泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力綜合評(píng)價(jià)方法

姜 振 海

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠(chǎng)，黑龍江大慶 163113)

0 引言

隨著油氣勘探的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在含油氣盆地中的泥巖蓋層在形成后或多或少地都會(huì)受到斷裂破壞，使其封閉油氣能力發(fā)生不同程度的降低，造成油氣滲濾、散失。因此，能否準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力是油氣資源評(píng)價(jià)不可缺少的內(nèi)容。關(guān)于斷裂垂向封閉性評(píng)價(jià)方法前人曾做過(guò)大量探討，目前有兩種常用方法：①通過(guò)對(duì)比斷層面受到的正壓力與泥巖發(fā)生塑性變形所需的最小壓力的相對(duì)大小研究斷裂垂向封閉性，如果前者大于后者，則斷層面附近的泥巖發(fā)生塑性變形流動(dòng)，堵塞斷層面在正壓力作用下發(fā)生緊閉后遺留滲漏空間，形成垂向封閉；反之，則不能形成垂向封閉[1-13]。②將斷裂視為傾置于圍巖中的巖層，通過(guò)比較斷層巖排替壓力和下伏儲(chǔ)層巖石的排替壓力的相對(duì)大小研究斷裂垂向封閉性，如果前者不小于后者，則斷裂垂向封閉；反之，則斷裂垂向不封閉[14-19]。上述方法對(duì)含油氣盆地中斷裂垂向封閉性評(píng)價(jià)具有重要意義，但也存在不足之處。第一種方法是將斷裂兩盤(pán)視為面接觸，只要斷層面緊閉，斷裂即可垂向封閉，而沒(méi)有考慮斷裂填充物成分的影響，這無(wú)疑影響斷裂垂向封閉性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。第二種方法從影響斷裂垂向封閉機(jī)理的斷層巖排替壓力出發(fā)，研究斷裂垂向封閉性，在理論上是可行的，但泥巖蓋層中斷裂垂向封閉能力除了受斷層巖排替壓力影響外，還受斷裂對(duì)泥巖蓋層的破壞程度(斷接厚度或殘留厚度，其大小等于泥巖蓋層厚度減去斷裂斷距)、下伏儲(chǔ)層中剩余壓力的影響。斷接厚度越大，則斷裂帶填充物泥質(zhì)含量越高，垂向封閉能力越強(qiáng)；反之則越弱。下伏儲(chǔ)層中剩余壓力越大，油氣越易穿過(guò)泥巖蓋層中的斷裂發(fā)生滲濾、散失，則垂向封閉能力相對(duì)越??；反之則越強(qiáng)?，F(xiàn)有的斷裂垂向封閉性評(píng)價(jià)方法均未考慮泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲(chǔ)層剩余壓力的影響，可能會(huì)給油氣勘探帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)展泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力綜合評(píng)價(jià)方法研究，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)含油氣盆地油氣分布規(guī)律具重要意義。

1 泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力及其影響因素

當(dāng)斷裂破壞泥巖蓋層時(shí)，如果泥巖蓋層的斷接厚度(泥巖蓋層厚度減去斷裂斷距)不大于其封閉油氣所需的最小斷接厚度，泥巖蓋層被斷裂完全錯(cuò)開(kāi)，則泥巖蓋層對(duì)油氣無(wú)垂向封閉能力，其內(nèi)的斷裂也無(wú)垂向封閉油氣能力(圖1a)；相反，如果泥巖蓋層的斷接厚度小于其封閉油氣所需的最小斷接厚度，則泥巖蓋層不封閉油氣，而是斷裂封閉油氣(圖1b)。圖2為斷裂垂向封閉油氣能力影響因素示意圖。由圖可見(jiàn)，斷裂垂向封閉油氣能力應(yīng)主要受斷層自身封閉能力(斷層巖的排替壓力)、泥巖蓋層的斷接厚度、下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力等3個(gè)因素的影響。斷層巖排替壓力越大、泥巖蓋層斷接厚度越大、下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力越小，泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力越強(qiáng)；反之則越弱。

圖1 斷裂對(duì)泥巖蓋層破壞程度與垂向封閉關(guān)系示意圖

圖2 斷裂垂向封閉油氣能力影響因素示意圖

斷層巖是在斷裂形成過(guò)程中，被斷裂破壞的兩盤(pán)巖石碎屑落入斷裂帶中形成的斷裂填充物，當(dāng)斷裂停止活動(dòng)后，在上覆沉積載荷重量、區(qū)域主壓應(yīng)力、地表水所攜帶礦物質(zhì)沉淀與膠結(jié)等作用下逐漸壓實(shí)成巖形成的[20-21]。斷層巖的泥質(zhì)含量、壓實(shí)成巖程度越高排替壓力越大。斷裂對(duì)泥巖蓋層的破壞程度表現(xiàn)為泥巖蓋層的斷接厚度，其值越大，斷裂對(duì)泥巖蓋層破壞程度越小，斷層巖中泥質(zhì)含量越高，垂向封閉油氣能力越強(qiáng)[22]。下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力越大，油氣在此壓力作用下通過(guò)斷裂向外滲濾、散失的能力越強(qiáng)，越不利于斷裂垂向封閉油氣；反之則有利于斷裂垂向封閉油氣。

2 泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力綜合評(píng)價(jià)方法

綜上所述，泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力主要受斷層巖排替壓力、泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力的影響，應(yīng)是3個(gè)影響因素綜合作用的結(jié)果，因此可以利用油氣在剩余壓力作用下通過(guò)斷裂滲濾、散失速率的相對(duì)大小(式1)綜合反映泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力

(1)

式中：V為油氣在剩余壓力作用下通過(guò)斷裂的滲濾、散失速度； ΔP為下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力；Pf為斷層巖排替壓力；Hf為泥巖蓋層斷接厚度。

由式(1)可見(jiàn)：V值越小，表明油氣越不易在剩余壓力的作用下通過(guò)斷裂發(fā)生滲濾、散失，斷裂垂向封閉油氣能力越強(qiáng)；反之亦然。假設(shè)斷裂為圍巖地層內(nèi)的傾斜巖層，可以按照泥巖蓋層排替壓力求取方法求得斷層巖排替壓力。由于泥巖蓋層排替壓力主要受壓實(shí)成巖埋深和泥質(zhì)含量的影響[21]，因此只要確定斷層巖壓實(shí)成巖埋深和泥質(zhì)含量，便可求得斷層巖排替壓力。由于斷層巖的物質(zhì)成分主要來(lái)自斷層兩盤(pán)地層，故可以假設(shè)斷層巖的壓實(shí)成巖速率與泥巖蓋層壓實(shí)成巖速率相近，由此可以得到斷層巖的壓實(shí)成巖埋深，即

(2)

式中：Zf為斷層巖壓實(shí)成巖埋深；Z為泥巖蓋層壓實(shí)成巖埋深；T0為斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間，為從斷裂停止活動(dòng)至今的時(shí)間；T為泥巖蓋層壓實(shí)成巖時(shí)間，為從其沉積開(kāi)始至今的時(shí)間。

式(2)中的Z(若上覆地層無(wú)明顯的抬升剝蝕，可用現(xiàn)今埋深代替)可根據(jù)鉆井和地震資料求得,T為泥巖蓋層的地質(zhì)年代,T0為斷裂向上延伸處地層的地質(zhì)年代。將確定的Z、T0、T代入式(2)，便可求得Zf。再根據(jù)

(3)

便可以得到斷層巖泥質(zhì)含量。式中：Rf為斷層巖泥質(zhì)含量；Hi為被斷裂錯(cuò)斷的第i層巖層厚度；Ri為被斷裂錯(cuò)斷的第i層巖層泥質(zhì)含量；n為被斷裂錯(cuò)斷的巖層數(shù)；L為斷裂斷距。

將確定的Zf和Rf代入

Pf=aexp(bZfRf)

(4)

便可求得斷層巖排替壓力[21]。式中a、b為與地區(qū)有關(guān)的常數(shù)。

泥巖蓋層斷接厚度Hf可以由鉆井和地震資料獲得的泥巖蓋層厚度減去斷裂在泥巖蓋層內(nèi)的斷距得到。

下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力ΔP可以利用

ΔP=(k-1)ρwZc

(5)

求得。式中：Zc為儲(chǔ)層埋深；k為儲(chǔ)層地層壓力系數(shù)；ρw為地層水平均密度。

將上述確定的斷層巖排替壓力Pf、泥巖蓋層斷接厚度Hf和下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力ΔP代入式(1)，便可求出油氣在剩余壓力作用下通過(guò)斷裂發(fā)生滲濾、散失速率V，從而綜合評(píng)價(jià)斷裂垂向封閉油氣能力。

3 實(shí)例應(yīng)用

呼和諾仁構(gòu)造位于貝爾凹陷西部斜坡的西南部，是一個(gè)受斷裂F1上傾遮擋的北東向的繼承性斷鼻構(gòu)造(圖3)。該構(gòu)造目前已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在南二段，蓋層為大一段泥巖。斷裂F1為呼和諾仁構(gòu)造帶頂部的一條犁式斷層，走向?yàn)楸睎|向，傾向?yàn)楸蔽飨?，傾角為15°～50°，上陡下緩，延伸長(zhǎng)度為13.4km(圖4)。斷裂F1雖然錯(cuò)斷了大一段泥巖蓋層，斷接厚度為17.56～121.47m，只有測(cè)點(diǎn)2處泥巖蓋層厚度大于其封閉油氣所需的最小斷接厚度(107～119m，圖5)，其余14個(gè)測(cè)點(diǎn)均需研究斷裂F1的垂向封閉能力。

圖3 呼和諾仁構(gòu)造斷裂F1與油氣分布關(guān)系圖

圖4 呼和諾仁構(gòu)造南二段油氣藏剖面圖

由呼和諾仁構(gòu)造南二段油氣藏剖面圖(圖4)可以統(tǒng)計(jì)出14個(gè)測(cè)點(diǎn)處的大一段泥巖蓋層埋深，由鉆井和地震資料可以得到斷裂F1在大一段泥巖蓋層內(nèi)的斷距、泥巖蓋層厚度值(表1)，由地質(zhì)年代表可以得到大一段泥巖蓋層壓實(shí)成巖時(shí)間T約為127.5Ma。此外，由圖4可知，斷裂F1在伊一段沉積時(shí)停止活動(dòng)，根據(jù)地質(zhì)年代表可以得到斷裂F1

斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間T0約為106Ma。將上述參數(shù)代入式(2)～式(4)便可以求得斷裂F1斷層巖的壓實(shí)成巖埋深Zf、斷層巖的泥質(zhì)含量Rf、斷層巖排替壓力Pf(表1)。由貝爾凹陷南二段地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(表2)可見(jiàn)，地層壓力系數(shù)k的平均值為0.97。利用14個(gè)測(cè)點(diǎn)處南二段儲(chǔ)層埋深Zc，由式(5)可得到南二段油氣剩余壓力ΔP(表1)。將確定的大一段泥巖蓋層斷層巖排替壓力Pf、泥巖蓋層斷接厚度Hf和下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力ΔP代入式(1)，便得到油氣在剩余壓力作用下通過(guò)斷裂F1滲濾、散失速度(表1)?？梢?jiàn)，在呼和諾仁構(gòu)造14個(gè)測(cè)點(diǎn)處油氣通過(guò)斷裂F1的滲濾、散失速度V均小于0，表明大一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂F1垂向封閉油氣能力相對(duì)較強(qiáng)，解釋了呼和諾仁構(gòu)造獲得工業(yè)油流(圖3)的原因。

表1 油氣在剩余壓力作用下通過(guò)大一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂F1滲濾、散失速度計(jì)算表

注：Pf=0.8799exp(0.17167×10-3ZfRf)

圖5 貝西地區(qū)大一段泥巖蓋層封閉油氣所需的最小斷接厚度厘定圖

表2 貝爾凹陷南二段地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

(1)泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力主要受斷層巖排替壓力、泥巖蓋層斷接厚度和下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力的影響，斷層巖排替壓力越大、泥巖蓋層斷接厚度越大、下伏儲(chǔ)層油氣剩余壓力越小，泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力越強(qiáng)；反之則越弱。

(2)利用油氣在剩余壓力作用下通過(guò)泥巖蓋層內(nèi)斷裂滲濾、散失速度的相對(duì)大小，建立了一套泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力的綜合評(píng)價(jià)方法。在海拉爾盆地貝爾凹陷呼和諾仁構(gòu)造的應(yīng)用結(jié)果表明：油氣在剩余壓力作用下通過(guò)大一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂F1滲濾、散失速度均小于0。表明大一段泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力相對(duì)較強(qiáng)，利于油氣在南二段聚集與保存，與目前斷裂F1附近南二段已發(fā)現(xiàn)大量油氣分布相吻合，表明該方法用于綜合評(píng)價(jià)泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉油氣能力是可行的。