砂—泥互層蓋層垂向封閉性定量評價

高鵬博，呂丁友，黃江波，王改衛，王海學，3

(1.東北石油大學 CNPC斷裂控藏研究室，黑龍江 大慶 163318； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；3.黑龍江省科技創新團隊“斷層變形、封閉性及與流體運移”，黑龍江 大慶 163318)

油氣勘探實踐證實，中國含油氣盆地普遍具有多層系富集特征，導致油氣縱向多層系富集的控制因素——“蓋層—斷裂”[1]。蓋層是指位于儲集層之上能夠封隔儲集層使其中的油氣免于向上逸散的保護層，多數為水潤濕的或水飽和的[2]，由于具有較高的毛細管壓力，因此能封閉住一定的烴柱高度[3]，排替壓力是其封閉能力的直接表征方法[4]。只有當油氣柱產生的浮壓超過毛細管進入壓力時，毛細管封閉失效，油氣突破蓋層垂向運移[3]。

中國含油氣盆地蓋層巖性主要為泥質巖和膏鹽巖[5]，發育3種蓋層組合模式：大套膏鹽巖蓋層、大套質純泥巖蓋層和砂—泥互層型蓋層。蓋層是油氣在圈閉中聚集成藏的關鍵因素之一，但蓋層封閉性研究一直相對薄弱，影響蓋層封閉性的主要因素包括蓋層有效性和垂向封閉性。不同盆地、不同類型蓋層測試結果表明，蓋層封閉能力遵循膏巖、泥巖、碳酸鹽巖和砂巖依次變差的規律，膏巖、泥巖和碳酸鹽巖均能封閉住幾百米到幾千米的烴柱高度(圖1)，而實際油氣藏烴柱高度遠遠低于蓋層自身所能封閉的烴柱高度，即蓋層自身封閉能力不是圈閉失利的主要因素[1，6-8]，但蓋層穩定性是油氣大規模富集的重要因素，斷層和裂縫是導致油氣垂向調整運移或散失的根本原因[4，9-11]。因此，蓋層—斷層配置關系才是影響蓋層有效性及油氣聚集和保存的關鍵。無論哪種類型的蓋層，隨著埋藏深度增加，成巖程度、物性及溫壓環境發生改變[12-14]，蓋層均發生力學性質變化，變形歷經3個過程：脆性、脆—韌性和韌性，不同變形階段蓋層封閉能力及破裂方式不同，蓋層頂部封閉能力存在差異[1]。此次重點探討的是砂泥互層型蓋層(單層泥巖層厚度較小)。理論上來講，蓋層厚度對封閉能力沒有直接影響[6-7]，但蓋層缺失或被斷層錯斷均不利于油氣聚集。因此，蓋層仍是油氣保存的重要條件，蓋層厚度越大，區域分布穩定性越大。當發生斷裂破壞作用時，蓋層厚度越大，越不容易被破壞[1，11]。如何定量評價蓋層有效性及斷層垂向封閉能力定量評價就成為油氣勘探深入探索的關鍵。本文從砂泥互層型蓋層垂向封閉性控制因素出發，借鑒砂體連通性評價思路，建立了相應的斷層垂向封閉性定量評價方法，從而有效地指導油氣勘探。

圖1 不同類型蓋層排替壓力和封閉能力

1 砂泥互層型蓋層斷層垂向封閉性控制因素

砂泥互層型蓋層具有“泥包砂”的特征，一般當斷層數量足夠多、規模足夠大時，亞地震斷層和砂體配置易于形成連通網絡，導致油氣調整或散失(圖2)[9-10]。因此，砂泥互層層序中油氣垂向富集的2個關鍵因素：①蓋層泥地比。即存在砂地比臨界，決定地層是否具備作為蓋層的條件(蓋層自身有效性)。②垂向封閉能力。數值模擬證實，砂泥互層型蓋層垂向封閉性取決于亞地震斷裂條數和泥巖層的層數[9-10](圖2)，Ingram等[9]提出應用連通概率(亞地震斷層和泥巖層的耦合關系)定量評價斷層垂向封閉。

圖2 亞地震斷層與砂體連通形成垂向運移通道模式

2 砂泥互層型蓋層自身的有效性

單層厚度和蓋地比(泥地比)是評價蓋層有效性的重要參數，一般來說，同一層位的蓋層單層厚度越大，蓋地比越高，縱向連續分布蓋層的厚度越大，分布范圍越廣[7]。King[15]利用逾滲理論探討了疊置砂巖體間的連通性問題(不考慮斷裂)，認為存在一個砂地比逾滲閥值，低于該門限值砂體之間基本不連通，當砂地比值超過某一臨界上限值時，砂體完全連通。在King[15]的砂巖體空間分布概率模型基礎上，Luo Xiaorong等[16]采用高斯擬合建立了砂巖輸導層連通概率模型。借鑒文獻[16]提出的應用砂地比定量表征砂體連通性的方法，提出了應用泥地比判定蓋層有效性的評價方法，砂體連通即代表著不能作為蓋層，而砂體完全不連通，即說明可以成為有效的蓋層，介于其間存在一定的風險概率。應用砂體連通性評價原理，構建了柴達木盆地西緣砂體連通性定量評價圖版，其中C0=0.1，C=0.55(圖3)。泥地比評價蓋層有效性可分為3級(圖3)：①泥地比小于1-C時，無法成為蓋層(非蓋層)；②泥地比介于1-C和1-C0時為中等和差的蓋層；③泥地比大于1-C0時為有效的好蓋層。因此，當泥地比大于90%時，即為好蓋層；當介于70%～90%時，則為中等蓋層；介于45%～70%時，為差蓋層；當泥地比小于45%時，則為非蓋層。

圖3 泥地比與蓋層有效性劃分模式

通過柴達木盆地油氣縱向分布與蓋層泥地比的關系可以看出，明顯存在臨界泥地比值，當泥地比大于70%時，為有效蓋層，可以封閉大量油氣，主體均為油層井；而當泥地比介于70%～45%時，蓋層連通概率明顯增加，因此導致大多數探井出現失利現象，主體均為油氣顯示井，工業油期流井極少；而當泥地比小于45%時，基本達到完全連通狀態，無法作為蓋層封閉油氣，同時探井顯示主要為水層，部分為油氣顯示井(圖4)。

圖4 上油砂山組蓋層泥地比、連通概率及與油氣富集的關系

3 砂泥互層型蓋層垂向封閉性定量評價

砂泥互層層序中，垂向滲漏機制受控于封蓋層的結構，當在大量亞地震斷層作用下形成砂—砂對接滲漏通道時，垂向封閉失效[9]，即垂向封閉性取決于砂巖層與亞地震斷層數量。基于三維地震斷層數據可以清楚地識別地下大規模斷裂，通過巖心和井資料可以對毫米—幾米級斷層進行識別[17-18]。但對于亞地震斷層，通常既不能從地震數據上識別，也不能從井資料上識別[20-21]。然而，這種斷裂是控制油氣沿蓋層滲漏的主要因素之一[19-23]。為了評價砂泥互層型蓋層垂向封閉性，Ingram等[9]構建了應用蒙諾卡羅法定量預測垂向滲漏風險的方法，該方法綜合考慮了單層泥巖層厚度、泥巖層數量、亞地震斷層數量和斷距(圖5(a))。一般來說，當亞地震斷層數量(最大斷距大于等于最大單層泥巖層厚度的斷層)是封蓋層內泥巖層數量的4倍和6倍時，垂向滲漏概率達到50%和90%(圖5(b))。

圖5 不同泥巖層數條件下斷層數/泥巖層數與垂向連通概率的關系(蒙諾卡羅法)

以柴達木盆地南翼山構造為例，油藏普遍富集在背斜高部位，油水界面并不以大斷層為邊界，因此，油氣垂向富集的控制因素并非大斷層，而是亞地震斷層和砂體連通形成的滲漏通道控制著油氣的垂向運聚規律，由砂巖層和裂縫構成的“之字型”運移通道導致油氣穿越蓋層垂向運移。斷層垂向滲漏風險評價首先需要預測亞地震斷層的數量，利用分形幾何學的方法來預測亞地震斷層數量分布是目前較為成熟，也是最為流行的一種方法，斷層和亞地震斷層數量與規模(長度或斷距)滿足一定的線性關系[24-28]。基于斷層具有自相似性原理，利用分形理論建立了柴達木盆地西緣斷層分形生長模型，即斷層長度—累積頻率圖(圖6(a))。從圖中可以明顯看出，斷層長度與累積頻率中間段具有極好的線性關系，兩端偏離線性區受控于地震分辨率和研究區統計范圍有限性。因此，選擇直線段二者線性關系可以有效預測亞地震斷層數量(圖6(a))。南翼山構造帶是柴達木盆地西緣一個重要的油氣富集構造，由于研究區域范圍的限制，需要校正南翼山構造帶斷層長度—累積頻率關系圖版。從南翼山構造圖上可以發現，該區發育4條長度大于26 km的斷層，因此，基于南翼山構造斷層條數和長度關系以及柴達木盆地西緣斷層生長冪率規律，構建了南翼山構造帶斷層長度—累積頻率關系圖版(圖6(a))。

據統計，上干柴溝組、下油砂山組和上油砂山組地層最大單層泥巖層厚度分別為14、20、10 m，只有斷層斷距大于最大單層泥巖層厚度才會使相鄰滲漏層發生對接，從而導致形成之字形運移通道。因此，按照最大單層泥巖層厚度計算有效泥巖層數，上干柴溝組、下油砂山組和上油砂山組地層相應的有效泥巖層數(蓋層厚度/最大單層泥巖層厚度)分別為60、44和144個(表1)。通過斷層長度和最大斷距關系(圖6(b))，可以得到二者在對數坐標近似滿足100/1(長度/斷距)的趨勢線，結合斷層長度—累積頻率關系(圖6(a))，可以得出上干柴溝組、下油砂山組和上油砂山組地層斷距大于最大單層泥巖厚度的亞地震斷層條數分別為472、131和289條(表1)。通過垂向連通概率與斷層數/泥巖層數的定量評價圖版(圖5(b))，可以判定上干柴溝組、下油砂山組蓋層垂向發生滲漏概率分別為52%、63%(圖5(b))，油氣向淺層調整風險性較高，而上油砂山組蓋層垂向連通概率大約為2%(圖5(b))，具有較低風險(表1)。從實際油氣分布規律來看，南翼山構造油氣具有淺層油層面積大于深層油氣面積特征(圖7)，這一現象與斷層垂向封閉風險性評價結果具有較好的一致性。

圖6 斷層生長屬性規律

表1 南翼山構造帶砂泥互層型蓋層滲漏定量評價

圖7 南翼山構造油氣運移成藏模式

4 結論

(1)借鑒羅曉容等提出的應用砂地比定量表征砂體連通性的方法，構建了柴達木盆地西緣砂泥互層型蓋層有效性定量評價圖版。通過柴達木盆地油氣縱向分布與蓋層泥地比的關系可以看出，當泥地比大于70%時，為有效蓋層；當泥地比介于70%～45%時，蓋層連通概率明顯增加，導致大多數探井出現失利現象；當泥地比小于45%時，基本達到完全連通狀態，無法作為蓋層封閉油氣。

(2)建立了應用蒙諾卡羅法定量預測垂向滲漏風險的方法，通過統計柴達木盆地不同層砂泥—互層蓋層中泥巖層的數量和亞地震斷層的數量判定上干柴溝組、下油砂山組蓋層垂向發生滲漏概率分別為52%、63%，油氣向淺層調整風險性較高，而上油砂山組蓋層垂向連通概率大約為2%，具有較低風險。