泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力綜合評價方法

姜 振 海

(中國石油大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江大慶 163113)

0 引言

隨著油氣勘探的不斷深入，人們逐漸認識到在含油氣盆地中的泥巖蓋層在形成后或多或少地都會受到斷裂破壞，使其封閉油氣能力發生不同程度的降低，造成油氣滲濾、散失。因此，能否準確地評價泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力是油氣資源評價不可缺少的內容。關于斷裂垂向封閉性評價方法前人曾做過大量探討，目前有兩種常用方法：①通過對比斷層面受到的正壓力與泥巖發生塑性變形所需的最小壓力的相對大小研究斷裂垂向封閉性，如果前者大于后者，則斷層面附近的泥巖發生塑性變形流動，堵塞斷層面在正壓力作用下發生緊閉后遺留滲漏空間，形成垂向封閉；反之，則不能形成垂向封閉[1-13]。②將斷裂視為傾置于圍巖中的巖層，通過比較斷層巖排替壓力和下伏儲層巖石的排替壓力的相對大小研究斷裂垂向封閉性，如果前者不小于后者，則斷裂垂向封閉；反之，則斷裂垂向不封閉[14-19]。上述方法對含油氣盆地中斷裂垂向封閉性評價具有重要意義，但也存在不足之處。第一種方法是將斷裂兩盤視為面接觸，只要斷層面緊閉，斷裂即可垂向封閉，而沒有考慮斷裂填充物成分的影響，這無疑影響斷裂垂向封閉性評價的準確性。第二種方法從影響斷裂垂向封閉機理的斷層巖排替壓力出發，研究斷裂垂向封閉性，在理論上是可行的，但泥巖蓋層中斷裂垂向封閉能力除了受斷層巖排替壓力影響外，還受斷裂對泥巖蓋層的破壞程度(斷接厚度或殘留厚度，其大小等于泥巖蓋層厚度減去斷裂斷距)、下伏儲層中剩余壓力的影響。斷接厚度越大，則斷裂帶填充物泥質含量越高，垂向封閉能力越強；反之則越弱。下伏儲層中剩余壓力越大，油氣越易穿過泥巖蓋層中的斷裂發生滲濾、散失，則垂向封閉能力相對越小；反之則越強。現有的斷裂垂向封閉性評價方法均未考慮泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲層剩余壓力的影響，可能會給油氣勘探帶來一定風險。因此，開展泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力綜合評價方法研究，對于正確認識含油氣盆地油氣分布規律具重要意義。

1 泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力及其影響因素

當斷裂破壞泥巖蓋層時，如果泥巖蓋層的斷接厚度(泥巖蓋層厚度減去斷裂斷距)不大于其封閉油氣所需的最小斷接厚度，泥巖蓋層被斷裂完全錯開，則泥巖蓋層對油氣無垂向封閉能力，其內的斷裂也無垂向封閉油氣能力(圖1a)；相反，如果泥巖蓋層的斷接厚度小于其封閉油氣所需的最小斷接厚度，則泥巖蓋層不封閉油氣，而是斷裂封閉油氣(圖1b)。圖2為斷裂垂向封閉油氣能力影響因素示意圖。由圖可見，斷裂垂向封閉油氣能力應主要受斷層自身封閉能力(斷層巖的排替壓力)、泥巖蓋層的斷接厚度、下伏儲層油氣剩余壓力等3個因素的影響。斷層巖排替壓力越大、泥巖蓋層斷接厚度越大、下伏儲層油氣剩余壓力越小，泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力越強；反之則越弱。

圖1 斷裂對泥巖蓋層破壞程度與垂向封閉關系示意圖

圖2 斷裂垂向封閉油氣能力影響因素示意圖

斷層巖是在斷裂形成過程中，被斷裂破壞的兩盤巖石碎屑落入斷裂帶中形成的斷裂填充物，當斷裂停止活動后，在上覆沉積載荷重量、區域主壓應力、地表水所攜帶礦物質沉淀與膠結等作用下逐漸壓實成巖形成的[20-21]。斷層巖的泥質含量、壓實成巖程度越高排替壓力越大。斷裂對泥巖蓋層的破壞程度表現為泥巖蓋層的斷接厚度，其值越大，斷裂對泥巖蓋層破壞程度越小，斷層巖中泥質含量越高，垂向封閉油氣能力越強[22]。下伏儲層油氣剩余壓力越大，油氣在此壓力作用下通過斷裂向外滲濾、散失的能力越強，越不利于斷裂垂向封閉油氣；反之則有利于斷裂垂向封閉油氣。

2 泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力綜合評價方法

綜上所述，泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力主要受斷層巖排替壓力、泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲層油氣剩余壓力的影響，應是3個影響因素綜合作用的結果，因此可以利用油氣在剩余壓力作用下通過斷裂滲濾、散失速率的相對大小(式1)綜合反映泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力

(1)

式中：V為油氣在剩余壓力作用下通過斷裂的滲濾、散失速度； ΔP為下伏儲層油氣剩余壓力；Pf為斷層巖排替壓力；Hf為泥巖蓋層斷接厚度。

由式(1)可見：V值越小，表明油氣越不易在剩余壓力的作用下通過斷裂發生滲濾、散失，斷裂垂向封閉油氣能力越強；反之亦然。假設斷裂為圍巖地層內的傾斜巖層，可以按照泥巖蓋層排替壓力求取方法求得斷層巖排替壓力。由于泥巖蓋層排替壓力主要受壓實成巖埋深和泥質含量的影響[21]，因此只要確定斷層巖壓實成巖埋深和泥質含量，便可求得斷層巖排替壓力。由于斷層巖的物質成分主要來自斷層兩盤地層，故可以假設斷層巖的壓實成巖速率與泥巖蓋層壓實成巖速率相近，由此可以得到斷層巖的壓實成巖埋深，即

(2)

式中：Zf為斷層巖壓實成巖埋深；Z為泥巖蓋層壓實成巖埋深；T0為斷層巖壓實成巖時間，為從斷裂停止活動至今的時間；T為泥巖蓋層壓實成巖時間，為從其沉積開始至今的時間。

式(2)中的Z(若上覆地層無明顯的抬升剝蝕，可用現今埋深代替)可根據鉆井和地震資料求得,T為泥巖蓋層的地質年代,T0為斷裂向上延伸處地層的地質年代。將確定的Z、T0、T代入式(2)，便可求得Zf。再根據

(3)

便可以得到斷層巖泥質含量。式中：Rf為斷層巖泥質含量；Hi為被斷裂錯斷的第i層巖層厚度；Ri為被斷裂錯斷的第i層巖層泥質含量；n為被斷裂錯斷的巖層數；L為斷裂斷距。

將確定的Zf和Rf代入

Pf=aexp(bZfRf)

(4)

便可求得斷層巖排替壓力[21]。式中a、b為與地區有關的常數。

泥巖蓋層斷接厚度Hf可以由鉆井和地震資料獲得的泥巖蓋層厚度減去斷裂在泥巖蓋層內的斷距得到。

下伏儲層油氣剩余壓力ΔP可以利用

ΔP=(k-1)ρwZc

(5)

求得。式中：Zc為儲層埋深；k為儲層地層壓力系數；ρw為地層水平均密度。

將上述確定的斷層巖排替壓力Pf、泥巖蓋層斷接厚度Hf和下伏儲層油氣剩余壓力ΔP代入式(1)，便可求出油氣在剩余壓力作用下通過斷裂發生滲濾、散失速率V，從而綜合評價斷裂垂向封閉油氣能力。

3 實例應用

呼和諾仁構造位于貝爾凹陷西部斜坡的西南部，是一個受斷裂F1上傾遮擋的北東向的繼承性斷鼻構造(圖3)。該構造目前已發現的油氣主要分布在南二段，蓋層為大一段泥巖。斷裂F1為呼和諾仁構造帶頂部的一條犁式斷層，走向為北東向，傾向為北西向，傾角為15°～50°，上陡下緩，延伸長度為13.4km(圖4)。斷裂F1雖然錯斷了大一段泥巖蓋層，斷接厚度為17.56～121.47m，只有測點2處泥巖蓋層厚度大于其封閉油氣所需的最小斷接厚度(107～119m，圖5)，其余14個測點均需研究斷裂F1的垂向封閉能力。

圖3 呼和諾仁構造斷裂F1與油氣分布關系圖

圖4 呼和諾仁構造南二段油氣藏剖面圖

由呼和諾仁構造南二段油氣藏剖面圖(圖4)可以統計出14個測點處的大一段泥巖蓋層埋深，由鉆井和地震資料可以得到斷裂F1在大一段泥巖蓋層內的斷距、泥巖蓋層厚度值(表1)，由地質年代表可以得到大一段泥巖蓋層壓實成巖時間T約為127.5Ma。此外，由圖4可知，斷裂F1在伊一段沉積時停止活動，根據地質年代表可以得到斷裂F1

斷層巖壓實成巖時間T0約為106Ma。將上述參數代入式(2)～式(4)便可以求得斷裂F1斷層巖的壓實成巖埋深Zf、斷層巖的泥質含量Rf、斷層巖排替壓力Pf(表1)。由貝爾凹陷南二段地層壓力系數統計表(表2)可見，地層壓力系數k的平均值為0.97。利用14個測點處南二段儲層埋深Zc，由式(5)可得到南二段油氣剩余壓力ΔP(表1)。將確定的大一段泥巖蓋層斷層巖排替壓力Pf、泥巖蓋層斷接厚度Hf和下伏儲層油氣剩余壓力ΔP代入式(1)，便得到油氣在剩余壓力作用下通過斷裂F1滲濾、散失速度(表1)。可見，在呼和諾仁構造14個測點處油氣通過斷裂F1的滲濾、散失速度V均小于0，表明大一段泥巖蓋層內斷裂F1垂向封閉油氣能力相對較強，解釋了呼和諾仁構造獲得工業油流(圖3)的原因。

表1 油氣在剩余壓力作用下通過大一段泥巖蓋層內斷裂F1滲濾、散失速度計算表

注：Pf=0.8799exp(0.17167×10-3ZfRf)

圖5 貝西地區大一段泥巖蓋層封閉油氣所需的最小斷接厚度厘定圖

表2 貝爾凹陷南二段地層壓力系數統計表

4 結論

(1)泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力主要受斷層巖排替壓力、泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲層油氣剩余壓力的影響，斷層巖排替壓力越大、泥巖蓋層斷接厚度越大、下伏儲層油氣剩余壓力越小，泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力越強；反之則越弱。

(2)利用油氣在剩余壓力作用下通過泥巖蓋層內斷裂滲濾、散失速度的相對大小，建立了一套泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力的綜合評價方法。在海拉爾盆地貝爾凹陷呼和諾仁構造的應用結果表明：油氣在剩余壓力作用下通過大一段泥巖蓋層內斷裂F1滲濾、散失速度均小于0。表明大一段泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力相對較強，利于油氣在南二段聚集與保存，與目前斷裂F1附近南二段已發現大量油氣分布相吻合，表明該方法用于綜合評價泥巖蓋層內斷裂垂向封閉油氣能力是可行的。