埕海油田滩海区地层断裂系统封闭性研究

李 倩 唐和军 周凤春 李 宁 纪建峥 侯灵炜

(①中国石油大港油田公司第四采油厂(滩海开发公司)；②中国石油大港油田公司勘探开发研究院)

0 引 言

断层封闭性是指断层或断裂带上下盘地层由于排替压力的差异，阻止流体继续流动的性质[1-5]。为弥补原油采出后造成的地下亏空，开发中后期的油田普遍进入强化注水阶段。强化注水会使初始阶段处于封闭状态的断层在油田开发过程中封闭性变差，甚至可能活化，造成注采井网不完善，影响油田开发效果。海上通天断层如果出现活化现象，可能会使地下原油沿着通天断层泄露到海中，产生溢油事故，造成严重的污染。因此需要对海上投入开发的油田开展断裂系统封闭性研究，规避相应的开发风险。

1 研究区概况

埕海油田滩海区位于歧口凹陷南部的埕北断阶区，构造上位于埕宁隆起向歧口凹陷过渡的斜坡部位，是在前第三系基岩潜山背景上长期继承性发育的大型背斜构造[6-7]，断层级别从二级大断层到五级小断层均有发育(图1)，二级断层普遍为通天断层。目前研究区多个区块已进入注水开发阶段，投入开发的主要含油层位为沙河街组沙二段，其中部分区块靠近二级断层，同时沙一下亚段白云岩地层中裂缝普遍发育，因此有必要开展断裂系统封闭性研究，以便于指导注水工作的安全开展。

图1 埕海油田滩海区构造位置

2 断裂系统特征研究

2.1 断层精细解释

研究区断距较大的二、三、四级主干断层，在地震剖面上反射相对清晰、识别难度较小；四级以下乃至更小断距的断层，单纯依靠地震资料识别有一定难度，还要依靠等时地层对比、油水关系、生产特征等综合判定。通过综合研究，研究区共解释出大小断层102条，其中二级断层4条，三级断层10条。研究区的油气分布主要受二级断层控制，而三级、四级断层横纵切割油气藏内部，从而形成众多断块。

为吸取海上溢油事故的教训，对该区存在的通天断层进行了深入研究和识别，探明该区的4条二级断层均为通天断层，即张东断层、张北断层、海4井断层和赵北断层。研究区三级断层均不属于通天断层，但W 4井西断层在沙河街组构造发育时期与多条断层交叉切割，并且连通于上部明化镇组的断层，因此该断层具有通天断层的性质(表1)。

表1 埕海油田滩海区通天断层要素

2.2 断层应力场分析

研究区主干断裂为走向近东西向的张东-海4井张性断裂及同走向的次级断裂，其次为近北东向和近北西向的次级断裂，这些断裂是在早第三纪渐新世时受深部上拱作用造成线性拉张形成的，因此断裂基本上以张性断裂为主，且具同期性。从沙一下亚段主应力场模拟平面图上分析(图2)，沿张东-海4井断层上升盘的张参1-张海5区块(从W 1井区到W 2井区)应力场主应力最大，由于应力的作用强度大，使断层面附近的岩石发生碎裂，进而导致断层带岩石颗粒减小与渗透率降低。这样的碎裂带比未碎裂岩石增大了1～2个数量级的毛细管压力，对油气的封堵能力强。

图2 埕海油田滩海区沙一下亚段主应力场模拟平面图

2.3 断裂运动学特征

断裂运动学特征一般用断裂断穿层位、断层生长指数等属性进行描述[8-9]，生长指数越大、断裂活动越强烈。研究区的通天断层均为生长断层，具有广泛性、相对性、易变性的特点，其在活动停歇期主要起封闭作用，在活动期可能引起较强的串通和窜流作用。

研究区4条通天断层断穿层位均较多，张东断层在东营组和沙一段活动较强，在沙三段活动最强烈，生长指数大；张北断层在东营组活动最强烈，生长指数大；海4井断层在馆陶组、东营组、沙一段、沙二段、沙三段的活动均较微弱；赵北断层在馆陶组、东营组和沙三段活动均较强烈，生长指数大；具有通天断层性质的W 4井西断层在沙一段活动也较强。综合分析认为，研究区通天断层的活动时期主要为东营组和沙河街组，靠近注水目的层沙河街组沙二段地层，需要对断层封闭性引起重视。

2.4 微断层和裂缝描述

研究区靠近沙二段目的层的沙一下亚段以碳酸盐岩为主，主要储油空间和油气运移通道为微断层和裂缝。通过薄片、阴极发光、岩石微观分析等试验分析结果，可以看到微裂缝在样品中大量存在(图3)，薄片观察到所见微裂缝宽0.06～3 mm，缝长8 mm，内多被有机质、泥质、石英、方解石、白云石及黄铁矿等充填或半充填，表明断裂与储层发育的缝隙是同一期应力场作用下产生的不同次级的产物。裂缝的产状具有多样性和不规则性，有平行层面或斜交、垂直穿透层面的，亦有缝隙互相交叉呈网络状。

图3 Z 2703井沙一下亚段阴极发光薄片

根据各井裂缝发育情况分析，沙一下亚段地层中微裂隙的展布方向与该区断裂的展布方向具有相似性，且主断层附近裂缝相应更为发育，在注水过程中，应避免注入水进入沙一下亚段裂缝，进而渗入主断层中。

3 断裂封闭性评价

勘探阶段或油田开发初期，大多从油藏静态方面开展断层封闭性研究，但随着开发程度的不断深入，特别是后期注水工作的开展，可能造成后期部分断层活化。因此，本次研究从静态和动态两个方面对断层封闭性进行了评价[3,10]。

3.1 静态方法评价断层封闭性

3.1.1 断层泥比率SGR法

研究认为断裂带中泥岩比例越高，发生断层泥岩涂抹的可能性越大，其孔渗性越差，毛细管排替压力越高，形成封闭的可能性越大，反之则越小。SGR表示通过各种机理挤入断裂带的泥页岩的比例，可用来定量评价和预测厚层碎屑岩层序地区的断层封闭性[11-12]。

(1)

由公式(1)可知，断层中泥岩层厚度越大，SGR值越大，断层封闭性越好。

结合本区实际，并参考吕延防等[13]对盖层封闭性的评价标准，确定埕海油田滩海区SGR评价断层封闭性标准(表2)。

表2 埕海油田滩海区SGR评价断层封闭性标准

研究区的通天断层分布控制了构造格架，为油源运移通道。通过计算各断层的SGR值(表3)可以看出，各通天断层在沙三段封闭性相对较差，而在沙二段和沙一下亚段相对较好。但在方案部署时，为减少溢油风险和无效注水，注水井还是应尽量远离大断层。

表3 埕海二区通天断层评价

3.1.2 断层断距分析法

生长断层生长初期，沿走向的不同地段具有分段生长特征，所以要分段分析生长断层的封闭性，最后比较各段封闭性相对强弱。本次研究通过断层断距分析法分析张东断层的各段封闭性，平面上以断层走向转折点(W 1井附近)为分段点(图4)，明显分为东西两段。

图4 张东断层不同时期断距统计

西段时期，张东断层活动强烈，断距普遍大于东段，沙一段中、上部有大套区域性泥岩，上升盘沙二段砂岩与下降盘沙一段的泥岩对接(图5)，因此容易形成泥质涂抹层，断面封闭性好。东段断层断距相对较小，沙二段为砂泥岩互层，不易形成泥质涂抹层，而且沙二段砂岩对接机会多，断面封闭性相对较差。到东营组至明化镇组沉积期，张东断层构造活动微弱，断距小，走向上变化平稳。

图5 张东断层上升盘沙二段砂岩与下降盘沙一段泥岩对接

总体分析认为，张东断层东段的沙一段、沙二段断面形成泥质涂抹层的程度相对弱于断层西段，且有许多层段砂岩对接，形成油气通道，来自下伏沙三段的油气易于穿过断面向上升盘的构造高点运移聚集。因此张东断层东段上升盘的沙一段和沙二段封闭性较差，W 2井注水区块应为下一步断层封闭性评价的重点区域。

3.2 动态方法评价断层封闭性

开发中后期仅从静态角度分析断层封闭性会产生片面性，这是因为有一些断层会在开发注水过程中产生活化现象[14-15]。故本次研究利用动态方法对断层封闭性进行判断。

3.2.1 区块封闭性动态评价方法

目前研究区主要有4个注水的断块，各断块内的注入量和井底压力是判断其地下是否亏空、超破裂压力注水及断层封闭性的重要依据。结合研究区实际生产情况，本次研究采用B.B.威廉斯法[16]计算地层破裂压力：

p梯=0.230 7[A+4.335×(4.335C-A)pd/H]

(2)

p破=Hp梯

(3)

注水井流压的计算[17]采用公式(4)，以最大破裂压力的85%作为注水井最大注入流压。

p流压=p井口+p静-p摩

(4)

上式中：p梯为岩石破裂压力梯度，MPa/m；A为岩石破裂压力常数，0.33～0.5，本次取值为0.4；C为上覆岩石压力梯度常数，0.23～0.25，本次取值为0.23；pd为地层压力，MPa；H为目的层中深，m；p破为油层岩石破裂压力，MPa；p流压为注水井流压，MPa；p井口为井口注水压力，MPa；p静为静水柱压力，MPa；p摩为摩阻损失压力，MPa。

3.2.2 W 2井封闭性评价

据上文断裂系统特征研究和静态法评价断层封闭性研究认为，W 2井注水区块紧靠张东-海4井断层上升盘，且井网密度最大，为重点评价区块。截止到目前，W 2井断块地下累计产液400×104m3，累计注水316×104m3，累计地下亏空84×104m3，累计注采比为0.79。

W 2井区平均破裂压力梯度0.021 8 MPa/m，其中油藏中深为2 899 m(垂深)，计算该井井底油层岩石破裂压力为63.2 MPa。该区块注水井L 1井最高井口注水压力为11.57 MPa，静水柱压力为28.98 MPa，井筒摩阻损失压力以静水柱压力5%的系数计算,为1.449 MPa，计算出最高井底流压为39.06 MPa，为破裂压力的61.87%。该井为该区块最高井底注水压力井，通过分析认为该区块处于安全注水范围。

应用相同的技术方法，发现研究区其他注水区块也在安全注水范围。但是根据陆相储层非均质性强的特征，注入地下水为非均匀推进，局部可能存在强水道突进，因此注水井应远离大断层，特别是通天断层，靠近大断层应以采油井为主，并时刻观察其压力变化。当采油井井底压力超过安全压力时，应暂停注水，分析压力增大原因，防止产生憋压，排除安全隐患，避免造成断层活化，直至压力降到安全范围后再继续注水。

4 结 论

(1)研究区二级断层及部分三级断层具有通天断层的特征，同时作为生长断层，在活动停歇期主要起封闭作用，在活动期可能引起较强的串通和窜流作用，在主断层附近区域白云岩地层裂缝更为发育。

(2)通过断层泥比率SGR法，计算各种机理挤入断裂带的泥页岩比例，可以定量评价开发前的原始断层封闭性。考虑到通天断层横向上具有延伸范围广的特征，各段断距变化较大，需要分段评价断层封闭性。

(3)仅从静态角度分析断层封闭性会产生片面性，因为有一些断层会在开发注水过程中产生活化现象，需要动态分析区块的注采比、地层破裂压力、最大注水压力，保证合理的注水压力；注水井与大断层之间应有采油井作为泄压井，同时需要关注区块的压力变化，保证合理安全注水。