断层岩成岩程度计算方法的改进及应用

罗佳智，王宇鹏，刘浩宇

(1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油 大庆油田公司第五采油厂，黑龙江 大庆 163000)

1 以往断层岩成岩程度的定量计算方法

经研究，断层岩的成岩程度受压实作用时间和断面压力的影响[1]。上覆岩层对断层岩的断面压力越大，断层岩受到的压实成岩作用就会越强。而断面压力的大小受两个因素控制，断层岩断点处的埋深高低与断层倾角的大小，埋深越深，上覆地层越厚压力就越大，倾角越小，使得地层压力在断层面上的分量越多，断面压力也越大[2]。文献[2]根据断层面的正压力与埋深、断层倾角的关系得到断面正压力的计算公式见式(1)[2]。

Pf=Z×(ρr-ρw)×cosθ×g

(1)

式(1)中，Pf为断面所承受的正压力，MPa；Z为地层埋深，m；ρr为地层的平均密度，kg/m3；ρw为地层自由水的密度，kg/m3；θ为断层倾角，(°)；g为重力加速度。

断层岩成岩程度除了受断面压力影响，还取决于成岩压实时间的影响，压实时间越长,断层岩的成岩程度就越强，所以可以得出压实成岩程度与断面压力、压实成岩时间的关系见式(2)。

Hf=Pf×tf

(2)

式(2)中，Hf为断层岩的成岩程度，无量纲；tf为压实作用的时间，Ma。

2 改进后的断层岩的成岩程度计算方法

断层岩的成岩过程分为两个阶段[3]，第1阶段是断裂填充物的机械压实阶段，这个阶段的断层岩是在上覆沉积压力和区域主应力的作用下，使松散的填充物压紧压实；第2阶段，断层活动结束时，断裂中的填充物即将发生压实成岩作用，断层岩本身与围岩相同的成岩程度显现出来，作为了断层岩压实成岩阶段的初始成岩程度。因此，在计算此成岩程度时，可以设取一个时间节点 ，即断裂活动结束时刻t。在t时刻，断裂活动停止，断层面两侧围压对断层岩成岩作用尚无影响，在此时刻断裂被围岩破碎形成的填充物填充，断层岩此时的成岩程度应与被错断围岩的成岩程度相同，而围岩的成岩程度可由其地静压力与成岩作用时间的乘积表征。假设断裂中的填充物只由两盘围岩破碎滑落形成，没有其他外来物质进入[4]。利用断层的生长指数或活动速率法能够确定断层的活动时期，再通过古埋深恢复法可以恢复沉积地层的厚度，便可得与断层岩埋深相同的围岩的古埋深和古成岩时间[5](见图1)。

图1 考虑初始成岩程度的断层岩成岩程度计算地质模型

综上所述，与断层岩埋深相同的围岩地层压实成岩程度关系式见式(3)。

Pt=Zt×ρr×g

(3)

式(3)中，Pt为围岩所受的地静压力，MPa；Zt为围岩的古埋深，m。

Ht=Pt×t

(4)

式(4)中，t为围岩的古成岩作用时间，Ma；Ht为围岩的古成岩程度即断层岩的初始成岩程度。

所以断层岩的压实程度表征见图2，为：

H=Ht+Hf

(5)

图2 断层岩压实程度的变化规律

3 在古封闭性评价中的应用

当断裂活动停止时，断层岩发生压实成岩作用，逐渐使排替压力增大，而排替压力与岩石的成岩程度和泥质含量有关。因此，上述的断层岩的初始成岩程度在断层岩的压实成岩初期会对断层的封闭能力起到较大的影响。由上述的方法得到断层活动时期和断层的古埋深，由式(5)得到断层岩的古成岩程度。

由上述的方法得到断层活动时期和断层的古埋深，由式(5)得到断层岩的古成岩程度。

H=Ht+Hf=Zt×ρr×g×t+Z古×(ρr-ρw)×

g×cosθ×tf

(6)

已知断层岩的古压实成岩程度，求得断层岩的古压实成岩埋深。

(7)

对断层岩泥质含量的求取目前已有多种方法，主要有页岩涂抹法(SSF)[6]，泥岩涂抹式法(CSP)[6]，泥质含量法(SGR)[6]法等。地层的泥质含量在沉积过程中可以近似地看作是不变的，但是断层岩的泥质含量是受断距的影响的，需要通过古断距的恢复法如最大断距相减法得到断层岩的古断距，再根据SGR法求得断层岩的古泥质含量。

(8)

式(8)中：SGR为断层岩的泥质含量，%；H为断裂垂直断距，m；n为经过断点的砂岩或泥岩层的层数；Vshi为经过断点的第i层岩层的泥质含量，%；ΔZi为经过断点的第i层岩层厚度，m。

通过实际测量沉积地层不同深度，不同泥质含量的岩样的排替压力，总结规律，拟合出地层岩石的排替压力与压实成岩埋深以及地层泥质含量的数量关系见式(9)。

Pd=f(Z,Vsh)

(9)

将断层岩的某一时期的压实成岩埋深和泥质含量代入式(9)中，便可恢复到断层岩某一时期的排替压力Pdf。同样地，将与断层岩埋深相同的围岩地层某一时期的压实成岩埋深和泥质含量代入式(9)，也可得到地层的排替压力Pdr。

通过比较得到的断层岩及围岩地层的排替压力的大小，对断层的侧向封闭能力进行定量评价[7]。当断层岩的排替压力比围岩的排替压力大时，断层在此深度具有侧向封闭的能力，当断层岩的排替压力小于围岩的排替压力时，则不具有侧向封闭能力。而断—储岩石的排替压力差决定了断层侧向封闭能力的大小，差值越大，封闭能力越强。其中封闭的烃柱高度Hh可由断—储排替压力差法求得，见式(10)。

(10)

4 应用实例

应用上述的改进前和改进后的两种研究方法，以海拉尔盆地贝尔凹陷呼和诺仁构造带B29断层为例[8]，通过计算断层岩古压实成岩程度对其油气成藏期的古侧向封闭性进行定量评价，用来验证改进方法的可行性，见图3。

贝尔凹陷南屯组在伊敏组沉积时期的末期开始油气成藏,从B29断裂的断裂活动史可知，断裂在大磨拐河组末期停止活动，从此时期开始断裂开始压实，也就是说从大磨拐河组末期到伊敏组沉积末期应为断层岩在油气成藏期的古压实成岩时间，为30 Ma。南屯组的沉积时间为5 Ma，大磨拐河组的沉积时间为6 Ma。南屯组①～⑨号储层在断裂发生时分别对应的沉积时间为6.6，8.9，9.3，9.5，9.6，9.8，10.0，10.2，10.5 Ma。通过对贝尔凹陷不同埋深(见图3)，不同岩性的岩石样品进行实测，得到岩石的排替压力与其埋深、泥质含量之间的数量关系，拟合出贝尔凹陷沉积地层岩石排替压力的计算公式为式(11)。

图3 贝尔凹陷呼和-7构造南屯组油藏剖面及成藏期断层侧向封闭性评价

Pds=0.098 3e0.203Zs·Vsh

(11)

式(11)中，Pds为沉积地层岩石排替压力，Mpa；Zs为沉积地层埋深，m；Vsh为沉积地层的泥质含量，%。

经过现场钻探成果的比照，在贝302井的开发资料里，①、②、③、⑥号储层已经获得工业油流，对应各层开发得到的油柱高度分别为43.5，45.6，42.8，33.8 m。将油气藏开发得到的实际数据和评价结果(表1)对照可以看出：通过改进后的研究方法得到的断层封闭能力与实际地质情况更加吻合，证明了断层岩的初始成岩程度对其封闭能力有一定的影响，说明了改进后的研究方法具有一定的可行性。

表1 贝尔凹陷B29断层油气成藏期断层岩考虑初始成岩程度前后的储层排替压力计算参数及结果

5 结 论

1)在对断层岩的成岩程度的求取时，应该考虑断层在没开始成岩作用之前，断层填充物所具有的初始成岩程度，这部分成岩程度在油气成藏时期，对断层岩的排替压力以及封闭能力都有影响。

2)通过对海拉尔盆地贝尔凹陷B29断裂应用改进后的研究方法，得到的古侧向封闭能力验证发现，在油气成藏期断层岩的初始成岩程度会一定程度的提高断层岩的排替压力，使得封闭的油柱高度更加接近实际值。