張雨健王延斌

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

斷層封堵性的定量化研究是當(dāng)今指導(dǎo)油氣勘探與開發(fā)的熱點與難點之一[1],其評價方法日趨成熟。自20 世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)外學(xué)者從不同方面對斷層封堵性進(jìn)行定性乃至定量的評價研究。

在對斷層側(cè)向封堵性的評價中,Allan 通過研究構(gòu)造圈閉中斷層對封堵能力的影響,繪制Allan 圖,又稱“斷面圖”；Knipe 則對斷層面的實際形態(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價之中,至今仍被廣泛采用[2-5]。國內(nèi)學(xué)者對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)計與模糊數(shù)學(xué)方法引入到斷層封堵性的定量評價中；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,通過分析斷層開啟系數(shù)與斷層連通概率的內(nèi)在關(guān)系,實現(xiàn)對研究區(qū)斷層封堵性的定量評價；曹瑞成等[8]的“邏輯信息法”從統(tǒng)計角度總結(jié)了評價斷層封閉性的參數(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)計預(yù)測模型,在對模型進(jìn)行檢驗和分析后,證明用對象權(quán)值的大小可以評價斷層的封閉性。在對斷層垂向封堵性評價中,普遍采用物理實驗?zāi)M法、模糊評價法及泥巖涂抹法。物理實驗?zāi)M法通過建立數(shù)學(xué)模型利用葉點等級進(jìn)行半定量評價；模糊評價法則是考慮影響斷層封堵的各個參數(shù)權(quán)重的數(shù)學(xué)分析法；泥巖涂抹法通過斷層斷距與蓋層厚度比值來反映垂向封堵能力,進(jìn)一步從多學(xué)科、多角度提高斷層封堵性定量評價的準(zhǔn)確性。但油氣在遭遇斷層的運(yùn)移過程是水平與垂直向的結(jié)合,前人在探討斷層封堵性時,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),其評價結(jié)果難免會有偏差。

為更進(jìn)一步滿足對現(xiàn)場油氣勘探的有效指導(dǎo),對于斷層垂向封堵性的定量評價愈發(fā)關(guān)鍵。本文依據(jù)現(xiàn)今運(yùn)用較為成熟的斷儲排替壓差法與泥巖涂抹系數(shù)法,充分利用測井與鉆井資料,嘗試采用將斷層側(cè)向斷儲排替壓差與垂向封堵性評價相結(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)向與垂向封堵性評價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,上覆為華北地臺型沉積蓋層,總厚可達(dá)14 000 m。由于加里東構(gòu)造運(yùn)動的影響,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,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)造單元劃分圖（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,并沿走向逐漸獨立成濱海與港西斷層(圖2),對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。基于此,對濱海-港西斷層進(jìn)行垂向封堵性的定量評價,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 斷層封堵性評價機(jī)理與評價參數(shù)

2.1 斷層封堵性評價機(jī)理

斷層在活動過程中會產(chǎn)生低壓裂縫空間,隨著活動結(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)儲集巖與排替壓力高的地層單元并置時,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,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 斷層封堵性評價參數(shù)

斷層側(cè)向封堵性的評價參數(shù)包括泥質(zhì)含量、埋深、滲透率、排替壓力等,其中排替壓力是評價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價參數(shù)主要有斷層斷距、蓋層厚度等。史集建等[22]利用泥巖涂抹法對歧口凹陷港東斷層的動態(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)測出油氣的運(yùn)聚時間以及成藏區(qū)段。

3 斷層封堵性的定量評價

3.1 地質(zhì)模型的建立

前人在對于斷層側(cè)向封堵性的評價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)含量會受到埋深的間接影響,斷層傾角的變化同樣會導(dǎo)致斷盤對接巖性的變化,泥質(zhì)含量隨之變化,因而無法針對特定研究區(qū)進(jìn)行合理有效的定量評價?；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)的排替壓力計算地質(zhì)模型,斷層在斷穿斷層上終點T 后停止活動,上覆地層開始穩(wěn)定沉積,在其荷載作用下,斷裂空間的充填物經(jīng)過壓實膠結(jié)等成巖作用形成斷層巖。假設(shè)斷面C 點的斷層巖排替壓力等于地層中A 點的排替壓力,則C 點與A 點的泥質(zhì)含量和圍巖構(gòu)造環(huán)境相同。由于C 點處于斷裂帶中,其應(yīng)力狀態(tài)與構(gòu)造背景較A 點復(fù)雜。再假設(shè)斷裂帶中B 點的泥質(zhì)含量同樣與C 點相當(dāng),運(yùn)用側(cè)向封堵因數(shù)FL來表征側(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,而地層中因為沿著地層傾角一定范圍內(nèi)的巖性與構(gòu)造應(yīng)力變化不大,因此FL對應(yīng)為上覆地層地靜壓力與儲層封堵系數(shù)的乘積表示。對于地層點A,確定其埋深后,根據(jù)鉆井資料可確定其地靜壓力pA,因為斷裂帶的C 點與A 點的泥質(zhì)含量和圍巖構(gòu)造環(huán)境相當(dāng),則C 點斷面正應(yīng)力pfC等于A 點地靜壓力。即

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

在T 點開始接受沉積時,C 點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 點地靜壓力,MPa；pfC為C 點斷面正應(yīng)力,MPa；pC為C 點地靜壓力,MPa；H2為C 點與上覆地層沉積終止點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 點斷層巖所承斷面壓力；pTL為T 點地靜壓力,MPa；pCT為T 點接受沉積前C 點地靜壓力,MPa；H4為C 點與斷層上方終止點T 的垂直距離,m；H3為斷層終止點T 與上覆地層沉積終止點L 的垂直距離,m。

對于確定的地層點A,其地靜壓力pA已知,對于所研究的斷層,其斷層傾角φ也已知,根據(jù)式(12)可計算得到C 點與T 點的垂直距離H4。通過調(diào)整A 點埋深,可使B 點與C 點的垂直距離改變,當(dāng)確定A 點埋深后,使得B 點與C 點的垂直距離為0,即B 與C 點重合,此時A 點的地層排替壓力與B 點的斷層巖排替壓力相同,其泥質(zhì)含量也相同,而B 點的斷層巖泥質(zhì)含量可通過測井鉆井資料獲取,并運(yùn)用SGR 法計算得到(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為滑過斷點的第i層巖層厚度,m；Vshi為滑過斷層點的第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]對歧口凹陷巖石樣品進(jìn)行試驗分析,將巖石泥質(zhì)含量、巖石埋深與巖石實測排替壓力進(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為巖石的壓實成巖埋深,m；Vshr為儲集層巖石的泥質(zhì)含量,% ；Zr為儲集層巖石埋深,m。

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

3.3 周邊鉆井的側(cè)向封堵性評價

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 個測點,通過觀測和計算得到每個測點的斷距和埋深以及斷層整體的斷距和埋深變化(圖5)。對北大港濱海-港西斷層周邊27 口井位資料進(jìn)行統(tǒng)計與計算,得出斷-儲排替壓力差(表1),最后計算得出與斷層周邊鉆井相結(jié)合的斷層側(cè)向封堵性評價結(jié)果。

表1 港西-濱海斷層上古生界側(cè)向封堵性評價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價

結(jié)合鉆井的側(cè)向斷-儲排替壓差(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)向封堵狀態(tài)時的最小排替壓差。依據(jù)泥巖涂抹系數(shù)F對各井位垂向的封堵性進(jìn)行評價(表2)。

表2 臨界排替壓差與測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,測井解釋為顯水層則垂向不封堵,為油層與致密層時則垂向封堵。在統(tǒng)計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,通過統(tǒng)計25 個鉆井的斷距、蓋層厚度,依據(jù)泥巖涂抹計算公式,可求出濱海-港西斷層臨界F值(斷層垂向封堵時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狀態(tài)；而當(dāng)F值大于6.2 時,斷層表現(xiàn)為開啟狀態(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-儲排替壓差以及斷層垂向F臨界值,統(tǒng)計該斷層上古生界16 個測點的斷距與蓋層厚度,計算每個測點的F值,若其F值大于濱海-港西斷層的臨界F值,該測點處斷層垂向不封堵,為開啟段；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價Fig.7 Evaluation map of the upper paleozoic vertical plugging of the Binhai-Gangxi fault

3.5 封堵性評價結(jié)果的驗證

利用現(xiàn)有油氣藏勘探與三維地震資料,對濱海-港西斷層封堵性評價結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗證(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價結(jié)果完全一致,進(jìn)一步驗證了濱海-港西封堵性定量評價的準(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)計算模型通過深度轉(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。考慮斷層側(cè)向封堵系數(shù)的斷層垂向封堵性評價能很好地將各相關(guān)參數(shù)耦合,使評價結(jié)果更具說服力。

(2) 基于斷層側(cè)向斷-儲排替壓差與垂向的封堵性耦合評價,結(jié)合研究區(qū)已有的勘探開發(fā)資料,對評價結(jié)果進(jìn)行驗證。證實該套斷層垂向封堵性評價體系很好地解釋了濱海-港西斷層的垂向封堵情況,進(jìn)一步論證在評價斷層垂向封堵性時,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)向封堵評價耦合的斷層垂向封堵性評價方法更為科學(xué)合理,指導(dǎo)油氣勘探更加科學(xué)有效。