断裂控藏作用及封闭性研究现状与展望

PAGEPAGE1断裂控藏作用及封闭性研究现状与展望1前言在含油气盆地中，断层对油气的成藏起着重大的作用。垂向上，它沟通了源岩与储层，为油气的穿层运移提供了重要的通道。侧向上，它可以进行封堵，为油气圈闭的形成提供有利的遮挡条件。L.C.Price的研究表明，尼日尔和墨西哥湾地区断层的断距与油气田规模具有明显的相关性，即油气田规模随断距增大而增大(L.C.Price,1994年)。可见，对于油气的成藏，断层至关重要。断层封闭性的研究自20世纪50—60年代起步以来,，国内外很多学者对断裂的控藏作用及封闭性进行了多方面的讨论。Smith最早根据排替压力等物性参数及岩性配置关系提出了断层封闭性的判别模式（Smith，1966）。Engelder研究了碎裂作用与断层泥生成的关系（Engelder，1974）。Weber等研究了生长断层中的泥岩涂抹现象（Weber，1978）。Watts研究了单相烃柱与两相烃柱的断层封闭问题,并提出了“压力-深度图”的分析方法（Watts，1987）。Allan提出“断面剖面图”(Allan，1989),开始了定量研究断层的封闭性。Bouvier等将三维地震断层切片应用于断层封闭性研究,并提出“泥岩涂抹潜力”的判别方法（Bouvier等，1989）。在研究断层封闭性的基础上,Harding讨论了不同性质断层形成圈闭的可能性（Harding，1988）。详细论述了断层封闭物中微组构的演化和发展过程,分析了影响封闭物的形成时间、封闭能力、连通性和封闭强度及稳定性的因素,并在改进Allan图后提出了断层封闭性的“图示分析法”（Knipe,1992,1997）。Lindsay提出“泥岩涂抹因子”概念(Lindsay,1993)。Antonellini等研究了断层作用对断层带物性的影响及其形成的空间几何形态和变形结构(Antonellini等,1994)。Gibson认为断层封闭主要取决于断层带内的封闭物(Gibson,1994)。Berg等提出“泥岩剪切带”,通过试验证实了断层面泥岩对油气的封闭作用(Berg,1995)。Yielding等提出了“泥岩涂抹断层泥比率”(Yielding,1997)。Peter等在整理了世界范围的大量断层资料的基础上,提出了利用SGR值估算断层可支持烃柱的最大高度的方法(Peter等,2003)。Kim等通过对德克萨斯州一个过断层钻孔岩心的详细研究,了解了断层带的微观构造及断层岩的物理属性(Kim等,2003)。Doughty的研究表明了断层面上低渗透岩层处泥岩涂抹的有效性,同时也评价了泥岩涂抹不同算法的长处与缺陷(Doughty,2003)。Jones等在对澳洲西北陆架的研究中总结了断层封堵评价的风险性(Jones等,2003)。Bailey等利用多种学科结合的手段对澳大利亚某油气田进行了综合的断层封堵性研究(Bailey等,2006)。国内的学者们在进行了大量的实验模拟基础上,也提出和应用了各种方法和理论。如曹瑞成等应用“逻辑信息法”对勘探初期地区断层进行封闭性的评判（曹瑞成，1992）。吕延防等应用“非线性映射法”和“概率模拟法”建立了早期探区断层封闭性的判别预测模型（吕延防等，1995，1996）。童亨茂（童亨茂,1998）、周新桂等(周新桂等，2000)与王志欣等（王志欣等，1997）通过应力场分析与流体压力关系进行断层封闭性评价;沈传波等（沈传波等，2004）进一步用三维古构造应力场进行了断层封闭性的数值模拟研究。邓俊国等（邓俊国等，1995）、王朋岩（王朋岩，2003）、杨勇等（杨勇等,2005）、王东晔等(王东晔等，2006)、李焕鹏等（李焕鹏等，2001）在实践中利用模糊综合评判方法进行了断层封闭性研究。曾涛等（曾涛等,2000）、付广等(付广等,2000)分别用地震手段探讨了断层封闭性的研究。侯读杰等(侯读杰等,2005)与朱轶等(朱轶等,2007)应用地球化学方法进行断层封闭性研究。李振生等(李振生等,2005)依据断层岩的超声波测试,分析了波速和品质因子对断层岩性、孔渗性质以及断层力学性质的响应,初步提出了运用波速和品质因子进行断层封闭性定量评价的方法。2断层封闭性的原理及机理2.1断层封闭性原理断层封闭程度主要取决于断层带物质及其两侧岩性的排驱压力,是指使烃类进入水湿岩石的最大孔喉所需的压力：PC=式中:R:指相互联结的粒间孔喉半径r:指烃水界面张力θ:指浸润角被封烃类压力是指烃柱的浮力：P=(ρw-ρh)gh式中:ρw:指储层中水的密度ρh:指储层中烃的密度g:指重力加速度h:指储层中烃柱的高度当PC>P时,断层的封闭性好,能封住储层中的油气,反之,则断层的封闭性较差,不能封住储层中的油气。2.2断层封闭性机理(1)断层两侧岩性配置:断层两侧岩性配置关系,是影响断层封闭性的一个重要因素。断层活动引起断层两盘的相对滑动,断层两侧对置的岩石之间存在着排驱压力的差异,具图1、正断层所形成的砂泥岩对接示意图（RoaldB.Færseth,2007）图1、正断层所形成的砂泥岩对接示意图（RoaldB.Færseth,2007）(2)泥岩涂抹作用:断层活动过程中,由于拖曳、挤压、研磨和塑性流动等作用,沿断裂分布的极细粒的非渗透性泥状物,敷着在断层面上,使断裂带具有高的排驱压力,增强了断层的封闭性。（见图2）图2、泥岩涂抹断层的演化过程（图2、泥岩涂抹断层的演化过程（AtillaAydin，2002）(4)成岩胶结作用:断层破碎带的产生不仅有利于流体的流动,也有利于胶结物的生成。地下流体在断层流动,发生复杂的物理化学作用,造成断层中的物质的成岩胶结作用,从而使断层的孔隙度、渗透率大大降低,最终形成封闭。3断层封闭性的影响因素断层封闭性是由于断层上下盘岩石或断裂带与断层上下盘岩石排驱压力的差异,阻止油气水等流体的继续流动,不同地区影响因素不同。影响断层封闭性的因素有很多,主要有:(1)断层的力学性质:一般情况,张性断层封闭性较差,挤压性断层封闭性较好,扭性断层在垂向上封闭较好。(2)断层面倾角:断面倾角越陡,承受上覆地静压力就越小,断裂带愈合程度就越差,那么断层的封闭性就越差,反之,断层封闭性就越好。(3)断层走向:一个地区由于区域构造活动时间和规模等不同,会形成多组走向不同的断层,其封闭的程度也有所不同,断层的走向与区域最大主应力垂直的断层,其封闭性最好,与最小主应力垂直的断层,封闭性最差。(4)断层埋深:随断层埋深增加,上覆地静压力增大,孔隙度和渗透率的减小幅度也相应增加,封闭性较好。反之,则封闭性较差。(5)断距:断层带物质随断距的增大,遭受的摩擦强,形成断层泥的机会就多,容易形成好的封闭物。但是,如果断距超过区域盖层的厚度,就可能造成断层垂向的导通。(6)断裂的活动性:断层的疏导性具有幕式特征,断层活动期其封闭性差,静止期其封闭性相对性较好。(7)断层密度:在一定的区域范围内,断层的条数越多,岩石破碎就厉害,变形程度就越大,因而断层封闭性就越差。(8)断裂带充填物质的胶结成岩作用:断裂带充填物质的胶结成岩作用越强,其孔隙度和渗透率就越低,断层封闭性就变得越好。(9)断层两盘对置的岩性:如果断层两盘是渗透性地层相接触,并且断面又没有封隔条件,则断层是不封闭的。若两盘是渗透层与非渗透层相对置,且断层具有封隔条件,则断层一般封闭较好。(10)断层面的泥岩涂抹:在砂泥岩地层剖面上,当断层错动时在断裂带内容易产生泥岩涂抹,形成涂抹层,有利于断层的侧向封闭性。4断层封闭性评价方法断层封闭性的研究方法很多,如断层两侧的岩性配置、断层的力学性质、断层的封闭史,流体势分析法、断层面物质涂抹法等,总的来说主要有定性和定量方法评价方法。4.1定性评价方法常用定性评价法:(1)断层两侧地层对置样式分析法断层侧向封闭性取决于断层两侧岩性对置情况,在勘探程度较高,资料较充足的条件下,断层两侧对置的岩性及其在三维空间的分布都比较清楚,根据不同岩性的排驱压力的图3、揭示控制流体穿越断层运移溢出点的断层剖面（图3、揭示控制流体穿越断层运移溢出点的断层剖面（Allan,1989）(2)“Allan断面图”法图4、增量断距控制溢出点位置的断层面示意图（WilliamR.James,2004）通过作图法,能够比较直观、准确地判断断层两侧的岩性配置及断层面物质涂抹的情况,用来评价的侧向封闭性。图4、增量断距控制溢出点位置的断层面示意图（WilliamR.James,2004）(3)断层活动性分析应用断层埋藏史、演化史结合区域构造的演化,分析断层的性质、活动的大小程度、时间与油气的运聚关系,评价断层的封闭性。4.2定量评价方法4.2.1断层封堵系数法纵向封堵系数,用来评价断层在纵向上对油气水等流体封堵能力强弱的一个参数,是断层落差(L)和盖层厚度(H)的比值,其值越小,纵向封堵能力越强;反之,封堵性较差。R=式中:α:断层倾角β:储层倾角L:断层垂直落差H:盖层厚度K:比例系数(k=h/H,h:盖层叠盖厚度)横向封堵系数,用来评价断层面将两盘油气封闭起来,互不相串的一个参数,是构造封堵系数C与储集系数R之和再与岩性封堵系数G相乘之积。其值越大,横向封堵能力越强;反之,封堵性较差。岩性封堵系数G,其值在0~1之间,封堵层为纯砂岩,G为0;泥质砂岩G为0.5;砂质泥岩G为0.75;泥岩G为1。C=R=F=G×(C+R)式中:C:构造封堵系数R:储集系数G:岩性封堵系数F:横向封堵系数L:断层垂直落差H:盖层厚度α:断层倾角β储层倾角h:储层厚度4.2.2断层面物质涂抹分析法Bouvier(1989)在研究尼日尔三角洲时,提出“泥岩玷污潜力CSP”,表示沿断面某点某泥岩层被涂抹的相对量值,其值随泥岩厚度或泥岩层数的增加呈正相关关系,随断距的增大呈相反关系。CSP=∑Lindsay(1993)提出了“泥岩玷污因子SSF”,提出断层的断距越大,断开泥岩的厚度越小,泥岩涂抹层在空间上的连续性越差;断层的断距越小,断开泥岩的厚度越大,泥岩涂抹层在空间上的连续性越好。SSF与源岩层的厚度、层数成反比,而与断距成正比。SSF=CSP适用于断面剪切型的涂抹,SSF适用于压入型的涂抹,它们不适合厚层非均质的碎屑岩岩层。Yielding(1997)等提出了“断层泥此率SGR”,对于砂泥岩层序,用断面中各泥岩层的厚度之和与断距之比SGR来评价断面的封闭性,其方法比较实用简单。SGR=×100%或SGR=×100%图5、粘土涂抹定量计算示意图（赵密福等，2005）断层面物质涂抹分析法是近些年来定量确定断层封闭性的一种有效方法,也是定量判断在断层面附近形成的泥岩涂抹带是否连续分布的一个重要的参数。图5、粘土涂抹定量计算示意图（赵密福等，2005）5断层封闭性研究总结与展望断层封闭性是一个极为复杂的地质问题,它不仅受断层的力学性质、断面承受应力状况、断层剪切带、泥岩玷污带、断层两盘储层排驱压力、断层两盘岩性配置关系、断层两盘地层产状配置关系和断层活动时期与油气运移聚集期的配置等多种地质条件制约,而且也受构造演化史、应力场演化史、盆地充填史制约。在勘探区资料匮乏的情况下,如何建立起确实可行的早期区域性的断层封堵方法,如何在良好的地震资料的基础上,充分挖掘其中所包含的各种属性信息,分析地下流体及岩性分布变化,用以对关键性断层进行早期封闭性预测,这是断层封闭性的一个发展方向。而在开发过程中,用注采井已确认的断层封闭性的变化情况,来认识油气开采过程中各种条件改变对地层的影响作用,分析各影响因素的改变造成的断层封闭性质的变化,发展完善断层封闭理论的各个环节。在理论的指导下,如何通过改变一个或多个控制因素来达到对目标断层进行封闭性的控制,最终以此来提高断块油气田的采收率,这是断层封闭性发展的一个阶段性的目标。对于现今理论的发展,首先应更加完善断层的封闭机制及封闭机制之间的相互关系,其次应扩大研究范围(如断层的热异常、伴生构造和断层附近流体的物化改变情况等)和加深研究层次(如断层活动史和封闭史的研究等),消除不确定因素的干扰,在评价的方法上还需加强多因素评价方法的研究,同时应大力开发计算机专业软件系统,提高数字化模拟研究与三维可视化技术,最终建立起确实可行的区域性的断层封闭性评价系统及标准,使断层封闭性的评价更具有可操作性,结果更具有可靠性,为油藏的科学管理提供良好的服务。综合看来,现今的断层封闭性研究以数学(逻辑信息法、非线性映射分析法、断层应力计算法、模糊评判分析法及概率法等)、地球化学为基础理论,以计算机处理技术为手段(构造应力场模拟、地震资料特殊处理技术、断层封堵性专业模拟软件等),从断层几何学、断层运动学、断层动力学、地层岩性与排替压力等方面,探讨了断层封闭的机制与可能性,实现了从定性到定量,从单学科、单一技术手段研究向多学科、多技术手段综合研究的发展。6参考文献PrieeLC.Basinrichestsandsourcerockdisruption:afundamentalrelationship.JournalofPetroleumGeology，1994，17(l):15SmithDA·Theoreticalconsiderationofsealingandnonsealingfaults[J]·AAPGBulletin,1966,50(5):363~374·EngeldeJT·Cataclasisandthegenerationoffaultgouge[J]·GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1974,85(3):1515~1522·WeberKJ,MandlG,PilaarWF,LehnerF,PreciousRG·TheroleoffaultsinhydrocarbonmigrationandtrappinginNigeriangrowthfaultstructures[M]·SocietyofPetroleumEngineers,10thAnnualoffshoreTechnologyConferenceProceedings,1978:2643~2653·WattsNL·Theoreticalaspectsofcap-rockandfaultsealsforsingle-andtwo-phasehydrocarboncolumns[J]·MarineandPetroleumGeology,1987,4(4):274~307·AllanU·S·Modelforhydrocarbonmigrationandentrapmentwithinfaultedstructures[J]·AAPGBulletin,1987,(4):803~811·BouvierJD,Kaars-sijpesteijnCH,VanderpalRC·Three-dimensionalseismicinterpretationandfaultsealinginvestigations,NunRiverField,Nigeria[J]·AAPGHardingTP·Interpretationoffootwall(lowside)faulttrapssealedbyreversefaultedandconvergentwrenchfaults[J]·AAPGBulletin,1988,72:738~757·HardingTP·Structuralinterpretationofhydrocarbontrapssealedbybasementnormalblockfaultsatstableflantofforedeepbasinsandatriftbasins[J]·AAPGBulletin,1989,73(7):812~840·KnipeRJ·Faultingprocessesandfaultseal[A]·in:LarsenRM,eds·Structuralandtectonicmodellinganditsapplicationtopetroleumgeology[C]·NorwegianPetroleumSocietySpecialPublication,1992:325~342·KnipeRJ·Juxtapositionandsealdiagramstohelpanalysefaultsealsinhydrocarbonreservoirs[J]·AAPGBulletin,1997,81(2):187~195·LindsayNG,MurphyFC,WalshJJ&WattersonJ·Outcropstudiesofshalesmearsonfaultsurfaces·SpecialPublicationInternationalAssociationofSedimentologist[C],1993:113~123·AntonelliniM,AydinA·Effectoffaultingonfluidflowinporoussandstones:petrophysicalproperties[J]·AAPGBulletin,1994,78(3):355~377·GibsonRG·Fault-zonesealsinsiliclasticstrataoftheColumbusBasin,OBergRR,AveryAH·SealingpropertiesofTertiarygrowthfaults,TexasGulfYieldingG,FreemanB&NeedhamDT·Quantitativefaultsealprediction[J]·AAPGBulletin,1997,81(6):897~917·PeterB,GrahamY,HelenJ·UsingCalibratedshalegougeratiotoestimatehydrocarboncolumnheights[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):397~413·KimJin-wook,BergRobertR·TrappingcapacityoffaultsintheEoceneYeguaFormation,EastSourLakefield,southeastTexas[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):415~425·DoughtyPT·Claysmearsealsandfaultsealingpotentialofanexhumedgrowthfault,RioGranderift,NewMexico[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):427~444·JonesRM,HillisRR·Anintegrated,quantitativeapproachtoassessingfault-sealrisk[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):507~524·WayneRBailey,JimUnderschultz,DavidNDewhurst,GillianKovack,ScottMildren,MarkRaven·Multidisciplinaryapproachtofaultandtopsealappraisa;lPyrenees-Macedonoilandgasfields,ExmouthSub-basin,AustralianNorthwestShelf[J]·MarineandPetroleumGeology,2006,23(2):241~259·曹瑞成,陈章明·早期探区断层封闭性评价方法[J]·石油学报,1992,13(1):33~37·吕延防,陈章明,等·非线性映射分析判断断层封闭性[J]·石油学报,1995,16(2):36~41·吕延防,李国会,等·断层封闭性的定量研究方法[J]·石油学报,1996,17(3):39~45·童亨茂·断层开启与封闭的定量分析[J]·石油与天然气地质,1998,19(3):45~50·周新桂,孙宝珊,等·现今地应力与断层封闭效应[J]·石油勘探与开发,2000,27(5):127~131王志欣信荃麟·关于地下断层封闭性的讨论———以东营凹陷为例[J]·高校地质学报,1997,3(3):293~300·沈传波,梅廉夫,等·基于三维古构造应力场数值模拟的断层封闭性研究[J]·石油实验地质,2004,26(1):103~107·邓俊国,王贤,等·模糊综合评判在柳堡断块圈闭评价中的应用·断块油气田,1999,6(6):5~9·王朋岩·利用灰色关联分析法评判断层的封闭性[J]·大庆石油学院学报,2003,27(1):4~6·杨勇,邱贻博,查明·用模糊综合评判方法研究断层封闭性———以高