曹妃甸21-3构造馆陶组断层封闭性研究

汪晓萌，李慧勇，茆利，赵清平，石文龙，王保全，江涛

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引言

断层的启闭性是决定油气成藏的重要因素，油气能否成藏与断层的垂向输导和侧向封闭密切相关。Smith首次提出“砂-泥”对接可以封堵油气的观点[1]，随后大量的研究表明岩性并置法是判别断层启闭性的有效方法。该方法认为：当储层与泥岩对接时，断层能够封闭聚集的油气；相反，当储层与砂岩对接时，断层开启，油气则无法保存。然而在实际油气勘探过程中，除了断层两盘“砂-泥”对接可以很好地封闭油气之外，“砂-砂”对接有时也可以有效地封闭油气。

Weber认为，断层两侧“砂-砂”对接的封闭机理是由于断层在滑移过程中产生泥岩涂抹现象，从而导致断层封闭[2]。 随后，Lindsay等通过泥岩涂抹因子（SSF）初步定量判断了断层封闭的程度[3]。Yielding等采用断移地层内泥岩所占断移地层的厚度比，即断层泥比率（SGR），定量计算了断层不同部位的启闭性[4]。此外，knipe等提出断层岩（由泥岩和不纯净砂岩组成）形成断层侧向封堵的认识。断层岩评价方法，综合考虑了泥岩和砂岩中泥质体积分数，该评价方法更加接近于地下真实情况[5]。国内学者也对断层启闭性作了大量开创性的研究[6-10]，对断层启闭性的研究逐渐从定性识别转为定量计算[11-13]。

一般认为，馆陶组辫状河砂砾岩在断层断接处油气封堵能力很差，只能成为油气的输导层。然而，埕北油田以及曹妃甸21-3构造在馆陶组中部均存在断层“砂-砂”对接油气成藏现象，该类油气藏具有较大储量规模，勘探前景较好。本次研究以渤海海域埕北凹陷曹妃甸21-3构造馆陶组断层两盘“砂-砂”对接油气藏为例，结合断层两侧砂泥体积分数定量计算，初步探讨断层两盘“砂-砂”对接的封堵模式和封闭机理。

1 地质概况

1.1 区域概况

渤海湾盆地埕北凹陷是济阳坳陷的一个次级构造单元，位于渤海湾南部浅水海域，夹持在埕子口凸起与埕北低凸起之间 （见图1），呈北西走向，面积l 000 km2，为一北断南超的箕状凹陷。目前已在两侧凸起上发现埕岛、埕北、老河口、飞雁滩等油田。曹妃甸21-3构造位于埕北低凸起西段边界大断层下降盘，北侧距埕北油田2 km，为一受边界大断层及次级断层控制的断块构造（见图1）。新近系的馆陶组和古近系的东营组是埕北油田主要含油层系。尤其是2012年新发现的曹妃甸21-3构造，在馆陶组获得较大勘探发现，进一步揭示了馆陶组为本区一套重要勘探层系。

图1 曹妃甸21-3构造位置

曹妃甸21-3构造主要钻遇中生界潜山和新生界地层。新生界地层自下而上可以划分为古近系东营组、新近系馆陶组和明化镇组以及第四系平原组。本次研究的目的层为馆陶组，该组地层整体上为厚层砂岩夹薄层泥岩，砂岩体积分数高达93.2%。其岩性主要为浅灰色、灰白色的含砾中砂岩、细砂岩和粉砂岩。颗粒成分以石英为主，含少量长石及暗色矿物，呈次棱角—次圆状，中砂岩分选较差，细砂岩分选中等。埕北油田围区馆陶组的辫状河沉积可以分为上、中、下3个沉积序列。上、下两套岩性组合主要为大套砂砾岩、含砾不等粒砂岩夹薄层泥岩，总体砂岩体积分数在82%～94%；中间一套以多层连续分布的泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩为主，泥岩单层厚度4～20 m，区域上分布十分稳定。多个油田已证实薄层泥岩盖层只要分布稳定同样可以作为良好的区域盖层[14-15]。埕北油田及曹妃甸21-3构造馆陶组油藏均分布在馆陶组中部泥岩盖层之下。

1.2 断裂特征

曹妃甸21-3构造为一受埕北低凸起边界断层F1和派生断层F2共同控制的具有半背斜形态的断块构造（见图2），对F1和F2断层特征的认识是判别断层启闭性的基础。F1断层是埕北低凸起南侧的同生边界正断层，总体呈北西向展布，断层下降盘地层明显较厚。该断层在剖面上向北东方向倾斜，倾角45～56°，上陡下缓，呈铲状形态。F1断层从基底断至明化镇组地层，断距自下而上逐渐减小，油层顶面构造图显示断距为176 m。从断距及生长指数来看，该断层具有长期活动的特点。F2断层是F1断层的一条同向派生断层，早期活动强烈，晚期逐渐减弱。

图2 曹妃甸21-3构造断裂剖面

2 封闭机理分析

目前关于“砂-砂”对接断层封闭油气的研究方法很多[9-10]，其封闭机理主要有断层压扭封闭、泥岩涂抹封闭、断层岩封闭、成岩胶结作用封闭等。由于断层两盘“砂-砂”对接地层本身的复杂性和地质认识的不确定性，目前的评价方法或多或少存在一定的局限性，本文分别讨论各种因素对于断层封闭性的影响。

2.1 压扭封闭

断层封闭与否通常取决于断层的性质。压性和压扭性断层，由于受挤压应力作用，断面紧闭程度高，断层封闭性好；而张性和张扭性断层面受到的正应力较小，断层封闭性较差[16]。断层在压扭活动的过程中，断层两盘紧密研磨，砂岩颗粒被碾碎为泥质物，增加了断层泥的来源，在地层中泥岩比例不很高的情况下也能形成泥岩涂抹带[17-19]。因此，扭压性断裂对油气藏起到封闭作用，也有利于油气的保存。埕北低凸起西段区域应力场分析结果表明：该区新近系断裂整体以拉张应力为主，曹妃甸21-3构造控圈断层剖面也表现为拉张性质（见图3）。因此，断层的压扭封闭机理不是曹妃甸21-3构造断层封闭的主要控制因素。

图3 曹妃甸21-3构造馆陶组油藏顶面构造

2.2 泥岩涂抹封闭

断层两盘滑动导致泥岩岩层被拉长，涂抹在断层面上，使断层对其两侧油气水等流体具有很强的封闭能力，将油气在断层圈闭中聚集起来，形成油气藏。泥岩涂抹方法证实了断层泥比率（SGR）及其与断层侧向封闭性之间的正相关关系。

式中：SGR为断裂带充填物中泥质体积分数，%；hi为被断层错断上下盘的泥岩厚度，m；n为被错断泥岩层数；H为目的层位垂直断距，m。

基于SGR的计算方法可知，断层两盘的泥岩厚度决定了泥岩涂抹效果。根据SGR法计算得到曹妃甸21-3构造F1，F2断层的封闭性（见表1），用SGR区分断层是封闭还是开启的门限值为25%～30%，其值越大，封闭性越好。因此，结合本区的泥岩涂抹封闭性评价结果，笔者认为F1，F2两条主控断层的封闭性很弱，不具备封闭油气的能力。

表1 曹妃甸21-3构造F1，F2断层SGR计算统计及评价

2.3 断层岩封闭

泥岩涂抹仅仅考虑了断层两盘错断的泥岩对断层封闭的作用。实际上，经过研究发现，不纯净的砂岩在形变时形成了页硅酸盐-骨架断层岩，较围岩有更高的各向同性和较低的宏观孔隙[21]。断裂填充物中的泥岩和不纯净的砂岩颗粒，在上覆地层重力作用下压实成岩，致密程度增高，孔渗条件变差，排替压力增高，形成致密的断层岩，从而封堵油气。

对于断穿砂泥岩地层剖面的断层而言，无论断层性质如何，其断裂填充物主要是砂泥物质，因此，除了需要考虑泥岩对断层的封闭作用，还应当考虑砂岩中的泥质体积分数对断层封闭性起到的作用。综合分析认为，曹妃甸21-3构造控圈断层封闭机理可能为断层岩封闭，而断层岩能否对油气形成封堵作用，可以通过多个参数进行计算，进而对断层封堵能力的强弱进行定量评价。

3 定量评价方法及控制因素分析

3.1 定量评价封闭性方法

断层封闭的本质是差异排替压力，断层是否封闭主要取决于断层岩的排替压力和储层的排替压力的差值[20-22]。影响岩石排替压力的直接因素是孔隙度，岩石的压实作用及其泥质体积分数是影响孔隙性的关键因素。此外，由于影响压实作用的主要因素是地层埋深和断层倾角，因此，可以通过建立一个研究区泥质体积分数-埋深-排替压力的关系图版，求出任意泥质体积分数、任意埋深下的岩石的排替压力，从而得出断层岩和储层的排替压力的差值。

3.1.1 泥质体积分数-埋深-排替压力关系图版

建立图版首先需要确定近似纯砂岩和纯泥岩的排替压力与深度关系。

1）搜集埕北地区36个砂岩样品压汞测试的最大排驱压力值，得到砂岩与排替压力关系曲线（见图4）；

2）利用渤海184口井钻井资料及实验结果建立的声波时差与排替压力的关系式为

式中：AC为声波时差值，μs/m；pd为排替压力，MPa。

因此，可以由声波时差值计算出埕北泥岩的排替压力值。根据等插值法，插入不同泥质体积分数的岩石对应的排替压力曲线，最终得到埕北地区的关系图版（见图 4）。

图4 不同泥质体积分数岩石排替压力与埋深关系

3.1.2 断裂带和储层中泥质体积分数求取

断层岩的泥质体积分数计算公式为

式中：ΣH0为研究层段中泥岩的总厚度（包括泥岩厚度以及砂岩中的泥质成分），m；L为断移地层的垂直断距，m。

该计算公式综合考虑了断层两盘错开的泥岩厚度以及砂岩中的泥质体积分数 （储层的泥质体积分数根据测井解释成果），使计算得出的断层岩泥质体积分数更加接近断层岩的真实泥质体积分数。

3.1.3 断层岩埋深的转换

根据埕北地区不同泥质体积分数岩石排替压力与埋深关系图版（见图4）可知，求得断层岩排替压力需要2个参数：一是断层岩的泥质体积分数，二是断面的埋深。断层岩的泥质体积分数可以利用式（3）求得。

断面的埋深的转换方法主要是根据分解断面所承受的压力来转换埋深。由于断层岩相当于一层斜置的沉积岩，因此，断层岩受到的压力可以分解为垂直断面的正压力和沿着断面的应力。垂直断面的正压力就相当于某一深度下的静岩压力（见图5）。

图5 断层岩深度转换示意

断裂停止活动后，断裂充填物质所承受的压力主要是由上覆地层重力作用在断层面上的正压力，其大小为

式中：p为断面所承受的正压力，MPa；ρ为上覆地层平均密度 kg/m3；Z 为断点埋深，m；θ为断层倾角，（°）。

断面所受应力状态除与区域应力、上覆重力载荷相关外，还受断面埋深、断面倾角等因素的影响，断面埋深越大，倾角越缓，断面所受到的压力越大，断层紧闭程度越高，封闭性越好，反之越差。地层静岩压力的计算公式为

式中：p1为与断面同等压力的静岩压力，MPa；Z1为同等压力下断点对应的地层深度，m。

因为 p=p1，所以

根据断裂带目前的埋深及断层倾角，利用式（6）可以求取断面埋深处对应的地层深度。

3.1.4 断储排替压力差的求取

基于图版可以求得断层岩和储层的排替压力。根据断层岩的埋深和泥质体积分数，可以求得断层岩的排替压力；同样，根据储层的泥质体积分数和埋深，可以求得储层的排替压力；最后，可以计算得到目的层的断储排替压力差（以INL1为例）（见表2）。

根据上述断层封闭性评价方法，沿北东向分别选取了3条测线（见图2），对曹妃甸21-3构造的控圈断层F1，F2的6个不同测点进行了断层岩和储层的排替压力的计算，结果如表3所示。

曹妃甸21-3构造在馆陶组目的层内共发育2套储集单元，分布在1 533～1 586 m。控藏断层断距较大，倾角偏缓（50°左右）。由于断面倾角较缓，断层岩在馆陶组油藏深度段内所承受的断面正压力不大，只相当于正常沉积地层埋深864～954 m的静岩压力，断层岩的正压力均小于1.0 MPa。从表3中可以看出，储层中的泥质体积分数虽然比断裂带中的泥质体积分数低，但是由于储层的成岩程度相对较深，导致储层的排替压力相对较大。尽管储层的排替压力相对较大，导致断层岩与储层的排替压力差较小 （最大值仅为0.32 MPa），但所有油藏断层与储层的排替压力差均大于0，说明断层具有封闭能力，总体来看，计算结果和勘探成果吻合程度较高。

表2 曹妃甸21-3构造F1，F2断层岩与储层排替压力差计算

表3 曹妃甸21-3构造不同测线断储排替压力差

3.2 控制因素分析

通过研究认为，断层岩的泥质体积分数、断层倾角和断面埋深是影响断层岩的排替压力的3个因素，并且具有一定的相关关系：1）在同一埋深下，随着泥质体积分数的升高，断层岩的孔隙度和渗透率降低，排替压力越大，毛细管封闭能力越强，反之则越弱；2）在同一埋深下，断层的倾角越缓，断面承受的正压力越大，断层岩的压实作用越强，导致排替压力也越大；3）在断层的倾角和断层岩泥质体积分数相同的情况下，断面埋深越深，断层岩的压实成岩作用越强，导致断层岩的排替压力越大。

通过商值法计算得到：泥质体积分数对排替压力的影响大小是1.221，断层倾角对排替压力的影响大小是0.835，断层埋深对排替压力的影响大小是0.054。综合分析认为，泥质体积分数和断层倾角是决定断层岩排替压力的主控因素。

4 结论

1）曹妃甸21-3构造控圈断层封闭机理为断层岩封闭，断层的封闭性取决于排替压力的大小，断层岩和储层的排替压力差是否大于0是断层能否封闭的决定性条件。

2）对于“砂-砂”对接的构造圈闭，虽然存在侧封的风险，但是在砂层中泥质体积分数较高、断层岩埋深较深，断层倾角小的情况下也可以有效的封堵油气。

3）断层岩排替压力受断面埋深、断层倾角、断层岩泥质体积分数共同控制。断层岩的泥质体积分数和断层倾角是决定排替压力大小的主要因素。

5 探讨

“砂-砂”对接断层的封闭性研究，是一个综合因素导致的成因复杂的地质问题。近年来国内外许多学者在定性判断断层封闭性方面作了大量研究，本文重点针对“砂-砂”对接断层封闭性，从判断层的封闭机理入手，利用地震剖面读取断面埋深、断层倾角等数据，并且通过测井曲线确定地层的泥质体积分数，定量计算断层的封闭性。在计算过程中，由于地震资料、钻井资料、测井曲线、地震解释等资料的准确性必然受到人为和自然条件等多方面因素的干扰，导致计算结果的不确定性。由此可见，只有各种配套地质勘探技术更加完善才能使断层封闭性更加接近地下的真实情况，为油气勘探提供有利的保证。

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