断层侧向封堵性评价方法综述

金崇泰，付晓飞，柳少波

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油勘探开发研究院实验中心，北京 100083）

断层侧向封堵性评价方法综述

金崇泰1，付晓飞1，柳少波2

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.中国石油勘探开发研究院实验中心，北京 100083）

针对碎屑岩中正断层侧向封堵性评价的10种研究方法，文中从各方法的基本原理入手，分析其优缺点及适用范围，从而进行了全面的论述和评价。断层侧向封堵性评价方法可概括成4类：Ⅰ类是断层岩封闭法；Ⅱ类是断层两侧流体相关参数对比法；Ⅲ类是岩性对接封闭法；Ⅳ类是综合法。每个断层侧向封堵性评价方法都有一定的局限性，具体选用何种评价方法，要具体情况具体分析确定。总的来说，岩性对接分析和断层两侧流体分析是对地质特征的基本描述，是评价或预测断层侧向封堵性的基础。若是砂砂对接，则SGR法是目前比较成熟的评价方法。

断裂侧向封闭；岩性对接；泥岩涂抹；断面压力法

0 引言

早在1958年，Weeks就提出“断裂对油气到底是起封闭作用还是起运移作用”的疑问［1］。随着勘探程度的增加和知识积累，人们逐渐认识到断裂对油气既起封闭作用，又起运移作用［2-4］。1984年Downey将断层封闭分为顶部封闭（垂向封闭）和侧向封闭［3］。近30 a来，随着人们对断层的野外观察、实验模拟以及高分辨率地震技术的发展，对断层结构、断层封闭类型和断层岩的物性都有了突破性的认识。在此基础上，国内外地质工作者提出了许多断层侧向封堵性评价方法。然而各个方法都是地质工作者基于一定的地质环境提出的，必然存在局限性，在实际应用这些方法进行断裂侧向封堵性评价时，必须了解其基本原理及适用条件，以免适得其反。

1 断层岩封闭法

1.1 断层岩物性分析法

断层对油气的封闭作用机理是断层带物质（断层岩）的毛细管压力作用［2］。当油气所受的浮力未超过断层岩的毛细管压力时，断层对油气起遮挡作用。

通过测量断层岩的物性来推算其毛细管压力的大小，可以评价断层的封闭性［5-6］。目前，断层岩物性的获取有3种方法：一是直接测量断层岩岩心，然而在实际工作中，很少能取到断层岩的岩心；二是用母岩的物性来预测断层岩的物性，其基本原理是统计野外露头的断层岩和母岩的渗透率，拟合成公式，但是断层岩的成岩作用往往比母岩复杂得多，所以用母岩的渗透率来反映断层岩的渗透率存在着很大的误差；三是用断层岩的泥质质量分数来预测断层岩的物性，其基本原理是在野外采断层岩的样品，建立泥质质量分数与断层岩渗透率的关系，下面是2个已报道的经验公式：

1）Manzocchi等提出的公式为［7］

式中：Kf为断层岩渗透率，10-3μm2；CCR为断层岩的泥质质量分数；D为断层的滑距，m。

2）Sperrevik等提出的公式为［8］

式中：Zmax为断层岩的最大埋深，m；Zf为断层活动时期断层岩的埋深，m；a，b，c，d，e均为拟合出来的参数，a= 80000，b=19.4，c=0.004 03，d=0.0055，e=12.5。

若有井打在断裂带上，就可以采岩屑，做X衍射实验或者通过GR测井数据来获得断层岩泥质质量分数，滑距从地震剖面上读出，这样就可以用Manzocchi公式来预测Kf的值。而在实际运用Sperrevik公式时，必须恢复断层的埋藏史，得到Zmax，再根据断裂活动时期，估算出Zf。断层岩的埋深对断层岩物性的影响是不可忽视的［9］。但是Zmax，Zf的确定是极其困难的，特别在地震资料不理想的情况下。

1.2 SGR法

SGR是Yielding在1997年提出的一种断层涂抹因子［10-11］，用来预测由于断裂机械运动导致的进入断层带的泥质质量分数。SGR的计算公式为

式中：Vsh为地层泥质质量分数，%；ΔZ为地层厚度，m；D为断距，m。

SGR法其实是断层岩物性分析法的延伸，其基本原理是SGR能反映断层岩的泥质质量分数，而泥质质量分数直接影响断层岩的物性，而过断层压力差又受断层岩毛细管压力的影响。Yielding通过统计SGR与过断层压力差，并考虑到断层岩的物性受泥质质量分数与埋深的共同影响，所以将断层岩按埋深分别建立SGR的封闭包络线［12］，如当断层岩埋深小于3 000 m时，由断距和断移地层的泥质质量分数、厚度计算出的SGR为40%，那么就认为此断层岩的最大毛细管压力为1 MPa，从而换算出所能支撑的烃柱高度。

1.3 断面压力法

关于断面所受正应力与断层封堵性的关系，国内外的研究都较少［3］。但在一定程度上，断面压力法还是能定性反映断层封堵性。断面压力法基本原理是当断面所受的压力较大时，断裂带内的充填物磨碎和压实程度高，渗透率减小［13-15］，断面压力的算法如下：

若断层岩不存在超压，则

式中：p为断层面所受有效应力，Pa；p1为上覆岩层作用在断面上的压力，Pa；p2为水平应力作用在断面上的压力，Pa；p3为断层岩的地层压力，Pa；Z为断面埋深，m；ρ为上覆地层的平均密度，kg/m3；ρw为地层水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；α为断层面倾角，°；σH为区域水平最大地应力，Pa；σh为区域水平最小地应力，Pa；β为地应力与断层走向所夹锐角，°。

综上所述，断面所受压力是断面埋深、倾角、上覆岩层密度、区域水平应力及其与断层走向交角的函数。

2 岩性对接法

2.1 Allan图

Allan图是Allan在研究墨西哥沿岸三角洲油气与构造关系过程中提出的一种模式图，用来分析断层与油气运移、聚集的关系［4］。其基本假设是断层岩不发育，断层既不起封闭作用，也不起输导作用。断层在横向上的封堵性取决于断层两盘的岩性组合及其接触关系。将断层两侧的地层几何形态、岩性投影到断层面上，根据断层两侧的岩性接触关系，评价断层的侧向封堵性。

2.2 Knipe图解

Knipe图解是以单井资料为基础编制的理想状态下岩性并置及封堵图，X（水平）轴代表断层垂直断距的变化［16-17］。图1表明了一条伸展断层，其下盘地层保持水平，上盘地层保持倾斜，并置图的这种视角，等同于“看穿”一条断层，下盘地层可视作与断层面相交，上盘地层可看作沿斜线与断层面相交，在图上向右垂直断距增加。Knipe图解实际是表达理想状态下不同断距的断层两盘对接特征，以此为基础，可进一步计算不同断距条件下不同对接类型的断裂带内页岩断层泥比率（SGR）值，并根据断裂带中SGR判断断层岩类型，从而判断断层的侧向封闭能力。

2.3 断移地层砂泥比值法

如果被断层所错动的地层中砂泥比值大，则断层两侧砂泥对置的可能性就小，而且断裂带的充填物也以砂岩为主，所以断层侧向封堵性必然要差。吕延防统计了辽河油田34条已知封闭性的断层，得出同生断层断移地层的砂泥比值大于1.0，非同生断层大于0.8时，断层则不具侧向封闭性［18］。

图1 Knipe图解两盘岩性对接关系

2.4 砂泥对接概率法

在砂泥岩地层剖面中，将砂岩视为渗透性地层，泥岩视为非渗透性地层。砂泥对接概率是指占断层目的盘砂岩层总厚度的某一百分数的砂岩层被对置盘泥岩层封堵的可能性大小。在断层目的盘一侧，通过模拟计算，相对目的盘砂岩层总厚度而言，如果仅有少部分砂岩层被对置盘泥岩层封堵的概率高，则说明该断层侧向封堵性差，反之，封堵性好。吕延防在研究延吉盆地时，根据钻井资料划分沉积相，统计每一相中的砂泥小层厚度，确定厚度分布规律，从而推算断面附近的小层厚度，计算对接概率［18］。

3 断层两侧流体相关参数对比法

断层两侧流体相关参数对比法是断层侧向封闭性评价最直观的手段，也是检验断层封闭与否的手段。其基本原理是断层若侧向封闭，两侧流体不能自由通过断面，此时地层压力、油气水界面、流体特征、微量元素等方面必然存在差异。

断层两侧地层压力的对比，是断层定量封闭性评价的基础［10，19］。断层两侧地层压力可以通过RFT测试和钻杆压力测试得到，差值越大断层封闭性越好。

如果断层侧向封闭，理论上断层两侧的流体是不同的温压系统，地层温度应该是不一样的，但实际上，地层温度主要是由地温梯度决定的。至今，尚未见报导利用断层两侧流体地层温度的差异来标定断层封堵性。断层两侧油气藏的油气水界面不一致，则断面是封闭的，油气水界面性质和地层压力是最重要的2个指标。

若断层两侧流体是气，则要对比其组分特征（烃类、非烃）、相态参数特征（临界温度、临界压力）［12］、碳氢等稳定同位素组成、稀有气体同位素组成、相对密度等。若断层两侧流体是油，则要从物性参数、生物标志物、芳烃、碳同位素、含氮化合物等方面来进行对比。若断层两侧流体是水，则主要是从颜色、气味、透明度、沉淀物、pH值、苏林分类的水型、同位素等方面来进行常规对比。另外，也可用胶结物的微量元素来对比。Hayes等发现富Mn的方解石通常形成于海相［20］。金之钧等认为富Mg的方解石应沉积于湖相地层水中［21］。Cao Jian对红车断裂上下盘及断裂带系统产样，分析胶结物中方解石的Mn，Fe，Mg等元素，发现断裂下盘的胶结物是富Mg方解石，而断裂带及断层上盘是富Mn方解石，从而推出断裂两侧地层水类型不同，据此判断，红车断裂至少在某个时期是封闭的［22］。

由断层两侧流体充注期次的对比也可间接判断出断裂的封闭性。Cao Jian在研究准西北缘的红车断裂时，根据包裹体的岩相、均一温度，将其划分出3期，又发现前2期的包裹体在断裂的上下盘和断裂带均有发现，而第3期的气包裹体只存在于断裂的下盘，由此判断，第3期气充注时，断裂是封闭的［22］。

4 综合法

4.1 断裂开启指数法

Zhang Likuan等在研究大港油田时，认为断裂的开启与封闭受多种地质因素 （主要为断面附近的泥岩地层压力、垂直断面的应力、SGR）影响［23］，为了综合考虑这些地质因素，提出了断裂开启指数。

式中：FOI为断裂开启指数，无量纲；p为断面附近的泥岩地层压力，MPa；δ为垂直断面的应力，MPa；SGR为断层泥比率，无量纲。

当FOI≤0.75时，断裂封闭；FOI≥3.25时，断裂开启；当0.75＜FOI＜3.25时，断裂可能封闭，也可能开启，但FOI越大，开启的可能性越大。

4.2 模糊综合评判法

该方法是由邓俊国等［24］提出的，考虑影响断层封闭性的各种因素对其所做的综合研究。由于本文只探讨断层的侧向封闭性，又结合近年来的研究成果，故对评价标志做了一些修改（见表1）。值得指出的是，这里的模糊综合评判法是在判定砂砂对接的基础上进行的，因为若断层两盘砂泥对接，则认为断层侧向封闭。已见报道的除上述2个，还有非线性映射分析法［25］等。

5 综述

断层侧向封堵性评价方法总的来说可以概括成4大类：Ⅰ类是断层岩封闭法（断层岩性分析、断面正应力、SGR法）；Ⅱ类是断层两侧流体相关参数对比法；Ⅲ类是岩性对接封闭法；Ⅳ类是综合法（见图2）。

每个断层侧向封堵性评价方法都有其局限性，具体选用何种评价方法，要根据具体情况分析选用。但总的来说，岩性对接图和断层两侧流体分析是对地质特征的基本描述，是评价或预测断层侧向封堵性的基础。若是砂砂对接，SGR法是目前较成熟的评价方法。

表1 断层侧向封闭性单因素评价标准［24］

图2 断层侧向封堵性评价方法总结

［1］Weeks L G.Habitat of oil［M］.Tulsa：AAPG，1958：1384.

［2］Smith D A.Theoretical considerations of sealing and non-sealing faults［J］.AAPG Bulletin，1966，50（2）：363-374.

［3］Downey M W.Evaluating seals for hydrocarbon accumulations［J］. AAPG，1984，68（11）：1752-1763.

［4］Allan，Urban S.Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures［J］.AAPG Bulletin，1989，73（7）：803-811.

［5］Antonellini M，Aydin A.Effect of faulting on fluid flow in porous sandstones：Petrophysical properties［J］.AAPG Bulletin，1994，78（3）：355-377.

［6］Knipe R J.Juxta position and seal diagrams to help analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs［J］.AAPG Bulletin，1997，81（2）：187-195.

［7］Manzocchi T，Walsh J J，Nell P，et al.Fault transmissibility multipliers for flow simulation models［J］.Petroleum Geoscience，1999，5（1）：53-63.

［8］Sperrevik S，Gillespie P A，Fisher Q J，et al.Empirical estimation of fault rock properties［C］//Koeslter A G，Hunsdale R.Hydrocarbon seal quantification.Stavanger：Norwegian Petroleum Society，2002：109-125.

［9］Yielding G，Freeman B，Needham D T.Quantitative fault seal prediction［J］.AAPG Bulletin，1997，81（6）：897-917.

［10］Knipe R J.Faulting processes and fault seal［C］//Larsen R M，Brekke H，Larsen B T，et al.Structural and tectonic modeling and its application to petroleum geology.Stavanger：Norwegian Petroleum Society，1992：325-342.

［11］Yielding G.Shale gouge ratio-calibration by geohistory［C］//Koestler A G，Hunsdale R. Hydrocarbon seal quantification. Norwegian：Petroleum Society Special Publication，2002，11：1-15.

［12］Bretan P，Yielding G，ones H J.Using calibrated shale gouge ratio to estimate hydrocarbon column heights［J］.AAPG Bulletin，2003，87（3）：397-413.

［13］王志欣，信荃麟.关于地下断层封闭性的讨论：以东营凹陷为例［J］.高校地质学报，1997，3（3）：293-300. Wang Zhixin，Xin Quanlin.Discussion on the sealing property of deeply buried faults［J］.Geological Journal of China Universities，1997，3（3）：293-300.

［14］万天丰，王明明，殷秀兰，等.渤海湾地区不同方向断裂带的封闭性［J］.现代地质，2004，18（2）：157-163. Wan Tianfeng，Wang Mingming，Yin Xiulan，et al.Sealing properties of different direction faults in the Bohai Bay Area［J］.Geoscience，2004，18（2）：157-163.

［15］孙龙涛，陈长民，詹文欢.珠江口盆地断层封堵特征及其影响因素［J］.石油学报，2007，28（4）：36-40. Sun Longtao，Chen Changmin，Zhan Wenhuan.Characteristics and influencing factors of fault sealing in Pearl River Mouth Basin［J］.Acta PetroleiSinica，2007，28（4）：36-40.

［16］Evans J P，Forster C B，Goddard J V.Permeability of fault-related rocks，implications for hydraulic structure of fault zones［J］.Journal of Structural Geology，1997，19（11）：1393-1404.

［17］Knipe R J.The influence of fault zone processes and diagenesis on fluid flow［C］//Horbury A D,Robinson A G，Diagenesis and basin development.Tulsa：American Association ofPetroleum Geologists，1993：135-154.

［18］吕延防，李国会，王跃文，等.断层封闭性定量研究方法［J］.石油学报，1996，17（3）：39-43. Lv Yanfang，Li Guohui，Wang Yuewen，et al.Quantitative analyses in fault sealing properties［J］.Acta Petrolei Sinica，1996，17（3）：39-43.

［19］周兴熙.库车油气系统油气藏相态分布及其控制因素［J］.天然气地球科学，2004，15（3）：205-213. Zhou Xingxi.The distribution and control factors of phase stateof oil and gas pools in kuqa petroleum system［J］.Natural Gas Geoscience，2004，15（3）：205-213.

［20］Hayes M J，Boles J R.Evidence for meteoric recharge in the San Joaquin Basin，California，provided by isotope and trace element geochemistry［J］.MarineandPetroleumGeology，1993，10（2）：135-144.

［21］Jin Z J，Cao J，Hu W X，et al.Episodic petroleum fluid migration in fault zones of the northwestern Junggar Basin（northwest China）：evidence from hydrocarbon bearing zoned calcite cement［J］.AAPG Bulletin，2008，92（9）：1225-1243.

［22］Cao Jian，Jin Zhijun，Hu Wenhuan，et al.Improved understanding of petroleum migration history in the Hongche fault zone，northwestern Junggar Basin（northwest China）：Constrained by vein-calcite fluid inclusions and trace elements［J］.Marine and Petroleum Geology，2010，27（1）：61-68.

［23］Zhang Likuan，Luo Xiaorong，Liao Qianjin，et al.Quantitative evaluation of synsedimentary fault opening and sealing properties using hydrocarbon connection probability assessment［J］.AAPG Bulletin，2010，94（9）：1379-1399.

［24］邓俊国，王贤，王伟锋.模糊综合评判技术在柳堡断块圈闭评价中的应用［J］.断块油气田，1996，6（6）：5-9. Deng Junguo，Wang Xian，Wang Weifeng. Multi-grade fuzzy comprehensive judgement to evaluate the fault-block traps in Luipu Region［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，1996，6（6）：5-9.

［25］吕延防，陈章明，陈发景.非线性映射分析断层封闭性评价方法［J］.石油学报，1996，10（2）：7-12. Lv Yanfang，Chen Zhangming，Chen Fajing.Evaluation of sealing ability of faults using nonlinear mapping analysis［J］.Acta Petrolei Sinica，1996，10（2）：7-12.

（编辑 赵旭亚）

Review on evaluation methods of lateral sealing of fault

Jin Chongtai1,Fu Xiaofei1,Liu Shaobo2
(1.College of Geosciences,Northeast University of Petroleum,Daqing 163318,China;2.Laboratory Center,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China)

According to ten evaluation methods of the lateral sealing of normal fault in clastic reservoirs,the advantages, disadvantages and application range of each method are discussed comprehensively based on basic principles in this paper.The evaluation methods of lateral sealing of fault are summarized into four categories,they are fault rock sealing,the related parameters analysis of fluid on both sides of faults,lithology juxtaposition and comprehensive method.Each method has certain limitations and is selected according to the specific situation analysis.But in general,lithology juxtaposition and the related parameters analysis of fluid on both sides of faults are the basic descriptions and the basis of sealing evaluation and prediction.If fault juxtaposition is against reservoir rock,SGR is more mature evaluation method at present.

lateral sealing of fault;lithology juxtaposition;shale smearing;pressure method of fault plane

TE122.3+4

：A

1005-8907（2012）03-0297-05

2011-09-26；改回日期：2012-03-15。

金崇泰，男，1987年生，在读硕士研究生，主要从事断层封堵性评价和裂缝预测研究。E-mail：atai521521@qq.com。

金崇泰，付晓飞，柳少波.断层侧向封堵性评价方法综述［J］.断块油气田，2012，19（3）：297-301. Jin Chongtai，Fu Xiaofei，Liu Shaobo.Review on evaluation methods of lateral sealing of fault［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：297-301.