吳義志，王建，武剛

（中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000）

1 “人工氣頂驅(qū)”開發(fā)與斷層氣密性

勝利油田地下構(gòu)造復(fù)雜，斷層系統(tǒng)發(fā)育，復(fù)雜斷塊油藏是動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量、提高產(chǎn)油量最大的油藏類型。經(jīng)過(guò)近60 a的開發(fā)，該類油藏已整體進(jìn)入特高含水期，斷塊的構(gòu)造高部位沿邊界斷層走向分布的小規(guī)模剩余油，是進(jìn)一步提高采收率的重要目標(biāo)[1]。由于剩余油條帶窄、規(guī)模小，通過(guò)新井挖潛，經(jīng)濟(jì)效益較差，因此提出了“人工氣頂驅(qū)”開發(fā)技術(shù)。即通過(guò)構(gòu)造高部位老井向油層內(nèi)注入氮?dú)?，形成“人工氣頂”，發(fā)揮輔助重力泄油作用，置換并驅(qū)替高部位及厚層頂部剩余油；同時(shí)，低部位按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行注水，保持油水界面，防止氣竄，使得高部位剩余油通過(guò)構(gòu)造腰部的老油井采出，從而達(dá)到高效開發(fā)、提高采收率的目的（見圖1。其中，箭頭表示氣驅(qū)、水驅(qū)和原油運(yùn)移方向，黃、藍(lán)、紅色分別表示氣、水和原油，紅線表示斷層）。

圖1 勝利油田復(fù)雜斷塊油藏“人工氣頂驅(qū)”示意

“人工氣頂驅(qū)”開發(fā)技術(shù)對(duì)開發(fā)地質(zhì)研究也相應(yīng)提出了更高的要求——需要定量、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)控油斷層對(duì)注入氮?dú)獾姆舛履芰?，而傳統(tǒng)的斷層封堵性評(píng)價(jià)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。前人在斷層封堵能力分析方面開展了大量的研究[2]，包括斷層性質(zhì)、泥巖涂抹、斷層兩側(cè)巖性配置和斷層帶封閉作用（包括破碎壓實(shí)與成巖膠結(jié)）等，認(rèn)識(shí)到斷層在剖面上并不是一條“線”，而是一個(gè)有寬度的“帶”，其內(nèi)幕分布的破碎擠壓成巖物排替壓力高，在封堵油氣方面有重要的作用，從而對(duì)斷層封堵機(jī)理有了較為明確的認(rèn)識(shí)；同時(shí)還提出了評(píng)價(jià)斷層封閉性的斷層泥比率等評(píng)價(jià)參數(shù)[3-7]。但這些定量計(jì)算參數(shù)，均無(wú)法描述斷層巖的排替壓力，必須依靠較多的已知斷層封堵油柱高度數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，再來(lái)估算其他斷層封堵原油的能力，這實(shí)際上只是“定性-半定量”預(yù)測(cè)斷層封堵能力[8-9]。

本研究在野外露頭觀測(cè)與斷層破碎帶密閉取心研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)“斷儲(chǔ)壓差”原理[10]，利用容易獲取的圍巖巖心資料進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，得到圍巖的排替壓力，然后通過(guò)成巖等效類比，計(jì)算斷層巖排替壓力，從而定量評(píng)價(jià)斷層氣密性，為復(fù)雜斷塊油藏的“人工氣頂驅(qū)”開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 成巖等效類比原理

2.1 斷層巖封堵流體機(jī)理

一般認(rèn)為，斷層封閉主要有2個(gè)原因[10]：一是斷面兩側(cè)的毛細(xì)管壓力存在差異引起的斷層封閉，二是非滲透物質(zhì)填充進(jìn)斷層帶內(nèi)所顯現(xiàn)的封閉性。第1種情況下，若斷層兩盤為砂巖與泥巖對(duì)接，斷層的封閉性為好；若是砂巖與砂巖對(duì)接，且二者的排替壓力相同或相近，斷層的封閉性為差；若兩側(cè)對(duì)接砂巖的排替壓力差異較大，斷層的封閉程度則取決于封堵砂巖和儲(chǔ)層之間的排替壓力差值。

近年來(lái)，野外露頭的觀測(cè)描述及礦場(chǎng)實(shí)際資料均表明，斷層巖封堵流體是主要的斷層封堵方式[11]。斷層從開始形成到逐漸發(fā)育的過(guò)程中，均存在明顯的斷層“內(nèi)腔”，即斷層充填帶[12]。 斷層停止活動(dòng)后，斷層充填帶內(nèi)來(lái)自圍巖掉落的充填物開始經(jīng)歷與圍巖類似的成巖作用，通過(guò)不斷壓實(shí)，形成了較為復(fù)雜的泥（石灰）巖碎屑、砂質(zhì)碎屑和角礫的混雜物——斷層巖。斷層巖的孔隙度、滲透率均較差，毛細(xì)管壓力較高，可以對(duì)斷層兩盤儲(chǔ)層內(nèi)的流體起到較好的封堵作用。

實(shí)施“人工氣頂驅(qū)”開發(fā)時(shí)，注入油層的氮?dú)膺\(yùn)移到構(gòu)造高部位替換了剩余油，將剩余油向構(gòu)造腰部的位置推移。此時(shí)，若斷層巖有較高的毛細(xì)管壓力，則注入的氮?dú)饩筒粫?huì)進(jìn)入斷層巖，即斷層巖封堵住了人工注入的氮?dú)?，使其成功地留在了油層?gòu)造高部位。顯然，斷層巖的毛細(xì)管壓力越大，能夠封堵住的氮?dú)庠蕉?，形成的“人工氣頂”高度也就越大?/p>

2.2 斷層破裂帶結(jié)構(gòu)特征

斷層在剖面上實(shí)際是一個(gè)有一定寬度的“帶”，其內(nèi)幕充填物形成斷層巖，誘導(dǎo)裂縫則分布于斷層巖兩側(cè)或一側(cè)[13]。一般情況下，斷層級(jí)別越高，斷層巖的寬度越大，誘導(dǎo)裂縫帶的發(fā)育越完整；反之，則斷層巖寬度越小，且誘導(dǎo)裂縫帶不發(fā)育。斷層的封堵能力主要取決于斷層巖各部位排替壓力的大小[14]。

河68-斜檢1井是濟(jì)陽(yáng)坳陷典型的斷層破碎帶密閉取心井，從其獲取的斷層巖巖心資料可以看出，斷層內(nèi)幕有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。其中斷層巖充填物巖心較為復(fù)雜，為泥質(zhì)、石灰質(zhì)、砂屑及斷層角礫混雜物，誘導(dǎo)裂縫帶裂縫極為發(fā)育，包括高角度裂縫、“X”低角度裂縫以及共軛型裂縫，裂縫大多被方解石或泥質(zhì)充填，部分裂縫開啟（見圖2）。

圖2 濟(jì)陽(yáng)坳陷河68-斜檢1井?dāng)鄬悠扑閹ЬC合柱狀圖

對(duì)河68-斜檢1井?dāng)鄬訋r巖心取樣并進(jìn)行薄片觀察發(fā)現(xiàn)：主充填帶巖性為含泥質(zhì)隱晶白云質(zhì)石灰?guī)r、含膠結(jié)白云石、鮞粒以及內(nèi)碎屑顆粒，其中，鮞粒為斷層活動(dòng)中從沙一段掉落斷層帶中形成，使得斷層帶內(nèi)物性降低，斷層對(duì)油氣的封閉能力變好；次充填帶主要為泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，并有石灰質(zhì)膠結(jié)，主要礦物為石英、泥質(zhì)及石灰質(zhì)巖。對(duì)誘導(dǎo)裂縫帶巖心取樣并進(jìn)行薄片觀察發(fā)現(xiàn)，巖性主要為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖，裂縫較發(fā)育且寬度不一，張性裂縫一般裂縫面較粗糙，剪切裂縫則較平直，以方解石、泥質(zhì)充填為主。

通過(guò)巖心資料分析可以看出，斷層巖與正常沉積的陸相巖層一樣，在經(jīng)歷了成巖作用后具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，不同位置的斷層巖性質(zhì)、排替壓力差異大，其排替壓力最小處的“薄弱環(huán)節(jié)”往往決定了斷層的封堵能力。因此，需要定量計(jì)算不同成巖程度斷層巖的排替壓力，才能評(píng)價(jià)其氣密性。通過(guò)斷層巖取心資料雖然可以直接、準(zhǔn)確測(cè)試斷層巖的排替壓力，但費(fèi)用高，難以在礦場(chǎng)推廣，目前整個(gè)濟(jì)陽(yáng)坳陷也只有河68-斜檢1井這一口針對(duì)斷層巖的取心井。因此，必須通過(guò)間接、等效的方法，定量預(yù)測(cè)斷層巖對(duì)一個(gè)具體的被遮擋的油層在斷層走向不同位置（深度）的排替壓力。

2.3 成巖等效類比原理

斷層內(nèi)幕充填物由兩盤圍巖滑動(dòng)、削截破碎后掉入，斷層停止活動(dòng)后經(jīng)過(guò)壓實(shí)等成巖作用，形成了充填帶的斷層巖。對(duì)比圍巖、斷層巖實(shí)測(cè)的排替壓力數(shù)據(jù)可以看出，其分布規(guī)律具有一致性（見圖3）。因此，可以認(rèn)為，斷層巖中的某一深度與地層圍巖有一個(gè)對(duì)應(yīng)的深度，二者的成巖程度基本相同，即可以進(jìn)行成巖等效類比——關(guān)鍵是怎樣找到這個(gè)對(duì)應(yīng)的深度。

圖3 濟(jì)陽(yáng)坳陷河68區(qū)塊實(shí)測(cè)圍巖與斷層巖排替壓力對(duì)比

斷裂發(fā)生后，斷層巖就已經(jīng)開始形成，呈一定的傾角（斷層傾角）斜置于圍巖中。隨著沉積作用的發(fā)展，被斷層斷開的圍巖在上覆地層的作用下逐漸被壓實(shí)；斷層巖則不然，在斷層完全停止活動(dòng)前，圍巖碎屑還在持續(xù)掉落于斷層帶內(nèi)，斷層帶的寬度也在變化，即斷層巖會(huì)有一段地質(zhì)“生長(zhǎng)期”，在斷裂幕式運(yùn)動(dòng)的最后一期活動(dòng)幕完全結(jié)束后[15]，斷層巖才會(huì)在上覆巖層的作用下逐漸開始?jí)簩?shí)成巖[16]：因此，斷層巖開始?jí)簩?shí)成巖的時(shí)間比斷裂開始發(fā)生時(shí)沉積的圍巖要晚，斷層巖中的某一深度與圍巖某一較淺深度具有相同的成巖程度。

3 斷層巖排替壓力的等效計(jì)算

3.1 斷層巖各深度的等效壓實(shí)成巖深度計(jì)算

圖4為求取斷層巖某一深度對(duì)應(yīng)的成巖程度相同地層（圍巖）深度的地質(zhì)模型示意（其中：①—⑥為劃分的沉積小層；Z0，Z1，Z2，Z3分別為對(duì)應(yīng)成巖壓實(shí)作用時(shí)間 t3，t2，t1，t0之前的到斷層巖 A 點(diǎn)深度的地層厚度；h1，h2，h3，h4分別為對(duì)應(yīng)時(shí)間段 t1—t0，t2—t1，t3—t2，t4—t3的地層沉積厚度；hB為與斷層巖A點(diǎn)深度具有相同成巖程度圍巖的B點(diǎn)的深度；θ為斷層傾角）。該斷層從小層⑥開始沉積時(shí)發(fā)生，小層④沉積結(jié)束后停止活動(dòng)。根據(jù)上文分析，考慮斷層巖中A點(diǎn)深度應(yīng)該與圍巖中比較淺的某一深度——如B點(diǎn)，或C點(diǎn)，或D點(diǎn)——具有相同的成巖程度。因壓實(shí)作用是一定厚度地層沉積時(shí)間作用結(jié)果的累加[17]，故可用上覆地層靜巖壓力對(duì)成巖時(shí)間進(jìn)行積分，來(lái)表征某一深度的壓實(shí)成巖程度。

圖4 斷層巖某一深度的等效壓實(shí)成巖深度計(jì)算示意

首先，以A點(diǎn)深度為例求取斷層巖某一深度的壓實(shí)成巖程度，需綜合考慮斷層傾角的影響。Z0—Z3各沉積厚度地層的成巖壓實(shí)作用時(shí)間分別在 t3，t2，t1，t0之前。Z0厚度地層雖處于A點(diǎn)深度斷層巖之上，并在不斷沉積中，但由于斷裂尚未停止活動(dòng)，因此，此時(shí)并未對(duì)斷層巖起到壓實(shí)成巖的作用。而在t3—t2時(shí)間段中，對(duì)A點(diǎn)深度斷層巖起到壓實(shí)成巖作用的，就是Z1厚度地層，而不是 Z0厚度地層了。 這樣，通過(guò) Z1，Z2，Z3等厚度地層的靜巖壓力對(duì)時(shí)間積分并累加，就可以求取斷層巖A點(diǎn)深度的壓實(shí)成巖程度。

然后，計(jì)算圍巖中各深度（可取一定的步長(zhǎng)）的成巖壓實(shí)程度，此時(shí)不必考慮斷層傾角、斷層停止活動(dòng)時(shí)間的影響。通過(guò)沉積厚度h1，h2，…，h4對(duì)時(shí)間段t1—t0，t2—t1，…，t4—t3進(jìn)行積分并累加，即可求取。

最后，比較圍巖中各深度計(jì)算得到的成巖程度與斷層巖A點(diǎn)的成巖程度的相對(duì)大小，取與斷層巖A點(diǎn)具有相同成巖程度圍巖的點(diǎn)（假設(shè)是B點(diǎn)）的深度，作為A點(diǎn)斷層巖的等效壓實(shí)成巖深度（hB）。

3.2 圍巖排替壓力公式擬合

利用斷層巖取心雖可直接測(cè)試其排替壓力，但斷層巖巖心不易獲取，因此需通過(guò)圍巖巖心測(cè)試，然后“等效計(jì)算”斷層巖排替壓力。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷某斷塊2口取心井的圍巖巖心樣品進(jìn)行切割、端面處理，制成高1.0 cm、直徑約2.5 cm的短柱塞實(shí)驗(yàn)巖樣。對(duì)巖樣通過(guò)先飽和煤油，再用恒壓（25 MPa）氮?dú)怛?qū)替的方式進(jìn)行突破壓力與時(shí)間的測(cè)量，從而計(jì)算得到排替壓力；然后考慮地溫梯度等影響對(duì)測(cè)得的排替壓力進(jìn)行校正，計(jì)算得到實(shí)際地下溫壓條件下圍巖的排替壓力。

利用以上測(cè)試的排替壓力，通過(guò)回歸計(jì)算，建立了目標(biāo)區(qū)圍巖排替壓力計(jì)算公式：

式中：pd為圍巖排替壓力，MPa；VSH為巖石泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%；Z為地層巖石埋深，m。

3.3 斷層巖排替壓力的計(jì)算方法

在利用式（1）計(jì)算斷層巖排替壓力時(shí)，要注意進(jìn)行“2個(gè)代替”：式（1）中的深度Z要用相應(yīng)的成巖程度相同的圍巖深度代替。如計(jì)算斷層巖中A點(diǎn)深度的排替壓力，需要取與A點(diǎn)深度的等效壓實(shí)成巖深度——B點(diǎn)的深度值。泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)Vsh要用斷層泥比率代替。

以濟(jì)陽(yáng)坳陷某斷塊為例。該斷塊目的層為沙二92小層（注氮?dú)獾男樱?，斷塊是由Ⅰ—Ⅴ號(hào)邊界斷層圍成的圈閉。利用上述方法可以確定沿?cái)鄬幼呦蚋魈帞鄬訋r的臨界排替壓力，?、瘛跆?hào)斷層圈閉中斷層巖排替壓力的最小值——圈閉臨界排替壓力，即可定量評(píng)價(jià)斷層封堵的氣密性（見圖5）。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該斷塊Ⅳ號(hào)斷層中斷層巖的最小排替壓力（7.20 MPa）為圈閉臨界排替壓力。因此，該斷塊沙二92小層在“人工氣頂驅(qū)”注入氮?dú)膺^(guò)程中，需考慮這一臨界排替壓力值，并據(jù)此計(jì)算合理的氮?dú)庾⑷肓俊?/p>

圖5 研究區(qū)某斷塊邊界各斷層臨界排替壓力分布

4 結(jié)論

1）斷層封堵能力的定量評(píng)價(jià)，即確定斷層的氣密性，是實(shí)施“人工氣頂驅(qū)”的基礎(chǔ)。

2）斷層內(nèi)幕充填物是由兩盤圍巖滑動(dòng)、削截破碎后掉入，斷層停止活動(dòng)后，充填帶經(jīng)過(guò)壓實(shí)等成巖作用所形成的斷層巖，是封堵油氣的主要屏障。

3）本次研究在野外露頭觀測(cè)與斷層破碎帶密閉取心研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)“斷儲(chǔ)壓差”原理，以圍巖巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)分析為核心，基于成巖等效類比，計(jì)算與斷層巖各深度對(duì)應(yīng)的成巖程度相同的地層（圍巖）深度；然后，通過(guò)圍巖普通取心測(cè)試，得到排替壓力公式，計(jì)算斷層巖各處的排替壓力。

4）根據(jù)研究區(qū)各斷層對(duì)應(yīng)不同小層、位置的排替壓力，取最小值（圈閉臨界排替壓力）定量評(píng)價(jià)斷層封堵的氣密性，指導(dǎo)“人工氣頂驅(qū)”的氮?dú)庾⑷肓?、地層壓力保持水平的?yōu)化。