砂—泥互层盖层垂向封闭性定量评价

高鹏博，吕丁友，黄江波，王改卫，王海学，3

(1.东北石油大学 CNPC断裂控藏研究室，黑龙江 大庆 163318； 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459；3.黑龙江省科技创新团队“断层变形、封闭性及与流体运移”，黑龙江 大庆 163318)

油气勘探实践证实，中国含油气盆地普遍具有多层系富集特征，导致油气纵向多层系富集的控制因素——“盖层—断裂”[1]。盖层是指位于储集层之上能够封隔储集层使其中的油气免于向上逸散的保护层，多数为水润湿的或水饱和的[2]，由于具有较高的毛细管压力，因此能封闭住一定的烃柱高度[3]，排替压力是其封闭能力的直接表征方法[4]。只有当油气柱产生的浮压超过毛细管进入压力时，毛细管封闭失效，油气突破盖层垂向运移[3]。

中国含油气盆地盖层岩性主要为泥质岩和膏盐岩[5]，发育3种盖层组合模式：大套膏盐岩盖层、大套质纯泥岩盖层和砂—泥互层型盖层。盖层是油气在圈闭中聚集成藏的关键因素之一，但盖层封闭性研究一直相对薄弱，影响盖层封闭性的主要因素包括盖层有效性和垂向封闭性。不同盆地、不同类型盖层测试结果表明，盖层封闭能力遵循膏岩、泥岩、碳酸盐岩和砂岩依次变差的规律，膏岩、泥岩和碳酸盐岩均能封闭住几百米到几千米的烃柱高度(图1)，而实际油气藏烃柱高度远远低于盖层自身所能封闭的烃柱高度，即盖层自身封闭能力不是圈闭失利的主要因素[1，6-8]，但盖层稳定性是油气大规模富集的重要因素，断层和裂缝是导致油气垂向调整运移或散失的根本原因[4，9-11]。因此，盖层—断层配置关系才是影响盖层有效性及油气聚集和保存的关键。无论哪种类型的盖层，随着埋藏深度增加，成岩程度、物性及温压环境发生改变[12-14]，盖层均发生力学性质变化，变形历经3个过程：脆性、脆—韧性和韧性，不同变形阶段盖层封闭能力及破裂方式不同，盖层顶部封闭能力存在差异[1]。此次重点探讨的是砂泥互层型盖层(单层泥岩层厚度较小)。理论上来讲，盖层厚度对封闭能力没有直接影响[6-7]，但盖层缺失或被断层错断均不利于油气聚集。因此，盖层仍是油气保存的重要条件，盖层厚度越大，区域分布稳定性越大。当发生断裂破坏作用时，盖层厚度越大，越不容易被破坏[1，11]。如何定量评价盖层有效性及断层垂向封闭能力定量评价就成为油气勘探深入探索的关键。本文从砂泥互层型盖层垂向封闭性控制因素出发，借鉴砂体连通性评价思路，建立了相应的断层垂向封闭性定量评价方法，从而有效地指导油气勘探。

图1 不同类型盖层排替压力和封闭能力

1 砂泥互层型盖层断层垂向封闭性控制因素

砂泥互层型盖层具有“泥包砂”的特征，一般当断层数量足够多、规模足够大时，亚地震断层和砂体配置易于形成连通网络，导致油气调整或散失(图2)[9-10]。因此，砂泥互层层序中油气垂向富集的2个关键因素：①盖层泥地比。即存在砂地比临界，决定地层是否具备作为盖层的条件(盖层自身有效性)。②垂向封闭能力。数值模拟证实，砂泥互层型盖层垂向封闭性取决于亚地震断裂条数和泥岩层的层数[9-10](图2)，Ingram等[9]提出应用连通概率(亚地震断层和泥岩层的耦合关系)定量评价断层垂向封闭。

图2 亚地震断层与砂体连通形成垂向运移通道模式

2 砂泥互层型盖层自身的有效性

单层厚度和盖地比(泥地比)是评价盖层有效性的重要参数，一般来说，同一层位的盖层单层厚度越大，盖地比越高，纵向连续分布盖层的厚度越大，分布范围越广[7]。King[15]利用逾渗理论探讨了叠置砂岩体间的连通性问题(不考虑断裂)，认为存在一个砂地比逾渗阀值，低于该门限值砂体之间基本不连通，当砂地比值超过某一临界上限值时，砂体完全连通。在King[15]的砂岩体空间分布概率模型基础上，Luo Xiaorong等[16]采用高斯拟合建立了砂岩输导层连通概率模型。借鉴文献[16]提出的应用砂地比定量表征砂体连通性的方法，提出了应用泥地比判定盖层有效性的评价方法，砂体连通即代表着不能作为盖层，而砂体完全不连通，即说明可以成为有效的盖层，介于其间存在一定的风险概率。应用砂体连通性评价原理，构建了柴达木盆地西缘砂体连通性定量评价图版，其中C0=0.1，C=0.55(图3)。泥地比评价盖层有效性可分为3级(图3)：①泥地比小于1-C时，无法成为盖层(非盖层)；②泥地比介于1-C和1-C0时为中等和差的盖层；③泥地比大于1-C0时为有效的好盖层。因此，当泥地比大于90%时，即为好盖层；当介于70%～90%时，则为中等盖层；介于45%～70%时，为差盖层；当泥地比小于45%时，则为非盖层。

图3 泥地比与盖层有效性划分模式

通过柴达木盆地油气纵向分布与盖层泥地比的关系可以看出，明显存在临界泥地比值，当泥地比大于70%时，为有效盖层，可以封闭大量油气，主体均为油层井；而当泥地比介于70%～45%时，盖层连通概率明显增加，因此导致大多数探井出现失利现象，主体均为油气显示井，工业油期流井极少；而当泥地比小于45%时，基本达到完全连通状态，无法作为盖层封闭油气，同时探井显示主要为水层，部分为油气显示井(图4)。

图4 上油砂山组盖层泥地比、连通概率及与油气富集的关系

3 砂泥互层型盖层垂向封闭性定量评价

砂泥互层层序中，垂向渗漏机制受控于封盖层的结构，当在大量亚地震断层作用下形成砂—砂对接渗漏通道时，垂向封闭失效[9]，即垂向封闭性取决于砂岩层与亚地震断层数量。基于三维地震断层数据可以清楚地识别地下大规模断裂，通过岩心和井资料可以对毫米—几米级断层进行识别[17-18]。但对于亚地震断层，通常既不能从地震数据上识别，也不能从井资料上识别[20-21]。然而，这种断裂是控制油气沿盖层渗漏的主要因素之一[19-23]。为了评价砂泥互层型盖层垂向封闭性，Ingram等[9]构建了应用蒙诺卡罗法定量预测垂向渗漏风险的方法，该方法综合考虑了单层泥岩层厚度、泥岩层数量、亚地震断层数量和断距(图5(a))。一般来说，当亚地震断层数量(最大断距大于等于最大单层泥岩层厚度的断层)是封盖层内泥岩层数量的4倍和6倍时，垂向渗漏概率达到50%和90%(图5(b))。

图5 不同泥岩层数条件下断层数/泥岩层数与垂向连通概率的关系(蒙诺卡罗法)

以柴达木盆地南翼山构造为例，油藏普遍富集在背斜高部位，油水界面并不以大断层为边界，因此，油气垂向富集的控制因素并非大断层，而是亚地震断层和砂体连通形成的渗漏通道控制着油气的垂向运聚规律，由砂岩层和裂缝构成的“之字型”运移通道导致油气穿越盖层垂向运移。断层垂向渗漏风险评价首先需要预测亚地震断层的数量，利用分形几何学的方法来预测亚地震断层数量分布是目前较为成熟，也是最为流行的一种方法，断层和亚地震断层数量与规模(长度或断距)满足一定的线性关系[24-28]。基于断层具有自相似性原理，利用分形理论建立了柴达木盆地西缘断层分形生长模型，即断层长度—累积频率图(图6(a))。从图中可以明显看出，断层长度与累积频率中间段具有极好的线性关系，两端偏离线性区受控于地震分辨率和研究区统计范围有限性。因此，选择直线段二者线性关系可以有效预测亚地震断层数量(图6(a))。南翼山构造带是柴达木盆地西缘一个重要的油气富集构造，由于研究区域范围的限制，需要校正南翼山构造带断层长度—累积频率关系图版。从南翼山构造图上可以发现，该区发育4条长度大于26 km的断层，因此，基于南翼山构造断层条数和长度关系以及柴达木盆地西缘断层生长幂率规律，构建了南翼山构造带断层长度—累积频率关系图版(图6(a))。

据统计，上干柴沟组、下油砂山组和上油砂山组地层最大单层泥岩层厚度分别为14、20、10 m，只有断层断距大于最大单层泥岩层厚度才会使相邻渗漏层发生对接，从而导致形成之字形运移通道。因此，按照最大单层泥岩层厚度计算有效泥岩层数，上干柴沟组、下油砂山组和上油砂山组地层相应的有效泥岩层数(盖层厚度/最大单层泥岩层厚度)分别为60、44和144个(表1)。通过断层长度和最大断距关系(图6(b))，可以得到二者在对数坐标近似满足100/1(长度/断距)的趋势线，结合断层长度—累积频率关系(图6(a))，可以得出上干柴沟组、下油砂山组和上油砂山组地层断距大于最大单层泥岩厚度的亚地震断层条数分别为472、131和289条(表1)。通过垂向连通概率与断层数/泥岩层数的定量评价图版(图5(b))，可以判定上干柴沟组、下油砂山组盖层垂向发生渗漏概率分别为52%、63%(图5(b))，油气向浅层调整风险性较高，而上油砂山组盖层垂向连通概率大约为2%(图5(b))，具有较低风险(表1)。从实际油气分布规律来看，南翼山构造油气具有浅层油层面积大于深层油气面积特征(图7)，这一现象与断层垂向封闭风险性评价结果具有较好的一致性。

图6 断层生长属性规律

表1 南翼山构造带砂泥互层型盖层渗漏定量评价

图7 南翼山构造油气运移成藏模式

4 结论

(1)借鉴罗晓容等提出的应用砂地比定量表征砂体连通性的方法，构建了柴达木盆地西缘砂泥互层型盖层有效性定量评价图版。通过柴达木盆地油气纵向分布与盖层泥地比的关系可以看出，当泥地比大于70%时，为有效盖层；当泥地比介于70%～45%时，盖层连通概率明显增加，导致大多数探井出现失利现象；当泥地比小于45%时，基本达到完全连通状态，无法作为盖层封闭油气。

(2)建立了应用蒙诺卡罗法定量预测垂向渗漏风险的方法，通过统计柴达木盆地不同层砂泥—互层盖层中泥岩层的数量和亚地震断层的数量判定上干柴沟组、下油砂山组盖层垂向发生渗漏概率分别为52%、63%，油气向浅层调整风险性较高，而上油砂山组盖层垂向连通概率大约为2%，具有较低风险。