張鴻妍

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

高郵凹陷位于蘇北盆地南部,是蘇北盆地中沉降幅度最大的一個凹陷,其最大的沉積厚度可達(dá)7 000 m,是在晚白堊世儀征運(yùn)動和新生代喜馬拉雅期吳堡運(yùn)動作用下發(fā)育起來的一個箕狀斷陷。斷層-巖性油藏是高郵凹陷主要油藏類型之一(見圖1)。高郵凹陷含油氣系統(tǒng)斷層廣布,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的油氣藏大都與斷層有關(guān)。

圖1 高郵凹陷北斜坡沙埝-花瓦地區(qū)T31反射層構(gòu)造Fig.1 T31 reflector structure diagram in north Gaoyou depressed slope Shanian-Huawa area

在油氣的勘探和開發(fā)過程中,斷層對于油氣運(yùn)移可起到通道作用、封閉作用及通道-封閉復(fù)合作用,斷層的封閉能力決定了斷層對油氣起到的作用[1]。近20年內(nèi),地質(zhì)學(xué)家們針對不同斷層封閉類型發(fā)展并且使用了多種評價斷層封閉性的方法[2],對接封閉一般用斷層三角圖(Knipe圖解法)和斷層面巖性對接圖(Allan圖法)進(jìn)行評價[3-4]。而對于斷層巖封閉,其與變形過程中的斷層巖演變類型有關(guān),決定其封閉能力的是斷裂帶與儲層排替壓力差。對于該種類型封閉能力的評價,主要有2種方法:一是對儲層和斷裂帶內(nèi)的斷層巖樣品(取心井取心或野外樣品)中排替壓力、孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測,建立封閉性評價標(biāo)準(zhǔn)[5]。1997年Yielding等[6]通過對多個盆地進(jìn)行研究,統(tǒng)計(jì)了斷裂帶泥質(zhì)含量SGR(Shale Gouge Ratio)與封閉壓差之間的關(guān)系,即當(dāng)斷裂帶SGR值達(dá)到15%～20%時,斷層開始具有一定的封閉能力,當(dāng)斷裂帶SGR值達(dá)到20%以上時,絕大多數(shù)斷層側(cè)向封閉,在此基礎(chǔ)上,Yielding[7]和Bretan等[8]對其進(jìn)行改善,建立了SGR與封閉壓差之間的定量關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了斷層封閉性定量評價,目前主要利用此方法對斷層巖封閉進(jìn)行定量評價。

1 控圈斷層封閉類型判定及評價方法

1.1 斷層封閉類型判定

無論是對接封閉還是斷層巖封閉其封閉機(jī)理均為毛細(xì)管封閉(或薄膜封閉)[9-11],即斷層側(cè)向封閉的本質(zhì)是斷裂帶與儲層之間存在著明顯的排替壓力差,為毛細(xì)管封閉。從引起的排替壓力差來看,斷層封閉類型可以分為三型五類,分別為對接封閉[9,4,12-14]、斷層巖封閉[3,15]和膠結(jié)封閉[16-18]三大類,其中斷層巖封閉分為泥巖涂抹封閉[19-24]、層狀硅酸鹽-框架斷層巖及碎裂巖封閉。

高郵凹陷北斜坡主要發(fā)育一系列反向斷層,油氣縱向主要分布在區(qū)域蓋層之下,油藏多以反向斷層遮擋型為主。在縱向上北斜坡發(fā)育K2t2、E1f2、E1f4及E2d1穩(wěn)定的泥巖層段,這4套地層是有利的區(qū)域蓋層,與下伏的儲集層段形成良好的區(qū)域儲蓋組合形成局部儲蓋組合。

通過統(tǒng)計(jì)得出阜寧組蓋層厚度高達(dá)135.5～152.0 m,平均儲集單元厚度為12.03 m,大部分儲集單元厚度為3.0～7.5 m。對多個斷塊連井隔夾層對比劃分統(tǒng)計(jì)得出,阜寧組隔層厚度介于3.5～32.5 m之間,平均12 m。其中無效隔層厚度范圍在2.2～3.4 m,有效隔夾層厚度約7 m,也就是說當(dāng)隔層厚度>7 m時具有有效性,因此可以厘定出有效的儲集單元厚度。由此可得阜寧組含油層位的油水單元厚度主要集中于10～50 m之間,少部分可達(dá)150 m左右,平均29.6 m。統(tǒng)計(jì)已解剖的控圈斷層斷距可得多數(shù)控圈斷層最大斷距在60～100 m,少部分達(dá)到200 m以上,并在端部斷距逐漸減小。因此,由得出的斜坡區(qū)控圈斷層斷距、隔蓋層厚度及油水單元(儲層)厚度之間大小關(guān)系可知,研究區(qū)的部分泥巖蓋層已然被完全錯斷,其下伏油水單元可與上覆油水單元對接,形成斷層巖封閉;部分泥巖蓋層未被完全錯斷,其下伏的油水單元可與泥巖蓋層對接,形成對接封閉。由此可以確定在斜坡區(qū),對接封閉和斷層巖封閉均存在,但以斷層巖封閉為主。由于對接封閉具有極強(qiáng)的封閉能力,而一套儲層同時存在2種封閉類型時,斷層巖封閉的滲漏風(fēng)險相對更大。因此主要探討斷層巖封閉能力并建立評價模型。

1.2 斷層封閉主控因素及評價方法

對接封閉是受控于上升盤儲層與泥巖的對接幅度,而研究區(qū)主要的封閉類型——斷層巖封閉,其封閉能力取決于儲集層與斷裂帶自身的排替壓力差,排替壓力差越大,斷層封閉能力越強(qiáng),而斷裂帶的排替壓力大小主要受控于斷裂帶卷入的泥巖斷層的泥質(zhì)含量。對于巖性對接封閉,采用三角圖法[3-4]和斷層面巖性對接圖法進(jìn)行評價[7-8]。研究主要針對的斷層巖封閉,Yileding等[6]通過將過斷層壓差與表征斷裂帶泥質(zhì)含量的參數(shù)建立關(guān)系發(fā)現(xiàn),使用任何一種參數(shù)表征斷裂帶泥質(zhì)含量多少,過斷層壓差都隨著泥質(zhì)含量的增加而增加[17,19,24-26],其中過斷層壓差是指在同一深度下斷裂帶內(nèi)的孔隙流體壓力與儲層孔隙流體壓力差值,此壓力差為斷裂帶支撐烴柱高度所需要的壓力差值,即為斷裂帶的封閉能力。因此建立泥質(zhì)含量與過斷層壓差(AFPD,across fault pressure difference)的關(guān)系,對斷層封閉性的評價極為重要。國外學(xué)者將Moab斷層斷裂帶泥質(zhì)含量實(shí)測數(shù)據(jù)與通過參數(shù)計(jì)算出的泥質(zhì)含量進(jìn)行對比,最終確定了斷裂帶泥質(zhì)含量(SGR,shale gouge ratio)參數(shù)能夠準(zhǔn)確反映砂-泥互層地層發(fā)育斷層斷裂帶的泥質(zhì)含量。因此采用SGR來表征斷裂帶泥質(zhì)含量。SGR的物理意義為,斷層錯斷過程中,滑過斷層上某一點(diǎn)的各原巖地層對該點(diǎn)斷裂帶泥質(zhì)含量的總貢獻(xiàn)量,即原巖地層滑過斷裂帶內(nèi)某一點(diǎn)累積泥巖厚度與該點(diǎn)斷距的比值,其公式為

(1)

其中:ΔZ為地層厚度(m);Vsh為地層的泥質(zhì)含量(%);D為斷距(m)。

計(jì)算SGR共需要輸入3個必要參數(shù):目的斷層斷距、地層厚度和地層泥質(zhì)含量。1997年Yileding通過建立SGR-AFPD關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)了斷層封閉能力的定量評價,研究采用此方法,建立適用于高郵凹陷斜坡區(qū)的SGR-AFPD關(guān)系模型,應(yīng)用于斷層封閉能力評價。想要建立SGR-AFPD定量關(guān)系模型,還需要計(jì)算表征斷層封閉能力的過斷層壓差值,在實(shí)際的研究過程中,由于斷裂帶內(nèi)孔隙流體壓力的資料很難獲得,所以需用斷層兩側(cè)同一深度的流體壓力差來近似代表過斷層壓差,即

AFPD=(ρw-ρo)gh,

(2)

其中:AFPD為過斷層壓差(MPa);h為烴柱高度(m);g為重力加速度(m/s2);ρw和ρo分別為地層條件下水和烴的密度(kg/m3)。

通過進(jìn)行油水解剖來確定斷層兩側(cè)的油水關(guān)系,從而計(jì)算任意深度下斷層面兩側(cè)的流體壓力差,即過斷層壓差。根據(jù)油藏解剖確定出油水單元的油水界面及構(gòu)造高點(diǎn),以及地層條件下的油水密度數(shù)據(jù),計(jì)算地層水的壓力趨勢以及各油水單元的壓力趨勢,在同一深度下二者的差值就是該深度下的過斷層壓差。將過斷層壓差與斷層面上對應(yīng)深度的一系列SGR值聯(lián)立,確保AFPD與對應(yīng)深度的一系列SGR相對應(yīng),從而得到SGR-AFPD投點(diǎn)圖。

利用上述原理和方法,對高郵凹陷斜坡區(qū)斷層巖封閉進(jìn)行了標(biāo)定。

2 研究區(qū)斷層側(cè)向封閉能力定量表征

高郵凹陷所用的斷層側(cè)向封閉能力標(biāo)定方法的原理實(shí)質(zhì)是通過對已鉆探且已知斷層兩側(cè)油水關(guān)系的油藏?cái)鄬臃忾]能力進(jìn)行標(biāo)定,建立斷層封閉能力與斷裂帶泥質(zhì)含量之間的相關(guān)關(guān)系。因此,在進(jìn)行斷層側(cè)向封閉評價模型構(gòu)建前,首先要對研究區(qū)進(jìn)行油藏進(jìn)行解剖,劃分出油藏類型并確定受斷層控制的油藏,從而得到斷層兩側(cè)的油水關(guān)系以及圈閉要素等信息,并以此為依據(jù),結(jié)合斷層面上泥質(zhì)含量的分布,即斷面SGR,建立斷層側(cè)向封閉性評價模型,確定斷層封閉臨界SGR下限,SGR與封閉烴柱高度的關(guān)系,從而得出斷距與烴柱高度的關(guān)系。

2.1 典型斷層相關(guān)油藏精細(xì)解剖

高郵凹陷斜坡區(qū)多以反向斷層遮擋型油氣藏為主,所以油氣大多聚集在下盤,我們對這類油藏進(jìn)行了精細(xì)解剖。為選出斷層巖封閉進(jìn)行研究,需對高郵凹陷的不同控圈斷層封閉類型進(jìn)行判定。首先確定起到?jīng)Q定性作用的蓋層和隔層的分布特征。明確蓋隔層和儲層的分布需用已知的測井曲線和錄井信息來識別泥巖和砂巖,因此需要進(jìn)行斷層質(zhì)量校正。而由于該地區(qū)缺乏地層泥質(zhì)含量實(shí)測數(shù)據(jù),且泥質(zhì)含量是計(jì)算SGR時必要數(shù)據(jù),固需用測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算地層泥質(zhì)含量,主要包括自然伽馬測井、電阻率測井和自然電位測井等方法。當(dāng)泥質(zhì)砂巖地層不含放射性礦物時,巖石的放射性主要取決于對放射性物質(zhì)的吸附作用。泥質(zhì)含量大,則天然放射性強(qiáng),測井讀數(shù)大,因此,可用自然伽馬測井來確定泥質(zhì)砂巖地層泥質(zhì)含量大小,將靠近目的斷層井的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成泥質(zhì)含量,計(jì)算公式為

ΔGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin),

(3)

Vsh=(2(GCUR·ΔGR)-1)/(2GCUR-1),

(4)

其中:GR為目的層的自然伽馬值,GRmin、GRmax分別為純砂巖、純泥巖的自然伽馬值,API;GCUR為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。老地層GCUR=2.0;第三系地層GCUR=3.7。

當(dāng)自然伽馬曲線存在明顯異常時,通常選用自然電阻率曲線進(jìn)行泥質(zhì)含量轉(zhuǎn)換,并根據(jù)中子密度測井?dāng)?shù)據(jù)、實(shí)測孔隙度和取心井巖心實(shí)測泥質(zhì)含量數(shù)據(jù)對泥質(zhì)含量解釋結(jié)果進(jìn)行校正,以提高解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。在校正對比過程中,孔隙度<25%時,對應(yīng)的Vsh>10%;而孔隙度≥30%時,對應(yīng)的Vsh<10%。與此同時,對比中子密度與Vsh的關(guān)系,當(dāng)中子密度<2.1時,Vsh<5%;當(dāng)中子密度在2.1～2.2之間時,Vsh在5%～15%范圍內(nèi);當(dāng)中子密度在2.2～2.3之間時,Vsh在15%左右;當(dāng)中子密度在2.3～2.4之間時,Vsh在20%左右;當(dāng)中子密度在2.4～2.5之間時,Vsh在30%左右;當(dāng)中子密度大于2.5時,Vsh在35%～40%范圍內(nèi)。該數(shù)據(jù)僅用于對比校正,不具有絕對性。

而對于較厚水層,則可以用自然電位測井計(jì)算Vsh。自然電位測井在泥質(zhì)處給出基線值,而在滲透層出現(xiàn)異常,異常值的大小受泥質(zhì)含量的影響。泥質(zhì)含量高,則自然電位異常值小,因此,可用自然電位測井確定泥質(zhì)砂巖地層的泥質(zhì)含量。通常計(jì)算泥質(zhì)含量的公式為

Vsh=1-(PSP/SSP),

(5)

其中:PSP為假靜自然電位值,PSP=SP-SPsh;SSP為靜自然電位值,SSP=SPsd-SPsh。

結(jié)合測井知識,對斷層控制的油藏內(nèi)部進(jìn)行隔層的識別劃分,并在隔層的分隔作用下劃分出不同的油水單元。以沙14斷塊為例,該油藏發(fā)育在斷層的上升盤,砂體上傾方向受斷層遮擋,屬于典型的斷層油氣藏,縱向上油氣主要賦存在阜三段地層,該段是典型砂泥互層型地層,隔層主要成分為泥巖,是地層中泥質(zhì)含量較高而使孔滲性變差的一類隔層。區(qū)域性蓋層為厚層的阜四段泥巖,由于在區(qū)域性蓋層之下,受到隔層的分隔作用,可劃分成多個具有獨(dú)立的油水界面及壓力系統(tǒng)的油水單元,這些油水單元內(nèi)部存在一些較薄的且在油藏范圍內(nèi)不連續(xù)的泥巖隔層,不能起到分隔油水的作用。由此,沙14斷塊劃分為4個油水單元,將其中含油的油水單元命名為E1f3-ⅰ油水單元、E1f3-ⅱ油水單元、E1f3-ⅲ油水單元和E1f3-ⅳ油水單元(見圖2)。結(jié)合油層頂面構(gòu)造圖、試油數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)和油水解釋結(jié)論可以確定4個油水單元對應(yīng)的構(gòu)造高點(diǎn)分別為-2 335 m、-2 402 m、-2 484 m和-2 541 m,油水界面分別為-2 386 m、-2 451 m、-2 513 m和-2 659 m,封閉的烴柱高度分別為51 m、49 m、29 m和118 m,得到沙14圈閉要素和斷層封閉的烴柱高度統(tǒng)計(jì)表(見表1),封閉類型為斷層巖封閉。

圖2 沙14斷塊剖面E1f3沙14-9—沙14-2井油藏剖面圖Fig.2 Sha 14 fault section E1f3 Sha 14-9-Sha14-2 well reservoir profile

表1 高郵凹陷沙14斷塊油水單元數(shù)據(jù)

按照此原理和方法,選取研究區(qū)花17斷塊、發(fā)2斷塊、沙26斷塊等多個受斷層控制的已鉆探油氣藏進(jìn)行精細(xì)解剖。

2.2 斷層側(cè)向封閉性評價模型構(gòu)建

以沙14圈閉SGR-AFPD關(guān)系的標(biāo)定作為建立封閉性評價模型的實(shí)例,前文已通過油藏解剖得知,斷層對沙14圈閉內(nèi)的油氣具有封閉作用。通過計(jì)算斷面SGR及相應(yīng)的過斷層壓差(AFPD),即可建立斷裂帶泥質(zhì)含量與斷層封閉能力的定量關(guān)系。計(jì)算SGR需要3個必要的參數(shù):目的斷層斷距、地層厚度以及地層的泥質(zhì)含量。通過斷層和地層的地震解釋數(shù)據(jù)可得斷層斷距和地層厚度,SGR值的準(zhǔn)確性取決于地震斷層解釋數(shù)據(jù)是否可靠。依據(jù)地震解釋數(shù)據(jù)中斷層斷距的變化及斷層兩側(cè)巖性關(guān)系,在獲取這3個必要參數(shù)后,利用數(shù)學(xué)建模的方法使用公式(1),將上下盤同時投影到斷層面上形成Allan圖,得到縱向上4個油水單元控圈斷層任意深度斷面SGR值,即可計(jì)算出沙14斷層控圈段上升盤斷面任意一點(diǎn)SGR值(見圖3)。

圖3 沙14圈閉含油部位斷面SGR隨深度變化關(guān)系Fig.3 Change with depth of SGR at section in parts with oil of Sha 14 encirclement

根據(jù)上述分析確定出沙14圈閉4個油水單元的油水界面和構(gòu)造高點(diǎn),以及地層條件下油水密度數(shù)據(jù),計(jì)算出地層水壓力趨勢和各油水單元的壓力趨勢,在同一深度下二者的差值即為該深度下的過斷層壓差(見圖4)。將過斷層壓差與斷層面上對應(yīng)深度的一系列SGR值聯(lián)立,確保AFPD與對應(yīng)深度的一系列SGR相對應(yīng),從而得到SGR-AFPD投點(diǎn)圖(見圖5)。

圖4 沙14圈閉油水單元模式Fig.4 Oil-water unit pattern of Sha 14 encirclement

利用上述原理和方法,對高郵凹陷斜坡區(qū)其他已解剖的花17、發(fā)2和沙26等圈閉采用同樣的標(biāo)定方式。以過斷層壓差(AFPD)作為縱坐標(biāo),以對應(yīng)深度的一系列斷面SGR作為橫坐標(biāo),將每個圈閉的SGR-AFPD投點(diǎn)到同一坐標(biāo)系中,得到表征高郵凹陷斜坡區(qū)區(qū)斷層側(cè)向封閉能力的SGR-AFPD關(guān)系圖,擬合出代表不同SGR下斷層最大封閉能力的斷層封閉失敗包絡(luò)線(見圖6)。根據(jù)斷層封閉失敗包絡(luò)線可以確定高郵凹陷斜坡區(qū)斷層封閉臨界SGR下限為29.8%,并可以得出斷層可承受最大過斷層壓差隨SGR變化的函數(shù)關(guān)系為

圖5 沙14圈閉各油水單元SGR-AFPD投點(diǎn)關(guān)系Fig.5 SGR-AFPD pointing relational diagram of each oil-water unit of Sha 14 encirclement

圖6 高郵凹陷斜坡區(qū)斷層圈閉油水單元斷面SGR-AFPD投點(diǎn)Fig.6 SGR-AFPD pointing diagram of oil-water unit section in Gaoyou depressed slope area fault encirclement

AFPD=0.754 7ln(SGR)-2.542 9。

(6)

根據(jù)油水密度差可推算出斷面SGR與可支撐最大烴柱高度定量關(guān)系式為

H=429.04ln(SGR)-1 445.2,

(7)

同時獲得散點(diǎn)圖(見圖7),利用式(7)可對其他斷層進(jìn)行封閉能力預(yù)測。

圖7 高郵凹陷斜坡區(qū)斷層圈閉斷面SGR-烴柱高度投點(diǎn)Fig.7 SGR-hydrocarbon column height pointing diagram of Gaoyou depressed slope area fault encirclement section

3 結(jié)論

研究以高郵凹陷斜坡區(qū)為靶區(qū),針對復(fù)雜斷裂帶建立了斷層側(cè)向封閉性評價模型,并應(yīng)用此評價模型對斜坡區(qū)控圈斷層封閉能力進(jìn)行了評價,主要取得了以下結(jié)論:

(1) 通過統(tǒng)計(jì)控圈斷層斷距、油水單元厚度和泥巖蓋隔層厚度,根據(jù)斷層封閉類型判定方法,可以確定斜坡區(qū)對接封閉和斷層巖封閉均有發(fā)育,但以斷層巖封閉為主,其封閉機(jī)理為毛細(xì)管封閉。

(2) 通過統(tǒng)計(jì)各油水單元SGR-AFPD關(guān)系,建立斜坡區(qū)斷層側(cè)向封閉性評價模型,確定斜坡區(qū)斷層側(cè)向封閉臨界SGR下限為29.8%,斷層面SGR與封閉烴柱高度的關(guān)系式為

H=429.04ln(SGR)-1 445.2,對研究區(qū)主力含油層系控圈斷層封閉能力定量評價。