準(zhǔn)噶爾盆地西北緣百口泉斷裂成巖封閉作用研究

崔殿

(中石化股份勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015)

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣百口泉斷裂成巖封閉作用研究

崔殿

(中石化股份勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015)

從機理上看,影響斷層封閉性的主要因素包括:涂抹作用、碎裂作用及成巖作用。其中成巖作用是靜止期斷層逐漸封閉的主導(dǎo)因素,其類型主要包括:壓實和充填作用、膠結(jié)作用,二者對斷層的封閉性均具有建設(shè)性作用。根據(jù)地震、測井、錄井及試油等基礎(chǔ)資料,運用定量計算的方法,并結(jié)合巖心和巖石薄片觀察,對準(zhǔn)噶爾盆地西北緣百口泉斷裂內(nèi)成巖作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:由于百口泉斷裂內(nèi)壓實和充填作用強烈,致使該斷裂的封閉性較好,對油氣具有良好的封堵作用。加之受膠結(jié)作用的影響,使斷裂帶與相鄰圍巖相比具有較低的孔隙度和滲透率。最后通過斷裂帶結(jié)構(gòu)劃分,結(jié)合巖心和巖石薄片觀察,初步認(rèn)為百口泉斷裂內(nèi)成巖膠結(jié)作用的影響范圍約為100～120m。

斷層封閉性 壓實作用 膠結(jié)作用 百口泉斷裂 準(zhǔn)噶爾盆地

從機理上看，斷層封閉作用主要包括3種類型：涂抹作用、碎裂作用和成巖作用。通常所采用的斷層封閉性評價方法主要是針對前兩種類型的封閉作用，國內(nèi)外關(guān)于斷裂帶成巖作用對斷層封閉性影響的研究較少，而這種作用往往是影響靜止期斷層逐漸封閉的主要因素。通過研究認(rèn)為影響斷層封閉性的成巖作用包括膠結(jié)作用和由斷面正應(yīng)力導(dǎo)致的壓實和充填作用。這二者對斷層封閉性均具有建設(shè)性作用。因此，開展斷裂帶成巖作用對斷層封閉性影響的研究，不僅可以豐富斷層封閉性研究的理論和方法，而且對尋找新的與斷層相關(guān)的油氣藏及拓展勘探空間，具有重要意義。

表1 447井附近百口泉斷裂封閉性參數(shù)計算表

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣為一晚古生代晚期—中生代早期形成的大型疊瓦沖斷系統(tǒng)。區(qū)域內(nèi)發(fā)育眾多平行于構(gòu)造線方向的NE向逆推斷層以及與主斷層垂直或斜交的近NW向橫斷層，這些斷層控制了西北緣油氣的空間分布。百口泉斷裂是克夏斷裂帶的重要組成部分，屬于一級斷裂，其南接南白堿灘斷裂、北接百烏斷裂。該斷裂活動時期較長，從二疊紀(jì)開始持續(xù)活動至中侏羅世末期。該斷裂總體走向為南西～北東向，傾向北西，呈向東凸出的弧形，斷層面上陡下緩，上部傾角60°，下部傾角20°～35°；深部地層垂直落差大，淺部地層落差小，三疊系底垂直斷距200m～800m，水平斷距200m～600m；侏羅系底垂直斷距50m～200m，水平斷距30m～180m，具有同生逆掩斷裂的性質(zhì)。延伸長度約12km。斷裂早期與南白堿灘斷裂和百烏斷裂為一條斷層，三疊紀(jì)以來，由于受印支、燕山運動引起的平面差異運動的影響逐漸分化成為獨立斷層。

2 壓實和充填作用對斷層封閉性的影響

2.1 壓實和充填作用機理

當(dāng)斷層上下盤巖層所受的正應(yīng)力超過了其破裂強度，會使巖石發(fā)生破碎，從而充填堵塞了斷裂帶內(nèi)部孔隙空間并且使斷面緊閉，使斷層封閉。這種作用使斷裂帶內(nèi)孔隙度、滲透率降低，導(dǎo)致斷層達(dá)到了封閉的效果。斷裂帶的壓實作用可以用斷層面承受的正應(yīng)力進(jìn)行表征，而充填作用則由斷裂帶泥質(zhì)充填含量表征。當(dāng)斷裂充填物的驅(qū)替壓力高于圍巖時，必然封堵流體的運移。

2.2 壓實和充填作用對百口泉斷裂封閉性的影響

通過對鉆遇百口泉斷裂的417井和423井的巖心取樣作巖石薄片觀察發(fā)現(xiàn)：斷裂內(nèi)壓實作用強烈，表現(xiàn)為受構(gòu)造應(yīng)力作用顆粒塑性破碎并被壓碎后進(jìn)入孔隙。充填作用普遍發(fā)育，泥質(zhì)充填了裂縫(圖1)。

壓實和充填作用對斷裂封閉性的影響不僅可以通過巖心觀察等方式進(jìn)行定性研究，還可以通過公式計算的方式進(jìn)行定量評價。壓實作用可以通過斷面正應(yīng)力(P)進(jìn)行表征，其計算公式前人進(jìn)行過大量研究，具體為：

式中：P為斷面所承受的正應(yīng)力MPa；H為斷面埋深m；ρr為上覆地層平均密度g/cm3；ρw為地層水密度g/cm3；g為重力加速度；σ為水平地應(yīng)力MPa；θ為斷面傾角(°)；β為主地應(yīng)力方向與斷層走向的夾角(°)。

付廣等提出的斷裂充填物泥質(zhì)含量(Rm)可以定量評價斷裂帶泥質(zhì)充填含量，公式為：

式中：Rm為斷裂帶泥質(zhì)充填含量；L為垂直斷距m；h1i和h2j分別為斷層上盤第i層和斷層下盤第j層的泥巖厚度m；n1，n2分別為斷層兩盤被錯斷的泥巖層數(shù)；h為斷層上、下盤目的層之間的泥巖累積平均厚度m；H為斷移地層厚度m。

通過地震、試油、測井及錄井等資料，運用公式1和公式2計算百口泉斷裂帶內(nèi)的正應(yīng)力(P)和斷裂帶泥質(zhì)充填含量(Rm)。結(jié)果表明該斷層所承受的正應(yīng)力大大超過了泥巖破裂強度(5.5MPa)，會使得斷層上下泥巖層發(fā)生塑性變形，泥質(zhì)充填堵塞孔隙空間。斷裂帶內(nèi)泥質(zhì)充填含量分布在0.25-0.65之間，整體較大，這與巖心觀察的結(jié)果吻合(表1)。

通過巖心觀察和參數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，百口泉斷裂內(nèi)壓實和充填作用強烈，斷面所受正應(yīng)力較大，超過了泥巖破裂強度(5.5MPa)，這不但會使斷裂帶內(nèi)巖石致密，孔隙度減小，還會導(dǎo)致斷裂帶內(nèi)巖石尤其是泥巖破碎，并發(fā)生塑性變形充填在斷裂帶內(nèi)，進(jìn)一步堵塞孔隙空間。因此，可以認(rèn)為壓實和充填作用使百口泉斷裂封閉性變好。

3 膠結(jié)作用對斷層封閉性的影響

3.1 膠結(jié)作用機理

斷裂帶的膠結(jié)作用是指富含礦物質(zhì)的地下流體在沿斷裂帶運移的過程中，由于物理環(huán)境的改變以及地下水與斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，造成礦物質(zhì)發(fā)生過飽和沉淀。這些后期的礦物沉淀，膠結(jié)了疏松的沉積物，阻塞了斷裂帶中的孔隙，降低了巖石孔隙度、滲透率，從而造成斷層的封閉。

3.2 影響斷層封閉性的膠結(jié)礦物類型

目前，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為影響斷層封閉性的膠結(jié)礦物主要為石英和碳酸鹽巖。根據(jù)巖心觀察得出，由于受應(yīng)力作用，百口泉斷裂內(nèi)巖石裂縫發(fā)育，成巖膠結(jié)作用強烈，裂縫普遍被碳酸鹽巖膠結(jié)。對斷裂內(nèi)巖心取樣作巖石薄片觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂帶巖石由于受應(yīng)力作用，破裂縫發(fā)育，且全部被膠結(jié)，主要膠結(jié)礦物為方解石(圖2)。

3.3 膠結(jié)作用影響強度及范圍

一般認(rèn)為，由于受膠結(jié)作用的影響，斷裂帶與相鄰的原地巖性相比具有較低的孔隙度和滲透率。對鉆遇百口泉斷裂的423井、424井及百烏12井?dāng)帱c附近巖心膠結(jié)程度的研究表明：斷裂帶附近的巖石膠結(jié)率明顯異常增大，比正常巖石大近80%，膠結(jié)物含量明顯增多，膠結(jié)程度增強，孔隙度、滲透率較低。說明斷裂帶是流體頻繁活動的重要場所，因此礦物沉淀現(xiàn)象非常普遍，由此產(chǎn)生的膠結(jié)作用大大提高了百口泉斷裂的封閉性。

斷裂帶膠結(jié)作用對斷層封閉性的影響強度非常大，但是該作用發(fā)生的范圍到底有多大，這是一個值得探討的問題。斷裂是一個具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體，由以發(fā)育斷層巖和伴生裂隙為主要特征的破碎帶和斷裂伴生的低級別及多次序裂隙發(fā)育的誘導(dǎo)裂縫帶組成的，并且由于斷層形成特征的差異導(dǎo)致不同斷層或斷層不同部位破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶的范圍不同。也正因為破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶在特征和性質(zhì)上的區(qū)別，導(dǎo)致在二者內(nèi)部發(fā)生的主要成巖作用存在差異。破碎帶內(nèi)發(fā)育斷層巖，是壓實和充填作用的主要發(fā)育帶；誘導(dǎo)裂縫帶內(nèi)裂隙發(fā)育，為流體低勢區(qū)，地下流體在“地震泵”效應(yīng)下在其內(nèi)部進(jìn)行運移，致使與斷裂帶巖石發(fā)生水-巖反應(yīng)，因此誘導(dǎo)裂縫帶是膠結(jié)作用的主要發(fā)育帶。

根據(jù)誘導(dǎo)裂縫帶和滑動破裂帶的測井識別特征對鉆遇百口泉斷裂的423井、424井及百烏12井進(jìn)行斷裂帶結(jié)構(gòu)劃分(圖3)，發(fā)現(xiàn)百口泉斷裂的滑動破碎帶范圍約60m，誘導(dǎo)裂縫帶范圍約100m。

結(jié)合巖心觀察和巖石薄片觀察發(fā)現(xiàn)，滑動破碎帶內(nèi)充填大量破碎泥巖(圖1)，誘導(dǎo)裂縫帶內(nèi)裂縫發(fā)育且基本被方解石完全膠結(jié)(圖2)。此觀察結(jié)果表明，百口泉斷裂膠結(jié)作用十分強烈，整個誘導(dǎo)裂縫帶都是膠結(jié)作用的影響范圍，考慮緊鄰斷裂帶的圍巖受其影響，成巖膠結(jié)作用的影響范圍應(yīng)為100～120m。這說明成巖膠結(jié)作用對斷裂帶封閉性能的影響范圍非常大。

圖2 百口泉斷裂帶內(nèi)巖心和巖石薄片照片

圖3 424井?dāng)嗔褞ЫY(jié)構(gòu)劃分圖

4 結(jié)語

(1)影響百口泉斷裂封閉性的成巖作用主要有壓實和充填作用、膠結(jié)作用。由于二者的影響使斷裂帶與相鄰圍巖相比具有較低的孔隙度和滲透率，致使該斷裂的封閉性較好，對油氣具有良好的封堵作用。

(2)百口泉所受正應(yīng)力大大超過了泥巖破裂強度(5.5Mpa)，不但會使斷裂帶內(nèi)巖石致密，孔隙度減小，還使斷裂帶內(nèi)巖石尤其是泥巖破碎，發(fā)生塑性變形充填在斷裂內(nèi)，進(jìn)一步堵塞孔隙空間。巖心薄片觀察和定量計算的結(jié)果與之吻合。

(3)百口泉斷裂成巖膠結(jié)作用十分發(fā)育，大量成巖膠結(jié)礦物堵塞裂縫，膠結(jié)破碎的巖石，從而使得斷裂帶內(nèi)孔隙度、滲透率降低。成巖膠結(jié)礦物類型主要為方解石，通過斷裂帶結(jié)構(gòu)劃分，結(jié)合巖心和巖石薄片觀察初步，認(rèn)為膠結(jié)作用影響范圍大約100～120m。

[1]呂延防,付廣,張云峰,等.斷層封閉性研究[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002:33-34.

[2]呂延防,李國會,王躍文,等.斷層封閉性的定量研究方法[J].石油學(xué)報,1996,17(3):42-43.

[3]付廣,李玉喜,張云峰,等.斷層垂向封閉油氣性研究方法及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),1997,17(6):22～25.