斷裂致泥巖蓋層封閉形成期滯后程度的預(yù)測方法及其應(yīng)用

曹思佳 許鳳鳴 孫顯義 張?jiān)品?姜美玲

1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 2.中國石油大慶油田公司勘探事業(yè)部

0 引言

前人研究結(jié)果表明，泥巖粒度細(xì)，沉積后在埋藏過程中更容易壓實(shí)，因此具有極高排替壓力，能夠有效地封堵油氣，但同時(shí)泥巖能干性較弱，常因斷層活動(dòng)而被破壞[1]。因此，在時(shí)間上能否有效地封閉油氣，已不再取決于蓋層本身封閉形成時(shí)間的相對早晚，而取決于斷層巖封閉形成時(shí)間的相對早晚。由于后者明顯晚于前者，導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間明顯向后推遲，造成油氣聚集與保存時(shí)期明顯變短，油氣富集程度變低。能否準(zhǔn)確地預(yù)測出斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度，對于正確認(rèn)識(shí)斷裂附近的油氣分布尤為重要。前人[1-4]關(guān)于斷裂對泥巖蓋層造成的影響展開過相關(guān)研究，主要是通過斷距及泥巖蓋層厚度來研究斷裂對泥巖蓋層的分布連續(xù)性產(chǎn)生破壞作用，認(rèn)為斷裂斷距相對越大，而泥巖蓋層厚度相對越小，斷裂對泥巖蓋層分布連續(xù)性破壞程度越大，反之則越小。也有學(xué)者[5-10]通過對比斷層巖和泥巖蓋層的排替壓力研究斷裂破壞蓋層封閉能力，認(rèn)為斷層巖排替壓力越小，泥巖蓋層排替壓力越大，斷裂對泥巖蓋層封閉的破壞程度越大；反之則越小。然而，關(guān)于斷裂活動(dòng)導(dǎo)致泥巖蓋層封閉能力滯后的研究甚少，僅見蓋層封閉形成時(shí)間、斷層巖封閉形成時(shí)間的研究成果[11-13]，而且是用排替壓力為1 MPa對應(yīng)的時(shí)間作為泥巖蓋層封閉形成時(shí)間，缺少理論依據(jù)。而對斷層巖封閉形成時(shí)間研究也是套用上述泥巖蓋層封閉形成時(shí)間的研究方法，同樣缺少理論依據(jù)。同時(shí)因斷層巖排替壓力相對太小，造成多數(shù)斷層巖無法進(jìn)入封閉形成時(shí)期，這與實(shí)際斷裂附近有油氣聚集分布相矛盾，不利于正確認(rèn)識(shí)斷裂附近油氣資源分布。因此，筆者開展了斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度預(yù)測方法的研究，以期為正確認(rèn)識(shí)斷裂附近油氣資源分布和油氣勘探部署提供理論依據(jù)。

1 斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度及其影響因素

剛沉積的泥巖蓋層排替壓力（pc）相對較低，小于下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力（ps），不能對下伏儲(chǔ)層巖石中的油氣形成封閉[9]。只有當(dāng)其排替壓力等于下伏儲(chǔ)層排替壓力時(shí)，泥巖蓋層才開始對下伏儲(chǔ)層巖石中油氣形成封閉，如圖1中泥巖蓋層封閉形成時(shí)間（Tm）所示。由于泥巖蓋層與下伏儲(chǔ)層巖石孔滲性差異較大，泥巖蓋層較易對下伏儲(chǔ)層巖石中的油氣形成封閉，封閉形成時(shí)間相對較早（圖1）。然而，當(dāng)泥巖蓋層被斷裂破壞后，由于斷裂在其內(nèi)分段生長上下連接，成為油氣穿過泥巖蓋層向上運(yùn)移的輸導(dǎo)通道[14]，所以在斷裂活動(dòng)時(shí)期泥巖蓋層對下伏儲(chǔ)層巖石中的油氣是不封閉的，油氣可沿?cái)嗔汛┻^其向上運(yùn)移。斷裂停止活動(dòng)后，便可在各種地質(zhì)因素[9]作用下，斷裂填充物（來自斷裂兩盤巖石破碎的碎屑顆粒及斷層泥）壓實(shí)成巖，形成固結(jié)的角礫巖（碎屑顆粒大小不一，成分復(fù)雜，分選磨圓差），即斷層巖，其孔滲性逐漸降低，當(dāng)斷層巖排替壓力（pf）等于下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力時(shí)，斷層巖開始對下伏儲(chǔ)層巖石中油氣形成封閉，如圖1中斷層巖封閉形成時(shí)間（Tf）所示。由此看出，被斷裂破壞泥巖蓋層不僅封閉油氣機(jī)理發(fā)生了改變，而且封閉形成時(shí)間較未被破壞泥巖蓋層封閉形成時(shí)間也明顯向后推遲，如圖1所示。其滯后程度（σ）主要受到泥巖蓋層封閉形成時(shí)間與斷層巖封閉形成時(shí)間二者相對早晚的影響，Tf相對于Tm越晚，斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度越大；反之越小。滯后程度可用式（1）來表示。由式（1）可以看出，σ值介于0～1，σ值越大，斷裂致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度越大；反之越小。

式中σ表示斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度；Tm表示泥巖蓋層封閉形成時(shí)間，Ma；Tf表示斷層巖封閉形成時(shí)間，Ma。

2 斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度的預(yù)測方法

綜上所述，預(yù)測斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間的滯后程度需要先確定泥巖蓋層封閉形成時(shí)間和斷層巖封閉形成時(shí)間。

2.1 泥巖蓋層封閉形成時(shí)間的確定

孫同文等[14]研究結(jié)果表明，泥巖蓋層排替壓力主要受到埋深和泥質(zhì)含量的影響，壓實(shí)埋深和泥質(zhì)含量越大，排替壓力越大；反之則越小。按本文參考文獻(xiàn)[9]的方法求取泥巖蓋層巖石中的泥質(zhì)含量，并在假設(shè)泥巖蓋層巖石各地質(zhì)時(shí)期泥質(zhì)含量近似不變的條件下，根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[15]地層骨架不變原理法，利用聲波時(shí)差資料恢復(fù)泥巖蓋層及其以上地層在不同時(shí)期的古厚度，再通過地層回剝法恢復(fù)泥巖蓋層不同時(shí)期的古壓實(shí)埋深，據(jù)此便可以由泥巖蓋層排替壓力計(jì)算公式（2）[16]計(jì)算求得研究區(qū)泥巖蓋層不同地質(zhì)時(shí)期的古排替壓力，如圖1中pc曲線所示。

式中pc表示泥巖蓋層排替壓力，MPa；Zc表示泥巖蓋層壓實(shí)埋深，m；Rc表示泥巖蓋層泥質(zhì)含量，小數(shù)，可按本文參考文獻(xiàn)[17]中的方法計(jì)算求得；a、b表示與研究區(qū)有關(guān)的常數(shù)。

儲(chǔ)層巖石實(shí)測排替壓力與其壓實(shí)埋深和泥質(zhì)含量之間具有相關(guān)關(guān)系[9,15-17]。利用儲(chǔ)層埋深和泥質(zhì)含量，由儲(chǔ)層排替壓力計(jì)算公式（3）[18]便可得到研究區(qū)儲(chǔ)層巖石不同地質(zhì)時(shí)期的古排替壓力，如圖1中ps曲線所示。

式中ps表示儲(chǔ)層排替壓力，MPa；Zs表示儲(chǔ)層巖石壓實(shí)埋深，m；Rs表示儲(chǔ)層巖石泥質(zhì)含量，小數(shù)，可由本文參考文獻(xiàn)[18]中的方法計(jì)算求得；c、d表示與研究區(qū)有關(guān)的常數(shù)。

泥巖蓋層排替壓力和下伏儲(chǔ)層排替壓力相等時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間為泥巖蓋層封閉形成時(shí)間。

2.2 斷層巖封閉形成時(shí)間的確定

受鉆井和取心的限制，目前無法利用斷層巖樣品的方法獲取斷層巖排替壓力。對于碎屑巖地層中發(fā)育的斷層，其斷層巖物源主要來自兩盤破碎的巖石，其巖石組成與圍巖相似，在相同的泥質(zhì)含量及壓實(shí)條件下排替壓力與圍巖相似，即為壓實(shí)埋深和泥質(zhì)含量的函數(shù)。因此，只要確定出斷層巖壓實(shí)埋深和泥質(zhì)含量，便可以利用圍巖排替壓力（pm）與其壓實(shí)埋深和泥質(zhì)之間的關(guān)系式（2）求取斷層排替壓力[19]。斷層巖泥質(zhì)含量可由斷裂斷距和被其錯(cuò)斷地層巖石厚度，通過本文參考文獻(xiàn)[9]中斷層泥巖泥質(zhì)含量的預(yù)測方法式（4）計(jì)算得到。由于斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)期晚于圍巖壓實(shí)成巖時(shí)期，加上斷裂傾斜，其壓力又小于相同埋深圍巖的壓力，斷層巖的巖石成巖埋深難以獲取。故斷層巖的壓實(shí)成巖埋深明顯不同于圍巖的壓實(shí)成巖埋深。所以，不能用圍巖壓實(shí)成巖埋深代替斷層巖壓實(shí)成巖埋深，只能在假設(shè)斷層巖和圍巖壓實(shí)成巖歷史相似的條件下，由式（4）計(jì)算求得。

式中Rf表示斷層巖泥質(zhì)含量，小數(shù)；Hi表示被斷裂錯(cuò)斷第i層巖層厚度，m；Ri表示被斷裂錯(cuò)斷第i層巖層泥質(zhì)含量，小數(shù)，可由本文參考文獻(xiàn)[17]中的方法利用自然伽馬測井資料計(jì)算求得；L表示斷裂斷距，m；n表示被斷裂錯(cuò)斷巖層層數(shù)。

將斷層巖泥質(zhì)含量代入式（2）中，可得到與圍巖具有相同泥質(zhì)含量斷層巖排替壓力與其壓實(shí)埋深之間關(guān)系，不過斷層巖因其具有一定的傾角，引起壓實(shí)作用的力為斷層所受正壓力，其小于圍巖壓實(shí)所受的靜巖壓力[19-21]，實(shí)際斷層巖等效埋深（Zf）為圍巖埋深（Zc）乘以cosθ[θ為斷層傾角，（°）]，因而同深度段斷層巖排替壓力曲線斜率小于圍巖地層；再將其由圍巖停止沉積開始壓實(shí)成巖時(shí)間（可用圍巖停止沉積時(shí)間代替，Ts）移至斷層巖開始壓實(shí)成巖時(shí)間（可用斷裂停止活動(dòng)時(shí)間，即斷裂向上延伸處地層沉積至今時(shí)間，To）作為斷層巖排替壓力隨其壓實(shí)成巖埋深變化關(guān)系；最后，利用上述泥巖蓋層古壓實(shí)成巖埋深恢復(fù)方法恢復(fù)斷層巖不同時(shí)期的古壓實(shí)成巖埋深，即可得到與斷層巖排替壓力隨時(shí)間變化關(guān)系（圖2）。

取上述斷層巖與下伏儲(chǔ)層巖石排替壓力相等所對應(yīng)時(shí)間，即為斷層巖封閉開始形成時(shí)間。

2.3 斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度的確定

將上述已確定出的泥巖蓋層封閉形成時(shí)間和斷層巖封閉形成時(shí)間代入式（1）中，可以計(jì)算斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度，其值越大，斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度越大；反之則越小。

3 應(yīng)用效果

以渤海灣盆地南堡2號構(gòu)造F4斷裂作為實(shí)例，應(yīng)用上述方法預(yù)測F4斷裂導(dǎo)致古近系東營組二段（以下簡稱東二段，E3d2）泥巖蓋層封閉形成時(shí)間的滯后程度，并結(jié)合其目前東二段泥巖蓋層之下已發(fā)現(xiàn)油氣分布，驗(yàn)證該方法預(yù)測斷裂致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度的可行性。

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊凹陷北部，面積為1 932 km2，潛在油氣資源豐富[22]。南堡2號構(gòu)造位于南堡凹陷中部，為發(fā)育于奧陶系潛山基底背景之上的披覆背斜構(gòu)造，被一系列北東走向的斷裂切割，圈閉面積為280 km2（圖3）。鉆井揭示其發(fā)育的地層主要是古近系和新近系，古近系自下而上發(fā)育孔店組（E1k）、沙河街組（E3s）、東營組（E3d），新近系自下而上發(fā)育館陶組（N1g）、明化鎮(zhèn)組（N2m），東營組一段（E3d1）是南堡2號的主要含油層位，東二段目前發(fā)現(xiàn)的油氣相對較少，僅見于構(gòu)造的高部位。F4斷裂位于南堡2號構(gòu)造的南邊界，平面上呈北東向展布，長度為25.14 km（圖3），傾向東南，在東二段內(nèi)的斷距為0～360 m。F4斷裂從基底向上一直斷至館陶組的頂部（圖4）。F4斷裂連接了沙河街組三段（E3s3）和沙河街組一段（E3s1）烴源巖及東二段砂巖儲(chǔ)層，且在油氣成藏期（東營組沉積末期活動(dòng)）是南堡2號構(gòu)造東二段的油源斷裂。下伏沙河街組三段和沙河街組一段源巖生成的油氣沿F4斷裂向東二段砂巖儲(chǔ)層中運(yùn)移，由于F4斷裂破壞了東二段泥巖蓋層，東二段內(nèi)油氣的聚集與保存明顯受到F4斷裂使東二段泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度大小的影響。

南堡2號構(gòu)造東二段泥巖蓋層較為發(fā)育，LP1、NP2-15、NP205等井泥巖蓋層厚度介于200～370 m，平均厚度為260 m。其中LP1井泥巖蓋層厚度為200 m，NP2-15井泥巖蓋層厚度為290 m，NP205井泥巖蓋層厚度為200 m。泥巖蓋層未被F4斷裂完全錯(cuò)斷，仍保持橫向分布的連續(xù)性。利用自然伽馬測井資料，由本文參考文獻(xiàn)[23]中的方法求取F4斷裂處東二段泥巖蓋層巖石的泥質(zhì)含量為0.87，將其代入圍巖排替壓力計(jì)算式（5），可得到南堡凹陷東二段泥巖蓋層排替壓力隨壓實(shí)埋深變化關(guān)系（圖5），再通過恢復(fù)東二段泥巖蓋層巖石古壓實(shí)埋深，即得到東二段泥巖蓋層排替壓力隨時(shí)間變化關(guān)系（圖5）。

利用自然伽馬測井資料，由本文參考文獻(xiàn)[17]中的方法求取東二段砂巖儲(chǔ)層巖石泥質(zhì)含量為0.13，將其代入南堡凹陷砂巖儲(chǔ)層排替壓力計(jì)算公式（式6）中，便可以得到東二段砂巖儲(chǔ)層巖石排替壓力隨壓實(shí)埋深變化關(guān)系（圖5），再恢復(fù)東二段砂巖儲(chǔ)層巖石古壓實(shí)埋深，可得到東二段砂巖儲(chǔ)層巖石排替壓力隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖5所示。

取東二段泥巖蓋層和下伏砂巖儲(chǔ)層巖石排替壓力相等處所對應(yīng)的時(shí)間（圖5），為距今25.8 Ma，即為東二段泥巖蓋層封閉形成時(shí)間（Tm）。

受到鉆井及取心的影響，目前難以利用測試樣品的方法獲取F4斷層巖排替壓力，也就無法確定斷層巖封閉形成時(shí)間，只能利用間接方法確定斷層巖封閉形成時(shí)間，具體方法為：①明確南堡2號構(gòu)造F4斷裂斷至館陶組上段頂部停止活動(dòng)，其停止活動(dòng)時(shí)間（To）為距今5.32 Ma；②按照本文參考文獻(xiàn)[18]中的方法求取F4斷裂在東二段斷層巖泥質(zhì)含量為0.36，將其代入南堡凹陷圍巖排替壓力計(jì)算式（5）中，得到與斷層巖泥質(zhì)含量相同的東二段圍巖排替壓力隨壓實(shí)埋深變化關(guān)系；③基于斷層巖與圍巖壓實(shí)所承受應(yīng)力的差異，結(jié)合東二段圍巖排替壓力與地質(zhì)時(shí)間/壓實(shí)埋深的關(guān)系得到斷層巖排替壓力隨地質(zhì)時(shí)間/壓實(shí)埋深的變化關(guān)系，將東二段圍巖排替壓力從東二段圍巖停止沉積時(shí)間（為距今27.3 Ma，Ts）移至斷層巖開始壓實(shí)成巖時(shí)間（為距今5.32 Ma）處，將其作為斷層巖排替壓力隨壓實(shí)埋深變化關(guān)系（圖5）；④恢復(fù)斷層巖壓實(shí)古埋深，可得到斷層巖排替壓力隨時(shí)間變化關(guān)系（圖5）；⑤取上述F4斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖與下伏砂巖儲(chǔ)層巖石排替壓力相等所對應(yīng)的時(shí)間（圖5）為距今1.1 Ma，即為斷層巖封閉形成時(shí)間。

將上述已確定出的F4斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖封閉形成時(shí)間和東二段泥巖蓋層封閉形成時(shí)間代入式（1），可計(jì)算得到F4斷裂導(dǎo)致東二段泥巖蓋層封閉滯后程度為0.96，其值較大，表明F4斷裂對東二段泥巖蓋層封閉破壞程度相對較大，不利于沙三段和沙一段烴源巖生成的油氣通過F4斷裂在南堡2號構(gòu)造東二段砂巖儲(chǔ)層中聚集與保存，這是目前南堡2號構(gòu)造東二段僅在構(gòu)造高部位發(fā)現(xiàn)3處少量油氣、構(gòu)造低部位大部分地區(qū)未找到油氣的根本原因。

4 結(jié)論

1）斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度主要受到泥巖蓋層封閉形成時(shí)間和斷層巖封閉形成時(shí)間相對早晚的影響，斷層巖封閉形成時(shí)間相對于泥巖蓋層封閉形成時(shí)間越晚，斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度越大；反之則越小。

2）通過確定泥巖蓋層封閉形成時(shí)間和斷層巖封閉形成時(shí)間，建立了一套預(yù)測斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度的方法，該方法克服了以往斷層巖排替壓力預(yù)測中壓實(shí)埋深難以預(yù)測以及以往利用蓋層和斷層巖排替壓力等于1 MPa所對時(shí)間作為蓋層和斷層巖封閉形成時(shí)間的不足。

3）該方法應(yīng)用于渤海灣盆地南堡凹陷南堡2號構(gòu)造F4斷裂，認(rèn)為東二段泥巖蓋層封閉形成時(shí)間為距今25.8 Ma，內(nèi)部斷層巖封閉形成時(shí)間為距今1.1 Ma，F(xiàn)4斷裂導(dǎo)致東二段泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后程度為0.96，該值較大，不利于沙三段和沙一段烴源巖生成油氣在東二段砂巖儲(chǔ)層中聚集與保存，與目前南堡2號構(gòu)造東二段現(xiàn)有勘探成果一致，表明該方法可適用于預(yù)測斷裂導(dǎo)致泥巖蓋層封閉形成時(shí)間滯后的程度。