斷層封閉性評價及斷圈含油氣預測

聞竹，付曉飛，呂延防

（1. 中國地質大學（北京） 海洋學院，北京，100083；2. 東北石油大學 CNPC斷裂控藏實驗室，黑龍江 大慶，163318；3. 非常規油氣成藏與開發省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶，163318）

斷層封閉性評價及斷圈含油氣預測

聞竹1，付曉飛2， 3，呂延防2， 3

（1. 中國地質大學（北京） 海洋學院，北京，100083；2. 東北石油大學 CNPC斷裂控藏實驗室，黑龍江 大慶，163318；3. 非常規油氣成藏與開發省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶，163318）

在全面剖析斷層封閉機制的基礎上，提出針對不同封閉機制的斷層封閉性定量評價方法，明確控制斷層圈閉油水關系的控制因素。研究結果表明：斷層封閉機制主要是物性封閉和水力封閉，其中物性封閉包括3型5類：即巖性對接封閉、斷層巖封閉（碎裂巖封閉、層狀硅酸鹽-框架斷層巖封閉和泥巖涂抹封閉）和膠結封閉。針對不同封閉機制提出3種定量評價方法：基于巖性對接封閉提出的利用Allan圖解定量評價斷層封閉性方法；基于斷層巖封閉提出的利用 SGR定量評價斷層封閉性方法；基于斷層穩定性提出的利用臨界流體壓力定量評價斷層封閉性方法。決定斷層圈閉油水分布的關鍵是斷層側向封閉能力，但成藏期后斷層活動也會導致大量油氣散失和調整。對于致密儲層而言，通常是巖性對接和斷層穩定性決定斷層圈閉油水分布；而對非致密砂泥互層儲層而言，通常是斷層巖封閉和斷層穩定性決定斷層圈閉油水分布。

斷層；封閉性；巖性對接；斷層巖；穩定性；含油氣性

早在1955年AAPG年會《石油產出》緒論中提出18個問題［1］，其中“斷層一般作為運移的通道還是運移的遮擋物”的問題引起了廣泛的關注。自此勘探地質學家開始意識到斷層封閉的重要性［2］，斷層巖性并置的概念模型因此建立，斷層封閉性研究也得到了毛細管壓力理論的支持［3］，確定多種控制斷層封閉因素，其中泥巖涂抹作用是主要因素［4］，并開始對斷層巖組構與巖石物性方面進行研究［5］。SMITH等［7-8］對“sealing fault”和“fault seal”這些術語進行推廣和運用，斷層封閉性研究的完善理論格架得以建立。測井技術與3D高分辨率地震的結合大大提高了對斷層的識別，以野外露頭和巖心分析為依據，對斷裂帶結構有了更直觀的了解［6］，確定了斷裂帶二分結構特征：斷層核與破碎帶，并識別出斷層巖的多種類型［7-8］，分析不同類型斷層巖形成的地質條件，建立了斷層巖相的概念［9］，了解其封閉作用。針對碎屑巖斷層形成的斷層巖封閉，BRETAN等［10-12］建立了斷層帶斷層泥比率與封閉最大烴柱高度的關系，實現了碎屑巖斷層側向封閉性的定量評價。自此開始確立了從定性到定量的轉化、多種因素作用下的斷層封閉性評價方法［13］。然而，斷層帶內部結構和封閉性評價方法的結合具有不確定性，因此，依據斷層帶內部結構，總結斷層封閉性定量評價方法具有重要意義。本文作者在系統研究斷裂帶內部結構的基礎上，分析斷層側向封閉的機理及影響因素，總結斷層封閉性定量評價方法，基于前人涉及到的多種方面，最終確定更合理的斷層封閉性定量評價方法。

1　斷層封閉機制

1.1斷裂帶內部結構及物性封閉機制

1.1.1斷裂帶內部結構及斷層封閉機制

斷層為多次地震滑動，形成復雜并經歷多期演化的復雜地質體。斷裂滑動不依照相同斷層面，源于斷層巖的應變硬化特征。不同斷層面與被帶到斷裂帶內形變的兩側圍巖構成了斷層核。斷層核由滑動面、斷層巖和構造透鏡體組成。斷層的位移多數被斷層面消耗。圍巖塊體被卷到斷裂帶內的稱為構造透鏡體。斷層巖的劃分要綜合分析各方面，其中母巖的性質與斷裂變形時期的斷裂變形機制共同決定了斷層巖的分類。斷層巖主要分為：碎裂巖系列，如斷層角礫巖-碎裂巖-斷層泥；層狀硅酸鹽-框架斷層巖；泥巖涂抹和膠結成因的斷層巖，主要是壓溶型斷層巖和填充型斷層巖，后者常見類型有瀝青塞、二氧化硅膠結和方解石膠結等。在斷裂滑動不斷累積的情況下，許多裂縫或變形帶在兩側圍巖中產生，使圍巖被改造切割，而發生變形的這個區域稱為破碎帶［14］。由此可見斷裂帶是有斷層核與破碎帶這樣二元結構的特征（圖1）［14-15］。CAINE等［15］的研究表明，斷層核起到了主要的封閉作用，而破碎帶則起到了主要的輸導作用。斷層巖的排替壓力比兩側圍巖的壓力高（圖2），所以斷層核中的斷層巖具有側向封閉的作用［8］。

1.1.2斷層的封閉類型及判識

斷層的封閉類型取決于斷層兩盤巖性對接情況及斷層核中斷層巖的類型［10］，巖性對接是最重要的封閉類型，無論斷裂帶斷層核成分種類，只要油氣運移盤與對盤致密巖性相對接，就認為斷層側向是封閉的。斷層兩盤的巖性、成巖程度和斷裂變形時間共同控制斷層巖分類，總體劃分4種情況。

1） 在未固結或半固結階段淺表條件下會發生斷裂變形作用；純凈砂巖中主要會發生顆粒重排以及定向排列，形成解聚帶。該情況的封閉性較差，滲透率為 1.0×10-3～10 μm2。剪切型涂抹作用發生在泥巖中［16］，封閉性較好。砂巖與泥巖的混合在砂泥薄互層中時有出現。產生的斷裂填充物較勻稱［11］。隨著斷層活動的停止，斷裂填充物與兩側圍巖在上覆沉積物不斷增加的情況下，一同經過成巖作用，最終會導致封閉能力不斷增加。而對于封閉性較差的解聚帶來說，有效的封閉作用只發生在地溫超過 90 ℃［17］、石英出現壓溶膠結作用的情況下。

圖1　砂-泥巖地層斷裂帶內部結構模式圖Fig. 1　Mode of internal structures in fault zone of sandstone and mudstone formation

圖2　不同類型斷層巖物性特征Fig. 2　Physical properties of different types of fault rocks

2） 在中等成巖階段（有效應力＜5 MPa）有斷裂變形作用發生，脆性的純凈砂巖由于碎裂作用而形成碎裂巖，滲透率一般為1.0×10-3～ 10 μm2，該情況的封閉能力相對較差。塑性泥巖會發生剪切型泥巖涂抹。對于膏巖和鹽巖則與塑性泥巖不同，由于表現為流動變形，很少會發生剪切型泥巖涂抹。

3） 在晚成巖階段（有效應力＞10 MPa），在地溫大于90 ℃情況下，純凈砂巖中的石英在劇烈碎裂作用下發生壓溶膠結，其滲透率為1.0×10-7～1.0×10-5μm2。同樣，泥巖能形成剪切型泥巖涂抹。在中-高成巖階段，硅酸鹽體積分數為14%～40%的不純凈砂巖會發生斷裂變形，生成層狀硅酸鹽-框架斷層巖［18］，這種斷層巖在陸相砂泥巖地層中最為常見。通過混合作用和層狀硅酸鹽涂抹作用，其滲透率為 1.0×10-7～1.0×10-2μm2，該情況的封閉性較強。

4） 在抬升階段，早期斷層再活動的封閉條件在斷裂變形中遭到破壞，包括泥巖和膏鹽在內，成巖程度比較高的巖層抬升到地表以后，同樣可生成填充斷層泥的混合型斷裂帶［11］。因此，從斷層兩盤巖性對接關系、斷裂變形機制及形成的斷層巖類型看封閉類型，主要有5類（圖3）：對接封閉、碎裂巖封閉、層狀硅酸鹽-框架斷層巖封閉、泥巖涂抹封閉和膠結封閉。斷裂帶中泥質體積分數（φRSG）和成巖程度決定斷層巖類型，FISHER等［19］研究表明（圖4），當斷裂帶φRSG小于15%時，斷層巖為碎裂巖，由于斷層泥體積分數較低，碎裂巖在多數情況下封閉能力較差，但在埋藏深、地溫超過90 ℃時，石英壓溶膠結作用會增強碎裂巖的封閉能力；當斷裂帶φRSG為15%～50%時，斷層巖就是層狀硅酸鹽-框架斷層巖；當斷裂帶φRSG超過50%時，斷層巖就是泥巖涂抹。

圖3　斷層封閉類型及機制模式圖Fig. 3　Mode of fault seal types and mechanism

1.2斷層穩定性及水力封閉機制

活動斷層對油氣聚集非常不利，通常在活動期斷層是垂向導通的，作為流體運移的集中通道［20-22］，因此，斷層現今穩定狀態對于斷層相關圈閉的有效性較重要?，F今的斷層穩定性的評價在于明確斷層巖強度與地應力狀態和流體壓力之間的定量關系（圖5）。定義庫侖破裂系數為

式中：KPP為庫倫破裂系數，量綱為 1；τnet為斷面剪應力，MPa；（Sn-Pp）為有效正應力，MPa；Sn為斷面正壓力，MPa；Pp為孔隙壓力，MPa；μ為滑動摩擦因數。

當KPP=0，即τnet-μ（Sn-Pp）=0，斷層處于滑動臨界狀態，此時的有效應力稱為臨界有效應力，Pp稱為臨界孔隙壓力；KPP＜0時，斷層穩定，斷層是封堵的，有效應力越大，其封堵的可能性越大；反之斷層是開啟的。選擇用 KPP的正負值表示斷層現今穩定狀態，結果更直觀。

2　斷層封閉性定量評價

建立斷層封閉性定量評價標準是為了確定斷層面屬性和封閉烴柱高度之間的關系，從而達到預測的目的。目前，提出了3個系列定量評價方法：1） 基于巖性對接提出的定量評價方法［10］；2） 基于斷裂帶 SGR預測，去定量評價斷層封閉性［13， 23-24］；3） 基于斷層穩定性，根據應力狀態去定量評價斷層封閉性［25］。這 3種方法實際是從毛細管封閉和水力封閉2個角度去定量評價斷層的封閉性。

2.1基于巖性對接定量評價斷層封閉性方法

無論斷裂帶內部結構與斷層核中斷層巖性質如何，當滲透性地層的斷層一盤與為非滲透性地層的斷層另一盤對接時，斷層側向就是封閉的［3，26］。這種巖性對接模式在正斷層、逆斷層和走滑斷層都是成立的，以及各種沉積環境地層也同樣適用。若斷層發育斷層巖，則這種巖性對接模式對斷層封閉就不起作用了，而是取決于斷層巖。因此，對接封閉主要劃分為2種類型［10］：1） 沒有徹底切斷主力砂巖儲層的規模較小的斷層，此時體現為巖性對接封閉；2） 像火山巖、碳酸鹽巖或是致密砂巖這樣的脆性地層，可能形成不具備封閉能力的斷層角礫巖，則此時斷層表現為巖性對接封閉。編制圈閉范圍斷層的Allan圖解（圖6），即可定量判斷巖性對接封閉的最大烴柱高度和有效的圈閉面積。

圖5　斷層穩定應力機制及封閉的烴柱高度Fig. 5　Fault stability stress mechanism and hydrocarbon column height

2.2基于斷裂帶φRSG定量評價斷層封閉性方法

YIELDING等［23， 13］斷層與埋深的關系確立了斷裂帶φRSG與斷層支撐的壓力之間的定量關系為

式中：PAFD為地下同一深度斷層面兩側上下盤的壓力差，即斷層面支撐的壓力，Pa；φRSG為斷裂帶中泥質體積分數，%；c為常數，埋深不同該參數賦值不同，當埋深小于3.0 km時，c為0.5，當埋深為3.0～3.5 km時，c為0.25，當埋深超過3.5 km時，c為0；d為受實際地質條件影響的變量，不同盆地或同一盆地的不同區域不盡相同。獲取d或標定該公式有2個途徑：1） 在滾動勘探開發區塊，利用斷層兩盤壓力差資料進行標定，建立φRSG與其所能支撐的對大烴柱高度之間的函數關系，確定d，如北海盆地d為27［23］；2） 在早期評價區塊，沒有更多的斷層兩盤壓力差資料，只能根據油藏已知油水界面去間接標定公式。假定研究區d為一定值，根據控制油藏斷層實際φRSG分布計算所能封閉的最大烴柱高度和油水界面，若所得結果就是實際油水界面，則設定的d為正確，因此，確立研究區φRSG與斷層面支撐的烴柱高度關系。此定量關系，可計算任何斷層圈閉所能封閉的最大烴柱高度。

斷層面兩側上下盤的壓力差（PAFD）與其支撐的烴柱高度間的關系為

式中：ρw為地層水密度，g/cm3；ρh為烴類密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；H為烴柱高度，m。

油氣開始滲漏時圈閉油氣的浮壓等于斷層面支撐的壓力，即式（2）和式（3）相等，斷層封閉的最大烴柱高度HSeal為

式中：HSeal為斷層封閉的烴柱高度，m。

這種定量預測主要考慮了斷移地層巖性和斷距共同決定的斷裂帶φRSG及斷層巖類型，也考慮了流體性質對封閉性的影響。

2.3基于斷層穩定性提出的斷層封閉性定量評價方法

基于斷層穩定性，斷層封閉的烴柱高度取決于臨界孔隙流體壓力與實際孔隙流體壓力的差異，即

式中：HStability為斷層穩定性支撐的油氣柱高度，m； ΔP為臨界孔隙壓力與靜水壓力之差，MPa；gwater為水相壓力梯度；gHC為烴類壓力梯度。

3　斷層封閉性對圈閉含油氣性影響

3.1巖性對接封閉和斷層滑動控制圈閉的含油氣性

斷層側向封閉能力決定了斷層圈閉聚集油氣能力，即斷層側向封閉能力決定斷圈封閉的烴柱高度和油水界面［10］。但油氣聚集后斷層一旦活動，將導致大量油氣滲漏。因此，斷層側向封閉性和穩定性共同決定圈閉的含油氣性。典型實例為庫車凹陷大北1圈閉，該圈閉為F1和F2鹽下逆沖斷裂共同控制的一個斷背斜圈閉（圖 6，據塔里木油田，2012），構造高點為-3 700 m，溢出點為-4 375 m，圈閉幅度為675 m，閉合面積為55.6 km2。儲層為白堊系下統巴什基奇克組致密砂巖，孔隙度為0.90%～8.40%，一般為4.02%，滲透率為1.0×10-5～2.97×10-4μm2，一般為6.1×10-5μm2。蓋層為古近系庫姆格列木組膏鹽巖［27］。斷裂在致密砂巖中變形形成典型的斷層角礫巖，因此，斷層側向封閉為巖性對接，根據主控斷裂 F2巖性對接關系（圖7），確定大北1圈閉氣水界面為-4 196 m，而實際氣水界面為-3 850 m，預測的氣柱高度為496 m，比實際氣柱高度多326 m。通過對F2斷層壓力特征分析發現，相同深度兩側壓力存在差異，因此，穩定的斷層其側向是封閉的。而利用地應力及儲層流體壓力資料對 F2斷層穩定性評價得出，斷層實際控圈范圍內（-4 196～ -3 800 m）的斷面滑動趨勢極強（圖8），即現今應力狀態下斷層是不穩定的，對上覆泥巖蓋層垂向封閉能力具有較強的破壞作用，不利于天然氣的保存。

在已知的應力場中，斷層面的滑動趨勢取決于摩擦性質和作用于斷層面的剪切應力與正應力之比，摩擦性質主要受巖石類型的控制，即

圖6　庫車凹陷大北構造圈閉分布圖Fig. 6　Distribution of Dabei structural trap in Kuqa depression

式中：Ts為滑動趨勢；τ為作用于斷層面上的剪切應力，MPa；σ0為作用于斷層面上的有效正應力，MPa；Pf為孔隙流體壓力，MPa。

3.2斷層巖封閉和斷裂再活動控制圈閉含油氣性

海拉爾—塔木察格盆地TN凹陷發育大量斷圈（圖9），油氣主要聚集在白堊系下統銅缽廟組（原生油藏）和南二段儲層（次生油藏）中，南一段為區域性蓋層。圖中B圈閉為典型的斷圈，為此次研究對象（圖10（a）），其最大閉合等高線為-1 300 m，幅度為300 m，油水界面為-1 840 m（圖10（b）），分析斷層兩盤巖性對接關系得出斷層面φRSG（圖10（c））。根據斷層面φRSG確定斷層巖類型為層狀硅酸鹽-框架斷層巖。計算得圈閉中各點所支撐的烴柱高度（圖10（d）），圖10（e）～（g）所示為其與深度關系的散點圖。斷層面在對應深度下所支撐的最小烴柱高度就是外包絡線上的點的值，根據木桶定律，包絡線上的最小值才是斷層所能封閉的最大烴柱高度。F4，F5及F6這3條斷層共同約束A圈閉，計算出各斷層所能支撐的烴柱高度和對應的油水界面，帶入假設為16的d求出斷圈整體封閉烴柱高度為214.5 m，與實際烴柱高度一致（表1），由此可建立該盆地目的層斷層封閉烴柱高度與斷層面φRSG的相互關系，即

圖7　大北1圈閉F2斷裂巖性對接Allan圖Fig. 7　Allan diagram of lithology juxtaposition of fault F2 in Dabei 1 trap

圖8　大北1圈閉F2斷裂滑動趨勢預測Fig. 8　Slide tendency prediction of fault F2 in Dabei 1 trap

圖9　海拉爾—塔木察格盆地TN凹陷斷圈分布及含油氣性Fig. 9　Fault traps distribution and petroliferous property of TN depression in Hailaer—Tamtsag basin

圖10　TN盆地A圈閉特征及斷層側向封閉能力評價Fig. 10 A trap character and evaluation of fault lateral sealing ability in TN basin

利用該方法計算了各斷圈油水界面（圖9），基本與實際鉆探結果相吻合。只有F1，F9和F19斷層控制的斷圈在銅缽廟組未鉆遇工業油流，卻在南二段鉆遇工業油流。斷裂演化史研究表明［28］，是成藏期后斷裂再活動，導致泥巖涂抹失去連續性（圖9），油氣垂向調整的結果。

表1　假定不同d斷層封閉決定的油水界面與A圈閉實際油水界面（-1 184 m）對比Table 1 Correlation between forecasting and actual OWC （-1 184 m） from fault sealing according to different d in A trap

4　結論

1） 斷層封閉機制主要是物性封閉和水力封閉，物性封閉包括3型5類：即巖性對接封閉、斷層巖封閉（碎裂巖封閉、層狀硅酸鹽-框架斷層巖封閉和泥巖涂抹封閉）和膠結封閉，水力封閉是指在遮擋物物性封閉能力極強的條件下，流體使遮擋物發生水力破裂前的封閉特性，水力封閉能力受控于水平最小主應力與巖石抗張強度。決定斷層圈閉油水分布的關鍵是斷層側向封閉能力，但成藏期后斷層活動也會導致大量油氣散失和調整。

2） 針對不同封閉機制提出了3種定量評價方法：基于巖性對接封閉提出的利用Allan圖解定量評價斷層封閉性方法；基于斷層巖封閉提出的利用SGR定量評價斷層封閉性方法；基于斷層穩定性提出的利用臨界流體壓力定量評價斷層封閉性方法。

3） 對于致密儲層而言，通常是巖性對接和斷層穩定性決定斷圈油水分布；而對非致密砂泥互層儲層而言，通常是斷層巖封閉和斷層穩定性決定斷層圈閉油水分布。

4） 庫車凹陷大北1圈閉儲層致密，斷層側向封閉主要依靠巖性對接，預測的烴柱高度比實際烴柱高度大，斷層穩定性分析認為，大北圈閉主控斷層 F2易于滑動，可能會導致大量天然氣散失。海拉爾—塔木察格盆地TN凹陷斷裂主要為斷層巖封閉，大部分圈閉預測的油水界面與實際鉆探結果吻合，但3條斷裂在成藏期后活動，導致泥巖涂抹失去連續性，油氣被調整到區域性蓋層之上的南二段地層中。

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（編輯 劉錦偉）

Evaluation of fault seal and hydrocarbon potential prediction of fault traps

WEN Zhu1， FU Xiaofei2， 3， Lü Yanfang2， 3

（1. School of Ocean Sciences， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing 100083， China；2. Laboratory of CNPC Fault Controlling Reservoir， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China；3. Unconventional Oil/Gas Accumulation and Development，Province and Ministry Build State Key Laboratory Breeding Base， Daqing 163318， China）

Based on the overall analysis of the fault seal mechanism， the quantitative evaluation methods of fault seal for different fault seal mechanisms were proposed， and the controlling factors of oil-water relationship of fault traps were determined. The results show that the main fault seal mechanisms are property sealing and hydraulic sealing. The property sealing includes three types and five classes： the lithology juxtaposition sealing， fault rocks sealing （cataclasite sealing， phyllosilicates-framework fault rocks sealing and clay smear sealing） and cementation sealing. According to the different seal mechanisms， three quantitative evaluation methods are presented. First， the sealing of faults with the type oflithology juxtaposition sealing can be evaluated quantitatively by use of Allan graph； second， the sealing of faults with the type of the fault rocks sealing can be evaluated quantitatively by use of SGR value； third， based on the fault stability， the sealing of fault is evaluated quantitatively by use of the pressure of the critical fluid. The key to control the oil-water distribution of fault traps is the fault lateral seal ability. However， the fault activities will also lead to a lot of hydrocarbon dissipation and adjustment after accumulation period. For the tight reservoirs， the oil-water distribution of fault traps usually is controlled by the lithology juxtaposition and fault stability， and for the non-tight sandstone and mudstone reservoirs， the fault trap oil-water distribution is usually controlled by the fault rocks sealing and fault stability.

fault； seal； lithology juxtaposition； fault rock； stability； hydrocarbon potential

TE122.3

A

1672-7207（2016）04-1209-10

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.018

2015-04-13；

2015-06-20

（Foundation item）：國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2012CB723102）；國家重大科技專項（2011ZX05003-001）；國家自然科學基金資助項目（41272151）；黑龍江省普通高等學校新世紀優秀人才培養計劃項目（1221-NCET-015）；中國石油科技創新基金資助項目（2012D-5006-0107）；教育部科學技術研究重點項目（212041）（Project （2012CB723102） supported by the National Basic Research Development Program（973 Program） of China； Project（2011ZX05003-001） supported by the National Science and Technology Major Program of China； Project （41272151） supported by the National Science Foundation of China； Project （1221-NCET-015） supported by the Training Plan for theNew Century Excellent Talents in University of Heilongjiang； Project （2012D-5006-0107） supported by the National Science Foundation of the Innovation Fund of China National Petroleum Corporation； Project （212041） supported by the Key Project of Chinese Ministry of Education）

付曉飛，教授，從事斷裂變形、封閉性及流體運移研究；E-mail：Fuxiaofei2008@sohu.com