付曉飛1,2,3，賈茹1,2,3，王海學1,2,3，吳桐1,2,3，孟令東1,2,3，孫永河1,2,3

（1.東北石油大學CNPC斷裂控藏研究室；2.黑龍江省“斷層變形、封閉性及與流體運移”高?？萍紕?chuàng)新團隊；3.“非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)”省部共建國家重點實驗室）

斷層-蓋層封閉性定量評價
——以塔里木盆地庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶為例

付曉飛1,2,3，賈茹1,2,3，王海學1,2,3，吳桐1,2,3，孟令東1,2,3，孫永河1,2,3

（1.東北石油大學CNPC斷裂控藏研究室；2.黑龍江省“斷層變形、封閉性及與流體運移”高校科技創(chuàng)新團隊；3.“非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)”省部共建國家重點實驗室）

基于巖石力學特征測試和野外露頭解剖，分析塔里木盆地庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶斷裂在膏鹽巖蓋層和砂礫巖儲集層中的變形機制，研究斷層封閉機理并建立天然氣保存綜合定量評價圖版。隨埋深增加，膏鹽巖從脆性階段向脆-塑性、塑性階段轉(zhuǎn)變，庫車坳陷膏鹽巖從脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)化的深度約為1 740 m，從脆-塑性向塑性轉(zhuǎn)化的深度約為3 400 m。斷裂在脆性膏鹽巖中變形形成貫通性斷裂，可用斷接厚度表征斷層垂向封閉性；斷裂在脆-塑性膏鹽巖蓋層中變形形成涂抹，涂抹因子（SSF）值3.5為膏鹽巖涂抹連續(xù)與否的臨界值，為判斷脆-塑性膏鹽巖中斷裂垂向封閉性的標準；斷裂一般不斷穿塑性膏鹽巖。斷裂在砂礫巖中變形形成斷層角礫巖型斷裂帶，不具封閉能力，天然氣在斷層圈閉中聚集數(shù)量取決于控圈斷裂兩盤巖性對接幅度，圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度決定斷層圈閉氣水界面和氣柱高度。綜合考慮膏鹽巖脆塑性轉(zhuǎn)化深度、臨界斷接厚度、SSF值、圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度4因素，建立了大北—克拉蘇構(gòu)造帶天然氣保存綜合定量評價圖版，為斷層圈閉風險評價提供了依據(jù)。圖8參38

庫車坳陷；膏鹽巖蓋層；脆塑性轉(zhuǎn)化；斷接厚度；泥巖涂抹因子；蓋層封閉性；斷層封閉性

1 研究區(qū)概況及研究思路

塔里木盆地庫車坳陷為在古生代褶皺基底上經(jīng)歷晚二疊世—三疊紀前陸盆地、侏羅紀—古近紀伸展坳陷盆地和新近紀—第四紀陸內(nèi)前陸盆地演化而形成的[1]。三疊系—侏羅系發(fā)育煤系烴源巖[2]，新近紀時快速沉降埋藏，烴源巖開始大量生排烴[3-4]，天然氣大規(guī)模成藏期為上新統(tǒng)庫車組沉積期末—更新世[5]。天然氣藏受古近系庫姆格列木組膏鹽巖蓋層（大部區(qū)域為膏鹽巖，局部為含鹽泥巖）控制[6]，天然氣主要聚集在白堊系巴什基奇克組和古近系庫姆格列木組砂礫巖儲集層中[7]，圈閉主要為逆沖斷層相關(guān)褶皺圈閉[8]。

庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶（見圖1）具有晚期成藏特征[9]，且逆沖變形時期與成藏時期一致，成藏的關(guān)鍵因素之一為保存條件。庫車坳陷氣藏保存條件主要取決于2方面因素：即蓋層自身封閉能力和斷裂垂/側(cè)向封閉能力。大北—克拉蘇構(gòu)造帶膏鹽巖分布穩(wěn)定，為區(qū)域性蓋層[10-11]，其排替壓力普遍大于15 MPa[10,12]，確保了天然氣不會大量滲透和擴散。因此，決定天然氣成藏保存條件的關(guān)鍵在于斷裂封閉能力，而蓋層脆塑性是斷層封閉能力研究的重要基礎(chǔ)。為此，本文通過巖石力學特征測試，深入剖析研究區(qū)膏鹽巖脆塑性轉(zhuǎn)化過程；系統(tǒng)解剖露頭區(qū)斷裂，研究斷裂在不同埋深膏鹽巖中的變形機制及斷裂帶結(jié)構(gòu)，建立了斷裂垂向封閉能力評價標準；依據(jù)露頭區(qū)砂礫巖斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖，分析斷層側(cè)向封閉機理并建立庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶天然氣保存綜合定量評價圖版。

圖1 庫車坳陷大北構(gòu)造帶構(gòu)造圖

2 膏鹽巖脆塑性定量表征及對斷裂垂向封閉性的影響

巖石脆塑性是影響蓋層性質(zhì)及油氣保存條件的重要因素之一。隨著埋深增加，巖石一般表現(xiàn)為3種變形特征：脆性、脆-塑性和塑性變形。脆性變形階段以剪切破裂為主，應變量一般小于3%[13]，主要表現(xiàn)為應變軟化特征；脆-塑性變形階段發(fā)育局部破裂，也產(chǎn)生塑性變形，應變量一般為3%～5%[13-15]，該階段具有應變硬化特征，應力降開始明顯減小，脆性和脆-塑性變形階段都具有聲發(fā)射響應[16]；塑性變形階段具有典型流變特征，部分巖石具有流動性[17]，應力降為零，應變量普遍大于5%[13]，該階段圍壓基本不起作用，主要受溫度控制。影響膏鹽巖脆塑性的主要因素為溫度和圍壓[18-19]，實驗研究證實，隨著埋深增加，膏鹽巖存在明顯的脆塑性轉(zhuǎn)化過程[20]：淺埋條件下一般以脆性變形為主，隨著埋深增大，由于圍壓和溫度的增加，巖石開始向脆-塑性變形過渡直至進入塑性變形階段。膏鹽巖常作為蓋層遮擋油氣，在油氣成藏中起重要作用，不同脆塑性階段蓋層內(nèi)斷裂變形機制存在較大差異，確定不同巖性脆塑性轉(zhuǎn)換臨界深度是蓋層及斷層封閉性評價的關(guān)鍵。

2.1 膏鹽巖脆塑性定量表征

本文選取庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶東秋背斜膏巖和含鹽泥巖兩種類型樣品，采用軸向變形閉環(huán)伺服控制方式加載，變形速率為0.03 mm/min，濕度為50%，按照不同埋深對應的溫度及圍壓開展巖石力學實驗，得到應力-應變關(guān)系曲線（見圖2），并擬合巖石剪切破裂強度與圍壓之間的關(guān)系，最后依據(jù)Byerlee摩擦定律[21]和應力降規(guī)律定量判斷脆-塑性轉(zhuǎn)化階段。

在低圍壓條件下，巖石表現(xiàn)為純脆性破裂，隨著埋深增加，圍壓增大，巖石中部分礦物表現(xiàn)出塑性變形，當摩爾-庫侖破裂包絡線與Byerlee摩擦滑動曲線相交時，巖石開始從脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)變[19]，其中摩爾-庫侖破裂包絡線為應力-應變曲線上峰值強度（剪切破裂強度）的二次擬合曲線[22]，Byerlee摩擦滑動曲線[18,21,23]在σ1和σ3坐標下滿足（σ3＜100 MPa）。隨著埋深繼續(xù)增加，巖石中塑性成分逐漸增多，巖石殘余強度破裂包絡線與摩爾-庫侖破裂包絡線相交時，巖石開始轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，此時滿足Goetze準則[24]，即。由此，可以確定巖石由脆性向脆-塑性、塑性轉(zhuǎn)化的臨界深度。

圖2 不同圍壓條件下白色膏巖應力-應變關(guān)系（圖中數(shù)據(jù)為圍壓，差應力為σ1與σ3的差值）

圖3 不同巖性蓋層脆塑性轉(zhuǎn)換關(guān)系

庫車坳陷庫姆格列木組蓋層以膏鹽巖為主，膏巖普遍發(fā)育，最大單層厚度53 m，整套地層內(nèi)膏巖含量不低于10%。應用蓋層脆塑性轉(zhuǎn)換階段定量表征方法，求得白色純膏巖由脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)換的臨界圍壓為46 MPa，相當于埋深1 740 m，由脆-塑性向塑性階段轉(zhuǎn)換的臨界圍壓為90 MPa，相當于埋深3 400 m（見圖2、圖3a）。含鹽泥巖由脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)換的臨界圍壓為74 MPa，相當于埋深3 200 m，由脆-塑性向塑性轉(zhuǎn)換的臨界圍壓為121 MPa，相當于埋深5 232 m（見圖2、圖3b）。結(jié)果表明：膏鹽巖脆塑性轉(zhuǎn)換臨界圍壓明顯低于含鹽泥巖，即相同圍壓條件下，泥巖表現(xiàn)為脆性時，膏鹽巖可能已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇?塑性甚至塑性。因此，庫姆格列木組膏鹽巖區(qū)域蓋層脆塑性轉(zhuǎn)換的臨界深度分別為1 740 m和3 400 m。大北—克拉蘇構(gòu)造帶庫姆格列木組膏鹽巖蓋層最大埋深7 209 m，最小埋深2 170 m，普遍大于1 740 m，因此，膏鹽巖蓋層普遍處于脆-塑性和塑性階段。

2.2 斷裂在不同脆塑性階段膏鹽巖中變形機制及斷裂帶結(jié)構(gòu)

處于脆性階段的鹽巖、膏巖和泥巖通常形成貫通性斷裂[20]，斷裂帶充填物通常為軟的斷層泥，如大北—克拉蘇構(gòu)造帶東秋背斜北翼斷裂和拜城鹽場鹽內(nèi)斷裂（見圖4），這類斷裂在活動期為油氣垂向運移的通道。處于脆-塑性轉(zhuǎn)化階段的膏鹽巖形成典型的涂抹結(jié)構(gòu)（見圖5a），只要涂抹結(jié)構(gòu)保持連續(xù)性，斷層垂向即封閉。Welch等[25]認為逆沖斷層發(fā)育的泥巖涂抹受控于斷距、泥巖層厚度等多種因素，通過數(shù)值模擬和對野外斷層泥巖涂抹的調(diào)查研究，利用斷距與泥巖層厚度比值（SSF）表征泥巖涂抹連續(xù)性，統(tǒng)計得到，連續(xù)泥巖涂抹最大SSF值為4.6[25]。處于塑性階段的膏鹽巖具有流動特征，伴隨斷裂逆沖滑動，沿著斷面流動，并在逆沖帶前鋒擠出，如大北—克拉蘇構(gòu)造帶西秋逆沖推覆體前端出露大規(guī)模庫姆格列木組鹽巖。

圖4 庫車坳陷拜城鹽場庫姆格列木組脆性鹽巖內(nèi)斷裂帶結(jié)構(gòu)

2.3 斷裂垂向封閉性定量評價

脆性階段：野外露頭觀察發(fā)現(xiàn)，脆性膏（泥、鹽）巖產(chǎn)生大量裂縫[26]，從變形過程看，斷穿蓋層的斷裂，隨著斷距增大，應變增強，裂縫密度越來越大，當形成連通的裂縫網(wǎng)絡后，滲透率陡增，油氣穿越蓋層逸散[27-29]。因此裂縫垂向輸導能力取決于兩個關(guān)鍵因素：①斷距大小，斷距越大，地層變形越強烈，裂縫越發(fā)育；②蓋層厚度，蓋層厚度越小，裂縫越容易連通。因此用斷接厚度（Hfc=Hs-Hc）定量表征裂縫垂向連通性[30]，斷接厚度值越大，裂縫垂向輸導能力越差，斷層封閉能力越強。脆性蓋層存在臨界斷接厚度值，當斷接厚度低于該臨界值，斷裂即發(fā)生垂向滲漏[30-31]。

圖5 庫車坳陷東秋背斜脆塑性域膏鹽巖連續(xù)性定量評價

脆-塑性階段：詳細解剖大北—克拉蘇構(gòu)造帶東秋背斜南翼膏鹽巖涂抹斷裂（見圖5a），認為膏鹽巖連續(xù)涂抹的臨界SSF值為3.5（見圖5b）。

塑性階段：塑性膏鹽巖導致斷層無法斷穿蓋層，形成盲沖斷層，斷層垂向封閉。

3 砂礫巖中斷裂帶結(jié)構(gòu)及斷層側(cè)向封閉性定量評價

3.1 斷裂在砂礫巖中變形機制及斷裂帶結(jié)構(gòu)

影響斷裂變形機制的因素既有內(nèi)因（巖性、礦物成分、成巖階段、孔隙度和滲透率），也有外因（溫度、圍壓和變形深度）[17,32]。庫車坳陷主要目的層為白堊系巴什基奇克組和古近系庫姆格列木組砂礫巖，埋深普遍大于3 500 m，巖性主要為長石巖屑砂巖[33]，其中泥質(zhì)含量為15%～40%，孔隙度普遍小于10%。儲集層普遍發(fā)育異常高壓，整體處于中成巖階段A2—A3亞期。對于低孔隙度巖石斷裂變形，當埋深小于3 km時[17,34]，斷裂變形主要產(chǎn)生破裂作用[35]，形成無內(nèi)聚力的斷層角礫巖，這種斷裂帶具有“膨脹”特征，隨著裂縫形成和巖石“膨脹”，地層滲透率明顯增大[17,36]；當埋深大于3 km時，裂縫越來越發(fā)育，地層沿著裂縫發(fā)生摩擦滑動并伴隨破碎的顆粒滾動，形成斷層泥、有內(nèi)聚力的斷層角礫巖和碎裂巖[17]。

按照上述變形規(guī)律，斷裂在巴什基奇克組和庫姆格列木組砂礫巖儲集層中變形應該形成有內(nèi)聚力的斷層角礫巖和碎裂巖，但受以下兩個因素影響，斷裂在儲集層中形成無內(nèi)聚力角礫巖：①異常高壓作用，當流體壓力較高時，最小有效應力明顯降低，變形以破裂為主，不發(fā)生碎裂流作用，形成無內(nèi)聚力斷層角礫巖。Cook等研究Cave山背斜低孔石英碎屑巖中逆沖斷層發(fā)現(xiàn)[37]，其變形深度超過5 km，但由于超壓流體的作用，形成了膨脹型斷層角礫巖帶。②抬升過程中應力卸載和圍壓降低，易形成無內(nèi)聚力斷層角礫巖帶[17]。大北—克拉蘇構(gòu)造帶庫車河剖面侏羅系陽霞組砂泥互層出露的小規(guī)模斷層形成于盆地抬升階段，主要發(fā)育無內(nèi)聚力的斷層角礫巖（見圖6）。

低孔隙度砂巖中形成的斷裂具有典型的“二元”結(jié)構(gòu)，即斷層核和破碎帶，斷層核主要發(fā)育無內(nèi)聚力斷層角礫巖，滲透率比圍巖高1～4個數(shù)量級，而破碎帶發(fā)育大量裂縫，滲透率比圍巖高1～6個數(shù)量級。因此，在砂巖儲集層中形成的斷裂為高滲透性斷裂，是流體垂向運移的通道，側(cè)向不具有封閉能力。當儲集層砂體在斷裂作用下與上覆膏鹽巖蓋層對接時，斷裂對油氣形成側(cè)向封閉；而當儲集層與同層砂體對接時，斷層發(fā)生側(cè)向滲漏，為油氣提供輸導通道，因此斷層側(cè)向封閉主要依靠巖性對接[38]。

圖6 庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶庫車河剖面侏羅系陽霞組出露斷層剖面

3.2 斷層側(cè)向封閉性及對天然氣成藏的控制

大北1區(qū)塊為典型的被次級斷裂分隔的背斜圈閉，共發(fā)育7個斷層圈閉（見圖1），以大北102和大北103圈閉為例，剖析斷層側(cè)向封閉性對天然氣聚集成藏的控制作用。大北102圈閉受控于F2、F8和F9斷裂，大北103圈閉受控于F3、F8和F9斷裂，F(xiàn)8和F3斷裂將儲集層完全錯斷，使其與上覆蓋層對接，形成有效的對接封閉，而大北102和大北103斷層圈閉之間的F9斷裂，由于斷距較小，未能完全錯開儲集層，局部出現(xiàn)砂-砂對接滲漏點，滲漏點海拔為-3 990 m（見圖7）。實測兩個斷層圈閉油藏中部的溫度和壓力基本相同，壓力系數(shù)為1.6，溫度為126～128 ℃，故在-3 990 m以深兩斷層圈閉儲集層是連通的，氣水界面一致。兩斷層圈閉最終的氣水界面受F2斷裂控圈高點處砂-砂對接部位控制，為-4 135 m。據(jù)此對大北區(qū)塊各圈閉烴柱高度（對接幅度）進行了預測，結(jié)果與實際情況吻合較好。可見，控圈斷層斷距及儲集層厚度是影響巖性對接封閉的主要因素。

圖7 庫車坳陷大北102、大北103圈閉斷層巖性對接圖

4 天然氣保存條件綜合定量評價

綜合上述研究認為，庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶天然氣保存條件受控于兩個關(guān)鍵因素：①膏鹽巖脆塑性及其斷裂發(fā)育模式、斷裂帶結(jié)構(gòu)。斷裂在脆性膏鹽巖中變形形成斷層泥充填的貫通性斷裂，其封閉能力取決于斷接厚度，當斷接厚度低于臨界值時，油氣即沿斷層發(fā)生垂向滲漏。斷裂在脆-塑性膏鹽巖中變形形成涂抹，當SSF值小于3.5時，膏鹽巖涂抹保持連續(xù)性，斷層垂向封閉，當SSF值大于3.5時，膏鹽巖涂抹失去連續(xù)性，油氣沿斷層發(fā)生垂向滲漏。塑性膏鹽巖限制斷裂穿層，形成典型的鹽下圈閉，依靠蓋層排替壓力封閉天然氣。②斷層的側(cè)向封堵能力。在儲集層厚度大體相當?shù)那闆r下，圈閉范圍內(nèi)最小斷距決定氣柱高度，因此最小對接幅度決定天然氣聚集程度。綜合膏鹽巖脆塑性、臨界斷接厚度、臨界SSF值和最小對接幅度4因素建立天然氣保存條件定量判別圖版（見圖8），共劃分出4個區(qū)域（見圖8）。Ⅰ區(qū)為天然氣聚集區(qū)：膏鹽巖處于塑性變形階段，鹽下斷裂控制圈閉形成和天然氣聚集，圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度決定氣柱高度和氣水界面，典型實例如大北區(qū)塊和克深8圈閉。Ⅱ區(qū)為天然氣聚集區(qū)：膏鹽巖處于脆-塑性變形階段，穿鹽斷裂控制圈閉形成，當斷距較小時，泥巖涂抹保持連續(xù)性，圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度決定氣柱高度和氣水界面。Ⅲ區(qū)為典型的天然氣散失區(qū)，如克拉1井、克拉5井和克參1井。克拉3圈閉的天然氣藏即為泥巖涂抹保持連續(xù)時聚集的，之后泥巖涂抹失去連續(xù)性，導致部分天然氣散失，受斷背斜控制聚集部分油氣。Ⅳ區(qū)為脆性膏鹽巖發(fā)育區(qū)，斷接厚度控制圈閉內(nèi)油氣的聚集。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，庫車坳陷內(nèi)膏鹽巖均處于脆-塑性或塑性階段，無法定量厘定脆性域斷接厚度的臨界值，但就前陸盆地而言，仍有脆性膏巖蓋層發(fā)育，如準噶爾盆地南緣古近系安集海河組蓋層，其封閉油氣的臨界斷接厚度為115～590 m。

圖8 研究區(qū)天然氣保存條件定量評價圖版

5 結(jié)論

庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶天然氣儲集層為白堊系巴什基奇克組和古近系庫姆格列木組砂礫巖，蓋層為古近系庫姆格列木組膏鹽巖（大部區(qū)域為膏鹽巖，局部為含鹽泥巖），膏鹽巖蓋層埋深普遍大于1 740 m，處于脆-塑性和塑性變形階段。

斷裂在脆性膏鹽巖蓋層中變形形成斷層泥充填的貫通性斷裂，可用斷接厚度定量表征斷層垂向封閉能力。斷裂在脆-塑性膏鹽巖蓋層中變形形成涂抹，SSF值3.5為膏鹽巖涂抹連續(xù)與不連續(xù)的臨界值，可作為判斷脆-塑性膏鹽巖中斷裂垂向封閉性的標準。斷裂一般不斷穿塑性膏鹽巖，塑性膏鹽巖層可作為蓋層封閉天然氣。斷裂在低孔隙度砂礫巖中變形形成無內(nèi)聚力斷層角礫巖帶，不具有封閉能力。天然氣在斷層圈閉中聚集數(shù)量取決于控圈斷裂兩盤巖性對接幅度，圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度決定圈閉氣水界面和氣柱高度。考慮膏鹽巖脆塑性轉(zhuǎn)化和斷裂封閉性控制因素，綜合膏鹽巖脆塑性轉(zhuǎn)化深度、臨界斷接厚度、SSF值和圈閉范圍內(nèi)最小對接幅度4個因素，定量建立了天然氣保存條件圖版，為庫車坳陷大北—克拉蘇構(gòu)造帶圈閉風險評價提供了依據(jù)。

符號注釋：

σ1——最大主應力，MPa；σ3——最小主應力，MPa；SSF——泥巖涂抹因子，無因次；Hc——斷距，m；Hs——蓋層厚度，m；Hfc——斷接厚度，m。

[1] 何登發(fā),周新源,楊海軍,等.庫車坳陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其對大油氣田的控制作用[J].大地構(gòu)造與成礦學,2009,33(1):19-32.He Dengfa,Zhou Xinyuan,Yang Haijun,et al.Geological structure and its controls on giant oil and gas fields in Kuqa Depression,Tarim Basin:A clue from new shot seismic data[J].Geotectonica et Metallogenia,2009,33(1):19-32.

[2] 趙孟軍,盧雙舫.庫車坳陷兩期成藏及其對油氣分布的影響[J].石油學報,2003,24(5):16-20,25.Zhao Mengjun,Lu Shuangfang.Two periods of reservoir forming and their significance for hydrocarbon distribution in Kuqa Depression[J].Acta Pertrolei Sinica,2003,24(5):16-20,25.

[3] 賈承造,魏國齊.中國中西部兩期前陸盆地的形成及其控氣作用[J].石油學報,2003,24(2):13-17.Jia Chengzao,Wei Guoqi.Tectonic evolution of two-epoch foreland basins and its control for natural gas accumulation in China’s mid-western areas[J].Acta Pertrolei Sinica,2003,24(2):13-17.

[4] 金文正,湯良杰,萬桂梅,等.庫車東秋里塔格構(gòu)造變形期與生烴期匹配關(guān)系[J].西南石油大學學報:自然科學版,2009,31(1):19-22.Jin Wenzheng,Tang Liangjie,Wan Guimei,et al.The matching relationship between structural deformation stage and hydrocarbon generation stage in eastern Qiulitage tectonic belt of Kuqa Depression[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science &Technology Edition,2009,31(1):19-22.

[5] 柳廣弟,孫明亮,呂延防,等.庫車坳陷天然氣成藏過程有效性評價[J].中國科學D輯:地球科學,2008,38(S1):103-110.Liu Guangdi,Sun Mingliang,Lü Yanfang,et al.The effectiveness assessment of gas accumulation processes in Kuqa Depression,Tarim Basin,Northwest China[J].SCIENCE CHINA Earth Sciences,2008,51(zkⅡ):117-125.

[6] 卓勤功,李勇,宋巖,等.塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶古近系膏鹽巖蓋層演化與圈閉有效性[J].石油實驗地質(zhì),2013,35(1):42-47.Zhuo Qingong,Li Yong,Song Yan,et al.Evolution of Paleogene saline deposits and effectiveness of traps in Kelasu tectonic zone,Kuqa Depression,Tarim Basin[J].Petroleum Geology &Experiment,2013,35(1):42-47.

[7] 易立.庫車坳陷前陸沖斷帶斷源儲蓋組合樣式及其對成藏的控制[J].中國石油勘探,2013(5):10-14.Yi Li.Fault-source-reservoir-cap combinations and their control on accumulation in foreland thrust belt of Kuqa Depression[J].China Petroleum Exploration,2013(5):10-14.

[8] 盧華復,賈東,蔡東升,等.塔里木和西天山古生代板塊構(gòu)造演化[R].庫爾勒:中國石油塔里木油田公司,1996.Lu Huafu,Jia Dong,Cai Dongsheng,et al.The plate tectonic evolution of Tarim and western Tianshan[R].Korla:PetroChina Tarim Oilfield,1996.

[9] 馬玉杰,卓勤功,楊憲彰,等.庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶油氣動態(tài)成藏過程及其勘探啟示[J].石油實驗地質(zhì),2013,35(3):249-254.Ma Yujie,Zhuo Qingong,Yang Xianzhang,et al.Petroleum dynamic accumulation process and its implications in Kelasu structural belt,Kuqa Depression,Tarim Basin[J].Petroleum Geology &Experiment,2013,35(3):249-254.

[10] 付曉飛,劉小波,宋巖,等.中國中西部前陸沖斷帶蓋層品質(zhì)與油氣成藏[J].地質(zhì)論評,2008,54(1):82-93.Fu Xiaofei,Liu Xiaobo,Song Yan,et al.Caprock quality and hydrocarbon accumulation in the basins of foreland thrust belts,central and western China[J].Geological Review,2008,54(1):82-93.

[11] 杜金虎,王招明,胡素云,等.庫車前陸沖斷帶深層大氣區(qū)形成條件與地質(zhì)特征[J].石油勘探與開發(fā),2012,39(4):385-393.Du Jinhu,Wang Zhaoming,Hu Suyun,et al.Formation and geological characteristics of deep giant gas provinces in the Kuqa foreland thrust belt,Tarim Basin,NW China[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(4):385-393.

[12] Skerlec G M.Risking fault seal in the Gulf Coast:A joint industry study[R].San Diego:AAPG Annual Convention,1996.

[13] Evans B,Fredrich J T,Wong T.The brittle-ductile transition in rocks:Recent experimental and theoretical progress[J].Geophysical Monograph Series,1990,56:1-20.

[14] Bates R L,Jackson J A.Glossary of geology[M].Berlin:Springer-Verlag,1987.

[15] Fredrich J T,Evans B,Wong T F.Effect of grain size on brittle and semibrittle strength:Implications for micromechanical modeling of failure in compression[J].Journal of Geophysical Research:Solid Earth (1978-2012),1990,95(B7):10907-10920.

[16] Yang Huiming.Study on acoustic emission evolution characteristic of plastic and brittle coal failure process[J].Advanced Materials Research,2013,807-809:2398-2403.

[17] Fossen H.Structural geology[M].New York:Cambridge University Press,2010:119-185.

[18] Byerlee J D.Brittle-ductile transition in rocks[J].Journal of Geophysics Research,1968,73(B3):4741-4750.

[19] Kohlstedt D L,Evans B,Mackwell S J.Strength of the lithosphere:Constraints imposed by laboratory experiments[J].Journal of Geophysics Research,1995,100(B9):17587-17602.

[20] Nygard R,Gutierrez M,Bratli R K.Brittle-ductile transition,shear failure and leakage in shales and mudrocks[J].Marine and Petroleum Geology,2006,23:201-212.

[21] Byerlee J D.Friction of rocks[J].Pure and Applied Geophysics,1978,116(4/5):615-626.

[22] Petley D N.Failure envelops of mudrocks at high confining pressures[J].Geological Society,1999,158(1):61-71.

[23] 陳颙,黃庭方,劉恩儒.巖石物理學[M].合肥:中國科學技術(shù)大學出版社,2009:112-192.Chen Yong,Huang Tingfang,Liu Enru.Rock physics[M].Hefei:University of Science and Technology,2009:112-192.

[24] Goetze C.High temperature rheology of Westerly granite[J].Journal of Geophysics Research,1971,76(B1):1223-1230.

[25] Welch M J,Knipe R J,Souque C,et al.A quadshear kinematic model for folding and clay smear development in fault zones[J].Tectonophysics,2009,471:186-202.

[26] Holland M,Urai J L,Vander Zee W,et al.Fault gouge evolution in highly over consolidated claystones[J].Journal of Structural Geology,2006,28(2):323-332.

[27] Andersson J E,Ekman L,Nordqvist R,et al.Hydraulic testing and modeling of a low-angle fracture zone at Finnsj?n,Sweden[J].Journal of Hydrology,1991,126(1):45-77.

[28] Bolton A J,Maltman A J,Clennell M B.The importance of overpressure timing and permeability evolution in fine-grained sediments undergoing shear[J].Journal of Structural Geology,1998,20:1013-1022.

[29] Ingram G M,Urai J L.Top-seal leakage through faults and fractures:The role of mudrock properties[J].Geological Society,1999,158(1):125-135.

[30] 呂延防,萬軍,沙子萱,等.被斷裂破壞的蓋層封閉能力評價方法及其應用[J].地質(zhì)科學,2008,43(1):162-174.Lü Yanfang,Wan Jun,Sha Zixuan,et al.Evaluation method for seal ability of cap rock destructed by faulting and its application[J].Chinese Journal of Geology,2008,43(1):162-174.

[31] 劉哲,付廣,呂延防,等.南堡凹陷斷裂對油氣成藏控制作用的定量評價[J].中國石油大學學報:自然科學版,2013,37(1):27-34.Liu Zhe,Fu Guang,Lü Yanfang,et al.Quantitative evaluation for control of faults on hydrocarbon accumulation in Nanpu Sag[J].Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science,2013,37(1):27-34.

[32] Fisher Q J,Knipe R J.The permeability of faults within siliciclastic petroleum reservoirs of the North Sea and Norwegian Continental Shelf[J].Marine and Petroleum Geology,2001,18(10):1063-1081.

[33] 劉建清,賴興運,于炳松,等.庫車凹陷克拉2氣田深層優(yōu)質(zhì)儲層成因及成巖作用模式[J].沉積學報,2005,23(3):412-419.Liu Jianqing,Lai Xingyun,Yu Bingsong,et al.The origin of the deep-burial high-quality reservoir and the model of diagenetic evolution in Kela 2 gas field,Kuqa Depression[J].Acta Sedimentologica Sinica,2005,23(3):412-419.

[34] Sibson R H.Fault rocks and fault mechanisms[J].Journal of the Geological Society,1977,133(3):191-213.

[35] Blenkinsop T G.Deformation microstructures and mechanisms in minerals and rocks[M].Berlin:Springer-Verlag,2000.

[36] Fisher Q J,Casey M,Harris S D,et al.Fluid-flow properties of faults in sandstone:The importance of temperature history[J].Geology,2003,31(11):965-968.

[37] Cook J E,Dunne W M,Onasch C M.Development of a dilatant damage zone along a thrust relay in a low-porosity quartz arenite[J].Journal of Structural Geology,2006,28:776-792.

[38] 付曉飛,李文龍,呂延防,等.斷層側(cè)向封閉性及對斷圈油水關(guān)系的控制[J].地質(zhì)論評,2011,57(3):387-397.Fu Xiaofei,Li Wenlong,Lü Yanfang,et al.Quantitative estimation of lateral fault seal and application in hydrocarbon exploration[J].Geological Review,2011,57(3):387-397.

（編輯 黃昌武）

Quantitative evaluation of fault-caprock sealing capacity:A case from Dabei-Kelasu
structural belt in Kuqa Depression,Tarim Basin,NW China

Fu Xiaofei1,2,3,Jia Ru1,2,3,Wang Haixue1,2,3,Wu Tong1,2,3,Meng Lingdong1,2,3,Sun Yonghe1,2,3
(1.Laboratory of CNPC Fault Controlling Reservoir,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Science and Technology Innovation Team of Universities of Fracture Deformation,Sealing Properties and Fluid Migration,Daqing 163318,China;3.The State Key Laboratory Base of Unconventional Oil and Gas Accumulation and Exploitation,College of Earth Science,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Based on the tests of rock mechanics characteristics and the anatomy of field outcrop,the paper analyzed the deformation mechanism of faults in anhydrite-salt caprock and glutenite reservoir in Dabei-Kelasu structural belt in Kuqa Depression,Tarim Basin,and studied the sealing mechanism of fault as well as established the comprehensive quantitative evaluation chart of gas preservation conditions.With the increase of depth,anhydrite-salt rock transforms from brittle stage to brittle-ductile or ductile stage,the depth for brittle to brittle-ductile transition of anhydrite-salt rock in Kuqa depression is about 1 740 m,brittle-ductile to ductile transition is about 3 400 m.Faults in brittle anhydrite-salt rock deform and form through-going faults,using caprock juxtaposition thickness by fault to characterize vertical sealing ability of the faults;faults deformed in brittle-ductile anhydrite-salt caprock form smear,the smear factor (SSF) of 3.5 is the critical value of anhydrite-salt smear from continuous to discontinuous status,which becomes a standard of determining vertical sealing of the faults in brittle-ductile anhydrite-salt rock;faults are generally hard to cut through ductile anhydrite-salt rock.Fault forms a fault zone of fault breccia type after deformation in dense glutenite,has no sealing capacity,the amount of gas gathered in the fault traps is controlled by the lithology juxtaposition amplitude of both walls of fault,the minimum juxtaposition amplitude within the trap determines the gas-water contact and gas column height of the fault trap.Comprehensively considering the four factors,the brittle-ductile transition depth of the anhydrite-salt rock,critical juxtaposition thickness of fault and SSF value as well as the minimum juxtaposition amplitude within the trap,the comprehensive quantitative evaluation chart of gas preservation conditions in Dabei-Kelasu structural belt,Kuqa depression was established,which provided a reasonable basis for fault trap risk assessment.

Kuqa depression;anhydrite-salt caprock;brittle-ductile transition;caprock juxtaposition thickness by fault;shale smear factor;caprock sealing;fault sealing

國家重大科技專項“中西部前陸盆地大型油氣田形成、分布與區(qū)帶評價”（2011ZX05003-001）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目“斷層相關(guān)圈閉油氣安全開采風險性評價”（2012CB723102）；國家自然科學基金“泥巖涂抹形成的地質(zhì)條件及有效封閉機理”（41272151）；中國石油科技創(chuàng)新基金“碳酸鹽巖內(nèi)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及與油氣運移和封閉”（2012D-5006-0107）；教育部科學技術(shù)研究重點項目“碳酸鹽巖內(nèi)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及對油氣運移與封閉的控制”（212041）

TE122.2

A

1000-0747(2015)03-0300-10

10.11698/PED.2015.03.06

付曉飛（1973-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，東北石油大學教授，主要從事斷裂變形、封閉性及流體運移方面研究。地址：黑龍江省大慶市，東北石油大學學科建設處，郵政編碼：163318。E-mail：fuxiaofei2008@sohu.com

聯(lián)系作者：賈茹（1988-），女，黑龍江大慶人，現(xiàn)為東北石油大學在讀博士研究生，主要從事斷裂變形、封閉性及流體運移方面研究。地址：黑龍江省大慶市，東北石油大學地球科學學院，郵政編碼：163318。E-mail：misssg99@163.com

2014-03-24

2015-03-20