鶯歌海盆地中央坳陷帶成藏體系的蓋層評價及控藏作用

范彩偉，賈 茹，柳 波，付曉飛，侯靜嫻，靳葉軍

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣研究院，黑龍江大慶 163318）

0 引言

在沉積盆地中，由于沉積速率過快導(dǎo)致欠壓實、水熱增壓、黏土礦物轉(zhuǎn)換、生烴增壓以及構(gòu)造因素等導(dǎo)致泥巖內(nèi)往往存在超壓，這種超壓對油氣的運移和保存具有重要作用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對沉積盆地內(nèi)超壓的形成演化及其對油氣成藏過程的控制作用進行了大量的研究［1］。物理模擬和數(shù)值模擬研究均表明，超壓對早期有機質(zhì)熱演化和生烴具有明顯的抑制作用［2］，同時有利于深層儲層孔隙結(jié)構(gòu)的保存［3］。此外，超壓導(dǎo)致的地層破裂不僅為油氣運移提供了有利的輸導(dǎo)通道［4-5］，同時對泥質(zhì)巖蓋層的完整性和有效性造成了一定影響［6］，存在油氣滲漏的潛在風(fēng)險。這種現(xiàn)象在北海盆地、墨西哥灣盆地、挪威盆地和馬來盆地等多個地區(qū)已得到證實。通過對墨西哥灣盆地超壓泥巖內(nèi)地層壓力的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其內(nèi)部地層壓力達到靜巖壓力的85%時，泥巖開始發(fā)生水力破裂并形成大量裂縫，致使油氣發(fā)生垂向滲漏，無法聚集成藏［7］。理論和實際觀察表明天然水力破裂與“斷層閥”相類似，具有周期性開啟和閉合的特征，這種周期性開啟的水力裂縫為天然氣的垂向運移提供了有效的通道，但同時也對蓋層的封蓋有效性形成了巨大的挑戰(zhàn)，可能會使超壓圈閉發(fā)生水力滲漏［8］。近年來，對水力破裂過程的研究不斷深入，在三維地震中發(fā)現(xiàn)了氣煙囪［9］、管狀結(jié)構(gòu)［10］、麻坑［11-12］、地震模糊帶［13］等雜亂的地震反射特征。

隨著近年來海洋油氣勘探的不斷深入，鶯歌海盆地已成為天然氣勘探的主戰(zhàn)場［8］。盆地中央坳陷帶的東方區(qū)和樂東區(qū)是勘探的重點區(qū)塊，在其獨特的底辟構(gòu)造背景下，盆地由淺層到深層逐漸表現(xiàn)為高溫高壓特征?？碧浇Y(jié)果揭示，在不同構(gòu)造部位及不同溫壓層系中，天然氣的富集程度、天然氣組分及不同組分含量等存在明顯差異。造成這種現(xiàn)象的根本原因在于砂體頂部的蓋層發(fā)生破裂，不能有效封閉天然氣，導(dǎo)致局部天然氣穿過破裂的蓋層從中深層超壓層系向淺層常壓層系運移，而底辟伴生斷裂進一步影響了淺層天然氣的富集。

盡管以往已經(jīng)對鶯歌海盆地天然氣富集規(guī)律進行了大量的研究，但是針對蓋層封蓋有效性定量評價的研究仍存在很多的問題。特別是在中深層，由于對原地應(yīng)力狀態(tài)和蓋層水力破裂條件等方面的研究較為薄弱，蓋層水力破裂對天然氣成藏的控制作用仍停留在理論探索階段，缺少定量化的表征。在淺層底辟區(qū)，盡管底辟伴生斷裂規(guī)模較小，但對淺層天然氣的保存仍起到了關(guān)鍵作用，不同脆-韌性階段的蓋層內(nèi)發(fā)育斷裂的變形機理不同，因而其封閉有效性的定量評價方法也不同，這在鶯歌海盆地還處于研究的空白區(qū)。因此，以鶯歌海盆地中央坳陷帶不同構(gòu)造位置、不同層系典型氣藏為例，建立斷裂和水力破裂對蓋層封蓋有效性破壞的評價標(biāo)準(zhǔn)，并分析蓋層封蓋有效性對天然氣成藏的控制作用，以期為尋找天然氣富集有利區(qū)提供理論支持。

1 地質(zhì)概況

鶯歌海盆地位于我國南海北部，是我國海域上重要的含氣盆地。盆地整體呈NW 向展布，由中央坳陷帶、鶯東斜坡帶、鶯西斜坡帶等多個一級構(gòu)造單元組成（圖1a），盆地長750 km，寬200 km，面積約為11.3×104km2［14］。受紅河斷裂右旋走滑活動的影響，中央坳陷帶內(nèi)發(fā)育一系列近南北向、雁行式分布的底辟構(gòu)造［15-16］，且在東方區(qū)（DF 區(qū)）和樂東區(qū)（LD 區(qū)）發(fā)現(xiàn)的氣藏和含氣構(gòu)造與底辟構(gòu)造的分布存在密切關(guān)系。

圖1 鶯歌海盆地構(gòu)造綱要圖（a）及巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Structure outline（a）and stratigraphic column（b）of Yinggehai Basin

目前鉆井揭示，鶯歌海盆地中央坳陷帶新生代沉積厚度可達8 km，其中下中新統(tǒng)三亞組和中中新統(tǒng)梅山組發(fā)育的泥巖是盆地內(nèi)天然氣的主要源巖。黃流組、鶯歌海組和樂東組內(nèi)部發(fā)育的濱—淺海砂泥巖、大型重力流砂巖與上覆的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖組成中央坳陷帶的3 套主要儲蓋組合（圖1b）［17］。樂東組蓋層主要發(fā)育在樂東底辟區(qū)，巖性以純泥巖為主，夾雜泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖。鶯歌海組一段（鶯一段）是鶯歌海盆地全區(qū)分布穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層，封蓋了鶯歌海盆地大部分的淺層天然氣。鉆井及地震資料顯示，鶯一段蓋層以泥巖為主，厚度主要為201.3～997.0 m。黃流組一段上部至鶯歌海組二段下部連續(xù)發(fā)育泥巖，為全區(qū)分布穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層，蓋層厚度主要約為1 000 m。

2 蓋層發(fā)育特征

鶯歌海盆地在構(gòu)造演化晚期經(jīng)歷了快速沉降，地層欠壓實使盆地內(nèi)鶯歌海組二段以下地層普遍發(fā)育高溫高壓［18-19］。鉆桿或電纜測試數(shù)據(jù)顯示，盆地內(nèi)地層溫度最高可達251.7 ℃，地溫梯度最高接近56 ℃/km，平均為42 ℃/km（圖2a），主要是由于底辟構(gòu)造導(dǎo)致的熱流體頻繁活動對淺部地層的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。埋深超過1 500 m 的地層內(nèi)部開始發(fā)育超壓，并隨著埋深的增大，超壓逐漸增強，2 800 m地層壓力系數(shù)超過1.5，地層壓力最大接近100 MPa（圖2b）。根據(jù)地層溫壓分布特征、構(gòu)造特征及天然氣富集規(guī)律（圖3），以鶯歌海組一段蓋層和黃流組一段至鶯歌海組二段蓋層為界，縱向上分3 套成藏體系來討論?dān)L歌海盆地中央坳陷帶的蓋層封蓋條件（圖4）。

圖2 鶯歌海盆地中央坳陷帶地溫梯度（a）和地層壓力系數(shù)（b）隨深度變化特征Fig.2 Changes of geothermal gradient（a）and pressure coefficient（b）with depth in central depression zone of Yinggehai Basin

圖3 鶯歌海盆地中央坳陷帶不同構(gòu)造天然氣富集層位Fig.3 Vertical distribution of natural gas in different structures in central depression zone of Yinggehai Basin

圖4 鶯歌海盆地中央坳陷帶成藏體系劃分Fig.4 Reservoir accumulation systems in central depression zone of Yinggehai Basin

2.1 超淺層成藏體系

研究區(qū)超淺層斷層-巖性圈閉成藏體系位于鶯歌海盆地中央坳陷帶底辟構(gòu)造頂部，迄今已發(fā)現(xiàn)LD-B，LD-C 等淺層氣田和LD-A 等淺層含氣構(gòu)造。在底辟構(gòu)造頂部的地層受底辟構(gòu)造上拱和塌陷作用的影響，往往會伴生放射狀或環(huán)狀斷裂，從而形成斷背斜型構(gòu)造圈閉，如LD-A 斷背斜構(gòu)造圈閉。LD-A 構(gòu)造位于鶯歌海盆地中央坳陷帶樂東底辟區(qū)內(nèi)，在構(gòu)造內(nèi)及其周緣發(fā)育多個構(gòu)造-巖性復(fù)合圈閉。目前已在LD-A1 井、LD-A2 井和LD-A5 井的多套砂體內(nèi)鉆遇氣層，天然氣全部富集在樂東組二段和三段泥巖之下，斷塊內(nèi)氣水界面存在明顯差異，表現(xiàn)為獨立的氣水單元（圖5）。

這些底辟構(gòu)造伴生的構(gòu)造圈閉，由于處在底辟構(gòu)造的頂部，且底辟構(gòu)造伴生斷裂及微裂隙縱向上為油氣垂向運移提供了通道，因此深部天然氣可以順利進入淺層砂體中，同時上覆的泥巖蓋層和斷裂為天然氣富集提供了有效的保存條件。該成藏體系內(nèi)，蓋層埋藏深度為500～1 500 m，泥地比大于60%，由于埋藏較淺，蓋層孔隙度為10%～30%。泥巖中黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，質(zhì)量分數(shù)分別為24%～41%和24%～42%，巖性以粉砂質(zhì)泥巖和純泥巖為主，整體處于早成巖階段A 期。

2.2 淺層成藏體系

研究區(qū)淺層底辟-巖性圈閉成藏體系主要發(fā)育于鶯歌海組，與超淺層成藏體系類似，主要為與底辟構(gòu)造作用相關(guān)的構(gòu)造圈閉及構(gòu)造-巖性圈閉，如DF-A 和DF-B。DF-A 氣藏由于底辟構(gòu)造的多期演化特征［20-21］，形成了復(fù)雜的斷裂結(jié)構(gòu)，斷裂主要分布在底辟構(gòu)造的上部及兩翼，呈南北向展布，隨著與底辟構(gòu)造距離的增加，斷裂規(guī)模及數(shù)量均逐漸減小?？v向上受泥巖隔夾層的分隔，砂體內(nèi)部可細分為3 個氣組，除了Ⅰ氣組屬于巖性氣藏外，其余2 個氣組均表現(xiàn)為與構(gòu)造相關(guān)的構(gòu)造-巖性氣藏（圖6）。通過氣藏解剖可以看出，在砂體間DF-A2 井和DFA3 井之間的斷裂將DF-A 氣藏整體分隔為2 個區(qū)域，西區(qū)內(nèi)部盡管也發(fā)育了伴生斷裂，但是由于規(guī)模較小，并未起到封閉的作用，使得西區(qū)Ⅱ氣組和Ⅲ氣組之間相互連通，具有統(tǒng)一的氣水界面，而東區(qū)內(nèi)，斷裂和蓋層共同封閉了天然氣，使Ⅱ砂體和Ⅲ砂體形成了獨立的氣水單元。

圖6 鶯歌海盆地中央坳陷帶DF-A 氣藏典型剖面圖（a）及平面圖（b）Fig.6 Gas reservoir profile（a）and plane diagram（b）of DF-A gas reservoir in central depression zone of Yinggehai Basin

在該成藏體系內(nèi)控制氣藏分布的蓋層為鶯歌海組一段蓋層，是鶯歌海盆地主力區(qū)域性蓋層之一。研究區(qū)巖性均以泥巖為主，粉砂質(zhì)泥巖含量較低，泥巖的總厚度為150～660 m，其中大部分泥巖單層厚度不超過10 m，蓋層的物性較樂東組蓋層略差，孔隙度為8%～25%，滲透率為0.1～3.9 mD，黏土礦物成分及含量表明，泥巖整體處于早成巖階段B 期。

2.3 中深層成藏體系

鶯歌海盆地黃流組以下地層普遍發(fā)育超壓，中央坳陷帶東方區(qū)和樂東區(qū)在黃流組大型重力流巖性圈閉中相繼探明DF-C，DF-D 和LD-D 等多個高溫高壓氣田。其中，東方區(qū)DF-C 和DF-D 構(gòu)造位于DF-A 底辟構(gòu)造的西翼，構(gòu)造形態(tài)上為向底辟構(gòu)造抬起的單斜（圖7）。勘探實踐表明，DF-C 構(gòu)造內(nèi)包含多個砂體，且砂體間互不連通，具有獨立的氣水界面。DF-C4 井在黃流組一段可識別Ⅰ氣組和Ⅱ氣組，2 個氣組內(nèi)部溫度、壓力及含氣飽和度均存在一定的差異，氣組間橫向和縱向不連通，均表現(xiàn)為獨立的氣水單元。

圖7 鶯歌海盆地中央坳陷帶DF-C 氣田構(gòu)造典型剖面圖（a）及平面圖（b）Fig.7 Gas reservoir profile（a）and plane diagram（b）of DF-C gas field in central depression zone of Yinggehai Basin

在該成藏體系內(nèi)，東方區(qū)和樂東區(qū)普遍儲層物性好、成帶分布且處于“泥包砂”背景。其上覆及周圍所發(fā)育的黃一段上部至鶯歌海組二段下部淺?！肷詈Ｏ嗑藓衲噘|(zhì)巖區(qū)域性蓋層厚度主要為500～1 200 m，以粉砂質(zhì)泥巖和純泥巖為主，夾少量薄層泥質(zhì)粉砂巖，單層厚度一般小于10 m，泥巖最大單層厚度可達400 m。隨著埋深的增加，泥巖的壓實程度和成巖程度逐漸增強，整體進入中成巖階段，蓋層物性明顯降低，孔隙度為3%～18%，滲透率為0.059～0.820 mD。此外，地層內(nèi)發(fā)育明顯的超壓，這套泥巖蓋層使天然氣不可能以達西流的方式通過，在整體斷裂不發(fā)育的背景下，烴源巖生成的油氣只能以底辟構(gòu)造或者超壓誘發(fā)的水力破裂為通道發(fā)生垂向運移。

3 蓋層的有效性評價

鶯歌海盆地中央坳陷帶超淺層天氣然聚集在樂東組直接蓋層之下，與具有封閉能力的斷層形成有效的封閉空間，此類天然氣的保存條件受到超淺層斷裂和直接蓋層共同控制，代表性氣藏有LD-A，LD-B，LD-C 等；淺層底辟帶內(nèi)天然氣整體受控于鶯一段區(qū)域性蓋層，砂體間被泥巖隔夾層和伴生斷裂分隔，形成多個圈閉構(gòu)造，且氣藏具有獨立的氣水界面和溫壓系統(tǒng)，代表性氣藏有DF-A 和DF-B 氣藏；在中深層巖性圈閉成藏體系中，整體不發(fā)育大型斷裂，超壓蓋層是否發(fā)生水力破裂是天然氣能否保存的關(guān)鍵。因此，在鶯歌海盆地中央坳陷帶不同成藏體系內(nèi)蓋層封蓋的有效性主要受到蓋層毛管封閉能力、斷裂和水力破裂的控制。以往針對鶯歌海盆地各套蓋層的封閉性評價已經(jīng)開展了大量的工作，并利用突破壓力對蓋層封閉能力進行了評價，結(jié)果顯示，鶯歌海盆地蓋層的排替壓力主要為2～35 MPa［22］。氣藏氣柱高度與蓋層突破壓力的數(shù)據(jù)［23-26］顯示，2 MPa 的突破壓力足以封閉幾十米，甚至近百米高的氣。整體而言，在不考慮破裂的因素下，研究區(qū)的泥巖蓋層普遍具有較好的封閉能力。因此，下文重點研究構(gòu)造斷裂和水力破裂對蓋層有效性的破壞作用及其對天然氣成藏的控制作用。

3.1 斷裂對淺層及超淺層蓋層有效性的影響

不同深度的蓋層脆-韌性特征不同，其發(fā)生破裂的機制和破裂后的特征存在明顯差異［27-30］。為了明確斷裂對超淺層及淺層成藏體系蓋層封蓋有效性的影響，對蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)換階段的臨界條件進行了厘定。

3.1.1 泥巖蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)換表征

鶯歌海盆地中央坳陷帶處于脆性階段的蓋層受力后以破裂和微破裂作用為主，宏觀露頭上可見脆性斷層和大量伴生裂縫，斷裂帶發(fā)育典型的斷層核和破碎帶二元結(jié)構(gòu)［31］。選取鶯歌海盆地中央坳陷帶黃流組一段尺寸為25 mm×50 mm 的圓柱體泥巖，開展了不同圍壓條件下的巖石力學(xué)三軸壓縮實驗，基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律及巖石破裂準(zhǔn)則［32］，定量厘定了蓋層的脆-韌性轉(zhuǎn)換階段。經(jīng)過三軸力學(xué)實驗后，在樣品上可以直接觀察到明顯的破裂現(xiàn)象，破裂主要表現(xiàn)為單一剪切縫，且裂縫的剪切面與最大主應(yīng)力方向的夾角接近30°。對比不同實驗條件下的差應(yīng)力-軸應(yīng)變曲線特征表明，樣品發(fā)生破裂后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力釋放，并隨著圍壓的增大，應(yīng)力降逐漸減小。

通過對比不同有效圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖8a，8b）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有效圍壓為15～40 MPa 時，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的應(yīng)力降，為脆性變形的特征，隨著有效圍壓的不斷增大，應(yīng)力降逐漸減??；當(dāng)有效圍壓增至55 MPa 時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)力降明顯減??；當(dāng)有效圍壓為75 MPa 時，已無明顯應(yīng)力降，巖石變形已具有韌性特征。通過不同有效圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲取巖石破裂的峰值強度，繪制不同圍壓與強度的擬合曲線，依據(jù)Byerlee摩擦定律和Goetze 準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb 破裂包絡(luò)線與強度曲線相交點［33］，分別定量厘定泥巖的脆-韌性轉(zhuǎn)化階段。結(jié)果表明，研究區(qū)黃一段蓋層脆性向脆-韌性轉(zhuǎn)換的臨界條件為有效圍壓19.5 MPa，埋深約為1 154 m；脆-韌性向韌性轉(zhuǎn)換的臨界條件為有效圍壓96.3 MPa，埋深約為5 698 m（圖8c）。

圖8 鶯歌海盆地中央坳陷帶新近系黃流組泥巖蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)換階段評價Fig.8 Evaluation of brittle-ductile transition of mudstone caprocks of Neogene Huangliu Formation in central depression zone of Yinggehai Basin

3.1.2 斷裂對蓋層破壞作用的定量評價

在區(qū)域性走滑拉分背景下，超淺層及淺層成藏體系內(nèi)圍繞底辟構(gòu)造發(fā)育大量斷裂，盡管這些斷裂的斷距普遍較小，但仍對油氣藏起到了分隔作用。基于蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)換階段的厘定結(jié)果，超淺層和淺層成藏體系內(nèi)蓋層處于脆性變形階段，泥巖受力變形易發(fā)生脆性破裂，在變形初始階段，巖石內(nèi)部形成大量的裂縫，隨著變形強度的增大，裂縫密度及規(guī)模不斷變大，最終演化為一條貫通的大斷裂，這種類型的斷裂其內(nèi)部往往發(fā)育的是斷層角礫巖和斷層泥，封閉能力較弱或無封閉能力［32］。隨著破裂構(gòu)造的不斷演化，其對蓋層的破壞程度也不斷增強，當(dāng)斷裂徹底破壞蓋層且溝通了儲層時，就會導(dǎo)致下部儲層內(nèi)的天然氣沿著斷裂發(fā)生垂向滲漏。研究表明，斷裂對蓋層的破壞程度主要取決于斷裂的斷距和蓋層厚度的相對大?。?1-32］，如果斷裂斷距大于有效蓋層厚度，蓋層被斷裂完全錯斷，蓋層完整性被破壞，就會失去封閉能力；如果斷裂斷距小于有效的蓋層厚度，斷裂雖然切割了蓋層，但仍有一部分蓋層橫向保持連續(xù)，可以封閉一定高度的烴柱。因此，可以利用斷接厚度評價蓋層被斷裂破壞的程度，斷接厚度計算公式［32-33］為

式中：CJT為斷接厚度，m；MT為蓋層厚度，m；M為斷距，m。

通過對研究區(qū)典型氣藏構(gòu)造內(nèi)獨立圈閉頂部的蓋層厚度和控藏斷裂斷距的統(tǒng)計，計算其對應(yīng)的斷接厚度，將斷接厚度與圈閉內(nèi)的含氣性進行匹配，可厘定蓋層保持封蓋有效性的臨界斷接厚度為86～98 m（圖9）。當(dāng)斷接厚度大于臨界值時，斷裂-蓋層在垂向上保持封閉，油氣在蓋層之下聚集。當(dāng)斷接厚度小于臨界值時，天然氣發(fā)生垂向滲漏，向更淺部位聚集。

圖9 鶯歌海盆地中央坳陷帶超淺層和淺層成藏體系脆性蓋層臨界斷接厚度Fig.9 Critical juxtaposition thickness of brittle caprocks in the ultra-shallow and shallow accumulation systems in central depression zone of Yinggehai Basin

根據(jù)鶯歌海盆地中央坳陷帶樂東區(qū)天然氣平面分布特征，在LD-A，LD-B，LD-C 和LD-E 區(qū)塊分別厘定出了若干條對蓋層起到破壞作用的斷裂（圖10）。對比鶯歌海組一段和樂東組的含氣性，可發(fā)現(xiàn)超淺層天然氣主要圍繞著破壞蓋層的斷裂分布，即只有當(dāng)鶯歌海組一段蓋層被斷裂破壞后，天然氣才能沿著斷裂向樂東組聚集，這些斷裂周圍是尋找淺層天然氣的有利區(qū)域。

圖10 鶯歌海盆地中央坳陷帶樂東區(qū)斷裂對蓋層的破壞作用Fig.10 Destruction of faults to caprocks in Ledong area in central depression zone of Yinggehai Basin

3.2 水力破裂對中深層蓋層有效性的影響

鶯歌海盆地中央坳陷帶中深層斷裂普遍發(fā)育較差，在非底辟構(gòu)造區(qū)發(fā)育了系列巖性氣藏和含氣構(gòu)造，如DF-C，DF-D，LD-D 氣田，同時也有部分構(gòu)造由于超壓導(dǎo)致蓋層破裂最終未能成藏。超壓誘發(fā)的水力破裂不僅為天然氣垂向運移提供了通道［34］，同時控制了超壓蓋層的封蓋能力。

在選修2-3中介紹了隨機誤差、線性回歸模型后，引出了相關(guān)系數(shù)的概念，此處也是“科普”式的處理方法，只是在“鏈接”中解釋了相關(guān)系數(shù)為什么越接近1，兩個量之間的線性相關(guān)程度越強．

3.2.1 蓋層水力破裂力學(xué)機制

蓋層水力破裂作用是地應(yīng)力、孔隙流體壓力和巖石強度共同作用的結(jié)果。大量研究表明，蓋層破裂類型受控于蓋層抗張強度和差應(yīng)力的關(guān)系：當(dāng)?shù)貙铀懿顟?yīng)力小于4 倍的地層抗張強度（4 T）時［35］，完整蓋層發(fā)生張性破裂，蓋層所能承受的最大流體壓力可以表示PA1-PC1；當(dāng)差應(yīng)力大于6 倍抗張強度（6 T）時，蓋層發(fā)生剪切破裂，蓋層所能承受的最大流體壓力表示為PA3-PC3；當(dāng)差應(yīng)力為4～6 T 時，蓋層發(fā)生張剪混合破裂，蓋層所能承受的最大流體壓力表示為PA2-PC2（圖11）。

圖11 不同地應(yīng)力及力學(xué)性質(zhì)條件下蓋層的水力破裂能力Fig.11 Hydraulic fracturing of caprocks under different stress and mechanical properties

蓋層發(fā)生初始水力破裂和再次水力破裂的臨界壓力不同，先存水力裂縫的發(fā)育削弱了蓋層的強度，增加了蓋層發(fā)生滲漏的風(fēng)險性。再次發(fā)生水力破裂時，往往會優(yōu)先沿著裂縫薄弱面進行，在發(fā)生3種不同破裂的條件下，蓋層所能承受的最大流體壓力對應(yīng)為圖11 中PB1-PC1，PB2-PC2和PB3-PC3。

為了確定泥巖蓋層發(fā)生水力破裂的臨界條件，通過巖石力學(xué)試驗得到巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合地層壓力和地應(yīng)力特征，分析蓋層是否發(fā)育水力破裂及水力破裂模式。其中，孔隙流體壓力通過真實地層測試得到，地應(yīng)力中的垂向應(yīng)力通過密度測井?dāng)?shù)據(jù)計算獲得，水平應(yīng)力通過研究區(qū)地層真實的LOTs（泄漏試驗）和XLOTs（擴展泄漏試驗）的數(shù)據(jù)確定。

3.2.2 蓋層水力破裂評價參數(shù)

（1）蓋層巖石的力學(xué)特征

式中：T為地層抗張強度，MPa；Ed為動態(tài)彈性模量，MPa；Vsh為泥質(zhì)體積分數(shù)，%；K為矯正系數(shù)。

通過比較抗張強度和差應(yīng)力的大小，研究區(qū)不同深度地層的差應(yīng)力普遍小于4 倍抗張強度，并隨深度的增加，差應(yīng)力與4 倍抗張強度的差值逐漸增大（圖12），意味著蓋層內(nèi)一旦發(fā)生水力破裂，將始終遵循張性破裂的準(zhǔn)則。

圖12 鶯歌海盆地中央坳陷帶巖石抗張強度預(yù)測Fig.12 Prediction of rock tensile strength in central Depression zone of Yinggehai Basin

（2）地應(yīng)力分布特征

垂向主應(yīng)力主要是由于上覆巖層的重力引起的，因此可以通過密度數(shù)據(jù)計算得到，即利用深度h對表示密度的函數(shù)進行積分，即可得到垂向主應(yīng)力［37，39］：

式中：Sv表示垂向主應(yīng)力，MPa，ρw表示海水的密度，約為1 g/cm3；hw表示水深，m，ρc表示上覆巖層的密度，g/cm3；g 為重力加速度，m/s2；h為海面以下巖層的埋藏深度，m。

通過DF-A 底辟構(gòu)造區(qū)密度分析獲得密度隨深度的函數(shù)，進而得到垂向主應(yīng)力隨深度的關(guān)系：

式中：ρ1為DF-A 底辟構(gòu)造區(qū)地層密度，kg/m3；Sv1為DF-A 底辟構(gòu)造區(qū)垂向主應(yīng)力，MPa。

水平主應(yīng)力的來源主要為上覆地層的重力作用以及板塊驅(qū)動引起的構(gòu)造應(yīng)力，上覆巖層重力引起的水平主應(yīng)力可以通過單軸應(yīng)變模型來求取，而構(gòu)造應(yīng)力在不同的構(gòu)造位置具有一定的差異，因此增加了水平主應(yīng)力解釋的不確定性，尤其是水平最大主應(yīng)力。Hubbert 等［40］在水力破裂理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際地層測試，建立了利用水力壓裂計算最大水平主應(yīng)力的方法：

式中：SH為地層最大水平主應(yīng)力，MPa；Sh為地層最小水平主應(yīng)力，MPa；PFBP為地層破裂壓力，MPa；Pp為地層孔隙流體壓力，MPa，To為井壁地層抗張強度，MPa。

水力壓裂與地層漏失試驗中井壁破裂的原理非常相似，因此通過研究區(qū)地層真實的漏失試驗（LOTs）和擴展漏失試驗（XLOTs）的數(shù)據(jù)確定水平主應(yīng)力。通常LOTs 在檢測到漏失壓力之后不再加壓以免進一步破壞地層，而XLOTs 是在達到漏失壓力之后繼續(xù)加壓，甚至執(zhí)行多個壓力周期，得到更多有關(guān)地層強度的信息。完整的漏失試驗可以在曲線中得到地層漏失壓力（PLOP）、地層破裂壓力（PFBP）、裂縫傳播壓力（PFPP）、瞬時關(guān)井壓力（PISIP）和裂縫閉合壓力（PFCP）［41］（圖13）。漏失試驗曲線上首個偏離線性關(guān)系的拐點為測試地層的漏失壓力，因此習(xí)慣上將漏失壓力的下包絡(luò)線當(dāng)做最小水平主應(yīng)力。由于地層抗張強度及井壁應(yīng)力集中的影響，得到的破裂壓力很可能與水力壓裂曲線的重張壓力較為接近（研究區(qū)大部分為此種情況），即井壁地層抗張強度（To）幾乎為零，利用上述方法獲得的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)Hubbert-Willis 等式可以進一步簡化計算水平主應(yīng)力（圖14）：

圖13 典型漏失試驗曲線［41］Fig.13 Typical leakage test curve

圖14 鶯歌海盆地中央坳陷帶地應(yīng)力發(fā)育特征Fig.14 Distribution of geostress in central Depression zone of Yinggehai Basin

3.2.3 蓋層水力破裂定量評價

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育張性水力破裂，考慮到早期走滑斷層活動和底辟構(gòu)造的地質(zhì)背景，之后的水力破裂都會沿著先存裂縫薄弱面進行，因此可以利用水平最小主應(yīng)力代表蓋層發(fā)生水力破裂需要的最小破裂壓力。為了表征現(xiàn)今地層壓力條件下蓋層破裂的風(fēng)險性，引入破裂壓力系數(shù)Rbc的概念，為現(xiàn)今流體壓力與地層破裂壓力的比值。當(dāng)該值大于1時，意味著蓋層已發(fā)生破裂或具有極強的水力破裂的風(fēng)險性；當(dāng)該值小于1 時，表示該地層壓力條件下不發(fā)生水力破裂。

式中：Rbc為蓋層發(fā)生水力破裂的臨界壓力系數(shù)。

對底辟構(gòu)造頂部和翼部以及臨近斜坡區(qū)的數(shù)據(jù)相對完整的區(qū)塊水力破裂定量評價結(jié)果顯示，東方區(qū)DF-A 氣藏頂部蓋層水力破裂壓力系數(shù)大于1（圖15a），深部蓋層發(fā)生水力破裂，隨著距底辟距離的逐漸增大，蓋層水力破裂壓力系數(shù)向周緣逐漸降低，如DF-B和DF-C 構(gòu)造，蓋層整體逐漸由水力破裂狀態(tài)過渡為水力封閉狀態(tài)。樂東區(qū)LD-A 等構(gòu)造具有相似的規(guī)律，底辟區(qū)水力破裂壓力系數(shù)明顯高于斜坡區(qū)，LD-A 和LD-B 氣藏水力破裂壓力系數(shù)均大于1（圖15b），目前已發(fā)生破裂或具有極強的水力破裂的風(fēng)險，深部水力破裂與淺層斷裂為天然氣提供了有效的通道，使天然氣在淺層分布；而位于相對底辟距離較遠的、斜坡帶上的LD-D 區(qū)塊，水力破裂壓力系數(shù)普遍小于1，蓋層為天然氣提供了有利的保存條件，在氣源充足的條件下，LD-D 區(qū)是鶯歌海盆地深層天然氣勘探的有利目標(biāo)。

圖15 鶯歌海盆地中央坳陷帶新近系黃流組蓋層水力破裂壓力系數(shù)平面分布Fig.15 Hydraulic fracturing pressure coefficient of caprocks of Neogene Huangliu Formation in central Depression zone of Yinggehai Basin

4 蓋層的控藏作用

油氣能否在圈閉中成藏，蓋層的保存條件至關(guān)重要，主要體現(xiàn)在蓋層自身的微觀封閉能力和蓋層是否被破壞。鶯歌海盆地蓋層在自身具有較強毛管封閉能力的基礎(chǔ)上，仍有部分圈閉由于封蓋條件的不足而導(dǎo)致勘探失利。

在緊鄰底辟構(gòu)造或底辟構(gòu)造的頂部，淺層斷裂和中深層水力破裂共同控制了底辟區(qū)天然氣的空間分布。由于淺層超壓程度相對較小或處于正常壓力系統(tǒng)下，幾乎難以發(fā)生水力破裂，與底辟構(gòu)造的上拱和塌陷伴生的斷裂和裂縫是天然氣從淺層到超淺層運移的主要通道。在中深層，盡管斷裂不發(fā)育，但是構(gòu)造微裂縫的存在大大削弱了蓋層封閉性的強度，同時也降低了水力破裂發(fā)生的臨界壓力，使其中深層超壓蓋層更容易發(fā)生水力破裂，因此，底辟區(qū)可以通過底辟構(gòu)造和水力破裂實現(xiàn)天然氣從中深層向淺層的運移。在非底辟區(qū)，深層天然氣只能以水力破裂為運移通道向淺層運移（圖16）。在這種成藏機理的控制下，鶯歌海盆地中央坳陷帶天然氣分布表現(xiàn)出一定的規(guī)律，即在氣源充足的條件下，超淺層及淺層氣藏主要集中在底辟構(gòu)造的頂部或緊鄰底辟構(gòu)造的砂體內(nèi)，而中深層氣藏主要分布在底辟構(gòu)造的兩翼及遠離底辟構(gòu)造斜坡帶內(nèi)的巖性圈閉中。

圖16 鶯歌海盆地中央坳陷帶天然氣成藏模式Fig.16 Accumulation model of natural gas in central Depression zone of Yinggehai Basin

5 結(jié)論

（1）鶯歌海盆地中央坳陷帶淺層及超淺層成藏體系中，斷裂對天然氣的分布起到控制作用，而在中深層成藏體系中，蓋層是否發(fā)生水力破裂是其能否保持封閉有效性的關(guān)鍵，一旦發(fā)生水力破裂，可為天然氣進入淺層具體提供運移通道。

（2）鶯歌海盆地中央坳陷帶黃流組一段蓋層脆性向脆-韌性轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換圍壓為19.5 MPa，埋深約為1 154 m，脆-韌性向韌性轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換圍壓為96.3 MPa，埋深約為5 698 m。利用斷接厚度對超淺層、淺層脆性斷裂垂向封閉性進行定量評價，脆性蓋層封蓋有效性被破壞的臨界斷接厚度為86～98 m。

（3）鶯歌海盆地中央坳陷帶底辟構(gòu)造的伴生斷裂和水力破裂共同控制了天然氣的分布，當(dāng)中深層蓋層內(nèi)超壓達到破裂壓力后，天然氣穿層運移至淺層成藏，后經(jīng)斷裂進一步調(diào)整至超淺層成藏；當(dāng)中深層蓋層內(nèi)超壓始終低于破裂壓力，天然氣在超壓蓋層下部砂體內(nèi)成藏。在這種成藏機理的控制下，在氣源充足的情況下，對于淺部成藏體系內(nèi)氣藏主要集中在底辟頂部，而對于中深層成藏體系，氣藏主要集中在底辟區(qū)及非底辟區(qū)發(fā)育強超壓的砂體部位。