高孔隙度砂岩断裂带内部结构及侧向封闭能力主控因素

薛永安，吕丁友，付晓飞，吴 奎，黄江波，孟令东，王海学

( 1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459；2. 东北石油大学 陆相页岩油气成藏及高效开发教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；3. 东北石油大学 断裂控藏重点实验室，黑龙江 大庆 163318 )

0 引言

断层封闭性一直是国内外油气勘探的重要研究热点，影响断层的聚油能力，因此主要用于区带和圈闭风险性评价，是油气勘探、生产和油藏管理的重要基础[1-5]。目前，已经认识到碎屑岩砂泥互层型地层层序中断层侧向封闭的本质是断裂带与母岩的渗透能力差[6]。通过野外露头、岩心观察描述和分析测试表明，断层变形机制决定断裂带内部结构特征，进而影响断层封闭类型及封闭能力[5,7-9]。断层侧向封闭类型主要分为四类：一是对接封闭[10-11]，提出应用Allan图定量评价断层封闭能力；二是泥岩涂抹封闭[12-16]，应用SSF定量预测断层封闭渗漏风险；三是断层岩封闭[3]，主要包括碎裂岩封闭、层状硅酸盐框架断层岩封闭，断层泥比率(SGR)是有效的断层岩侧向封闭能力评价方法[17]；四是胶结封闭[11]，仍未形成有效的评价技术。

近年来，油气勘探实践发现，位移很小(5～10 m)的断层导致同层砂岩对接，但具有分隔油水的作用[18]，对于高孔隙性(孔隙度大于15%)岩石，主体以碎裂作用为主，形成典型的变形带，降低岩石物性[7,19]，但不同母岩性质和作用条件下断层封闭能力存在差异。

按照砂岩中黏土矿物质量分数，将高孔隙性砂岩分为纯净砂岩(黏土矿物质量分数小于15%)和不纯净砂岩(黏土矿物质量分数介于15%～40%)[6,20]。断裂在不同类型高孔隙性砂岩中变形机制明显不同，从而导致不同类型的断裂带内部结构差异。野外和取心井观察描述表明：当高孔纯净砂岩处于固结成岩阶段时，岩石在构造变形作用下以碎裂作用为主，导致颗粒破碎和孔隙坍塌，形成典型的“碎裂型”变形带[8,21]；对于高孔隙性不纯净砂岩，由于砂岩泥质质量分数相对较高，受力变形时黏土矿物与碎屑发生混合作用，从而形成“层状硅酸盐型”变形带[20-22]，属于亚地震构造。不同类型的变形带渗透率降低幅度不一样，相较于母岩，变形带渗透率普遍降低1～5个数量级[7]。野外断裂带观察、过断层取心井岩心描述和环形剪切试验表明：变形带型断裂带是高孔隙性砂岩断裂剪切变形的重要产物，变形带颗粒发生明显破碎，颗粒粒径减小，从而导致渗透率降低；这些现象在束鹿凹陷过断层取心井和柴达木盆地油砂山野外逆冲构造被证实[7,19]。近年来，人们开始关注母岩地层泥质质量分数、有效正应力和位移等因素对断层渗透性的影响[23-25]，但缺少系统性单一变量条件下断裂带形成演化及物性变化规律物理模拟研究，反映断裂带物性动态变化规律。

笔者以高孔隙性纯净砂岩为研究对象，应用高压低速环形剪切实验装置，开展泥质质量分数、有效正应力和位移等单一因素系列性环形剪切实验，结合铸体薄片显微观察、覆压孔隙度与渗透率测试及薄片粒径数理统计等分析方法，探讨不同因素对断裂带渗透性的影响，明确断裂带渗透性变化规律，为同层砂岩对接型断层封闭能力评价提供支撑。

1 实验设计

剪切实验一直是岩石固结条件下正演断层形成过程的方法，目前剪切实验主要有环形剪切、直剪和三轴剪切3种类型。为了分析不同条件下断层形成的断层带结构特征、渗透性变化规律及封闭性主控因素，采用研发的高压低速环形剪切装置开展物理模拟实验(见图1(a))。

1.1 过程

实验样品使用人造岩心，岩心的平均孔隙度为30.86%，平均渗透率为1 118×10-3μm2，为高孔隙度纯净砂岩。人造岩心由8个高度相等的90°扇形环样品组成，整体表现为环形特征(见图1(c))；通过垂向负载施加断面有效正应力和环形转动角度实现位移的变化(见图1(b-d))，旋转90°折合位移为90.3 mm。

图1 环形剪切实验装置与模型示意Fig.1 Ring shear experimental apparatus and model diagram

1.2 方案

断层渗透性决定断层侧向封闭能力，影响高孔隙度砂岩同层砂岩对接型断层侧向封闭能力主要有泥质质量分数、断面正应力和断距3个因素[26-28]。考虑环形剪切实验单一因素对实验结果的影响，保证母岩矿物成分不变，分析泥质质量分数、断面正应力、断层位移3个主要因素，采用控制变量法开展3个系列15组单一因素环形剪切物理模拟实验(见表1)，探讨3个因素对同层砂岩对接型断层侧向封闭能力的影响。

表1 环形剪切物理模拟实验参数设定

续表1

2 微观结构与物性特征

2.1 断裂带微观结构

野外观察描述、过断层取心井(见图2)和高压环形剪切实验(见图1)表明：高孔隙纯净砂岩以碎裂作用为主，断裂带具有典型二元结构，即断层核和破碎带[29-30]，且断层核是决定断层封闭能力的关键。基于高压环形剪切实验模拟断裂带形成，实验前后的模型见图1，实验后对样品取心操作，对实验样品薄片直观观察，并对母岩与断裂带的粒径进行数理统计。通过控制位移的变化(其他因素不变)实验结果可知，断层活动初期，断层核以发育碎裂型变形带为主，随断层累积活动，碎裂程度明显增强(见图3)。由于压实作用导致孔隙发生坍塌，粒度较小的碎屑和基质填充在孔隙中，导致孔隙性变差，是碎裂变形的直接证据(见图3)，未考虑制作薄片时不同位移的变形带走向差异。从微观结构可知，小位移断层断裂带内部结构发育滑动面和变形带。由图3可知，在剪切作用下，变形带内颗粒沿剪切方向定向排列，颗粒发生旋转、滚动和破碎。母岩与断裂带的粒径数理统计表明，变形带具有3个典型特征：(1)与母岩相比颗粒尺寸明显较小。未变形母岩颗粒间存在明显的孔隙，颗粒尺寸较大，一般为0.13～0.20 mm；碎裂作用导致断裂带内颗粒发生破碎，形成碎屑和基质，颗粒尺寸明显减小，一般为0.01～0.06 mm(见图4)，因此，碎裂作用是断裂带内颗粒粒径减小的重要机制。(2)变形带内颗粒具有定向性。母岩颗粒长轴具有多方位特征，变形带内颗粒长轴整体表现为平行于剪切方向(见图3)。(3)随位移增大，破碎程度越强。从不同位移变形带微观结构可知，随位移增大，颗粒破碎越明显，颗粒尺寸减小程度越高(见图3)。

图2 高孔隙性纯净砂岩内断裂伴生亚地震构造类型及特征(据文献[7,19]修改) Fig.2 Subseismic structure types and characteristics associated with faults in high-porosity pure sandstone(modified by references[7,19])

图3 不同位移条件下变形带发育特征Fig.3 Development characteristics of deformation bands under different displacement conditions

2.2 孔隙度和渗透率变化规律

系列环形剪切实验测试表明：颗粒碎裂的粒度减小及其定向规律排列方向决定断层带孔隙度和渗透率的降低，与断裂带的孔隙度和渗透率特征一致[6,22-23,25,31-36]。基于CT扫描和微观孔渗性综合分析，未变形母岩的孔隙度分布在25.0%～30.0%之间，平均约为27.5%，断裂带的孔隙度分布在7.0%～9.0%之间。由图5可知，断裂带的孔隙度明显低于母岩的孔隙度，平均降低约为19.5%(见图5)。与未变形母岩相比，断裂带的渗透率也发生明显降低，未变形母岩的渗透率为(260～860)×10-3μm2。断裂带渗透率普遍小于10×10-3μm2，普遍降低约2个数量级(见图6)。环形剪切实验测试孔渗结果与实际野外测试断裂带孔渗数据表明，高孔隙性砂岩内断裂带的孔隙度和渗透率明显降低，导致断层具有一定的封闭能力。

图4 断裂带与母岩颗粒粒径对比Fig.4 Comparison of particle size between fault zone and host rock

图5 母岩与断裂带孔隙度差异对比Fig.5 Comparison of porosity differences betweenhost rock and fault zone

图6 母岩渗透率与断裂带渗透率差异对比(据文献[6,22-23,25,31-36]修改)Fig.6 Comparison of permeability difference between host rock and fault zone(modified by references[6,22-23,25,31-36])

3 主控因素

以物理模拟和分析测试为基础，结合文献[26-29]，影响高孔隙性砂岩断层封闭能力主要有4个因素：(1)泥质质量分数；(2)断层位移；(3)断面正应力；(4)砂地比。由于考虑小位移走滑断层的影响，主体易于形成同层砂岩对接封闭，因此，前3个因素是同层砂岩对接型断层封闭能力的主要影响因素。断裂带渗透性是决定断层封闭能力的关键，因此，主要探讨不同影响因素与渗透率的关系，分析对封闭能力的控制作用。

3.1 泥质质量分数与断裂带渗透性的关系

为了探讨不同泥质质量分数对断裂带渗透性变化的影响，固定位移和有效正应力条件，设计5个系列(泥质质量分数：5%、10%、15%、20%、25%)5组环形剪切实验。由实验样品渗透性测试结果(见图7)可知：随泥质质量分数增加，断裂带渗透性具有逐渐降低的趋势，渗透率从8×10-3μm2降低到2×10-3μm2。因此，泥质质量分数对断层渗透性具有一定影响，但相同地层泥质质量分数变化不大的条件下，渗透率降低程度较小，从而导致断层侧向封闭能力影响较弱[37]。

图7 不同泥质质量分数与断裂带渗透率的关系Fig.7 Relationship between different shale contentand fault permeability

3.2 剪切位移与断裂带渗透性的关系

为分析剪切位移对断裂带渗透性的影响，固定泥质质量分数和断面正应力条件，开展不同位移条件下环形剪切实验并测试渗透率。由纯净砂岩环形剪切实验结果(见图8)可知：在断层变形的初期阶段，随剪切位移增加，断裂带渗透率表现为逐渐降低趋势，但当达到一定的位移(约为15 cm)条件下，断裂带渗透率普遍趋于平稳，即断裂带渗透率达到相应断面正应力条件下的最低值。与母岩相比，断层岩整体渗透率下降2～3个数量级(见图8)，降低程度较大。因此，当低于临界位移条件时，断裂带渗透率随位移增加而降低，剪切位移是影响断层侧向封闭能力的主控因素之一；当超过临界位移条件时，断裂带渗透率基本不再变化，剪切位移对断层侧向封闭能力没有直接影响。

图8 剪切位移与断裂带渗透率的关系Fig.8 Relationship between displacement and fault permeability

图9 断面正应力与断裂带渗透率的关系 Fig.9 Relationship between effective normal stress and fault permeability

3.3 断面正应力与断裂带渗透性的关系

不同断面正应力条件下环形剪切实验测试证实，相同位移条件下，断面正应力越大，断层渗透率越低，二者表现为负相关关系，导致断层侧向封闭能力增强。结合不同断面正应力断裂带渗透性测试，断裂带渗透率与有效正应力表现明显的负相关关系，随断面正应力增加，断裂带渗透率明显降低(见图9)，代表断层的侧向封闭能力越强；因此，断面正应力是影响断层侧向封闭能力的重要因素之一，断面正应力越大，断层侧向封闭能力越强。

泥质质量分数、断面正应力和剪切位移与断裂带渗透率表现为负相关关系，断裂带渗透性是断层侧向封闭能力的直接反映，因此，泥质质量分数、断面正应力和剪切位移共同决定同层砂岩对接型断层的侧向封闭能力。

4 结论

(1)高孔隙性砂岩以碎裂变形机制为主，形成典型的碎裂结构(变形带)，与母岩相比，断裂带颗粒粒径明显降低；断裂带渗透率相较于母岩的渗透率明显降低，最大可降低2～3个数量级，是同层砂岩对接断层封闭的根本机制。

(2)泥质质量分数、断面正应力和剪切位移共同决定同层砂岩对接型断层的侧向封闭能力。其他条件不变，随剪切位移增加，初期断裂带渗透性明显降低，当达到一定位移条件下，断裂带渗透性逐渐平稳，甚至不再变化；随断面正应力增大，断裂带渗透性明显降低，整体呈线性关系；泥质质量分数越大，断裂带渗透性逐渐越低，最终趋于平稳变化。