克拉玛依油田石炭系火山岩区断层封闭性研究

张琳 查明 江汝锋

摘 要：为填补克拉玛依油田火山岩断裂封闭机理及定量评价研究的空白，在解剖典型火山岩油藏的基础上，应用综合因子法，综合考虑断面正压力（σ）、断裂带泥质充填物含量（Rm）、断层紧闭指数（I），结合了流体指数F对克拉玛依地区4条主要断层的封闭性进行评价，结果表明，综合因子Q与断裂封闭性有正相关关系，克拉玛依地区由东南向西北，断裂级别依次减小，断层封闭性逐渐变差。综合因子法的评价结果与实际地质情况较相符，可作为火山岩区断层封闭性的评价方法进行推广。

关 键 词：克拉玛依油田；石炭系火山岩；断层封闭性评价；综合因子法

中图分类号：TE 122 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1824-04

Abstract： In order to research the mechanism and quantitative evaluation of the fault sealing of volcanic rocks in Karamay oilfield， a new comprehensive factor analysis method was put forward； σ， Rm， I and fluid index F were chosen to evaluate the sealing characteristics of four dominant faults in Karamay. The results indicate that comprehensive factor Q has a positive correlation with the fault sealing； The level of faults decreases and sealing characteristic gets worse from the southeast to the northwest of Karamay. The result of comprehensive factor analysis matches the geological conditions well and the analysis can be popularized in the fault sealing evaluation of volcanic rocks.

Key words： Karamay oilfield； carboniferous vocanic rocks； fault sealing evaluation； comprehensive factor analysis

近年来，油气资源的需求量迅速增加，中国含油气盆地火山岩中剩余资源丰富，勘探潜力大，是未来油气勘探开发的重要领域[1]。自2005年以来，克拉玛依油田在湖湾区与六七九区陆续发现了克92井等石炭系火山岩油藏[2]，目前已累计探明13个区块，含油面积147.32 km2，探明原油地质储量13 378.65×104 t，可采储量2 153.28×104 t，展示了石炭系火山岩具有良好的油气勘探前景。

目前火山岩区断层封闭性评价尚处于探索阶段，封闭性多侧重于单因素评价及机理研究：如付晓飞运用岩性对接手段评价了松辽盆地徐家围子火山岩断层侧向封闭性[3]；孟令东将传统的Knipe单井三角图改进为双井三角图，表征徐家围子火山岩区走滑断层不同断距的岩性对接关系[4]；柳成志认为火山岩断层的垂向封闭主要依赖断裂带泥质充填和“硅迁移”造成的SiO2胶结，侧向封闭主要依赖岩性对接、胶结作用和泥岩涂抹[5]。本文提出了火山岩区断层封闭性评价的新方法，引入综合因子Q对工区的断层封闭性进行了综合评价，结果表明，克拉玛依地区由东南向西北，断裂级别依次减小，断层封闭性逐渐变差；综合评价参数的分布范围，将Q=0.43作为克拉玛依火山岩区断层的封闭下限。评价结果与实际地质情况较相符，可作为火山岩区断层封闭性的评价方法进行推广。

1 研究区地质背景

研究区为盆地西北缘克乌断裂的南段克百断裂带内的克拉玛依油田，油气区块可划分为一到九区，区域构造位置如图1。克百断裂带是由一系列左行雁列式的逆冲断裂组成的大型叠瓦状逆冲断裂带，自克拉玛依断层向东北延伸，经白碱滩至百口泉地区，走向近NE—SW，倾向近NW。克百断裂带构造运动活跃，是海西、印支、燕山多期构造运动叠加的产物 [6]。总体而言，克百断裂带的构造活动主要表现为盆地掀斜运动和冲断活动，形成的构造行跡以逆冲断层为主，伴随着局部低幅度褶皱现象。

自早石炭世基底形成以来，克百断裂带充填了上石炭统至下白垩统的碎屑岩，在晚石炭世至早二叠世，盆地部分地区还发育了火山岩和火山碎屑岩。二叠纪和早三叠世工区由于掀斜抬升运动暴露地表，二叠系和下三叠统百口泉组在长期的风化淋滤作用下被剥蚀殆尽，在石炭系顶部形成孔渗性极好的风化淋滤带，三叠系克拉玛依组泥岩直接覆盖其上。

2 断裂基本特征

克百断裂带自二叠纪以来发生多期构造运动，主应力方向从北北东向逐渐过渡为北西方向，又叠加因达布尔特断裂活动引起的扭动应力场，形成了多方向断裂彼此交织的现象，断裂在性质、分布上表现出多样性和复杂性。主要断层要素统计见表1。

根据断裂规模、活动时期、展布范围、对沉积的控制作用等，可将工区的断裂划分为三个级别：克拉玛依断裂、南白碱滩断裂均属于一级断裂，走向近NE—SW向，延伸长、断距达十余公里，是控制二叠系沉积的边界断裂；大侏罗沟断裂、克拉玛依西断裂为重要的二级断裂，走向近NW—SE向，延伸较长、断距可达数公里，可控制局部构造带的展布；主断裂附近的次级断裂、派生断裂等为三级构造，走向各异，断距较小、延伸较短，多为数十至数百米，制约了局部构造的发育。

在多期构造运动的叠加下，工区在平面和剖面上形成了多样的断裂组合型式。平面上的组合类型主要有平行式、羽列式、十字式、人字式、半月式等；剖面上的组合类型主要有Y字形、花状断裂、阶梯式、叠瓦式等。

3 火山岩区断层封闭性评价

3.1 火山岩区断层封闭性机理

断层封闭性的本质是差异排替压力封闭，当充填物的排驱压力或断层两侧的排驱压力差达到一定程度时断层封闭，否则开启。目前对于断层封闭性的研究主要集中在碎屑岩区，其侧向封闭机理包括：（1）断层两侧岩性配置[7]；（2）泥岩涂抹作用[8]；（3）颗粒碎裂作用[9]；（4）成岩胶结作用[9]。垂向封闭机理有两种：（1）断面紧闭封闭机理；（2）断裂带排替压差封闭机理。在火山岩发育地区，断裂带内充填的物质及断裂带两侧岩性对置关系都有别于碎屑岩，断层封闭机理具有重要的研究意义。

借鉴碎屑岩区对断层封闭性的研究成果，本文认为火山岩区侧向封闭原理主要包括断层两侧岩性配置和成岩作用。火山岩区有效的岩性配置主要为泥岩—火山岩对置与致密火山岩—火山岩对置。成岩作用主要表现为胶结和充填：胶结作用表现在温压条件发生变化导致碳酸盐、硅质等矿物质发生过饱和沉淀，形成高排替压力；充填作用主要表现为粘土矿物、沸石类矿物、硅质和碳酸盐类的充填。

火山岩区垂向封闭原理主要包括断层面紧闭与断裂带排替压差封闭机制。当断层两盘为面接触时，断层的封闭性主要受断层面闭合程度的影响。当断层规模较大时垂向封闭主要依赖断裂带内充填物的高排替压力。火山岩区充填物包括砂泥质和火山岩岩屑，相应的垂向封闭存在泥质充填和硅胶结两种机理。火山岩储集层普遍存在烃碱流体[10]，其碱交代作用使储层中硅质组分自下而上迁移：一方面使火山岩原有矿物发生碱性溶蚀，增大储层的孔渗性；另一方面在继续流动过程中，碱度降低时其携带的SiO2又发生过饱和沉淀，易在垂向上形成封闭。

3.2 封闭性评价公式的建立

断层封闭性受到多重因素的影响，单一因素评价只能不同程度的反映断层的封闭性能，为了体现断层封闭性的多因素影响特征，本次研究借鉴碎屑岩区断层封闭性评价方法，引入综合因子Q进行断层封闭性评价，建立加权平均型综合评判公式：

式中，wi代表第i种因素的权重系数，rij代表第j条断层第i种因素的原始数据归一化处理后的数值；Qj代表第j个断层封闭性能的综合评价结果，其值越大，断层封闭性越好。

断裂发育区流体作用很显著，因此引入了流体系数（F）进行封闭性评价：断层两侧油水界面不统一则两侧油气藏分属不同压力系统，断层封闭，流体系数F定为1，油水界面一致则断层开启，流体系数定为0，两盘均不含油则无法断定断层封闭与否，流体系数定为0.5。本次研究选取断面正压力（σ）、断裂带泥质充填物含量（Rm）、断层紧闭程度（I）和含油性（F）4个因素对工区内4条主控断层的封闭性进行评价。

权重系数的确定方法主要有专家调查法、德尔斐法和层次分析法等，结合工区实际地质特征，本次研究运用专家调查法确定了以上五个因素的权重系数（见表2），利用式（1）计算各断层不同断点的综合因子Q，最终得出克拉玛依地区断层封闭性综合评价表3。

3.3 封闭性评价结果

统计各主控断层不同岩性对置情况下的综合因子Q绘制不同断层封闭性评价柱状图2根据Q值与断层封闭性的正相关关系判断，四条断层均表现出火山岩与泥岩对接封闭性最好，火山岩与砂岩对接封闭性中等，火山岩与火山岩对接封闭性最差；就单个断层来看，克拉玛依断层、南白碱滩断层和白碱滩断层的封闭性明显高于北黑油山断层。从控盆断裂向盆地边缘，由东南向西北，断裂级别依次减小，埋深依次变浅，封闭性也逐渐变差。

依据四条断层的封闭性综合评判结果Q与深度的关系，建立D—Q关系散点图3，并统计不同岩性对置情况下的含油率（某种岩性对置情况中有油气显示的测试点数与总测试点数之比），综合研究不同岩性对置情况下主控断层封闭性的差异。经研究可知，火山岩与泥岩对接的Q值在0.46～0.9之间，封闭性较好，含油率约为75%；火山岩与砂岩对接的Q值在0.32～0.68之间，封闭性中等，含油率约为72.2%；火山岩与火山岩对接的Q值在0.27～0.51之间，封闭性较差，含油率约为50%。综合评价参数分布范围，将Q=0.43作为克拉玛依火山岩区断层的封闭下限，Q>0.43断层可形成封闭，Q<0.43断层开启。

4 結 论

（1）克百地区断裂体系在垂向上具有明显分层性，下部断裂密度、强度均大于上部断裂，可划分为三级断裂，多方向交织的断层在平面和剖面上形成了多样的断裂组合型式，如雁列式、斜交式、叠瓦式。

（2）本次研究应用综合因子法对克拉玛依油田4条断层进行了综合性评价，评价结果显示，克拉玛依油田由东南向西北，断裂级别依次减小，埋深依次变浅，断层封闭性也逐渐变差。火山岩与泥岩对接封闭性最好，含油率最高，火山岩与火山岩对接封闭性最差，含油率最低。综合评价参数的分布范围，将Q=0.43作为克拉玛依火山岩区断层的封闭下限，Q>0.43断层可形成封闭，Q<0.43断层开启。

参考文献：

[1] 朱如凯，毛治国，郭宏莉，等.火山岩油气储层地质学——思考与建议[J]. 岩性油气藏，2010，22（2）：7-13.

[2] 刘俊田，朱有信，李在光，等. 三塘湖盆地石炭系火山岩油藏特征及主控因素[J]. 岩性油气藏，2009，21（3）：23-28.

[3] 付晓飞，沙威，于丹，等. 松辽盆地徐家围子断陷火山岩内断层侧向封闭性及天然气成藏[J]. 地质论评，2010，56（1）：60-70.

[4] 孟令东，付晓飞，王雅春，等. 徐家围子断陷火山岩断层带内部结构与封闭性[J]. 石油勘探与开发，2014，41（2）：150-157.

[5] 柳成志，于海山，雷海艳，等. 三塘湖盆地石炭系火山岩中断层封闭机理研究[J]. 科学技术与工程，2011，11（23）：5517-5523.

[6] 姜向强，柳广弟，张年富，等. 准噶尔盆地克百断裂封闭性研究及其对成藏的控制作用[J]. 高校地质学报，2008，14（2）：243-249.

[7] Smith D A. Theoretical consideration of sealing and nonsealing faults[J]. AAPG Bulletin， 1966， 50 （5）： 363-374.

[8] Weber K J， Mandl G J， Pilaar W F， et al. The role of faults in hydrocarbon migration and trapping in Nigerian growth fault structures[C]. Offshore Technology Conference， 1978.

[9] Knipe R J. Structural and tectonic modeling and its application to petroleum geology[C]. Norwegian Petroleum Society Special Publication， 1992， 325～342.

[10] 柳成志，于海山. 烃碱流体对兴城地区营一段火山岩储集层的改造作用[J]. 新疆石油地质，2010，31（2）：135-138.