涠西南凹陷低倾角断层封堵能力分析

王立锋 李文龙 沈利霞 刘云芝 曾 超

中海石油（中国）有限公司海南分公司

0 引言

涠西南凹陷是中国海上重要的富生烃凹陷之一，经过40多年勘探，相继发现了众多的油气田，连续多年保持了较高的勘探工作量，至今仍处于储量快速增长阶段。随着勘探程度的不断提高，井网密度持续加大，近洼勘探区新发现的油气藏规模逐渐变小，勘探效益趋于边际化，寻找优势富集区块是当前亟待解决的勘探问题。

涠西南凹陷近洼带“背形负花状”断块大量发育，油气运聚条件优越，勘探风险低。虽然剩余圈闭规模较小，但落实圈闭条件好的优质断块，有望发现大烃柱高度且多层系富式成藏的富集块。笔者认为关键点是控圈断层的侧封能力。涠西南“背形负花状”断裂带由一组组花状断裂组成，其内部发育众多的花心断层，向外逐渐过渡到较大型的花瓣断层，花瓣断层呈侧阶传递的特征，即每组花瓣断层依次连接下一组花状断层的花瓣断层，相邻两条花瓣断层的间隙形成了断块圈闭或断块+岩性圈闭。以往对于间隙较小的花瓣断块未引起足够的重视，但实际上本研究区的花瓣断层多为低倾角断层，具有非常强的封堵能力，体现为断层位移更长、泥岩涂抹作用更强，特别是断面正应力更大。

以往对于断层封堵性的研究内容非常宽泛，包括断层活动性质、断距大小、砂泥对接关系、泥岩涂抹强度、断面闭合程度、泥质填充量以及后期成岩作用等，但应用于目标区时暴露出对断层封堵性的主控因素了解得不够透彻，断层解释充满多解性。因此，笔者通过已钻井的统计分析理顺了该区断层封堵性的主控因素，明确了本区断层封堵性的最关键因素是断层倾角大小，而断层倾角大小和埋深直接决定断面正应力，断面正应力又直接制约圈闭有效性。故引入断面正应力评价参数，建立研究区断面正应力与烃柱高度关系的预测图版，预测断层封堵能力。研究认为低倾角断层控制的圈闭保存条件好，断层封堵能力更强，能够封住更高的烃柱高度。据此研究成果优选了3个低倾角断层控制的圈闭实施钻探，共钻探3井6眼，均发现了厚层油气藏，实现了“小圈闭找到规模油气藏”的勘探目的。

1 区域概况

北部湾盆地位于我国南海北部大陆架西部，位于扬子板块南端粤桂古生代褶皱带和海南褶皱带之间的红河走滑断裂带，是在中生代区域隆起背景下发育的新生代断陷盆地[1]。盆地面积5.1×104km2，包括涠西南、乌石、海中、迈陈等多个富生烃或潜在富生烃凹陷。涠西南凹陷位于北部湾盆地的西北部，面积约3.8×103km2，是中国南海北部大陆架重要的富生烃凹陷之一，也是北部湾盆地最重要的油气勘探区[2-4]。

北部湾盆地处于印度—澳大利亚板块、欧亚板块和太平洋板块的结合部位[5]，与自新生代以来，北部湾盆地经历了神弧运动、珠琼运动、南海运动和东沙运动等多期次的构造运动[6]。涠西南凹陷的形成与演化受始新纪印支板块与华南古陆碰撞的后新生代再活动，以及渐新纪的右旋扭张作用所控制。涠西南凹陷属于典型的“下断上拗”的断陷湖盆，其构造演化经历了古近纪张裂阶段和新近纪裂后两个阶段[7]。古近纪张裂演化经历古新世、始新世初期、始新世中期和中晚渐新世四次张裂活动，张裂时期构造应力不断右旋，控凹断层自西向东逐步发育。古近系断陷期的早期发育3条NE—SW走向的大型张扭性断裂，即一号断裂、二号断裂和三号断裂（图1），是盆地内重要的控凹断裂。组成断裂带的断层多数为NE—SW走向，少数呈NS和NW—SE走向。3条张扭性断裂带控制了涠西南凹陷的构造和沉积作用，控制了涠西南A洼、B洼和C洼的形成和发育，控制了烃源岩和油气疏导体系的分布，控制了凹陷内6个大型正向构造单元的分布。涠西南凹陷是一个多层序油气富集的富生烃凹陷，凹陷内油气具有复式聚集，满洼分布的特征，是南海西部海域最重要的油气田勘探、开发基地。盆地内油气富集于二号断裂带、涠西南低凸起、南斜坡和斜阳斜坡以及一号断裂带西构造脊和东构造脊6大大型正向构造单元之内。

图1 涠西南凹陷区域构造位置图

在古近系断陷期的晚期，随着应力场的右旋作用[8]，在原有NE—SW走向的大型断裂基础上发育了一系列近E—W向的雁列式断层，在地震剖面上呈“背型负花状”。成熟烃源岩范围内的二号断裂带、三号断裂带及洼中隆的断块圈闭是涠西南凹陷勘探最为成功的类型，以反向断层遮挡的断块圈闭或断块+岩性圈闭最为有利。具有埋深浅，储量规模大，多层系复式成藏，储层物性好，测试产能高，动用程度高的特点[9]。

2 涠西南凹陷勘探难点

涠西南凹陷作为南海西部油气勘探的主战场，历经40多年的勘探，已经成为中国海上勘探程度最高的凹陷之一。目前，凹陷内基本实现全三维覆盖，勘探程度高，连续多年保持了较高的勘探工作量，油气勘探日趋精细化。随着井网密度的持续加大，近洼勘探区面临库存目标少，有利圈闭落实难度大，剩余圈闭碎块化，发现的油气藏规模逐渐变小，勘探效益逐渐趋于边际化的现状[10]。如何寻找优势富集区块提高勘探成效是亟待解决的问题[11]。

涠西南凹陷近洼带在古近系晚期发育一系列近E—W向的雁列式断层，地震剖面上呈“背型负花状”结构，其中花瓣断层倾角小且断距大，向花心方向断距逐渐变小，断层倾角逐渐变大[12]。受不同类型的断层控制，本区断块圈闭及断块+岩性圈闭大量发育，断层封堵性好坏决定了圈闭有效性，是控制成藏及储量规模的关键因素。以二号断裂带为例，该区晚期走滑活动强烈，花状断块大量发育，油气运聚条件优越，成藏概率高。但断裂复杂、断块破碎，单个断块圈闭面积多小于0.3 km2。小构造挖潜是当前重要的增储上产方法。钻探证实反向断层遮挡的“牙刷”式断块虽然面积小，但在局部富集块具有一定的储量规模，是当前主要的勘探挖潜区。关键问题是断层封堵性对油气成藏以及充满度的控制作用，如何加强断层封堵性研究，在小圈闭内落实高封堵能力的控圈断层，进而在小构造找到较大烃柱高度的富集块落实规模储量，是提高勘探成效的关键[13-14]。

3 低倾角断层封堵能力

3.1 依托断面正应力半定量计算断层封堵性

断层的封堵性是指断层对油气的封闭能力，同时受泥岩涂抹、断层两侧岩性对接关系、断面压力、断裂带填隙物、地层成岩作用等多方面控制[15-17]。目前，业界对断层封堵性的研究主要从断层活动性质、断距大小、砂泥对接关系、泥岩涂抹强度、泥岩剪切带长度、断面闭合程度、泥质填充量以及后期成岩作用等方面开展[18-21]，研究非常全面而系统。但对于特定的地区，断层封堵性往往受其中的某一因素主控，其他因素占的权重非常小。所以在未明确研究区断层封堵性的主控因素之前泛泛地开展研究，会导致研究套路化，缺乏针对性，研究的多解性高且可靠性不高。

研究发现，制约本区断层封堵性的最关键因素是断层的开启性与封闭性[22]，而对于断层启闭性的研究，目前国内外主要进展和成果体现在断层封闭机理、封闭史和封闭性评价3个方面[23]。而断层的启闭程度直接受断层产状控制，这一点在涠西南凹陷表现最为突出。涠西南凹陷的二号断裂带为一系列“背形负花状”断层群组成，从一条主干断层沿走向过渡到另一条主干断层的构造变形带发育低倾角的铲式断层[24]，对比发现，低倾角断层断面正应力更大，断层位移更长、泥岩涂抹作用更强、封闭性更强。统计发现，断面正应力和封堵能力有直接的对应关系。因此在原有的断裂封堵性分析基础上引入断面正应力评价参数，以评估断层的封堵性。

利用断面正应力评价封堵性的机理是：制约断层封闭性的最关键因素是断面的紧闭程度，当断裂活动停止后，断层面上受到上覆地层的压力而发生愈合，断层面承受的压力越大，断层愈合程度越高，封闭性能也就越好。由于地下岩石孔隙内外地层水产生的静水压力可以完全抵消，静水压力对断层封闭性不产生作用，断层只受上覆地层岩石骨架的重力作用而施加的压力，由此可通过断层面所受正应力判断断面的封堵性。断面正应力的计算公式为：

式中p表示断面正应力，Pa；ρr表示上覆地层的平均密度，kg/m3；ρw表示平均地层水密度，kg/m3；θ表示断层面与水平面的夹角，（℃）；g表示重力加速度，m/s2；h表示断层面的埋深，m。

按照式（1），以涠西南凹陷二号断裂带中段断块圈闭群为靶区，定量计算各断面位置所对应的断面正应力，作为评估断层封堵性的依据（图2）。

图2 涠西南凹陷二号断裂带重点圈闭断层倾角与断面正应力关系示意图

随后，通过对已钻井的统计分析，建立了本区涠洲组下部（T74—T80）断面正应力与烃柱高度关系的预测图版，将断层封堵分析从原有的定性分析发展到半定量的计算。在研究的过程中，计算了涠西南凹陷二号断裂带多个油气田不同圈闭控圈断层的关键参数，包括断层倾角、垂直断距、断面正应力等，并统计了相对应的烃柱高度。发现随着断层倾角的变小，断层垂直断距和断面正应力均增大，与烃柱高度的增大有明显的对应关系。即随着断层倾角的变小，断层的封堵能力变强，成藏的几率增大，且同样的埋深下断层所封堵的烃柱高度也增大。

在对涠西南凹陷二号断裂带涠洲组下部断面正应力与烃柱高度的统计分析基础上总结出3条规律（图3）：①当断面正应力小于9 MPa时，为成藏的高风险区，钻井多失利，这类圈闭多位于花状断层靠近花心的部位，断面陡而直，断距小；②当断面正应力大于20 MPa时，成藏概率高，且烃柱高度与断面正应力呈强相关的特点，这类圈闭多位于花状断层外缘的花瓣断层，以平缓的铲式断层为主，断层断距较大；③断面正应力大于9 MPa而小于20 MPa时，成藏风险介于以上两者之间，且烃柱高度与断面正应力相关性不强，提示在这种情况除了断面正应力之外，还要其他因素对圈闭条件起控制作用，这类圈闭多位于花状断层的中部，即花瓣断层与花心断层之间。

图3 涠西南凹陷二号断裂带断面正应力与烃柱高度关系图

通过式（1）可明确断面正应力受埋深、断层倾角、上覆盖地层和地层水密度4个变量控制，后两者相对恒定，前两者是最重要的变量。结合统计分析，可以得出明确的结论：在相同埋深下低倾角断层断面正应力更大、封堵能力强，是降低勘探风险和寻找高储量丰度油气藏的最为有利区带。

3.2 低倾角断层封堵性能的勘探实践

3.2.1 有利勘探区的选择

通过分析，涠西南凹陷断层主要活动期有3期。其中古近纪始新世为断陷阶段，NE—SW向大断层贯穿整个凹陷，为典型的控凹控带断层；古近纪渐新世时期受右旋走滑作用影响，在原有断层的基础上发育了一系列近E—W向断层，呈现出雁列式展布的特征，此时为洼中绝大多数复杂断块圈闭群的定型期和油气充注期；新近系时期仅洼中局部NW—SE向断层有活动。在二号断裂带中段，渐新统近E—W向雁列式断层在地震剖面上表现为典型的花状结构，其花瓣断层在渐新统涠洲组底部有规律地发育低倾角的铲式断层，并与早期深入烃源岩的NE—SW向大断层相对接，一方面沟通了深部烃源，另一方面提供了有利的断层侧封条件。因此，二号断裂带中段的油气运聚条件和圈闭条件都相对更为有利。

在二号断裂带中段，近E—W向的花瓣断层一般只在南北两个方向上控制圈闭的侧封，在另两个方向上，需要落实岩性尖灭或者向两侧下倾的构造。在纵向时序约束、横向相带控制的基础上，研究发现涠洲组底部低位—湖侵域发育辫状河三角洲，其前缘主流线呈SW—NE方向，与近E—W向的断层存在约45°的夹角，北西和南东两个方向可由三角洲前缘主流线向两翼尖灭形成岩性侧封。依此，在辨状河三角洲主流线与雁列断裂耦合区可批量落实构造圈或构造+岩性圈闭。

二号断裂带活动强度具有中部强、向东西两侧变弱的特点，中段低倾角断层广泛发育，因此于二号断裂带中段作为重点研究靶区（图2中虚线圈），进行了深入的断层封堵能力研究，并指导钻井部署。

3.2.2 低倾角断层封堵能力的钻探证实

通过以上研究，明确了低倾角断层控圈能力更强，是小圈闭实现大突破的首选目标。因此，在二号断裂带中段渐新统涠洲组底部优选了若干断块，锁定低倾角断层发育区作为重要勘探靶区。研究过程中遇到了一个关键的问题，即随着断层倾角变低，地层的倾角也随之变大。例如，本次优选的Z11-2E-12设计井区所在的断块圈闭处，断层倾角仅有20°（图4），这对油气封堵是有利的条件。但同时目的层段地层倾角也高达到30°，不利于规模成藏。一方面低倾角断层可控制更大幅度的油气；另一方面大倾角地层导致圈闭幅度随着距控圈闭断层距离变大而迅速变大。统计发现，本区断块圈闭平均烃柱高度为100 m，当地层倾角达到30°时，按100 m的烃柱高度计算，含油范围只有距断层173 m的水位距离，可见大的地层倾角对形成较大的圈闭非常不利。有利条件和不利条件谁占主导取决于低倾角断层控制的烃柱能否远大于100 m。

图4 Z11-2E-12d/sa设计井区地震解释剖面及断裂平面分布图

通过前面所述的断面正应力对断层封堵能力的半定量研究，选择三个低倾角断层控制的圈闭实施钻探，依次钻探了3个井眼（Z11-2E-8d井、Z11-2E-9d井、Z11-2E-12d井），钻遇的烃柱高度均在140 m以上，且均未见水。因此3口井均分别向更低部位实践侧钻井的钻探（Z11-2E-8dsa井、Z11-2E-9dsa井、Z11-2E-12dsa井）。从钻探结果发现，低倾角断层的确控制了更大的烃柱高度，克服了地层倾角大而带来的不利因素。所钻遇的3个圈闭断层倾角逐渐减小，从39°到30°再到20°；断层垂直断距逐渐增大，从115 m到205 m再到434 m；断面正应力逐渐增大，从21.2 MPa到22.9 MPa再到25.9 MPa；最终钻遇的烃柱高度均大于100 m，依次为360 m、190 m和275 m。3口侧钻井眼在目的层均未钻遇水层，地下实际的烃柱高度应远大于本区100 m的平均烃柱高度。

以上3井6眼均于小型断块圈闭发现了规模储量。特别是控圈断层倾角仅有20°的Z11-2E-12d/sa井（图4），呈现多层复式成藏的特点，虽然平均含油气面积仅0.25 km2，但油气发现的储量非常可观。

综上所述，断层正应力是控制断层封堵能力的最关键因素之一，基于断层正应力评价参数的半定量研究肯定了低倾角断层的封堵能力。基于低倾角断层控圈研究和勘探实践实现了“小圈闭找规模油气藏”的显著成效。

4 结论

制约该区断层封堵性的最关键因素是断层的开启性与封闭性，而断层的启闭程度直接受断层产状控制，相对而言，低倾角断层断面愈合程度更高，封闭性能更好，对油气的封堵能力更强。

统计发现断面正应力和控圈断层的封堵能力呈正相关关系，在相同埋深下低倾角断层断面正应力更大，形成的圈闭保存条件更好，能够封住更高的烃柱高度。

3）断面正应力大于20 MPa时，成藏概率高，这类圈闭多位于花状断层外缘的花瓣断层，以平缓的铲式断层为主，断层断距较大；断面正应力小于9 MPa时，为成藏的高风险区，这类圈闭多位于花状断层靠近花心的部位，断面陡而直，断距小；断面正应力大于9 MPa而小于20 MPa时，成藏风险介于二者之间，这类圈闭多位于花状断层的中部，即花瓣断层与花心断层之间。

4）在低倾角断层发育区优选了3个有利目标，钻探了3井6眼，均获得厚层油层，证实了断层倾角、断面正应力与烃柱高度存在着较好的对应关系。