雷 誠，袁新濤，楊軒宇，徐慶巖，王 敏，佘姣鳳

[1 中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2 中國石油 塔里木油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000]

斷層是控制含油氣盆地各種地質(zhì)作用及油氣運移、儲存的重要因素，在油氣成藏過程中，斷層的作用表現(xiàn)為兩個方面：開啟——為油氣運移通道；封閉——為圈閉遮擋條件。對于斷層封堵性的研究，20世紀(jì)70和80年代主要集中于斷層兩盤砂泥對置關(guān)系和泥巖涂抹等間接的定性分析[1-2]，90年代前后斷層封閉性評價由定性進(jìn)入定量階段。呂延防等(1996)提出砂泥對接概率數(shù)值模擬法，對無鉆井區(qū)斷層的封閉性進(jìn)行定量評價[3]；Bouvier等提出泥巖涂抹勢(CSP)[4]、Lindsay 提出泥巖涂抹因子(SSF)[5]、Yielding 提出斷層泥比率(SGR)[6]等算法判斷斷層封閉性；劉澤容等(1998)提出多級模糊評價技術(shù)[7]；呂延防等提出斷儲排替壓力差判斷斷層封閉性[8-10]；此后付廣等人對該算法進(jìn)行改進(jìn)[11-12]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，將斷層巖壓實成巖壓力和壓實成巖時間與SGR相結(jié)合定量評價斷層封閉性，并結(jié)合已開發(fā)油田實際油藏數(shù)據(jù)，確立斷層巖SGR與其可封閉烴柱高度之間的定量關(guān)系。這對準(zhǔn)確評價斷層封閉油氣能力，明確儲層油水分布特征，完善斷裂控藏理論具有十分重要的實際指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

M油田位于尼日爾Termit盆地Dinga斷階帶中部，為受多條正斷層控制的斷鼻構(gòu)造，構(gòu)造走向NW-SE(圖1)。油田東側(cè)的大斷層F1對構(gòu)造起主要控制作用，斷鼻構(gòu)造內(nèi)部發(fā)育一系列近NNW走向的次級斷層(F2—F6)，將油田進(jìn)一步分割為多個油水系統(tǒng)。M油田目的層段位于始新統(tǒng)Sokor1組，埋深1 600～2 000 m，距今約50 Ma(圖2)，地層整體上為砂泥巖互層，巖性主要為灰色、深灰色泥巖和細(xì)砂巖、粉砂巖，Sokor1組自下而上劃分為E5—E1五個砂層組。

圖1 M油田E1砂層組頂面構(gòu)造Fig.1 The top structural map of E1 sandstone layer in M oilfield

2 斷層側(cè)向封閉機(jī)理

斷層側(cè)向封閉性是指斷層對其兩盤巖層中沿斷層面法線方向穿過斷層面運移油氣的封閉能力[10]。在砂泥巖地層中，根據(jù)斷層面兩盤巖層接觸類型，可將斷層側(cè)向封閉機(jī)理分為巖性對接封閉機(jī)理和斷層巖高排替壓力封閉機(jī)理。

2.1 巖性對接封閉機(jī)理

當(dāng)斷層兩盤的巖層以“面”接觸(圖 3a)，此時巖性對接封閉為斷層側(cè)向封堵與否的主控因素。斷層一盤儲層若被另一盤非滲透巖層遮擋，即“砂-泥”對接時，斷層能夠封堵儲層中聚集的油氣；若斷層兩盤同為滲透性儲層，即“砂-砂”對接時，斷層的封堵性很差，油氣可穿越斷層進(jìn)行運移。但在實際沉積地層中，斷層兩盤巖層以“面”狀接觸的很少，目前通常使用Allan圖對斷層兩盤的巖性對接關(guān)系進(jìn)行半定量研究。

圖2 M油田地層綜合柱狀圖Fig.2 The composite stratigraphic column of the M oilfield

圖3 斷層側(cè)向封閉機(jī)理模式Fig.3 Modes of lateral sealing mechanism of faulta.斷裂帶不發(fā)育型； b.斷層帶發(fā)育型

2.2 斷層巖高排替壓力封閉機(jī)理

當(dāng)斷層兩盤為“帶”接觸時(圖 3b)，圍巖破碎后被卷入斷裂帶，形成具有特征性結(jié)構(gòu)和礦物成分的巖石，即斷層巖。在砂泥巖地層中，斷層巖的泥質(zhì)含量是決定斷層封堵與否的決定性因素。若斷層巖的泥質(zhì)含量高，斷裂帶的排替壓力大于油氣運移盤砂巖層的排替壓力，斷裂帶就能阻止油氣的側(cè)向運移，斷層具側(cè)向封閉性。否則，油氣進(jìn)入斷裂帶，或沿斷裂帶發(fā)生垂向運移，或穿斷裂帶進(jìn)入對置盤砂巖層發(fā)生側(cè)向運移，斷層不能形成側(cè)向封閉[13-14]。Knipe和Yielding等人用泥巖涂抹因子(SSF=斷距/泥巖層厚度)、泥巖涂抹勢(CSP=泥巖層厚度平方/泥巖涂抹距離)、斷層泥比率(SGR=泥巖層厚度/垂直斷距)[4-6]等參數(shù)對斷層泥質(zhì)含量進(jìn)行定量研究(圖4)，其中SGR考慮了多套泥巖涂抹的情況，同時考慮了地層的非均質(zhì)性，計算結(jié)果更接近砂泥巖地層真實情況，被廣泛應(yīng)用。

3 斷層封閉能力定量評價

M油田主要為砂泥巖薄互層，斷層以張性為主，斷裂帶發(fā)育，斷層的封堵性主要由儲層與斷層巖的排替壓力差異來確定[9,15]，其基礎(chǔ)是準(zhǔn)確刻畫斷層巖的泥質(zhì)含量。

3.1 建立三維SGR模型

利用斷層、地震反演及測井?dāng)?shù)據(jù)建立M油田構(gòu)造模型和巖相模型，再根據(jù)斷層兩盤地層的砂泥巖分布和斷距，建立斷層面的三維SGR模型(圖5，圖6)。

M油田目的層主要為砂泥巖互層，且砂體主要分布在E1和E2砂層組，因此SGR值在斷層面上也呈現(xiàn)條帶狀分布(圖6)。分析M油田三維SGR模型，E1砂層組SGR值主要介于30%～50%，成穩(wěn)定的帶狀分布；E2砂層組的SGR值非均質(zhì)性最強(qiáng)，垂向上E2-3，E2-5小層SGR值最低，介于10%～25%；水平方向由斷層中間至兩側(cè)，SGR值由大變小。同一條斷層，不同位置SGR值分布差異較大，其封閉性也存在差異。

3.2 建立泥質(zhì)含量-埋深-排替壓力圖版

根據(jù)M油田及其相鄰油田6口取心井41塊巖樣的泥質(zhì)含量及壓汞測試的最大排替壓力值，建立M油田巖石泥質(zhì)含量-埋深-排替壓力關(guān)系圖版(圖7)，由圖版可以看出，在特定的泥質(zhì)含量范圍內(nèi)，排替壓力與巖石埋深呈指數(shù)關(guān)系，且同一深度下，巖石泥質(zhì)含量越高，排替壓力越大。

圖4 3種主要計算斷層巖泥質(zhì)含量的方法[15]Fig.4 Three main algorithms to work out the clay content in fault rocks[15]a.泥巖涂抹勢計算示意圖；b.泥巖涂抹因子計算示意圖；c.斷層泥比率計算示意圖

圖5 M油田三維SGR模型Fig.5 3-D SGR model of M field

圖6 M油田F4斷層SGR分布Fig.6 SGR distribution of F4 fault in M oilfield

圖7 M油田不同泥質(zhì)含量巖石排替壓力與埋深關(guān)系Fig.7 The relationship between displacement pressure and burial depth of rocks with various clay content in M oilfield

3.3 計算儲層與斷層巖排替壓力差

3.3.1 儲層排替壓力計算

根據(jù)儲層泥質(zhì)含量(可由測井解釋結(jié)論及三維地質(zhì)模型得到)及儲層埋深，基于巖石泥質(zhì)含量-埋深-排替壓力關(guān)系圖版(圖7)插值可以得到儲層的排替壓力。

3.3.2 斷層巖排替壓力計算

斷層巖的排替壓力取決于其泥質(zhì)含量及成巖程度，而斷層巖的成巖程度又受控于斷點的斷面壓力，斷層傾角及斷層巖壓實成巖的時間[11]。斷層靜止時，其所受的壓力主要為上覆地層的重力，其它力可忽略不計，斷層所受壓力可分解為垂直于斷面的正應(yīng)力和平行于斷面的剪切力(圖8)。定義巖石的壓實強(qiáng)度為上覆地層靜巖壓力與該點巖石的成巖壓實時間的乘積，則斷層巖的排替壓力可等效于具有和其相同泥質(zhì)含量及壓實強(qiáng)度的沉積地層的排替壓力。

圖8 斷面正壓力示意圖Fig.8 The schematic diagram of fault normal pressure

斷層靜止后(圖9)，整條斷層的成巖壓實時間相等，則斷層巖A點的壓實強(qiáng)度(DA)為：

DA=pAtA=ZA(ρr-ρw)gcosθtB

(1)

式中：pA為斷面所承受的正壓力，MPa；ZA為斷層巖埋深，m；θ為斷層傾角，(°)；ρr為上覆地層的平均骨架密度，g/cm3；ρw為地層水密度，g/cm3；tA=tB，為斷層巖壓實成巖時間，Ma；g為重力加速度(9.81 m/s2)。

等效地層C點的壓實強(qiáng)度(DC)為：

DC=pCtC=ZC(ρr-ρw)gtC

(2)

式中：pC為與斷面同等正壓力的靜巖壓力，MPa；ZC為同等壓實強(qiáng)度下斷層巖對應(yīng)的地層埋深，m；tC為同等壓實強(qiáng)度下斷層巖對應(yīng)的地層成巖壓實時間，Ma。

若壓實強(qiáng)度相同，則DA=DC，則

ZA(ρr-ρw)gcosθtB=ZC(ρr-ρw)gtC

(3)

由公式(3)可得

ZAcosθtB=ZCtC

(4)

式中，ZA,θ,tB已知。

根據(jù)前人研究成果(圖2)，通過選取多個樣點，擬合出研究區(qū)儲層埋深Z與其對應(yīng)的成巖壓實時間t關(guān)系曲線：

Z=-0.336 3t2+58.692t-1.007 3

(5)

由公式(4)和公式(5)，可得到ZC，結(jié)合斷層巖SGR值，由巖石泥質(zhì)含量-埋深-排替壓力關(guān)系圖版(圖7)插值得到斷層巖的排替壓力。

圖9 考慮成巖壓實時間的排替壓力計算模型Fig.9 A calculation model of displacement pressure with the timing of diagenesis compaction consideredA.斷層巖中的任意點；B.斷層巖頂殲滅點；C.與A點具有同等壓實強(qiáng)度下地層中的對應(yīng)點；ZA.斷層巖埋深，m；ZC.同等壓實強(qiáng)度下斷層巖對應(yīng)的地層埋深，m；tB.斷層巖壓實成巖時間，Ma；tC.同等壓實 強(qiáng)度下斷層巖對應(yīng)的地層成巖壓實時間，Ma

4 圈閉最大烴柱高度計算

根據(jù)儲層與斷層巖的排替壓力差，斷層巖能夠封閉的最大烴柱高度可由下式得到[16]：

(6)

式中：H為斷層巖可封閉的最大烴柱高度，m；pd為儲層與斷層巖的排替壓力差，Pa；ρw和ρo分別為地層條件下水和油的密度，g/cm3，M油田分別為1.003 g/cm3和0.83 g/cm3；g為重力加速度。

5 應(yīng)用效果評價

M油田F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4三條斷層在古近系最為發(fā)育，F(xiàn)1在新近系上新統(tǒng)停止活動，斷層尖滅點埋深581m，距今時間(tB)為10.56 Ma；F2和F4兩條斷層在新近系中新統(tǒng)停止活動，斷層殲滅點埋深分別為1 140 m和912 m，距今時間(tB)為22.29 Ma和17.27 Ma。

分別選取井區(qū)不同深度儲層計算F1，F(xiàn)2及F4斷層巖與儲層的排替壓力差，再計算各斷層巖能夠封閉的最大烴柱高度，并與實際油藏進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1。

M油田油藏分布在E1,E2和E3砂層組，儲層埋深1 650～2 000 m，巖性主要以細(xì)砂巖、粉-細(xì)砂巖為主，儲層泥質(zhì)含量小于20%，排替壓力小于0.2 MPa。斷層傾角均大于50°，受其影響，斷層巖所承受的斷面正壓力相當(dāng)于正常沉積地層埋深600～1 200 m的靜壓力，斷層巖的排替壓力均小于0.5 MPa。若儲斷排替壓力差為正值(表1中儲層1-5,7,8,11,12,13)，則斷層封閉，封閉程度可根據(jù)封閉的烴柱高度進(jìn)行表征；若儲斷排替壓力差為負(fù)值(表1中儲層10)，則斷層無封閉能力，這與M油田的油藏實際情況一致。另外，表中計算的可封閉烴柱高度與實際油柱高度存在一定誤差，一方面由于根據(jù)排替壓力差計算的斷層巖可封閉高度，指的是斷層巖測試點處能夠封閉的烴柱高度，而油藏實際的烴柱高度是根據(jù)油氣充注量、構(gòu)造溢出點及斷層泄漏點等多種因素共同作用的結(jié)果，因此通過排替壓力差計算的斷層巖可封閉的烴柱高度值應(yīng)大于或等于實際油藏的烴柱高度；另一方面是地層的沉積壓實時間目前很難精確的計算，存在誤差，需要下一步做更多的研究去解決。

表1 M油田F1,F2和F4斷層巖與儲層排替壓力計算參數(shù)Table 1 The parameters for calculating displacement pressure of F1,F2 and F4 fault rocks and reservoir in M oilfield

將M油田F1,F2和F4三條斷層的斷層巖SGR值與可封閉烴柱高度作交會圖(圖10)。由圖可以看出，當(dāng)SGR小于11%時，斷層巖沒有封閉能力；當(dāng)SGR大于40%時，斷層巖具有很強(qiáng)的封閉能力，且其能封閉的最大烴柱高度不再隨SGR的值增大而增大；介于兩者之間時，根據(jù)測試點的包絡(luò)線，可得M油田斷層巖SGR值與其可封閉的最大烴柱高度有如下線性關(guān)系：

Hmax=5.57SGR-61.8

(7)

式中：SGR為斷層巖的泥質(zhì)含量，%；Hmax為該SGR值下斷層巖可封閉的最大烴柱高度，m。

6 結(jié)論

1)當(dāng)斷層以斷裂帶形式發(fā)育時，斷層側(cè)向是否封堵關(guān)鍵在于油氣所在盤儲層與斷層巖排替壓力差。若斷層巖埋深越大，承壓時間越長，泥質(zhì)含量越高，其排替壓力越大，斷層的側(cè)向封閉性越好。

圖10 M油田斷層巖SGR與可封閉烴柱高度交匯圖Fig.10 The cross plot of fault rock SGR and hydrocarbon column height in M oilfield

2) 斷層巖SGR值與其側(cè)向封閉性存在定量關(guān)系。對于M油田，SGR小于11%時，斷層沒有封閉能力；SGR大于40%時，斷層封閉；介于兩者之間時，SGR值與其可支撐的最大烴柱高度有很好的線性關(guān)系。