断层岩压实成岩埋深预测方法改进及其应用

摘要：断层岩压实成岩埋深对于准确评价断层侧向封闭性至关重要，以往主要是通过断层埋深、倾角、停止活动至今时期、相同深度深围岩压实成岩时期和围岩压实系数，预测断层岩压实成岩埋深，所得结果偏小难以准确地反映地下的实际情况。为此在断层岩压实成岩埋深与相同深度围岩压实成岩埋深之间关系的基础上，对以往的方法进行改进，提出通过断层岩压实成岩程度和围岩压实成岩程度与压实成岩埋深之间关系，确定断层岩压实成岩埋深的预测方法，并以渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造F3断层为例对改进前后方法的预测结果进行对比。结果表明：利用改进后方法预测出的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别约为2450、2350和2300 m，明显大于利用改进前方法预测出的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深（分别约为1974.4、1267.7和1329.5 m），与改进前方法相比，改进后方法预测出的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深更合理地解释了F3断层附近东三段、东二段和东一段目前已发现的油气分布，更符合地质规律。

关键词：断层； 压实成岩埋深； 改进前预测方法； 改进后预测方法

中图分类号：TE 122.1""" 文献标志码：A

引用格式：付广，张鑫尧，梁木桂，等.断层岩压实成岩埋深预测方法改进及其应用［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：37-43.

FU Guang， ZHANG Xinyao， LIANG Mugui， et al." Improved method for predicting burial depth of fault rocks through compaction and diagenesis and its application［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science） ，2025，49（1）：37-43.

Improved method for predicting burial depth of fault rocks through

compaction and diagenesis and its application

FU Guang1， ZHANG Xinyao1， LIANG Mugui1， DENG Chun2， JIANG Fei1

（1.School of Earth Sciences， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China;

2.The 4th Oil Production Factory of PetroChina Qinghai Oilfield Company， Mangya 816499， China）

Abstract：The burial depth of fault rock compaction and diagenesis plays a crucial role in accurately evaluating the lateral sealing capacity of faults. Traditionally， the burial depth and diagenesis of fault rocks， as well as the compaction coefficient of surrounding rocks， have been estimated primarily based on factors such as burial depth， dip angle， and the time elapsed since fault activity ceased. These methods often assume the same burial depth for fault rock and surrounding rock compaction and diagenesis， underestimation and a lack of accurate reflection of actual subsurface conditions. To address this limitation， this study establishes a prediction approach that determines the burial depth of fault rock compaction and diagenesis based on the compaction-diagenesis degree of fault rocks. This method incorporates the relationship between the compaction-diagenesis degree of surrounding rocks and their burial depth. Using the F3 fault in the Nanpu No.5 structure of the Nanpu sag in the Bohai Bay basin as an example， the burial depth predictions from the improved method are compared with traditional approaches. The results show that the buried depths of the F3 fault predicted by the improved method are 2450 m， 2350 m， and 2300 m in the third， second， and first eastern sections， respectively. These values are significantly greater than those predicted using the traditional method， which yielded 1974.4 m， 1267.7m， and 1329.5 m for the same sections." Furthermore， the predictions from the improved method more reasonably explain the observed distribution of oil and gas in these fault sections， aligning better with geological principles.

Keywords： fault; compaction diagenesis buried depth; prediction method before improvement; improved prediction method

收稿日期：2024-01-05

基金项目：国家自然科学基金项目（42072157）；黑龙江省自然科学基金项目（LH2022D010）

第一作者及通信作者：付广（1962-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为油气藏形成与保存。E-mail： fuguang2008@126.com。

文章编号：1673-5005（2025）01-0037-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.004

随着油气勘探的不断深入，人们对断层侧向封闭性的认识不断深入，断层在侧向上能否形成封闭，主要取决于断层岩排替压力的相对大小［1-4］，断层岩排替压力越大，断层侧向封闭能力越强；反之则越弱。而断层岩排替压力相对大小又受到断层岩泥质含量和压实成岩埋深的影响［5-10］，只要能确定出断层岩泥质含量和压实成岩埋深，便可以确定出断层岩排替压力，据此便可对断层侧向封闭性进行评价。目前断层岩泥质含量的确定已有有效方法，但断层岩压实成岩埋深预测目前尚无切实可行的方法，无法准确预测出地下断层岩压实成岩埋深，造成断层侧向封闭性评价结果难以反映地下实际情况。因此开展断层岩压实成岩埋深预测方法的改进，对于正确认识断层侧向封闭性和指导断层油气藏勘探均具有重要意义。关于断层岩压实成岩埋深前人曾做过一定的研究与探讨，总结起来主要有以下2种预测方法：第一种预测方法是在假设断层岩与相同深度围岩具有相同压实成岩速率的基础上，由断层岩压实成岩速率（断层岩压实埋深除以停止活动至今时期）和相同深度围岩压实成岩速率（围岩压实埋深除以围岩压实成岩时期）相等，利用断层岩埋深、倾角和停止活动时期预测断层岩压实成岩埋深［11-12］；第二种预测方法则是在假定断层岩与相同深度围岩具有相同压实成岩历史的基础上，由断层岩和相同深度围岩压实成岩程度之比与断层岩和相同深度围岩孔隙度之比的反比关系，利用断层岩埋深、倾角、停止活动时期、与断层岩相同深度围岩压实成岩埋深和围岩压实系数预测断层岩压实成岩埋深［13-15］。上述两种预测方法对正确认识断层侧向封闭性和指导断层油气藏勘探起到了重要作用。然而，第一种预测方法假设断层岩和相同深度围岩的压实成岩速率相等是不合适的，因为断层岩成分及压实成岩时期均与相同深度围岩有明显的差异，造成两者压实成岩速率不可能相同，故以此为依据，预测出的断层岩压实成岩埋深难以准确地反映地下实际情况。而第二种预测方法假设断层岩和相同深度围岩具有相同的压实成岩历史，因为断层岩物质来自于围岩，只是其压实成岩时期较相同深度围岩要晚而已，但用断层岩与相同深度围岩压实成岩程度之比和断层岩与相同深度围岩孔隙度之比之间的反比关系预测断层岩压实成岩埋深时，明显受到围岩和断层岩孔隙度随深度变化特征的影响，在深部断层岩和相同深度围岩的孔隙度近于直线关系，用反比关系预测得到的断层岩压实成岩埋深效果相对较好，可以较好地反映地下实际情况。而在浅部断层岩和相同深度围岩孔隙度为指数关系，变化大，用反比关系预测得到的断层岩压实成岩埋深效果相对不好，难以准确地反映地下实际情况。因此，开展断层岩压实成岩埋深预测方法改进，对于正确认识断层侧向封闭性和指导断层油气藏勘探均具有重要意义。

1" 断层岩压实成岩埋深与相同深度围岩压实埋深之间关系

由于断层活动开启，造成围岩破碎物质落入断层带中，并在区域应力及沿断层面的剪切应力作用下使碎屑物质颗粒细粒化，甚至形成断层泥，它们构成了断层填充物，当断层停止活动后，断层填充物在上覆沉积载荷、区域主压应力和地下水携带物质沉淀胶结等作用下，逐渐压实成岩。断层岩压实成岩埋深并非为其现今埋深，因为断层停止活动时期相对较晚，压实成岩时期明显晚于相同深度围岩的压实成岩时期，且断层倾斜造成其由上覆沉积载荷重量形成的压实成岩压力又小于相同深度围岩由上覆沉积载荷重量形成的压实成岩压力，致使断层岩压实成岩埋深明显小于相同深度围岩的压实成岩埋深，如图1（a）所示。

2" 改进前断层岩压实成岩埋深预测方法

由文献［13］～［15］可知，改进前断层岩压实成岩埋深的预测方法是假定断层岩与相同深度围岩具有相同的压实成岩历史，如图1（b）所示。基于此，由断层岩与相同深度围岩压实成岩程度（压实成岩压力与压实成岩时间的乘积）之比与断层岩与相同深度围岩孔隙度之比具有的反比关系，推导便可以得到断层岩压实成岩埋深。计算公式为

ρrZcosθT0ρrZTs=

φ0e-cZφ0e-cZf .

（1）

Zf=Z+1clnT0Tscosθ.（2）

式中，Z为断层岩埋深，m ；φ0为围岩地表处孔隙度；c为围岩地层压实成岩系数；Zf为断层岩压实成岩埋深，m。

利用三维地震资料确定出断层岩埋深、停止活动时期、倾角，利用钻井和测井资料确定出相同深度围岩的压实系数，由地质年代表确定出围岩压实成岩时期和断裂停止活动至今时期的地质年龄，将其代入式（2）便可以预测出断层岩压实成岩埋深。

3" 改进后断层岩压实成岩埋深预测方法

由于受到断层岩与围岩孔隙度随埋深变化深部与浅部特征差异的影响，由式（2）难以准确地预测出符合地下断层岩压实成岩埋深，故须对上述断层岩压实成岩埋深的预测方法进行改进，具体方法如下。

与上同理，假设断层岩与围岩具有相同压实成岩历史，那么断层岩的压实成岩演化规律应符合围岩的压实成岩演化规律，即围岩的压实成岩程度与压实成岩埋深之间的关系也应是断层岩的压实成岩程度与压实成岩埋深之间的关系。基于上述假设及原理，由断层岩目前的压实成岩程度，利用所建立的围岩压实成岩程度与压实成岩埋深之间的关系，便可以获取断层岩压实成岩埋深。

由于围岩压实成岩程度应受到其所受到的压实成岩压力、压实成岩时期和泥质含量相对大小的影响，其所受到的压实成岩压力越大、压实成岩时期越长，泥质含量越大，泥岩压实成岩程度越高；反之，则泥岩压实成岩程度越低。故可以利用围岩所受到的压实成岩程度应为其所受到的压实成岩压力、压实成岩时期和泥质含量的乘积（图2）来求取围岩压实成岩程度。利用钻井和测井资料确定出不同层位围岩压实成岩埋深，利用地质年代表便可确定出不同层位围岩压实成岩时期，利用自然伽马测井资料，由文献［16］～［20］岩石泥质含量求取方法便可获得围岩不同层位泥质含量，将三者代入计算公式中便可以求取不同层位围岩压实成岩程度，再利用不同层位围岩压实成岩程度与压实成岩埋深之间关系作图，便可以得到围岩压实成岩程度与压实成岩埋深之间关系，如图2所示。计算公式为

As=ρrZsTsRs.（3）

式中，As为围岩压实成岩程度，MPa·Ma ；Zs为围岩压实成岩埋深，m；ρr为围岩平均密度，g/km3；Rs为围岩泥质体积分数。

其次是利用三维地震资料获取断层岩埋深、倾角、停止时期，利用地质年代表确定断裂停止活动至今时期。再利用断裂断距和被其错断地层岩层厚度及泥质含量，求取断层岩泥质含量。最后，求取断层岩的压实成岩程度。计算公式为

Rf=∑ni=1HiRiL .（4）

式中，Rf为断层岩泥质体积分数；Hi为断裂错断的第i层岩层厚度，m；Ri为断裂错断的第i层岩层泥质体积分数；L为断裂垂直断距，m；i为断裂错断的第i层岩层；n为断裂错断岩层数。

Af=ρrZcosθT0Rf.（5）

式中，Af为断层岩压实成岩程度，MPa·Ma 。

最后，由断层岩目前压实成岩程度Af，由图2中便可以找到与断层岩压实成岩程度相对应的围岩压实成岩埋深，即为断层岩压实成岩埋深Zf。

4" 实例应用

本文中选取渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造F3断层作为应用实例，利用改进前后断层岩压实成岩埋深预测方法，分别预测F3断层在东三段、东二段和东一段内的断层岩压实成岩埋深，并通过预测结果与目前F3断层处东三段、东二段和东一段已发现油气分布之间关系和地地质规律，阐述改进后较改进前断层岩压实成岩埋深预测方法的合理性。

南堡5号构造是位于南堡凹陷北部的一个继承性发育的北东向背斜构造，其上被一系列近南北向的断裂复杂化，如图3所示。南堡5号构造处已发现的地层从下往上有古近系（孔店组、沙河街组和东营组）、新近系（馆陶组和明化镇组）和少量第四系。目前已发现油气主要分布在东三段、东二段和东一段，如图3所示。F3断裂是位于南堡5号构造上的一条北东向的正断层，长约13.4 km，断距为70～145 m，倾角平均25°，具有长期发育继承性活动特征，从下部沙三段中部向上一直断至上部明化镇组，连接了下伏东三段源岩和东三段、东二段和东一段储层，且在油气成藏期-明化镇组沉积中晚期活动，应是东三段、东二段和东一段的油源断裂。由图3中可以看出，F3断裂附近目前已发现油气主要分布在东三段、东二段和东一段，且从上至下油气逐渐增多，这除了受到圈闭和砂体发育的影响外，主要是受到了F3断裂在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深（因F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩泥质含量相差不大，其侧向封闭性的差异主要受到其压实成岩埋深大小的影响）相对大小的影响，因此能否准确地预测出F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深，对正确认识F3断层在东三段、东二段和东一段内油气分布规律及指导其油气勘探至关重要。

由图3中可以得到F3断层不同地层围岩压实成岩埋深。由地层年代表中读取不同地层围岩压实成岩时期。利用自然伽马测井资料，由文献［16］～［20］中岩石泥质含量求取方法，可以求取不同地层围岩泥质含量。由式（3）便可以得到南堡5号构造不同地层围岩压实成岩程度，再与其压实成岩埋深作图（图4），便可以得到F3断层处围岩压实成岩程度与压实成岩埋深之间关系。

由图3中读取F3断层在东三段、东二段和东一段内埋深分别为3800、3000和2900 m，F3断层停止活动时埋深约为2320 m，由地质年代表可以得到F3断层停止活动时期距今约为13.3 Ma。由地质年代表可以分别得到东三段、东二段和东一段围岩地层压实成岩时期分别约为28.5、27.3和25.3 Ma。由图5中可以得到南堡凹陷围岩压实成岩系数为0.00047。由图3可以得到F3断层在东三段、东二段和东一段地层内断层倾角约为25°，将上述参数代入到式（2）中便可以得到改进前方法（式（2））预测得到的F3地层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别为1974.4、1267.9和1329.5 m。

将上述已确定出的F3断层在东三段、东二段和东一段地层内埋深、断层倾角和F3断层停止活动至今时期，再由F3断层在东三段、东二段和东一段内断距和被其错断地层岩层厚度及泥质含量，由式（4）求取F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩泥质体积分数，分别约为31%、29%和29%。最后由式（5）求取F3断层在东三段、东二段和东一段地层内断层岩压实成岩程度分别约为3.62×102，2.67×102和2.58×102 MPa·Ma。再由图4便可以得到改进后方法预测得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别约为2450、2350和2300 m。

由上述改进前后预测得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深预测结果可以看出，两者相差较大。改进后方法预测得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深由2450至2350再至2300 m，由大变小，符合F3断层在东三段、东二段和东一段埋深由3800 m至3000 m再至2900 m由大变小的变化规律，表明F3断层在东三段、东二段和东一段内断层侧向封闭能力（因为F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩泥质含量分别为31%、29%、和29%，相差不大，其侧向封闭性主要取决于其压实成岩埋深相对大小）由东三段至东二段再至东一段逐渐减弱，与目前F3断层附近B13井在东三段至东二段再至东一段油气显示逐渐减少（图3）是相符合的。而改进前方法得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别约为1974.4、1267.7和1329.5 m，除了相对较小，低估了F3断层在东三段、东二段和东一段内断层侧向封闭能力外，且F3断层在东二段内断层岩压实成岩埋深小于F3断层在东一段内断层岩压实成岩埋深，与F3断层在东二段内埋深大于F3断层在东一段内埋深不符。由此得到的F3断层在东二段内断层侧向封闭能力较其在东一段内断层侧向封闭能力弱，与目前F3断层附近B13井中东二段油气多于东一段油气不符。

5" 结" 论

（1）断层岩压实成岩埋深应明显小于相同深度围岩的压实成岩埋深。

（2）通过断层埋深、倾角、停止活动至今时期和断层岩泥质含量，确定断层岩压实成岩程度，结合围岩压实成岩程度随压实成岩埋深之间变化关系，建立了一套断层岩压实成岩埋深的预测方法，改进了原来利用断层埋深、倾角、停止活动至今时期与其具有相同埋深围岩压实成岩时期和围岩压实系数，确定断层岩压实成岩埋深的预测方法。

（3）改进后方法预测得到的渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别约为2450、2350和2300 m，明显大于改进前方法预测得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深分别约为1974.4、1267.7和1329.5 m，改进后方法较改进前方法预测得到的F3断层在东三段、东二段和东一段内断层岩压实成岩埋深更符合地质规律和油气分布。

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