胡欣蕾，呂延防，孫永河，孫同文

東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318

0 引言

隨著油氣勘探的深入，對(duì)斷層在油氣運(yùn)聚成藏中的作用認(rèn)識(shí)越來越深刻，其不僅可以作為油氣運(yùn)移的通道，也可以作為油氣聚集的遮擋物[1]。自1951年Landes[2]指出斷層封閉性對(duì)油氣聚集成藏的重要性之后，國內(nèi)外諸多學(xué)者投入到斷層封閉性的研究中，但20世紀(jì)90年代以前，研究主要從片面的定性分析著手[3-6]，直到近些年才逐步向半定量分析及定量分析過渡[7-10]?？偨Y(jié)歸納斷層封閉性評(píng)價(jià)方法主要有以下幾種：利用Allan或Knipe圖解法[11-12]快速評(píng)價(jià)斷層上下兩盤地層的并置情況并判斷斷層封閉屬性(當(dāng)儲(chǔ)層與非滲透性地層并置時(shí)斷層封閉)；通過計(jì)算斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)間接評(píng)價(jià)斷層封閉屬性(Shale Smear Factor法[13]、Clay Smear Potential法[14]等)；通過計(jì)算斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)并兼顧其成巖程度間接評(píng)價(jià)斷層封閉屬性(Shale Gouge Ratio法[15-16])；從斷層巖封閉機(jī)理出發(fā)，綜合考慮斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)及壓實(shí)成巖程度的斷-儲(chǔ)排替壓力差法[7-10]。其中前3種方法在評(píng)價(jià)斷層封閉性時(shí)存在一定局限性，如僅適用于兩盤間無充填物發(fā)育的狀況或考慮因素不全面，而最后一種方法綜合考慮多個(gè)影響斷層封閉能力的地質(zhì)因素，計(jì)算結(jié)果更符合地下實(shí)際情況。盡管前人對(duì)于斷-儲(chǔ)排替壓力差法進(jìn)行過大量研究和探討，但其考慮的地質(zhì)因素還不夠全面，并忽略了斷層巖與圍巖在壓實(shí)成巖時(shí)間方面的差異性及巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響，這無疑給油氣勘探帶來了風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文在利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證巖石各向異性對(duì)排替壓力影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷層巖與儲(chǔ)層巖石的力學(xué)分解關(guān)系，改進(jìn)了斷層垂向封閉的斷-儲(chǔ)排替壓力差法，這對(duì)于正確認(rèn)識(shí)斷層控藏規(guī)律和指導(dǎo)油氣勘探均具重要意義。

1 斷層垂向封閉機(jī)理及影響因素

1.1 斷層垂向封閉機(jī)理

斷層并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的面狀結(jié)構(gòu)，而是由斷層核與破碎帶兩部分組成的、具有一定寬度的復(fù)雜帶狀結(jié)構(gòu)[17]。由于斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)由“面”至“帶”認(rèn)識(shí)的趨于完善，斷層垂向封閉機(jī)理也逐漸從斷面緊閉封閉機(jī)理過渡到排替壓力差封閉機(jī)理。

我國陸相盆地?cái)鄬訕?gòu)造十分發(fā)育，區(qū)域性蓋層往往受到斷層的破壞作用，這不僅使蓋層橫向分布連續(xù)性遭到破壞，其封閉能力也會(huì)因?yàn)閿嗔褞У某霈F(xiàn)而減弱，此時(shí)蓋層能否有效封堵油氣主要取決于蓋層內(nèi)斷層的垂向封閉能力。呂延防等[7]認(rèn)為當(dāng)斷層巖排替壓力大于等于儲(chǔ)層巖石排替壓力時(shí)，斷層即可形成垂向封閉能力；Bozkurt等[18]通過統(tǒng)計(jì)各大油田油氣富集規(guī)律，提出斷面SGR(斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù))值為20%是斷層形成垂向封閉能力的最小門限值。

所謂斷層垂向封閉能力研究，主要是斷層巖對(duì)蓋層之下儲(chǔ)層中向上運(yùn)移油氣的阻止能力的研究[7]?；谇叭薣7-10]研究成果，筆者提出并不是所有斷層巖排替壓力大于等于儲(chǔ)層巖石排替壓力的部位斷層均封閉，而是存在一個(gè)斷-儲(chǔ)排替壓力差封油氣下限值。有且僅有當(dāng)斷層巖與儲(chǔ)層巖石排替壓力差大于等于此封油氣下限值時(shí)，斷層才能形成垂向封閉，有效遮擋油氣聚集成藏；當(dāng)二者差值小于此下限值甚至小于0時(shí)，斷層垂向開啟，油氣將穿過蓋層繼續(xù)向上運(yùn)移。實(shí)際上，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，含油氣盆地中的目標(biāo)斷層和與之配置的蓋層、儲(chǔ)層砂體均處于傾斜狀態(tài)[19]，造成實(shí)際地質(zhì)條件下阻止油氣垂向運(yùn)移的是油氣運(yùn)移方向上的斷層巖排替壓力。而在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)排替壓力過程中，通常是垂直于巖層方向鉆取巖樣[20]，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)值與實(shí)際對(duì)油氣起垂向封閉能力的數(shù)值并非一致。斷層在垂向上能否形成封閉，主要是取決于油氣運(yùn)移方向上蓋層內(nèi)斷層巖與下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力的相對(duì)大小，封閉機(jī)理如圖1所示。

1.2 斷層垂向封閉影響因素

斷層的垂向封閉能力受斷面緊密程度、斷層及兩盤地層屬性、成巖作用、流體壓力等多種地質(zhì)因素的控制[21]，而在每種因素中也或多或少包括了其他因素的作用。通過以往對(duì)斷-儲(chǔ)排替壓力差法的研究可知，對(duì)于確定的儲(chǔ)層巖石，其排替壓力是個(gè)定值，因此斷層垂向封閉與否主要取決于斷層巖排替壓力的大小[7]。斷層巖的排替壓力主要受到其內(nèi)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和壓實(shí)成巖程度的影響，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越高、壓實(shí)成巖程度越大，斷層巖排替壓力越大；反之則越小。其中，壓實(shí)成巖程度可用巖石埋深來反映，而埋深又取決于巖石壓實(shí)成巖壓力和壓實(shí)成巖時(shí)間兩方面的作用。對(duì)于前者，主要受控于上覆沉積載荷重量作用在斷面上的正壓力，而來自側(cè)向擠壓或拉張的地應(yīng)力可近似視為0[7]，故斷層巖埋藏越深、斷層傾角越小，斷層所受正壓力越大，壓實(shí)成巖程度越高；對(duì)于后者，在相同沉積環(huán)境中斷層巖埋藏越深，其所經(jīng)歷的壓實(shí)成巖作用時(shí)間越長，壓實(shí)成巖程度就越高。

pdf>pdr且pdf-pdr≥pdmin，斷層垂向封閉；pdf≥pdr且pdf-pdr

2 巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響

巖石在形成過程中由于礦物顆粒大小及組合方式的不同導(dǎo)致其具有明顯各向異性的特征，控制著垂直巖層與平行巖層方向上泊松比、楊氏模量、抗張強(qiáng)度、排替壓力等力學(xué)參數(shù)的差異分布[22-23]。由于實(shí)驗(yàn)室利用直接驅(qū)替法[20]實(shí)測(cè)巖石排替壓力時(shí)，總是垂直于巖層方向鉆取巖樣，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果僅為垂直巖層方向的排替壓力值，此數(shù)值并不能代表斷層阻止油氣沿其發(fā)生垂向運(yùn)移的能力(即油氣運(yùn)移方向上巖石排替壓力)。因此，探討巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響對(duì)于斷層垂向封閉能力評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

本文選取四川盆地龍馬溪組2塊泥巖樣品，首先對(duì)同一塊泥巖樣品鉆取不同角度巖樣7塊(以垂直于巖層層面方向?yàn)?°(地層水平時(shí)此方向與鉛直方向一致)，平行巖層層面方向?yàn)?0°)，并對(duì)其進(jìn)行切割、端面處理，得到規(guī)則直徑為2.5 cm的短柱塞狀實(shí)驗(yàn)巖樣(圖2)。然后將巖樣在室溫條件下飽和煤油并置于巖心夾持器中，施加必要的環(huán)境圍壓(30 MPa)，同時(shí)向緩沖容器中注入合適壓力的氮?dú)猓诖蜷_閥門的同時(shí)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行突破時(shí)間采集，根據(jù)采集的曲線特征計(jì)算突破時(shí)間。隨后對(duì)同一實(shí)驗(yàn)巖樣再次飽和煤油，進(jìn)行第二組突破壓力與時(shí)間的測(cè)量。最后通過對(duì)突破壓力時(shí)間及溫度的校正[24]，根據(jù)式(1)確定巖樣的排替壓力值，其結(jié)果如表1所示。

a. 巖樣鉆??；b. 巖樣切割、斷面處理；c. 實(shí)驗(yàn)巖樣；d. 巖樣飽和煤油；e. 排替壓力與鉛直方向排替壓力比值(y)和鉆取巖樣與鉛直方向夾角(x)間關(guān)系。圖2 四川盆地不同角度泥巖巖樣處理及其排替壓力間關(guān)系Fig.2 Disposal of mudstone samples in different angles in Sichuan basin and their relation of displacement pressure

序號(hào)與鉛直方向夾角/(°)圍壓/MPa溫度/℃突破壓力1/MPa突破時(shí)間1/min突破壓力2/MPa突破時(shí)間2/min校正后排替壓力/MPa樣品11030室溫5.4518.24.0636.52.6821530室溫5.5312.33.6331.72.4333030室溫5.107.23.1222.02.1644530室溫5.323.23.885.61.9656030室溫5.203.83.995.81.6967530室溫5.0512.33.5121.21.3879030室溫4.576.13.468.70.86樣品28030室溫11.07179.28.35307.54.5591530室溫8.4597.25.45324.14.16103030室溫8.0386.45.55210.03.82114530室溫8.03197.85.28476.23.33126030室溫8.03189.95.08441.72.86137530室溫8.01207.05.10404.82.05149030室溫7.9838.14.7368.70.68

(1)

式中：pdrv為校正后巖石排替壓力，MPa；σw為氣/水界面張力，MPa；σo為氣/煤油界面張力，MPa；T為研究區(qū)地溫梯度，℃；To為實(shí)驗(yàn)室室溫，℃；pdo為實(shí)測(cè)巖石排替壓力，MPa。

上述實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地驗(yàn)證巖石結(jié)構(gòu)具有各向異性，且其對(duì)排替壓力的影響較為明顯，樣品1在垂直巖層與平行巖層方向的排替壓力之差為1.82 MPa，各向異性度達(dá)51%；樣品2在兩個(gè)方向上的排替壓力之差為3.87 MPa，各向異性度高達(dá)74%。

斷層巖與泥巖樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但也具有明顯的各向異性；而圍巖與泥巖樣品均屬于碎屑巖類，只是前者的粒度明顯大于后者，巖石也具有明顯的各向異性。雖然上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了巖石的各向異性特征，但受樣品本身成分、埋深、壓實(shí)成巖程度等因素的影響，其對(duì)排替壓力的作用效果不同，故僅僅用一塊或幾塊巖石的測(cè)試結(jié)果代替整個(gè)研究區(qū)巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響存在較大誤差。因此，本文在評(píng)價(jià)斷層垂向封閉能力時(shí)，以實(shí)驗(yàn)結(jié)論為基礎(chǔ)，利用力學(xué)分解關(guān)系建立巖石受各向異性影響在不同方向上排替壓力的關(guān)系。

3 斷層垂向封閉能力定量評(píng)價(jià)方法

前人[9]研究證實(shí)，巖石的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)與壓實(shí)成巖埋深的乘積和其排替壓力之間有著較好的正相關(guān)性：

pd=f(R,Z)。

(2)

式中：pd為巖石的排替壓力，MPa；R為巖石的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%；Z為巖石的壓實(shí)成巖埋深，m。

隨著兩者乘積的增大，排替壓力也逐漸增大。由此，可以根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)巖石泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、埋深和排替壓力關(guān)系建立擬合公式求取目標(biāo)巖石的排替壓力。

如前文所述，受實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)排替壓力取樣的局限性，導(dǎo)致利用實(shí)測(cè)排替壓力預(yù)測(cè)斷層垂向封閉能力時(shí)會(huì)存在一定偏差。因此，在利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證巖石各向異性對(duì)排替壓力影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷層巖與儲(chǔ)層巖石力學(xué)分解關(guān)系，對(duì)斷層垂向封閉的斷-儲(chǔ)排替壓力差法進(jìn)行改進(jìn)，使其既考慮了不同類型巖石壓實(shí)成巖時(shí)間的差異性，也充分探討了巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響。具體步驟如下。

3.1 油氣運(yùn)移方向斷層巖排替壓力的求取

要求取油氣運(yùn)移方向斷層巖的排替壓力，就必須先確定垂直于斷層方向斷層巖的排替壓力，再根據(jù)巖石力學(xué)分解關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.1.1 油氣運(yùn)移方向斷層巖排替壓力

如果將斷層視為傾置于沉積地層中由斷層巖構(gòu)成的傾斜巖層，那么根據(jù)斷層封閉機(jī)理及影響因素，只要確定了斷層巖的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和壓實(shí)成巖埋深，就可以將此斷層巖視為具有該泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和埋深的沉積地層[8]，此時(shí)沉積地層的排替壓力即為目標(biāo)點(diǎn)斷層巖的排替壓力。

斷層在形成及后期活動(dòng)過程中，在上下兩盤之間形成裂縫[25]。此裂縫被滑動(dòng)削截的巖石碎屑物質(zhì)按各自厚度等比例充填[8]，而后在斷層停止活動(dòng)后緩慢壓實(shí)排水最終成巖。故斷層巖的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)主要受斷距、被錯(cuò)斷泥巖厚度及層數(shù)和砂巖層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響，其中斷距越小、被錯(cuò)斷泥巖層厚度越大、泥巖層層數(shù)越多、砂巖層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越大，斷層巖內(nèi)的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越大。本文研究目標(biāo)雖為泥巖蓋層內(nèi)斷層的垂向封閉能力，但滑動(dòng)削截掉落在斷裂帶內(nèi)的圍巖碎屑并不完全來自于泥巖蓋層，還受斷層斷距與蓋層厚度相對(duì)大小的影響，且大套泥巖層間仍夾雜有少量薄砂層(如泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等)，因此蓋層內(nèi)斷層巖的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)可用Yielding[15]提出的SGR法計(jì)算求得。

砂泥巖地層在經(jīng)歷了一定埋藏階段后主要發(fā)生化學(xué)壓實(shí)作用，在此之前的淺埋藏階段則以機(jī)械壓實(shí)作用為主[26]，此時(shí)巖石的壓實(shí)成巖程度可視為相應(yīng)成巖壓力與成巖時(shí)間的函數(shù)[9]。由于斷層巖傾置于沉積地層間具有較大傾角，且在斷層停止活動(dòng)后緩慢成巖，故其成巖壓力為上覆沉積載荷作用在斷面上的正應(yīng)力，成巖時(shí)間為斷層停止活動(dòng)至現(xiàn)今的時(shí)間；圍巖一經(jīng)沉積便開始成巖，故其成巖壓力為上覆地層靜巖壓力，成巖時(shí)間為沉積至現(xiàn)今的時(shí)間。根據(jù)動(dòng)量守恒原理，較大力作用較短時(shí)間的效果與較小力作用較長時(shí)間的效果一致，在較目標(biāo)點(diǎn)斷層巖更淺部圍巖地層中一定存在一點(diǎn)，其與目標(biāo)點(diǎn)斷層巖具有相同的壓實(shí)成巖程度，

(ρr-ρw)g·Zfcosθ·tf=

(ρr-ρw)g·Zr·tr；

(3)

則可以根據(jù)斷層巖現(xiàn)今埋深成巖時(shí)間、斷層傾角和圍巖成巖埋深確定斷層巖的壓實(shí)成巖深度，

(4)

式中：ρr為上覆巖層骨架密度，g/cm3；ρw為地層水密度，g/cm3；g為研究區(qū)重力加速度，m/s2；Zf為斷層巖現(xiàn)今埋深，m；tf為斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間，Ma；Zr為與斷層巖具有相同壓實(shí)成巖程度圍巖的埋深，即斷層巖壓實(shí)成巖埋深，m；tr為與斷層巖具有相同壓實(shí)成巖程度圍巖的壓實(shí)成巖時(shí)間，Ma。

對(duì)于一條確定的斷層，式(4)中的Zf、θ與tf均為已知數(shù)值，而Zr與tr為未知數(shù)值，但上述兩個(gè)參數(shù)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即Zr的地層是在tr時(shí)間段內(nèi)沉積形成的，故tr可以表現(xiàn)為一個(gè)Zr的函數(shù)：

Zfcosθ·tf=0。

(5)

式中：tx為與斷層巖具有相同壓實(shí)成巖程度圍巖所在地層x的沉積時(shí)間段，Ma；Zx為與斷層巖具有相同壓實(shí)成巖程度圍巖所在地層x的沉積厚度，m；txt為地層x頂面的沉積時(shí)間，Ma；Zxt為地層x頂面的現(xiàn)今埋深，m。

在綜合考慮不同地層沉積厚度與相應(yīng)沉積時(shí)間關(guān)系的基礎(chǔ)上，就可以確定斷層巖相當(dāng)于圍巖地層的壓實(shí)成巖埋深。之后，將上述確定的斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)與壓實(shí)成巖埋深代入到斷層巖排替壓力求取公式(式(2))中，即可以得到垂直于斷層方向的斷層巖排替壓力。

3.1.2 油氣運(yùn)移方向斷層巖排替壓力

由于斷層巖與泥巖樣品均具有各向異性，且其對(duì)排替壓力的作用效果相似，均是在鉛直方向排替壓力最大，水平方向排替壓力最小，而其他方向介于兩者之間?；诖?，按照?qǐng)D3a中的關(guān)系，對(duì)鉛直、油氣運(yùn)移、垂直于斷層方向的斷層巖排替壓力進(jìn)行分解，確定油氣運(yùn)移方向與垂直于斷層方向斷層巖排替壓力關(guān)系：

pdf=pdfv·tanθ。

(6)

便可根據(jù)上述已求得的排替壓力與斷層傾角計(jì)算得到油氣運(yùn)移方向斷層巖排替壓力。

3.2 油氣運(yùn)移方向儲(chǔ)層巖石排替壓力的求取

與求取斷層巖排替壓力數(shù)據(jù)相似，只要確定了儲(chǔ)層巖石的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和壓實(shí)成巖埋深，就可以根據(jù)公式(2)中建立的擬合關(guān)系計(jì)算求得垂直于儲(chǔ)層方向儲(chǔ)層巖石的排替壓力。其中，儲(chǔ)層巖石泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)可用附近井的自然伽馬和自然電位曲線[27]求得，而壓實(shí)成巖埋深在地層沒有發(fā)生明顯抬升剝蝕時(shí)可用現(xiàn)今埋深代替。

雖然儲(chǔ)層巖石與斷層巖、泥巖樣品均具有各向異性，但儲(chǔ)層巖石在正常沉積狀態(tài)下一般呈水平狀態(tài)，在受到后期斷層作用或巖漿上涌后產(chǎn)狀方發(fā)生變化，但無論儲(chǔ)層產(chǎn)狀如何變化，都應(yīng)是垂直于儲(chǔ)層層面方向的排替壓力最大，其他方向排替壓力均應(yīng)小于最大值。根據(jù)圖3b各方向儲(chǔ)層巖石排替壓力的關(guān)系圖，確定了油氣運(yùn)移方向儲(chǔ)層巖石排替壓力與垂直于儲(chǔ)層層面方向排替壓力的關(guān)系：

pdr=pdrv·cos(σ-θ+90°)。

(7)

為了驗(yàn)證力學(xué)分解法在求取不同方向巖石排替壓力時(shí)的準(zhǔn)確性，在綜合考慮斷層與儲(chǔ)層配置關(guān)系的基礎(chǔ)上，將表1所述的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(pdrv)代入式(7)中，對(duì)比利用分解法得到的儲(chǔ)層巖石排替壓力(pdr)與實(shí)測(cè)結(jié)果的關(guān)系，其中當(dāng)斷層傾角為45°～90°時(shí)，二者差值為0～8%，相對(duì)誤差較小。因此，利用巖石力學(xué)分解法間接計(jì)算巖石各向異性對(duì)排替壓力的影響效果是可行的。

3.3 斷層垂向封閉能力定量評(píng)價(jià)

利用上述方法便可以確定蓋層內(nèi)斷層巖的排替壓力與儲(chǔ)層巖石的排替壓力，在明確儲(chǔ)量范圍的基礎(chǔ)上，通過不同測(cè)線處的斷-儲(chǔ)排替壓力厘定出斷層垂向封油氣的下限值。以此下限值為標(biāo)準(zhǔn)，便可以對(duì)斷層垂向封閉能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。若斷層巖排替壓力大于儲(chǔ)層巖石排替壓力，且二者差值大于等于該地區(qū)斷-儲(chǔ)排替壓力差封油氣下限，那么該測(cè)線處斷層垂向封閉；若斷層巖排替壓力大于等于儲(chǔ)層巖石但排替壓力差小于封油氣下限，或斷層巖排替壓力小于儲(chǔ)層巖石排替壓力，斷層垂向不封閉。其封閉能力強(qiáng)弱取主要決于斷-儲(chǔ)排替壓力差與封油氣下限的差值大小，差值越大，斷層垂向封閉能力越強(qiáng)；反之則越弱。

a.斷層巖各方向排替壓力關(guān)系圖；b. 儲(chǔ)層巖石各方向排替壓力關(guān)系圖。pdf’. 鉛直方向斷層巖排替壓力，MPa；pdfv. 垂直斷層方向斷層巖排替壓力，MPa；pdf. 油氣運(yùn)移方向斷層巖排替壓力，MPa；pdr’. 鉛直方向儲(chǔ)層巖石排替壓力，MPa； pdr. 油氣運(yùn)移方向儲(chǔ)層巖石排替壓力，MPa。圖3 鉛直方向、油氣運(yùn)移方向、垂直于巖層方向斷層巖與儲(chǔ)層巖石排替壓力關(guān)系圖Fig.3 Relationship of displacement pressure in direction of vertical, direction of oil-gas migration, direction perpendicular to layers of fault rock and reservoir rock

4 實(shí)例應(yīng)用

由于南堡凹陷在埋深小于3 500 m時(shí)主要受到機(jī)械壓實(shí)作用的影響，在埋深大于3 500 m時(shí)以方解石膠結(jié)作用為主[26]。故本文以南堡凹陷南堡5號(hào)構(gòu)造Fnp5-3與Fnp5-5兩條斷層(圖4)為例，二者現(xiàn)今埋深均小于3 500 m，即發(fā)生膠結(jié)作用的可能性較小，符合式(4)確定斷層巖壓實(shí)成巖埋深的適用條件。同時(shí)，南堡5號(hào)構(gòu)造受北西—南東向伸展作用影響多發(fā)育傾角較大的正斷層，同樣適用于上述提出的利用力學(xué)分解法求取油氣運(yùn)移方向斷層巖與儲(chǔ)層巖石排替壓力的條件。因此，利用上述改進(jìn)后的斷-儲(chǔ)排替壓力差法定量評(píng)價(jià)兩條斷層在東二段泥巖蓋層內(nèi)的垂向封閉能力，通過分析評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際油氣分布規(guī)律、改進(jìn)前評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)系，闡述本文方法用于定量評(píng)價(jià)斷層垂向封閉能力的合理性與可行性。

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊凹陷北部，其北部與燕山相連，南部和東部毗鄰渤海[28]，面積約為1 932 km2，是華北地臺(tái)基底上，經(jīng)中--新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育起來的一個(gè)北斷南超的箕狀凹陷[29]。南堡5號(hào)構(gòu)造位于南堡凹陷西部，該區(qū)沉積地層自下而上主要包括下古生界寒武系--奧陶系(∈-O)、中生界侏羅系--白堊系(J-K)、古近系(沙河街組Es、東營組Ed)、新近系(館陶組Ng、明化鎮(zhèn)組Nm)和第四系(Q)。其中：沙三段和沙一段—東三段2套源巖的發(fā)育為油氣富集奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]；東二段穩(wěn)定發(fā)育的泥巖是研究區(qū)重要的區(qū)域性蓋層[31]，對(duì)下伏源巖生成的油氣具有一定的遮擋作用。

圖4 南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造東二段構(gòu)造圖Fig.4 Structure map of Ed2 in 5th structure of Nanpu sag

其中，F(xiàn)np5-3與Fnp5-5斷層是該區(qū)發(fā)育的兩條重要斷層，橫貫?zāi)媳?號(hào)構(gòu)造東西向， 呈NNE走向，具有上陡下緩鏟式分布特征(圖5)。兩條斷層的傾向存在一定差異，F(xiàn)np5-3斷面北傾，是一條反向同生正斷層；而Fnp5-5斷面南傾，為一條順向正斷層。通過分析研究區(qū)斷層生長指數(shù)及斷層發(fā)育史特征，確定兩條斷層的主要發(fā)育期為沙三段、東一段及明上段沉積時(shí)期，在明化鎮(zhèn)組末期斷層逐漸停止活動(dòng)，并在上覆沉積載荷的作用下緩慢排出孔隙水并壓實(shí)成巖。因此，斷層巖的壓實(shí)成巖時(shí)間即為明化鎮(zhèn)組沉積末期到現(xiàn)今的時(shí)間，故tf為1.81 Ma。

根據(jù)南堡凹陷62塊巖石樣品(垂直巖層層面取樣)排替壓力的測(cè)試數(shù)據(jù)，建立如圖6所示的巖石泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和壓實(shí)成巖埋深與巖石排替壓力間的散點(diǎn)分布圖，可知三者具有較好的指數(shù)關(guān)系。對(duì)全部巖石樣品做外包絡(luò)線數(shù)學(xué)擬合，得到式(8)用于計(jì)算斷層巖與儲(chǔ)層巖石在垂直巖層方向上所具有的最大排替壓力值：

(8)

利用南堡5號(hào)構(gòu)造地震解釋成果及測(cè)井資料建立斷層構(gòu)造模型，提取Fnp5-3與Fnp5-5兩條目標(biāo)斷層的斷距與埋深，同時(shí)利用錄井及測(cè)井資料計(jì)算被斷層錯(cuò)斷地層內(nèi)的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)SGR算法計(jì)算出兩條斷層在三維空間上各點(diǎn)斷層巖SGR與斷面傾角等屬性(圖7)；然后根據(jù)斷面附近井位泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，在工區(qū)中虛擬出東二段泥巖蓋層下部發(fā)育的儲(chǔ)層(低自然電位)的頂?shù)捉缑?，并?jì)算儲(chǔ)層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、傾角等屬性(圖7)，相關(guān)參數(shù)見表2、3。最后，根據(jù)前文提出的斷層巖壓實(shí)成巖埋深算法，計(jì)算得到Fnp5-3斷層在不同測(cè)線處的壓實(shí)成巖埋深為102.3～133.5 m，結(jié)合上述已確定的斷層巖SGR值，利用式(6)和式(8)求得油氣運(yùn)移方向上斷層巖排替壓力為0.845～1.247 MPa，利用式(7)和式(8)求得油氣運(yùn)移方向上儲(chǔ)層巖石的排替壓力為0.643～0.819 Mpa，如表2所示。同理Fnp5-5斷層油氣運(yùn)移方向上斷層巖與儲(chǔ)層巖石的排替壓力分別為0.771～2.413 MPa和0.573～0.914 MPa，如表3所示。

a. Fnp5-3斷層地震剖面(Line741)；b. Fnp5-5斷層地震剖面(Line869)。圖5 南堡凹陷典型地震剖面Fig.5 Typically profile of Fnp5-3 and Fnp5-5in Nanpu sag

圖6 南堡凹陷巖石排替壓力擬合公式Fig.6 Fitting formula of displacement pressure of rock in Nanpu sag

從圖4和表2中可以看出，F(xiàn)np5-3斷層在L10—L21測(cè)線處位于儲(chǔ)量范圍內(nèi)，此部分?jǐn)鄬訋r與下伏儲(chǔ)層巖石的斷-儲(chǔ)排替壓力差為0.221～0.427 MPa，若以現(xiàn)今儲(chǔ)量范圍標(biāo)定斷層垂向封閉區(qū)，則該反向斷層斷-儲(chǔ)排替壓力差封油氣下限值為0.221 MPa，其他測(cè)線處除L1和L3外排替壓力差均小于該下限值。而L1、L3測(cè)線處雖斷-儲(chǔ)排替壓力差大于下限值，但通過斷面形態(tài)分析可知L1—L3整體處于斷層彎曲處，其中的L2測(cè)線處彎曲曲率最大，是油氣優(yōu)先運(yùn)移的輸導(dǎo)脊部位，雖然從沙一段或沙三段運(yùn)移上來的油氣能在L1、L3測(cè)線處聚集，但油氣優(yōu)先通過斷-儲(chǔ)排替壓力差小于下限值的L2測(cè)線處(0.169 MPa)向上運(yùn)移，所以在L1、L3測(cè)線處并沒有油氣聚集，NP5-96井在東二段鉆井含油氣性較差。

對(duì)于Fnp5-5斷層(圖4、表3)，其在L8—L15測(cè)線處位于儲(chǔ)量范圍內(nèi)，斷層巖與下伏儲(chǔ)層巖石的斷-儲(chǔ)排替壓力差為0.311～1.064 MPa，表明該順向斷層的斷-儲(chǔ)排替壓力差封油氣下限值為0.311 MPa。該條斷層除L1—L3、L5、L6、L17、L28測(cè)線處外，其他測(cè)線處均小于該下限值，其中L1—L6測(cè)線與Fnp5-3斷層在L1—L3處相似，均是在斷層彎曲曲率最大處存在一個(gè)斷-儲(chǔ)排替壓力差低于其封油氣下限的部位(L4測(cè)線處排替壓力差為0.225 MPa)，油氣會(huì)沿著該輸導(dǎo)脊部位向上運(yùn)移，導(dǎo)致該測(cè)線范圍內(nèi)無油氣分布；而L28測(cè)線處是由于其斷接厚度值小于研究區(qū)東二段泥巖蓋層封油氣的斷接厚度下限值[31]，油氣能夠通過東二段泥巖蓋層向上繼續(xù)垂向向上運(yùn)移。

綜上所述，F(xiàn)np5-3反向斷層的封油氣下限值為0.221 MPa，而Fnp5-5順向斷層的封油氣下限值為0.311 MPa，造成不同傾向的兩條斷層封油氣下限值差異的主要原因是斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育程度的差異。在斷層活動(dòng)過程中，上盤表現(xiàn)為主動(dòng)盤故破碎帶發(fā)育，因?yàn)轫樝驍鄬涌刂朴蜌舛喾植荚谏媳P砂體中，導(dǎo)致其與破碎帶配置封閉能力相對(duì)較弱；而下盤表現(xiàn)為被動(dòng)盤故斷層核發(fā)育，因?yàn)榉聪驍鄬涌刂朴蜌舛喾植荚谙卤P砂體中，導(dǎo)致其與斷層核配置封閉能力相對(duì)較強(qiáng)[32-33]。此評(píng)價(jià)結(jié)果也表明，對(duì)于同一套儲(chǔ)層巖石(排替壓力相同)，反向斷層形成封閉能力時(shí)斷層巖所需達(dá)到的排替壓力臨界值較順向斷層形成封閉能力時(shí)的臨界值要小，即反向斷層更容易形成封閉，這與前人認(rèn)識(shí)的油氣多富集在反向斷層附近相吻合。

a.斷面與儲(chǔ)層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)屬性；b. 斷面與儲(chǔ)層傾角屬性。圖7 南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造Fnp5-3、Fnp5-5斷層與儲(chǔ)層屬性提取示意圖Fig.7 Properties schematic diagram of fault and reservoir of Fnp5-3, Fnp5-5 in 5th structure of Nanpu sag

測(cè)線號(hào)現(xiàn)今埋深/m斷層巖儲(chǔ)層巖石泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)/%斷層傾角/(°)壓實(shí)成巖埋深/m垂直斷層方向排替壓力/MPa油氣運(yùn)移方向排替壓力/MPa泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)/%儲(chǔ)層傾角/(°)垂直儲(chǔ)層方向排替壓力/MPa油氣運(yùn)移方向排替壓力/MPa改進(jìn)后方法得到的斷-儲(chǔ)排替壓力差/MPa改進(jìn)前方法得到的斷-儲(chǔ)排替壓力差/MPaL13040.433.454.0118.60.7080.97325.14.50.9700.7370.236-0.027L23040.433.349.9129.80.7150.84925.05.40.9700.6800.169-0.017L33058.932.858.5106.10.6981.13825.47.90.9720.7510.387-0.041L43081.133.852.3125.00.7130.92125.44.90.9730.7150.206-0.023L53073.733.950.2130.40.7160.86025.78.90.9740.6430.217-0.019L63118.333.950.1132.60.7180.85925.58.70.9740.6450.214-0.018L73110.933.550.3131.80.7160.86225.75.70.9750.6850.177-0.021L83114.632.949.7133.50.7160.84526.12.30.9770.7200.125-0.023L93103.433.952.9124.10.7130.94229.51.30.9890.7750.167-0.039L103077.435.555.8114.70.7101.04429.25.00.9870.7650.279-0.041L113077.438.453.7120.70.7200.98129.74.90.9890.7450.237-0.030L123110.939.253.0124.30.7240.95924.94.90.9720.7230.236-0.007L133058.938.853.2121.40.7210.96525.35.20.9720.7220.243-0.011L143077.440.654.0120.00.7240.99529.44.00.9880.7560.239-0.023L153029.437.956.0112.30.7141.05834.42.61.0030.8050.252-0.052L163066.339.656.7111.80.7161.08939.83.91.0200.8120.277-0.065L173107.135.455.0118.20.7121.01741.65.91.0260.7760.241-0.077L183103.429.558.5107.60.6911.12841.16.11.0250.8120.316-0.103L193066.351.853.2121.80.7440.99441.04.11.0230.7740.221-0.032L203103.442.360.2102.30.7151.24740.36.91.0230.8190.427-0.070L213118.344.058.3108.70.7221.16829.95.60.9910.7880.380-0.029

在利用改進(jìn)后方法定量評(píng)價(jià)斷層垂向封閉能力的同時(shí)，還對(duì)改進(jìn)前未考慮斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間及巖石各向異性的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析(表2、3)。其評(píng)價(jià)結(jié)果表明，F(xiàn)np5-3與Fnp5-5兩條主要斷層在所有測(cè)線處的斷-儲(chǔ)排替壓力差均小于0，斷層垂向不能封閉油氣聚集成藏，但實(shí)際勘探已經(jīng)鉆遇到受兩條斷層控制的含油氣井(例如NP5-11、B12X3等)，表明改進(jìn)前方法可能低估了斷層的垂向封閉能力。

通過上述論證，確定改進(jìn)后綜合考慮不同類型巖石壓實(shí)成巖時(shí)間差異性及巖石各向異性的斷-儲(chǔ)排替壓力差法在定量評(píng)價(jià)斷層垂向封閉能力時(shí)是可行的，可根據(jù)儲(chǔ)量范圍內(nèi)確定的斷-儲(chǔ)排替壓力差封油氣下限值確定研究區(qū)內(nèi)其他斷層的封閉屬性，更符合地下實(shí)際情況，可降低斷層相關(guān)圈閉鉆探風(fēng)險(xiǎn)。

表3 南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造Fnp5-5斷層垂向封閉性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

1)斷層在垂向上能否形成封閉，主要取決于油氣運(yùn)移方向蓋層內(nèi)斷層巖與下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力的相對(duì)大小，只有當(dāng)斷層巖排替壓力大于儲(chǔ)層巖石排替壓力，且斷-儲(chǔ)排替壓力差大于等于該地區(qū)封油氣下限值時(shí)，斷層垂向封閉；反之?dāng)鄬娱_啟。

2)斷層巖的排替壓力受其泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、壓實(shí)成巖程度和斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，其內(nèi)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越高、壓實(shí)成巖壓力越大、壓實(shí)成巖時(shí)間越長，斷層巖排替壓力就越大；斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，一般情況下鉛直方向斷層巖排替壓力最大，水平方向排替壓力最小，其他方向排替壓力介于二者之間。

3)南堡凹陷5號(hào)構(gòu)造兩條主要斷層垂向封閉油氣的下限值不同，其中Fnp5-3反向斷層的封油氣下限為0.221 MPa，而Fnp5-5順向斷層的封油氣下限為0.311 MPa，與該區(qū)油氣顯示吻合關(guān)系較好，僅有少數(shù)測(cè)線受輸導(dǎo)脊、斷接厚度等因素的影響；且反向斷層的封油氣下限值要較順向斷層封油氣下限值小，表明反向斷層更容易形成油氣聚集。

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