鄂尔多斯盆地西缘古峰庄地区低级序断层封闭性及其控藏作用

2019-04-03姚泾利周新平邓秀芹张文选

中国石油勘探 2019年1期

姚泾利周新平惠潇邓秀芹张文选

（ 1低渗透油气田勘探开发国家工程实验室; 2中国石油长庆油田公司勘探开发研究院）

0 引言

鄂尔多斯盆地在印支运动影响下形成了中生代大型内陆坳陷，随后相继受到燕山运动、喜马拉雅运动改造，最终奠定了现今盆地的基本构造格局[1]。盆地西缘古峰庄地区构造上位于北部贺兰山构造带与南部六盘山弧形构造带的结合部位，后期构造变动强烈[2]，受基底断裂控制，发育了一系列断裂系统。受复杂地质条件影响，研究区石油勘探及研究程度整体相对较低。研究区石油勘探始于20世纪70年代，发现了马家滩、李庄子等一批规模较小的构造油藏，随后20多年勘探未获新突破；2005年F2井在延长组中下组合获得高产油流引起了高度关注，但针对部署的评价井、开发井钻探效果差，勘探陷入停滞；近年来通过井震结合勘探取得了一定成效，但随着认识的不断深入，发现钻测井显示较好的层段试油出水，相邻油藏油水性质不同，此类钻井或油藏附近基本都存在低级序断层。前人研究成果主要是对三级以上断层的刻画以及作为石油运移通道、圈闭控制因素的分析[1-2]，对于低级序断层性质及断层封闭性还缺少研究。

断层的开启与封闭影响油藏的油水性质及分布。断层封闭性最早由Smith提出，并通过毛细管封闭理论论述了封闭性断层与非封闭性断层的理论判识模式[3]。根据野外小断距塑性地层在断层形变过程中形成的泥岩涂抹现象，前人从泥岩涂抹势、泥岩涂抹因子、断层泥比率等泥质含量角度分析了断层封闭性[4-6]，结合大量的物理模拟实验，总结了并置对接、泥岩涂抹、断裂作用和胶结作用等4类封闭机制[7]。此后，众多学者运用上述泥质含量参数，结合断面正压力[8-14]、封闭性演化[15]、应力特征[16-18]、地球化学方法[19]、数理方法[20-21]等开展了断层封闭性研究，并通过物理模拟、数值模拟论证了泥质含量、应力特征对断层封闭性的影响[22-23]。另外，从断层本身属性角度，部分学者对断层岩沉积环境、变形产物、物性特征等微观结构进行了研究，从泥质含量、成岩程度及破碎程度等方面分析了断层带内部结构差异对流体的封堵作用[24-27]。考虑到研究区延长组低级序断层发育，且延长组整体为砂泥岩薄互层段，低级序断层错断砂泥岩薄互层后经过成岩作用，势必会在断面处形成渗透性或非渗透性岩石，对流体起到输导或封堵作用，从而形成流体的差异分布。因此，本文旨在通过对低级序断层性质及封闭性研究，分析低级序断层的控藏作用，为石油勘探提供依据。

1 低级序断层特征

研究区位于鄂尔多斯盆地西北部，横跨西缘冲断带与天环坳陷两个构造单元（图1），构造格架基本受控于基底断裂，呈东西分带、南北分块的特征，发育各类断裂系统及断裂组合样式，断裂或沟通油源，或控制圈闭，有利于原油聚集成藏[2]。研究区中生界标志层明显，延安组延9煤层、延长组长7底部泥页岩为区域性标志层，可对比性强，分别对应TJ9、TT7地震反射层，延长组长9地层对应地震反射层TT9。通过井震结合精细刻画了断裂特征，重点分析了低级序断层性质及分布。该区西部地层构造变形强烈，断层以Y字形为主，切穿地层深，地层起伏较大，断层两盘相邻井同一地层构造相差数百米，自西向东，随着构造应力的减弱，构造变形减小，地层起伏变缓，主要发育低幅度构造及低级序断层（图2a）。低级序断层是由高级序断层活动而产生的分支（次生、派生）断层，其形成受控于高级序断层活动及其所产生的局部应力场，当局部应力场达到岩石抗压强度时发生连续性破裂，从而形成低级序断层。高、低级序断层本质上并无不同，仅根据断层规模、活动性、控制作用进行了区分[28]。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及研究区位置图Fig.1 Structural division and location map of the study area in the Ordos Basin

通过研究区大量的地震解释成果分析，该区低级序断层在地震剖面上TT7、TT9错断（图2b）、挠曲（图2c）等特征明显，断层性质以逆断层为主，主要切过延长组，少数切穿延长组甚至侏罗系。断层延伸长度较短，小于3km；断距较小，一般为10～20m；倾向北东或南西；倾角较陡，主要为40°～80°。低级序断层在马家滩—古峰庄—马坊一带广泛发育，平面分布具有分带性，呈北西—南东向雁行式展布（图3），与燕山运动主幕区域挤压应力场大致垂直。结合前人研究成果[1-2]，认为该区低级序断层主要受控于燕山运动主幕强烈的逆冲推覆构造活动，在走滑应力以及主断层牵引等综合作用下形成，表现出断距小、延伸短、规模小等特征。断层活动性弱，控制作用不明显，与盆地、二级构造带等边界大断层对构造、沉积的控制作用不同，低级序断层仅造成断块及油水分布复杂化。

断层错断地层层位的年代通常用于判断断层的形成时期。研究区低级序断层延伸长度短，切穿地层层位少，断层一般切过延长组断至侏罗系，少数可断至下白垩统，考虑到研究区构造背景以及低级序断层发育机制，认为断层的主要形成期应为晚侏罗世至早白垩世末期。

图2 研究区低级序断层地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of low-grade faults in the study area

图3 研究区断层分布图Fig.3 Fault distribution in the study area

2 断层封闭性评价

鄂尔多斯盆地中生界油藏主要形成于早白垩世末期，低级序断层形成于晚侏罗世至早白垩世末期，其形成期早于油藏的成藏期。因此，低级序断层的封闭性决定了断层对流体的作用以及对成藏的影响。断层的发育过程包含活动期、静止期两个阶段，两者交替出现，但经历地史时期却大不相同。断层活动期短，呈开启状态，对流体主要起输导作用；静止期远大于活动期，其封闭性控制了流体的分布[13-14，22，29]。研究区低级序断层主要受燕山运动影响，尽管后期受喜马拉雅运动改造，但断层性质基本未变，地震反射同相轴极少表现出构造反转等特征，断层仍以燕山期主幕形成的逆断层为主，况且研究区遭受抬升剥蚀地层较少，后期构造运动对低级序断层的影响有限。由此可见，低级序断层自形成至今，在相当长的地史时期内均处于相对静止状态，静止期低级序断层的封闭性研究对油藏成藏具有重要意义。

2.1 评价方法

从断层封闭机制而言，高级序断层规模大，活动性强，断层两盘的相对滑动使得渗透层与非渗透层对置的概率增大，断层带颗粒发生挤压破碎和泥化，断层带也容易形成胶结物，并置对接、断裂作用、胶结作用为高级序断层的主要封闭机制。与高级序断层不同，研究区延长组整体为砂泥岩薄互层段，低级序断层作用造成砂泥岩薄互层段小范围内的变形错断，一方面低级序断层作用强度小，断层两盘的滑动相对较缓，泥质含量较高的断面处易形成岩石研磨及塑性流动，细粒非渗透泥状物（泥质或层状硅酸盐）相对均匀的涂抹增强了断层的封闭性；另一方面小断距断层不易穿过盖层，且断层活动性不强，控制作用弱，仅造成油水分布复杂化，对地层的破坏相对较小，断层在局部范围有利于对流体输导或封堵的控制。断层封闭性定量评价方法——泥岩涂抹法，最初也是通过观察野外露头小断层错断形成的塑性拖拽、挤压、涂抹得到的。因此，研究区延长组砂泥岩薄互层段低级序断层的封闭机制为泥岩涂抹。

断层作用过程中造成原有地层岩石变形破碎，岩石碎屑充填于断层裂缝，经成岩作用形成了具有特征性结构构造和矿物成分的岩石，即断层岩。断层岩的类型及物性特征极大程度取决于母岩的泥质含量，其封闭类型分为泥岩涂抹封闭、层状硅酸盐—框架断层岩封闭及碎裂岩封闭[24]。根据断层封闭机制，考虑到研究区延长组泥质含量较高，低级序断层的断层岩封闭类型以泥岩涂抹为主。断层岩与对置储层的渗透能力决定了断层的封闭性。断层岩、储层的渗透能力又取决于两者的排替压差，当断层岩排替压力大于对置储层的排替压力时，断层封闭，对流体起封堵作用，且排替压差越大，封堵流体能力越强；否则，断层开启，对流体起输导作用。断层岩排替压力与其泥质含量、成岩作用程度有关，成岩作用受断层力学性质、断层倾角、断层面埋深等影响[14，23]。断层岩排替压力难以直接求取，可将含有相同泥质含量、承受与该断面正压力相同的静岩压力的沉积岩石代替断层岩，通过计算等效深度的沉积岩层的排替压力间接求取对应断层岩的排替压力，比较断层岩、对置储层的排替压差即可评价断层的封闭性，即断—储排替压差法定量评价断层封闭性。

2.2 评价步骤

(1）确定不同深度岩层的静岩压力。静岩压力主要与上覆岩层密度、断层深度有关：

式中 pr——静岩压力，MPa；

ρr——上覆地层平均岩石骨架密度，取值2.31×103kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

z——断层深度，m。

(2）求取断面正压力。断面正压力受区域构造应力控制，主要为垂向应力和水平应力。其中，垂向应力主要与上覆岩层密度、地层流体密度、断层所处深度有关，水平应力则与水平构造主应力大小及方向有关，水平构造主应力与断层走向的夹角决定了水平应力的大小，影响了断层的封闭性。当水平构造主应力方向与断层走向垂直时，水平应力最大，断层趋于闭合；当两者接近平行时，水平应力最小，断层趋于张开；当两者斜交时，交角越大，水平应力越大，封闭性越好，否则封闭性越差[16-18]。三叠纪之后鄂尔多斯盆地经历了不同方式的区域构造应力作用，但燕山期受太平洋板块与欧亚板块间作用产生的左旋剪切在大华北盆地表现为南北向剪切挤压应力，派生的挤压应力为北西—南东向[30]。研究区低级序断层走向基本为北西—南东向，断层走向与此时的水平构造主应力方向近乎平行或成极小的交角，水平应力最小，可忽略不计。同时，燕山期为油藏的主要成藏期，此时断层所受构造应力主要为垂向应力，垂向应力决定了断面正压力，也控制了断层的封闭性。断层某一深度断面正压力为所承受的上覆岩层静岩压力、孔隙流体压力之合力作用在断面的垂直分量。断面正压力及作用时间关乎断层岩的成岩程度，其大小主要受静岩压力、孔隙流体压力的影响。

式中 p——断面正压力，MPa；

ρw——延长组地层水平均密度，取值1.04×103kg/m3；

θ——断层倾角，(°)。

(3）计算断层任意深度断层岩的泥质含量。对砂泥岩薄互层而言，断层岩的泥质含量可根据该深度被断层错断岩层的厚度及其泥质含量计算求取，即断层泥比率。

式中 SGR——断层泥比率，%；

Vsh——岩层泥质含量，%；

Δz——砂泥岩薄互层单层厚度，m；

T——断距，m。

(4）静岩压力、断面正压力、断层岩泥质含量均可通过相应公式计算，关键是不同泥质含量、不同深度岩石排替压力的确定。本次研究采用实测与插值相结合，通过普通薄片、常规压汞等资料获取了不同深度较纯砂岩的排替压力及其泥质含量，绘制了不同深度较纯砂岩的排替压力曲线。考虑到泥岩自身性质，其排替压力主要与深度有关，相近深度条件下的泥岩排替压力相似，结合鄂尔多斯盆地[31-32]及外盆地[14]泥岩排替压力数据，完成了不同深度纯泥岩排替压力曲线绘制；明确了不同深度较纯砂岩、纯泥岩的排替压力后，以此为两个端元进行内插取值，从而确定不同埋深、不同泥质含量的岩石排替压力图版（图4）。

(5）求取断层面任意深度断层岩的排替压力及对置储层的排替压力。首先通过式（2）计算该深度断面正压力，并将该断面正压力视为某一深度正常沉积岩石所承受的静岩压力；再通过式（1）反算出该静岩压力对应下的深度，即等效深度；运用式（3）计算断层岩的泥质含量，结合岩石排替压力图版，通过泥质含量、等效深度可获得该泥质含量断层岩的排替压力pdf。通过上述步骤可计算不同深度断层岩的排替压力，其对置储层的泥质含量可由GR测井曲线求取，再根据岩石排替压力图版获得其排替压力pdr。

图4 研究区不同埋深、不同泥质含量岩石排替压力图版（部分数据引自文献14,31-32 ）Fig.4 Displacement pressure chart of rocks at different depths and with different mud content in the study area(adapted from references 14,31-32)

最后，通过对比断层岩与对置储层的排替压力评价任意深度断层的封闭性。当pdf＞pdr，断层封闭；否则，断层开启。断—储排替压差越大，断层封闭能力越强；反之，封闭能力减弱。可通过理论计算的油柱高度表征断层的封闭能力。

式中 Ho——断层所能封闭的油柱高度，m；

pdf——断层岩排替压力，MPa；

pdr——储层排替压力，MPa；

ρo——延长组原油平均密度，取值0.82×103kg/m3。

2.3 低级序断层封闭性定量评价

前已述及，低级序断层在相当长的地史时期内均处于相对静止状态，现今断层的封闭性基本可代表成藏期断层的封闭性，进而影响油藏的形成及流体的分布。通过断层附近钻测井资料及断层要素分析，运用断—储排替压差法定量评价了研究区低级序断层封闭性，该区低级序断层的断层岩泥质含量为20%～60%，受泥质含量、断层倾角、断距、埋深等多因素影响，断层岩排替压力变化较大，一般低于1.5MPa，对置储层的排替压力相对较高，为0.8～1.5MPa，断层岩排替压力一般小于对置储层的排替压力，低级序断层主要为开启断层。断层的开启与封闭具有分段性与时间性，同一时期同一断层不同深度断面处可能封闭，也可能开启，不同时期同一断层相同深度断面处封闭性也可能不完全相同。研究区低级序断层在长9油层组的封闭性分布如图3所示，断层以开启为主，少数断层封闭，仅零星分布。

3 低级序断层的控藏作用

研究区勘探程度整体较低，自F2井在延长组长9油层组获得高产油流后，追踪部署了3口评价井全部落空，随后在断层输导、断层两翼有利部位均可成藏的早期认识下，围绕油藏扩边在F2断层东西两翼有利部位分别部署了G20-45井、G21-47井等一批开发井，钻探结果截然不同（图5）。F2断层西翼2口井出油，其中1口井高产；断层东翼5口井均出水，且未见含油显示，储层电阻率均低于西翼。勘探实践结果表明，F2断层两翼的圈闭发育、构造海拔、砂体规模、储层物性等条件相似，流体性质却不相同。随着对研究区构造控藏认识的不断深入，运用上述断—储排替压差法研究了F1、F2断层在长9油层组的封闭性，并进一步分析了低级序断层的控藏作用。

F2井延长组长9油藏分布在低级序断层（F1、F2断层）之间的低幅度构造圈闭内，属于典型的构造油藏。该油藏延长组主要为河流、三角洲、湖泊沉积，砂泥岩薄互层发育，各油层组泥岩单层厚度为0.5～9m，一般为1～3m；砂岩单层厚度为1～12m，一般为2～5m。F1、F2两条断层倾向南西，倾角为36°～42°，呈铲式分布；断层断距小，分别为30m、15m，延伸长度为2～6km，均切至侏罗系。通过F2井、F40井钻揭的长91地层信息，结合断距、倾角等断层要素，分别计算了两断层不同深度断层岩的泥质含量。其中，F1断层岩泥质含量较低，一般低于25%，F2断层岩泥质含量为30%～50%，断层岩泥质含量差异主要与该层段的岩性组合以及砂泥岩层段的泥质含量有关。两者断面正压力范围为23～26MPa，由于断层倾角不同，F2断层岩所承受的断面正压力均高于F1断层岩的断面正压力。通过断面正压力反算的等效深度结果显示，F2断层岩等效深度大于F1断层岩等效深度，深度相差近100m。断层岩泥质含量及等效深度的不同导致了两者排替压力的不同。根据岩石排替压力图版，F2断层岩的排替压力分别为1.8、1.3、1.2、1.8MPa，其对置储层的排替压力分别为1.5、1.0、1.0、1.2MPa，断层岩排替压力均大于对置储层的排替压力，断层为封闭断层，且封闭能力较强，理论可封闭的油柱高度最高达322m；F1断层岩的排替压力分别为0.5、0.6、0.5MPa，对置储层的排替压力分别为1.2、1.2、1.3MPa，断层岩排替压力均小于储层排替压力，断层开启，对流体起输导作用（图6、表1）。

图5 研究区延长组长91砂体厚度、层顶构造、低级序断层叠合图Fig.5 The thickness, top structure and superimposed low-grade faults in Chang 91 sandstone of Yanchang Formation in the study area

图6 研究区F40井—F203井延长组长91油藏剖面图（剖面位置见图3）Fig.6 Chang 91 sandstone profile across Wells F40 to F203 in the study area (the location of the profile is shown in Fig.3)

表1 F1、F2断层排替压力计算参数Table 1 Displacement pressure calculation parameters of F1 and F2 faults

针对断层两侧井距相对较小、砂体连续性好、构造相差不大的同一砂层，本文尝试通过断层两翼地层水性质分析间接反映断层的封闭性。F2断层西翼的Y279井、F2井、F201井，以及相邻的F1断层西翼的F202井、Y216井的地层水水型为CaCl2、MgCl2，矿化度为8.29～23.19g/L，氯根为4250～9401mg/L，钠氯系数为0.51～0.63，显示相对开放体系的地层水特征；F2断层东翼的F203井矿化度高达44.09g/L，氯根为26543mg/L，钠氯系数为0.39，尽管都以CaCl2型地层水为主，但其封闭性明显优于断层西翼的相邻井（表2）。地层水性质及特征参数间接表明F1断层开启，沟通了两翼地层流体流动，受F2断层封堵影响，其东西两翼地层流体流动受阻，地层水性质不同。受断层、低幅度构造控制，原油通过F1断层、连通砂体输导至长91油层组，而后向构造高部位（F1东翼）运移，由于F2断层封闭，原油在低幅度构造相对高渗储集区聚集成藏，形成F2构造油藏。

表2 F1、F2低级序断层两翼长91地层水性质Table 2 Chang 91 formation water in two wings of low-grade F1 and F2 faults

基于低级序断层控藏作用研究，在F1断层开启、F2断层封闭的认识指导下，通过井震结合精细刻画构造形态，以F2断层西翼寻找与F1断层沟通的鼻隆、低幅度构造及相对高渗储集区为目标，在F2井以西甩开部署实施了F21井，试油获日产百吨的高产油流，勘探发现了高产富集区，断层封闭性研究成果有效指导了勘探部署。需要说明的是，受原油充注程度影响，与F2井同侧的有利构造部位的Y279井未成藏，但见含油显示，主要是储层相对较薄、物性相对较差引起，这与断层东翼受断层封堵而未成藏的G24-47等井情况不同。

低级序断层控藏作用明显，断层开启并不表示其对成藏不利，关键是断层形成期与油藏成藏期的配置关系，以及开启断层附近是否发育构造圈闭、岩性圈闭等有利圈闭。同时，断层封闭造成了断层两翼流体性质的不同，只有封堵原油侧向运移并与相应储层形成良好配置的封闭断层才有利于成藏。针对研究区复杂构造条件下的石油勘探，应综合考虑断层发育时期与油藏成藏期次的匹配关系、断层级次、断层封闭性等影响，优化井位部署。根据成藏期前形成的断层对油藏成藏有利的原则，在西缘冲断带大断层发育区，以寻找断块油藏为主，构造高部位为有利目标；低级序断层发育区，在开启断层附近或封闭断层含油显示较好一侧的低幅度构造及相对高渗储集区为有利目标。另外，该区断层控藏认识对于勘探程度更低、构造条件更复杂的西缘冲断带中部、南部甩开勘探也具有重要的启示意义。