景紫巖，李國斌，付曉飛，孟令東，楊兆平，趙永飛

1) 中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州，730020； 2) 中國石油集團油藏描述重點實驗室，蘭州，730020；3) 東北石油大學(xué) CNPC“斷裂控藏”重點實驗室，黑龍江大慶，163000；4) 中國石油長慶油田分公司，甘肅慶陽，745700

內(nèi)容提要: 泥巖涂抹的連續(xù)性影響油氣跨斷層運移，在相似巖性、相似應(yīng)力條件下，泥巖厚度和斷距長度是影響泥巖涂抹連續(xù)性的主要因素。本文結(jié)合巖芯觀察，借助三維定量物理模擬實驗對泥巖涂抹的連續(xù)有效性進行了研究。結(jié)果表明：① 泥巖有效涂抹是決定斷層封閉性的必要條件，涂抹連續(xù)厚度是封閉性評價的重要參數(shù)；② 受剪切作用在斷層帶中形成連續(xù)的泥巖涂抹油氣封堵層，其涂抹形成過程分為3個階段即泥巖層未錯斷階段、泥巖剪切涂抹層形成階段和涂抹層連續(xù)性破壞階段，其中前2個階段是泥巖有效涂抹階段,在第3個階段出現(xiàn)泥巖涂抹連續(xù)性破壞從而導(dǎo)致封堵油氣失效；③ 基于非連續(xù)性等比例模型提出了新的斷層封閉性評價參數(shù)——泥巖連續(xù)涂抹最小厚度，建立了泥巖失去涂抹連續(xù)性的非等比例評價理論和數(shù)學(xué)模型，形成了基于斷裂帶泥巖連續(xù)涂抹斷層封閉性評價參數(shù)SGRnew新算法。結(jié)果表明，考慮了泥巖涂抹有效性而識別的斷塊圈閉可靠程度高，目標(biāo)優(yōu)選更準(zhǔn)確，在研究區(qū)塊圈閉評價應(yīng)用效果好。

自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者從定性和定量兩方面對斷層的封閉性進行了研究(Krantz, 1988; Bellahsen et al., 2005；付曉飛等，2011; 呂延防等，2013)。在斷塊油氣藏勘探開發(fā)實踐中，斷層封閉性研究一直是困擾油氣地質(zhì)學(xué)家的難題，據(jù)統(tǒng)計80%斷塊圈閉的斷層封閉性是成藏主控因素(Vrolijk et al., 2016)。斷層封閉性受很多地質(zhì)因素影響，其中斷面力學(xué)性質(zhì)、斷層兩盤巖性配置關(guān)系、斷層帶泥巖涂抹等都是影響斷層封閉性的重要因素(付曉飛等，2012；孫同文等，2012)。

斷層在油氣成藏過程中具有雙重作用，既可作為油氣輸導(dǎo)通道，又可作為油氣聚集成藏遮擋條件(Kinpe et al., 2004)。斷層封閉性評價方法可分為定性和定量兩大類。定性評價方法主要是Allan圖解法和Knipe圖解法，Knipe等(1997)根據(jù)對接封閉原理提出了Knipe圖解法來定量分析斷層封閉性，通常用來快速判斷斷層上下盤地層對接情況，儲層與非滲透性地層(如頁巖和泥巖)對接可能形成斷層側(cè)向封閉油氣；儲層之間(如砂巖)互相對接則可形成滲漏窗造成油氣穿斷層而過； 1980年Smith定義泥巖涂抹是指由于被斷的巖層和巖體斷面發(fā)生明顯的位移時，在斷層面上形成的泥巖條帶，涂抹帶滲透性差，可以起到遮擋油氣的作用(Smith, 1980)。隨著人們認(rèn)識到泥巖涂抹對斷層封閉性的重要作用，大量基于泥巖涂抹的斷層封閉性定量研究也就此展開。呂延防等(2001)通過物理模擬實驗研究了泥巖涂抹分布規(guī)律及對成藏影響(付曉飛等，2008；呂延防等，2009)；Doughty通過對新墨西哥Rio Grande斷陷斷層泥涂抹情況研究，闡述了斷層泥對斷層封閉性的影響(Doughty，2003)；Lindsay等(1993)在單純泥巖涂抹的情況下定義了泥巖涂抹因子(SSF)，并計算出斷層封閉時的SSF范圍值；Yielding 等(1997) 提出斷層泥比率SGR(Shale Gouge Ratio) ，其值大小與錯斷地層內(nèi)泥巖層的累積厚度成正比、與斷距大小成反比。但是以上研究均是基于野外地質(zhì)露頭或者二維地質(zhì)剖面提出來的，未考慮斷層泥巖涂抹帶三維分布規(guī)律和空間多樣性。

此外，利用物理模擬研究斷層封閉性的學(xué)者也很多(Sperrevik et al., 2002；Karakouzian, 2005；Cuisiat et al., 2010)。近年來，隨著實驗技術(shù)和模擬手段的不斷發(fā)展，國內(nèi)外構(gòu)造模擬實驗不斷引入新技術(shù)和新方法，如采用適當(dāng)配比的塑化松香模擬巖石圈塑性層，研究邊界驅(qū)動條件下塑性流動傳播過程，實現(xiàn)了斷層空間封閉性變形的物理模擬。但有很多問題依然未能深入研究，如斷層泥巖涂抹帶空間分布規(guī)律認(rèn)識不清，物理模擬實驗受砂箱外邊界影響較大，外部觀測變形與內(nèi)部不一致，難以反映內(nèi)部特征；而常規(guī)物理模擬研究手段也只能觀察模型表面，通過注油來分析斷層封堵性，既耗時費力，又具有二維局限性，無法做到全三維定量研究。

目前普遍利用SGR評價斷層側(cè)向封閉性的方法，都是基于泥巖涂抹和斷距變化進行評價的，其建立的基本模型為地層泥巖涂抹等比例模型(Childs et al., 2007)。受斷層帶內(nèi)部涂抹規(guī)律認(rèn)識的局限性，計算結(jié)果容易出現(xiàn)偏差和誤導(dǎo)，造成對斷塊圈閉封閉有效性分析不足而引起勘探失利。

本文結(jié)合鉆井取芯資料，觀察分析了斷層泥巖涂抹分布特征，借助斷層物理模擬實驗，恢復(fù)泥巖涂抹過程及斷層形成演化過程中泥巖涂抹的連續(xù)性變化，采用工業(yè)CT掃描及數(shù)據(jù)重建，提取斷裂帶屬性數(shù)據(jù)，定量分析不同泥地比、不同巖性組合、泥巖涂抹非均質(zhì)性等情況下斷層封堵的有效性，表征泥巖涂抹極限及失去連續(xù)性對封閉性的影響。研究發(fā)現(xiàn)泥巖涂抹存在連續(xù)性失去點，即存在有效性范圍，并非等比例的；并提出了泥巖涂抹失去連續(xù)性的非等比例評價理論和數(shù)學(xué)模型，形成了非等比例泥巖涂抹封閉有效性評價新算法，在研究區(qū)進行了應(yīng)用。結(jié)果表明，利用泥巖涂抹封閉有效性評價新方法所識別的斷層圈閉可靠程度大大提高，可解決斷層封閉有效性評價不準(zhǔn)的地質(zhì)問題。

1 泥巖涂抹斷層取芯現(xiàn)象分析

Yielding 和Antonellini 等通過對野外露頭地層中的正斷層泥巖涂抹現(xiàn)象觀察分析，認(rèn)識到斷層封閉性與巖性、斷距大小有關(guān)，并建立了斷層泥質(zhì)含量和斷距關(guān)系圖版，得到了評價斷層封閉性的定量化參數(shù)和斷層泥比率SGR模型(Yielding，2002)。在研究區(qū)實際鉆井取芯中可見明顯的泥巖涂抹現(xiàn)象(圖1)，圖中灰白色部分為砂巖、灰黑色部分為泥巖。泥巖層從A到B表現(xiàn)為上下泥巖層厚度大且泥質(zhì)含量多，而中間泥巖層薄且泥質(zhì)含量少的特征。在泥巖涂抹帶(圖1白色框)，泥巖涂抹也存在著明顯的不均一性，從①號到②號位置，泥巖涂抹呈現(xiàn)出非連續(xù)性特征，表現(xiàn)為上部涂抹帶薄、中間厚和下部薄的特點。這是由于上下盤地層在錯斷過程中因泥巖厚度不同而造成拖曳進斷裂帶的泥巖厚薄差異變化，導(dǎo)致斷裂帶并未完全有效涂抹。那么在泥巖涂抹帶形成過程中，是否普遍存在不連續(xù)、不均勻的涂抹？斷層封堵性和泥巖涂抹厚度之間有何關(guān)系？現(xiàn)有的SGR計算模型是否受泥巖涂抹有效性影響(Antonellini et al., 1994；付廣等，2021)？為了研究這些問題，筆者等開展了砂箱物理模擬和三維數(shù)據(jù)定量建模研究。

圖1 研究區(qū)鉆井取芯泥巖涂抹現(xiàn)象Fig. 1 Shale smearing in drilling coring in the study area

2 物理模擬實驗及分析

2.1 實驗裝置

實驗使用的斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與形成演化模擬裝置主要有控制部分和實驗部分。控制部分通過計算機控制軟件，可實現(xiàn)對實驗變形方向、速度、斷距等參數(shù)的設(shè)定。實驗部分分為內(nèi)箱和外箱，內(nèi)箱用以鋪設(shè)模型并通過傳動桿帶動變形，外箱用以實現(xiàn)模型的水飽和；內(nèi)箱正面與外箱玻璃面板貼合，為實驗觀察窗，可用于拍攝實驗詳細過程、記錄變形過程等。實驗參數(shù)見表1。

圖2 實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計：(a)無黏土層； (b) 薄黏土層 ；(c) 厚黏土層Fig. 2 Designation of experimental models:(a) no clay layer; (b) thin clay layer; (c) thick clay layer

2.2 實驗過程

為研究泥巖涂抹的形成演化過程，分析黏土層厚度和斷距對泥巖涂抹連續(xù)性的影響，設(shè)計了1個無黏土層對照實驗?zāi)Ｐ?簡稱對照實驗)和不同黏土層厚度的2個實驗?zāi)Ｐ?簡稱泥巖涂抹實驗圖

表1 實驗設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of the Experimental Apparatus

表2 實驗材料物理性質(zhì)Table 2 Material parameters of physical simulation experiment

2)。為使不同地層、不同實驗之間和同一實驗不同時期之間相互對比，在實驗?zāi)Ｐ椭械纳澳嗷佣味荚O(shè)置為3層黏土與2層砂層交錯出現(xiàn)，對照實驗中將砂泥互層段更換為純砂層。

為控制無關(guān)變量，3個模型的參數(shù)總高度(35.5 cm)、砂泥互層段厚度(6.5 cm)、變形速率(0.6 mm/min)、總斷距(6.5 cm)均設(shè)計一致，都覆蓋了4 cm厚的亞克力板。在亞克力板上覆40 kg鐵板作為頂板斷層，用以限制斷層延伸范圍。3個模型略有不同，在無黏土層對照實驗(圖2a)中，砂層厚6.5 cm；在薄黏土層實驗(圖2b)中，黏土層厚度約0.8 cm，砂層厚度約2 cm；在厚黏土層實驗(圖2c)中，黏土層厚度約1.5 cm，砂層厚度約1 cm。

為厘清泥巖涂抹形成演化過程，研究斷距不同而厚度相同、或斷距相同而厚度不同情況下泥巖涂抹的連續(xù)性變化，在兩個泥巖涂抹實驗中對2種厚度共6個黏土層及所形成的所有斷層進行動態(tài)統(tǒng)計對比。

地質(zhì)原型與物理模型之間相似性的確定，是物理模擬實驗研究的前提。本文中，相似性主要分為材料、幾何學(xué)、動力學(xué)和運動學(xué)等幾個主要方面。

本文根據(jù)Van Mechelen(2004)提出的相似理論：內(nèi)聚力的相似比滿足動力學(xué)的相似比，上地殼中塑性巖層的內(nèi)聚力一般為1～5 MPa，脆性巖石的內(nèi)聚力一般為10～45 MPa，泥巖和砂巖的內(nèi)摩擦角分別為25°和40°。為此，實驗用相似度較高的白剛玉來模擬砂巖層，用黃陶土來模擬泥巖層(表2)。砂材料為40～70目白色白剛玉，密度為1.68×103kg/m3，內(nèi)摩擦角為36.56°，屬脆性較強的砂質(zhì)材料；黏土材料采用黃陶土，呈塑性。以上材料參數(shù)測定均依據(jù)土工實驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T-50123-1999)，使用應(yīng)變式直接剪切儀、液塑限測定儀、烘干式含水率測定儀等儀器測定，具體執(zhí)行方法參照湯羅圣等(2013)和劉虎虎等(2019)文獻所述。

3 斷裂帶參數(shù)定量分析

現(xiàn)代數(shù)字巖芯分析技術(shù)使三維物理模擬結(jié)果分析實現(xiàn)了從定性到定量的飛躍。早期的數(shù)字巖芯是基于二維掃描電鏡圖片，通過數(shù)值算法實現(xiàn)三維重構(gòu)。例如Erdinc等(2006)提出模擬退火算法，這種算法首先隨機產(chǎn)生孔隙度為φ的多孔介質(zhì)，通過不斷調(diào)整孔隙和骨架位置，產(chǎn)生符合條件的多孔介質(zhì)。Silin等(2003)和Al-Kharusi(2007)提出的最大球算法，模擬了真實巖芯形成過程，包括沉積、壓實和成巖作用，重構(gòu)的數(shù)字巖芯有較好的連通性。隨著CT掃描技術(shù)的發(fā)展，可以直接獲取巖芯三維圖像，并提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，用于數(shù)字化分析和流動模擬。Dong(2007)提出了一種提取孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的球體膨脹法。佘敏等(2011)運用數(shù)理統(tǒng)計方法實現(xiàn)對孔喉尺寸、孔喉體積、配位數(shù)、孔喉比、形狀因子等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量提取，得到儲層巖石孔喉表征參數(shù)。

本文采用工業(yè)CT三維掃描和插值重建得到體數(shù)據(jù)的方法，在不破壞斷裂帶結(jié)構(gòu)的前提下，沿著斷裂帶主方向切取17 cm×15 cm×14 cm大小的模型進行三維數(shù)據(jù)掃描采集和體模型重建。如圖3中所示，黃色部分為砂巖、灰色部分為泥巖，砂泥巖中部形成泥巖涂抹帶，通過模型灰度分析區(qū)分砂泥巖的灰度特征值為358，由此可統(tǒng)計斷裂帶三維體的泥巖分布、斷距和泥巖厚度等特征參數(shù)，提高了常規(guī)分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

圖3 斷裂帶附近泥巖涂抹參數(shù)統(tǒng)計三維體模型Fig. 3 Statistical 3D model of shale smear parameters near the fault zone

在變形早期(斷距0～0.36 cm)，如圖4a，首先形成的兩條先導(dǎo)斷層分別位于基底斷層、頂板斷層連線方向的兩側(cè)。由于變形的動力源來自底部，因此底部的先導(dǎo)斷層F底相對頂部的先導(dǎo)斷層F頂更長。通過Y方向位移等值線圖(圖4d)，可清晰看到在兩條先導(dǎo)斷層之間存在一個形狀為平行四邊形的位移區(qū)域。在這一階段，由于位移量小，若用肉眼觀察，砂層和黏土層均難以見到明顯的變形。

在變形前中期(0.36～3.24 cm)，如圖4b，隨位移增大，原有的兩條先導(dǎo)斷層偏離原有位置，逐漸向優(yōu)勢方向位移也就是頂板斷層和基底斷層連線方向發(fā)育和靠攏，此時斷層帶已基本合為一條，但斷層帶仍完全集中在基底斷層的上盤。這一階段上盤各部分的位移量基本是相同的，應(yīng)變在實驗?zāi)Ｐ偷纳现邢赂鞑糠址植季鶆?，斷層集中分?圖4e)。砂泥互層中的黏土層沿著這條斷層帶被拉長，形成陡而薄的泥巖涂抹，黏土層間即將發(fā)生對接，而對砂層的涂抹作用不明顯。

隨斷距進一步增大，變形中后期(斷距3.24～6.5 cm)，見圖4c，先前形成的泥巖涂抹層泥巖已完成對接，在兩個斷面拖曳形成的泥巖涂抹之間，砂層被完全錯斷形成了砂質(zhì)透鏡體(圖4c)。斷層進一步向基底斷層與頂板斷層連線方向傳播，在原有斷層面右側(cè)又形成了新的斷面F’底，通過速度場矢量圖明顯可見新斷面的活動，但難以辨別原有斷層面是否活動。因此，通過Y方向位移等值線圖(圖4f)，可清晰見到兩條斷層同時活動，一個沿頂部泥巖層分布、一個沿右側(cè)斷層面分布，其中在頂部泥巖層應(yīng)變比右側(cè)斷層面處更明顯。

圖4 厚黏土層泥巖涂抹實驗結(jié)果Fig. 4 Results of thick shale layer experiment

4 非均質(zhì)泥巖涂抹封閉性評價模型

根據(jù)現(xiàn)代斷層封閉性理論，泥巖涂抹斷層封閉性主要受斷距和泥質(zhì)含量影響，目前用斷層泥比率即泥質(zhì)含量與斷距的比值來作為封閉性定量評價參數(shù)，默認(rèn)為地層泥質(zhì)含量為均勻的且參與涂抹的泥質(zhì)是均勻的。通過鉆井取芯研究發(fā)現(xiàn)，真實地質(zhì)情況中泥巖涂抹存在明顯的不均勻性和非連續(xù)性。在物模過程中，也證實泥巖涂抹存在薄厚不均勻和不連續(xù)的現(xiàn)象，而涂抹失去連續(xù)性的部位也即斷層封閉性最薄弱乃至失效的地方，真正對封閉性有貢獻的為泥巖連續(xù)有效涂抹部分。從實驗中可以看出(圖5)，在(1)階段，即變形的初期和前期，由于斷層錯動甚微，斷距較小(約為0.2～0.8 cm)，砂泥巖序列幾乎沒有發(fā)生變化，黏土層未完全錯斷。在變形的中期，對應(yīng)實驗(2)階段即剪切型泥巖涂抹形成階段，斷層活動產(chǎn)生的剪應(yīng)變超過了材料的抗剪強度，砂泥層因剪切變形而發(fā)生錯動，砂泥層厚度在剪應(yīng)變集中帶略有減薄，這一階段斷層兩盤間的位移差異清晰可見，其中上中下各段變形均勻，斷裂帶①號位置泥巖涂抹層厚度為±0.36 cm，各段泥巖涂抹厚度和位移幾乎相同，均勻分布，但上盤底部區(qū)域的位移量略大于中部和上部區(qū)域的位移量。在變形的后期，對應(yīng)實驗(3)階段，隨著泥巖涂抹斷面面積擴大和斷距持續(xù)增大，斷層活動仍然主要集中于砂泥互層段中，所形成的斷層傾角陡峻，但與前階段相比，斷層在砂泥互層的頂部更為活躍。如圖中當(dāng)黏土層斷距增加到4.9 cm時，第①個泥巖涂抹帶出現(xiàn)了明顯的破裂點D，即泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，此時這部分泥巖涂抹失效而無法起到封堵油氣的作用。如果油氣運移至此，必然從破裂點D處滲漏。

圖5 泥巖涂抹階段劃分對比模型Fig. 5 Comparison model of mudstone application stage division

圖6 油氣充注實驗Fig. 6 Oil and gas filling experiment

圖7 斷裂帶最小涂抹厚度與SGR統(tǒng)計關(guān)系圖版Fig. 7 Statistical relation chart of SGR and minimum coating thickness of fault zone

為了驗證泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段的存在，在前期實驗基礎(chǔ)上，又開展了油氣充注實驗。按照厚黏土層模型設(shè)定黏土層厚約1.5 cm、砂層厚約1 cm，設(shè)置①兩套砂層(圖6)，泥巖涂抹變形極限斷距為6.5 cm。先進行涂抹階段變形，再進行注油，注入油為染色25號白油，密度832 kg/m3，注入速率為0.02 mL/min。在泥巖涂抹變形a階段(圖6a)，當(dāng)斷距為3.8 cm時，可見①和②兩套層斷裂帶各部位泥巖涂抹均勻等厚，為有效涂抹階段；在泥巖涂抹變形b階段(圖6b)，當(dāng)斷距為4.8 cm時，①和②兩套層泥巖涂抹帶厚度出現(xiàn)明顯差異，②號層出現(xiàn)一個明顯的泥巖涂抹失效帶，①號層出現(xiàn)泥巖涂抹破裂點D，此為泥巖涂抹連續(xù)失效部位，此時停止泥巖涂抹變形；然后以0.02 mL/min速率開始注油，如圖6c可見，染色白油沿箭頭方向向上緩慢運移。在進行到186 min時，發(fā)現(xiàn)染色白油從①號層D點溢出；繼續(xù)注入白油到210 min時停止，染色白油沿著斷裂帶大面積溢出。該實驗證明在泥巖涂抹斷距為4.8 cm時，即發(fā)生斷裂帶泥巖涂抹失效，出現(xiàn)了滲漏窗口，斷層封堵油氣失效。由此可見，泥巖涂抹確實存在破壞性失效階段。

因此，在前人總結(jié)的泥巖涂抹黏土層未完全錯斷和剪切型泥巖涂抹形成過程兩階段模型的基礎(chǔ)上(Knipe et al., 2001；Erdinc et al., 2006)，本文根據(jù)泥巖涂抹物理模擬實驗過程，泥巖涂抹失效的典型特征和油氣充注滲漏的實驗結(jié)果，補充提出了泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段。將剪切斷層帶泥巖涂抹過程劃分為3階段，即泥巖層未完全錯斷階段、剪切型泥巖涂抹形成階段和泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，其中前2個階段才是泥巖有效涂抹階段，在第3個階段出現(xiàn)泥巖涂抹破壞從而導(dǎo)致封堵油氣失效。泥巖涂抹破壞階段的提出，豐富和完善了泥巖涂抹全過程和定量表征泥巖有效涂抹的模型認(rèn)識。破壞階段的提出，表明參與涂抹形成封堵層的泥巖并非全部泥巖層，即原計算模型中泥巖并不是地層中全部等比例泥巖，而是非等比例的。由此可見，以往計算模型容易造成計入泥巖比例過高而出現(xiàn)偏差。

為了進一步研究泥巖涂抹不連續(xù)性對斷層封閉能力的影響，利用圖3中三維體模型，根據(jù)三維定量統(tǒng)計泥巖涂抹帶泥巖厚度、斷距等參數(shù)計算得到最小涂抹厚度與SGR值關(guān)系圖版(圖7)。從圖版中看出，無論高砂地比(1∶1.5)還是低砂地比(1∶2.5)模型中，最小涂抹厚度與SGR均存在近似線性關(guān)系，即最小涂抹厚度越大，斷層泥比率SGR也越大，封閉性越好。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)泥巖涂抹連續(xù)最小厚度為0.12 cm，對應(yīng)的SGR值為18%，即當(dāng)泥巖厚度小于0.12 cm、SGR小于18%的涂抹層不能起有效封堵。因此利用該方法，可以在圖版上確定出連續(xù)涂抹厚度極值點即能使斷層封閉的連續(xù)涂抹泥巖厚度下限值。同時從圖版中斜率關(guān)系看出，無論是高砂地比還是低砂地比模型地層，對于能實現(xiàn)有效封閉的連續(xù)泥巖涂抹最小厚度與SGR存在函數(shù):

Thmin=f(SGR)=E·SGR+F

(1)

式中：Thmin為泥巖連續(xù)涂抹最小厚度，SGR為斷層泥比率，E和F為相關(guān)系數(shù)。

由于斷裂帶上連續(xù)涂抹的泥巖厚度Thmin代表著封閉能力，在同等條件下，斷裂帶連續(xù)涂抹泥巖厚度與封閉能力呈正相關(guān)，泥巖涂抹越厚越連續(xù)，封閉性越好，所以連續(xù)涂抹泥巖最小厚度Thmin可以作為封閉性評價的定量指標(biāo)。在計算上Thmin為泥巖層累計厚度H與斷距D的比值。這與SGR算法即泥巖層泥質(zhì)含量與斷距的比值在結(jié)構(gòu)上具有一致性，因此在本文中可以定義封閉性評價定量指標(biāo)——連續(xù)涂抹泥巖最小厚度Thmin為新的SGRnew。從式(1)中看出，封閉性定量評價新指標(biāo)SGRnew與常規(guī)算法SGR之間存在相關(guān)系數(shù)E。而在實驗統(tǒng)計圖版中(圖7)，高、低砂地比模型統(tǒng)計出E值為0.62～0.67，其物理意義表示實際有效連續(xù)泥巖涂抹貢獻率，即真正能夠起到封閉作用的連續(xù)泥巖涂抹有效率為常規(guī)的62%～67%，剩下33%～38%的泥巖涂抹為連續(xù)性破壞和涂抹失效階段也即本文補充提出的泥巖涂抹連續(xù)性破壞階段，這部分不能參與到封閉性指標(biāo)SGR的計算中去。所以新非等比例封閉性量化評價參數(shù)SGRnew與常規(guī)SGR參數(shù)之間存在一個相關(guān)系數(shù)E，即：

SGRnew=E·SGR+F

(2)

SGR=Vsh/D

(3)

聯(lián)立(1)-(3)得到

(4)

其中，SGRnew為考慮區(qū)域涂抹特征的新的斷層泥比率(%)；E為區(qū)域特征系數(shù)；D為垂直斷距(m)；Ti為單層泥巖厚度(m)；Vsh為泥質(zhì)含量(%)；

式4中，SGRnew為考慮了涂抹連續(xù)性的非等比例模型新的封閉性評價參數(shù)；E為泥巖涂抹有效性程度系數(shù)；F為相關(guān)系數(shù)；SGR為經(jīng)典模型下的斷層泥比率；Vsh為泥質(zhì)含量(%)；D為斷距(m)。

從中看出SGRnew考慮了泥巖實際連續(xù)涂抹部分及其貢獻率，考慮了泥巖涂抹的有效性和非均質(zhì)性，并不是簡單的計算所有地層泥巖，E表征的物理意義為實際連續(xù)涂抹泥巖貢獻率，其值更科學(xué)、更接近真實的地質(zhì)特征。

5 實例應(yīng)用

研究區(qū)東部斜坡帶發(fā)育一系列北北東和北東東向斷層，且相互切割，形成了一系列反向斷塊，容易形成斷塊油氣藏。沉積相研究表明，研究區(qū)廣泛發(fā)育半深—深湖相暗色泥巖，為該地區(qū)主要烴源巖。南屯組有機碳含量高，平均為2.3%；生烴潛力大，S1+S2為2.52～7.82 mg/g。構(gòu)造演化研究表明，研究區(qū)東斜坡區(qū)斷塊圈閉形成時間早于生排烴時間。已經(jīng)落實的圈閉為4條反向斷塊圈閉，現(xiàn)場取芯表明該區(qū)塊斷層帶廣泛發(fā)育泥巖涂抹(圖1)，因此泥巖涂抹斷層的封閉性能是決定能否成藏的關(guān)鍵因素。已鉆A井位于圈閉的低部位，具有良好的油氣顯示，但測試結(jié)果為水層。基于地震層位、斷層數(shù)據(jù)、斷塊地層泥質(zhì)含量等資料，按照以往泥巖涂抹封閉性指標(biāo)SGR計算，得到該斷塊圈閉斷層面SGR屬性圖(圖8)，A井所處位置目的層SGR為28%(紅框處)，預(yù)測斷層封閉性良好，油水界面位于-1298 m(海拔)處。但該結(jié)果與實際測試該層為水層相矛盾，說明采用原有的SGR評價方法存在偏差。

圖8 研究區(qū)斷塊圈閉斷面SGR屬性圖Fig. 8 SGR attribute map of fault section in study area

圖9 研究區(qū)已鉆井油藏解剖與封閉指標(biāo)SGRnew模板Fig. 9 Classification standard of anatomy and sealing index of drilled reservoir in study area

為了厘清該斷塊圈閉斷層封堵是否有效，構(gòu)造高部位是否有油氣等問題，本文采用新的評價方法進行了研究。首先基于該區(qū)地層地質(zhì)特征，開展了泥巖涂抹物模實驗，建立了該區(qū)斷裂帶最小涂抹厚度與SGR關(guān)系式，得到公式4中E和F值分別為0.64和0.0328，進而建立了有效泥巖涂抹封閉性評價參數(shù)SGRnew=0.64×SGR+0.0328，對A井圈閉封閉性參數(shù)重新進行了計算，A井處SGRnew值為17.95%。

圖10 基于舊公式計算圈閉含油面積(a)及 基于新公式計算圈閉含油面積(b)Fig. 10 Calculation of trap oil-bearing area based on old formula(a)and calculation of trap oil-bearing area based on new formula(b)

為了判斷A井?dāng)鄬臃忾]性指標(biāo)SGRnew值是否在該區(qū)封閉性指標(biāo)閾值之上，對研究區(qū)塊23口已鉆井油藏解剖，根據(jù)公式4建立了已鉆井油藏封閉指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)圖版(圖10)，表明該區(qū)能夠封閉油氣的SGRnew閾值大于31%、對應(yīng)的有效圈閉線為-1275 m(圖10)，但A井SGRnew值17.95%遠小于閾值31%，評定為不能起到有效的封堵油氣作用，這與原SGR評價方法計算結(jié)果完全不同。

因此，根據(jù)新的封閉指標(biāo)SGRnew計算結(jié)果分析，A井水層是由于封閉性評價指標(biāo)計算存在偏差所致(圖10a)。在高部位斷層泥巖涂抹是有效的，但根據(jù)圖版判斷油水界限應(yīng)該高于-1275 m，因此后續(xù)在目的層部署B(yǎng)井(圖10b)，鉆遇31 m油層，日產(chǎn)油6.3 m3/d，油水界面為-1253 m，與預(yù)測油水界面結(jié)果-1250 m(圖10b)基本相符，誤差僅為3 m，說明利用新的SGRnew算法較合理，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度比原來提高67%，降低了勘探了風(fēng)險。

6 結(jié)論

(1)基于實際取芯資料和物理模擬實驗，提出了泥巖涂抹非連續(xù)性的概念，泥巖有效涂抹連續(xù)厚度可作為封閉性評價的重要指標(biāo)參數(shù)。

(2)首次提出將泥巖涂抹分為3個階段：泥巖層未被完全錯斷階段、剪切型泥巖涂抹形成階段、涂抹連續(xù)性破壞階段，而有效涂抹發(fā)育在前2個階段，第3階段即發(fā)生涂抹破壞封堵失效；補充完善了前人2階段未考慮涂抹破壞的認(rèn)識。

(3)建立了泥巖涂抹失去連續(xù)性下的非均質(zhì)評價模型，提出了評價斷層封閉有效性的新方法Thmin=f(SGR)=E·SGR+F。

(4)建立了研究區(qū)斷層封閉性評價指標(biāo)新算法，提高了圈閉評價準(zhǔn)確度，實鉆效果好，降低了勘探風(fēng)險。