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利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法及其应用

摘 要:为了简便地判断断层垂向封闭性,在断层垂向封闭机理及影响因素研究的基础上,通过比较断层岩排替压力与下伏储层岩石排替压力的相对大小,建立了一套利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法,并将其应用于渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造f1、f2、f3、f4、f5
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摘 要:为了简便地判断断层垂向封闭性,在断层垂向封闭机理及影响因素研究的基础上,通过比较断层岩排替压力与下伏储层岩石排替压力的相对大小,建立了一套利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法,并将其应用于渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内的垂向封闭性研究中。结果表明:f1、f2、f4等3条断裂断层岩泥质含量均大于其在东二段泥岩盖层内垂向封闭所需最小的泥质含量,断层表现为垂向封闭;但f1断裂位于南堡凹陷沙三段和沙一段—东三段烃源岩分布范围之外,无油气供给,f2断裂受断层与盖层配置关系的影响,油气沿断裂向上运移,从而无油气聚集;f3、f5两条断裂断层岩泥质含量均小于其在东二段泥岩盖层内垂向封闭所需最小的泥质含量,断层表现为垂向开启,即使断裂沟通了烃源岩与储层,油气也将穿过盖层继续向上运移,不利于油气富集。这一评价结果与南堡凹陷南堡5号构造东二段下部已发现的油气分布有着较好的吻合关系,表明该方法用于简便地判断断层垂向封闭性是可行的。
  关键词:垂向封闭性;断层;泥质含量;压实成岩时间;泥岩盖层;烃源岩;南堡凹陷
  中图分类号:P618.13;TE122 文献标志码:A
  文章编号:1672-6561(2016)05-0660-08
  Abstract: In order to judge the fault vertical sealing ability simply, based on the mechanism and influence factors of fault vertical sealing, the displacement pressures of fault-rock and underlying reservoir rock were compared, and a set of convenient prediction method of fault vertical sealing ability by using the mudstone content of fault-rock was established, and then the method was applied to study the vertical sealing ability of faults f1, f2, f3, f4, f5 in mudstone caprock of the second member of Dongying Formation of No.5 structure of Nanpu depression,
  Bohai Bay Basin. The results show that the mudstone contents of fault-rock of faults f1, f2, f4 are larger than the minimum of mudstone content required by vertical sealing of the three faults in mudstone caprock of the second member of Dongying Formation, so they are sealed in vertical; while the fault f1 is located outside the distribution range of source rocks from the third member of Shahejie Formation and the first member of Shahejie Formation-the third member of Dongying Formation,and the fault f2 effected by the configuration of fault and caprock, petroleum migrates along the fault, so that there is no petroleum accumulation whether the faults are sealed or not; the mudstone contents of fault-rock of faults f3, f5 are lower than the minimum of mudstone contents required by vertical sealing of the two faults in mudstone caprock of the second member of Dongying Formation, so they are open in vertical; though the faults f3, f5 connect the source rock and reservoir, petroleum would move upward through the caprock, and it is not favorable for petroleum accumulation. The evaluation has a good relation with currently discovered petroleum distribution underneath the second member of Dongying Formation of No.5 structure of Nanpu Depression, so that the method is favorable to simply judge the fault vertical sealing ability.  Key words: vertical sealing ability; fault; mudstone content; diagenetic time; mudstone caprock; source rock; Nanpu depression
  0 引 言
  油气勘探实践表明,在含油气盆地或凹陷中任何一套泥岩盖层均不同程度地遭受到断裂的破坏。油气能否被盖层封闭,在某种程度上已不再取决于盖层本身的封闭特征,而是取决于错断其内断层的垂向封闭特征。能否正确认识盖层内断层垂向封闭特征,是含油气盆地断裂发育区油气勘探的关键。关于断层垂向封闭性的研究方法,前人已做过大量研究和探讨[1-8],并取得一些非常有价值的研究成果,对于指导含油气盆地断裂发育区油气勘探起到了非常重要的作用。这些方法归纳起来主要有两种:一种方法是通过预测断裂面所受正压力,再结合泥岩发生塑性变形流动所需要的最小压力,通过比较二者的相对大小,判断断裂带内泥质成分是否发生塑性流动;若断面所受正压力大于泥岩发生塑性流动所需的最小压力时,强度低、塑性大的泥岩在一定程度下发生变形流动,断裂停止活动后在上覆沉积载荷作用下紧闭其遗留下来的渗漏空间,使断层在垂向上形成封闭,否则断裂垂向开启[7-10];另一种方法是基于断层垂向封闭机理提出的断-储排替压力差法[11-15],首先通过围岩岩石排替压力的测试,建立围岩岩石排替压力与其泥质含量和压实成岩埋深之间的经验函数关系[5],然后将断层视为断裂后期活动形成的倾置于沉积岩层当中的、由断层岩构成的倾斜地层[1],再通过确定其泥质含量和压实成岩埋深[5],利用上述已确定的围岩岩石排替压力的拟合关系式便可以获取断层岩排替压力[5],最后根据断层岩与储层岩石排替压力的相对大小,按照封闭能力评价标准便可对断层垂向封闭性进行定量评价[11]。
  虽然上述两种方法均可以对断层垂向封闭能力进行定量评价,但后一种方法考虑了断裂带的“二元结构”,且是从断层封闭机理出发,其评价结果更符合地下实际情况,应用更为广泛。然而,这两种方法均需借助一定的实测资料才能应用于断层垂向封闭性研究,前者是泥岩发生塑性流动所需最小压力的模拟测试,后者是围岩岩石排替压力的模拟测试,这无疑都给这两种方法的广泛应用带来了一定的限制。因此,建立一套无需实测资料仅用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法,对于研究含油气盆地断裂发育区油气分布规律和指导油气勘探均具有重要意义。
  1 断层垂向封闭机理及断-储排替压力的确定
  1.1 断层垂向封闭机理及排替压力的影响因素
  当盖层遭到断裂破坏后,其能否封闭油气已不再取决于其本身的封闭性,而应取决于断裂垂向封闭性。断裂在垂向上能否形成封闭主要取决于断层岩排替压力与下伏储层岩石排替压力之间的相对大小。如果断层岩排替压力大于或等于下伏储层岩石排替压力,断层能够阻止油气沿断裂穿过盖层继续向上运移,断层垂向封闭;相反,如果断层岩排替压力小于下伏储层岩石排替压力,断层不能阻止油气沿断裂的垂向运移,断层垂向开启(图1)。
  由文献[2]~[6]可知,断层岩排替压力的大小主要受到断层岩泥质含量和压实成岩程度的影响[5]。断层岩泥质含量越大,压实成岩程度越高,其排替压力越大;反之则越小。而断层岩的压实成岩程度主要受到断层岩承受的断面压力和断层岩的压实成岩时间的影响[3]。断层岩压实成岩压力越大,压实成岩作用时间越长,其压实成岩程度越高;反之则越低。断层岩压实成岩压力和压实成岩作用时间对其压实成岩程度的影响又可反映在压实成岩埋深上。压实成岩埋深越大,其压实成岩程度越高;反之则越低。断层岩泥质含量高低则主要受到被其错断的盖层厚度和断距相对大小的影响,被错断的盖层厚度越大,断距越小,断层岩泥质含量则越大;反之则越小。
  1.2 断层岩排替压力的确定
  如果将断层视为断裂活动形成的倾置于沉积岩地层中的、由断层岩构成的倾斜岩层,那么就可以按照沉积岩石排替压力的研究方法[11]来研究断层岩排替压力。
  1.2.1 沉积岩石排替压力的获取
  通常情况下,由于受到钻井数、取芯和经费的限制,难以通过大量测试沉积岩石排替压力的方法来研究岩石封闭能力的空间分布。然而,大量实测沉积岩石排替压力结果研究[12]表明,沉积岩石排替压力大小与其成分(泥质含量)和压实成岩埋深(在无明显上覆地层抬升剥蚀的条件下可用其现今埋深表示)之间均存在着正比关系[5],即随着泥质含量增加,埋深增加,沉积岩石排替压力逐渐增大,反之则逐渐减小。因此,利用沉积岩的泥质含量和埋深,便可以计算得到大量沉积岩石排替压力,研究封闭能力的空间分布。计算公式为
  式中:Pc为沉积岩石排替压力;Zc为沉积岩石压实成岩埋深;Rc为沉积岩石的泥质含量;a、b为与地区有关的参数。
  1.2.2 断层岩泥质含量的获取
  野外观察描述与统计表明,断裂充填物(或断层岩)是断层两盘砂泥岩地层在断裂活动过程滑动削截并以等比例厚度充填在断裂带内的。形成的断裂充填物中的泥质含量主要受断层断距、被错断的泥岩层数和厚度以及砂岩层中泥质含量的影响。断距越小,被错断的泥岩层数越多,泥岩层厚度越大,砂岩层中泥质含量越高,断层岩的泥质含量就越大;反之则越小。其大小可以按Fristad等提出的SGR法[16]计算求得,计算公式为
  式中:Rf 为断层岩泥质含量;Hi为被断裂错断的第i层岩层厚度;Ri为被断裂错断的第i层岩层泥质含量;L为断裂断距;n为被断裂错断的岩层数。
  1.2.3 断层岩压实成岩埋深的获取
  断层岩的压实成岩是从断裂停止活动开始的,因此,断层岩的压实成岩时间是从断裂停止活动到现今的时间段,应明显晚于与其具有相同埋深的盖层岩石的压实成岩时间(从盖层岩石沉积到现今的时间段)。假设断层岩的压实成岩速率与其相同埋深盖层岩石的压实成岩速率相等,便可以得到断层岩的压实成岩埋深,计算公式为 式中:Zf为断层岩压实成岩埋深;Tf为断层岩压实成岩作用时间;Tc为与断层岩埋深相同的盖层岩石压实成岩作用时间;Zc为与断层岩埋深相同的盖层岩石压实成岩埋深;θ为断层倾角。
  将上述确定的断层岩泥质含量和压实成岩埋深代入式(1)中,便可以计算得到断层岩排替压力的大小。
  1.3 下伏储层岩石排替压力的获取
  将下伏储层岩石压实成岩埋深(在上覆地层无明显抬升剥蚀时,可用现今埋深表示)和泥质含量(可利用自然伽马测井资料由文献[17]中储层泥质含量的预测方法计算求得)代入式(1)中便可以计算得到下伏储层岩石排替压力的大小。
  2 利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法
  通过上述方法计算得到断层岩与下伏储层岩石的排替压力。根据断层垂向封闭机理可知,如果断层垂向封闭,需要断层岩排替压力大于或等于下伏储层岩石的排替压力。其表达式为
  式中:Pdf为断层岩排替压力;Pdr为下伏储层岩石排替压力。
  将由式(1)确定的断层岩和下伏储层岩石的排替压力代入式(4)中,整理便可以得到断层垂向封闭油气所需泥质含量下限的计算公式,即
  式中:Rfmin为断层封闭油气所需最小的泥质含量;Rr为下伏储层岩石泥质含量;Tf1为下伏储层岩石压实成岩作用时间。
  由式(5)可以看出,断层垂向封闭油气所需最小的泥质含量并非是一个固定常数,它受到多种因素的影响,其与断层岩倾角的余弦值以及与断层岩具有相同埋深的下伏储层岩石泥质含量和压实成岩作用时间成正比,与断层岩压实成岩作用时间成反比。断层封闭油气所需的泥质含量越小,表明断层垂向越易形成封闭,反之则不易形成封闭[18]。
  利用式(2)计算得到断层岩的泥质含量以及利用式(5)计算得到断层垂向封闭所需最小的泥质含量,只要通过比较二者的相对大小,便可以不用实测围岩岩石排替压力就直接对断层垂向封闭性进行判断。如果断层岩泥质含量大于或等于其垂向封闭油气所需泥质含量的下限值,断层垂向封闭,反之断层垂向开启。
  3 实例应用
  本文选取渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂,利用上述方法判别这5条断裂在东二段泥岩盖层中的垂向封闭能力,并通过判断结果与东二段下部储层内油气分布之间关系的分析,验证该方法用于简便地判断断层垂向封闭性的可行性。
  南堡5号构造位于南堡凹陷西部,构造形态总体上为发育在潜山背景之上并被断层复杂化的披覆背斜构造[19],构造走向为NE向,被NE向的断层切割复杂化。断层平面分布呈平行式或斜交式展布(图2),剖面上呈“似花状”分布。f5断裂为从上部延伸到基底的长期活动断裂(Ⅵ型,早期伸展-中期走滑伸展-晚期张扭断裂)(图3),f1、f2、f3、f4断裂是派生出的4条次级断裂(Ⅴ型,中期走滑伸展-晚期张扭断裂)[20]。该构造自下而上发育的地层有古近系沙河街组、东营组,新近系馆陶组、明化镇组和第四系平原组。南堡5号构造油气资源丰富,从下部东三段至上部明下段皆有油气分布,东二段下部是油气聚集的重要层位。油气源对比结果表明,南堡1号构造东二段下部油气主要来源于下伏沙三段或沙一段—东三段烃源岩[21]。通过地球化学资料分析,f1断裂位于油源区外,f2、f5两条断裂为沟通沙三段或沙一段—东三段两套烃源岩的断裂,f3、f4两条断裂为仅沟通沙一段—东三段烃源岩的断裂。东二段下部油气的盖层主要是东二段上部发育的大套泥岩盖层,厚度为80~415 m[22]。该地区纯泥岩盖层较少,大部分盖层岩性为大套泥岩夹砂岩、粉砂岩,泥质含量(质量分数,下同)为75%~100%。其泥质含量越高,孔渗性越差,封闭性越好,反之则越差。f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂皆错断了东二段泥岩盖层(图4),但并未将东二段泥岩盖层完全错开,盖层尚未失去横向分布的连续性。东二段泥岩盖层能否封闭东二段下部储层中的油气,是南堡5号构造油气成藏与保存的关键。
  依据f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层中的倾角(分别为74.86°、68.27°、77.26°、67.81°和68.36°)、断层岩压实成岩作用时间(应为断层停止活动至今的时间,分别为23.80、23.80、2.58、14.56、5.32 Ma)、东二段泥岩盖层的压实成岩作用时间(应为东二段沉积末期至今,约为27.3 Ma)、东二段下部储层岩泥质含量(可利用自然伽马测井资料由文献[17]泥质含量的预测方法计算求得,分别为47.41%、42.65%、36.84%、36.59%和45.51%)等资料(表1),由式(5)对南堡5号f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内垂向封闭油气所需最小的泥质含量进行了预测(表1)。由表1可以看出:f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内垂向封闭油气所需最小的泥质含量分别为13.68%、17.45%、82.82%、24.96%和82.97%。f1、f2、f4等3条断裂在东二段泥岩盖层内垂向封闭所需最小的泥质含量相对较小;而f3、f5两条断裂在东二段泥岩盖层内垂向封闭所需最小的泥质含量相对较大。这是因为f1、f2、f4等3条断裂断层岩压实成岩时间较长,而f3、f5两条断裂断层岩压实成岩时间较短。用f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂的断距、被错断的地层厚度和泥质含量资料,由式(2)预测得到f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内目前实际的泥质含量分别为53.92%、48.06%、54.20%、49.91%和55.02%(表1)。通过比较f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内的泥质含量与其垂向封闭所需最小的泥质含量相对大小,f1、f2、f4等3条断裂在东二段泥岩盖层内断层岩泥质含量均大于其垂向封闭油气所需最小的泥质含量,垂向上应是封闭的,而f3、f5两条断裂在东二段泥岩盖层内断层岩泥质含量均小于其垂向封闭油气所需最小的泥质含量,垂向上应是开启的。
 从图4和表1可以看出,南堡5号构造东二段目前已发现的油气仅分布在f4断裂处。f1、f2、f4等3条断裂虽然在东二段泥岩盖层内断层岩泥质含量大于其垂向封闭油气所需最小的泥质含量,断层垂向封闭,但f1断裂位于源外未沟通烃源岩,无下伏沙三段或沙一段—东三段烃源岩生成的油气在其附近的东二段圈闭中聚集,f2断裂受断层与盖层配置关系的影响,油气穿过盖层继续向上运移,从而无油气分布;f3、f5两条断裂在东二段泥岩盖层内断层泥质含量小于其垂向封闭油气所需最小的泥质含量,断层垂向开启,运移至此的油气会沿断层穿过盖层继续向上运移,从而无油气分布;只有f4断裂断层岩在东二段泥岩盖层内断层岩泥质含量大于其垂向封闭油气所需最小的泥质含量,断层垂向封闭,又位于烃源岩区内部,有充足油气供给,有利于油气在其下聚集成藏,从而断裂附近油气富集。
  4 结 语
  (1)断层垂向封闭油气所需最小的泥质含量并非是一个固定常数,它受到多种因素的影响,既有断裂本身特征的影响,又有盖层和下伏储层特征的影响,是多种因素综合影响的结果。断层垂向封闭油气所需最小的泥质含量越小,断层垂向越易形成封闭,反之则不易形成封闭。
  (2)通过比较断层岩排替压力与下伏储层岩石排替压力大小,建立利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法,并将该方法应用于渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造f1、f2、f3、f4、f5等5条断裂在东二段泥岩盖层内垂向封闭性研究中,f1、f2、f4等3条断裂在东二段泥岩盖层内垂向上是封闭的,f3、f5两条断裂在东二段泥岩盖层内垂向上是开启的。这一评价结果与目前东二段下部已发现油气分布有着较好的吻合关系,表明该方法用于简便地判断断层垂向封闭性是可行的。
  (3)该方法还存在着许多不足之处。断层岩压实成岩程度虽然考虑了压实成岩压力和时间的影响,但受到目前认识水平和研究手段的限制,对断层岩压实成岩程度有着重要影响的胶结作用还没有考虑,这无疑将影响到预测断层岩压实成岩程度的准确性。此外,如果研究区存在地层抬升剥蚀,那么地层现今埋深就不是其压实成岩埋深,还应加上地层剥蚀量才是地层真实的压实成岩埋深,否则用目前埋深代表其压实成岩埋深就无法准确预测断层岩排替压力。因此,要获得准确的断层岩压实成岩埋深,就必须对其剥蚀量进行恢复,而地层剥蚀量的恢复至今尚无可信的方法,也就是说地层剥蚀量无法准确恢复,也就无法准确确定地层压实成岩埋深。这些问题均说明该方法还存在一些缺陷,有待于今后不断完善和提高。
  参考文献
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出处:地球科学与环境学报作者:付广 胡欣蕾 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/20161113/6477926.html   

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