李 倩 唐和軍 周鳳春 李 寧 紀(jì)建崢 侯靈煒

(①中國(guó)石油大港油田公司第四采油廠(灘海開(kāi)發(fā)公司)；②中國(guó)石油大港油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院)

0 引 言

斷層封閉性是指斷層或斷裂帶上下盤地層由于排替壓力的差異，阻止流體繼續(xù)流動(dòng)的性質(zhì)[1-5]。為彌補(bǔ)原油采出后造成的地下虧空，開(kāi)發(fā)中后期的油田普遍進(jìn)入強(qiáng)化注水階段。強(qiáng)化注水會(huì)使初始階段處于封閉狀態(tài)的斷層在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中封閉性變差，甚至可能活化，造成注采井網(wǎng)不完善，影響油田開(kāi)發(fā)效果。海上通天斷層如果出現(xiàn)活化現(xiàn)象，可能會(huì)使地下原油沿著通天斷層泄露到海中，產(chǎn)生溢油事故，造成嚴(yán)重的污染。因此需要對(duì)海上投入開(kāi)發(fā)的油田開(kāi)展斷裂系統(tǒng)封閉性研究，規(guī)避相應(yīng)的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究區(qū)概況

埕海油田灘海區(qū)位于歧口凹陷南部的埕北斷階區(qū)，構(gòu)造上位于埕寧隆起向歧口凹陷過(guò)渡的斜坡部位，是在前第三系基巖潛山背景上長(zhǎng)期繼承性發(fā)育的大型背斜構(gòu)造[6-7]，斷層級(jí)別從二級(jí)大斷層到五級(jí)小斷層均有發(fā)育(圖1)，二級(jí)斷層普遍為通天斷層。目前研究區(qū)多個(gè)區(qū)塊已進(jìn)入注水開(kāi)發(fā)階段，投入開(kāi)發(fā)的主要含油層位為沙河街組沙二段，其中部分區(qū)塊靠近二級(jí)斷層，同時(shí)沙一下亞段白云巖地層中裂縫普遍發(fā)育，因此有必要開(kāi)展斷裂系統(tǒng)封閉性研究，以便于指導(dǎo)注水工作的安全開(kāi)展。

圖1 埕海油田灘海區(qū)構(gòu)造位置

2 斷裂系統(tǒng)特征研究

2.1 斷層精細(xì)解釋

研究區(qū)斷距較大的二、三、四級(jí)主干斷層，在地震剖面上反射相對(duì)清晰、識(shí)別難度較?。凰募?jí)以下乃至更小斷距的斷層，單純依靠地震資料識(shí)別有一定難度，還要依靠等時(shí)地層對(duì)比、油水關(guān)系、生產(chǎn)特征等綜合判定。通過(guò)綜合研究，研究區(qū)共解釋出大小斷層102條，其中二級(jí)斷層4條，三級(jí)斷層10條。研究區(qū)的油氣分布主要受二級(jí)斷層控制，而三級(jí)、四級(jí)斷層橫縱切割油氣藏內(nèi)部，從而形成眾多斷塊。

為吸取海上溢油事故的教訓(xùn)，對(duì)該區(qū)存在的通天斷層進(jìn)行了深入研究和識(shí)別，探明該區(qū)的4條二級(jí)斷層均為通天斷層，即張東斷層、張北斷層、海4井?dāng)鄬雍挖w北斷層。研究區(qū)三級(jí)斷層均不屬于通天斷層，但W 4井西斷層在沙河街組構(gòu)造發(fā)育時(shí)期與多條斷層交叉切割，并且連通于上部明化鎮(zhèn)組的斷層，因此該斷層具有通天斷層的性質(zhì)(表1)。

表1 埕海油田灘海區(qū)通天斷層要素

2.2 斷層應(yīng)力場(chǎng)分析

研究區(qū)主干斷裂為走向近東西向的張東-海4井張性斷裂及同走向的次級(jí)斷裂，其次為近北東向和近北西向的次級(jí)斷裂，這些斷裂是在早第三紀(jì)漸新世時(shí)受深部上拱作用造成線性拉張形成的，因此斷裂基本上以張性斷裂為主，且具同期性。從沙一下亞段主應(yīng)力場(chǎng)模擬平面圖上分析(圖2)，沿張東-海4井?dāng)鄬由仙P的張參1-張海5區(qū)塊(從W 1井區(qū)到W 2井區(qū))應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力最大，由于應(yīng)力的作用強(qiáng)度大，使斷層面附近的巖石發(fā)生碎裂，進(jìn)而導(dǎo)致斷層帶巖石顆粒減小與滲透率降低。這樣的碎裂帶比未碎裂巖石增大了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的毛細(xì)管壓力，對(duì)油氣的封堵能力強(qiáng)。

圖2 埕海油田灘海區(qū)沙一下亞段主應(yīng)力場(chǎng)模擬平面圖

2.3 斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征一般用斷裂斷穿層位、斷層生長(zhǎng)指數(shù)等屬性進(jìn)行描述[8-9]，生長(zhǎng)指數(shù)越大、斷裂活動(dòng)越強(qiáng)烈。研究區(qū)的通天斷層均為生長(zhǎng)斷層，具有廣泛性、相對(duì)性、易變性的特點(diǎn)，其在活動(dòng)停歇期主要起封閉作用，在活動(dòng)期可能引起較強(qiáng)的串通和竄流作用。

研究區(qū)4條通天斷層斷穿層位均較多，張東斷層在東營(yíng)組和沙一段活動(dòng)較強(qiáng)，在沙三段活動(dòng)最強(qiáng)烈，生長(zhǎng)指數(shù)大；張北斷層在東營(yíng)組活動(dòng)最強(qiáng)烈，生長(zhǎng)指數(shù)大；海4井?dāng)鄬釉陴^陶組、東營(yíng)組、沙一段、沙二段、沙三段的活動(dòng)均較微弱；趙北斷層在館陶組、東營(yíng)組和沙三段活動(dòng)均較強(qiáng)烈，生長(zhǎng)指數(shù)大；具有通天斷層性質(zhì)的W 4井西斷層在沙一段活動(dòng)也較強(qiáng)。綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)通天斷層的活動(dòng)時(shí)期主要為東營(yíng)組和沙河街組，靠近注水目的層沙河街組沙二段地層，需要對(duì)斷層封閉性引起重視。

2.4 微斷層和裂縫描述

研究區(qū)靠近沙二段目的層的沙一下亞段以碳酸鹽巖為主，主要儲(chǔ)油空間和油氣運(yùn)移通道為微斷層和裂縫。通過(guò)薄片、陰極發(fā)光、巖石微觀分析等試驗(yàn)分析結(jié)果，可以看到微裂縫在樣品中大量存在(圖3)，薄片觀察到所見(jiàn)微裂縫寬0.06～3 mm，縫長(zhǎng)8 mm，內(nèi)多被有機(jī)質(zhì)、泥質(zhì)、石英、方解石、白云石及黃鐵礦等充填或半充填，表明斷裂與儲(chǔ)層發(fā)育的縫隙是同一期應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生的不同次級(jí)的產(chǎn)物。裂縫的產(chǎn)狀具有多樣性和不規(guī)則性，有平行層面或斜交、垂直穿透層面的，亦有縫隙互相交叉呈網(wǎng)絡(luò)狀。

圖3 Z 2703井沙一下亞段陰極發(fā)光薄片

根據(jù)各井裂縫發(fā)育情況分析，沙一下亞段地層中微裂隙的展布方向與該區(qū)斷裂的展布方向具有相似性，且主斷層附近裂縫相應(yīng)更為發(fā)育，在注水過(guò)程中，應(yīng)避免注入水進(jìn)入沙一下亞段裂縫，進(jìn)而滲入主斷層中。

3 斷裂封閉性評(píng)價(jià)

勘探階段或油田開(kāi)發(fā)初期，大多從油藏靜態(tài)方面開(kāi)展斷層封閉性研究，但隨著開(kāi)發(fā)程度的不斷深入，特別是后期注水工作的開(kāi)展，可能造成后期部分?jǐn)鄬踊罨?。因此，本次研究從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面對(duì)斷層封閉性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[3,10]。

3.1 靜態(tài)方法評(píng)價(jià)斷層封閉性

3.1.1 斷層泥比率SGR法

研究認(rèn)為斷裂帶中泥巖比例越高，發(fā)生斷層泥巖涂抹的可能性越大，其孔滲性越差，毛細(xì)管排替壓力越高，形成封閉的可能性越大，反之則越小。SGR表示通過(guò)各種機(jī)理擠入斷裂帶的泥頁(yè)巖的比例，可用來(lái)定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)厚層碎屑巖層序地區(qū)的斷層封閉性[11-12]。

(1)

由公式(1)可知，斷層中泥巖層厚度越大，SGR值越大，斷層封閉性越好。

結(jié)合本區(qū)實(shí)際，并參考呂延防等[13]對(duì)蓋層封閉性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定埕海油田灘海區(qū)SGR評(píng)價(jià)斷層封閉性標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 埕海油田灘海區(qū)SGR評(píng)價(jià)斷層封閉性標(biāo)準(zhǔn)

研究區(qū)的通天斷層分布控制了構(gòu)造格架，為油源運(yùn)移通道。通過(guò)計(jì)算各斷層的SGR值(表3)可以看出，各通天斷層在沙三段封閉性相對(duì)較差，而在沙二段和沙一下亞段相對(duì)較好。但在方案部署時(shí)，為減少溢油風(fēng)險(xiǎn)和無(wú)效注水，注水井還是應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大斷層。

表3 埕海二區(qū)通天斷層評(píng)價(jià)

3.1.2 斷層斷距分析法

生長(zhǎng)斷層生長(zhǎng)初期，沿走向的不同地段具有分段生長(zhǎng)特征，所以要分段分析生長(zhǎng)斷層的封閉性，最后比較各段封閉性相對(duì)強(qiáng)弱。本次研究通過(guò)斷層斷距分析法分析張東斷層的各段封閉性，平面上以斷層走向轉(zhuǎn)折點(diǎn)(W 1井附近)為分段點(diǎn)(圖4)，明顯分為東西兩段。

圖4 張東斷層不同時(shí)期斷距統(tǒng)計(jì)

西段時(shí)期，張東斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，斷距普遍大于東段，沙一段中、上部有大套區(qū)域性泥巖，上升盤沙二段砂巖與下降盤沙一段的泥巖對(duì)接(圖5)，因此容易形成泥質(zhì)涂抹層，斷面封閉性好。東段斷層斷距相對(duì)較小，沙二段為砂泥巖互層，不易形成泥質(zhì)涂抹層，而且沙二段砂巖對(duì)接機(jī)會(huì)多，斷面封閉性相對(duì)較差。到東營(yíng)組至明化鎮(zhèn)組沉積期，張東斷層構(gòu)造活動(dòng)微弱，斷距小，走向上變化平穩(wěn)。

圖5 張東斷層上升盤沙二段砂巖與下降盤沙一段泥巖對(duì)接

總體分析認(rèn)為，張東斷層?xùn)|段的沙一段、沙二段斷面形成泥質(zhì)涂抹層的程度相對(duì)弱于斷層西段，且有許多層段砂巖對(duì)接，形成油氣通道，來(lái)自下伏沙三段的油氣易于穿過(guò)斷面向上升盤的構(gòu)造高點(diǎn)運(yùn)移聚集。因此張東斷層?xùn)|段上升盤的沙一段和沙二段封閉性較差，W 2井注水區(qū)塊應(yīng)為下一步斷層封閉性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)區(qū)域。

3.2 動(dòng)態(tài)方法評(píng)價(jià)斷層封閉性

開(kāi)發(fā)中后期僅從靜態(tài)角度分析斷層封閉性會(huì)產(chǎn)生片面性，這是因?yàn)橛幸恍鄬訒?huì)在開(kāi)發(fā)注水過(guò)程中產(chǎn)生活化現(xiàn)象[14-15]。故本次研究利用動(dòng)態(tài)方法對(duì)斷層封閉性進(jìn)行判斷。

3.2.1 區(qū)塊封閉性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法

目前研究區(qū)主要有4個(gè)注水的斷塊，各斷塊內(nèi)的注入量和井底壓力是判斷其地下是否虧空、超破裂壓力注水及斷層封閉性的重要依據(jù)。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際生產(chǎn)情況，本次研究采用B.B.威廉斯法[16]計(jì)算地層破裂壓力：

p梯=0.230 7[A+4.335×(4.335C-A)pd/H]

(2)

p破=Hp梯

(3)

注水井流壓的計(jì)算[17]采用公式(4)，以最大破裂壓力的85%作為注水井最大注入流壓。

p流壓=p井口+p靜-p摩

(4)

上式中：p梯為巖石破裂壓力梯度，MPa/m；A為巖石破裂壓力常數(shù)，0.33～0.5，本次取值為0.4；C為上覆巖石壓力梯度常數(shù)，0.23～0.25，本次取值為0.23；pd為地層壓力，MPa；H為目的層中深，m；p破為油層巖石破裂壓力，MPa；p流壓為注水井流壓，MPa；p井口為井口注水壓力，MPa；p靜為靜水柱壓力，MPa；p摩為摩阻損失壓力，MPa。

3.2.2 W 2井封閉性評(píng)價(jià)

據(jù)上文斷裂系統(tǒng)特征研究和靜態(tài)法評(píng)價(jià)斷層封閉性研究認(rèn)為，W 2井注水區(qū)塊緊靠張東-海4井?dāng)鄬由仙P，且井網(wǎng)密度最大，為重點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū)塊。截止到目前，W 2井?dāng)鄩K地下累計(jì)產(chǎn)液400×104m3，累計(jì)注水316×104m3，累計(jì)地下虧空84×104m3，累計(jì)注采比為0.79。

W 2井區(qū)平均破裂壓力梯度0.021 8 MPa/m，其中油藏中深為2 899 m(垂深)，計(jì)算該井井底油層巖石破裂壓力為63.2 MPa。該區(qū)塊注水井L 1井最高井口注水壓力為11.57 MPa，靜水柱壓力為28.98 MPa，井筒摩阻損失壓力以靜水柱壓力5%的系數(shù)計(jì)算,為1.449 MPa，計(jì)算出最高井底流壓為39.06 MPa，為破裂壓力的61.87%。該井為該區(qū)塊最高井底注水壓力井，通過(guò)分析認(rèn)為該區(qū)塊處于安全注水范圍。

應(yīng)用相同的技術(shù)方法，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)其他注水區(qū)塊也在安全注水范圍。但是根據(jù)陸相儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，注入地下水為非均勻推進(jìn)，局部可能存在強(qiáng)水道突進(jìn)，因此注水井應(yīng)遠(yuǎn)離大斷層，特別是通天斷層，靠近大斷層應(yīng)以采油井為主，并時(shí)刻觀察其壓力變化。當(dāng)采油井井底壓力超過(guò)安全壓力時(shí)，應(yīng)暫停注水，分析壓力增大原因，防止產(chǎn)生憋壓，排除安全隱患，避免造成斷層活化，直至壓力降到安全范圍后再繼續(xù)注水。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)二級(jí)斷層及部分三級(jí)斷層具有通天斷層的特征，同時(shí)作為生長(zhǎng)斷層，在活動(dòng)停歇期主要起封閉作用，在活動(dòng)期可能引起較強(qiáng)的串通和竄流作用，在主斷層附近區(qū)域白云巖地層裂縫更為發(fā)育。

(2)通過(guò)斷層泥比率SGR法，計(jì)算各種機(jī)理擠入斷裂帶的泥頁(yè)巖比例，可以定量評(píng)價(jià)開(kāi)發(fā)前的原始斷層封閉性?？紤]到通天斷層橫向上具有延伸范圍廣的特征，各段斷距變化較大，需要分段評(píng)價(jià)斷層封閉性。

(3)僅從靜態(tài)角度分析斷層封閉性會(huì)產(chǎn)生片面性，因?yàn)橛幸恍鄬訒?huì)在開(kāi)發(fā)注水過(guò)程中產(chǎn)生活化現(xiàn)象，需要?jiǎng)討B(tài)分析區(qū)塊的注采比、地層破裂壓力、最大注水壓力，保證合理的注水壓力；注水井與大斷層之間應(yīng)有采油井作為泄壓井，同時(shí)需要關(guān)注區(qū)塊的壓力變化，保證合理安全注水。