斷層封閉性定量評(píng)價(jià)方法在港西地區(qū)的應(yīng)用

韓 靜 喬?hào)|生 盧剛臣 李振永 臧明峰 李 燕

（①中國(guó)石油東方地球物理公司研究院大港分院；②中國(guó)石油大港油田公司第五采油廠；③中國(guó)石油渤海鉆探井下作業(yè)分公司）

0 引言

港西地區(qū)位于北大港構(gòu)造帶西翼，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有基于潛山披覆背斜的巖性-構(gòu)造油氣藏，斷裂密集，斷塊破碎，油藏埋深淺（600～1400 m），目前處于注水開(kāi)發(fā)階段。自1990 年以來(lái)該地區(qū)出現(xiàn)過(guò)9 起地面冒水事故，近兩年事故頻發(fā)，出現(xiàn)3 起地面冒泥砂漿事故，既造成資源浪費(fèi)，也給地面設(shè)施和田地造成很大傷害，目前發(fā)生事故區(qū)塊內(nèi)注水井均處于停注關(guān)井狀態(tài)，嚴(yán)重影響了該區(qū)的正常生產(chǎn)。由于地面冒泥砂漿無(wú)油氣顯示，且斷層可作為重要導(dǎo)水通道，據(jù)此認(rèn)為地面冒水與斷層導(dǎo)水有關(guān)。鑒于斷層導(dǎo)水性與斷層封閉性具有相關(guān)性[1]，可以利用斷層封閉性評(píng)價(jià)方法判別斷層導(dǎo)水性，預(yù)測(cè)出斷層面的可能水竄通道，為注采井網(wǎng)部署提供參考。因此，開(kāi)展斷層封閉性研究在港西地區(qū)注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 斷層封閉性類(lèi)型劃分及評(píng)價(jià)方法

1.1 斷層封閉性類(lèi)型劃分

斷層封閉性是指斷層面或斷裂帶對(duì)地層流體封堵并阻止流體滲流的能力[2]，根據(jù)其在地質(zhì)空間上的表現(xiàn)分為垂向封閉性和側(cè)向封閉性?xún)纱箢?lèi)型[3]。（1）斷層垂向封閉性是指在垂向上沿著斷層運(yùn)移流體的能力，如果垂向不封閉，則流體會(huì)沿著斷層面（或斷裂帶）運(yùn)移到其他層系。（2）斷層側(cè)向封閉性是指在側(cè)向上斷層兩盤(pán)對(duì)置層穿過(guò)斷層面運(yùn)移流體的能力，如果側(cè)向不封閉，則流體會(huì)穿過(guò)斷層面運(yùn)移到另一盤(pán)。

因此，在利用斷層封閉性預(yù)測(cè)斷層面的可能水竄通道時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮垂向及側(cè)向兩個(gè)方面。

1.2 斷層封閉性評(píng)價(jià)方法

在油氣勘探領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)斷層封閉性評(píng)價(jià)做了很多研究，評(píng)價(jià)內(nèi)容逐漸從考慮單一因素向多元因素發(fā)展，評(píng)價(jià)方法逐漸從定性研究發(fā)展到半定量研究再到定量研究。

定性評(píng)價(jià)方法主要包括3種：巖性配置識(shí)別法、斷層巖性疊置斷面圖法[4]、斷層活動(dòng)性分析法。其中前兩種方法只考慮了斷層兩盤(pán)巖性的對(duì)接情況，最后一種方法只考慮了斷層的活動(dòng)性，考慮因素比較單一，且只能評(píng)價(jià)斷層的相對(duì)封閉能力，不能明確得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

半定量評(píng)價(jià)方法主要包括3 種：根據(jù)油水界面判定法、根據(jù)斷層兩盤(pán)產(chǎn)出及壓力變化情況判定法、利用井間干擾狀況判定法。這些方法都是利用油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)資料進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)井?dāng)?shù)據(jù)要求較高。

定量評(píng)價(jià)方法主要包括3 種：斷層巖泥質(zhì)含量法[5]、斷層面正壓力法[6]、斷-儲(chǔ)排替壓力差法[7]。第一種方法考慮了斷層斷距、被錯(cuò)斷的泥巖及儲(chǔ)層的泥質(zhì)含量等因素，第二種方法考慮了斷層巖的壓實(shí)成巖作用，第三種方法是從斷層封閉機(jī)理出發(fā)的。每一種方法考慮的因素都比較單一，但是將這3 種方法結(jié)合起來(lái)，考慮的因素相對(duì)比較全面，且能夠明確得出評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，在此次研究中將同時(shí)利用這3 種定量評(píng)價(jià)方法對(duì)斷層封閉性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 研究區(qū)概況

選取港西地區(qū)中地面冒泥砂漿較嚴(yán)重區(qū)域作為研究區(qū)，區(qū)域面積4.5 km2，位于港西地區(qū)復(fù)雜斷裂區(qū)內(nèi)，研究層系深度范圍150～1000 m，包括第四系平原組，上第三系明上段和明下段，其中明下段涉及明Ⅰ、明Ⅱ油組。

2.1 斷裂特征

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條大斷層（港西斷層和沙井子斷層），派生斷層發(fā)育，各層位底界斷裂平面展布如圖1所示。（1）港西斷層：傾向南傾，自西向東走向發(fā)生變化，東西→北東→東西→北北東，延伸3 000 m，斷距30～170 m。（2）沙井子斷層：傾向北傾，走向北東向40°～50°，延伸2800 m，斷距30～100 m，該斷層在明Ⅱ段底界（圖1a）和明Ⅰ段底界（圖1b）時(shí)位于港西斷層北側(cè)，明上段底界（圖1c）與港西斷層發(fā)生交叉，發(fā)育到平原組（圖1d）后位于港西斷層南側(cè)。（3）港西斷層下降盤(pán)發(fā)育5 條分支，走向北東，斷距5～20 m。（4）沙井子斷層下降盤(pán)發(fā)育4 條分支，走向北東，斷距5～30 m。（5）港西斷層和沙井子斷層所夾持的上升盤(pán)發(fā)育3條斷層，走向北東，斷距5～20 m。

圖1 研究區(qū)斷裂分布圖

研究區(qū)內(nèi)注水井主要分布在港西斷層兩側(cè)（圖1a），因此本研究以港西斷層為例進(jìn)行封閉性評(píng)價(jià)。

2.2 巖性特征

第四系平原組深度為0～225 m，上部巖性為黃灰、土黃色黏土及砂質(zhì)黏土夾粉砂巖，下部為土黃、淺灰色砂質(zhì)黏土、粉砂巖、黏土質(zhì)粉砂巖層等厚互層。上第三系明上段深度為225～655 m，巖性為淺綠色粉-細(xì)砂巖，中-細(xì)砂巖與灰綠色泥巖不等厚互層，夾棕紅色泥巖，泥巖質(zhì)純，可塑性好，砂巖膠結(jié)疏松，易分散。上第三系明下段深度為655～1000 m，其中明Ⅰ油組為淺棕紅色泥巖與淺灰綠色砂巖組成的互層段，明Ⅱ油組呈現(xiàn)“泥包砂”特征，為灰綠色、淺棕紅色泥巖夾淺灰綠色砂巖，最大單層泥巖厚度為15 m，最大單層砂巖厚度為14 m。研究區(qū)內(nèi)有利儲(chǔ)層為砂巖，因此在此次研究中尋找能夠反映砂泥巖的敏感曲線(xiàn)識(shí)別巖性體。

3 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演獲取巖性體

3.1 巖性敏感曲線(xiàn)分析

在測(cè)井曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)巖性敏感曲線(xiàn)分析直方圖可以看出，聲波時(shí)差曲線(xiàn)（圖2a）和密度曲線(xiàn)（圖2b）對(duì)砂泥巖的疊置區(qū)域較多，無(wú)法區(qū)分砂泥巖；自然伽馬曲線(xiàn)（圖2c）對(duì)砂泥巖反應(yīng)最為敏感，對(duì)砂泥巖的疊置區(qū)域較少，能夠有效地區(qū)分砂泥巖。應(yīng)用希爾奇指數(shù)校正公式將自然伽馬轉(zhuǎn)換為泥質(zhì)含量（圖2d），泥巖的泥質(zhì)含量下限值為45%。

圖2 巖性敏感曲線(xiàn)分析直方圖

3.2 地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演

地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演過(guò)程如下：首先根據(jù)巖性敏感曲線(xiàn)分析，利用自然伽馬曲線(xiàn)對(duì)聲波時(shí)差曲線(xiàn)進(jìn)行重構(gòu)，得到擬聲波曲線(xiàn)；其次根據(jù)地震解釋成果建立地層格架，結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立初始低頻模型；然后根據(jù)井上巖性分布情況確定水平變差函數(shù)，根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)確定垂向變差函數(shù)；最后開(kāi)展相控約束下的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演，對(duì)多個(gè)概率體進(jìn)行優(yōu)選，得到最終巖性反演體。反演剖面如圖3 所示，該剖面清晰地刻畫(huà)了砂體的分布情況，與井上巖性分布情況表現(xiàn)基本一致。

圖3 過(guò)X 34-10-4、X35-8-2、X 1-7-1、X 35-5-3井連井線(xiàn)巖性剖面

4 斷層封閉性定量評(píng)價(jià)

4.1 斷層垂向封閉性評(píng)價(jià)

4.1.1 斷層巖泥質(zhì)含量法

斷層巖的泥質(zhì)含量主要受斷層斷距、被錯(cuò)斷的泥巖層層數(shù)和厚度及砂巖層中泥質(zhì)含量的影響，其大小可以按照SGR[8]法計(jì)算求得，計(jì)算公式為：

式中：Vshf為斷層巖泥質(zhì)含量，%；Vshi為被斷裂錯(cuò)斷的第i層地層巖石的泥質(zhì)含量，%，可由斷層附近標(biāo)志井的泥質(zhì)含量曲線(xiàn)直接讀取；Hi為被斷裂錯(cuò)斷的第i層地層厚度，m；T為斷層斷距，m。

應(yīng)用斷層巖泥質(zhì)含量法評(píng)價(jià)斷層垂向封閉性：利用公式（1）計(jì)算得到斷層巖泥質(zhì)含量與泥巖的泥質(zhì)含量下限值進(jìn)行比較，當(dāng)斷層巖泥質(zhì)含量大于45%時(shí)，認(rèn)為斷層填充物以泥質(zhì)為主，斷層垂向封閉，反之開(kāi)啟。

4.1.2 斷層面正壓力法

斷層面正壓力p[9]計(jì)算公式為：

式中：p為斷層面所受正壓力，MPa；Hr為斷點(diǎn)埋深，m；ρr為地層密度，g·cm-3，可由斷層附近標(biāo)志井的密度測(cè)井資料得到；ρw為地層水密度，g·cm-3，該區(qū)塊取1.0 g·cm-3；θ為斷層傾角，（°）。

應(yīng)用斷層面正壓力法評(píng)價(jià)斷層垂向封閉性：計(jì)算該段地層頂界與斷層相交處的斷層面正壓力p1；計(jì)算該段地層底界與斷層相交處的斷層面正壓力p2；對(duì)這兩個(gè)數(shù)值求取平均值（p'），即為該段地層中部斷層面正壓力。根據(jù)前人[10]對(duì)川西拗陷上三疊統(tǒng)泥巖進(jìn)行的抗壓實(shí)驗(yàn)可知，泥巖塑性變形要求的下限壓力為5 MPa，由于港西地區(qū)淺層與川西拗陷上三疊統(tǒng)儲(chǔ)層均以碎屑巖為主，因此可以此作為參考依據(jù)。將地層中部斷層面正壓力與泥巖塑性變形要求的下限壓力進(jìn)行比較：當(dāng)斷層面正壓力大于5 MPa 時(shí)，因泥巖變形導(dǎo)致斷層裂縫愈合，由此造成斷層垂向封閉，反之開(kāi)啟。

4.2 斷層側(cè)向封閉性評(píng)價(jià)

前人[11]對(duì)歧口凹陷巖石樣品進(jìn)行取樣分析，將巖石泥質(zhì)含量、巖石埋深與巖石實(shí)測(cè)排替壓力進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到如下關(guān)系式：

式中：pdf為全部巖石樣品排替壓力，MPa；Hf為巖石壓實(shí)成巖埋深（Hf＝Hrcosθ），m；pdr為儲(chǔ)層巖石樣品排替壓力，MPa；Vshr為儲(chǔ)層巖石泥質(zhì)含量，%。

港西地區(qū)位于歧口凹陷西緣，因此關(guān)系式（3）和關(guān)系式（4）也適用于本研究區(qū)。應(yīng)用斷-儲(chǔ)排替壓力差法評(píng)價(jià)斷層側(cè)向封閉性：斷層巖內(nèi)物質(zhì)是由斷層兩盤(pán)地層中的砂泥成分共同組成，因此可利用關(guān)系式（3）計(jì)算得到該點(diǎn)的斷層巖排替壓力（pdf），利用關(guān)系式（4）計(jì)算得到該點(diǎn)所在盤(pán)的儲(chǔ)層排替壓力（pdr）。將斷層巖排替壓力（pdf）與儲(chǔ)層排替壓力（pdr）進(jìn)行比較：如果pdf>pdr，流體不能穿過(guò)斷裂帶進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移，斷層起封閉作用，反之，斷層開(kāi)啟。

4.3 綜合評(píng)價(jià)

本文以港西斷層為例，沿?cái)鄬幼呦虬凑諟y(cè)線(xiàn)順序劃分15 個(gè)測(cè)點(diǎn)A-O（圖4a），每一個(gè)測(cè)點(diǎn)垂向上從地面至明Ⅱ油組底分為22 個(gè)地層（圖4b），依據(jù)解釋成果統(tǒng)計(jì)和計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的斷層斷距、斷點(diǎn)埋深及斷層傾角，在每一測(cè)點(diǎn)周邊選取一口標(biāo)志井，統(tǒng)計(jì)地層密度及地層巖石泥質(zhì)含量。利用斷層巖泥質(zhì)含量法及斷層面正壓力法對(duì)斷層進(jìn)行垂向封閉性定量評(píng)價(jià)，利用斷-儲(chǔ)排替壓力差法對(duì)斷層進(jìn)行側(cè)向封閉性定量評(píng)價(jià)。表1為港西斷層測(cè)點(diǎn)A淺層封閉性定量評(píng)價(jià)參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果。依據(jù)此方法對(duì)每一測(cè)點(diǎn)每一地層分別進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算得出該斷層最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 港西斷層測(cè)點(diǎn)A淺層封閉性定量評(píng)價(jià)參數(shù)及評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4 斷層走向及垂向劃分示意圖

根據(jù)最終評(píng)價(jià)結(jié)果繪制斷層封閉性評(píng)價(jià)立體示意圖（圖5），為了使示意更加清晰直觀，使用4 種顏色對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行區(qū)分，可以看出港西斷層在不同測(cè)點(diǎn)、不同地層處垂向及側(cè)向封閉情況呈現(xiàn)差異性[12]。

圖5 港西斷層封閉性評(píng)價(jià)立體示意圖

以注水井X 34-7-1 井為例，其注水層位為NmⅠ4和NmⅠ5，圖5 中不規(guī)則圖形代表通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到的巖性體確定的該層系砂體分布范圍，可以看出地層砂體與斷層相接處在L 1860 及L 1880 附近；從封閉性立體示意圖可以看出，L 1860處斷層垂向及側(cè)向均不封閉，L 1880處斷層垂向及側(cè)向均封閉。因此認(rèn)為L(zhǎng) 1860 附近可能為港西斷層在該層系的水竄通道，注入水可穿過(guò)斷層竄流至另一盤(pán)，也可沿?cái)鄬影l(fā)生垂向運(yùn)移。

該區(qū)塊內(nèi)共有注水井15口，注水層位主要分布在NmⅠ4、NmⅠ5以及NmⅡ2和NmⅡ3，依據(jù)此方法對(duì)每口注水井的每一注水層位逐一進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)該注水井注水層位所在砂體是否為水竄通道，為港西地區(qū)后續(xù)注采井網(wǎng)部署提供參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）鑒于斷層導(dǎo)水性與斷層封閉性具有相關(guān)性，斷層封閉性在地質(zhì)空間上具有差異性，評(píng)價(jià)斷層導(dǎo)水性不應(yīng)單獨(dú)考慮某一方向，應(yīng)從垂向及側(cè)向兩個(gè)方向同時(shí)評(píng)價(jià)。因此本文利用斷層封閉性定量評(píng)價(jià)方法從垂向及側(cè)向分別評(píng)價(jià)斷層導(dǎo)水性：垂向封閉性利用斷層巖泥質(zhì)含量法及斷層面正壓力法，側(cè)向封閉性利用斷-儲(chǔ)排替壓力差法。

（2）斷層巖泥質(zhì)含量和斷層面正壓力是影響斷層垂向封閉性的主要因素：斷層巖泥質(zhì)含量越高，斷層面正壓力越大，斷層垂向封閉性越好。側(cè)向封閉性是基于斷層封閉機(jī)理評(píng)價(jià)的，影響因素較多。

（3）基于巖性敏感曲線(xiàn)，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演得到巖性體，結(jié)合斷層封閉評(píng)價(jià)結(jié)果及注水井注水層位分布情況，預(yù)測(cè)斷層面可能水竄通道。

（4）本研究思路初次應(yīng)用于港西地區(qū)評(píng)價(jià)油源斷層導(dǎo)水情況，得到了一些直觀的數(shù)據(jù)與結(jié)論，研究結(jié)論還未進(jìn)行驗(yàn)證，將會(huì)在今后的研究中進(jìn)一步論證。