断层气密性定量评价方法及其在油田开发中的应用

2022-04-12吴义志王建武刚

断块油气田 2022年2期

吴义志，王建，武刚

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257000）

1 “人工气顶驱”开发与断层气密性

胜利油田地下构造复杂，断层系统发育，复杂断块油藏是动用地质储量、提高产油量最大的油藏类型。经过近60 a的开发，该类油藏已整体进入特高含水期，断块的构造高部位沿边界断层走向分布的小规模剩余油，是进一步提高采收率的重要目标[1]。由于剩余油条带窄、规模小，通过新井挖潜，经济效益较差，因此提出了“人工气顶驱”开发技术。即通过构造高部位老井向油层内注入氮气，形成“人工气顶”，发挥辅助重力泄油作用，置换并驱替高部位及厚层顶部剩余油；同时，低部位按照传统方式进行注水，保持油水界面，防止气窜，使得高部位剩余油通过构造腰部的老油井采出，从而达到高效开发、提高采收率的目的（见图1。其中，箭头表示气驱、水驱和原油运移方向，黄、蓝、红色分别表示气、水和原油，红线表示断层）。

图1 胜利油田复杂断块油藏“人工气顶驱”示意

“人工气顶驱”开发技术对开发地质研究也相应提出了更高的要求——需要定量、准确地评价控油断层对注入氮气的封堵能力，而传统的断层封堵性评价方法无法实现这一目标。前人在断层封堵能力分析方面开展了大量的研究[2]，包括断层性质、泥岩涂抹、断层两侧岩性配置和断层带封闭作用（包括破碎压实与成岩胶结）等，认识到断层在剖面上并不是一条“线”，而是一个有宽度的“带”，其内幕分布的破碎挤压成岩物排替压力高，在封堵油气方面有重要的作用，从而对断层封堵机理有了较为明确的认识；同时还提出了评价断层封闭性的断层泥比率等评价参数[3-7]。但这些定量计算参数，均无法描述断层岩的排替压力，必须依靠较多的已知断层封堵油柱高度数据，建立统计关系，再来估算其他断层封堵原油的能力，这实际上只是“定性-半定量”预测断层封堵能力[8-9]。

本研究在野外露头观测与断层破碎带密闭取心研究的基础上，依据“断储压差”原理[10]，利用容易获取的围岩岩心资料进行室内实验测试分析，得到围岩的排替压力，然后通过成岩等效类比，计算断层岩排替压力，从而定量评价断层气密性，为复杂断块油藏的“人工气顶驱”开发奠定基础。

2 成岩等效类比原理

2.1 断层岩封堵流体机理

一般认为，断层封闭主要有2个原因[10]：一是断面两侧的毛细管压力存在差异引起的断层封闭，二是非渗透物质填充进断层带内所显现的封闭性。第1种情况下，若断层两盘为砂岩与泥岩对接，断层的封闭性为好；若是砂岩与砂岩对接，且二者的排替压力相同或相近，断层的封闭性为差；若两侧对接砂岩的排替压力差异较大，断层的封闭程度则取决于封堵砂岩和储层之间的排替压力差值。

近年来，野外露头的观测描述及矿场实际资料均表明，断层岩封堵流体是主要的断层封堵方式[11]。断层从开始形成到逐渐发育的过程中，均存在明显的断层“内腔”，即断层充填带[12]。断层停止活动后，断层充填带内来自围岩掉落的充填物开始经历与围岩类似的成岩作用，通过不断压实，形成了较为复杂的泥（石灰）岩碎屑、砂质碎屑和角砾的混杂物——断层岩。断层岩的孔隙度、渗透率均较差，毛细管压力较高，可以对断层两盘储层内的流体起到较好的封堵作用。

实施“人工气顶驱”开发时，注入油层的氮气运移到构造高部位替换了剩余油，将剩余油向构造腰部的位置推移。此时，若断层岩有较高的毛细管压力，则注入的氮气就不会进入断层岩，即断层岩封堵住了人工注入的氮气，使其成功地留在了油层构造高部位。显然，断层岩的毛细管压力越大，能够封堵住的氮气越多，形成的“人工气顶”高度也就越大。

2.2 断层破裂带结构特征

断层在剖面上实际是一个有一定宽度的“带”，其内幕充填物形成断层岩，诱导裂缝则分布于断层岩两侧或一侧[13]。一般情况下，断层级别越高，断层岩的宽度越大，诱导裂缝带的发育越完整；反之，则断层岩宽度越小，且诱导裂缝带不发育。断层的封堵能力主要取决于断层岩各部位排替压力的大小[14]。

河68-斜检1井是济阳坳陷典型的断层破碎带密闭取心井，从其获取的断层岩岩心资料可以看出，断层内幕有强烈的非均质性。其中断层岩充填物岩心较为复杂，为泥质、石灰质、砂屑及断层角砾混杂物，诱导裂缝带裂缝极为发育，包括高角度裂缝、“X”低角度裂缝以及共轭型裂缝，裂缝大多被方解石或泥质充填，部分裂缝开启（见图2）。

图2 济阳坳陷河68-斜检1井断层破碎带综合柱状图

对河68-斜检1井断层岩岩心取样并进行薄片观察发现：主充填带岩性为含泥质隐晶白云质石灰岩、含胶结白云石、鲕粒以及内碎屑颗粒，其中，鲕粒为断层活动中从沙一段掉落断层带中形成，使得断层带内物性降低，断层对油气的封闭能力变好；次充填带主要为泥岩及泥质粉砂岩，并有石灰质胶结，主要矿物为石英、泥质及石灰质岩。对诱导裂缝带岩心取样并进行薄片观察发现，岩性主要为泥岩、泥质粉砂岩及砂岩，裂缝较发育且宽度不一，张性裂缝一般裂缝面较粗糙，剪切裂缝则较平直，以方解石、泥质充填为主。

通过岩心资料分析可以看出，断层岩与正常沉积的陆相岩层一样，在经历了成岩作用后具有强烈的非均质性，不同位置的断层岩性质、排替压力差异大，其排替压力最小处的“薄弱环节”往往决定了断层的封堵能力。因此，需要定量计算不同成岩程度断层岩的排替压力，才能评价其气密性。通过断层岩取心资料虽然可以直接、准确测试断层岩的排替压力，但费用高，难以在矿场推广，目前整个济阳坳陷也只有河68-斜检1井这一口针对断层岩的取心井。因此，必须通过间接、等效的方法，定量预测断层岩对一个具体的被遮挡的油层在断层走向不同位置（深度）的排替压力。

2.3 成岩等效类比原理

断层内幕充填物由两盘围岩滑动、削截破碎后掉入，断层停止活动后经过压实等成岩作用，形成了充填带的断层岩。对比围岩、断层岩实测的排替压力数据可以看出，其分布规律具有一致性（见图3）。因此，可以认为，断层岩中的某一深度与地层围岩有一个对应的深度，二者的成岩程度基本相同，即可以进行成岩等效类比——关键是怎样找到这个对应的深度。

图3 济阳坳陷河68区块实测围岩与断层岩排替压力对比

断裂发生后，断层岩就已经开始形成，呈一定的倾角（断层倾角）斜置于围岩中。随着沉积作用的发展，被断层断开的围岩在上覆地层的作用下逐渐被压实；断层岩则不然，在断层完全停止活动前，围岩碎屑还在持续掉落于断层带内，断层带的宽度也在变化，即断层岩会有一段地质“生长期”，在断裂幕式运动的最后一期活动幕完全结束后[15]，断层岩才会在上覆岩层的作用下逐渐开始压实成岩[16]：因此，断层岩开始压实成岩的时间比断裂开始发生时沉积的围岩要晚，断层岩中的某一深度与围岩某一较浅深度具有相同的成岩程度。

3 断层岩排替压力的等效计算

3.1 断层岩各深度的等效压实成岩深度计算

图4为求取断层岩某一深度对应的成岩程度相同地层（围岩）深度的地质模型示意（其中：①—⑥为划分的沉积小层；Z0，Z1，Z2，Z3分别为对应成岩压实作用时间 t3，t2，t1，t0之前的到断层岩 A 点深度的地层厚度；h1，h2，h3，h4分别为对应时间段 t1—t0，t2—t1，t3—t2，t4—t3的地层沉积厚度；hB为与断层岩A点深度具有相同成岩程度围岩的B点的深度；θ为断层倾角）。该断层从小层⑥开始沉积时发生，小层④沉积结束后停止活动。根据上文分析，考虑断层岩中A点深度应该与围岩中比较浅的某一深度——如B点，或C点，或D点——具有相同的成岩程度。因压实作用是一定厚度地层沉积时间作用结果的累加[17]，故可用上覆地层静岩压力对成岩时间进行积分，来表征某一深度的压实成岩程度。

图4 断层岩某一深度的等效压实成岩深度计算示意

首先，以A点深度为例求取断层岩某一深度的压实成岩程度，需综合考虑断层倾角的影响。Z0—Z3各沉积厚度地层的成岩压实作用时间分别在 t3，t2，t1，t0之前。Z0厚度地层虽处于A点深度断层岩之上，并在不断沉积中，但由于断裂尚未停止活动，因此，此时并未对断层岩起到压实成岩的作用。而在t3—t2时间段中，对A点深度断层岩起到压实成岩作用的，就是Z1厚度地层，而不是 Z0厚度地层了。这样，通过 Z1，Z2，Z3等厚度地层的静岩压力对时间积分并累加，就可以求取断层岩A点深度的压实成岩程度。

然后，计算围岩中各深度（可取一定的步长）的成岩压实程度，此时不必考虑断层倾角、断层停止活动时间的影响。通过沉积厚度h1，h2，…，h4对时间段t1—t0，t2—t1，…，t4—t3进行积分并累加，即可求取。

最后，比较围岩中各深度计算得到的成岩程度与断层岩A点的成岩程度的相对大小，取与断层岩A点具有相同成岩程度围岩的点（假设是B点）的深度，作为A点断层岩的等效压实成岩深度（hB）。

3.2 围岩排替压力公式拟合

利用断层岩取心虽可直接测试其排替压力，但断层岩岩心不易获取，因此需通过围岩岩心测试，然后“等效计算”断层岩排替压力。在实验室对济阳坳陷某断块2口取心井的围岩岩心样品进行切割、端面处理，制成高1.0 cm、直径约2.5 cm的短柱塞实验岩样。对岩样通过先饱和煤油，再用恒压（25 MPa）氮气驱替的方式进行突破压力与时间的测量，从而计算得到排替压力；然后考虑地温梯度等影响对测得的排替压力进行校正，计算得到实际地下温压条件下围岩的排替压力。

利用以上测试的排替压力，通过回归计算，建立了目标区围岩排替压力计算公式：

式中：pd为围岩排替压力，MPa；VSH为岩石泥质体积分数，%；Z为地层岩石埋深，m。

3.3 断层岩排替压力的计算方法

在利用式（1）计算断层岩排替压力时，要注意进行“2个代替”：式（1）中的深度Z要用相应的成岩程度相同的围岩深度代替。如计算断层岩中A点深度的排替压力，需要取与A点深度的等效压实成岩深度——B点的深度值。泥质体积分数Vsh要用断层泥比率代替。

以济阳坳陷某断块为例。该断块目的层为沙二92小层（注氮气的小层），断块是由Ⅰ—Ⅴ号边界断层围成的圈闭。利用上述方法可以确定沿断层走向各处断层岩的临界排替压力，取Ⅰ—Ⅴ号断层圈闭中断层岩排替压力的最小值——圈闭临界排替压力，即可定量评价断层封堵的气密性（见图5）。评价结果表明，该断块Ⅳ号断层中断层岩的最小排替压力（7.20 MPa）为圈闭临界排替压力。因此，该断块沙二92小层在“人工气顶驱”注入氮气过程中，需考虑这一临界排替压力值，并据此计算合理的氮气注入量。