高孔隙度砂巖斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及側(cè)向封閉能力主控因素

薛永安，呂丁友，付曉飛，吳 奎，黃江波，孟令東，王海學(xué)

( 1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2. 東北石油大學(xué) 陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，黑龍江 大慶 163318；3. 東北石油大學(xué) 斷裂控藏重點(diǎn)實(shí)驗室，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

斷層封閉性一直是國內(nèi)外油氣勘探的重要研究熱點(diǎn)，影響斷層的聚油能力，因此主要用于區(qū)帶和圈閉風(fēng)險性評價，是油氣勘探、生產(chǎn)和油藏管理的重要基礎(chǔ)[1-5]。目前，已經(jīng)認(rèn)識到碎屑巖砂泥互層型地層層序中斷層側(cè)向封閉的本質(zhì)是斷裂帶與母巖的滲透能力差[6]。通過野外露頭、巖心觀察描述和分析測試表明，斷層變形機(jī)制決定斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響斷層封閉類型及封閉能力[5,7-9]。斷層側(cè)向封閉類型主要分為四類：一是對接封閉[10-11]，提出應(yīng)用Allan圖定量評價斷層封閉能力；二是泥巖涂抹封閉[12-16]，應(yīng)用SSF定量預(yù)測斷層封閉滲漏風(fēng)險；三是斷層巖封閉[3]，主要包括碎裂巖封閉、層狀硅酸鹽框架斷層巖封閉，斷層泥比率(SGR)是有效的斷層巖側(cè)向封閉能力評價方法[17]；四是膠結(jié)封閉[11]，仍未形成有效的評價技術(shù)。

近年來，油氣勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，位移很小(5～10 m)的斷層導(dǎo)致同層砂巖對接，但具有分隔油水的作用[18]，對于高孔隙性(孔隙度大于15%)巖石，主體以碎裂作用為主，形成典型的變形帶，降低巖石物性[7,19]，但不同母巖性質(zhì)和作用條件下斷層封閉能力存在差異。

按照砂巖中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將高孔隙性砂巖分為純凈砂巖(黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%)和不純凈砂巖(黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于15%～40%)[6,20]。斷裂在不同類型高孔隙性砂巖中變形機(jī)制明顯不同，從而導(dǎo)致不同類型的斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異。野外和取心井觀察描述表明：當(dāng)高孔純凈砂巖處于固結(jié)成巖階段時，巖石在構(gòu)造變形作用下以碎裂作用為主，導(dǎo)致顆粒破碎和孔隙坍塌，形成典型的“碎裂型”變形帶[8,21]；對于高孔隙性不純凈砂巖，由于砂巖泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，受力變形時黏土礦物與碎屑發(fā)生混合作用，從而形成“層狀硅酸鹽型”變形帶[20-22]，屬于亞地震構(gòu)造。不同類型的變形帶滲透率降低幅度不一樣，相較于母巖，變形帶滲透率普遍降低1～5個數(shù)量級[7]。野外斷裂帶觀察、過斷層取心井巖心描述和環(huán)形剪切試驗表明：變形帶型斷裂帶是高孔隙性砂巖斷裂剪切變形的重要產(chǎn)物，變形帶顆粒發(fā)生明顯破碎，顆粒粒徑減小，從而導(dǎo)致滲透率降低；這些現(xiàn)象在束鹿凹陷過斷層取心井和柴達(dá)木盆地油砂山野外逆沖構(gòu)造被證實(shí)[7,19]。近年來，人們開始關(guān)注母巖地層泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效正應(yīng)力和位移等因素對斷層滲透性的影響[23-25]，但缺少系統(tǒng)性單一變量條件下斷裂帶形成演化及物性變化規(guī)律物理模擬研究，反映斷裂帶物性動態(tài)變化規(guī)律。

筆者以高孔隙性純凈砂巖為研究對象，應(yīng)用高壓低速環(huán)形剪切實(shí)驗裝置，開展泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效正應(yīng)力和位移等單一因素系列性環(huán)形剪切實(shí)驗，結(jié)合鑄體薄片顯微觀察、覆壓孔隙度與滲透率測試及薄片粒徑數(shù)理統(tǒng)計等分析方法，探討不同因素對斷裂帶滲透性的影響，明確斷裂帶滲透性變化規(guī)律，為同層砂巖對接型斷層封閉能力評價提供支撐。

1 實(shí)驗設(shè)計

剪切實(shí)驗一直是巖石固結(jié)條件下正演斷層形成過程的方法，目前剪切實(shí)驗主要有環(huán)形剪切、直剪和三軸剪切3種類型。為了分析不同條件下斷層形成的斷層帶結(jié)構(gòu)特征、滲透性變化規(guī)律及封閉性主控因素，采用研發(fā)的高壓低速環(huán)形剪切裝置開展物理模擬實(shí)驗(見圖1(a))。

1.1 過程

實(shí)驗樣品使用人造巖心，巖心的平均孔隙度為30.86%，平均滲透率為1 118×10-3μm2，為高孔隙度純凈砂巖。人造巖心由8個高度相等的90°扇形環(huán)樣品組成，整體表現(xiàn)為環(huán)形特征(見圖1(c))；通過垂向負(fù)載施加斷面有效正應(yīng)力和環(huán)形轉(zhuǎn)動角度實(shí)現(xiàn)位移的變化(見圖1(b-d))，旋轉(zhuǎn)90°折合位移為90.3 mm。

圖1 環(huán)形剪切實(shí)驗裝置與模型示意Fig.1 Ring shear experimental apparatus and model diagram

1.2 方案

斷層滲透性決定斷層側(cè)向封閉能力，影響高孔隙度砂巖同層砂巖對接型斷層側(cè)向封閉能力主要有泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷面正應(yīng)力和斷距3個因素[26-28]。考慮環(huán)形剪切實(shí)驗單一因素對實(shí)驗結(jié)果的影響，保證母巖礦物成分不變，分析泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷面正應(yīng)力、斷層位移3個主要因素，采用控制變量法開展3個系列15組單一因素環(huán)形剪切物理模擬實(shí)驗(見表1)，探討3個因素對同層砂巖對接型斷層側(cè)向封閉能力的影響。

表1 環(huán)形剪切物理模擬實(shí)驗參數(shù)設(shè)定

續(xù)表1

2 微觀結(jié)構(gòu)與物性特征

2.1 斷裂帶微觀結(jié)構(gòu)

野外觀察描述、過斷層取心井(見圖2)和高壓環(huán)形剪切實(shí)驗(見圖1)表明：高孔隙純凈砂巖以碎裂作用為主，斷裂帶具有典型二元結(jié)構(gòu)，即斷層核和破碎帶[29-30]，且斷層核是決定斷層封閉能力的關(guān)鍵。基于高壓環(huán)形剪切實(shí)驗?zāi)M斷裂帶形成，實(shí)驗前后的模型見圖1，實(shí)驗后對樣品取心操作，對實(shí)驗樣品薄片直觀觀察，并對母巖與斷裂帶的粒徑進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計。通過控制位移的變化(其他因素不變)實(shí)驗結(jié)果可知，斷層活動初期，斷層核以發(fā)育碎裂型變形帶為主，隨斷層累積活動，碎裂程度明顯增強(qiáng)(見圖3)。由于壓實(shí)作用導(dǎo)致孔隙發(fā)生坍塌，粒度較小的碎屑和基質(zhì)填充在孔隙中，導(dǎo)致孔隙性變差，是碎裂變形的直接證據(jù)(見圖3)，未考慮制作薄片時不同位移的變形帶走向差異。從微觀結(jié)構(gòu)可知，小位移斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育滑動面和變形帶。由圖3可知，在剪切作用下，變形帶內(nèi)顆粒沿剪切方向定向排列，顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)、滾動和破碎。母巖與斷裂帶的粒徑數(shù)理統(tǒng)計表明，變形帶具有3個典型特征：(1)與母巖相比顆粒尺寸明顯較小。未變形母巖顆粒間存在明顯的孔隙，顆粒尺寸較大，一般為0.13～0.20 mm；碎裂作用導(dǎo)致斷裂帶內(nèi)顆粒發(fā)生破碎，形成碎屑和基質(zhì)，顆粒尺寸明顯減小，一般為0.01～0.06 mm(見圖4)，因此，碎裂作用是斷裂帶內(nèi)顆粒粒徑減小的重要機(jī)制。(2)變形帶內(nèi)顆粒具有定向性。母巖顆粒長軸具有多方位特征，變形帶內(nèi)顆粒長軸整體表現(xiàn)為平行于剪切方向(見圖3)。(3)隨位移增大，破碎程度越強(qiáng)。從不同位移變形帶微觀結(jié)構(gòu)可知，隨位移增大，顆粒破碎越明顯，顆粒尺寸減小程度越高(見圖3)。

圖2 高孔隙性純凈砂巖內(nèi)斷裂伴生亞地震構(gòu)造類型及特征(據(jù)文獻(xiàn)[7,19]修改) Fig.2 Subseismic structure types and characteristics associated with faults in high-porosity pure sandstone(modified by references[7,19])

圖3 不同位移條件下變形帶發(fā)育特征Fig.3 Development characteristics of deformation bands under different displacement conditions

2.2 孔隙度和滲透率變化規(guī)律

系列環(huán)形剪切實(shí)驗測試表明：顆粒碎裂的粒度減小及其定向規(guī)律排列方向決定斷層帶孔隙度和滲透率的降低，與斷裂帶的孔隙度和滲透率特征一致[6,22-23,25,31-36]。基于CT掃描和微觀孔滲性綜合分析，未變形母巖的孔隙度分布在25.0%～30.0%之間，平均約為27.5%，斷裂帶的孔隙度分布在7.0%～9.0%之間。由圖5可知，斷裂帶的孔隙度明顯低于母巖的孔隙度，平均降低約為19.5%(見圖5)。與未變形母巖相比，斷裂帶的滲透率也發(fā)生明顯降低，未變形母巖的滲透率為(260～860)×10-3μm2。斷裂帶滲透率普遍小于10×10-3μm2，普遍降低約2個數(shù)量級(見圖6)。環(huán)形剪切實(shí)驗測試孔滲結(jié)果與實(shí)際野外測試斷裂帶孔滲數(shù)據(jù)表明，高孔隙性砂巖內(nèi)斷裂帶的孔隙度和滲透率明顯降低，導(dǎo)致斷層具有一定的封閉能力。

圖4 斷裂帶與母巖顆粒粒徑對比Fig.4 Comparison of particle size between fault zone and host rock

圖5 母巖與斷裂帶孔隙度差異對比Fig.5 Comparison of porosity differences betweenhost rock and fault zone

圖6 母巖滲透率與斷裂帶滲透率差異對比(據(jù)文獻(xiàn)[6,22-23,25,31-36]修改)Fig.6 Comparison of permeability difference between host rock and fault zone(modified by references[6,22-23,25,31-36])

3 主控因素

以物理模擬和分析測試為基礎(chǔ)，結(jié)合文獻(xiàn)[26-29]，影響高孔隙性砂巖斷層封閉能力主要有4個因素：(1)泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(2)斷層位移；(3)斷面正應(yīng)力；(4)砂地比。由于考慮小位移走滑斷層的影響，主體易于形成同層砂巖對接封閉，因此，前3個因素是同層砂巖對接型斷層封閉能力的主要影響因素。斷裂帶滲透性是決定斷層封閉能力的關(guān)鍵，因此，主要探討不同影響因素與滲透率的關(guān)系，分析對封閉能力的控制作用。

3.1 泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與斷裂帶滲透性的關(guān)系

為了探討不同泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對斷裂帶滲透性變化的影響，固定位移和有效正應(yīng)力條件，設(shè)計5個系列(泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：5%、10%、15%、20%、25%)5組環(huán)形剪切實(shí)驗。由實(shí)驗樣品滲透性測試結(jié)果(見圖7)可知：隨泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，斷裂帶滲透性具有逐漸降低的趨勢，滲透率從8×10-3μm2降低到2×10-3μm2。因此，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對斷層滲透性具有一定影響，但相同地層泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大的條件下，滲透率降低程度較小，從而導(dǎo)致斷層側(cè)向封閉能力影響較弱[37]。

圖7 不同泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與斷裂帶滲透率的關(guān)系Fig.7 Relationship between different shale contentand fault permeability

3.2 剪切位移與斷裂帶滲透性的關(guān)系

為分析剪切位移對斷裂帶滲透性的影響，固定泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和斷面正應(yīng)力條件，開展不同位移條件下環(huán)形剪切實(shí)驗并測試滲透率。由純凈砂巖環(huán)形剪切實(shí)驗結(jié)果(見圖8)可知：在斷層變形的初期階段，隨剪切位移增加，斷裂帶滲透率表現(xiàn)為逐漸降低趨勢，但當(dāng)達(dá)到一定的位移(約為15 cm)條件下，斷裂帶滲透率普遍趨于平穩(wěn)，即斷裂帶滲透率達(dá)到相應(yīng)斷面正應(yīng)力條件下的最低值。與母巖相比，斷層巖整體滲透率下降2～3個數(shù)量級(見圖8)，降低程度較大。因此，當(dāng)?shù)陀谂R界位移條件時，斷裂帶滲透率隨位移增加而降低，剪切位移是影響斷層側(cè)向封閉能力的主控因素之一；當(dāng)超過臨界位移條件時，斷裂帶滲透率基本不再變化，剪切位移對斷層側(cè)向封閉能力沒有直接影響。

圖8 剪切位移與斷裂帶滲透率的關(guān)系Fig.8 Relationship between displacement and fault permeability

圖9 斷面正應(yīng)力與斷裂帶滲透率的關(guān)系 Fig.9 Relationship between effective normal stress and fault permeability

3.3 斷面正應(yīng)力與斷裂帶滲透性的關(guān)系

不同斷面正應(yīng)力條件下環(huán)形剪切實(shí)驗測試證實(shí)，相同位移條件下，斷面正應(yīng)力越大，斷層滲透率越低，二者表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致斷層側(cè)向封閉能力增強(qiáng)。結(jié)合不同斷面正應(yīng)力斷裂帶滲透性測試，斷裂帶滲透率與有效正應(yīng)力表現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨斷面正應(yīng)力增加，斷裂帶滲透率明顯降低(見圖9)，代表斷層的側(cè)向封閉能力越強(qiáng)；因此，斷面正應(yīng)力是影響斷層側(cè)向封閉能力的重要因素之一，斷面正應(yīng)力越大，斷層側(cè)向封閉能力越強(qiáng)。

泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷面正應(yīng)力和剪切位移與斷裂帶滲透率表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，斷裂帶滲透性是斷層側(cè)向封閉能力的直接反映，因此，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷面正應(yīng)力和剪切位移共同決定同層砂巖對接型斷層的側(cè)向封閉能力。

4 結(jié)論

(1)高孔隙性砂巖以碎裂變形機(jī)制為主，形成典型的碎裂結(jié)構(gòu)(變形帶)，與母巖相比，斷裂帶顆粒粒徑明顯降低；斷裂帶滲透率相較于母巖的滲透率明顯降低，最大可降低2～3個數(shù)量級，是同層砂巖對接斷層封閉的根本機(jī)制。

(2)泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、斷面正應(yīng)力和剪切位移共同決定同層砂巖對接型斷層的側(cè)向封閉能力。其他條件不變，隨剪切位移增加，初期斷裂帶滲透性明顯降低，當(dāng)達(dá)到一定位移條件下，斷裂帶滲透性逐漸平穩(wěn)，甚至不再變化；隨斷面正應(yīng)力增大，斷裂帶滲透性明顯降低，整體呈線性關(guān)系；泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，斷裂帶滲透性逐漸越低，最終趨于平穩(wěn)變化。