呂延防，胡欣蕾，金鳳鳴，肖敦清，羅佳智，蒲秀剛，姜文亞，董雄英

（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)石油大港油田公司，天津 300280；3.中國(guó)石油大慶油田公司第四采油廠，黑龍江大慶 163511）

0 引言

根據(jù)斷層斷距和被錯(cuò)斷砂、泥巖層厚度的相對(duì)大小，可將斷層側(cè)向封閉類型分為兩種，即對(duì)接型封閉和斷層巖型封閉。當(dāng)斷層斷距小于其所錯(cuò)斷單砂體厚度導(dǎo)致斷裂帶結(jié)構(gòu)不發(fā)育、或斷裂帶孔滲性優(yōu)于圍巖時(shí)，研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層與對(duì)置盤(pán)非滲透性巖層對(duì)接，斷層側(cè)向封閉，該封閉類型為對(duì)接型封閉。當(dāng)斷層斷距大于其所錯(cuò)斷單砂體厚度時(shí)，巖層被徹底斷開(kāi)，研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層中運(yùn)移到斷層附近的油氣能否被封擋，則取決于斷層巖的封閉能力，這種封閉類型為斷層巖型封閉[1-2]。

關(guān)于斷層巖型封閉的伸展斷層側(cè)向封閉性的定量研究，歸納起來(lái)有3種方法：①泥質(zhì)含量計(jì)算法，包括“SSF”法[3]、“CSP”法[4]和“CCR”法[5]，均是通過(guò)計(jì)算斷層裂縫中泥巖涂抹程度間接半定量評(píng)價(jià)斷層封閉性，多適用于特定的地質(zhì)環(huán)境。②“SGR”[6]法，通過(guò)計(jì)算斷層巖泥質(zhì)含量，結(jié)合對(duì)已知斷層圈閉油氣藏的壓力統(tǒng)計(jì)，建立斷層巖泥質(zhì)含量與烴柱高度之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，達(dá)到定量評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性的目的[7-9]。該方法雖然是目前地質(zhì)學(xué)家廣泛應(yīng)用的斷層側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)方法，但其仍存在以下 3點(diǎn)不足：未從封閉機(jī)理出發(fā)，僅具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，斷層封閉能力與SGR值并不總呈正比關(guān)系；未考慮斷層傾角，且對(duì)成巖程度（斷點(diǎn)埋深）考慮過(guò)于粗略；資料均來(lái)自現(xiàn)存油氣藏，建立的評(píng)價(jià)公式僅適用于有效斷圈封閉烴柱高度的預(yù)測(cè)，對(duì)無(wú)效圈閉必將形成誤判。③斷-儲(chǔ)排替壓力差法，通過(guò)計(jì)算斷層巖和儲(chǔ)集層巖石排替壓力并比較二者差值分析斷層側(cè)向封閉性[10-11]。在上述 3種伸展斷層封閉性評(píng)價(jià)方法中，唯第3種斷-儲(chǔ)排替壓力差法是基于斷層封閉機(jī)理建立的定量評(píng)價(jià)方法，用已知斷層圈閉所封閉的烴柱高度對(duì)3種方法進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，斷-儲(chǔ)排替壓力差法評(píng)價(jià)結(jié)果最接近實(shí)際[11]。因此，基于國(guó)內(nèi)外斷層封閉性研究現(xiàn)狀，對(duì)斷-儲(chǔ)排替壓力差法定量評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性的深入研究與完善既有意義又有必要。

伸展斷層封閉性評(píng)價(jià)的斷-儲(chǔ)排替壓力差法最初是用于計(jì)算斷點(diǎn)處斷層巖承受的斷面正壓力和斷層巖的泥質(zhì)含量，考慮到具有相同泥質(zhì)含量和承受相同靜巖壓力的巖石具有相同的成巖程度。因此，在具有相同排替壓力的假設(shè)條件下，計(jì)算與斷層巖相同泥質(zhì)含量和所承受相同靜巖壓力的沉積地層巖石的排替壓力，此排替壓力即為該斷點(diǎn)處斷層巖的排替壓力，以此排替壓力與研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層排替壓力相減，負(fù)值表明斷層開(kāi)啟，正值表明斷層封閉，且差值越大，斷層封閉能力越強(qiáng)[10]。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，雖然斷層巖和沉積地層目前具有相同的泥質(zhì)含量和相同的成巖壓力，但因斷層巖和沉積地層所經(jīng)歷的成巖時(shí)間不同，致使二者的成巖程度不同，所以排替壓力也就不同，二者簡(jiǎn)單的類比給實(shí)際伸展斷層封閉性評(píng)價(jià)造成了很大誤差，于是便提出了考慮成巖時(shí)間的伸展斷層封閉性評(píng)價(jià)方法[11]。盡管該方法提高了斷層封閉性評(píng)價(jià)的精度，但由于其將斷層停止活動(dòng)后上覆沉積地層視為一個(gè)整體，并沒(méi)有考慮不同埋藏深度地層沉積速率的差異性，以及斷層巖所受壓力是隨成巖時(shí)間增加逐漸累積的量值，這些必然導(dǎo)致伸展斷層封閉性的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際之間仍存在較大差異，且斷層停止活動(dòng)時(shí)間越早，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際差值越大；另外，該方法還忽略了地應(yīng)力在成巖過(guò)程中的作用。據(jù)此，本文以斷-儲(chǔ)排替壓力差法研究為基礎(chǔ)，充分考慮斷層封閉性形成演化過(guò)程，建立了積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型，以期更準(zhǔn)確地定量評(píng)價(jià)伸展斷層的側(cè)向封閉性。

1 伸展斷層封閉性的形成與演化

斷層一旦形成并活動(dòng)，兩盤(pán)間便形成裂縫[12]，斷層兩盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)必然刮削兩側(cè)巖層形成碎屑并掉入斷層裂縫中。斷層活動(dòng)形成的裂縫也是流體空腔，兩盤(pán)滲透性地層孔隙水在地層壓力差的作用下同時(shí)進(jìn)入裂縫流體空腔，與斷層裂縫中的碎屑混合形成未被壓實(shí)的、且含有大量孔隙水的斷裂充填物質(zhì)。斷層停止活動(dòng)以后，斷裂充填物質(zhì)在垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力作用下逐漸排出孔隙水向斷層巖轉(zhuǎn)化[13]。與正常沉積地層相同，斷裂充填物承受的成巖壓力越大，所經(jīng)歷的成巖時(shí)間越長(zhǎng)，斷層巖的成巖程度越高，在相同泥質(zhì)含量情況下，斷層巖的排替壓力越大。當(dāng)斷層巖的排替壓力達(dá)到被封擋的目的盤(pán)儲(chǔ)集層巖石的排替壓力時(shí)，斷層開(kāi)始具備側(cè)向封閉能力[14-15]。隨著斷層巖的不斷深埋，成巖壓力逐漸增大，所經(jīng)歷的承壓時(shí)間逐漸累積，斷層巖的成巖程度不斷增強(qiáng)，斷層巖排替壓力也不斷增大，斷層封閉能力不斷增強(qiáng)。

影響伸展斷層巖排替壓力的主要因素是斷層巖的泥質(zhì)含量和成巖程度，斷層巖的成巖程度又取決于斷層巖承受的垂向應(yīng)力、水平地應(yīng)力和成巖時(shí)間，垂向應(yīng)力又受斷點(diǎn)埋深和斷層傾角的控制，斷層傾角越小，斷點(diǎn)埋深越大，則應(yīng)力越大；水平地應(yīng)力則受埋深、斷層傾角及應(yīng)力方向與斷層走向夾角等因素控制[9,16-17]。

2 積分法定量計(jì)算伸展斷層封閉性

以往對(duì)斷層巖封閉能力的定量研究中，在考慮成巖時(shí)間對(duì)斷層巖排替壓力的影響時(shí)，往往把斷層巖所經(jīng)歷的成巖時(shí)間和成巖壓力分開(kāi)來(lái)考慮[11]，并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到成巖壓力與成巖時(shí)間之間的內(nèi)在關(guān)系。實(shí)際上，隨著成巖時(shí)間的增加，斷點(diǎn)處斷層巖的埋深逐漸增加，成巖壓力也隨之增大，即成巖壓力是隨著成巖時(shí)間增加而不斷增大的變量。在長(zhǎng)期的成巖過(guò)程中，斷層巖所受的成巖作用實(shí)際上是一個(gè)壓力累積的過(guò)程。為此，本文以砂泥巖地層、伸展斷層為研究目標(biāo)，用成巖壓力在所研究地質(zhì)時(shí)期內(nèi)對(duì)成巖時(shí)間的積分計(jì)算斷層巖的成巖程度，以期更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)斷層巖的側(cè)向封閉能力。

2.1 斷層巖泥質(zhì)含量的求取

斷層巖是斷裂充填物發(fā)生成巖作用的產(chǎn)物，斷裂充填物又是由于斷裂活動(dòng)使得斷層兩盤(pán)砂泥巖地層被刮削成碎屑，與地層水共同進(jìn)入斷層裂縫中形成的，故斷層巖中的泥質(zhì)成分來(lái)源于兩側(cè)砂泥巖地層，其含量主要與被錯(cuò)斷圍巖層的砂泥巖層層數(shù)、厚度及斷層斷距大小有關(guān)?？梢杂肶ielding所提出的公式求取[6]：

2.2 巖石排替壓力的求取

根據(jù)前人的研究，巖石的排替壓力與巖石的泥質(zhì)含量與埋深的乘積存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[16]，巖石的泥質(zhì)含量越高，埋藏深度越大，排替壓力越大。故在求取巖石排替壓力時(shí)，可以選取研究區(qū)的典型巖石樣品，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立巖石排替壓力與泥質(zhì)含量和埋深二者乘積的擬合統(tǒng)計(jì)公式：

2.3 積分法定量計(jì)算斷層巖排替壓力的數(shù)學(xué)-地質(zhì)模型

當(dāng)伸展斷層處于活動(dòng)期時(shí)，上下斷盤(pán)相互研磨，滑動(dòng)削截的圍巖碎屑物質(zhì)落入斷裂帶，此時(shí)斷裂充填物并未發(fā)生成巖作用；當(dāng)斷層活動(dòng)停止后，斷裂填充物便在上覆沉積載荷及水平地應(yīng)力的作用下，逐漸排出孔隙水并緩慢成巖，即斷層巖真正開(kāi)始發(fā)生成巖作用是在斷層停止活動(dòng)之后，對(duì)應(yīng)圖1中③號(hào)地層開(kāi)始沉積時(shí)期。

首先，假設(shè)斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同（基于以下兩點(diǎn)考慮：安全因素，鉆遇到斷層可能會(huì)出現(xiàn)井噴或跳鉆等現(xiàn)象；局限性，鉆遇斷裂帶的井位相對(duì)較少，且斷層巖易碎較難獲取到實(shí)驗(yàn)所需巖樣，受井位分布的影響不具有全區(qū)代表性），借助于圍巖排替壓力間接研究斷層巖排替壓力。在圖1中，研究斷點(diǎn)A的排替壓力，如果圍巖中存在一點(diǎn)K，K點(diǎn)巖石的泥質(zhì)含量和成巖程度與A點(diǎn)斷層巖的泥質(zhì)含量和成巖程度相同（（3）式、（4）式），那么K點(diǎn)就具有與A點(diǎn)相等的排替壓力，其中成巖程度為成巖壓力與成巖時(shí)間的函數(shù)[10-11,17]，受垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力共同影響。本文將用斷層巖所受的斷面正壓力及水平地應(yīng)力在所研究成巖時(shí)間范圍內(nèi)的積分值來(lái)表示。

圖1 積分法計(jì)算斷層巖排替壓力地質(zhì)模型

2.3.1 斷層巖成巖程度的確定

2.3.1.1 垂向應(yīng)力對(duì)斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)

如圖1所示，斷裂帶內(nèi)斷點(diǎn)A處的碎屑填充物在t3時(shí)開(kāi)始成巖，根據(jù) A點(diǎn)的埋深及上覆①、②、③號(hào)地層的平均沉積速率v1、v2、v3，確定其上覆地層沉積厚度，即A點(diǎn)埋深與成巖時(shí)間的關(guān)系：

斷點(diǎn)A處斷面的正壓力與斷點(diǎn)A的埋深存在如下關(guān)系：

聯(lián)立（5）式及（6）式，便可以得到斷面正壓力與成巖時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，二者間的積分值即可表征垂向應(yīng)力對(duì)斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)（見(jiàn)圖2、（7）式）。若研究區(qū)地層存在明顯的抬升剝蝕，可將（7）式進(jìn)一步完善為（8）式所表述形式。

圖2 斷層巖垂向應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.3.1.2 水平地應(yīng)力對(duì)斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)

斷層巖在成巖過(guò)程中，除了受到上覆沉積載荷作用在斷面上的垂向應(yīng)力影響外，還要受到水平地應(yīng)力的控制。1978年Brown和Hoek總結(jié)歸納了世界不同地區(qū)垂向地應(yīng)力隨埋藏深度的變化規(guī)律（（9）式）[18]，結(jié)合中國(guó)沉積巖石平均水平地應(yīng)力與垂向地應(yīng)力間關(guān)系（（10）式）[19]，便可求得巖層所受水平地應(yīng)力。同時(shí)，綜合考慮不同地質(zhì)時(shí)期地應(yīng)力大小及方向特征，建立（11）式所示的斷層巖水平地應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型。

2.3.1.3 斷層巖成巖程度的確定

將垂向應(yīng)力和水平地應(yīng)力分別對(duì)斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)進(jìn)行累加，便可確定自斷層停止活動(dòng)后斷層巖的成巖程度。

2.3.2 斷層巖排替壓力的確定

2.3.2.1 垂向應(yīng)力對(duì)圍巖成巖程度的貢獻(xiàn)

如圖1所示，在圍巖層中根據(jù)每一沉積地層的平均沉積速率，可分別得到以不同圍巖地層為初始沉積地層開(kāi)始沉積，沉積至t0（現(xiàn)今）時(shí)，上覆巖層厚度即K點(diǎn)埋深與沉積時(shí)間的數(shù)量關(guān)系，以下（12）—（15）式分別對(duì)應(yīng)K點(diǎn)位于①—④號(hào)地層內(nèi)的情況：

地層所受上覆地層靜壓力的大小與地層的埋深具有如下關(guān)系：

將（12）—（15）式代入到（16）式中，便可得到：

聯(lián)合上述公式即可得到地層所受靜巖壓力與沉積時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系（見(jiàn)圖3），通過(guò)上覆地層靜巖壓力對(duì)沉積時(shí)間的積分可計(jì)算不同圍巖地層在垂向應(yīng)力作用下的成巖程度（（21）—（24）式）：

圖3 圍巖垂向應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.3.2.2 水平地應(yīng)力對(duì)圍巖成巖程度的貢獻(xiàn)

基于上述水平地應(yīng)力對(duì)斷層巖成巖程度貢獻(xiàn)的分析，建立不同圍巖地層在水平地應(yīng)力作用下具有的成巖程度：

2.3.2.3 圍巖成巖程度的確定

將垂向應(yīng)力和水平地應(yīng)力分別對(duì)不同圍巖地層成巖程度的貢獻(xiàn)進(jìn)行累加，便可確定以任意層為初始沉積層時(shí)圍巖的成巖程度。

2.3.2.4 斷層巖排替壓力的確定

根據(jù)（8）式、（11）式即可得到A點(diǎn)斷層巖的成巖程度，在圍巖地層中存在一點(diǎn)K，使得K點(diǎn)的巖石成巖程度與A點(diǎn)斷層巖的成巖程度相等（（3）式）。

通過(guò)對(duì)（16）—（28）式對(duì)應(yīng)層垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力成巖程度的累加，可得到任意一點(diǎn)圍巖地層的成巖程度。假設(shè)A點(diǎn)的成巖程度介于③、④號(hào)圍巖層底界面對(duì)應(yīng)的成巖程度之間，即Qr3＜QfA＜Qr4，便可確定與A點(diǎn)斷層巖具有相同成巖程度的K點(diǎn)位于④號(hào)地層中，根據(jù)（24）式及（28）式可得：

在確定K點(diǎn)沉積至今時(shí)間tK的基礎(chǔ)上，根據(jù)④號(hào)地層的平均沉積速率即可得到K點(diǎn)的埋深（該埋深表現(xiàn)為研究目標(biāo)斷層巖A考慮成巖時(shí)間對(duì)成巖壓力作用效果后得到的具有成巖意義的壓實(shí)成巖埋深），由于K點(diǎn)的泥質(zhì)含量與A點(diǎn)的泥質(zhì)含量相同，K點(diǎn)的埋深又已知，根據(jù)（2）式便可計(jì)算得到K點(diǎn)的排替壓力，即為A點(diǎn)斷層巖的排替壓力。

以上便是利用積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型計(jì)算斷層巖排替壓力的過(guò)程，應(yīng)該特別指出的是，（3）—（29）式在考慮垂向成巖壓力對(duì)成巖時(shí)間的積分過(guò)程時(shí)，雖然其中成巖壓力是利用巖石所受壓實(shí)成巖壓力表征的，但成巖時(shí)間并非只是單純地代表斷層巖或儲(chǔ)集層巖石所經(jīng)歷的成巖時(shí)間，而是在這段時(shí)間內(nèi)巖石所經(jīng)歷的所有成巖作用因素的綜合。除此之外，在建立（2）式所示的巖石排替壓力擬合公式時(shí)，研究區(qū)典型巖樣是實(shí)際經(jīng)歷過(guò)地下機(jī)械壓實(shí)，以及膠結(jié)、溶蝕等多種成巖作用的綜合影響。綜合上述兩方面考慮，該模型是符合地下巖石在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷多種成巖作用綜合影響的實(shí)際地質(zhì)情況的，而并非僅考慮了機(jī)械壓實(shí)作用，只是將所有成巖作用對(duì)斷層巖或儲(chǔ)集層巖石的影響均反映在其成巖埋深上，即對(duì)應(yīng)前文與研究目標(biāo)點(diǎn)斷層巖A具有相同成巖程度圍巖K的埋深，該數(shù)值具有的地質(zhì)意義包括壓實(shí)特征，但絕不局限于壓實(shí)特征。

2.4 儲(chǔ)集層巖石排替壓力的求取

根據(jù)伸展斷層附近典型井的自然伽馬曲線，即可獲得儲(chǔ)集層巖石泥質(zhì)含量的變化規(guī)律[17]，結(jié)合目的盤(pán)儲(chǔ)集層巖石的埋深，將其代入研究區(qū)所建立的巖石排替壓力與泥質(zhì)含量和埋深函數(shù)關(guān)系式（（2）式），便可求取儲(chǔ)集層巖石的排替壓力。

2.5 伸展斷層側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)

比較上述確定的斷層巖排替壓力與研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層巖石排替壓力的相對(duì)大小，如果斷層巖排替壓力小于儲(chǔ)集層巖石排替壓力，斷層不具備側(cè)向封閉能力；如果斷層巖排替壓力大于等于儲(chǔ)集層巖石排替壓力，斷層側(cè)向封閉，二者間差值越大，斷層側(cè)向封閉能力越強(qiáng)。封閉能力的大小可用所能封閉的烴柱高度表示[10]：

值得注意的是，上述積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型的建立是基于“斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同”這一假設(shè)，但是在一般情況下斷層巖較圍巖更容易受到膠結(jié)作用的影響。如果研究區(qū)膠結(jié)作用發(fā)育程度相對(duì)較弱，那么該方法在評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性時(shí)更接近于地下實(shí)際情況；如果研究區(qū)膠結(jié)作用發(fā)育程度極強(qiáng)，那么評(píng)價(jià)結(jié)果表征了伸展斷層所具有的最小封閉能力，該值對(duì)于實(shí)際油田開(kāi)發(fā)則是最安全的數(shù)值。但是，無(wú)論針對(duì)哪種地質(zhì)情況，該方法在評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性時(shí)均是適用的。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以渤海灣盆地南堡凹陷 1號(hào)構(gòu)造區(qū)內(nèi) F1、F2及F3斷層圈閉為例，通過(guò)上述方法對(duì)斷層的側(cè)向封閉性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)利用未考慮成巖時(shí)間和簡(jiǎn)單考慮成巖時(shí)間的斷-儲(chǔ)排替壓力差法分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，將其與利用本方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合實(shí)際分析本文研究方法的合理性。

3.1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡 1號(hào)構(gòu)造是渤海灣盆地南堡凹陷內(nèi)最主要的油氣富集區(qū)之一，其位于南堡凹陷西南部斜坡帶，受中國(guó)東部新生代裂陷盆地北西—南東向（距今 40 Ma以前）及近南北向（距今40 Ma以后）兩期伸展構(gòu)造作用影響[20]，表現(xiàn)為一在潛山背景下發(fā)育的有大量伸展斷層分布的披覆背斜構(gòu)造，呈北東走向[21-23]（見(jiàn)圖4）。該區(qū)的沉積地層由下至上發(fā)育古近系沙河街組（Es）、東營(yíng)組（Ed）、新近系館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）以及第四系（Q），其中沙河街組二、三段（簡(jiǎn)稱沙二、沙三段）和沙河街組一段（簡(jiǎn)稱沙一段）—東營(yíng)組三段（簡(jiǎn)稱東三段）是南堡凹陷主要的生油氣層，東營(yíng)組二段（簡(jiǎn)稱東二段）泥巖層為良好的區(qū)域性蓋層[24]。巖心測(cè)試及實(shí)地測(cè)量等多種手段均揭示，南堡1號(hào)構(gòu)造在地質(zhì)歷史時(shí)期地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生2次轉(zhuǎn)換，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向以近東西向?yàn)橹鱗25]。根據(jù)流體包裹體均一溫度和井埋藏史研究表明，該區(qū)油氣充注時(shí)間是距今24.6～25.5 Ma和距今6.0～9.5 Ma，分別對(duì)應(yīng)東營(yíng)組沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積中期[26]。

圖4 南堡凹陷1號(hào)構(gòu)造F1斷層明化鎮(zhèn)底面構(gòu)造圖

前人研究成果揭示[27]，南堡凹陷埋深小于3 100 m和大于3 500 m時(shí)巖石所受成巖作用以機(jī)械壓實(shí)作用為主，3 100～3 500 m埋深的巖石則以方解石膠結(jié)作用為主，目前南堡 1號(hào)構(gòu)造東營(yíng)組一段（簡(jiǎn)稱東一段）—第四系埋藏深度均小于3 100 m，表明上述層位內(nèi)巖石發(fā)生膠結(jié)作用的概率較小。除此之外，研究區(qū)測(cè)井解釋成果亦揭示了典型井孔隙度隨埋深呈指數(shù)規(guī)律變化，尚未出現(xiàn)明顯的孔隙度增大或減小區(qū)段[28]，也表明該地區(qū)巖石主要受機(jī)械壓實(shí)作用影響，膠結(jié)作用發(fā)生的概率較小。因此，可利用上述建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型定量評(píng)價(jià)伸展斷層的側(cè)向封閉性及封閉能力。

3.2 典型伸展斷層F1側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)

F1斷層是南堡 1號(hào)構(gòu)造內(nèi)一條重要的遮擋斷層，延伸長(zhǎng)度約為2.3 km，斷距為20～200 m，斷層傾角為40°～60°（見(jiàn)圖5），與傾斜地層構(gòu)成斷層圈閉，該圈閉油源供給、儲(chǔ)集層物性等成藏要素匹配良好[28]，故油氣能否在圈閉內(nèi)聚集成藏主要取決于斷層的側(cè)向封閉與否。且該圈閉目前在淺層——明化鎮(zhèn)組—館陶組鉆遇油氣，斷層巖埋藏較淺，以發(fā)生機(jī)械壓實(shí)作用為主，滿足上述方法的假設(shè)條件。因此，選擇南堡 1號(hào)構(gòu)造F1斷層作為典型伸展斷層，以驗(yàn)證本文建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型在定量評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性時(shí)的合理性與準(zhǔn)確性。

圖5 過(guò)F1、F2及F3斷層油藏剖面圖（剖面位置見(jiàn)圖4）

①斷層巖泥質(zhì)含量的確定。依據(jù)研究區(qū)三維地震解釋成果，建立斷層-地層構(gòu)造地質(zhì)模型，結(jié)合F1斷層附近典型井的測(cè)井曲線數(shù)據(jù)，明確圍巖地層泥質(zhì)含量隨埋藏深度的變化規(guī)律，再依據(jù)（1）式計(jì)算F1斷層在三維空間上任意一點(diǎn)的斷層巖泥質(zhì)含量（見(jiàn)圖6）。結(jié)果表明，F(xiàn)1斷層在明化鎮(zhèn)組—東一段下部斷層巖泥質(zhì)含量相對(duì)較高，除斷層中東部局部地區(qū)在館陶組SGR值低于20%以外，其與部位均大于25%，局部甚至高達(dá)70%。

圖6 南堡1號(hào)構(gòu)造F1斷層SGR屬性圖

②巖石排替壓力的求取。在研究區(qū)不同層位、不同深度鉆取規(guī)格為2.5 cm×1 cm（直徑×高）的典型巖石樣品34塊，結(jié)合各巖樣的埋藏深度及泥質(zhì)含量（可利用測(cè)井曲線求得或利用X衍射法測(cè)量得到），便可建立巖石排替壓力與其埋藏及泥質(zhì)含量間乘積的函數(shù)關(guān)系（見(jiàn)圖7），三者間具有較好的指數(shù)關(guān)系，對(duì)應(yīng)的擬合關(guān)系式為（31）式。因此，在明確巖石泥質(zhì)含量及埋藏深度的基礎(chǔ)上，可依據(jù)下式確定相應(yīng)巖石的排替壓力值：

圖7 南堡1號(hào)構(gòu)造巖石排替壓力與埋深、泥質(zhì)含量間關(guān)系

③斷層巖成巖程度的確定。根據(jù)三維地震解釋成果，F(xiàn)1斷層在明化鎮(zhèn)組沉積末期活動(dòng)停止，表明斷層巖所經(jīng)歷的成巖時(shí)間為明化鎮(zhèn)組末期至今時(shí)間段，約為2.58 Ma。按照上文提出的積分法計(jì)算步驟，根據(jù)F1斷層最后停止活動(dòng)時(shí)間和研究目的斷點(diǎn) A處的埋深、巖石骨架密度（見(jiàn)圖8），以及依據(jù)地層沉積時(shí)間和沉積厚度等資料得到的不同沉積速率（其中，平原組為791 m/Ma、明化鎮(zhèn)組為23 m/Ma、館陶組為53 m/Ma、東營(yíng)組為194 m/Ma、沙一段為798 m/Ma、沙二段為600 m/Ma、沙三段為75 m/Ma）。便可在明確南堡1號(hào)構(gòu)造地層沉降史的基礎(chǔ)上，利用（5）—（8）式及（9）—（11）式分別計(jì)算得到A點(diǎn)斷層巖的垂向應(yīng)力成巖程度及水平地應(yīng)力成巖程度。

圖8 南堡1號(hào)構(gòu)造巖石密度隨埋藏深度的變化規(guī)律

④斷層巖排替壓力的確定。首先，根據(jù)各層的平均沉積速度、沉積時(shí)間及地應(yīng)力特征，分別利用（12）—（24）式和（25）—（28）式計(jì)算沉積地層中以任意層為初始沉積層對(duì)應(yīng)的垂向應(yīng)力成巖程度和水平地應(yīng)力成巖程度，將二者累加確定圍巖層成巖程度。然后，通過(guò)比較上述確定的目標(biāo)點(diǎn)斷層巖成巖程度與不同圍巖層成巖程度間關(guān)系，利用（3）式及（29）式確定與A點(diǎn)具有相同泥質(zhì)含量和相同成巖程度的圍巖層中K點(diǎn)所在層位及埋深，該埋深即為目標(biāo)斷層巖A的壓實(shí)成巖埋深；其中，與NP103X2井內(nèi)①—⑤號(hào)儲(chǔ)集層巖石相對(duì)置的斷層巖壓實(shí)成巖埋深為 958～1 399 m。再結(jié)合上述確定的A點(diǎn)斷層巖SGR值，依據(jù)（31）式計(jì)算K點(diǎn)地層巖石的排替壓力；由于K點(diǎn)排替壓力與A點(diǎn)排替壓力相等，此排替壓力即為斷點(diǎn)A的排替壓力，為0.61～0.84 MPa（見(jiàn)表1）。

⑤儲(chǔ)集層巖石排替壓力的求取。根據(jù)與A點(diǎn)對(duì)置的儲(chǔ)集層巖石的埋深和泥質(zhì)含量，利用研究區(qū)實(shí)際資料建立的排替壓力擬合關(guān)系式（（31）式）計(jì)算儲(chǔ)集層巖石的排替壓力。

⑥F1伸展斷層側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)。將斷層巖和儲(chǔ)集層巖石在各點(diǎn)排替壓力差的最小值作為斷層的封閉能力，并利用（30）式計(jì)算出斷層各點(diǎn)所能封閉的油氣柱高度，為70～165 m（見(jiàn)表1）。由表1可知，研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層巖石的排替壓力為0.51～0.63 MPa，利用本文方法計(jì)算得到F1斷層在不同埋深處的斷層巖排替壓力值為0.61～0.84 MPa，二者間的斷-儲(chǔ)排替壓力差值為0.09～0.21 MPa，評(píng)價(jià)值均大于0，表明研究目標(biāo)點(diǎn)斷層巖均具有一定封閉能力，可遮擋油氣并形成油氣聚集。結(jié)合研究區(qū)地層中的原油密度，利用本文方法建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型預(yù)測(cè)得到的烴柱高度與實(shí)際烴柱高度十分接近，誤差僅為0～3 m（見(jiàn)表1）。同理，重復(fù)上述伸展斷層側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)流程，對(duì)南堡1號(hào)構(gòu)造 F2及 F3斷層進(jìn)行分析（見(jiàn)圖9），所得的評(píng)價(jià)結(jié)果分別與受上述斷層封閉的 NP1及 NP1-90井的實(shí)際油氣分布同樣吻合較好，其中F2斷層預(yù)測(cè)誤差為0～3.8 m，F(xiàn)3斷層預(yù)測(cè)誤差為0.5～8.2 m，也進(jìn)一步印證了本文方法對(duì)定量評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性的可靠性。

圖9 南堡1號(hào)構(gòu)造NP1井、NP1-90井F2、F3斷層側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)結(jié)果及封閉油柱高度

將利用未考慮成巖時(shí)間[10]和簡(jiǎn)單考慮成巖時(shí)間[11]方法計(jì)算的結(jié)果一同列入表1中，并同時(shí)與實(shí)際所封閉的烴柱高度進(jìn)行對(duì)比分析，比較這兩種研究方法及本文建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型研究結(jié)果與實(shí)際資料的吻合關(guān)系。由評(píng)價(jià)結(jié)果可知（見(jiàn)表1），在利用未考慮成巖時(shí)間的斷-儲(chǔ)排替壓力差法對(duì) F1斷層的封閉能力進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，大大低估了斷層的封閉能力，研究目的盤(pán)儲(chǔ)集層5層中僅1層被封閉，封閉的油柱高度（20 m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際被封閉的油柱高度（162 m），這表明在利用未考慮成巖時(shí)間的斷-儲(chǔ)排替壓力差法評(píng)價(jià)伸展斷層封閉性時(shí)，因忽略了成巖時(shí)間對(duì)成巖程度的影響而使斷層實(shí)際封閉能力被低估，同時(shí)也揭示了成巖時(shí)間是影響斷層巖成巖作用的重要因素。而在利用簡(jiǎn)單考慮成巖時(shí)間的斷-儲(chǔ)排替壓力差法計(jì)算 F1斷層的封閉能力時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際也存在較大偏差（見(jiàn)表1），這主要是由于在考慮成巖時(shí)間求取排替壓力時(shí)，只是簡(jiǎn)單地將上覆地層沉積所經(jīng)歷的總時(shí)間作為斷層巖和沉積地層的成巖時(shí)間。實(shí)際上，上覆地層每層的沉積時(shí)間是不同的，某一薄地層沉積所經(jīng)歷的時(shí)間可能比另一厚地層沉積所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)，而薄地層和厚地層施加給下伏地層或斷層巖的壓力是不同的，如果地層的厚度差異很大，所經(jīng)歷的沉積時(shí)間范圍差異也很大。盡管兩地層總沉積時(shí)間一定，但二者對(duì)下伏地層成巖程度的貢獻(xiàn)差異卻很大，造成下伏地層的成巖程度在此一定時(shí)間內(nèi)因上覆各地層的沉積速率不同而不同，由此計(jì)算得到的斷層巖和儲(chǔ)集層排替壓力就不會(huì)準(zhǔn)確，伸展斷層封閉性的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際必然存在偏差；且上覆各地層沉積速率差異越大，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際的偏差就越大。實(shí)際上，上覆地層壓力是隨時(shí)間增長(zhǎng)和地層不斷加厚而不斷增加的，巖石的成巖程度不是一個(gè)瞬時(shí)的量，而是一個(gè)隨成巖時(shí)間的增長(zhǎng)和地層加厚而不停累積的變量，所以通過(guò)成巖時(shí)間對(duì)成巖壓力的積分再現(xiàn)斷層巖經(jīng)歷的成巖過(guò)程，合理地考慮了成巖時(shí)間對(duì)成巖的影響，計(jì)算得到的封閉能力與實(shí)際情況十分接近。由此可見(jiàn)，本文提出積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型計(jì)算斷層封閉能力更符合實(shí)際。

表1 南堡凹陷1號(hào)構(gòu)造F1斷層NP103X2井處側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

斷層自形成后受多種成巖作用影響，在形成側(cè)向封閉性及封閉能力的過(guò)程中，考慮到目標(biāo)斷層巖所受成巖壓力是隨成巖時(shí)間和沉積地層厚度增大而不停累加的變量，即斷層巖經(jīng)歷的成巖時(shí)間越長(zhǎng)、承受的成巖壓力越大，斷層巖排替壓力越大，伸展斷層越容易形成側(cè)向封閉。通過(guò)建立斷層巖及圍巖地層所受成巖壓力隨成巖時(shí)間變化的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型來(lái)表征其成巖程度，便可依據(jù)與斷層巖具有相同成巖程度的圍巖埋深及斷層巖泥質(zhì)含量，借助研究區(qū)巖石排替壓力擬合關(guān)系式確定斷層巖排替壓力，用儲(chǔ)集層巖石排替壓力與之比較，定量評(píng)價(jià)伸展斷層的封閉性及封閉能力大小。南堡 1號(hào)構(gòu)造內(nèi)典型斷層（F1、F2及 F3）評(píng)價(jià)結(jié)果表明，預(yù)測(cè)烴柱高度與實(shí)際鉆探結(jié)果吻合程度較好，誤差僅0～8 m，評(píng)價(jià)結(jié)果與地下實(shí)際情況吻合較好。

利用成巖時(shí)間對(duì)成巖壓力的積分表征伸展斷層側(cè)向封閉性的數(shù)學(xué)-地質(zhì)模型，是在“斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同”的假設(shè)條件下建立的，考慮到在一般情況下斷層巖較圍巖更容易受到膠結(jié)作用的影響。基于此提出積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型評(píng)價(jià)伸展斷層側(cè)向封閉性時(shí)的適用條件，即為待評(píng)價(jià)區(qū)塊研究目的層位未發(fā)生膠結(jié)作用，此時(shí)得到的伸展斷層側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)結(jié)果更符合地下實(shí)際。但這并不意味著發(fā)生膠結(jié)作用的地區(qū)不能用該積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型評(píng)價(jià)伸展斷層的側(cè)向封閉性，只是此時(shí)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果為斷層所具有的最小封閉能力，膠結(jié)作用的發(fā)生必然會(huì)使封閉能力進(jìn)一步增大，該值則是實(shí)際油田開(kāi)發(fā)保持伸展斷層封閉的最安全數(shù)值。

有關(guān)伸展斷層側(cè)向封閉性的研究，目前較難獲取到足夠多、且具有整條斷裂帶甚至全區(qū)可代表性的斷層巖巖樣進(jìn)行直接分析，僅能通過(guò)圍巖地層來(lái)間接評(píng)價(jià)伸展斷層的側(cè)向封閉性。但是這樣的評(píng)價(jià)方法仍存在諸多亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題，如斷層巖的非均質(zhì)性（溶蝕及膠結(jié)作用發(fā)育程度的差異）、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如何與積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型結(jié)合等問(wèn)題，故有關(guān)伸展斷層側(cè)向封閉性的定量評(píng)價(jià)仍需進(jìn)一步研究。

符號(hào)注釋：

Ffab——已剝蝕ab段地層在未剝蝕前作用在A點(diǎn)的斷面正應(yīng)力，Pa；Ffi——ZAi厚度的上覆巖層作用在 A點(diǎn)的斷面正應(yīng)力，Pa；FrK——K 點(diǎn)圍巖所受的上覆靜巖壓力，Pa；Fr——圍巖上覆靜巖壓力，Pa；g——重力加速度，m/s2；h1——①號(hào)地層底界面至地表距離，m；h2——②號(hào)地層底界面至地表距離，m；h3——③號(hào)地層底界面至地表距離，m；h4——④號(hào)地層底界面至地表距離，m；hK——K點(diǎn)至地表距離，m；Hh——斷層面某點(diǎn)所能封閉的烴柱高度，m；H——斷層垂直斷距，m；k——樣品數(shù)；m1——①號(hào)地層沉積時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m2——①～②號(hào)地層沉積時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m3——①～③號(hào)地層沉積時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m4——①～④號(hào)地層沉積時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m——巖石開(kāi)始成巖至今經(jīng)歷的地應(yīng)力期次（可根據(jù)地應(yīng)力大小及方向劃分）；n——滑過(guò)斷點(diǎn)的圍巖層層數(shù)；pdf——斷層巖排替壓力，MPa；pdr——儲(chǔ)集層巖石排替壓力，MPa；pd——巖石樣品的排替壓力，MPa；QfA——A點(diǎn)斷層巖成巖程度，Pa·Ma；QfvA——垂向應(yīng)力對(duì)A點(diǎn)成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；QfσA——水平地應(yīng)力對(duì)A點(diǎn)成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；QrK——K點(diǎn)圍巖成巖程度，Pa·Ma；Qrv1——①號(hào)地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv2——①～②號(hào)地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv3——①～③號(hào)地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv4——①～④號(hào)地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；QrvK——垂向應(yīng)力對(duì)K點(diǎn)成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；Qrσ1——①號(hào)地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ2——①～②號(hào)地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ3——①～③號(hào)地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ4——①～④號(hào)地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；QrσK——水平地應(yīng)力對(duì)K點(diǎn)成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；q——泥質(zhì)含量與垂直距離之積，m；SGR——斷層巖泥質(zhì)含量，%；t0——現(xiàn)今沉積時(shí)間，Ma；t1——①號(hào)地層初始沉積時(shí)間，Ma；t2——②號(hào)地層初始沉積時(shí)間，Ma；t3——③號(hào)地層初始沉積時(shí)間，Ma；ta——地層抬升剝蝕初始時(shí)間，Ma；tb——地層抬升剝蝕結(jié)束時(shí)間，Ma；tjs——巖層經(jīng)歷的第j期次地應(yīng)力起始時(shí)間，Ma；tjf——巖層經(jīng)歷的第j期次地應(yīng)力結(jié)束時(shí)間，Ma；tK——K點(diǎn)圍巖沉積至今的時(shí)間，Ma；t——地層沉積時(shí)間，Ma；v1——①號(hào)地層的平均沉積速率，m/Ma；v2——②號(hào)地層的平均沉積速率，m/Ma；v3——③號(hào)地層的平均沉積速率，m/Ma；Vshi——滑過(guò)斷點(diǎn)的第i層巖層泥質(zhì)含量，%；Vsh——巖石樣品的泥質(zhì)含量，%；Z0——A點(diǎn)與④號(hào)地層頂界面之間的垂直距離，m；Z1——A點(diǎn)與③號(hào)地層頂界面之間的垂直距離，m；Z2——A點(diǎn)與②號(hào)地層頂界面之間的垂直距離，m；Z3——A點(diǎn)與①號(hào)地層頂界面之間的垂直距離，m；ZA——斷點(diǎn)A的埋深，m；ZAi——A點(diǎn)斷層巖上覆地層的沉積厚度，m；Z——巖石埋深，m；γ——水平地應(yīng)力方向與斷層走向夾角，（°）；ΔZi——滑過(guò)斷點(diǎn)的第i層巖層厚度，m；θ——斷層傾角，（°）；ρo——烴密度，kg/m3；ρr——上覆沉積巖層骨架密度，kg/m3；ρw——地層水密度，kg/m3；σhj——巖層經(jīng)歷的第j期次水平地應(yīng)力大小，Pa；σhmax——最大水平地應(yīng)力，Pa；σhmin——最小水平地應(yīng)力，Pa；σh——水平地應(yīng)力，Pa；σv——垂向地應(yīng)力，Pa。