被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期厘定方法及其应用

2022-07-12梁木桂董金梦李乔乔

工程科学学报 2022年8期

梁木桂，付广✉，董金梦，李乔乔

1) 东北石油大学地球科学院，大庆 163318 2) 大庆油田有限责任公司第一采油厂，大庆 163001

油气勘探实践表明，油源断裂（沟通源岩和目的储层，且在油气成藏时期活动的断裂[1]）在含油气盆地内被盖层（通常是区域性盖层）分隔储层油气运聚成藏中起着至关重要的作用，不仅表现在其分布控制着油气的分布，更重要的是其输导油气有效时期决定着油气的规模.由此不难看出，准确地厘定出被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期，对于正确认识含油气盆地被盖层分隔储层油源断裂在油气成藏中的作用至关重要.

前人对油源断裂及其输导油气作用的研究可归纳为：（1）利用断裂穿层性与源岩和目的储层之间关系，结合油气成藏时期，确定油源断裂的类型和分布特征[2-8]；（2）根据油源断裂分布与不同等级源岩分布之间的空间配置关系，确定油源断裂输导油气的空间有效性[9-14]，认为位于优质源岩分布区内的油源断裂，其输导油气的空间有效性好；（3）根据油源断裂活动时期与源岩排烃时期之间的时间匹配关系，确定油源断裂输导油气的时间有效性[15-19]，明确提出只有与源岩排烃时期同期的断裂活动时期，才是油源断裂输导油气的有效时期.这些研究成果对认识油源断裂在油气运聚成藏中的作用具有重要价值.

然而，对于被盖层分隔储层油源断裂，并非一经活动就能破坏盖层，使其输导的油气穿过盖层运移至目的储层中，只有当油源断裂破坏盖层达到一定程度后，其输导的油气才可以穿过盖层运移至目的储层中.因此，只有盖层封闭能力被油源断裂破坏后的断裂活动时期，才是油源断裂输导油气时期.此外，断裂输导油气也并非仅发生在其活动时期，当其停止活动后，断裂填充物在一段时间内仍具有一定的孔渗性，虽然输导油气能力弱，但仍可输导油气，因此这一段时间也应为断裂输导油气时期.只有全面地考虑了以上各种因素的影响，才能准确地厘定出被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期和正确地认识油源断裂在油气成藏中的作用；否则，可能会低估或高估油气富集程度，给油气勘探带来一定风险.

1 被盖层分隔储层油源断裂输导油气机理及有效时期

在含油气盆地中，下伏源岩和上覆目的储层之间通常发育有泥岩盖层.油源断裂能否输导源岩生成的油气进入到目的储层中，主要取决于泥岩盖层的封闭性和断裂填充物的封闭性.在断裂活动时期，倘若油源断裂在泥岩盖层内分段生长上下不连接，那么油源断裂伴生裂缝输导的油气不能穿过泥岩盖层，只能被封盖在泥岩盖层之下，此时期应为泥岩盖层封闭时期，如图1中的Ta所示.只有油源断裂在泥岩盖层内分段生长上下连接，油源断裂伴生裂缝输导的油气才能穿过泥岩盖层，继续沿着伴生裂缝运移至目的储层中，从此时期开始一直至断裂停止活动时期应为油源断裂伴生裂缝输导油气时期，如图1中的Tb所示.当断裂停止活动后，油源断裂伴生裂缝逐渐紧闭愈合，失去输导油气能力.然而，此时期断裂填充物仍具有一定的孔渗性，尽管其输导油气能力明显弱于油源断裂伴生裂缝输导油气能力，但其依然可以输导油气穿过泥岩盖层向上运移，此时期应为断裂填充物输导油气时期，如图1中的Tc所示.当断裂填充物封闭能力达到一定程度后，断裂填充物孔渗性明显变差，失去输导油气能力，此时期应为断裂填充物封闭时期，如图1中的Td所示.由此可知，被盖层分隔储层油源断裂输导油气时期应为伴生裂缝输导油气时期和断裂填充物输导油气时期之和.

图1 被盖层分隔储层油源断裂输导油气时期构成示意Fig.1 Composition of the period for transporting oil and gas by the oil source fault of the reservoir separated by caprock

然而，被盖层分隔储层油源断裂能否有效地输导油气，除了要求油源断裂处于输导油气时期外，还必须要求源岩处于排烃时期.只有处于二者的重合时期，油源断裂才能输导油气；否则，油源断裂不能输导油气.由此可知，被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期应为油源断裂输导油气时期和源岩排烃时期的重合时期，二者的重合时期越长，油源断裂输导油气有效时期越长；反之则越短（图2）.

图2 被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期厘定示意Fig.2 Determination of the effective period for transporting oil and gas by the oil source fault of the reservoir separated by caprock

2 被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期厘定方法

由上述分析可知，只要确定出油源断裂输导油气时期和源岩排烃时期，取二者的重合时期即可厘定出被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期.

2.1 油源断裂输导油气时期确定方法

由图1中可以看出，只需确定出断裂停止活动时期、断裂开始破坏泥岩盖层封闭能力时期和断裂填充物开始封闭时期，即可得到伴生裂缝输导油气时期（断裂开始破坏泥岩盖层封闭能力时期至断裂停止活动时期）和断裂填充物输导油气时期（断裂停止活动时期至断裂填充物开始封闭时期），取二者之和即可得到被盖层分隔储层油源断裂输导油气时期.

断裂停止活动时期可利用断裂生长指数法[20]、断裂活动速率法[21]和地层伸展率法[22]等进行确定.当断裂生长指数小于1或者断裂活动速率或地层伸展率相对较小时，即为断裂停止活动时期.

断裂开始破坏泥岩盖层封闭能力时期可以按照以下步骤进行确定：首先，由井震资料读取断裂在泥岩盖层内断距和被其错断泥岩盖层厚度，利用最大断距相减法[23]和地层古厚度恢复方法[24]分别恢复不同地质时期的古断距和古厚度，得到泥岩盖层古断接厚度（盖层厚度减去断裂断距），并作出其古断接厚度随时间变化关系图（图1）.然后，根据试油成果和测井解释等资料统计研究区泥岩盖层上下的油气显示特征，作出其与泥岩盖层断接厚度之间关系图，当油气仅在泥岩盖层之下分布时，其所对应的最大断接厚度即为断裂在泥岩盖层内分段生长上下连接所需的最大断接厚度[25-26].最后，取泥岩盖层断接厚度等于断裂在其内分段生长上下连接所需的最大断接厚度所对应的时期，即为断裂开始破坏泥岩盖层封闭能力时期（图1）.

由图1中可以看出，断裂填充物开始封闭时期应为断裂填充物和储层岩石二者排替压力相等时所对应的时期.由此可知，只需确定出断裂填充物排替压力随时间变化关系和储层岩石排替压力随时间变化关系，即可确定出断裂填充物开始封闭时期.断裂填充物排替压力由于受限于钻井和取心，通过实测样品获取是不可能的，只能借助于围岩实测排替压力数据.在认为断裂是围岩中倾斜岩层，其成分来自两盘被错断地层岩石的前提下，断裂填充物排替压力与围岩一样，也是取决于压实埋深和泥质体积分数，是二者的函数[27].因此，只要确定出断裂填充物泥质体积分数，按照围岩实测排替压力与其压实埋深及泥质体积分数之间关系[28]，便可以得到断裂填充物排替压力与其压实埋深之间关系.具体方法如下：首先利用断裂在盖层内断距和被其错断地层岩层厚度和泥质体积分数，根据断裂填充物泥质体积分数求取方法[27]计算断裂填充物泥质体积分数，将计算结果代入研究区围岩实测排替压力与其压实埋深和泥质体积分数之间关系式中，得到与断裂填充物具有相同泥质体积分数围岩排替压力随其压实埋深变化关系；然后将该变化关系由围岩停止沉积时期（ts）移至断裂填充物开始压实时期（t0），作为断裂填充物排替压力随其压实埋深变化关系；最后利用地层古埋深恢复方法[29]恢复断裂填充物古压实埋深，便可以得到断裂填充物排替压力随时间变化关系（图3）.储层岩石排替压力可按如下步骤获取：首先利用自然伽马测井资料，由岩层泥质体积分数计算方法[30]，求得储层岩石的泥质体积分数；然后将求取结果代入研究区储层岩石实测排替压力与其压实埋深和泥质体积分数之间关系式中，得到储层岩石排替压力随其压实埋深变化关系；最后利用地层古埋深恢复方法[29]恢复储层岩石古压实埋深，便可以得到储层岩石排替压力随时间变化关系（图1）.

图3 断裂填充物排替压力预测示意Fig.3 Prediction of the displacement pressure of the fault filler

2.2 源岩排烃时期确定方法

利用源岩的地化特征，由源岩排烃量的计算方法[31]求取源岩在各地质时期的排烃量，作源岩排烃量随地质时期的变化关系，即可确定出源岩排烃时期（图2）.

2.3 油源断裂输导油气有效时期厘定方法

将油源断裂输导油气时期和源岩排烃时期叠合，取二者的重合时期即为被盖层分隔储层油源断裂输导油气有效时期（图2）.

3 实例应用

本文以渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造F1油源断裂为例，采用以上方法厘定其在被东二段（E3d2）泥岩盖层分隔东一段（E3d1）储层中的输导油气有效时期，并根据厘定结果与F1油源断裂附近东一段油气之间关系，检验上述方法的可行性.

南堡5号构造位于南堡凹陷西北部，勘探面积约350 km2( 图4(a) ).该构造整体上表现为东低西高的构造形态，是一个发育在中、古生界基岩鼻状构造背景上，受北部西南庄断裂及其派生断裂控制而形成的潜山披覆断背斜构造[32]，其上发育一系列北东东～北东向展布的断裂 ( 图4(a) ).南堡5号构造从下至上发育的地层有孔店组（E2k）、沙河街组（E3s）、东营组（E3d）、馆陶组（N1g）、明化镇组（N2m）及第四系（Q），其中沙河街组和东营组是其油气的主要储层，东一段是本次研究的目的储层.目前在东一段见到了少量油气，其主要来自下伏沙一段（E3s1）～东三段（E3d3）源岩.由于源岩和目的储层之间被东二段泥岩盖层分隔，沙一段～东三段源岩中的油气只有沿着油源断裂（沟通沙一段～东三段源岩和东一段储层，且在油气成藏期——馆陶组至明化镇组沉积时期[33]活动的断裂）才能穿过东二段泥岩盖层向上覆东一段储层中聚集成藏.F1断裂位于南堡5号构造中部，为一北东走向的正断裂 ( 图4(a) ).该断裂向西北倾斜，倾角平均为25°，断距最大可达185 m，最小为20 m，从东三段下部一直断至馆陶组上部 ( 图4(b) ).由断裂生长指数计算结果可以看出，F1断裂主要在馆下段（N1gL）沉积时期活动（图5）.由此可知，F1断裂应是南堡5号构造中被东二段泥岩盖层分隔东一段储层油源断裂，准确地厘定出其输导油气有效时期，对于正确认识南堡5号构造东一段油气富集程度和有效指导其勘探至关重要.

图4 南堡5号构造F1油源断裂与油气分布关系.（a）平面图；（b）剖面图Fig.4 Distribution of the F1 oil source fault and hydrocarbon in Nanpu 5th structure: (a) plan; (b) section views

图5 F1油源断裂在不同层位生长指数分布Fig.5 Distribution of the growth index of the F1 oil source fault in different layers

由图4中可以看出，F1油源断裂破坏了东二段泥岩盖层，但在不同测线处F1油源断裂破坏东二段泥岩盖层的程度不同.在测线L1、L3、L4、L5、L6、L7和L9处，东二段泥岩盖层断接厚度大于南堡凹陷断裂在泥岩盖层内分段生长上下连接所需的最大断接厚度（约为120 m[18]），F1油源断裂在东二段泥岩盖层内分段生长上下未连接，不能将下伏沙一段～东三段源岩生成的油气输导至东一段储层中，不存在输导油气时期；而在测线L2和L8处，东二段泥岩盖层断接厚度分别为25和118 m，均小于南堡凹陷断裂在泥岩盖层内分段生长上下连接所需的最大断接厚度，F1油源断裂在东二段泥岩盖层内分段生长上下连接，可将下伏沙一段～东三段源岩生成的油气输导至东一段储层中（图6）.因此，需要研究在测线L2和L8处的F1油源断裂在东一段储层内输导油气有效时期.

图6 南堡5号构造F1油源断裂不同测线处东二段泥岩盖层断接厚度Fig.6 Juxtaposition thickness of the mudstone caprock of E3d2 in the F1 oil source fault of the Nanpu 5th structure

由图5中可以看出，F1油源断裂主要在馆下段沉积时期（约为距今23.8～13.3 Ma）生长指数大于1.换句话说，F1油源断裂活动时期为馆下段沉积时期，其停止活动时期为距今13.3 Ma.

根据上述断裂开始破坏泥岩盖层封闭能力时期确定方法，可以得到在测线L2和L8处F1油源断裂开始破坏东二段泥岩盖层封闭能力时期分别约为距今16.0和13.6 Ma（图7）.

图7 F1油源断裂开始破坏东二段泥岩盖层封闭能力时期厘定Fig.7 Determination of the period when the F1 oil source fault started to destroy the sealing capacity of the mudstone caprock of E3d2

由断裂填充物泥质体积分数求取方法[27]，计算得到在东二段泥岩盖层内测线L2和L8处F1油源断裂填充物泥质体积分数分别为51.38%和63.80%，将计算结果代入式(1)[34]中，根据上述断裂填充物排替压力计算方法得到在测线L2和L8处F1油源断裂填充物排替压力随时间变化关系（图8）.根据岩层泥质体积分数计算方法[30]，计算得到F1油源断裂在测线L2和L8处东三段储层岩石泥质体积分数皆为17.00%，将计算结果代入式(2)[7]中，由上述储层岩石排替压力计算方法得到在F1油源断裂测线L2和L8处储层岩石排替压力随时间变化关系（图8）.由图8中断裂填充物排替压力与储层岩石排替压力相等时所对应时期，便可以得到在东二段泥岩盖层内测线L2和L8处F1油源断裂填充物开始封闭时期分别约为距今10.7和11.2 Ma.

图8 在东二段泥岩盖层内F1油源断裂填充物开始封闭时期厘定.（a）测线 L2；（b）测线 L8Fig.8 Determination of the period when the F1 oil source fault fillers began sealing in the mudstone caprock of E3d2: (a) line L2; (b) line L8

式中：Ps为南堡凹陷围岩实测排替压力，MPa；Zs为南堡凹陷围岩压实埋深，m；Rs为南堡凹陷围岩泥质体积分数，%.

式中：Pc为南堡凹陷储层岩石实测排替压力，MPa；Zc为南堡凹陷储层岩石压实埋深，m；Rc为南堡凹陷储层岩石泥质体积分数，%.

综合上述研究可知，伴生裂缝输导油气时期在F1油源断裂测线L2和L8处分别为距今16.0～13.3 Ma和13.6～13.3 Ma，断裂填充物输导油气时期在F1油源断裂测线L2和L8处分别为距今13.3～10.7 Ma和13.3～11.2 Ma，F1油源断裂在测线L2和L8处输导油气时期分别为距今16.0～10.7 Ma和13.6～11.2 Ma（图9）.

由南堡凹陷源岩排烃量模拟结果[31]可知，沙一段～东三段源岩在东三段沉积时期开始向外排烃，在明化镇组沉积早期达到排烃高峰期，至今仍向外排烃（图9）.

将上述F1油源断裂输导油气时期与沙一段～东三段源岩排烃时期叠合可以看出，在测线L2和L8处F1油源断裂在东一段储层内输导油气有效时期分别为距今16.0～10.7 Ma和13.6～11.2 Ma（图9）.

图9 F1油源断裂向东一段储层输导油气有效时期厘定.（a）测线L2；（b）测线 L8Fig.9 Determination of the effective period for transporting oil and gas from the F1 oil source fault to the reservoir of E3d1: (a) line L2; (b) line L8

由图9中可以看出，在测线L2处F1油源断裂在东一段储层内输导油气有效时期相对较长（为5.3 Ma），较有利于其输导沙一段～东三段源岩生成的油气穿过东二段泥岩盖层向东一段储层中聚集成藏.但目前测线L2附近仅上盘钻有Np5-96井，东一段未见到油气，这是因为此井钻在了构造的低部位（图4（a）），不利于油气成藏；若钻到测线L2东侧下盘构造高部位（图4（a）），东一段应能获得油气显示.在测线L8处F1油源断裂在东一段储层内输导油气有效时期相对较短（为2.4 Ma），且主要为断裂填充物输导油气，造成其输导油气量有限，不利于油气在东一段储层中大规模运聚成藏，这可能是目前南堡5号构造东一段F1油源断裂在测线L8附近已发现油气，但规模有限的根本原因（图4（a））.