshankou Formation in the Sanzhao Depression and 2nd member of Dongying Formation in the structure No.5 of the Nanpu Sag

Zhang Bowei1，F(xiàn)u Guang1，Zhang Juhe2，Chen Xueqing1，Lan Jingjing3，Hu Xinlei1

(1.CollegeofEarthScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318，China) 2.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDaqingOilfieldCompanyLtd，PetroChina,Daqing,Heilongjiang163712，China； 3.No.1OilProductionPlant,QinghaiOilfieldCompany,PetroChina,Mangya,Qinghai816400,China)

To decipher the hydrocarbon distribution pattern of oil bearing basins with hydrocarbon generating in the deeper formations and then migrating along faults upwards to the shallower reservoirs,we have studied hydrocarbon migration characteristics along faults and mudstone caprock sealing conditions required for accumulating hydrocarbon.Fault characteristics at different evolution stages were studied and corresponding pressure conditions were depicted.The results showed that to seal hydrocarbons migrating along faults,different conditions were required at various stages.The hydrocarbon migration along active faults was driven by both buoyancy and formation overpressure.While the carrier system is associated cracks and induced fractures,the corresponding porosity and permeability were relatively good.In this case,the hydrocarbon migration resistance crossing through the mudstone caprock was lower.Therefore,only when faults above the caprock are disconnected with those below,can the caprock seal the migrating hydrocarbon.In contrast,the hydrocarbon migration along static faults was driven only by buoyancy,while the carrier system was of fault rock pores.In this case,the corresponding porosity is relatively poor with higher migration resistance for the hydrocarbon to break through the mudstone caprock.Therefore,to seal hydrocarbon migrating along faults,the displacement pressure of fault rock should be equal to or greater than the reservoir overpressure.

active fault,static fault,closure conditions,mudstone cap rock,oil bearing basin

2016-11-10;

2016-12-12。

張博為(1989—)，男，博士研究生，地質(zhì)資源與地質(zhì)工程。E-mail:857602305@qq.com。

付廣(1962—)，男，教授，油氣藏形成與保存。E-mail:fuguang2008@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372153)。

0253-9985(2017)01-0022-07

10.11743/ogg20170103

TE122.1

A