王 則，商 琳，龔麗榮，王彤達

(1.油氣資源探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249；3.中國石油 冀東油田 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063000；4.中國石化 勝利油田 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 271500)

斷層在油氣運移與聚集中具有遮擋和通道的雙重作用[1]?，F(xiàn)今斷層的封閉與開啟影響古油藏中油氣的重新分配，也影響油氣田注水開發(fā)效果，油氣區(qū)斷層現(xiàn)今封閉性評價對于油氣勘探和開發(fā)意義重大。決定斷層開閉性的一個關鍵因素是斷面的緊閉程度[2]，因此越來越多的學者試圖建立地應力與斷層封閉性之間的關系來評價斷層的開啟和封閉[3]。斷層破碎帶的結構也會影響斷層的應力狀態(tài)，從而影響斷層的開啟與封閉，最終影響剩余油的開采方式，因此油田內(nèi)部斷層破碎帶的識別和描述成為亟待解決的科學和實際問題[4]。本文對渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊進行地質(zhì)研究，根據(jù)測井曲線特征，劃分了斷層破碎帶結構，應用測井數(shù)據(jù)計算了圍巖與斷層破碎帶的力學參數(shù)，并應用巖石力學實驗結果進行校正，獲取了較為精確的斷層破碎帶力學參數(shù)，在此基礎上計算了斷層封閉系數(shù)，對不同結構的斷層進行了封閉性評價。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

M區(qū)塊位于渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷北部(圖1)，是以下古生界為主的潛山構造[5]。奧陶系為M區(qū)塊主要含油層系，為一套海相碳酸鹽巖沉積，主要為灰?guī)r、白云巖，夾薄層泥巖，自下而上發(fā)育冶里—亮甲山組(O1y-O1l)、下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)和八陡組(O2b)[6]。M區(qū)塊是在燕山期擠壓褶皺—逆沖作用下形成的短軸背斜，其長軸方向為北北西向，東翼較陡、西翼寬緩，北部、東部以斷層為界，內(nèi)部受次級斷層分割復雜化[7]。

2 斷層封閉性評價方法及原理

2.1 斷層破碎帶結構劃分

斷層面是巖石由于受到擠壓應力或者拉張應力而產(chǎn)生剪切或者拉張等破壞、原有巖石或巖層的完整性、連續(xù)性被破壞，產(chǎn)生破裂，破裂兩側的巖塊發(fā)生位移錯動而產(chǎn)生的。破碎帶有2種類型，分別是僅由派生裂縫組成的裂縫帶和斷層活動產(chǎn)生的空間被黏土或破碎巖石充填的充填帶。

陳偉等[8]認為斷裂帶主要由位于中部的滑動破碎帶和其兩側的上、下盤誘導裂縫帶等具有不同變形和物性特征的結構單元組成。金強等[9]通過露頭表現(xiàn)出的斷層破碎帶特征以及大量的測井資料的反復對比，認為測井資料能夠比較有效地表達斷層破碎帶厚度及結構特征。常規(guī)測井曲線中，聲波時差(AC)、電阻率(RD)、自然電位(SP)、密度(DEN)、補償中子(CNL)等曲線對斷裂帶較為敏感，因此本文主要選擇以上測井曲線進行對比與分析，將斷層破碎帶劃分為斷層泥、斷層角礫巖和派生裂縫帶。

2.1.1 斷層泥

斷層泥的主要成分是黏土礦物，其次為原巖的碎屑，其礦物成分和原巖相比可能并不完全相同，這是由于在斷層活動過程中可能發(fā)生了一定的壓溶作用(圖2a)。它是斷層在長期、反復運動的過程中，由于較強烈的應力作用，使得充填在斷層中的巖石碎屑等被研磨細化成為斷層泥，是斷層帶中的軟弱夾層，對油氣往往起到封堵作用[10-11]。

斷層泥測井曲線表現(xiàn)為聲波時差偏小，密度增大，補償中子偏小，電阻率測井曲線一般顯示為視電阻率低值等特征；力學參數(shù)曲線也具有一定的規(guī)律性：彈性模量明顯偏小，泊松比顯著偏大。

2.1.2 斷層角礫巖

斷層角礫巖是在應力作用下，斷層上、下兩盤相對滑動，原巖不斷地被破碎成角礫狀，其礫石孔隙被破碎細屑充填膠結的巖石(圖2b)。一般認為，可識別的角礫碎屑含量大于30%的稱為斷層角礫巖，角礫碎屑含量小于30%的則稱為斷層泥[11]。斷層角礫巖的碎塊形狀不規(guī)則，角礫碎屑多呈棱角狀，但其棱角也可以在應力作用下被一定程度地磨圓和壓扁，有時還會產(chǎn)生裂縫，但仍保持原巖特點。

圖1 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊位置示意

圖2 斷層破碎帶中的斷層泥、斷層角礫巖和派生裂縫帶

斷層角礫巖測井曲線表現(xiàn)為聲波時差偏小，且較穩(wěn)定；補償中子偏小，密度值普遍偏大，但二者的曲線形態(tài)都比較平緩；力學參數(shù)曲線平緩，彈性模量偏大，泊松比數(shù)值偏小。

2.1.3 派生裂縫帶

遠離斷層滑動面，原巖所受應力逐漸減小，原巖沒有完全破碎，在斷層角礫巖外圍發(fā)育派生裂縫帶(圖2c)。這些裂縫往往互相連通成網(wǎng)狀，可以成為油氣的滲流通道。一般來講，派生裂縫帶主要分布于斷裂兩側有限區(qū)域或斷層末端應力釋放區(qū)[12]。

由于派生裂縫帶裂縫較為發(fā)育，巖石孔隙度增大，導致聲波時差增大或周波跳躍、密度整體偏小、補償中子增大的特點，電阻率曲線在與原巖界面處發(fā)生突變；力學參數(shù)曲線表現(xiàn)為：彈性模量曲線不穩(wěn)定，整體偏小，泊松比曲線變化較大，整體偏大。

2.1.4 斷層破碎帶識別

首先，利用地震、鉆井、錄井資料進行層位標定、聯(lián)井對比，確定斷點位置。其次，為了對斷點附近測井曲線是否具有差異進行定性判別，將鉆遇和未鉆遇斷層的井中同一個層位的測井曲線根據(jù)小層對比的方法來反復對比，認為斷層破碎帶的頂、底界面應為測井曲線出現(xiàn)差異的位置，其差值即為斷層破碎帶的視厚度。然后，為了識別出斷層角礫巖、斷層泥、派生裂縫帶的位置，要進一步對斷層破碎帶內(nèi)部的測井響應特征進行分析研究。

M區(qū)塊A203井斷點深度為4 015 m，斷裂帶寬度為243 m(圖3)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，A203井3 879.5～3 989.5 m及4 040～4 122.5 m井段聲波時差周波跳躍，密度整體偏小，補償中子增大，電阻率曲線在原巖界面處發(fā)生突變，彈性模量及泊松比變化劇烈，彈性模量變化范圍為22～78 GPa，泊松比在0.33～0.42之間變化，為派生裂縫帶。3 989.5～4 013 m及4 020.5～4 040 m井段聲波時差及補償中子曲線較平緩，測井值明顯偏??；密度曲線也較平緩，測井值偏大；彈性模量及泊松比變化穩(wěn)定，彈性模量約為68～73 GPa，泊松比數(shù)值為0.32～0.34，為斷層角礫巖發(fā)育帶。4 013～4 020.5 m井段出現(xiàn)聲波時差顯著減小、視電阻率出現(xiàn)低值、密度較大、彈性模量明顯偏小、泊松比明顯偏大的特點，為斷層泥發(fā)育帶。

圖3 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊A203井斷層破碎帶測井響應特征

2.2 斷層力學參數(shù)計算與校正

斷裂帶內(nèi)部結構的不同，必然導致斷層破碎帶各結構單元的力學參數(shù)存在差異。由于三軸壓縮試驗能夠較好地還原巖石在地下的埋藏環(huán)境與應力條件，且使用的是巖心樣品，屬于直接資料，因此得到的靜態(tài)巖石力學參數(shù)準確度和可信度較高。但由于斷裂帶破碎程度較高，取樣較困難，造成樣品較少，數(shù)據(jù)點離散，這樣的數(shù)據(jù)直接用于數(shù)據(jù)模擬理論依據(jù)不充足，且鉆井取心成本較高，經(jīng)濟上不合算。而利用常規(guī)測井資料計算出來的動態(tài)巖石力學參數(shù)具有良好的連續(xù)性，可以彌補巖石力學實驗的不足，且成本較低。

2.2.1 巖石動態(tài)力學參數(shù)計算

巖石力學理論證明，儲層巖石的彈性模量、泊松比等力學參數(shù)與縱波時差、橫波時差和巖石密度滿足公式(1)。巖石密度及縱波時差根據(jù)常規(guī)測井(密度測井、聲波時差測井)即可獲得，而橫波時差需要通過陣列聲波測井或偶極子聲波測井方可獲得[13]，由于此類特殊測井的費用較高，在實際生產(chǎn)中多進行常規(guī)測井。M地區(qū)缺少由陣列聲波測井獲得的橫波時差數(shù)據(jù)，因此需要利用由常規(guī)測井得到的縱波時差和密度數(shù)據(jù)建立與橫波時差之間的關系式，通過計算得到該地區(qū)橫波時差的值。前人[14-16]研究認為橫波時差及縱波時差滿足公式(2)。

(1)

(2)

式中:E為彈性模量，Pa；Δtp為縱波時差，ms/ft；Δts

為橫波時差，ms/ft；ρb為巖石密度，kg/m3；μ為泊松比，無量綱；a、b、c均為常數(shù)，可通過待定系數(shù)法確定。本文以上述公式為基礎，計算了M區(qū)塊斷裂帶各結構單元的巖石動態(tài)力學參數(shù)(表1)。

2.2.2 力學參數(shù)校正

(1)三軸壓縮試驗條件、參數(shù)及過程。由于地下巖層的真實應力環(huán)境及引起的變形等方面更接近三軸試驗這一靜態(tài)測試，所以其準確度、真實性更高，更接近真實的巖石力學特性。本次試驗在四川大學水利水電學院巖土工程省重點實驗室進行，采用的設備是美國產(chǎn)MTS815 Flex Test GT巖石力學試驗系統(tǒng)。

試驗過程中，試件受到3個方向、相互正交的應力σ1、σ2、σ3，其中橫向上施加的圍壓σ2=σ3，而軸向上的應力σ1是逐漸增大的，直至達到巖石被破壞時的應力大小，據(jù)此繪制出應力應變曲線(圖4)，其中橫坐標ε為應變。在模擬地下真實應力條件下，通過三軸試驗可以獲得各巖石試件的密度，以及在不同圍壓條件下的強度、變形模量E和泊松比μ。

表1 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊斷層破碎帶力學參數(shù)

圖4 試件1三軸壓縮試驗應力—應變曲線

(2)力學參數(shù)校正。因為三軸試驗結果更接近真實情況，因此本文使用靜態(tài)測試結果來標定根據(jù)測井資料計算得到的動態(tài)參數(shù)，對測井解釋結果進行靜態(tài)校正，得到二者之間的回歸關系，相關數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，動、靜態(tài)泊松比數(shù)值之間的差異很小，基本一致，相關性很高，故無需校正；而動、靜態(tài)楊氏模量之間的差異較大，需要建立兩者的關系曲線，用靜態(tài)楊氏模量來校正其連續(xù)的測井計算剖面。

由于三軸測試靜態(tài)參數(shù)與測井解釋結果之間具有線性轉換關系(圖5)，因此可利用靜態(tài)測試結果對利用常規(guī)測井資料計算的動態(tài)參數(shù)進行動—靜態(tài)校正，得到合理的斷層破碎帶巖石力學參數(shù)(表3)，增強了巖石力學數(shù)值模擬的準確性。

表2 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊動、靜態(tài)力學參數(shù)對比

圖5 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊動、靜態(tài)巖石力學參數(shù)關系曲線

表3 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊斷層破碎帶力學參數(shù)校正

3 不同模式斷層封閉性結果分析

3.1 斷層破碎帶發(fā)育模式

由于地質(zhì)條件的復雜性，導致不同構造位置的斷層內(nèi)部結構的差異性，同一條斷層在不同深度上內(nèi)部結構也會有所變化[8]。斷層破碎帶寬度與斷距存在正相關性，就M區(qū)塊而言，斷層切穿地層，斷距逐漸被上覆地層的塑性變形吸收，斷距向上逐漸減小，斷層破碎帶寬度自下而上也會相應地減小。同時沿斷層走向，斷距也會發(fā)生變化，導致斷層內(nèi)部結構發(fā)生改變。由于M區(qū)塊碳酸鹽巖表現(xiàn)為較強的脆性特征，斷層滑動面兩側結構發(fā)育比較對稱，多為結構對稱的斷層破碎帶。根據(jù)各井鉆遇斷層結構特征，可以將M區(qū)塊斷層破碎帶劃分為3種類型：只發(fā)育派生裂縫帶的斷層破碎帶、斷層泥不發(fā)育的斷層破碎帶和結構完整的斷層破碎帶。圖6a為只發(fā)育派生裂縫帶的斷層破碎帶，這種模式的斷層斷距小，僅在斷層滑動面兩側發(fā)育一系列網(wǎng)狀裂縫，這些裂縫可以相互連通，有利于油氣輸導。圖6b為斷層泥不發(fā)育的斷層破碎帶，這種模式斷距有所增大，上、下兩盤之間的巖石不斷的被糅合，原巖破碎成角礫狀，斷層滑動面兩側發(fā)育斷層角礫巖，外側發(fā)育派生裂縫帶。圖6c為結構完整的斷層破碎帶，這種模式斷距最大，斷層剪切滑動、碎裂、碾磨形成斷層泥，兩側發(fā)育斷層角礫巖和派生裂縫帶。

3.2 斷層破碎帶封閉性評價

3.2.1 斷面正應力計算

斷層對油氣的封閉性能與應力作用密切相關，斷面正應力大小可作為定量評價斷層封閉性能的一個重要判據(jù)。一般擠壓作用越強越有利于增強斷層對油氣的封閉性能，而拉張作用則往往造成油氣的逸散[17]。為了便于直觀分析，假設斷層斷開的巖層為巖性均一的地質(zhì)體，斷層帶物性及厚度均勻相同，且斷層面產(chǎn)狀穩(wěn)定。

圖6 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊斷層破碎帶發(fā)育模式

斷層面受到3個主應力σv、σH、σh的作用，根據(jù)幾何關系求取3個主應力分別在斷層面上產(chǎn)生的正應力(圖7)，然后再依據(jù)應力疊加原理即可求得斷層面上的疊合正應力P：

P=σvcos2α+σHcos2β+σhcos2γ

(3)

式中：σv為垂向主應力；σH和σh分別為水平最大和最小主應力；α、β、γ分別是σv、σH、σh與斷層面法線n之間的夾角。

通過推導可得到公式(4)：

(4)

式中：θ為斷面傾角，φ為斷層走向與σH之間的夾角。將式(4)代入式(3)中可得到用θ和φ表示的疊合正應力表達式：

P=σvcos2θ+σHsin2θsin2φ+σhsin2θcos2φ(5)

3.2.2 斷層封閉系數(shù)計算

斷層開啟與封閉主要取決于斷層面上的正應力和孔隙壓力的關系。前人根據(jù)地應力與斷層封閉性的關系，提出斷層封閉系數(shù)的概念來定量表征斷層的封閉與開啟性能，是指斷面所受正應力與流體壓力的比值[18]，即：

圖7 斷層面應力狀態(tài)示意

(6)

式中：If為斷層封閉系數(shù)；f為異常壓力系數(shù)；σn為斷面所受正應力；ρw為水的密度；h為埋深。

其中異常壓力系數(shù)f可由等效深度法求取。先利用地層深度和聲波測井傳播時間的對數(shù)獲得壓實趨勢線，然后由聲波測井資料求取地層流體壓力，即可求出某點的異常壓力系數(shù)：

(7)

式中：Pf為孔隙流體壓力；S為上覆地層壓力；ρb為上覆地層平均密度；ρw為地下流體平均密度；Z為地層深度；Z0為異常壓力點在正常趨勢線上對應的壓力相等點的深度。

當If>1時斷層呈封閉狀態(tài)[19]，If值越大，封閉程度越高；當If≤1時斷層開啟成為油氣運移的通道，If值越小，開啟程度越高。

3.2.3 不同模式斷層封閉性結果分析

M區(qū)塊斷層破碎帶劃分為3種類型：只發(fā)育派生裂縫帶的斷層破碎帶、斷層泥不發(fā)育的斷層破碎帶和結構完整的斷層破碎帶。利用Ansys軟件，對3種發(fā)育模式的斷層破碎帶封閉系數(shù)進行了模擬(圖8)。

只發(fā)育派生裂縫帶(圖8a)：由于裂隙的發(fā)育，封閉系數(shù)要低于圍巖，封閉能力差；裂縫帶常成為油氣運移的通道[20]。斷層泥不發(fā)育的斷層破碎帶(圖8b)：破碎帶中的斷層角礫巖比與其相鄰的原巖封閉性要大，這是由于它的粒徑減小且受到了膠結作用的影響。該帶在斷層活動休止期對流體起封閉作用。結構完整的斷層破碎帶(圖8c)：越靠近斷裂中心，巖石碎裂作用越嚴重，由于斷層泥的存在，封閉系數(shù)越大，即封閉能力越強。結構完整的斷層破碎帶往往具有較強的橫向分隔性[21]。斷層泥不發(fā)育和結構完整的斷層破碎帶，其斷層封閉系數(shù)等值線沿斷裂帶兩側呈近似對稱分布(圖8b,c)。

4 結論

(1)利用測井曲線將斷層破碎帶劃分為斷層泥、斷層角礫巖和派生裂縫帶三部分。濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊斷層破碎帶的發(fā)育模式分為3種類型：只發(fā)育派生裂縫帶、斷層泥不發(fā)育和結構完整的斷層破碎帶。

(2)斷裂帶內(nèi)部結構的差異性，必然導致斷層破碎帶各結構單元力學參數(shù)的不同。應用三軸測試靜態(tài)參數(shù)和用常規(guī)測井資料計算的動態(tài)力學參數(shù)的相關性進行靜態(tài)校正，可以得到合理的斷層破碎帶巖石力學參數(shù)。

圖8 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊斷層破碎帶封閉系數(shù)等值線

(3)利用Ansys軟件，對濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷M區(qū)塊3種發(fā)育模式的斷層破碎帶封閉系數(shù)進行數(shù)值模擬表明，斷層泥封閉系數(shù)最大，其次為斷層角礫巖，派生裂縫帶的封閉系數(shù)最小。