断层侧向封闭性定量评价方法

吕延防，王伟，胡欣蕾，付广，史集建，王超，刘哲，姜文亚

（1.东北石油大学；2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院）

断层侧向封闭性定量评价方法

吕延防1，王伟1，胡欣蕾1，付广1，史集建1，王超1，刘哲1，姜文亚2

（1.东北石油大学；2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院）

基于断层封闭性机理及其影响因素研究，在考虑断层承压时间的情况下对断层封闭性定量评价的断-储排替压力差法进行改进，建立了考虑时间因素的断层封闭性定量评价地质与数学模型。采用给定步长、逐渐逼近的算法，确定围岩地层岩石具有与靶点断层岩相同泥质含量和成岩程度的埋深，再根据研究区所建立的岩石泥质含量和埋藏深度乘积与排替压力的关系，定量计算出靶点断层岩的排替压力，用目的盘储集层排替压力与之比较，定量评价断层的封闭与否及封闭能力的大小。通过歧口凹陷板桥断层圈闭油气藏的实际资料的验证，以及与断层岩的泥质含量（SGR）法和未考虑承压时间的断-储排替压力差评价断层封闭性方法的比较，证实该方法具有更好的可行性和更高的可信度。图5表1参18

歧口凹陷；断层岩；侧向封闭性；封闭性定量评价；排替压力

0 引言

断层岩的渗透能力决定了断层的垂向、侧向封闭能力，即使目的盘储集层的对置盘是非渗透性地层，如果断层岩具渗透性，油气也将通过断层岩沿断层向上流动，所以，断层的垂向、侧向封闭能力主要取决于断层岩的渗透能力[1]。在研究断层封闭性时，绝大多数研究者着重研究断层岩的渗透能力，通过研究断层岩的结构、泥质含量、成岩程度等因素，定量评价断层的垂侧向封闭能力[2-5]。基于断层岩定量研究断层封闭性的方法主要有3种：①通过计算断层岩的泥质含量间接评价断层的侧向封闭能力，主要有页岩涂抹系数（SSF）法[6]、泥岩涂抹势（CSP）法[7]、泥岩含量（CCR）法[8]等；②通过断层岩的泥质含量兼顾其成岩程度利用统计学方法定量研究断层的侧向封闭能力，如断层岩的泥质含量（SGR）法[9-10]；③通过研究断层岩的泥质含量及成岩程度，从断层岩封闭机理出发，定量评价断层封闭能力的断-储排替压力差法[11-12]。第1种方法均是通过对断距和断层所错断的泥岩层厚度的计算估算泥岩涂抹程度，进而间接评价断层的侧向封闭能力，均为半定量评价。第2种方法是第1种方法的改进，根据断距和断层所错断的泥岩层厚度计算出断层岩的泥质含量，然后，通过对大量断层圈闭油气藏的压力统计，建立3个深度段内断层岩泥质含量与所能封闭的油气柱高度的统计公式，即（1）式，该方法具有定量评价属性。该方法的不足在于：①仅具有统计学意义，不是从封闭机理出发；②没有考虑断层倾角，断点埋深按深度段估算，评价精度低；③资料均来自于现存的油气藏，所建立的评价公式只能评价断层圈闭所能封闭的油气柱高度大小，对实际上不封闭的断层必然形成误判，由（1）式可知，无论SGR值多小，Ho均为正值，也就是说即使断层岩的泥质含量为零，断层也仍然具有封闭能力，这显然与实际不符。所以，第2种方法具有局限性。

第3种方法是断-储排替压力差法，即通过计算断层岩和目的盘储集层的排替压力，比较二者差值大小。如果断层岩的排替压力大于储集层的排替压力，断层具有封闭性，其差值的大小表达断层封闭能力的强弱。反之，断层开启。在计算断层岩排替压力过程中考虑了断层岩的泥质含量、断点埋深、断层倾角。该方法是基于断层封闭机理提出的，考虑的因素相对全面，应用效果也更符合实际。但是，该方法没有考虑成岩时间的影响，而对于相同埋深的岩层而言，其承压时间越长，岩层的压实成岩程度就越高，物性也就越差。因此，不考虑时间因素影响的断层岩排替压力计算结果必然与实际情况存在偏差。鉴于此，本文借用断-储排替压力差法的研究思路，在研究断层岩的成岩程度时加入压实成岩的时间因素，假设断层岩与沉积地层具有相似的成岩影响因素，建立包含成岩时间因素的断层岩与地层压实成岩的相关关系，通过求取与断层岩具有相同成岩压力和成岩时间的地层岩石排替压力，求得断层岩的排替压力，进而评价断层的侧向封闭性，以期降低断层圈闭钻探风险。

1 断层侧向封闭机理及排替压力影响因素

断层活动后形成的裂缝空间内往往形成地层负压或低压，使围岩储集层内地层水迅速进入裂缝，并充满断层碎屑充填物的孔隙，使断裂碎屑充填物相对围岩有较大孔隙度和含水饱和度，该充填物在断面正压力的作用下逐渐排出孔隙水，慢慢压实成岩，形成断层岩。断层碎屑充填物向断层岩演化的过程即是孔隙度逐渐变小、成岩程度逐渐提高、封闭能力逐渐形成和变强的过程。断层充填物的封闭能力即代表油气穿过断层侧向运移的难易程度，可见，评价断层侧向封闭性的关键是评价断层岩的封闭能力。

评价断层岩封闭能力的关键参数是断层岩的排替压力，只有当断层岩的排替压力大于油气运移盘储集层岩石的排替压力时，断层在侧向上才能起到封闭油气的作用，反之断层则开启[13-14]。断层岩排替压力的大小主要受断层岩泥质含量和压实成岩程度的影响，其内泥质含量越高，压实成岩程度越高，断层岩的排替压力就越大，反之则越小。而断层岩的压实成岩程度又受到压实成岩压力和压实成岩作用时间两方面的影响。一般情况下，断层岩所经历的成岩压实作用时间越长，岩石越致密，排替压力就越大。断层岩压实成岩压力的大小取决于断面所承受的正压力的大小，断面正压力越大，断裂充填物的成岩程度就越高，而断面正压力又取决于断点埋深和断层倾角的大小，断层倾角越小、断点埋深越大，断面压力越大，反之越小。

2 考虑承压时间因素的断层侧向封闭性定量评价方法

由文献[11-12]可知，在以往的断层侧向封闭性定量评价方法中，并没有考虑承压时间对断层岩排替压力的影响，认为断层岩的承压时间和与其具有相同埋深围岩的承压时间是相同的，而实际上断层岩的承压时间要明显短于与其具有相同埋深围岩的承压时间，断层岩的承压时间是从断裂停止活动开始至今的时间段，而与断层岩具有相同埋深围岩的承压时间是从围岩沉积后开始至今的时间段。因此，利用未考虑承压时间的断层侧向封闭性定量方法计算得到的断层岩排替压力值必然高于地下实际值，过高地估计了断层的侧向封闭能力，可能给油气勘探带来一定的风险。为此，本文考虑了承压时间对断层侧向封闭能力的影响，对未考虑承压时间的断层侧向封闭性评价方法进行改进。

2.1 断层岩泥质含量的求取

断裂带中的物质是断层两盘砂泥岩地层在滑动过程中按各自厚度大小大致呈等比例刮削充填形成的，形成的断裂充填物中砂泥碎屑宏观上均匀分布[9]。断层岩的泥质含量主要受到断层断距、被错断的泥岩层层数和厚度以及砂岩层中泥质含量的影响，断距越小、被错断的泥岩层层数越多、泥岩层厚度越大、砂岩层中泥质含量越高，断层岩的泥质含量就越大；反之则越小。泥质含量可以采用Yielding等提出的SGR法[9]计算求得：

2.2 岩石排替压力的求取

前人研究[15]证实，岩石的泥质含量和压实成岩埋深2个地质参数的乘积与该岩石的排替压力之间存在很好的正相关性，随着岩石泥质含量与压实成岩埋深乘积的增加，岩石的排替压力也逐渐增大，由此可以建立不同岩性岩石样品的排替压力与泥质含量、压实成岩埋深之间的拟合关系式。

2.3 考虑承压时间的断层岩排替压力求取

如图1所示，断层断穿地层④后停止活动，其上沉积了地层③—①，在地层③沉积之前，断裂带内部碎屑充填物与刚刚沉积的地层一样，并未成岩，在上覆地层沉积载荷的作用下，断裂充填物中的地层水不断被挤压排出，固体充填物经压实胶结逐渐形成断层岩。所以，尽管断点埋藏较深（如图1中A点），断裂充填物真正开始被压实向断层岩转化是从断层停止活动之后，图1中大致是在地层③开始沉积以后。

图1 考虑承压时间的断层岩排替压力计算地质模型

以图1为例，设断层岩的物质构成与围岩地层岩石相似，如果B点断层岩的泥质含量和成岩程度与围岩中K点岩石的泥质含量和成岩程度相同，B点断层岩的排替压力即等于K点地层岩石的排替压力，但二者岩石所经历的压实成岩时间不同。设断裂带中任意一点B断层岩的泥质含量均等于A点断层岩的泥质含量（A点断层岩泥质含量可由（2）式计算），其压实成岩程度可用其所承受的断面正压力和断层停止活动至今时间的乘积表示。再设地层中任意一点岩石的泥质含量与A点断层岩的泥质含量相同，围岩地层中某点岩石的压实成岩程度也可用其上覆地层静岩压力和该点岩石经历的压实成岩时间的乘积表示。在围岩地层中任意给出一点K，其埋深和压实成岩时间已知，其岩石的压实成岩程度便可计算。如图1所示，设地层中K点的地静压力为pr，其上部地层沉积所用的时间为tr，断层最后一次停止活动至今的时间为tf，断裂带中B点的断层岩与地层中的K点岩石具有相同泥质含量和成岩程度，其断面所受的正压力（不考虑区域水平应力）为pfB，则有：

由于B点断层岩在C点沉积之前就承受了ΔpfB的断面压力，其大小为：

由（4）—（6）式得：

由（8）式可得：

针对选定的某一地层初算点K，pf和tr已知，对于所研究的断层，tf和θ也已知，根据（9）式可计算出B点与C点之间的垂直距离Z1，即确定了B点的具体埋深。

然后，比较B点与目的点A的相对位置关系，调整试算点K的埋深，重复上述计算，直至B点与A点重合，即Z1=ΔZ，此时K点地层岩石的成岩程度与A点断层岩的成岩程度相同，K点地层岩石的排替压力即为A点断层岩的排替压力。由于K点的埋深已知，K点地层岩石的泥质含量与A点断层岩的泥质含量相同，即K点岩石的泥质含量也已知，根据（3）式便可计算出K点岩石的排替压力，亦为A点断层岩的排替压力。

以上便是考虑了断面压力和断层岩压实成岩时间的断层岩排替压力计算过程。应该特别指出的是，这里所述的成岩时间并非只单纯地代表断层岩形成所经历的时间，而是在这段时间里断层岩经历了所有成岩作用因素的综合。

2.4 储集层岩石排替压力的求取

选取储集层岩石样品，测试其排替压力及泥质含量，结合样品埋深，建立三者关系的数学统计公式：

实际应用过程中，根据储集层岩石的埋深和自然伽马测井曲线值求得岩石的泥质含量[16]，将参数代入（10）式，便可以求取储集层岩石的排替压力。

2.5 断层侧向封闭性定量评价

通过比较上述确定的断层岩和目的盘储集层岩石的排替压力大小，便可以对断层侧向封闭能力进行定量评价，如果断层岩排替压力大于油气运移盘储集层岩石排替压力，断层侧向封闭，反之断层侧向开启。其封闭能力的大小取决于断-储岩石的排替压力差，差值越大，断层封闭能力越强，反之越小。所能封闭的烃柱高度可用下式计算[11]：

3 应用实例

本文以渤海湾盆地歧口凹陷板桥断裂带板桥断层圈闭为例，阐述考虑承压时间的断层侧向封闭性定量评价过程，同时利用SGR法和不考虑承压时间的断-储排替压力差法分别对其进行定量评价，对3种评价结果进行对比分析，评价本文方法的合理性。

板桥断裂带是歧口凹陷主要的油气富集区[17]，其位于北大港潜山构造带东北部，西北紧邻板桥凹陷，是一个被断层复杂化的北东走向的半背斜构造，受北东走向的大张坨断层和板桥断裂带切割，由北向南分为板北、板中、板南等3大断块区，其中板桥断层圈闭位于板中断块区（见图2）。该区自下而上发育古生界、中生界，第三系孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组及第四系。目前在馆陶组、东营组、沙一段、沙二段、沙三段等地层内发现了多套含油气层系，其中沙一段中亚段（Es1z）是主要的产油气层，沙一段上亚段（Es1s）发育的厚层泥岩是主要的区域性盖层[18]。板桥断层附近钻井所揭示的地层发现，本区沙一段为砂泥岩互层段，泥岩单层厚度为2～8 m，一般为2～4 m；储集层岩性为灰白色细砂岩，单层厚度为2～13 m，一般在4～8 m。

图2 研究区位置及歧口凹陷板桥断裂构造带B6井区沙一段中亚段底面构造图

板桥断层是板桥鼻状构造重要遮挡断层，横贯东西。平面上断裂延伸长度约为10 km，走向北东东，断面北倾；剖面上，断层在沙一段以及东营组沉积时期活动速率最大，垂直断距为50～400 m，水平断距为20～330 m，断层倾角40°～60°（见图3）。板桥断层是否封闭，决定了板桥断层圈闭的存在与否，其封闭能力的强弱，决定了板桥断层圈闭中所能聚集油气藏高度的大小，对板桥断层封闭能力的正确认识，是判断板桥断层圈闭有效程度的关键。

通过对板桥断层生长指数的统计分析可见，断层主要发育期为沙一段和东营组沉积时期，新近纪活动减弱直至停止（见图4）。通过对板桥断层发育史的研究可知，其在明化镇组沉积初期停止活动，自此之后，断裂充填物开始压实成岩，断层停止活动至今的时间tf为15.6 Ma。

由研究区岩石样品的分析数据所建立的排替压力与其泥质含量和埋深关系散点图可见，岩石的泥质含量和岩石的埋藏深度乘积与岩石的实测排替压力之间具有非常好的指数关系（见图5）。对全部岩石样品做外包络线数学拟合，得到（12）式，用于评价断层岩的最大封闭能力。对砂岩样品数据点进行数学拟合，得到（13）式，用于计算砂岩的排替压力。

图3 过板桥断层地质剖面图（剖面位置见图2）

图4 板桥断层生长指数直方图

图5 歧口凹陷岩石排替压力与其埋深、泥质含量之间关系

首先，利用板桥断层附近的B6井等钻井所揭示的地层资料，根据板桥断层断距与埋深，计算出板桥断层三维空间上各点断层岩的SGR值。此后，按前文提出的研究方法与步骤，根据板桥断层最后停止活动时间和断层上终止点及目的层埋深，适当选择围岩地层初算点K（见图1），利用（9）式逐渐逼近计算，确定与A点对应的K点的具体埋深。然后，根据A点断层岩的SGR值和埋深，用（12）式计算出K点地层岩石的排替压力，此排替压力即为A点断层岩的排替压力。之后，根据目的盘储集层自然伽马测井曲线值，计算出储集层的泥质含量，再根据储集层埋深，利用（13）式计算出目的盘储集层的排替压力。最后，求出断层岩与储集层在各点的排替压力差，取目的盘储集层所对置的断层岩与储集层排替压力差最小值作为断层对该储集层的封闭能力，并利用（11）式计算出断层对该储集层所能封闭的油气柱高度。相关参数及计算结果见表1。

表1 板桥断层（Es1z）封闭性定量评价数据表

由表1可见，B6井所揭示的各套储集层岩石的排替压力值为0.36～2.72 MPa，利用上述方法计算B6井Es1z储集层对应断层岩的排替压力值为0.43～0.55 MPa，对比断层岩和储集层排替压力值发现，B6井Es1z6、7、8、9、11、16、18b号储集层对应的断层岩排替压力均小于储集层岩石的排替压力，断层不能对这些层中的油气起到封闭作用，试油气结果证实，这些储集层均为干层或水层。而4、5、10、12、14、17、18a号储集层对应的断层岩排替压力均大于储集层岩石的排替压力，判断断层可以对这些储集层中的油气起到封闭作用，试油气结果证实，这些储集层均为气层或油层。受断层岩泥质含量（SGR）较低和断层岩承受的成岩压实时间较短的影响，断层岩的排替压力较小，致使断层封闭能力较弱，使得断层岩排替压力在很多位置比储集层排替压力低，断-储排替压力差出现负值；即使断-储排替压力差为正值位置，其差值也不大，所能封闭的烃柱高度有限。这种情况下，正确评价断层的封闭性能非常困难，而利用考虑承压时间的断-储排替压力差对断层封闭性的评价结果与实际油水分布吻合率高达100%，充分证明了该方法的可行性。

在利用本文提出的断层封闭性定量评价方法对板桥断层的封闭性进行评价的同时，还利用SGR法和未考虑断层岩承压时间的断-储排替压力差法分别评价了板桥断层的封闭能力（见表1）。由表1可见，无论断层岩是否有封闭能力，SGR法计算得到的结论均是封闭的，这一结论显然不正确，这也正是前文所述SGR法评价断层封闭性的不足或局限性所在，尤其对封闭性较弱或不具备封闭能力的断层，SGR法评价结果会给钻探带来较大风险，此种情况下不建议用此法评价。利用未考虑承压时间的断-储排替压力差法评价板桥断层封闭性的结论与本文提出的方法所获结论一致，这也进一步证明断-储排替压力差法定量评价断层封闭性的可行性。然而，由于未考虑断层岩的承压时间，按断层岩现今所在深度计算岩石的排替压力，必然造成计算结果大于实际值，断层岩现今埋藏深度越大，断层停止活动时间越晚，计算结果与实际值偏差越大。板桥断层圈闭油气藏的实际高度一般在29～48 m（见表1），利用本文方法预测的烃柱高度与实际烃柱高度基本相当，但利用未考虑承压时间的断-储排替压力差法计算的烃柱高度为实际值的7～20倍，由此可见本文提出的考虑承压时间因素的断-储排替压力差法计算断层封闭能力更符合实际。

4 结论

断层岩泥质含量越高，压实成岩压力越大，承压时间越长，其排替压力越大；反之则越小。断层岩所经历的成岩时间及在此时间内所经历的各种成岩作用对断层岩排替压力的影响非常大，在建立断层岩封闭能力评价方法时不能不考虑该因素的影响。

考虑承压时间的断-储排替压力差法评价断层侧向封闭性从断层封闭机理出发，较全面考虑了断层封闭性的主要影响因素，应用实例证实，该方法比SGR法和未考虑承压时间的断-储排替压力差法更科学合理，评价结果更符合实际。

符号注释：

d,c——常数；g——重力加速度，m/s2；H——断裂垂直断距，m；Hh——断层面某点所能封闭的烃柱高度，m；Ho——断层所能封闭的油气柱高度，m；n——滑过断点的砂泥岩层层数；pB——B点断层岩所受静岩压力，Pa；pCD——断层上终止点C到地面D点的静岩压力，Pa；pdf——岩石样品的排替压力，MPa；pdr——储集层岩石排替压力，MPa；pfB——断面B点所受的正压力（不考虑区域水平应力），Pa；pr——地静压力，Pa；ΔpB——B点到C点地层的静岩压力，Pa；ΔpfB——C点沉积前B点断层岩承受的断面正压力，Pa；SGR——断层岩的泥质含量，%；tf——断层最后一次停止活动至今的时间，Ma；tr——上部地层沉积所用的时间，Ma；Vshf——岩石的泥质含量，%；Vshi——滑过断点的第i层岩层泥质含量，%；Vshr——储集层岩石的泥质含量，%；Z1——B点与断层上终止点C之间的垂直距离，m；Z2——断层上终止点C与D点之间的垂直距离，m；ZB——B点断层岩的现今埋深，m；Zf——岩石的压实成岩埋深，m；Zr——储集层岩石埋深，m；ΔZ——A点与断层上终止点C之间的垂直距离，m；ΔZi——滑过断点的第i层岩层厚度，m；θ——断裂倾角，（°）；ρo——原油密度，kg/m3；ρr——上覆沉积岩层骨架密度，kg/m3；ρw——地层水密度，kg/m3。

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（编辑 张朝军 王大锐）

Quantitative evaluation method of fault lateral sealing

LYU Yanfang1,WANG Wei1,HU Xinlei1,FU Guang1,SHI Jijian1,WANG Chao1,LIU Zhe1,JIANG Wenya2
(1.Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China; 2.PetroChina Dagang Oilfield Company,Tianjin 300280,China)

The fault-reservoir displacement pressure differential method,as a quantitative evaluation method of fault sealing which considering diagenetic time of fault rock,was improved based on the study of fault sealing mechanism and its influencing factors.A geology and mathematical model of quantitative evaluation of fault sealing considering diagenetic time was established.First,the depth of surrounding rock which has the same shale content and diagenetic degree as the fault rocks at the target was determined using the method of successive approximation at the given step length.Second,the displacement pressure of target fault rocks was calculated based on the relationship between the displacement pressure and the product of shale content and burial depth that was established for the study area.And third,the sealing states and capacity of the faults were quantitatively evaluated by comparing the calculated displacement pressure with that of the target reservoir.By the actual data of reservoirs at Banqiao fault in Qikou sag and the result comparison between fault rock shale content method (SGR) and fault-reservoir displacement pressure differential method without considering the bearing time,it is verified that this method is more feasible and credible.

Qikou Sag; fault rock; lateral sealing ability; sealing ability quantitative evaluation; displacement pressure

国家自然科学基金“断层岩水压张裂漏油主控因素及张性破裂压力预测”（41372154）

TE122

A

1000-0747(2016)02-0310-07

10.11698/PED.2016.02.20

吕延防（1957-），男，吉林德惠人，博士，东北石油大学教授，主要从事石油与天然气地质研究工作。地址：黑龙江省大庆市开发区，东北石油大学地球科学学院，邮政编码：163318。E-mail:571128lyf@nepu.edu.cn

联系作者：胡欣蕾（1991-），女，黑龙江大庆人，东北石油大学在读硕士研究生，主要从事石油与天然气地质研究工作。地址：黑龙江省大庆市开发区，东北石油大学地球科学学院，邮政编码：163318。E-mail:dqsyhuxinlei@163.com

2015-02-12

2016-01-16