張雨健王延斌

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083

斷層封堵性的定量化研究是當(dāng)今指導(dǎo)油氣勘探與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一[1],其評(píng)價(jià)方法日趨成熟。自20 世紀(jì)80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同方面對(duì)斷層封堵性進(jìn)行定性乃至定量的評(píng)價(jià)研究。

在對(duì)斷層側(cè)向封堵性的評(píng)價(jià)中,Allan 通過(guò)研究構(gòu)造圈閉中斷層對(duì)封堵能力的影響,繪制Allan 圖,又稱“斷面圖”；Knipe 則對(duì)斷層面的實(shí)際形態(tài)作圖分析,繪制以斷層面為理想模型的傳統(tǒng)三角圖,半定量地剖析斷層不同區(qū)段的封堵能力；Yielding 綜合前人研究,提出斷層泥比率法(SGR 法),首次將泥質(zhì)含量引入斷層封堵性定量評(píng)價(jià)之中,至今仍被廣泛采用[2-5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于斷層封堵性研究起步晚,但成果頗豐。呂延防等[6]的“非線性映射分析法”將數(shù)理統(tǒng)計(jì)與模糊數(shù)學(xué)方法引入到斷層封堵性的定量評(píng)價(jià)中；張立寬等[7]的“斷層連通概率法”以王家崗油田為地質(zhì)背景,通過(guò)分析斷層開(kāi)啟系數(shù)與斷層連通概率的內(nèi)在關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)斷層封堵性的定量評(píng)價(jià)；曹瑞成等[8]的“邏輯信息法”從統(tǒng)計(jì)角度總結(jié)了評(píng)價(jià)斷層封閉性的參數(shù)或標(biāo)志,應(yīng)用邏輯信息法建立了早期勘探區(qū)斷層封閉程度的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型,在對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和分析后,證明用對(duì)象權(quán)值的大小可以評(píng)價(jià)斷層的封閉性。在對(duì)斷層垂向封堵性評(píng)價(jià)中,普遍采用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M法、模糊評(píng)價(jià)法及泥巖涂抹法。物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M法通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型利用葉點(diǎn)等級(jí)進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)；模糊評(píng)價(jià)法則是考慮影響斷層封堵的各個(gè)參數(shù)權(quán)重的數(shù)學(xué)分析法；泥巖涂抹法通過(guò)斷層斷距與蓋層厚度比值來(lái)反映垂向封堵能力,進(jìn)一步從多學(xué)科、多角度提高斷層封堵性定量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。但油氣在遭遇斷層的運(yùn)移過(guò)程是水平與垂直向的結(jié)合,前人在探討斷層封堵性時(shí),未能將側(cè)向與垂向充分結(jié)合,忽略了兩者的耦合關(guān)聯(lián),其評(píng)價(jià)結(jié)果難免會(huì)有偏差。

為更進(jìn)一步滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油氣勘探的有效指導(dǎo),對(duì)于斷層垂向封堵性的定量評(píng)價(jià)愈發(fā)關(guān)鍵。本文依據(jù)現(xiàn)今運(yùn)用較為成熟的斷儲(chǔ)排替壓差法與泥巖涂抹系數(shù)法,充分利用測(cè)井與鉆井資料,嘗試采用將斷層側(cè)向斷儲(chǔ)排替壓差與垂向封堵性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,研究了該斷層不同區(qū)段的垂向封堵性情況,為斷層在側(cè)向與垂向封堵性評(píng)價(jià)的耦合提供了一定的指導(dǎo)與參考[9]。

1 地質(zhì)背景概況

歧口凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的中北部,斷裂系統(tǒng)極其發(fā)育,是典型的箕狀斷陷[10]。其結(jié)晶基底為太古界及下元古界變質(zhì)巖,上覆為華北地臺(tái)型沉積蓋層,總厚可達(dá)14 000 m。由于加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,其泥盆系與志留系地層被完全剝蝕,上古生界地層殘留厚度在0 ～ 950 m,其總體呈反旋回層序特點(diǎn),底部為加里東區(qū)域不整合,上部地層下三疊統(tǒng)地層角度不整合。歧口凹陷北大港潛山呈現(xiàn)出“三凹夾一隆”的構(gòu)造特征(圖1)。

圖1 歧口凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D（據(jù)中石油大港研究院）Fig.1 Division map of structure in Qikou Sag（Revised from PetroChina Dagang Research Institut e）

歧口凹陷形成于新生代,建立在前古近系基底之上,是黃驊坳陷重要的含油凹陷[11]。其中,北大港潛山南北兩側(cè)分別為歧北次凹與板橋次凹,兩凹不斷生烴,油源斷層作為輸運(yùn)通道,其高部位成為油氣運(yùn)聚賦存的中心地帶[12]。北大港潛山位于歧口凹陷北翼,空間分布上可劃分為劉崗莊潛山、歧北潛山與千米橋潛山[13]。目前對(duì)于北大港古近系地層的油氣勘探已趨近成熟,油氣產(chǎn)量十分可觀,但主要集中于新近系地層,上古生界地層復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)致使北大港的油氣充注及演化過(guò)程難以精確剖析[14]。作為貫通北大港潛山重要的油源斷層,濱海-港西斷層位于北大港港北潛山南翼,走向NE,并沿走向逐漸獨(dú)立成濱海與港西斷層(圖2),對(duì)北大港上古生界地層的油氣充注成藏起到了至關(guān)重要的作用?；诖?對(duì)濱海-港西斷層進(jìn)行垂向封堵性的定量評(píng)價(jià),為更進(jìn)一步揭露北大港上古生界油氣藏分布,指導(dǎo)北大港上古生界的油氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)[15-16]。

圖2 北大港上古生界底界構(gòu)造Fig.2 Tectonic map of the upper paleozoic bottom boundary of Beidagang

2 斷層封堵性評(píng)價(jià)機(jī)理與評(píng)價(jià)參數(shù)

2.1 斷層封堵性評(píng)價(jià)機(jī)理

斷層在活動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生低壓裂縫空間,隨著活動(dòng)結(jié)束,裂隙不斷被巖石碎屑、斷層角礫、斷層泥等充填,受成巖作用影響,孔隙度與滲透率逐漸減小,泥質(zhì)含量增大,使斷層巖的排替壓力增大,側(cè)向與垂向封堵能力逐步變強(qiáng)[17]。

斷層巖類型往往決定了斷層封堵的類型:當(dāng)儲(chǔ)集巖與排替壓力高的地層單元并置時(shí),為并置封堵；當(dāng)泥巖發(fā)生形變進(jìn)入斷裂帶形成連續(xù)、低滲的斷層泥巖帶時(shí),為涂抹封堵；當(dāng)巖體破碎導(dǎo)致粒度與孔隙度的降低,致使斷層帶排替壓力增高,為碎裂封堵；當(dāng)斷層巖埋深、溫度、壓力及泥質(zhì)含量增大,致使斷層巖排替壓力增大,為成巖封堵[18]。

2.2 斷層封堵性評(píng)價(jià)參數(shù)

斷層側(cè)向封堵性的評(píng)價(jià)參數(shù)包括泥質(zhì)含量、埋深、滲透率、排替壓力等,其中排替壓力是評(píng)價(jià)斷層封堵性的基本依據(jù),即斷層的油氣運(yùn)移盤與斷層巖排替壓差的大小決定了油氣的賦存或運(yùn)移。當(dāng)油氣運(yùn)移過(guò)程遭遇斷層巖,若油氣所在盤排替壓力大于斷層巖的排替壓力,油氣可向斷層巖進(jìn)行側(cè)向輸運(yùn),不利于油氣的富集；反之,則在側(cè)向上無(wú)法運(yùn)移,加上優(yōu)越的蓋層條件,形成油氣富集有利區(qū)[19-21]。

斷層垂向封堵性的評(píng)價(jià)參數(shù)主要有斷層斷距、蓋層厚度等。史集建等[22]利用泥巖涂抹法對(duì)歧口凹陷港東斷層的動(dòng)態(tài)破壞進(jìn)行精確地解釋分析,定量地得到蓋層的破壞程度及垂向的封堵強(qiáng)弱,預(yù)測(cè)出油氣的運(yùn)聚時(shí)間以及成藏區(qū)段。

3 斷層封堵性的定量評(píng)價(jià)

3.1 地質(zhì)模型的建立

前人在對(duì)于斷層側(cè)向封堵性的評(píng)價(jià)中雖考慮了斷層巖的泥質(zhì)含量、埋藏深度、斷層傾角等,但并未深入探究參數(shù)之間的耦合復(fù)雜性,如斷層巖泥質(zhì)含量會(huì)受到埋深的間接影響,斷層傾角的變化同樣會(huì)導(dǎo)致斷盤對(duì)接巖性的變化,泥質(zhì)含量隨之變化,因而無(wú)法針對(duì)特定研究區(qū)進(jìn)行合理有效的定量評(píng)價(jià)?；诖?引入斷層側(cè)向封堵系數(shù)Ft建立地質(zhì)模型,耦合相關(guān)參數(shù)[23-24]。

將式(2)與式(3)代入式(1)中,可得

式中,Ft為斷層側(cè)向封堵系數(shù)；Gy為巖性封堵系數(shù)；Cg為構(gòu)造封堵系數(shù)；Rc為儲(chǔ)層封堵系數(shù)；l為垂直斷距,m；H為蓋層厚度,m；φ為斷層與水平方向夾角,(°)；α為地層與水平方向夾角,(°)。

圖3 為基于側(cè)向封堵系數(shù)的排替壓力計(jì)算地質(zhì)模型,斷層在斷穿斷層上終點(diǎn)T 后停止活動(dòng),上覆地層開(kāi)始穩(wěn)定沉積,在其荷載作用下,斷裂空間的充填物經(jīng)過(guò)壓實(shí)膠結(jié)等成巖作用形成斷層巖。假設(shè)斷面C 點(diǎn)的斷層巖排替壓力等于地層中A 點(diǎn)的排替壓力,則C 點(diǎn)與A 點(diǎn)的泥質(zhì)含量和圍巖構(gòu)造環(huán)境相同。由于C 點(diǎn)處于斷裂帶中,其應(yīng)力狀態(tài)與構(gòu)造背景較A 點(diǎn)復(fù)雜。再假設(shè)斷裂帶中B 點(diǎn)的泥質(zhì)含量同樣與C 點(diǎn)相當(dāng),運(yùn)用側(cè)向封堵因數(shù)FL來(lái)表征側(cè)向封堵能力。定義FL在斷層中為斷面正應(yīng)力與側(cè)向封堵系數(shù)的乘積,而地層中因?yàn)檠刂貙觾A角一定范圍內(nèi)的巖性與構(gòu)造應(yīng)力變化不大,因此FL對(duì)應(yīng)為上覆地層地靜壓力與儲(chǔ)層封堵系數(shù)的乘積表示。對(duì)于地層點(diǎn)A,確定其埋深后,根據(jù)鉆井資料可確定其地靜壓力pA,因?yàn)閿嗔褞У腃 點(diǎn)與A 點(diǎn)的泥質(zhì)含量和圍巖構(gòu)造環(huán)境相當(dāng),則C 點(diǎn)斷面正應(yīng)力pfC等于A 點(diǎn)地靜壓力。即

圖3 基于側(cè)向封堵系數(shù)的排替壓力計(jì)算地質(zhì)模型Fig.3 Geological model of displacement pressure calculation based on lateral plugging coefficient

在T 點(diǎn)開(kāi)始接受沉積時(shí),C 點(diǎn)斷層巖承受的斷面壓力為

由式(5)、式(7)得

將式(9)與式(10)代入式(8)中,有

式中,pA為A 點(diǎn)地靜壓力,MPa；pfC為C 點(diǎn)斷面正應(yīng)力,MPa；pC為C 點(diǎn)地靜壓力,MPa；H2為C 點(diǎn)與上覆地層沉積終止點(diǎn)L 的垂直距離,m；ρr為上覆沉積巖層骨架密度,kg/m3；ρw為地層水密度,kg/m3；g 為重力加速度,m/s2；pf(CT)為B 點(diǎn)斷層巖所承斷面壓力；pTL為T 點(diǎn)地靜壓力,MPa；pCT為T 點(diǎn)接受沉積前C 點(diǎn)地靜壓力,MPa；H4為C 點(diǎn)與斷層上方終止點(diǎn)T 的垂直距離,m；H3為斷層終止點(diǎn)T 與上覆地層沉積終止點(diǎn)L 的垂直距離,m。

對(duì)于確定的地層點(diǎn)A,其地靜壓力pA已知,對(duì)于所研究的斷層,其斷層傾角φ也已知,根據(jù)式(12)可計(jì)算得到C 點(diǎn)與T 點(diǎn)的垂直距離H4。通過(guò)調(diào)整A 點(diǎn)埋深,可使B 點(diǎn)與C 點(diǎn)的垂直距離改變,當(dāng)確定A 點(diǎn)埋深后,使得B 點(diǎn)與C 點(diǎn)的垂直距離為0,即B 與C 點(diǎn)重合,此時(shí)A 點(diǎn)的地層排替壓力與B 點(diǎn)的斷層巖排替壓力相同,其泥質(zhì)含量也相同,而B(niǎo) 點(diǎn)的斷層巖泥質(zhì)含量可通過(guò)測(cè)井鉆井資料獲取,并運(yùn)用SGR 法計(jì)算得到(泥質(zhì)含量可根據(jù)伽馬曲線采用希爾奇指數(shù)校正間接獲取),由此可獲取A 點(diǎn)地層的泥質(zhì)含量[25]。

式中,VSGR為斷層巖泥質(zhì)含量,% ；ΔZi為滑過(guò)斷點(diǎn)的第i層巖層厚度,m；Vshi為滑過(guò)斷層點(diǎn)的第i層巖層泥質(zhì)含量,% 。

3.2 研究區(qū)巖石排替壓力的數(shù)學(xué)擬合

據(jù)呂延防等[21]對(duì)歧口凹陷巖石樣品進(jìn)行試驗(yàn)分析,將巖石泥質(zhì)含量、巖石埋深與巖石實(shí)測(cè)排替壓力進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合(圖4),得到如下關(guān)系式:

圖4 歧口凹陷巖石排替壓力與埋深、泥質(zhì)含量的擬合曲線Fig.4 Fitting curve diagram of rock displacement pressure,burial depth and shale content in Qikou Sag

式中,pdf為研究區(qū)全部巖石樣品排替壓力,MPa；pdr為儲(chǔ)集層巖石排替壓力,MPa；Vshf為巖石的泥質(zhì)含量,% ；Zf為巖石的壓實(shí)成巖埋深,m；Vshr為儲(chǔ)集層巖石的泥質(zhì)含量,% ；Zr為儲(chǔ)集層巖石埋深,m。

通過(guò)對(duì)濱海-港西斷層的鉆井測(cè)井及地質(zhì)資料的分析,得到其斷裂帶的VSGR值,再依據(jù)上述地質(zhì)模型的計(jì)算過(guò)程,確定出斷層巖B 點(diǎn)與地層點(diǎn)A 的埋深,根據(jù)B 點(diǎn)埋深與其SGR 值,進(jìn)而依據(jù)數(shù)學(xué)擬合式(14),得到地層點(diǎn)A 的排替壓力,等同于斷層巖B 點(diǎn)的排替壓力。利用式(15)計(jì)算得到油氣所在盤的排替壓力,最后計(jì)算斷-儲(chǔ)排替壓力差。

3.3 周邊鉆井的側(cè)向封堵性評(píng)價(jià)

依據(jù)濱海-港西斷層的上古生界頂界走向變化與形態(tài)特征,將港西-濱海斷層劃分出16 個(gè)測(cè)點(diǎn),通過(guò)觀測(cè)和計(jì)算得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的斷距和埋深以及斷層整體的斷距和埋深變化(圖5)。對(duì)北大港濱海-港西斷層周邊27 口井位資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算,得出斷-儲(chǔ)排替壓力差(表1),最后計(jì)算得出與斷層周邊鉆井相結(jié)合的斷層側(cè)向封堵性評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 港西-濱海斷層上古生界側(cè)向封堵性評(píng)價(jià)Tab.1 Upper paleozoic lateral sealability evaluation table of Binhai-Gangxi fault

圖5 濱海-港西斷層上古生界斷距-埋深變化Fig.5 Upper paleozoic fault distance-burial depth change map of Binhai-Gangxi fault

由表1 可知,濱海-港西斷層周邊井位的斷-儲(chǔ)排替壓差多數(shù)為正值。以顯水層表征斷層封堵性差,以顯油層表征斷層封堵性好?；诖?定義在測(cè)井解釋為水層的鉆井中,排替壓差最大的T5井0.127 MPa 為臨界值(油層穿透斷層巖所需的最小排替壓差)。結(jié)合濱海-港西斷層空間展布圖可知,其側(cè)向封堵性整體偏好,但在T12-G13 與T14-GS5 區(qū)段側(cè)向封堵性較差。

3.4 濱海-港西斷層的垂向封堵性評(píng)價(jià)

結(jié)合鉆井的側(cè)向斷-儲(chǔ)排替壓差(表1),得出濱海-港西斷層的臨界排替壓差:斷層表現(xiàn)為側(cè)向封堵?tīng)顟B(tài)時(shí)的最小排替壓差。依據(jù)泥巖涂抹系數(shù)F對(duì)各井位垂向的封堵性進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。

表2 臨界排替壓差與測(cè)井解釋的垂向封堵關(guān)系Tab.2 Relationship between critical displacement pressure difference and vertical pluggability of logging interpretation

由表2 可知,在干層與斷-儲(chǔ)排替壓差小于0.127 MPa 的顯水層中,其垂向封堵性不可知；當(dāng)大于0.127 MPa 時(shí),測(cè)井解釋為顯水層則垂向不封堵,為油層與致密層時(shí)則垂向封堵。在統(tǒng)計(jì)垂向封堵性未知的相關(guān)井位后,依據(jù)各未知井鄰近層位的埋深與測(cè)井資料解釋,以此推斷出未知井的垂向封堵性(表3)。

表3 鄰近層位的測(cè)井解釋與垂向封堵關(guān)系Tab.3 Relation ship between logging interpretation and vertical plugging of adjacent horizons

綜合表2 和表3,可以得到鉆井的垂向封堵性,通過(guò)統(tǒng)計(jì)25 個(gè)鉆井的斷距、蓋層厚度,依據(jù)泥巖涂抹計(jì)算公式,可求出濱海-港西斷層臨界F值(斷層垂向封堵時(shí)F的最大值)(圖6)。

由圖6 可知,在F值小于6.2 的井位中,其上古生界濱海-港西斷層大多呈較好的垂向封堵?tīng)顟B(tài)；而當(dāng)F值大于6.2 時(shí),斷層表現(xiàn)為開(kāi)啟狀態(tài)。因此,濱海-港西斷層上古生界F臨界值為6.2。

圖6 濱海-港西斷層上古生界泥巖涂抹系數(shù)F 統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical graph of smear coefficient F of upper paleozoic mudstone in Binhai-Gangxi fault

根據(jù)濱海-港西斷層周邊鉆井的斷-儲(chǔ)排替壓差以及斷層垂向F臨界值,統(tǒng)計(jì)該斷層上古生界16 個(gè)測(cè)點(diǎn)的斷距與蓋層厚度,計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的F值,若其F值大于濱海-港西斷層的臨界F值,該測(cè)點(diǎn)處斷層垂向不封堵,為開(kāi)啟段；反之,則為封堵段。因此得到其上古生界不同層段的垂向封堵性(圖7)。

圖7 濱海-港西斷層上古生界垂向封堵評(píng)價(jià)Fig.7 Evaluation map of the upper paleozoic vertical plugging of the Binhai-Gangxi fault

3.5 封堵性評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證

利用現(xiàn)有油氣藏勘探與三維地震資料,對(duì)濱海-港西斷層封堵性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證(圖8)。發(fā)現(xiàn)在北大港H1503 井、H1601 井以及G121-T14、G39-S46 連井段的上古生界地層油氣富集成藏,且濱海-港西斷層參與并構(gòu)成C-P 油層的構(gòu)造圈閉,即油氣運(yùn)移被斷層阻斷并在上古生界地層成藏,表明濱海-港西斷層在以上區(qū)段有很好的封堵性。這與濱海-港西斷層的封堵性評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了濱海-港西封堵性定量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

圖8 北大港上古生界相關(guān)油藏勘探剖面Fig.8 Exploration profile of related oil reservoirs in the upper Paleozoic of Beidagang

4 結(jié) 論

(1) 基于側(cè)向封堵系數(shù)的地質(zhì)計(jì)算模型通過(guò)深度轉(zhuǎn)換,能夠合理推算出斷層巖排替壓力。斷層巖泥質(zhì)含量越高,斷層側(cè)向封堵系數(shù)越大,則排替壓力越大,封堵性好?？紤]斷層側(cè)向封堵系數(shù)的斷層垂向封堵性評(píng)價(jià)能很好地將各相關(guān)參數(shù)耦合,使評(píng)價(jià)結(jié)果更具說(shuō)服力。

(2) 基于斷層側(cè)向斷-儲(chǔ)排替壓差與垂向的封堵性耦合評(píng)價(jià),結(jié)合研究區(qū)已有的勘探開(kāi)發(fā)資料,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。證實(shí)該套斷層垂向封堵性評(píng)價(jià)體系很好地解釋了濱海-港西斷層的垂向封堵情況,進(jìn)一步論證在評(píng)價(jià)斷層垂向封堵性時(shí),斷層的側(cè)向封堵具有很強(qiáng)的相關(guān)性。相比單一的分割考慮斷層側(cè)向與垂向封堵性,與側(cè)向封堵評(píng)價(jià)耦合的斷層垂向封堵性評(píng)價(jià)方法更為科學(xué)合理,指導(dǎo)油氣勘探更加科學(xué)有效。