斷裂控藏作用及封閉性研究現(xiàn)狀與展望

PAGEPAGE1斷裂控藏作用及封閉性研究現(xiàn)狀與展望1前言在含油氣盆地中，斷層對(duì)油氣的成藏起著重大的作用。垂向上，它溝通了源巖與儲(chǔ)層，為油氣的穿層運(yùn)移提供了重要的通道。側(cè)向上，它可以進(jìn)行封堵，為油氣圈閉的形成提供有利的遮擋條件。L.C.Price的研究表明，尼日爾和墨西哥灣地區(qū)斷層的斷距與油氣田規(guī)模具有明顯的相關(guān)性，即油氣田規(guī)模隨斷距增大而增大(L.C.Price,1994年)?？梢?，對(duì)于油氣的成藏，斷層至關(guān)重要。斷層封閉性的研究自20世紀(jì)50—60年代起步以來,，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)斷裂的控藏作用及封閉性進(jìn)行了多方面的討論。Smith最早根據(jù)排替壓力等物性參數(shù)及巖性配置關(guān)系提出了斷層封閉性的判別模式（Smith，1966）。Engelder研究了碎裂作用與斷層泥生成的關(guān)系（Engelder，1974）。Weber等研究了生長斷層中的泥巖涂抹現(xiàn)象（Weber，1978）。Watts研究了單相烴柱與兩相烴柱的斷層封閉問題,并提出了“壓力-深度圖”的分析方法（Watts，1987）。Allan提出“斷面剖面圖”(Allan，1989),開始了定量研究斷層的封閉性。Bouvier等將三維地震斷層切片應(yīng)用于斷層封閉性研究,并提出“泥巖涂抹潛力”的判別方法（Bouvier等，1989）。在研究斷層封閉性的基礎(chǔ)上,Harding討論了不同性質(zhì)斷層形成圈閉的可能性（Harding，1988）。詳細(xì)論述了斷層封閉物中微組構(gòu)的演化和發(fā)展過程,分析了影響封閉物的形成時(shí)間、封閉能力、連通性和封閉強(qiáng)度及穩(wěn)定性的因素,并在改進(jìn)Allan圖后提出了斷層封閉性的“圖示分析法”（Knipe,1992,1997）。Lindsay提出“泥巖涂抹因子”概念(Lindsay,1993)。Antonellini等研究了斷層作用對(duì)斷層帶物性的影響及其形成的空間幾何形態(tài)和變形結(jié)構(gòu)(Antonellini等,1994)。Gibson認(rèn)為斷層封閉主要取決于斷層帶內(nèi)的封閉物(Gibson,1994)。Berg等提出“泥巖剪切帶”,通過試驗(yàn)證實(shí)了斷層面泥巖對(duì)油氣的封閉作用(Berg,1995)。Yielding等提出了“泥巖涂抹斷層泥比率”(Yielding,1997)。Peter等在整理了世界范圍的大量斷層資料的基礎(chǔ)上,提出了利用SGR值估算斷層可支持烴柱的最大高度的方法(Peter等,2003)。Kim等通過對(duì)德克薩斯州一個(gè)過斷層鉆孔巖心的詳細(xì)研究,了解了斷層帶的微觀構(gòu)造及斷層巖的物理屬性(Kim等,2003)。Doughty的研究表明了斷層面上低滲透巖層處泥巖涂抹的有效性,同時(shí)也評(píng)價(jià)了泥巖涂抹不同算法的長處與缺陷(Doughty,2003)。Jones等在對(duì)澳洲西北陸架的研究中總結(jié)了斷層封堵評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)性(Jones等,2003)。Bailey等利用多種學(xué)科結(jié)合的手段對(duì)澳大利亞某油氣田進(jìn)行了綜合的斷層封堵性研究(Bailey等,2006)。國內(nèi)的學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M基礎(chǔ)上,也提出和應(yīng)用了各種方法和理論。如曹瑞成等應(yīng)用“邏輯信息法”對(duì)勘探初期地區(qū)斷層進(jìn)行封閉性的評(píng)判（曹瑞成，1992）。呂延防等應(yīng)用“非線性映射法”和“概率模擬法”建立了早期探區(qū)斷層封閉性的判別預(yù)測模型（呂延防等，1995，1996）。童亨茂（童亨茂,1998）、周新桂等(周新桂等，2000)與王志欣等（王志欣等，1997）通過應(yīng)力場分析與流體壓力關(guān)系進(jìn)行斷層封閉性評(píng)價(jià);沈傳波等（沈傳波等，2004）進(jìn)一步用三維古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了斷層封閉性的數(shù)值模擬研究。鄧俊國等（鄧俊國等，1995）、王朋巖（王朋巖，2003）、楊勇等（楊勇等,2005）、王東曄等(王東曄等，2006)、李煥鵬等（李煥鵬等，2001）在實(shí)踐中利用模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行了斷層封閉性研究。曾濤等（曾濤等,2000）、付廣等(付廣等,2000)分別用地震手段探討了斷層封閉性的研究。侯讀杰等(侯讀杰等,2005)與朱軼等(朱軼等,2007)應(yīng)用地球化學(xué)方法進(jìn)行斷層封閉性研究。李振生等(李振生等,2005)依據(jù)斷層巖的超聲波測試,分析了波速和品質(zhì)因子對(duì)斷層巖性、孔滲性質(zhì)以及斷層力學(xué)性質(zhì)的響應(yīng),初步提出了運(yùn)用波速和品質(zhì)因子進(jìn)行斷層封閉性定量評(píng)價(jià)的方法。2斷層封閉性的原理及機(jī)理2.1斷層封閉性原理斷層封閉程度主要取決于斷層帶物質(zhì)及其兩側(cè)巖性的排驅(qū)壓力,是指使烴類進(jìn)入水濕巖石的最大孔喉所需的壓力：PC=式中:R:指相互聯(lián)結(jié)的粒間孔喉半徑r:指烴水界面張力θ:指浸潤角被封烴類壓力是指烴柱的浮力：P=(ρw-ρh)gh式中:ρw:指儲(chǔ)層中水的密度ρh:指儲(chǔ)層中烴的密度g:指重力加速度h:指儲(chǔ)層中烴柱的高度當(dāng)PC>P時(shí),斷層的封閉性好,能封住儲(chǔ)層中的油氣,反之,則斷層的封閉性較差,不能封住儲(chǔ)層中的油氣。2.2斷層封閉性機(jī)理(1)斷層兩側(cè)巖性配置:斷層兩側(cè)巖性配置關(guān)系,是影響斷層封閉性的一個(gè)重要因素。斷層活動(dòng)引起斷層兩盤的相對(duì)滑動(dòng),斷層兩側(cè)對(duì)置的巖石之間存在著排驅(qū)壓力的差異,具圖1、正斷層所形成的砂泥巖對(duì)接示意圖（RoaldB.F?rseth,2007）圖1、正斷層所形成的砂泥巖對(duì)接示意圖（RoaldB.F?rseth,2007）(2)泥巖涂抹作用:斷層活動(dòng)過程中,由于拖曳、擠壓、研磨和塑性流動(dòng)等作用,沿?cái)嗔逊植嫉臉O細(xì)粒的非滲透性泥狀物,敷著在斷層面上,使斷裂帶具有高的排驅(qū)壓力,增強(qiáng)了斷層的封閉性。（見圖2）圖2、泥巖涂抹斷層的演化過程（圖2、泥巖涂抹斷層的演化過程（AtillaAydin，2002）(4)成巖膠結(jié)作用:斷層破碎帶的產(chǎn)生不僅有利于流體的流動(dòng),也有利于膠結(jié)物的生成。地下流體在斷層流動(dòng),發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用,造成斷層中的物質(zhì)的成巖膠結(jié)作用,從而使斷層的孔隙度、滲透率大大降低,最終形成封閉。3斷層封閉性的影響因素?cái)鄬臃忾]性是由于斷層上下盤巖石或斷裂帶與斷層上下盤巖石排驅(qū)壓力的差異,阻止油氣水等流體的繼續(xù)流動(dòng),不同地區(qū)影響因素不同。影響斷層封閉性的因素有很多,主要有:(1)斷層的力學(xué)性質(zhì):一般情況,張性斷層封閉性較差,擠壓性斷層封閉性較好,扭性斷層在垂向上封閉較好。(2)斷層面傾角:斷面傾角越陡,承受上覆地靜壓力就越小,斷裂帶愈合程度就越差,那么斷層的封閉性就越差,反之,斷層封閉性就越好。(3)斷層走向:一個(gè)地區(qū)由于區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)時(shí)間和規(guī)模等不同,會(huì)形成多組走向不同的斷層,其封閉的程度也有所不同,斷層的走向與區(qū)域最大主應(yīng)力垂直的斷層,其封閉性最好,與最小主應(yīng)力垂直的斷層,封閉性最差。(4)斷層埋深:隨斷層埋深增加,上覆地靜壓力增大,孔隙度和滲透率的減小幅度也相應(yīng)增加,封閉性較好。反之,則封閉性較差。(5)斷距:斷層帶物質(zhì)隨斷距的增大,遭受的摩擦強(qiáng),形成斷層泥的機(jī)會(huì)就多,容易形成好的封閉物。但是,如果斷距超過區(qū)域蓋層的厚度,就可能造成斷層垂向的導(dǎo)通。(6)斷裂的活動(dòng)性:斷層的疏導(dǎo)性具有幕式特征,斷層活動(dòng)期其封閉性差,靜止期其封閉性相對(duì)性較好。(7)斷層密度:在一定的區(qū)域范圍內(nèi),斷層的條數(shù)越多,巖石破碎就厲害,變形程度就越大,因而斷層封閉性就越差。(8)斷裂帶充填物質(zhì)的膠結(jié)成巖作用:斷裂帶充填物質(zhì)的膠結(jié)成巖作用越強(qiáng),其孔隙度和滲透率就越低,斷層封閉性就變得越好。(9)斷層兩盤對(duì)置的巖性:如果斷層兩盤是滲透性地層相接觸,并且斷面又沒有封隔條件,則斷層是不封閉的。若兩盤是滲透層與非滲透層相對(duì)置,且斷層具有封隔條件,則斷層一般封閉較好。(10)斷層面的泥巖涂抹:在砂泥巖地層剖面上,當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)在斷裂帶內(nèi)容易產(chǎn)生泥巖涂抹,形成涂抹層,有利于斷層的側(cè)向封閉性。4斷層封閉性評(píng)價(jià)方法斷層封閉性的研究方法很多,如斷層兩側(cè)的巖性配置、斷層的力學(xué)性質(zhì)、斷層的封閉史,流體勢(shì)分析法、斷層面物質(zhì)涂抹法等,總的來說主要有定性和定量方法評(píng)價(jià)方法。4.1定性評(píng)價(jià)方法常用定性評(píng)價(jià)法:(1)斷層兩側(cè)地層對(duì)置樣式分析法斷層側(cè)向封閉性取決于斷層兩側(cè)巖性對(duì)置情況,在勘探程度較高,資料較充足的條件下,斷層兩側(cè)對(duì)置的巖性及其在三維空間的分布都比較清楚,根據(jù)不同巖性的排驅(qū)壓力的圖3、揭示控制流體穿越斷層運(yùn)移溢出點(diǎn)的斷層剖面（圖3、揭示控制流體穿越斷層運(yùn)移溢出點(diǎn)的斷層剖面（Allan,1989）(2)“Allan斷面圖”法圖4、增量斷距控制溢出點(diǎn)位置的斷層面示意圖（WilliamR.James,2004）通過作圖法,能夠比較直觀、準(zhǔn)確地判斷斷層兩側(cè)的巖性配置及斷層面物質(zhì)涂抹的情況,用來評(píng)價(jià)的側(cè)向封閉性。圖4、增量斷距控制溢出點(diǎn)位置的斷層面示意圖（WilliamR.James,2004）(3)斷層活動(dòng)性分析應(yīng)用斷層埋藏史、演化史結(jié)合區(qū)域構(gòu)造的演化,分析斷層的性質(zhì)、活動(dòng)的大小程度、時(shí)間與油氣的運(yùn)聚關(guān)系,評(píng)價(jià)斷層的封閉性。4.2定量評(píng)價(jià)方法4.2.1斷層封堵系數(shù)法縱向封堵系數(shù),用來評(píng)價(jià)斷層在縱向上對(duì)油氣水等流體封堵能力強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù),是斷層落差(L)和蓋層厚度(H)的比值,其值越小,縱向封堵能力越強(qiáng);反之,封堵性較差。R=式中:α:斷層傾角β:儲(chǔ)層傾角L:斷層垂直落差H:蓋層厚度K:比例系數(shù)(k=h/H,h:蓋層疊蓋厚度)橫向封堵系數(shù),用來評(píng)價(jià)斷層面將兩盤油氣封閉起來,互不相串的一個(gè)參數(shù),是構(gòu)造封堵系數(shù)C與儲(chǔ)集系數(shù)R之和再與巖性封堵系數(shù)G相乘之積。其值越大,橫向封堵能力越強(qiáng);反之,封堵性較差。巖性封堵系數(shù)G,其值在0~1之間,封堵層為純砂巖,G為0;泥質(zhì)砂巖G為0.5;砂質(zhì)泥巖G為0.75;泥巖G為1。C=R=F=G×(C+R)式中:C:構(gòu)造封堵系數(shù)R:儲(chǔ)集系數(shù)G:巖性封堵系數(shù)F:橫向封堵系數(shù)L:斷層垂直落差H:蓋層厚度α:斷層傾角β儲(chǔ)層傾角h:儲(chǔ)層厚度4.2.2斷層面物質(zhì)涂抹分析法Bouvier(1989)在研究尼日爾三角洲時(shí),提出“泥巖玷污潛力CSP”,表示沿?cái)嗝婺滁c(diǎn)某泥巖層被涂抹的相對(duì)量值,其值隨泥巖厚度或泥巖層數(shù)的增加呈正相關(guān)關(guān)系,隨斷距的增大呈相反關(guān)系。CSP=∑Lindsay(1993)提出了“泥巖玷污因子SSF”,提出斷層的斷距越大,斷開泥巖的厚度越小,泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越差;斷層的斷距越小,斷開泥巖的厚度越大,泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越好。SSF與源巖層的厚度、層數(shù)成反比,而與斷距成正比。SSF=CSP適用于斷面剪切型的涂抹,SSF適用于壓入型的涂抹,它們不適合厚層非均質(zhì)的碎屑巖巖層。Yielding(1997)等提出了“斷層泥此率SGR”,對(duì)于砂泥巖層序,用斷面中各泥巖層的厚度之和與斷距之比SGR來評(píng)價(jià)斷面的封閉性,其方法比較實(shí)用簡單。SGR=×100%或SGR=×100%圖5、粘土涂抹定量計(jì)算示意圖（趙密福等，2005）斷層面物質(zhì)涂抹分析法是近些年來定量確定斷層封閉性的一種有效方法,也是定量判斷在斷層面附近形成的泥巖涂抹帶是否連續(xù)分布的一個(gè)重要的參數(shù)。圖5、粘土涂抹定量計(jì)算示意圖（趙密福等，2005）5斷層封閉性研究總結(jié)與展望斷層封閉性是一個(gè)極為復(fù)雜的地質(zhì)問題,它不僅受斷層的力學(xué)性質(zhì)、斷面承受應(yīng)力狀況、斷層剪切帶、泥巖玷污帶、斷層兩盤儲(chǔ)層排驅(qū)壓力、斷層兩盤巖性配置關(guān)系、斷層兩盤地層產(chǎn)狀配置關(guān)系和斷層活動(dòng)時(shí)期與油氣運(yùn)移聚集期的配置等多種地質(zhì)條件制約,而且也受構(gòu)造演化史、應(yīng)力場演化史、盆地充填史制約。在勘探區(qū)資料匱乏的情況下,如何建立起確實(shí)可行的早期區(qū)域性的斷層封堵方法,如何在良好的地震資料的基礎(chǔ)上,充分挖掘其中所包含的各種屬性信息,分析地下流體及巖性分布變化,用以對(duì)關(guān)鍵性斷層進(jìn)行早期封閉性預(yù)測,這是斷層封閉性的一個(gè)發(fā)展方向。而在開發(fā)過程中,用注采井已確認(rèn)的斷層封閉性的變化情況,來認(rèn)識(shí)油氣開采過程中各種條件改變對(duì)地層的影響作用,分析各影響因素的改變?cè)斐傻臄鄬臃忾]性質(zhì)的變化,發(fā)展完善斷層封閉理論的各個(gè)環(huán)節(jié)。在理論的指導(dǎo)下,如何通過改變一個(gè)或多個(gè)控制因素來達(dá)到對(duì)目標(biāo)斷層進(jìn)行封閉性的控制,最終以此來提高斷塊油氣田的采收率,這是斷層封閉性發(fā)展的一個(gè)階段性的目標(biāo)。對(duì)于現(xiàn)今理論的發(fā)展,首先應(yīng)更加完善斷層的封閉機(jī)制及封閉機(jī)制之間的相互關(guān)系,其次應(yīng)擴(kuò)大研究范圍(如斷層的熱異常、伴生構(gòu)造和斷層附近流體的物化改變情況等)和加深研究層次(如斷層活動(dòng)史和封閉史的研究等),消除不確定因素的干擾,在評(píng)價(jià)的方法上還需加強(qiáng)多因素評(píng)價(jià)方法的研究,同時(shí)應(yīng)大力開發(fā)計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件系統(tǒng),提高數(shù)字化模擬研究與三維可視化技術(shù),最終建立起確實(shí)可行的區(qū)域性的斷層封閉性評(píng)價(jià)系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn),使斷層封閉性的評(píng)價(jià)更具有可操作性,結(jié)果更具有可靠性,為油藏的科學(xué)管理提供良好的服務(wù)。綜合看來,現(xiàn)今的斷層封閉性研究以數(shù)學(xué)(邏輯信息法、非線性映射分析法、斷層應(yīng)力計(jì)算法、模糊評(píng)判分析法及概率法等)、地球化學(xué)為基礎(chǔ)理論,以計(jì)算機(jī)處理技術(shù)為手段(構(gòu)造應(yīng)力場模擬、地震資料特殊處理技術(shù)、斷層封堵性專業(yè)模擬軟件等),從斷層幾何學(xué)、斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)、斷層動(dòng)力學(xué)、地層巖性與排替壓力等方面,探討了斷層封閉的機(jī)制與可能性,實(shí)現(xiàn)了從定性到定量,從單學(xué)科、單一技術(shù)手段研究向多學(xué)科、多技術(shù)手段綜合研究的發(fā)展。6參考文獻(xiàn)PrieeLC.Basinrichestsandsourcerockdisruption:afundamentalrelationship.JournalofPetroleumGeology，1994，17(l):15SmithDA·Theoreticalconsiderationofsealingandnonsealingfaults[J]·AAPGBulletin,1966,50(5):363~374·EngeldeJT·Cataclasisandthegenerationoffaultgouge[J]·GeologicalSocietyofAmericaBulletin,1974,85(3):1515~1522·WeberKJ,MandlG,PilaarWF,LehnerF,PreciousRG·TheroleoffaultsinhydrocarbonmigrationandtrappinginNigeriangrowthfaultstructures[M]·SocietyofPetroleumEngineers,10thAnnualoffshoreTechnologyConferenceProceedings,1978:2643~2653·WattsNL·Theoreticalaspectsofcap-rockandfaultsealsforsingle-andtwo-phasehydrocarboncolumns[J]·MarineandPetroleumGeology,1987,4(4):274~307·AllanU·S·Modelforhydrocarbonmigrationandentrapmentwithinfaultedstructures[J]·AAPGBulletin,1987,(4):803~811·BouvierJD,Kaars-sijpesteijnCH,VanderpalRC·Three-dimensionalseismicinterpretationandfaultsealinginvestigations,NunRiverField,Nigeria[J]·AAPGHardingTP·Interpretationoffootwall(lowside)faulttrapssealedbyreversefaultedandconvergentwrenchfaults[J]·AAPGBulletin,1988,72:738~757·HardingTP·Structuralinterpretationofhydrocarbontrapssealedbybasementnormalblockfaultsatstableflantofforedeepbasinsandatriftbasins[J]·AAPGBulletin,1989,73(7):812~840·KnipeRJ·Faultingprocessesandfaultseal[A]·in:LarsenRM,eds·Structuralandtectonicmodellinganditsapplicationtopetroleumgeology[C]·NorwegianPetroleumSocietySpecialPublication,1992:325~342·KnipeRJ·Juxtapositionandsealdiagramstohelpanalysefaultsealsinhydrocarbonreservoirs[J]·AAPGBulletin,1997,81(2):187~195·LindsayNG,MurphyFC,WalshJJ&WattersonJ·Outcropstudiesofshalesmearsonfaultsurfaces·SpecialPublicationInternationalAssociationofSedimentologist[C],1993:113~123·AntonelliniM,AydinA·Effectoffaultingonfluidflowinporoussandstones:petrophysicalproperties[J]·AAPGBulletin,1994,78(3):355~377·GibsonRG·Fault-zonesealsinsiliclasticstrataoftheColumbusBasin,OBergRR,AveryAH·SealingpropertiesofTertiarygrowthfaults,TexasGulfYieldingG,FreemanB&NeedhamDT·Quantitativefaultsealprediction[J]·AAPGBulletin,1997,81(6):897~917·PeterB,GrahamY,HelenJ·UsingCalibratedshalegougeratiotoestimatehydrocarboncolumnheights[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):397~413·KimJin-wook,BergRobertR·TrappingcapacityoffaultsintheEoceneYeguaFormation,EastSourLakefield,southeastTexas[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):415~425·DoughtyPT·Claysmearsealsandfaultsealingpotentialofanexhumedgrowthfault,RioGranderift,NewMexico[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):427~444·JonesRM,HillisRR·Anintegrated,quantitativeapproachtoassessingfault-sealrisk[J]·AAPGBulletin,2003,87(3):507~524·WayneRBailey,JimUnderschultz,DavidNDewhurst,GillianKova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