渤海湾盆地歧口凹陷滨海-港西断层垂向封堵性评价研究

张雨健王延斌

中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院,北京 100083

断层封堵性的定量化研究是当今指导油气勘探与开发的热点与难点之一[1],其评价方法日趋成熟。自20 世纪80年代以来,国内外学者从不同方面对断层封堵性进行定性乃至定量的评价研究。

在对断层侧向封堵性的评价中,Allan 通过研究构造圈闭中断层对封堵能力的影响,绘制Allan 图,又称“断面图”；Knipe 则对断层面的实际形态作图分析,绘制以断层面为理想模型的传统三角图,半定量地剖析断层不同区段的封堵能力；Yielding 综合前人研究,提出断层泥比率法(SGR 法),首次将泥质含量引入断层封堵性定量评价之中,至今仍被广泛采用[2-5]。国内学者对于断层封堵性研究起步晚,但成果颇丰。吕延防等[6]的“非线性映射分析法”将数理统计与模糊数学方法引入到断层封堵性的定量评价中；张立宽等[7]的“断层连通概率法”以王家岗油田为地质背景,通过分析断层开启系数与断层连通概率的内在关系,实现对研究区断层封堵性的定量评价；曹瑞成等[8]的“逻辑信息法”从统计角度总结了评价断层封闭性的参数或标志,应用逻辑信息法建立了早期勘探区断层封闭程度的统计预测模型,在对模型进行检验和分析后,证明用对象权值的大小可以评价断层的封闭性。在对断层垂向封堵性评价中,普遍采用物理实验模拟法、模糊评价法及泥岩涂抹法。物理实验模拟法通过建立数学模型利用叶点等级进行半定量评价；模糊评价法则是考虑影响断层封堵的各个参数权重的数学分析法；泥岩涂抹法通过断层断距与盖层厚度比值来反映垂向封堵能力,进一步从多学科、多角度提高断层封堵性定量评价的准确性。但油气在遭遇断层的运移过程是水平与垂直向的结合,前人在探讨断层封堵性时,未能将侧向与垂向充分结合,忽略了两者的耦合关联,其评价结果难免会有偏差。

为更进一步满足对现场油气勘探的有效指导,对于断层垂向封堵性的定量评价愈发关键。本文依据现今运用较为成熟的断储排替压差法与泥岩涂抹系数法,充分利用测井与钻井资料,尝试采用将断层侧向断储排替压差与垂向封堵性评价相结合的方法,研究了该断层不同区段的垂向封堵性情况,为断层在侧向与垂向封堵性评价的耦合提供了一定的指导与参考[9]。

1 地质背景概况

歧口凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的中北部,断裂系统极其发育,是典型的箕状断陷[10]。其结晶基底为太古界及下元古界变质岩,上覆为华北地台型沉积盖层,总厚可达14 000 m。由于加里东构造运动的影响,其泥盆系与志留系地层被完全剥蚀,上古生界地层残留厚度在0 ～ 950 m,其总体呈反旋回层序特点,底部为加里东区域不整合,上部地层下三叠统地层角度不整合。歧口凹陷北大港潜山呈现出“三凹夹一隆”的构造特征(图1)。

图1 歧口凹陷构造单元划分图（据中石油大港研究院）Fig.1 Division map of structure in Qikou Sag（Revised from PetroChina Dagang Research Institut e）

歧口凹陷形成于新生代,建立在前古近系基底之上,是黄骅坳陷重要的含油凹陷[11]。其中,北大港潜山南北两侧分别为歧北次凹与板桥次凹,两凹不断生烃,油源断层作为输运通道,其高部位成为油气运聚赋存的中心地带[12]。北大港潜山位于歧口凹陷北翼,空间分布上可划分为刘岗庄潜山、歧北潜山与千米桥潜山[13]。目前对于北大港古近系地层的油气勘探已趋近成熟,油气产量十分可观,但主要集中于新近系地层,上古生界地层复杂的断裂系统致使北大港的油气充注及演化过程难以精确剖析[14]。作为贯通北大港潜山重要的油源断层,滨海-港西断层位于北大港港北潜山南翼,走向NE,并沿走向逐渐独立成滨海与港西断层(图2),对北大港上古生界地层的油气充注成藏起到了至关重要的作用。基于此,对滨海-港西断层进行垂向封堵性的定量评价,为更进一步揭露北大港上古生界油气藏分布,指导北大港上古生界的油气勘探开发提供理论依据[15-16]。

图2 北大港上古生界底界构造Fig.2 Tectonic map of the upper paleozoic bottom boundary of Beidagang

2 断层封堵性评价机理与评价参数

2.1 断层封堵性评价机理

断层在活动过程中会产生低压裂缝空间,随着活动结束,裂隙不断被岩石碎屑、断层角砾、断层泥等充填,受成岩作用影响,孔隙度与渗透率逐渐减小,泥质含量增大,使断层岩的排替压力增大,侧向与垂向封堵能力逐步变强[17]。

断层岩类型往往决定了断层封堵的类型:当储集岩与排替压力高的地层单元并置时,为并置封堵；当泥岩发生形变进入断裂带形成连续、低渗的断层泥岩带时,为涂抹封堵；当岩体破碎导致粒度与孔隙度的降低,致使断层带排替压力增高,为碎裂封堵；当断层岩埋深、温度、压力及泥质含量增大,致使断层岩排替压力增大,为成岩封堵[18]。

2.2 断层封堵性评价参数

断层侧向封堵性的评价参数包括泥质含量、埋深、渗透率、排替压力等,其中排替压力是评价断层封堵性的基本依据,即断层的油气运移盘与断层岩排替压差的大小决定了油气的赋存或运移。当油气运移过程遭遇断层岩,若油气所在盘排替压力大于断层岩的排替压力,油气可向断层岩进行侧向输运,不利于油气的富集；反之,则在侧向上无法运移,加上优越的盖层条件,形成油气富集有利区[19-21]。

断层垂向封堵性的评价参数主要有断层断距、盖层厚度等。史集建等[22]利用泥岩涂抹法对歧口凹陷港东断层的动态破坏进行精确地解释分析,定量地得到盖层的破坏程度及垂向的封堵强弱,预测出油气的运聚时间以及成藏区段。

3 断层封堵性的定量评价

3.1 地质模型的建立

前人在对于断层侧向封堵性的评价中虽考虑了断层岩的泥质含量、埋藏深度、断层倾角等,但并未深入探究参数之间的耦合复杂性,如断层岩泥质含量会受到埋深的间接影响,断层倾角的变化同样会导致断盘对接岩性的变化,泥质含量随之变化,因而无法针对特定研究区进行合理有效的定量评价。基于此,引入断层侧向封堵系数Ft建立地质模型,耦合相关参数[23-24]。

将式(2)与式(3)代入式(1)中,可得

式中,Ft为断层侧向封堵系数；Gy为岩性封堵系数；Cg为构造封堵系数；Rc为储层封堵系数；l为垂直断距,m；H为盖层厚度,m；φ为断层与水平方向夹角,(°)；α为地层与水平方向夹角,(°)。

图3 为基于侧向封堵系数的排替压力计算地质模型,断层在断穿断层上终点T 后停止活动,上覆地层开始稳定沉积,在其荷载作用下,断裂空间的充填物经过压实胶结等成岩作用形成断层岩。假设断面C 点的断层岩排替压力等于地层中A 点的排替压力,则C 点与A 点的泥质含量和围岩构造环境相同。由于C 点处于断裂带中,其应力状态与构造背景较A 点复杂。再假设断裂带中B 点的泥质含量同样与C 点相当,运用侧向封堵因数FL来表征侧向封堵能力。定义FL在断层中为断面正应力与侧向封堵系数的乘积,而地层中因为沿着地层倾角一定范围内的岩性与构造应力变化不大,因此FL对应为上覆地层地静压力与储层封堵系数的乘积表示。对于地层点A,确定其埋深后,根据钻井资料可确定其地静压力pA,因为断裂带的C 点与A 点的泥质含量和围岩构造环境相当,则C 点断面正应力pfC等于A 点地静压力。即

图3 基于侧向封堵系数的排替压力计算地质模型Fig.3 Geological model of displacement pressure calculation based on lateral plugging coefficient

在T 点开始接受沉积时,C 点断层岩承受的断面压力为

由式(5)、式(7)得

将式(9)与式(10)代入式(8)中,有

式中,pA为A 点地静压力,MPa；pfC为C 点断面正应力,MPa；pC为C 点地静压力,MPa；H2为C 点与上覆地层沉积终止点L 的垂直距离,m；ρr为上覆沉积岩层骨架密度,kg/m3；ρw为地层水密度,kg/m3；g 为重力加速度,m/s2；pf(CT)为B 点断层岩所承断面压力；pTL为T 点地静压力,MPa；pCT为T 点接受沉积前C 点地静压力,MPa；H4为C 点与断层上方终止点T 的垂直距离,m；H3为断层终止点T 与上覆地层沉积终止点L 的垂直距离,m。

对于确定的地层点A,其地静压力pA已知,对于所研究的断层,其断层倾角φ也已知,根据式(12)可计算得到C 点与T 点的垂直距离H4。通过调整A 点埋深,可使B 点与C 点的垂直距离改变,当确定A 点埋深后,使得B 点与C 点的垂直距离为0,即B 与C 点重合,此时A 点的地层排替压力与B 点的断层岩排替压力相同,其泥质含量也相同,而B 点的断层岩泥质含量可通过测井钻井资料获取,并运用SGR 法计算得到(泥质含量可根据伽马曲线采用希尔奇指数校正间接获取),由此可获取A 点地层的泥质含量[25]。

式中,VSGR为断层岩泥质含量,% ；ΔZi为滑过断点的第i层岩层厚度,m；Vshi为滑过断层点的第i层岩层泥质含量,% 。

3.2 研究区岩石排替压力的数学拟合

据吕延防等[21]对歧口凹陷岩石样品进行试验分析,将岩石泥质含量、岩石埋深与岩石实测排替压力进行数学拟合(图4),得到如下关系式:

图4 歧口凹陷岩石排替压力与埋深、泥质含量的拟合曲线Fig.4 Fitting curve diagram of rock displacement pressure,burial depth and shale content in Qikou Sag

式中,pdf为研究区全部岩石样品排替压力,MPa；pdr为储集层岩石排替压力,MPa；Vshf为岩石的泥质含量,% ；Zf为岩石的压实成岩埋深,m；Vshr为储集层岩石的泥质含量,% ；Zr为储集层岩石埋深,m。

通过对滨海-港西断层的钻井测井及地质资料的分析,得到其断裂带的VSGR值,再依据上述地质模型的计算过程,确定出断层岩B 点与地层点A 的埋深,根据B 点埋深与其SGR 值,进而依据数学拟合式(14),得到地层点A 的排替压力,等同于断层岩B 点的排替压力。利用式(15)计算得到油气所在盘的排替压力,最后计算断-储排替压力差。

3.3 周边钻井的侧向封堵性评价

依据滨海-港西断层的上古生界顶界走向变化与形态特征,将港西-滨海断层划分出16 个测点,通过观测和计算得到每个测点的断距和埋深以及断层整体的断距和埋深变化(图5)。对北大港滨海-港西断层周边27 口井位资料进行统计与计算,得出断-储排替压力差(表1),最后计算得出与断层周边钻井相结合的断层侧向封堵性评价结果。

表1 港西-滨海断层上古生界侧向封堵性评价Tab.1 Upper paleozoic lateral sealability evaluation table of Binhai-Gangxi fault

图5 滨海-港西断层上古生界断距-埋深变化Fig.5 Upper paleozoic fault distance-burial depth change map of Binhai-Gangxi fault

由表1 可知,滨海-港西断层周边井位的断-储排替压差多数为正值。以显水层表征断层封堵性差,以显油层表征断层封堵性好。基于此,定义在测井解释为水层的钻井中,排替压差最大的T5井0.127 MPa 为临界值(油层穿透断层岩所需的最小排替压差)。结合滨海-港西断层空间展布图可知,其侧向封堵性整体偏好,但在T12-G13 与T14-GS5 区段侧向封堵性较差。

3.4 滨海-港西断层的垂向封堵性评价

结合钻井的侧向断-储排替压差(表1),得出滨海-港西断层的临界排替压差:断层表现为侧向封堵状态时的最小排替压差。依据泥岩涂抹系数F对各井位垂向的封堵性进行评价(表2)。

表2 临界排替压差与测井解释的垂向封堵关系Tab.2 Relationship between critical displacement pressure difference and vertical pluggability of logging interpretation

由表2 可知,在干层与断-储排替压差小于0.127 MPa 的显水层中,其垂向封堵性不可知；当大于0.127 MPa 时,测井解释为显水层则垂向不封堵,为油层与致密层时则垂向封堵。在统计垂向封堵性未知的相关井位后,依据各未知井邻近层位的埋深与测井资料解释,以此推断出未知井的垂向封堵性(表3)。

表3 邻近层位的测井解释与垂向封堵关系Tab.3 Relation ship between logging interpretation and vertical plugging of adjacent horizons

综合表2 和表3,可以得到钻井的垂向封堵性,通过统计25 个钻井的断距、盖层厚度,依据泥岩涂抹计算公式,可求出滨海-港西断层临界F值(断层垂向封堵时F的最大值)(图6)。

由图6 可知,在F值小于6.2 的井位中,其上古生界滨海-港西断层大多呈较好的垂向封堵状态；而当F值大于6.2 时,断层表现为开启状态。因此,滨海-港西断层上古生界F临界值为6.2。

图6 滨海-港西断层上古生界泥岩涂抹系数F 统计Fig.6 Statistical graph of smear coefficient F of upper paleozoic mudstone in Binhai-Gangxi fault

根据滨海-港西断层周边钻井的断-储排替压差以及断层垂向F临界值,统计该断层上古生界16 个测点的断距与盖层厚度,计算每个测点的F值,若其F值大于滨海-港西断层的临界F值,该测点处断层垂向不封堵,为开启段；反之,则为封堵段。因此得到其上古生界不同层段的垂向封堵性(图7)。

图7 滨海-港西断层上古生界垂向封堵评价Fig.7 Evaluation map of the upper paleozoic vertical plugging of the Binhai-Gangxi fault

3.5 封堵性评价结果的验证

利用现有油气藏勘探与三维地震资料,对滨海-港西断层封堵性评价结果的可靠性进行了验证(图8)。发现在北大港H1503 井、H1601 井以及G121-T14、G39-S46 连井段的上古生界地层油气富集成藏,且滨海-港西断层参与并构成C-P 油层的构造圈闭,即油气运移被断层阻断并在上古生界地层成藏,表明滨海-港西断层在以上区段有很好的封堵性。这与滨海-港西断层的封堵性评价结果完全一致,进一步验证了滨海-港西封堵性定量评价的准确性。

图8 北大港上古生界相关油藏勘探剖面Fig.8 Exploration profile of related oil reservoirs in the upper Paleozoic of Beidagang

4 结 论

(1) 基于侧向封堵系数的地质计算模型通过深度转换,能够合理推算出断层岩排替压力。断层岩泥质含量越高,断层侧向封堵系数越大,则排替压力越大,封堵性好。考虑断层侧向封堵系数的断层垂向封堵性评价能很好地将各相关参数耦合,使评价结果更具说服力。

(2) 基于断层侧向断-储排替压差与垂向的封堵性耦合评价,结合研究区已有的勘探开发资料,对评价结果进行验证。证实该套断层垂向封堵性评价体系很好地解释了滨海-港西断层的垂向封堵情况,进一步论证在评价断层垂向封堵性时,断层的侧向封堵具有很强的相关性。相比单一的分割考虑断层侧向与垂向封堵性,与侧向封堵评价耦合的断层垂向封堵性评价方法更为科学合理,指导油气勘探更加科学有效。