青西地区沙三段断层封闭性综合研究

柴浩栋

胜利油田分公司物探研究院

所谓断层封闭性是指断裂带或者断层面对地层流体封堵并阻止流体渗流的能力。断层封闭性决定了断块油藏大小和油气充满度，是控制断块圈闭是否成藏以及规模大小的重要因素[1-2]。断裂封堵性取决于断裂两盘的岩性对接关系和地层形态，可通过研究断层圈闭的几何形态以及断层两盘的储层并置关系来判断其封堵性。断层既可成为油气运移通道,也可成为油气封堵面。Berg等（1995）[3]提出了“泥岩剪切带”的概念,认为泥质剪切带能较好地封堵本盘的油气。Yielding等（1997）[4]提出了“断层泥比率（SGR）”判断断层封闭性的方法，后改进为“泥岩涂抹作用”，得到了广泛意义上的应用。在国内，研究断层封闭性有“多级模糊综合评价技术”、“断面正应力”、“断层紧闭指数”等方法。吕延防（2007）[5]等根据油气沿断层运移特点，提出储层段内研究断层侧向封闭性、盖层段内研究断层垂向封闭性的观点，并提供了断层垂向封闭性的定量研究方法；而罗晓容，张立宽（2007）[6]等则运用断层连通概率法定量研究断层封闭性。现阶段断层封闭性研究方法众多，可实现定性与定量相结合的研究[7-9]。

1 区域地质概况

青西地区位于山东东营凹陷北部断裂构造带，北靠陈家庄凸起，西邻民丰洼陷，西南部靠近牛庄洼陷，东接青坨子凸起，紧邻郯庐断裂带。青西地区勘探始于20世纪60年代，勘探面积约200 km2，是东营凹陷勘探程度最低的地区。由于青西地区位于盆缘带，遭受多期构造运动，工区内走滑、扭张等多种构造体系交织，构造错综复杂、十分破碎，地层残缺不全，厚薄差异大，是东营凹陷“地质大观园”中令石油勘探人员颇为畏惧的“禁区”。在古近纪时期，由于陈家庄凸起陈南断层中生代后期至早第三纪，构造活动强烈，导致北部断层落差较大，南部断层活动偏弱，落差较小，形成青西地区西南缓北东陡的箕状断陷盆地。其断裂特征为典型的帚状扭张断裂体系，断层多期叠置发育，形成多种类型的构造圈闭。地层向东、向北抬升强烈、剥蚀严重，表现为多期不整合，典型特征为基底断裂之上发育第三纪地层，之下发育太古代老地层（图1）。研究区成藏条件较好，但勘探一直停滞不前，加强该区断层活动演化特征分析是深化该区油气成藏认识的重点，进行断层封闭性评价是提高该区勘探成功率的关键[10-12]。

图1 青西地区近南北向地质剖面图

2 断层封闭性研究

笔者从断层活动演化期次与油气运聚的时空配置入手，分析断层封闭机理及影响因素，在明确研究区断层封闭性主要控制因素的基础上，进行了断层封闭性评价，明确了研究区沙三段断层封闭性特征。

2.1 断层活动期次与油气运聚的时空配置

断层活动期次与油气运聚的时空配置是指断层的活动期次和油气运移之间在时间和空间上的配置关系。研究表明，若构造类圈闭的形成期早于油气运移时期，控藏断层封闭性好，则二者配置有效，可形成有效的油气聚集圈闭；若构造圈闭的形成期晚于油气运移时期，或控藏断层不封闭，则不能形成有效的配置[13-14]。

对研究区油源的分析结果认为，油气主要来自西部民丰洼陷沙四段烃源岩，可通过断层与储层组成运移通道向东运移；同时研究区北部地区沙三下亚段、沙四段具备生油能力，可提供一定油气资源。分析其埋藏史（图2）可知，沙四段烃源岩达到生烃门限（Ro值为0.5%）时期为沙一段沉积晚期，开始大量生烃时期（Ro值为0.7%）为馆陶组沉积晚期，现今已进入大量生烃晚期。

图2 地层沉降史示意图

研究区断裂在平面上呈东西向和南北向展布，东西向大断裂主要为长期发育的生长断层，平面断距大，规模较大，起到沟通油源、控制油气运移的作用；南北向断裂平面断距较小，规模也较小，断层基本在沙二沉积末期结束活动，断层大多应处于封闭状态，但长期活动至明化镇时期的断层，可以作为油气运移通道（图3）。通过对断层的活动性及生排烃期匹配关系分析，认为沙二、沙三沉积期构造运动形成的断块圈闭在沙一沉积期进入油气成藏期，构造活动对原有圈闭的破坏程度较小。因此，沙二段、沙三上段构造活动时期形成的圈闭得以有效保存，成藏条件有利。

2.2 断层封闭机理及影响因素

断层封闭程度主要取决于烃类进入水湿岩石的最大孔喉所需的压力（pc）和烃柱的浮力（p）的大小，当pc＞p时，断层的封闭性好；当pc＜p时，断层的封闭性较差。其封闭性影响因素主要有：

1）断层两盘岩性对接。断层活动引起断层两盘的相对滑动，断层一侧储层砂岩与具有高排替压力的低渗透对接层（如泥岩、页岩等）并置，具有较高排替压力的岩性对另一侧起封闭层的作用。其封闭性的影响因素主要为断层两盘岩性及对置关系，这是最早提出的断层封闭性量化研究思路，也是经典断层封闭性研究的主要手段。

泥岩涂抹作用：断层在形成的过程中，塑性泥页岩被拖拽进断层带并敷在断面上，在断裂面附近形成泥岩涂抹层，其孔渗性明显低于断层两侧地层的孔渗性，故具有较高排替压力，可对目的层形成封闭。其封闭性的影响因素主要有泥岩层层数、厚度，断层倾角、断距、活动强度等[13-17]。

2）滑动破碎带封堵。在断层长期活动或地应力强度较大的地区,断层带内较粗的角砾岩和碎粒岩被挤压成断层泥，碎裂砂岩与被断泥岩和断层泥共生，破碎带内岩石粒度、孔隙度及孔隙大小均降低，使带内孔渗性变差，排驱压力增大，对两侧储层起封闭作用。其封闭性的影响因素主要有区域应力特征、断层性质及内部特征、破碎带物性特征等。

3）断层胶结充填封堵。在断层面附近，断层破碎带的产生有利于地下水沿断层流动。在渗滤运移过程中，由于温度和压力条件的改变，发生了复杂的物理化学作用,使其所携带的成岩物质发生过饱和沉淀胶结，堵塞断层渗滤空间，从而使断层的孔隙度、渗透率大大降低，最终形成封闭。断层附近被方解石等矿物充填形成的致密带称之为“胶结充填带”，目前国内外对此还没有成熟的评价方法。其封闭性的影响因素主要有断层的活动期次、深部流体演化特征、断层胶结程度与断层活动、流体活动参数间统计关系等。

2.3 断层封闭性评价

根据青西地区典型成藏断块特征，统计分析断层特征（断距、倾角、断层走向、力学性质、应力大小及方向）、地层岩性特征（泥质含量、断点埋深）和流体压力特征（断点埋深、流体性质、温压系统），认为该区断层封闭性的主控因素为泥岩涂抹作用，断面正压力和流体压力对断层封闭性也具有重要影响（图4）。

图3 沙三中亚段顶面断裂图

图4 各参数与断层封闭性的相关性对比图

2.3.1 断层两盘泥岩涂抹分析

泥岩涂抹是指在活动时期断层泥岩盘滑动对断面形成的涂抹。但实际的地层往往是非均质的,很难一一将其分为泥页岩与砂岩。Yielding G[4]等于1997年提出了SGR（Shale Gouge Ratio），即泥岩削刮比，从整体上评价涂抹效应,其公式为：

Y111断层为控制Y111断块油气成藏的主要断层（图5）。Y111断块含油层段为沙三段储集层，沙三段储集层的油气充注受Y111断层的控制，与沙二段泥岩和沙三段层内泥岩错层对接，侧向封闭性较好；Y111断块向东的Y61断块和Y114断块的储集层与沙二段泥岩对接良好，断层侧向封闭性好。通常，对于断层两盘泥岩涂抹分析来说，若SGR＞0.45，断层则可以形成有利封堵。从评价结果来看，SGR值均大于50%的，表明断层侧向封堵性较好，但Y61断块和Y114断块含油性较差，这是因为Y111、Y61和Y114断层平面上均为平行状南北向断裂，剖面上断层活动期次不同。Y111断层的活动从沙四沉积期一直持续到明化镇期，可以作为油气运移的通道，而Y61断层和Y114断层在地震剖面上未断穿沙一段，说明其在沙一沉积前已停止活动，使油气难以向东运移。这说明断层封闭是圈闭成藏的必要条件，但圈闭是否成藏还要考虑断层活动和油气运聚及其他因素的影响。

2.3.2 压力特征与断层封闭性

断层封闭性的实质在于差异排替压力，即断层岩的排替压力和储层排替压力的大小。断层岩的排替压力受控于断点埋深和断层倾角，其计算公式：

图5 Y111断块油藏剖面图

式中ρ表示上覆地层的平均密度，g/cm3；g表示重力加速度，m/s2；h表示深度，m；θ表示断面倾角，（°）。

地层排替压力取决于地层的泥质含量和埋藏深度，可以根据已钻井资料来求取。分别选取泥质含量相同的样品进行不同深度的排替压力测试，建立排替压力随埋藏深度变化关系图，将各泥质含量岩石的排替压力随埋藏深度关系图叠置，便获得不同泥质含量岩石排替压力随深度变化图（图6）。

通过井资料求取断层岩排替压力值，然后与储层排替压力值进行比较，Y106和Y8-x4连井油藏剖面评价结果认为，断层岩排替压力大于储层排替压力即可形成有效封堵（图7）。

2.3.3 断层封闭性综合评价

断层封闭性研究是构造类油藏最基础也是最重要的工作，目前绝大多数研究者把注意力集中在计化镇时期的断层，可以作为油气运移通道（图3）。然后，分析断层的发育演化史与烃源岩生、排烃期的对应关系以及断层与油气运聚的时空耦合关系。认为沙二段、沙三段上的圈闭在构造活动中得以有效保存，成藏条件有利。最后，采用断层两盘泥岩涂抹和压力特征定量分析，综合评价沙三段断裂封闭性（图8）。

评价结果表明，沙三段南北向断裂规模小，断层活动期结束早（大约在沙一沉积期停止活动），有利于封闭；东西向规模较小，断裂趋向于开启；近东西向断裂规模大，断裂长期活动，其展布具分段特征，断层封闭性介于开启或封闭状态。结合断层封闭性评价来部署的Y559-2在目的层取得了好的算SGR和压力特征等定量研究上，试图以此证实断层封闭性，但这对真正全方位精确研究断层封闭性的要求还不够。因此，本区断层封闭性综合评价采用定性和定量结合的方法。首先，从区域地质背景出发，在明确断层的发育演化史的基础上，定性判断断层的开启和封闭状态。认为东西向大断裂平面断距大，规模较大，为长期发育的生长断层，起到沟通油源，控制油气的运移作用；南北向断裂平面断距较小，规模也较小，断层基本在沙二沉积末期结束活动，大多应处于封闭状态，但长期活动至明勘探成果。测井解释油层14.9 m （共3层），试油14.8 t/d，和Y553井区一起控制含油面积4.81 km2，石油地质储量228.64×104t。

图6 不同泥质含量岩石排替压力与埋深关系对比图

图7 Y106—Y8-x4连井油藏剖面图

3 认识

研究区断裂在平面上呈东西向和南北向展布，东西向大断裂主要为长期发育的生长断层，平面断距大，规模较大，起到沟通油源，控制油气运移的作用；南北向断裂平面断距较小，规模也较小，断层基本在沙二沉积末期结束活动，断层大多应处于封闭状态。在沙二、沙三沉积期构造运动形成的断块圈闭，在沙一沉积期进入油气成藏期，此时，构造活动对原有圈闭的破坏程度较小，圈闭得以有效保存，成藏条件有利。

研究区断层封闭性的主要控制因素为泥岩涂抹作用，断面正压力和流体压力对断层封闭性也具有重要影响。研究区渐新统沙三段不同展布形态的断层封闭性综合评价结果表明，南北向断裂断裂规模小，断层活动期结束早，有利于封闭，东西向断裂规模大，断裂长期活动，趋向于开启，具有分段特征，介于开启或封闭状态。同时，在实际油气藏评价时，还要考虑储层发育特征，及其他资料（地球化学资料等）对其结果进行验证，要具体问题具体分析，避免生搬硬套公式，造成分析结果与实际情况不符。

图8 沙三段断裂封闭性局部展布图

[ 1 ] 刘泽容, 信荃麟, 邓俊国. 断块群油气藏形成机制和构造模式[M]. 北京： 石油工业出版社, 1998.Liu Zerong, Xin Quanlin &, Deng Junguo. Formaction mechanism and tectonic patterns of oil-gas reservoirs in fault block group[M]. Beijing： Petroleum Industry Press, 1998.

[ 2 ] 吕延防, 付广. 断层封闭性研究[M]. 北京： 石油工业出版社,2002.Lüu Yanfang &, Fu Guang. Analyses in fault sealing properties[M]. Beijing： Petroleum Industry Press, 2002.

[ 3 ] Berg R R &, Avery A H. Sealing properties of tertiary growth faults, texas gulf coast[J]. AAPG Bulletin, 1995, 79(3)： 375-393.

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

[ 5 ] 吕延防, 沙子萱, 付晓飞, 付广. 断层垂向封闭性定量评价方法及其应用[J]. 石油学报, 2007, 28(5)： 34-38.Lüu Yanfang, Sha Zixuan, Fu Xiaofei &, Fu Guang. Quantitative evaluation method for fault vertical sealing ability and its application[J]. Acta Petrolei Sinica, 2007, 28(5)： 34-38.

[ 6 ] 张立宽, 罗晓容, 廖前进, 袁淑琴, 苏俊青, 肖敦清, 等. 断层连通概率法定量评价断层的启闭性[J]. 石油与天然气地质 , 2007, 28(2)： 181-190.Zhang Likuan, Luo Xiaorong, Liao Qianjin, Yuan Shuqin, Su Junqing, Xiao Dunqing, et al. Quantitative evaluation of fault sealing property with fault connectivity probabilistic method[J].Oil & Gas Geology, 2007, 28(2)： 181-190.

[ 7 ] 吕延防, 李国会, 王跃文, 宋广建. 断层封闭性的定量研究方法 [J]. 石油学报 , 1996, 17(3)： 39-453.Lüu Yanfang, Li Guohui, Wang Yuewen &, Song Guangjian.Quantitative analyses in fault sealing properties[J]. Acta Petrolei Sinica, 1996, 17(3)： 39-453.

[ 8 ] 童亨茂. 断层开启与封闭的定量分析[J]. 石油与天然气地质,1998, 19(3)： 215-220.Tong Hengmao. Quantitative analysis of fault opening and sealing[J]. Oil & Gas Geology, 1998, 19(3)： 215-220.

[ 9 ] 王东晔, 查明, 杨勇. 运用模糊综合评判方法定量研究断层封闭性[J]. 断块油气田, 2006, 13(4)： 5-7.Wang Dongye, Zha Ming &, Yang Yong. Quantitative study of fault sealing with synthetic fuzzy judgment[J]. Fault-Block Oil& Gas Field, 2006, 13(4)： 5-7.

[10] 于建国, 韩文功, 王金铎. 中国东部断陷盆地中—新生代构造演化——以济阳坳陷为例[M]. 北京： 石油工业出版社,2009.Yu Jianguo, Han Wengong &, Wang Jinduo. Mesozoic-cenozoic tectonic evolution of down faulted basin in eastern China [M].Beijing： Petroleum Industry Press, 2009.

[11] 宗国洪, 肖焕钦, 李常宝, 施央申, 王良书. 济阳坳陷构造演化及其大地构造意义[J]. 高校地质学报, 1999, 5(3)： 275-282.Zong Guohong, Xiao Huanqin, Li Changbao, Shi Yangshen &,Wang Liangshu. Evolution of Jiyang depression and its tectonic implications [J]. Geological Journal of China Universities,1999, 5(3)： 275-282.

[12] 周新桂, 孙宝珊, 谭成轩, 孙宏斌, 郑荣植, 马常星. 现今地应力与断层封闭效应[J]. 石油勘探与开发, 2000, 27(5)： 127-131.Zhou Xingui, Sun Baoshan, Tan Chengxuan, Sun Hongbin,Zheng ZhirRongzhi &, Ma Changxing. State of current geostress and effect of fault sealing[J]. Petroleum Exploration and Development, 2000, 27(5)： 127-131.

[13] 吕延防, 马福建. 断层封闭性影响因素及类型划分[J]. 吉林大学学报 ： (地球科学版 ), 2003, 33(2)： 163-166.Lüu Yanfang &, Ma Fujian. Controlling factors and classif i cation of fault seal[J]. Journal of Jilin University： (Earth Science Edition), 2003, 33(2)： 163-166.

[14] 吕延防, 黄劲松, 付广, 付晓飞. 砂泥岩薄互层段中断层封闭性的定量研究[J]. 石油学报, 2009, 30(6)： 824-829.Lüu Yanfang, Huang Jinsong, Fu Guang &, Fu Xiaofei. Quantitative study on fault sealing ability in sandstone and mudstone thin interbed[J]. Acta Petrolei Sinica, 2009, 30(6)： 824-829.

[15] Smith D. A. Theoretical considerations of sealing and non-sealing faults[J]. AAPG Bulletin, 1996, 50(2)： 363-374.

[16] Gibson R. G. Fault-zone seals in siliciclastic strata of the Columbus basin, offshore Trinidad[J]. AAPG Bulletin, 1994,78(9)： 1372-1385.

[17] Bouvier J D, Kaars-Sijpesteijn C H, Kluesner D F, Onyejekwe CC & Van Der Pal ECet al. Three-dimensional seismic interpretation and fault sealing investigations, Nun River field, Nigeria[J]. AAPG Bulletin, 1989, 73(11)： 1397-1414.