景紫巖，李國(guó)斌，付曉飛，孟令東，楊兆平，趙永飛

1) 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院，蘭州，730020； 2) 中國(guó)石油集團(tuán)油藏描述重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州，730020；3) 東北石油大學(xué) CNPC“斷裂控藏”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶，163000；4) 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，甘肅慶陽(yáng)，745700

內(nèi)容提要: 泥巖涂抹的連續(xù)性影響油氣跨斷層運(yùn)移，在相似巖性、相似應(yīng)力條件下，泥巖厚度和斷距長(zhǎng)度是影響泥巖涂抹連續(xù)性的主要因素。本文結(jié)合巖芯觀察，借助三維定量物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)泥巖涂抹的連續(xù)有效性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：① 泥巖有效涂抹是決定斷層封閉性的必要條件，涂抹連續(xù)厚度是封閉性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)；② 受剪切作用在斷層帶中形成連續(xù)的泥巖涂抹油氣封堵層，其涂抹形成過(guò)程分為3個(gè)階段即泥巖層未錯(cuò)斷階段、泥巖剪切涂抹層形成階段和涂抹層連續(xù)性破壞階段，其中前2個(gè)階段是泥巖有效涂抹階段,在第3個(gè)階段出現(xiàn)泥巖涂抹連續(xù)性破壞從而導(dǎo)致封堵油氣失效；③ 基于非連續(xù)性等比例模型提出了新的斷層封閉性評(píng)價(jià)參數(shù)——泥巖連續(xù)涂抹最小厚度，建立了泥巖失去涂抹連續(xù)性的非等比例評(píng)價(jià)理論和數(shù)學(xué)模型，形成了基于斷裂帶泥巖連續(xù)涂抹斷層封閉性評(píng)價(jià)參數(shù)SGRnew新算法。結(jié)果表明，考慮了泥巖涂抹有效性而識(shí)別的斷塊圈閉可靠程度高，目標(biāo)優(yōu)選更準(zhǔn)確，在研究區(qū)塊圈閉評(píng)價(jià)應(yīng)用效果好。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)斷層的封閉性進(jìn)行了研究(Krantz, 1988; Bellahsen et al., 2005；付曉飛等，2011; 呂延防等，2013)。在斷塊油氣藏勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐中，斷層封閉性研究一直是困擾油氣地質(zhì)學(xué)家的難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)80%斷塊圈閉的斷層封閉性是成藏主控因素(Vrolijk et al., 2016)。斷層封閉性受很多地質(zhì)因素影響，其中斷面力學(xué)性質(zhì)、斷層兩盤(pán)巖性配置關(guān)系、斷層帶泥巖涂抹等都是影響斷層封閉性的重要因素(付曉飛等，2012；孫同文等，2012)。

斷層在油氣成藏過(guò)程中具有雙重作用，既可作為油氣輸導(dǎo)通道，又可作為油氣聚集成藏遮擋條件(Kinpe et al., 2004)。斷層封閉性評(píng)價(jià)方法可分為定性和定量?jī)纱箢?lèi)。定性評(píng)價(jià)方法主要是Allan圖解法和Knipe圖解法，Knipe等(1997)根據(jù)對(duì)接封閉原理提出了Knipe圖解法來(lái)定量分析斷層封閉性，通常用來(lái)快速判斷斷層上下盤(pán)地層對(duì)接情況，儲(chǔ)層與非滲透性地層(如頁(yè)巖和泥巖)對(duì)接可能形成斷層側(cè)向封閉油氣；儲(chǔ)層之間(如砂巖)互相對(duì)接則可形成滲漏窗造成油氣穿斷層而過(guò)； 1980年Smith定義泥巖涂抹是指由于被斷的巖層和巖體斷面發(fā)生明顯的位移時(shí)，在斷層面上形成的泥巖條帶，涂抹帶滲透性差，可以起到遮擋油氣的作用(Smith, 1980)。隨著人們認(rèn)識(shí)到泥巖涂抹對(duì)斷層封閉性的重要作用，大量基于泥巖涂抹的斷層封閉性定量研究也就此展開(kāi)。呂延防等(2001)通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了泥巖涂抹分布規(guī)律及對(duì)成藏影響(付曉飛等，2008；呂延防等，2009)；Doughty通過(guò)對(duì)新墨西哥Rio Grande斷陷斷層泥涂抹情況研究，闡述了斷層泥對(duì)斷層封閉性的影響(Doughty，2003)；Lindsay等(1993)在單純泥巖涂抹的情況下定義了泥巖涂抹因子(SSF)，并計(jì)算出斷層封閉時(shí)的SSF范圍值；Yielding 等(1997) 提出斷層泥比率SGR(Shale Gouge Ratio) ，其值大小與錯(cuò)斷地層內(nèi)泥巖層的累積厚度成正比、與斷距大小成反比。但是以上研究均是基于野外地質(zhì)露頭或者二維地質(zhì)剖面提出來(lái)的，未考慮斷層泥巖涂抹帶三維分布規(guī)律和空間多樣性。

此外，利用物理模擬研究斷層封閉性的學(xué)者也很多(Sperrevik et al., 2002；Karakouzian, 2005；Cuisiat et al., 2010)。近年來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和模擬手段的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)不斷引入新技術(shù)和新方法，如采用適當(dāng)配比的塑化松香模擬巖石圈塑性層，研究邊界驅(qū)動(dòng)條件下塑性流動(dòng)傳播過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了斷層空間封閉性變形的物理模擬。但有很多問(wèn)題依然未能深入研究，如斷層泥巖涂抹帶空間分布規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，物理模擬實(shí)驗(yàn)受砂箱外邊界影響較大，外部觀測(cè)變形與內(nèi)部不一致，難以反映內(nèi)部特征；而常規(guī)物理模擬研究手段也只能觀察模型表面，通過(guò)注油來(lái)分析斷層封堵性，既耗時(shí)費(fèi)力，又具有二維局限性，無(wú)法做到全三維定量研究。

目前普遍利用SGR評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的方法，都是基于泥巖涂抹和斷距變化進(jìn)行評(píng)價(jià)的，其建立的基本模型為地層泥巖涂抹等比例模型(Childs et al., 2007)。受斷層帶內(nèi)部涂抹規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，計(jì)算結(jié)果容易出現(xiàn)偏差和誤導(dǎo)，造成對(duì)斷塊圈閉封閉有效性分析不足而引起勘探失利。

本文結(jié)合鉆井取芯資料，觀察分析了斷層泥巖涂抹分布特征，借助斷層物理模擬實(shí)驗(yàn)，恢復(fù)泥巖涂抹過(guò)程及斷層形成演化過(guò)程中泥巖涂抹的連續(xù)性變化，采用工業(yè)CT掃描及數(shù)據(jù)重建，提取斷裂帶屬性數(shù)據(jù)，定量分析不同泥地比、不同巖性組合、泥巖涂抹非均質(zhì)性等情況下斷層封堵的有效性，表征泥巖涂抹極限及失去連續(xù)性對(duì)封閉性的影響。研究發(fā)現(xiàn)泥巖涂抹存在連續(xù)性失去點(diǎn)，即存在有效性范圍，并非等比例的；并提出了泥巖涂抹失去連續(xù)性的非等比例評(píng)價(jià)理論和數(shù)學(xué)模型，形成了非等比例泥巖涂抹封閉有效性評(píng)價(jià)新算法，在研究區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，利用泥巖涂抹封閉有效性評(píng)價(jià)新方法所識(shí)別的斷層圈閉可靠程度大大提高，可解決斷層封閉有效性評(píng)價(jià)不準(zhǔn)的地質(zhì)問(wèn)題。

1 泥巖涂抹斷層取芯現(xiàn)象分析

Yielding 和Antonellini 等通過(guò)對(duì)野外露頭地層中的正斷層泥巖涂抹現(xiàn)象觀察分析，認(rèn)識(shí)到斷層封閉性與巖性、斷距大小有關(guān)，并建立了斷層泥質(zhì)含量和斷距關(guān)系圖版，得到了評(píng)價(jià)斷層封閉性的定量化參數(shù)和斷層泥比率SGR模型(Yielding，2002)。在研究區(qū)實(shí)際鉆井取芯中可見(jiàn)明顯的泥巖涂抹現(xiàn)象(圖1)，圖中灰白色部分為砂巖、灰黑色部分為泥巖。泥巖層從A到B表現(xiàn)為上下泥巖層厚度大且泥質(zhì)含量多，而中間泥巖層薄且泥質(zhì)含量少的特征。在泥巖涂抹帶(圖1白色框)，泥巖涂抹也存在著明顯的不均一性，從①號(hào)到②號(hào)位置，泥巖涂抹呈現(xiàn)出非連續(xù)性特征，表現(xiàn)為上部涂抹帶薄、中間厚和下部薄的特點(diǎn)。這是由于上下盤(pán)地層在錯(cuò)斷過(guò)程中因泥巖厚度不同而造成拖曳進(jìn)斷裂帶的泥巖厚薄差異變化，導(dǎo)致斷裂帶并未完全有效涂抹。那么在泥巖涂抹帶形成過(guò)程中，是否普遍存在不連續(xù)、不均勻的涂抹？斷層封堵性和泥巖涂抹厚度之間有何關(guān)系？現(xiàn)有的SGR計(jì)算模型是否受泥巖涂抹有效性影響(Antonellini et al., 1994；付廣等，2021)？為了研究這些問(wèn)題，筆者等開(kāi)展了砂箱物理模擬和三維數(shù)據(jù)定量建模研究。

圖1 研究區(qū)鉆井取芯泥巖涂抹現(xiàn)象Fig. 1 Shale smearing in drilling coring in the study area

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成演化模擬裝置主要有控制部分和實(shí)驗(yàn)部分。控制部分通過(guò)計(jì)算機(jī)控制軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)變形方向、速度、斷距等參數(shù)的設(shè)定。實(shí)驗(yàn)部分分為內(nèi)箱和外箱，內(nèi)箱用以鋪設(shè)模型并通過(guò)傳動(dòng)桿帶動(dòng)變形，外箱用以實(shí)現(xiàn)模型的水飽和；內(nèi)箱正面與外箱玻璃面板貼合，為實(shí)驗(yàn)觀察窗，可用于拍攝實(shí)驗(yàn)詳細(xì)過(guò)程、記錄變形過(guò)程等。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)：(a)無(wú)黏土層； (b) 薄黏土層 ；(c) 厚黏土層Fig. 2 Designation of experimental models:(a) no clay layer; (b) thin clay layer; (c) thick clay layer

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為研究泥巖涂抹的形成演化過(guò)程，分析黏土層厚度和斷距對(duì)泥巖涂抹連續(xù)性的影響，設(shè)計(jì)了1個(gè)無(wú)黏土層對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)照實(shí)驗(yàn))和不同黏土層厚度的2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?簡(jiǎn)稱(chēng)泥巖涂抹實(shí)驗(yàn)圖

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of the Experimental Apparatus

表2 實(shí)驗(yàn)材料物理性質(zhì)Table 2 Material parameters of physical simulation experiment

2)。為使不同地層、不同實(shí)驗(yàn)之間和同一實(shí)驗(yàn)不同時(shí)期之間相互對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械纳澳嗷佣味荚O(shè)置為3層黏土與2層砂層交錯(cuò)出現(xiàn)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)中將砂泥互層段更換為純砂層。

為控制無(wú)關(guān)變量，3個(gè)模型的參數(shù)總高度(35.5 cm)、砂泥互層段厚度(6.5 cm)、變形速率(0.6 mm/min)、總斷距(6.5 cm)均設(shè)計(jì)一致，都覆蓋了4 cm厚的亞克力板。在亞克力板上覆40 kg鐵板作為頂板斷層，用以限制斷層延伸范圍。3個(gè)模型略有不同，在無(wú)黏土層對(duì)照實(shí)驗(yàn)(圖2a)中，砂層厚6.5 cm；在薄黏土層實(shí)驗(yàn)(圖2b)中，黏土層厚度約0.8 cm，砂層厚度約2 cm；在厚黏土層實(shí)驗(yàn)(圖2c)中，黏土層厚度約1.5 cm，砂層厚度約1 cm。

為厘清泥巖涂抹形成演化過(guò)程，研究斷距不同而厚度相同、或斷距相同而厚度不同情況下泥巖涂抹的連續(xù)性變化，在兩個(gè)泥巖涂抹實(shí)驗(yàn)中對(duì)2種厚度共6個(gè)黏土層及所形成的所有斷層進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

地質(zhì)原型與物理模型之間相似性的確定，是物理模擬實(shí)驗(yàn)研究的前提。本文中，相似性主要分為材料、幾何學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等幾個(gè)主要方面。

本文根據(jù)Van Mechelen(2004)提出的相似理論：內(nèi)聚力的相似比滿足動(dòng)力學(xué)的相似比，上地殼中塑性巖層的內(nèi)聚力一般為1～5 MPa，脆性巖石的內(nèi)聚力一般為10～45 MPa，泥巖和砂巖的內(nèi)摩擦角分別為25°和40°。為此，實(shí)驗(yàn)用相似度較高的白剛玉來(lái)模擬砂巖層，用黃陶土來(lái)模擬泥巖層(表2)。砂材料為40～70目白色白剛玉，密度為1.68×103kg/m3，內(nèi)摩擦角為36.56°，屬脆性較強(qiáng)的砂質(zhì)材料；黏土材料采用黃陶土，呈塑性。以上材料參數(shù)測(cè)定均依據(jù)土工實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T-50123-1999)，使用應(yīng)變式直接剪切儀、液塑限測(cè)定儀、烘干式含水率測(cè)定儀等儀器測(cè)定，具體執(zhí)行方法參照湯羅圣等(2013)和劉虎虎等(2019)文獻(xiàn)所述。

3 斷裂帶參數(shù)定量分析

現(xiàn)代數(shù)字巖芯分析技術(shù)使三維物理模擬結(jié)果分析實(shí)現(xiàn)了從定性到定量的飛躍。早期的數(shù)字巖芯是基于二維掃描電鏡圖片，通過(guò)數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。例如Erdinc等(2006)提出模擬退火算法，這種算法首先隨機(jī)產(chǎn)生孔隙度為φ的多孔介質(zhì)，通過(guò)不斷調(diào)整孔隙和骨架位置，產(chǎn)生符合條件的多孔介質(zhì)。Silin等(2003)和Al-Kharusi(2007)提出的最大球算法，模擬了真實(shí)巖芯形成過(guò)程，包括沉積、壓實(shí)和成巖作用，重構(gòu)的數(shù)字巖芯有較好的連通性。隨著CT掃描技術(shù)的發(fā)展，可以直接獲取巖芯三維圖像，并提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，用于數(shù)字化分析和流動(dòng)模擬。Dong(2007)提出了一種提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的球體膨脹法。佘敏等(2011)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔喉尺寸、孔喉體積、配位數(shù)、孔喉比、形狀因子等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量提取，得到儲(chǔ)層巖石孔喉表征參數(shù)。

本文采用工業(yè)CT三維掃描和插值重建得到體數(shù)據(jù)的方法，在不破壞斷裂帶結(jié)構(gòu)的前提下，沿著斷裂帶主方向切取17 cm×15 cm×14 cm大小的模型進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描采集和體模型重建。如圖3中所示，黃色部分為砂巖、灰色部分為泥巖，砂泥巖中部形成泥巖涂抹帶，通過(guò)模型灰度分析區(qū)分砂泥巖的灰度特征值為358，由此可統(tǒng)計(jì)斷裂帶三維體的泥巖分布、斷距和泥巖厚度等特征參數(shù)，提高了常規(guī)分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

圖3 斷裂帶附近泥巖涂抹參數(shù)統(tǒng)計(jì)三維體模型Fig. 3 Statistical 3D model of shale smear parameters near the fault zone

在變形早期(斷距0～0.36 cm)，如圖4a，首先形成的兩條先導(dǎo)斷層分別位于基底斷層、頂板斷層連線方向的兩側(cè)。由于變形的動(dòng)力源來(lái)自底部，因此底部的先導(dǎo)斷層F底相對(duì)頂部的先導(dǎo)斷層F頂更長(zhǎng)。通過(guò)Y方向位移等值線圖(圖4d)，可清晰看到在兩條先導(dǎo)斷層之間存在一個(gè)形狀為平行四邊形的位移區(qū)域。在這一階段，由于位移量小，若用肉眼觀察，砂層和黏土層均難以見(jiàn)到明顯的變形。

在變形前中期(0.36～3.24 cm)，如圖4b，隨位移增大，原有的兩條先導(dǎo)斷層偏離原有位置，逐漸向優(yōu)勢(shì)方向位移也就是頂板斷層和基底斷層連線方向發(fā)育和靠攏，此時(shí)斷層帶已基本合為一條，但斷層帶仍完全集中在基底斷層的上盤(pán)。這一階段上盤(pán)各部分的位移量基本是相同的，應(yīng)變?cè)趯?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳现邢赂鞑糠址植季鶆?，斷層集中分?圖4e)。砂泥互層中的黏土層沿著這條斷層帶被拉長(zhǎng)，形成陡而薄的泥巖涂抹，黏土層間即將發(fā)生對(duì)接，而對(duì)砂層的涂抹作用不明顯。

隨斷距進(jìn)一步增大，變形中后期(斷距3.24～6.5 cm)，見(jiàn)圖4c，先前形成的泥巖涂抹層泥巖已完成對(duì)接，在兩個(gè)斷面拖曳形成的泥巖涂抹之間，砂層被完全錯(cuò)斷形成了砂質(zhì)透鏡體(圖4c)。斷層進(jìn)一步向基底斷層與頂板斷層連線方向傳播，在原有斷層面右側(cè)又形成了新的斷面F’底，通過(guò)速度場(chǎng)矢量圖明顯可見(jiàn)新斷面的活動(dòng)，但難以辨別原有斷層面是否活動(dòng)。因此，通過(guò)Y方向位移等值線圖(圖4f)，可清晰見(jiàn)到兩條斷層同時(shí)活動(dòng)，一個(gè)沿頂部泥巖層分布、一個(gè)沿右側(cè)斷層面分布，其中在頂部泥巖層應(yīng)變比右側(cè)斷層面處更明顯。

圖4 厚黏土層泥巖涂抹實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Results of thick shale layer experiment

4 非均質(zhì)泥巖涂抹封閉性評(píng)價(jià)模型

根據(jù)現(xiàn)代斷層封閉性理論，泥巖涂抹斷層封閉性主要受斷距和泥質(zhì)含量影響，目前用斷層泥比率即泥質(zhì)含量與斷距的比值來(lái)作為封閉性定量評(píng)價(jià)參數(shù)，默認(rèn)為地層泥質(zhì)含量為均勻的且參與涂抹的泥質(zhì)是均勻的。通過(guò)鉆井取芯研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)地質(zhì)情況中泥巖涂抹存在明顯的不均勻性和非連續(xù)性。在物模過(guò)程中，也證實(shí)泥巖涂抹存在薄厚不均勻和不連續(xù)的現(xiàn)象，而涂抹失去連續(xù)性的部位也即斷層封閉性最薄弱乃至失效的地方，真正對(duì)封閉性有貢獻(xiàn)的為泥巖連續(xù)有效涂抹部分。從實(shí)驗(yàn)中可以看出(圖5)，在(1)階段，即變形的初期和前期，由于斷層錯(cuò)動(dòng)甚微，斷距較小(約為0.2～0.8 cm)，砂泥巖序列幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，黏土層未完全錯(cuò)斷。在變形的中期，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)(2)階段即剪切型泥巖涂抹形成階段，斷層活動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)變超過(guò)了材料的抗剪強(qiáng)度，砂泥層因剪切變形而發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，砂泥層厚度在剪應(yīng)變集中帶略有減薄，這一階段斷層兩盤(pán)間的位移差異清晰可見(jiàn)，其中上中下各段變形均勻，斷裂帶①號(hào)位置泥巖涂抹層厚度為±0.36 cm，各段泥巖涂抹厚度和位移幾乎相同，均勻分布，但上盤(pán)底部區(qū)域的位移量略大于中部和上部區(qū)域的位移量。在變形的后期，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)(3)階段，隨著泥巖涂抹斷面面積擴(kuò)大和斷距持續(xù)增大，斷層活動(dòng)仍然主要集中于砂泥互層段中，所形成的斷層傾角陡峻，但與前階段相比，斷層在砂泥互層的頂部更為活躍。如圖中當(dāng)黏土層斷距增加到4.9 cm時(shí)，第①個(gè)泥巖涂抹帶出現(xiàn)了明顯的破裂點(diǎn)D，即泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，此時(shí)這部分泥巖涂抹失效而無(wú)法起到封堵油氣的作用。如果油氣運(yùn)移至此，必然從破裂點(diǎn)D處滲漏。

圖5 泥巖涂抹階段劃分對(duì)比模型Fig. 5 Comparison model of mudstone application stage division

圖6 油氣充注實(shí)驗(yàn)Fig. 6 Oil and gas filling experiment

圖7 斷裂帶最小涂抹厚度與SGR統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖版Fig. 7 Statistical relation chart of SGR and minimum coating thickness of fault zone

為了驗(yàn)證泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段的存在，在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，又開(kāi)展了油氣充注實(shí)驗(yàn)。按照厚黏土層模型設(shè)定黏土層厚約1.5 cm、砂層厚約1 cm，設(shè)置①兩套砂層(圖6)，泥巖涂抹變形極限斷距為6.5 cm。先進(jìn)行涂抹階段變形，再進(jìn)行注油，注入油為染色25號(hào)白油，密度832 kg/m3，注入速率為0.02 mL/min。在泥巖涂抹變形a階段(圖6a)，當(dāng)斷距為3.8 cm時(shí)，可見(jiàn)①和②兩套層斷裂帶各部位泥巖涂抹均勻等厚，為有效涂抹階段；在泥巖涂抹變形b階段(圖6b)，當(dāng)斷距為4.8 cm時(shí)，①和②兩套層泥巖涂抹帶厚度出現(xiàn)明顯差異，②號(hào)層出現(xiàn)一個(gè)明顯的泥巖涂抹失效帶，①號(hào)層出現(xiàn)泥巖涂抹破裂點(diǎn)D，此為泥巖涂抹連續(xù)失效部位，此時(shí)停止泥巖涂抹變形；然后以0.02 mL/min速率開(kāi)始注油，如圖6c可見(jiàn)，染色白油沿箭頭方向向上緩慢運(yùn)移。在進(jìn)行到186 min時(shí)，發(fā)現(xiàn)染色白油從①號(hào)層D點(diǎn)溢出；繼續(xù)注入白油到210 min時(shí)停止，染色白油沿著斷裂帶大面積溢出。該實(shí)驗(yàn)證明在泥巖涂抹斷距為4.8 cm時(shí)，即發(fā)生斷裂帶泥巖涂抹失效，出現(xiàn)了滲漏窗口，斷層封堵油氣失效。由此可見(jiàn)，泥巖涂抹確實(shí)存在破壞性失效階段。

因此，在前人總結(jié)的泥巖涂抹黏土層未完全錯(cuò)斷和剪切型泥巖涂抹形成過(guò)程兩階段模型的基礎(chǔ)上(Knipe et al., 2001；Erdinc et al., 2006)，本文根據(jù)泥巖涂抹物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，泥巖涂抹失效的典型特征和油氣充注滲漏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，補(bǔ)充提出了泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段。將剪切斷層帶泥巖涂抹過(guò)程劃分為3階段，即泥巖層未完全錯(cuò)斷階段、剪切型泥巖涂抹形成階段和泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，其中前2個(gè)階段才是泥巖有效涂抹階段，在第3個(gè)階段出現(xiàn)泥巖涂抹破壞從而導(dǎo)致封堵油氣失效。泥巖涂抹破壞階段的提出，豐富和完善了泥巖涂抹全過(guò)程和定量表征泥巖有效涂抹的模型認(rèn)識(shí)。破壞階段的提出，表明參與涂抹形成封堵層的泥巖并非全部泥巖層，即原計(jì)算模型中泥巖并不是地層中全部等比例泥巖，而是非等比例的。由此可見(jiàn)，以往計(jì)算模型容易造成計(jì)入泥巖比例過(guò)高而出現(xiàn)偏差。

為了進(jìn)一步研究泥巖涂抹不連續(xù)性對(duì)斷層封閉能力的影響，利用圖3中三維體模型，根據(jù)三維定量統(tǒng)計(jì)泥巖涂抹帶泥巖厚度、斷距等參數(shù)計(jì)算得到最小涂抹厚度與SGR值關(guān)系圖版(圖7)。從圖版中看出，無(wú)論高砂地比(1∶1.5)還是低砂地比(1∶2.5)模型中，最小涂抹厚度與SGR均存在近似線性關(guān)系，即最小涂抹厚度越大，斷層泥比率SGR也越大，封閉性越好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)泥巖涂抹連續(xù)最小厚度為0.12 cm，對(duì)應(yīng)的SGR值為18%，即當(dāng)泥巖厚度小于0.12 cm、SGR小于18%的涂抹層不能起有效封堵。因此利用該方法，可以在圖版上確定出連續(xù)涂抹厚度極值點(diǎn)即能使斷層封閉的連續(xù)涂抹泥巖厚度下限值。同時(shí)從圖版中斜率關(guān)系看出，無(wú)論是高砂地比還是低砂地比模型地層，對(duì)于能實(shí)現(xiàn)有效封閉的連續(xù)泥巖涂抹最小厚度與SGR存在函數(shù):

Thmin=f(SGR)=E·SGR+F

(1)

式中：Thmin為泥巖連續(xù)涂抹最小厚度，SGR為斷層泥比率，E和F為相關(guān)系數(shù)。

由于斷裂帶上連續(xù)涂抹的泥巖厚度Thmin代表著封閉能力，在同等條件下，斷裂帶連續(xù)涂抹泥巖厚度與封閉能力呈正相關(guān)，泥巖涂抹越厚越連續(xù)，封閉性越好，所以連續(xù)涂抹泥巖最小厚度Thmin可以作為封閉性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)。在計(jì)算上Thmin為泥巖層累計(jì)厚度H與斷距D的比值。這與SGR算法即泥巖層泥質(zhì)含量與斷距的比值在結(jié)構(gòu)上具有一致性，因此在本文中可以定義封閉性評(píng)價(jià)定量指標(biāo)——連續(xù)涂抹泥巖最小厚度Thmin為新的SGRnew。從式(1)中看出，封閉性定量評(píng)價(jià)新指標(biāo)SGRnew與常規(guī)算法SGR之間存在相關(guān)系數(shù)E。而在實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)圖版中(圖7)，高、低砂地比模型統(tǒng)計(jì)出E值為0.62～0.67，其物理意義表示實(shí)際有效連續(xù)泥巖涂抹貢獻(xiàn)率，即真正能夠起到封閉作用的連續(xù)泥巖涂抹有效率為常規(guī)的62%～67%，剩下33%～38%的泥巖涂抹為連續(xù)性破壞和涂抹失效階段也即本文補(bǔ)充提出的泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，這部分不能參與到封閉性指標(biāo)SGR的計(jì)算中去。所以新非等比例封閉性量化評(píng)價(jià)參數(shù)SGRnew與常規(guī)SGR參數(shù)之間存在一個(gè)相關(guān)系數(shù)E，即：

SGRnew=E·SGR+F

(2)

SGR=Vsh/D

(3)

聯(lián)立(1)-(3)得到

(4)

其中，SGRnew為考慮區(qū)域涂抹特征的新的斷層泥比率(%)；E為區(qū)域特征系數(shù)；D為垂直斷距(m)；Ti為單層泥巖厚度(m)；Vsh為泥質(zhì)含量(%)；

式4中，SGRnew為考慮了涂抹連續(xù)性的非等比例模型新的封閉性評(píng)價(jià)參數(shù)；E為泥巖涂抹有效性程度系數(shù)；F為相關(guān)系數(shù)；SGR為經(jīng)典模型下的斷層泥比率；Vsh為泥質(zhì)含量(%)；D為斷距(m)。

從中看出SGRnew考慮了泥巖實(shí)際連續(xù)涂抹部分及其貢獻(xiàn)率，考慮了泥巖涂抹的有效性和非均質(zhì)性，并不是簡(jiǎn)單的計(jì)算所有地層泥巖，E表征的物理意義為實(shí)際連續(xù)涂抹泥巖貢獻(xiàn)率，其值更科學(xué)、更接近真實(shí)的地質(zhì)特征。

5 實(shí)例應(yīng)用

研究區(qū)東部斜坡帶發(fā)育一系列北北東和北東東向斷層，且相互切割，形成了一系列反向斷塊，容易形成斷塊油氣藏。沉積相研究表明，研究區(qū)廣泛發(fā)育半深—深湖相暗色泥巖，為該地區(qū)主要烴源巖。南屯組有機(jī)碳含量高，平均為2.3%；生烴潛力大，S1+S2為2.52～7.82 mg/g。構(gòu)造演化研究表明，研究區(qū)東斜坡區(qū)斷塊圈閉形成時(shí)間早于生排烴時(shí)間。已經(jīng)落實(shí)的圈閉為4條反向斷塊圈閉，現(xiàn)場(chǎng)取芯表明該區(qū)塊斷層帶廣泛發(fā)育泥巖涂抹(圖1)，因此泥巖涂抹斷層的封閉性能是決定能否成藏的關(guān)鍵因素。已鉆A井位于圈閉的低部位，具有良好的油氣顯示，但測(cè)試結(jié)果為水層?；诘卣饘游?、斷層數(shù)據(jù)、斷塊地層泥質(zhì)含量等資料，按照以往泥巖涂抹封閉性指標(biāo)SGR計(jì)算，得到該斷塊圈閉斷層面SGR屬性圖(圖8)，A井所處位置目的層SGR為28%(紅框處)，預(yù)測(cè)斷層封閉性良好，油水界面位于-1298 m(海拔)處。但該結(jié)果與實(shí)際測(cè)試該層為水層相矛盾，說(shuō)明采用原有的SGR評(píng)價(jià)方法存在偏差。

圖8 研究區(qū)斷塊圈閉斷面SGR屬性圖Fig. 8 SGR attribute map of fault section in study area

圖9 研究區(qū)已鉆井油藏解剖與封閉指標(biāo)SGRnew模板Fig. 9 Classification standard of anatomy and sealing index of drilled reservoir in study area

為了厘清該斷塊圈閉斷層封堵是否有效，構(gòu)造高部位是否有油氣等問(wèn)題，本文采用新的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。首先基于該區(qū)地層地質(zhì)特征，開(kāi)展了泥巖涂抹物模實(shí)驗(yàn)，建立了該區(qū)斷裂帶最小涂抹厚度與SGR關(guān)系式，得到公式4中E和F值分別為0.64和0.0328，進(jìn)而建立了有效泥巖涂抹封閉性評(píng)價(jià)參數(shù)SGRnew=0.64×SGR+0.0328，對(duì)A井圈閉封閉性參數(shù)重新進(jìn)行了計(jì)算，A井處SGRnew值為17.95%。

圖10 基于舊公式計(jì)算圈閉含油面積(a)及 基于新公式計(jì)算圈閉含油面積(b)Fig. 10 Calculation of trap oil-bearing area based on old formula(a)and calculation of trap oil-bearing area based on new formula(b)

為了判斷A井?dāng)鄬臃忾]性指標(biāo)SGRnew值是否在該區(qū)封閉性指標(biāo)閾值之上，對(duì)研究區(qū)塊23口已鉆井油藏解剖，根據(jù)公式4建立了已鉆井油藏封閉指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)圖版(圖10)，表明該區(qū)能夠封閉油氣的SGRnew閾值大于31%、對(duì)應(yīng)的有效圈閉線為-1275 m(圖10)，但A井SGRnew值17.95%遠(yuǎn)小于閾值31%，評(píng)定為不能起到有效的封堵油氣作用，這與原SGR評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果完全不同。

因此，根據(jù)新的封閉指標(biāo)SGRnew計(jì)算結(jié)果分析，A井水層是由于封閉性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算存在偏差所致(圖10a)。在高部位斷層泥巖涂抹是有效的，但根據(jù)圖版判斷油水界限應(yīng)該高于-1275 m，因此后續(xù)在目的層部署B(yǎng)井(圖10b)，鉆遇31 m油層，日產(chǎn)油6.3 m3/d，油水界面為-1253 m，與預(yù)測(cè)油水界面結(jié)果-1250 m(圖10b)基本相符，誤差僅為3 m，說(shuō)明利用新的SGRnew算法較合理，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度比原來(lái)提高67%，降低了勘探了風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

(1)基于實(shí)際取芯資料和物理模擬實(shí)驗(yàn)，提出了泥巖涂抹非連續(xù)性的概念，泥巖有效涂抹連續(xù)厚度可作為封閉性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)參數(shù)。

(2)首次提出將泥巖涂抹分為3個(gè)階段：泥巖層未被完全錯(cuò)斷階段、剪切型泥巖涂抹形成階段、涂抹連續(xù)性破壞階段，而有效涂抹發(fā)育在前2個(gè)階段，第3階段即發(fā)生涂抹破壞封堵失效；補(bǔ)充完善了前人2階段未考慮涂抹破壞的認(rèn)識(shí)。

(3)建立了泥巖涂抹失去連續(xù)性下的非均質(zhì)評(píng)價(jià)模型，提出了評(píng)價(jià)斷層封閉有效性的新方法Thmin=f(SGR)=E·SGR+F。

(4)建立了研究區(qū)斷層封閉性評(píng)價(jià)指標(biāo)新算法，提高了圈閉評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度，實(shí)鉆效果好，降低了勘探風(fēng)險(xiǎn)。