劉哲 ，呂延防 ，付廣 ，孫同文 ，鄭曉鳳，王超 ，王岐

(1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶，163318；2. 油氣藏形成機(jī)理與資源評(píng)價(jià)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶，163318；3. 中國(guó)石油冀東油田公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山，063004)

斷層側(cè)向封閉性是斷層圈閉油氣勘探過程中難以回避的難題，也是熱點(diǎn)問題，它是影響油氣鉆探效果的重要因素之一。國(guó)內(nèi)外許多地質(zhì)學(xué)家圍繞斷層側(cè)向封閉性從各個(gè)方面進(jìn)行了研究，尤其是其評(píng)價(jià)方法已經(jīng)由以往定性發(fā)展到現(xiàn)今的半定量和定量化，如：基于巖性對(duì)接封閉理論模型的 Allan圖[1]和 Knipe圖[2]等圖解法；基于斷層巖封閉理論模型的泥巖涂抹潛力(clay smear potential，CSP)[3]、泥巖涂抹因子(FSS)[4]、泥巖斷層泥比率(RSG)[5]斷層封閉系數(shù)[6]、斷儲(chǔ)排替壓力差法[7]等，以及非線性映射[8]、概率模擬法[9]、連通概率法[10]、模糊綜合評(píng)判法[11]等數(shù)學(xué)方法在斷層側(cè)向封閉分析中的應(yīng)用。但是，斷裂的再次活動(dòng)對(duì)于先期所形成的斷層側(cè)向封閉能力會(huì)產(chǎn)生雙重作用，既可以使斷層側(cè)向封閉能力增強(qiáng)，也可以使斷層側(cè)向封閉能力減弱[12]，因此，真正決定斷層斷圈封閉油氣能力的并不完全是斷層現(xiàn)今封閉性，更重要的是油氣成藏期時(shí)的側(cè)向封閉性[13]。目前，斷層側(cè)向封閉性的評(píng)價(jià)方法主要是針對(duì)斷層現(xiàn)今的側(cè)向封閉能力，因此，建立一套斷層古側(cè)向封閉能力的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)斷層圈閉封閉油氣能力降低斷層圈閉油氣鉆探風(fēng)險(xiǎn)以及豐富和完善斷裂控藏理論均具有實(shí)踐和理論意義。

1 斷層現(xiàn)今封閉能力評(píng)價(jià)

大量野外露頭觀察證實(shí)：斷層兩盤并不是簡(jiǎn)單的1個(gè)面接觸，而是以斷裂帶的形式相接觸，斷層側(cè)向能否封閉不是取決于兩盤巖性對(duì)接情況，而是取決于斷裂帶與圍巖之間的物性差異。對(duì)于確定的圍巖，斷層側(cè)向封閉性則主要取決于斷裂帶泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，斷裂帶泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越大，其排替壓力越大，斷裂帶側(cè)向封閉能力就越強(qiáng)；反之則越弱[14]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都采用斷層側(cè)向封閉屬性值即RSG來(lái)反映斷裂帶內(nèi)泥巖體積分?jǐn)?shù)[5](見圖1)。斷層面某點(diǎn)RSG為斷層在斷移過程中，滑過該點(diǎn)各個(gè)巖性層中泥巖體積分?jǐn)?shù)與斷距的比值。RSG不僅考慮了泥巖層對(duì)斷裂帶泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)，同時(shí)也考慮了砂巖層對(duì)斷裂帶內(nèi)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)，且與野外實(shí)際測(cè)得的斷裂帶泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)有很高的相關(guān)性[15]，故用其研究斷層側(cè)向封閉性可以較準(zhǔn)確地反映地下實(shí)際情況。利用RSG法評(píng)價(jià)斷層現(xiàn)今側(cè)向封閉能力方法和步驟如下。

1.1 斷層面RSG的計(jì)算

利用斷層和地層的地震解釋成果建立斷層圈閉控圈斷裂三維構(gòu)造模型，計(jì)算斷面每點(diǎn)的垂直斷距，同時(shí)利用錄井、測(cè)井資料計(jì)算斷移地層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，按照?qǐng)D1中所示RSG算法計(jì)算斷面每點(diǎn)的RSG。

圖1 RSG算法模式圖Fig.1 RSG algorithm diagram

1.2 評(píng)價(jià)函數(shù)關(guān)系式的建立

通過對(duì)已知斷層型油藏精細(xì)解剖，確定油藏的油水界面，同時(shí)計(jì)算出斷層側(cè)向所封閉的油柱高度。將上述得到的斷層面RSG、斷層側(cè)向所封閉的油柱高度以及地下流體物性數(shù)據(jù)代入斷裂帶RSG與其所能封閉的最大油柱高度之間的理論關(guān)系式(式(1))[16-17]，便可得出式(1)中的參數(shù)d和c，即建立了研究區(qū)斷層側(cè)向封閉能力定量評(píng)價(jià)函數(shù)式：

式中：H為側(cè)向所能封閉的最大烴柱高度(m)，反映了斷層面某點(diǎn)的側(cè)向封閉能力；RSG為泥巖斷層泥比率(%，見圖1)；d為與地層沉積特征有關(guān)的常量，范圍為 0～∞；c為與斷層埋深有關(guān)的地質(zhì)常量，當(dāng)斷層埋深小于3 km時(shí)為0.50，當(dāng)斷層埋深介于3.0～3.5 km時(shí)為0.25，當(dāng)斷層埋深超過3.5 km時(shí)為0；ρw為圈閉中水的密度(t/m3)；ρo為圈閉中烴類密度(t/m3)；g為重力加速度(9.8 m/s2)。

1.3 斷層側(cè)向封閉能力定量評(píng)價(jià)

將按上述計(jì)算得到的斷面各點(diǎn)RSG、地下流體物性參數(shù)代入式(1)，便可計(jì)算到斷層側(cè)向所能封閉的油柱高度；同時(shí)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的油水界面，并在平面構(gòu)造圖上圈定出圈閉的有效范圍。圈閉有效范圍之內(nèi)斷層對(duì)油氣側(cè)向上是封閉的，而圈閉有效范圍之外對(duì)油氣側(cè)向上是不封閉的。

2 斷層古封閉能力恢復(fù)

斷層古封閉能力恢復(fù)就是研究斷層演化進(jìn)程中的某一時(shí)刻斷層的側(cè)向封閉能力，而斷層現(xiàn)今側(cè)向封閉能力也可以看作是斷層演化進(jìn)程中的一個(gè)狀態(tài)，因此，可以參照斷層現(xiàn)今側(cè)向封閉能力評(píng)價(jià)方法，恢復(fù)斷層古側(cè)向封閉能力。由上可知：決定斷層側(cè)向封閉能力的最根本因素是斷裂帶RSG，只要能恢復(fù)出斷層演化過程中某一時(shí)刻(通常為油氣成藏期)斷裂帶的古RSG，便可利用式(1)對(duì)其古側(cè)向封閉能力進(jìn)行恢復(fù)和評(píng)價(jià)。具體方法和步驟如下。

2.1 斷層古斷距計(jì)算

基于斷層不同生長(zhǎng)機(jī)制，斷層古斷距恢復(fù)主要有垂直斷距相減法和最大斷距相減法2種方法。

2.1.1 垂直斷距相減法

垂直斷距相減法是基于斷層“固定長(zhǎng)度生長(zhǎng)模式”的一種方法，即斷層在形成初期斷層長(zhǎng)度迅速變長(zhǎng)，而后隨著外部應(yīng)力增大時(shí)僅是斷層的斷距增大，而斷層長(zhǎng)度不發(fā)生變化(圖 2(a)和(c)[18])。這種方法的原理是用現(xiàn)今斷層斷面某點(diǎn)斷距DN-L減去相同測(cè)線位置處現(xiàn)今斷層在T沉積地層中發(fā)育的斷距DT-L，便可得到T沉積時(shí)期斷層斷面相應(yīng)位置的古斷距DP-L(見圖2(a)和2(c))：

式中：DP-L為T沉積時(shí)期斷層在某一沉積地層中L測(cè)線位置的古斷距(m)；DN-L為現(xiàn)今時(shí)期斷層在某一沉積地層中L測(cè)線位置的斷距(m)；DT-L為現(xiàn)今時(shí)期斷層在T沉積地層中L測(cè)線位置的斷距(m)。

該方法具有很大的局限性，僅適用于斷層生長(zhǎng)過程中沿著走向受到約束的情況。

2.1.2 最大斷距相減法

最大斷距相減法是基于斷層累積長(zhǎng)度隨著斷距增大而增加模式的一種方法(圖 2(b)和(d))，是在垂直斷距相減法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。這種方法的原理是用現(xiàn)今斷層斷面某點(diǎn)斷距DN減去現(xiàn)今斷層在T沉積地層中發(fā)育的最大斷距DTmax，便可得到T沉積時(shí)期斷層斷面對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的古斷距DP(圖2(b)和2(d))：

式中：DP為T沉積時(shí)期斷層面某一點(diǎn)的古斷距(m)；DN為現(xiàn)今時(shí)期斷層面在某一點(diǎn)的斷距(m)；DTmax為現(xiàn)今時(shí)期斷層在T沉積地層中發(fā)育的最大斷距(m)。

國(guó)內(nèi)外研究者通過統(tǒng)計(jì)大量野外斷層數(shù)據(jù)表明斷層在生長(zhǎng)過程中斷層的斷距與長(zhǎng)度呈冪指數(shù)關(guān)系：

圖2 不同斷層古斷距恢復(fù)方法對(duì)比圖(據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.2 Comparison diagram of different ancient fault displacement recovering methods (modified by Ref.[18])

式中：D為斷層的最大斷距，m；L為斷層的最大長(zhǎng)度，m；n為某一指數(shù)，1≤n≤2。對(duì)于構(gòu)造成因的斷裂n值取1[19]，即斷層生長(zhǎng)過程中斷距與長(zhǎng)度呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。

最大斷距相減法是最能真實(shí)反演斷裂生長(zhǎng)歷史的分析方法。

2.2 斷層古RSG計(jì)算

在恢復(fù)斷層古斷距的基礎(chǔ)上，利用鉆井及測(cè)井資料就可以由圖 1中的RSG算法計(jì)算出斷層面各點(diǎn)古RSG。

這里需要注意的是：正如計(jì)算現(xiàn)今斷面各點(diǎn)RSG一樣，在計(jì)算斷層面各點(diǎn)古RSG時(shí)，不需要考慮沉積地層的去壓實(shí)問題。因?yàn)樵诳紤]去壓實(shí)問題之后，斷層發(fā)育的沉積地層會(huì)變厚，而斷層的斷距也會(huì)相應(yīng)地變大。無(wú)論考慮去壓實(shí)問題與否，滑過斷面某點(diǎn)處泥質(zhì)總量是不受影響的，即RSG是不受影響的。

2.3 斷層古封閉能力定量評(píng)價(jià)

將計(jì)算得到的斷面各點(diǎn)古RSG、地下流體物性數(shù)據(jù)代入式(1)，便可計(jì)算出斷層側(cè)向所能封閉的古油柱高度，同時(shí)可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的古油水界面，并在古構(gòu)造圖上圈定出圈閉的古有效范圍。同樣，圈閉古有效范圍之內(nèi)對(duì)油氣側(cè)向是封閉的，而圈閉有效范圍之外對(duì)油氣側(cè)向是不封閉的。

這里需要注意的是：為了對(duì)古斷層圈閉有效性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需要恢復(fù)斷層圈閉的古構(gòu)造形態(tài)，但是，為了對(duì)斷層圈閉現(xiàn)今油氣鉆探風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行快速分析，可以將斷層圈閉現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)近似視為古構(gòu)造形態(tài)，即在現(xiàn)今構(gòu)造圖上圈定出古圈閉有效范圍。

3 實(shí)例應(yīng)用

南堡凹陷位于渤海灣盆地群黃驊坳陷北部的1個(gè)中、新生代盆地，面積約1 900 km2，自下而上依次沉積了沙河街組(Es)、東營(yíng)組(Ed)、館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)以及平原組(Qp)。南堡3號(hào)構(gòu)造位于南堡凹陷東南部，是已發(fā)現(xiàn)的8個(gè)富油氣區(qū)之一，見圖3；構(gòu)造上位于林雀次凹和曹妃甸次凹兩大主力生烴洼陷之間，同時(shí)具有良好的生儲(chǔ)蓋條件[20]，是油氣運(yùn)聚成藏的有利指向區(qū)。但由于研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造建造和改造形成了復(fù)雜斷裂系統(tǒng)[21]，斷層圈閉十分發(fā)育，斷層側(cè)向封閉能力決定了斷層圈閉的有效性。油氣鉆探結(jié)果表明：NP3-2井在東一段(Ed1)鉆遇工業(yè)油層，而緊鄰該斷層圈閉南部的 NP3-3井的油氣顯示并不樂觀，這無(wú)疑給南堡3號(hào)構(gòu)造下一步滾動(dòng)勘探目標(biāo)決策帶來(lái)困難。因此，開展南堡3號(hào)構(gòu)造斷層圈閉油氣鉆探風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其是開展斷層側(cè)向封閉能力綜合評(píng)價(jià)具有重要意義。

南堡凹陷油氣成藏關(guān)鍵時(shí)刻為明化鎮(zhèn)組沉積末期(Nms)，通過對(duì)南堡3-2斷層圈閉控圈斷裂F1構(gòu)造發(fā)育特征進(jìn)行精細(xì)解剖，結(jié)果如表1所示。南堡3-2斷層圈閉控圈斷裂F1并未斷至明化鎮(zhèn)組上段，表明F1斷裂在成藏期之后一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，即油氣成藏期至今 F1斷層側(cè)向封閉能力并未發(fā)生改變，因此，在具備充足油源條件及圈閉保存條件下，可以認(rèn)為現(xiàn)今通過油氣鉆探所證實(shí)的南堡3-2斷層圈閉的油柱高度達(dá)到了 F1斷層側(cè)向封閉能力的上限，即可以利用南堡3-2斷層圈閉油藏?cái)?shù)據(jù)。按如上方法建立南堡3號(hào)構(gòu)造斷層側(cè)向封閉能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)函數(shù)式。通過對(duì)南堡3-2斷層圈閉精細(xì)油藏解剖得到。該斷層圈閉內(nèi)的NP3-2井在東一段揭示了油藏的油水界面為-3.407 km，斷層F1控圈范圍為-3.00～-3.52 km(見表2)。按照上述的斷層現(xiàn)今側(cè)向封閉能力評(píng)價(jià)方法，計(jì)算南堡3-2斷層圈閉控圈斷裂斷面RSG，同時(shí)結(jié)合該斷層圈閉的油藏?cái)?shù)據(jù)(表 2)建立南堡凹陷 3號(hào)構(gòu)造東一段斷層側(cè)向封閉能力定量評(píng)價(jià)函數(shù)式：

式中：H為斷層面某點(diǎn)的側(cè)向封閉能力，即側(cè)向所能封閉的最大烴柱高度(m)。

南堡3-3圈閉受F2，F(xiàn)3和F4共3條斷裂夾持形成斷層圈閉，通過對(duì)3條斷裂的構(gòu)造發(fā)育特征進(jìn)行精細(xì)解剖，結(jié)果如表1所示。從表1可見： F2，F(xiàn)3和F4這3條斷裂均斷至明化鎮(zhèn)組上段，在明化鎮(zhèn)組上段至第四系平原組沉積時(shí)期斷層生長(zhǎng)指數(shù)分別為1.23，1.27和1.15，表明這3條斷裂在成藏期后均發(fā)生過再次活動(dòng)，即這3條斷裂的側(cè)向封閉能力可能發(fā)生了變化，因此，有必要研究這3條斷層的成藏關(guān)鍵時(shí)刻的古側(cè)向封閉能力，以反映南堡3-3斷層圈閉的真實(shí)的圈閉有效性。

表1 南堡3-2和南堡3-3斷層圈閉控圈斷裂構(gòu)造發(fā)育特征Table 1 Faults structural characteristics of NP3-2 and NP3-3

表2 南堡3號(hào)構(gòu)造斷層側(cè)向封閉能力評(píng)價(jià)函數(shù)d分析選取表Table 2 Analysis and selection table of geologic parameter d

圖3 南堡3-3斷層圈閉控圈斷層F2不同時(shí)期封閉能力Fig.3 F2 of NP3-3 fault trap lateral sealing ability in different periods

按照上述斷層側(cè)向封閉能力評(píng)價(jià)方法，利用已建立的斷層側(cè)向封閉能力定量評(píng)價(jià)函數(shù)式(式(5))對(duì)南堡3-3斷層圈閉3條控圈斷裂的現(xiàn)今側(cè)向封閉能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)(表 3)，同時(shí)按照上述斷層古側(cè)向封閉能力恢復(fù)方法，對(duì)南堡3-3斷層圈閉3條控圈斷裂的成藏關(guān)鍵時(shí)刻古側(cè)向封閉能力進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)(表 3)。從表3可以看出：南堡3-3斷層圈閉3條控圈斷裂成藏關(guān)鍵時(shí)刻斷層側(cè)向封閉能力均明顯弱于現(xiàn)今斷層側(cè)向封閉能力，尤其是F2斷裂，其在成藏關(guān)鍵時(shí)刻側(cè)向能封閉的油柱高度僅為45 m，而現(xiàn)今側(cè)向能封閉的油柱高度為252 m(見圖3和表3)。南堡3-3斷層圈閉控圈斷裂側(cè)向封閉能力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表3?？稍跇?gòu)造圖上勾繪出圈閉的現(xiàn)今有效范圍以及成藏關(guān)鍵時(shí)刻古有效范圍，見圖4。從圖4和表3可以看出：F2斷層成藏關(guān)鍵時(shí)刻側(cè)向封閉能力較弱，直接導(dǎo)致南堡3-3斷層圈閉成藏關(guān)鍵時(shí)刻古有效范圍較小，即圈閉在油氣大量運(yùn)聚成藏期僅能捕獲運(yùn)移至圈閉中很少的一部分油氣，圈閉成藏關(guān)鍵時(shí)刻古有效范圍才是圈閉的真實(shí)有效范圍。從NP3-3井所鉆遇的構(gòu)造部位來(lái)看，其并未鉆遇到該斷層圈閉的古有效范圍之內(nèi)(圖4)，這是造成南堡3-3斷層圈閉東一段油氣鉆探失利的根本原因。

表3 南堡3-3斷圈斷層側(cè)向封閉能力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Composite analysis results of faults lateral sealing ability in NP3-3 fault trap

圖4 南堡凹陷3號(hào)構(gòu)造位置及Ed1斷層圈閉有效性性評(píng)價(jià)Fig.4 Location of Nanpu 3 structure and appraisal of fault trap efficiency in Ed1

4 結(jié)論

(1) 在RSG算法定量評(píng)價(jià)斷層現(xiàn)今封閉側(cè)向封閉性理論模型的基礎(chǔ)上，利用最大斷距相減法恢復(fù)斷層古斷距，并計(jì)算斷層古RSG，以此建立一套斷層古側(cè)向封閉能力恢復(fù)方法。

(2) 南堡3-3圈閉現(xiàn)今油水界面為-3.425 km，古油水界面為-3.225 km，即斷層古側(cè)向封閉能力弱是造成該圈閉油氣鉆探失利的主要原因。

(3) 與斷層現(xiàn)今側(cè)向封閉能力一樣，斷層古側(cè)向封閉能力同樣影響著斷層圈閉的有效性，是油氣勘探?jīng)Q策中需要考慮的重要地質(zhì)因素。

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