超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力研究方法及其應(yīng)用

胡慧婷，王 龍，劉 巖，秦培銳，付紅軍

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油 大慶油田分公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163355； 3.中國石油 大慶油田分公司 海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000)

超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力研究方法及其應(yīng)用

胡慧婷1，王 龍2，劉 巖1，秦培銳3，付紅軍3

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油 大慶油田分公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163355； 3.中國石油 大慶油田分公司 海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部，內(nèi)蒙古 海拉爾 021000)

為了研究斷裂在油氣聚集與保存中的作用，在有、無超壓泥巖蓋層中斷裂垂向封閉油氣作用及差異性研究的基礎(chǔ)上，針對斷層垂向封閉能力的對比，利用圍巖排替壓力與其泥質(zhì)含量和壓實成巖埋深之間的經(jīng)驗關(guān)系，計算并求取斷層巖排替壓力，從而建立了一套超壓泥巖蓋層中斷裂垂向封閉能力的研究方法，并將其應(yīng)用于海拉爾盆地烏爾遜凹陷蘇仁諾爾斷裂帶內(nèi)，定量得出斷層巖排替壓力，完成蘇仁諾爾斷裂超壓泥巖蓋層內(nèi)的垂向封閉性評價。結(jié)果表明，蘇仁諾爾斷裂在大磨拐河組一段具有較弱的封閉能力，不利于油氣聚集與保存，這與該斷裂帶油氣分布廣但儲量豐度低這一現(xiàn)象吻合較好，由此證實，該方法用于定量研究超壓泥巖蓋層中斷裂垂向封閉能力是可行的。

超壓泥巖蓋層；斷裂；垂向封閉能力；大磨拐河組；蘇仁諾爾斷裂；烏爾遜凹陷；海拉爾盆地

油氣勘探實踐表明，在含油氣盆地或凹陷內(nèi)厚度相對較大的泥巖地層中或多或少地存在著一定的超壓。這種超壓不僅對其內(nèi)油氣生成和運移起著重要作用[1-6]，而且對其下油氣的聚集與保存也起著重要的控制作用[7-10]，這不僅表現(xiàn)在超壓對蓋層封閉油氣所起的作用上[11-13]，而且更重要的是表現(xiàn)在超壓對其內(nèi)斷層封閉油氣的作用上。關(guān)于超壓對泥巖蓋層內(nèi)斷層封閉作用的研究目前雖有探討，但由于受人們認識水平和研究手段的影響，考慮的問題還不全面，僅僅考慮了斷層巖壓實成巖程度對斷層垂向封閉能力的影響，而沒有考慮斷層巖成分(泥質(zhì)含量)對斷層垂向封閉能力的影響。此外，在考慮斷層巖壓實成巖程度對斷層垂向封閉能力的影響時，也僅僅考慮的是壓實成巖壓力對斷層垂向封閉能力的影響，而沒有考慮壓實成巖作用時間對斷層垂向封閉能力的影響。這些無疑都會造成研究結(jié)果與地下實際存在著一定的偏差，從而影響了對油氣聚集與保存能力的正確認識。因此，開展超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力的方法研究，對于油氣勘探具重要意義。

1 有、無超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉油氣作用機理及差異性

在含油氣盆地或凹陷內(nèi)原始沉積的泥巖蓋層，無論是否存在超壓，其在后來的構(gòu)造運動中或多或少都將受到斷裂的破壞，通常情況下，斷裂對泥巖蓋層將產(chǎn)生以下兩種情況的破壞：一種是斷距較大，將泥巖蓋層完全錯開，不僅使其失去橫向分布的連續(xù)性，而且也喪失了對下伏油氣的封閉能力；另一種是斷距較小，未將泥巖蓋層完全錯開，仍保持橫向分布的連續(xù)性，但泥巖蓋層封閉油氣能力已不再取決于泥巖蓋層本身的封閉能力，而是取決于其內(nèi)斷層巖的封閉能力，斷層巖封閉能力越強，斷裂對蓋層封閉能力的破壞作用越弱；反之則越強。然而，如果泥巖蓋層有超壓存在，表明泥巖塑性強，在相同條件下不易被斷裂破壞，即使被斷裂破壞，因其內(nèi)存在超壓而易形成封閉，對無超壓泥巖蓋層來說(圖1a)，其內(nèi)孔隙流體與上覆地層中的孔隙流體應(yīng)屬于同一壓力系統(tǒng)，即上、下流體是相互連通的，上覆流體對斷層巖的壓力可被下伏孔隙流體承擔(dān)，此時斷層巖所受到的正壓力應(yīng)為上覆沉積載荷的骨架壓力，公式(1)。

N=Gcosθ=(ρr-ρw)Zcosθ

(1)

式中：N——斷層巖所受到的正壓力，MPa；

G——上覆沉積載荷重量，kg；

θ——斷層傾角，(°)；

ρr——沉積巖平均密度，g/cm3；

ρw——地層水密度，g/cm3；

Z——斷層巖埋深，m。

如果泥巖蓋層存在超壓，其內(nèi)孔隙流體與上覆地層中孔隙流體屬于不同的壓力系統(tǒng)，即上、下流體是不連通的，已被超壓泥巖蓋層的致密層相隔(圖1b)，上覆孔隙流體對斷層巖的壓力已不能被下伏孔隙流體所承擔(dān)，此時斷層巖所受到的正壓力應(yīng)為上覆沉積載荷(除了骨架重量還有孔隙流體的重量)的靜巖壓力，公式(2)：

N′=G′cosθ=ρrZcosθ

(2)

式中：N′——超壓泥巖中斷層巖所受到的正壓力，MPa；

G′——上覆沉積載荷重量，kg；

其余符號意義同公式(1)。

由公式(1)和公式(2)可以看出，在埋深和斷層傾角相同的條件下，超壓泥巖蓋層中斷層巖所受到的正壓力明顯大于無超壓泥巖蓋層中斷層巖所受到的正壓力，表明超壓泥巖蓋層中斷層巖封閉能力應(yīng)強于無超壓泥巖蓋層中斷層巖的封閉能力。

2 超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力的研究方法

由上述可知，超壓泥巖與無超壓泥巖蓋層一樣，其內(nèi)斷層垂向封閉能力的強弱主要取決于斷層巖封閉能力的強弱，而斷層巖封閉能力強弱又受到其排替壓力大小的影響，斷層巖排替壓力越大，斷層垂向封閉能力越強；反之則越弱。因此，要研究超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力，就必須首先確定斷層巖排替壓力。

大量實測數(shù)據(jù)結(jié)果[14]表明，巖石排替壓力主要受到沉積巖壓實成巖埋深(若上覆地層沒有明顯抬升剝蝕，而用其現(xiàn)今埋深反映)和其成分(可用泥質(zhì)含量反映)的影響，隨著巖石埋深增加，其排替壓力增加；反之則減小。其經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系如公式(3)所示。

pc=aebZcRc

(3)

圖1 超壓和無超壓泥巖蓋層斷層巖所受壓實成巖壓力對比示意圖Fig.1 Schematic diagram showing comparison of diagenetic compaction pressure of fault rock between overpressure mudstone caprock with normal pressure mudstone caprock

式中：pc——沉積巖石排替壓力，MPa；

Zc——沉積巖石壓實成巖埋深，m；

Rc——沉積巖石泥質(zhì)含量，小數(shù)；

a，b——與地區(qū)有關(guān)的常數(shù)。

通過公式(3)，只要獲取沉積巖石壓實成巖埋深Zc和泥質(zhì)含量Rc，便可以確定出沉積巖的排替壓力，再根據(jù)其大小，便可以對其封閉能力進行評價。如果把斷層視為斷裂后期活動形成的,傾置于沉積巖地層中由斷層巖構(gòu)成的傾斜巖層，那么就可以按照上述研究方法來確定超壓泥巖蓋層中斷層巖的排替壓力。

由于斷層巖的壓實成巖埋深既要受到其壓實成巖壓力的影響，又要受到其成巖作用時間的影響，因此首先應(yīng)確定其所受到的壓實成巖壓力和壓實成巖作用時間。由于超壓泥巖蓋層中斷層巖壓實成巖是其停止活動后才開始的，明顯晚于與其具有相同埋深的超壓泥巖蓋層的壓實成巖作用時間。可首先利用斷裂生長指數(shù)法[15]或斷裂活動速率法[16]確定出斷裂活動時期，然后便可以確定出斷層巖開始壓實成巖作用時間。超壓泥巖蓋層中斷層巖所受到壓實成巖壓力應(yīng)為其上覆沉積載荷重量的正壓力，如公式(2)所示。其值也應(yīng)小于與其具有相同埋深超壓泥巖蓋層的壓實成巖壓力，如公式(4)所示。

Nm=ρrZm

(4)

式中：Nm——超壓泥巖蓋層壓實成巖壓力，MPa；

Zm——超壓泥巖蓋層埋深，m。

超壓泥巖蓋層中斷層巖壓實成巖壓力、作用時間和與其具有相同埋深泥巖蓋層壓實成巖壓力、作用時間具有對應(yīng)關(guān)系，如公式(5)所示。

(5)

式中：Nf——斷層巖壓實成巖壓力，MPa；

Tf——斷層巖壓實成巖作用時間，Ma；

Tm——超壓泥巖蓋層壓實成巖作用時間，Ma。

進而可以求得斷層巖壓實成巖埋深，如公式(6)所示。

(6)

式中：Zf′——斷層巖壓實成巖埋深，m。

該算法基于塊區(qū)域?qū)垙埲毕葸M行檢測，理論運行時間約為P×Q×4/f，其中f為電路的運行頻率，P×Q為分塊的數(shù)量。算法的運行時間僅僅取決于幀圖像分塊的數(shù)量，且其運行時間遠遠小于普通的基于像素標(biāo)記的算法運行時間。為了評估該算法的運行速度性能，選取了文獻中的算法和本算法進行了多次實驗測試，不同算法的運行對比數(shù)據(jù)如表2所示。其中文獻[6]、文獻[18]以及本算法均采用FPGA硬件平臺實現(xiàn)驗證測試，硬件運行頻率為100 MHz；文獻[13]中的基于兩次掃描的連通域標(biāo)記算法在Inteli3@2.30 GHz，4 GB運存，Win10平臺下采用Matlab編程實現(xiàn)。

斷層巖泥質(zhì)含量既要受到斷裂本身斷距大小的影響，又要受到被斷裂錯斷地層中泥質(zhì)成分的影響，可由式(7)計算求得。

(7)

式中：Rf——斷層巖泥質(zhì)含量，小數(shù)；

Hsi——被斷裂錯斷第i層巖層厚度，m；

Rsi——被斷裂錯斷第i層巖層泥質(zhì)含量，小數(shù)；

n——被斷裂錯斷巖層層數(shù)；

L——斷裂斷距，m。

將上述確定的斷層巖的壓實成巖埋深(Zf′)和泥質(zhì)含量(Rf)代入公式(3)中，便可以計算得到其斷層巖排替壓力(pf)，如公式(8)所示。

(8)

由文獻[17]中蓋層封閉能力的評價標(biāo)準(zhǔn)，按照pf≥5,3≤pf<5,1≤pf<3等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，便可以對超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力進行評價。

3 實例應(yīng)用

本文選取海拉爾盆地烏爾遜凹陷北部蘇仁諾爾斷裂為例，利用上述方法研究其大磨拐河組一段超壓泥巖蓋層中斷層巖的垂向封閉能力，并通過評價結(jié)果與油氣分布之間關(guān)系，驗證該方法的可行性。

蘇仁諾爾斷裂位于烏爾遜凹陷北部，是一條北東東走向的正斷層，斷裂傾向自西南向東北由東南轉(zhuǎn)為東南南方向，平面上延伸長度為37.25 km，可分為西南部和東北部兩部分。其中西南部延伸24.75 km，東北部延伸12.5 km(圖2)。蘇仁諾爾斷裂西南部斷距相對較大，為10～475 m，而蘇仁諾爾斷裂東北部斷距相對較小，為5～20 m。蘇仁諾爾斷裂西南部傾角相對較陡，傾角為5°～40°，而東北部相對較緩，傾角為3°～8°。它們均錯斷了主要目的層下白堊統(tǒng)南屯組油氣蓋層—大磨拐河組一段泥巖。由圖3中可以看出，蘇仁諾爾斷裂僅西南部邊部斷距大于大磨拐河組一段泥巖蓋層厚度，完全錯開了大一段泥巖蓋層，其余大部分皆未錯開大一段泥巖蓋層。由文獻[18]可知，烏爾遜凹陷北部大一段泥巖蓋層目前普遍存在著超壓，異常孔隙流體壓力最大可達到5 MPa，主要分布在蘇132井處，由此向其四周大一段泥巖異常孔隙流體壓力逐漸減小(圖4)。由文獻[18]可知，烏爾遜凹陷北部大一段泥巖蓋層本身又具有相對較高的排替壓力，最大可達到14 MPa以上，由東北向西南大一段泥巖蓋層排替壓力由小于8 MPa逐漸增大至14 MPa以上，(圖5)。這些均表明蘇仁諾爾斷裂處大一段泥巖蓋層本身具有較強的封閉油氣能力，其能否對下伏南屯組油氣起到封閉作用，完全取決于蘇仁諾爾斷裂在大一段超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層巖的垂向封閉能力。

由表1提供的數(shù)據(jù)，通過公式(6)與公式(7)計算得到了相關(guān)參數(shù)。在計算過程中，取大一段泥巖蓋層的壓突成巖作用時間為127.5 Ma(大一段沉積末期)，取蘇仁諾爾斷裂內(nèi)大一段超壓泥巖蓋層的壓突成巖作用時間為94 Ma(伊敏組沉積末期)。再根據(jù)該區(qū)沉積巖排替壓力與其泥質(zhì)含量和壓實成巖埋深之間經(jīng)驗關(guān)系式(公式9)，便可以計算得到蘇仁諾爾斷裂在不同測線處大一段超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層巖的排替壓力。

圖2 烏爾遜凹陷蘇仁諾爾斷裂與油氣分布關(guān)系Fig.2 Diagram of the relationship between hydrocarbon distribution and Surennuoer Fault in Wuerxun Sag

pc=0.197e0.1124ZcRc

(9)

式中：pc——沉積巖石排替壓力壓力，MPa；

Zc——沉積巖石壓實成巖埋深，m；

Rc——沉積巖中泥質(zhì)含量，小數(shù)。

由表1可以看出，蘇仁諾爾斷裂在不同測線處，大一段超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力為0.37～0.89 MPa，西南部斷層巖排替壓力明顯大于其東北部斷層巖排替壓力。按照上述評價標(biāo)準(zhǔn)，蘇仁諾爾斷裂垂向封閉能力相對較弱，為差封閉能力。由圖2可以看出，蘇仁諾爾斷裂附近目前雖然在南屯組發(fā)現(xiàn)了許多油氣，且中部和東北部南屯組油氣明顯多于西南部，但總體油氣儲量豐度卻不高，(表2)，明顯低于呼和諾仁油田，這可能與該斷裂斷層巖封閉能力相對較差有關(guān)。南屯組中部分油氣沿蘇仁諾爾斷裂發(fā)生了向上逸散，如蘇13井、蘇19井、蘇3井和烏8井在上覆大磨拐河組均見到了油氣顯示。蘇仁諾爾斷裂西南部由于斷裂將大一段泥巖蓋層完全錯開，油氣更易散失，油氣聚集明顯少于中部和東部。上述評價結(jié)果與油氣分布關(guān)系是吻合的。由表1可以看出，按照上述方法計算得到的超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力明顯高于不考慮超壓的斷層巖排替壓力值，而前者可能更接近地下實際情況，同時表明原來不考慮超壓計算得到大一段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖封閉能力可能低估了其實際封閉能力，降低了油氣勘探遠景。

圖4 烏爾遜凹陷北部大磨拐河組一段泥巖異?？紫读黧w壓力分布Fig.4 Distribution of abnormal pore fluid pressure of K1d1mudstone in northern Wuerxun Sag

圖5 烏爾遜凹陷北部大磨拐河組一段泥巖排替壓力分布Fig.5 Distribution of displacement pressure in K1d1 mudstone in northern Wuerxun Sag

斷裂部位測線號斷裂斷距/m斷裂傾角/(°)大一段泥巖蓋層埋深/m斷層巖泥質(zhì)含量/%斷層巖壓實成巖埋深/m(考慮超壓)斷層巖壓實成巖埋深/m(不考慮超壓)斷層巖排替壓力/MPa(考慮超壓)斷層巖排替壓力/MPa(不考慮超壓)西南部30537534.911524.596.71386.5529.00.890.3532547539.561602.583.31532.0516.70.830.3234534524.081477.583.31193.0564.00.600.3336520532.241497.550.01305.1529.70.740.344057533.681202.586.71065.2418.50.560.30425106.451235.096.7916.5513.00.530.34445105.731255.098.3929.9522.10.550.35465156.831242.596.7922.6515.80.540.35東北部8081035.001175.086.01057.3402.50.550.298482011.301140.066.7857.1467.40.370.28888106.541125.066.7834.8467.30.370.28928107.611065.066.7792.1441.40.360.27100853.80985.095.0727.8410.90.430.311048107.61915.099.7680.6379.20.420.301088107.61915.096.7680.6379.20.410.30

表2 蘇仁諾爾和呼和諾仁油田儲量豐度對比Table 2 Reserves abundance comparison between Surennuoer and Huhenuoer oilfields

4 結(jié)論

1) 超壓泥巖蓋層中斷層垂向封閉能力主要取決于斷層巖的排替壓力，斷層巖排替壓力越大，斷層垂向封閉能力越強；反之則越弱。與無超壓泥巖蓋層相比，最大差異是前者斷層巖所受到壓實成巖壓力增大，斷層垂向封閉性相對較好。

2) 本文利用圍巖排替壓力與其泥質(zhì)含量和壓實成巖埋深之間的經(jīng)驗關(guān)系，通過計算求取斷層巖排替壓力，建立了一套超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層巖垂向封閉能力的研究方法，其應(yīng)用結(jié)果表明，蘇仁諾爾斷裂在大一段超壓泥巖蓋層內(nèi)垂向上具較弱的封閉能力，與其附近有多處油氣分布但不富集的現(xiàn)象有著較好的吻合關(guān)系，表明該方法用于定量研究超壓泥巖蓋層內(nèi)斷層垂向封閉能力是可行的。

3) 利用所建立的超壓泥巖蓋層內(nèi)斷裂垂向封閉能力研究方法，得到的斷層巖排替壓力明顯大于不考慮超壓得到的斷層巖排替壓力，可能更接近地下實際，而不考慮超壓的得到的斷層巖排替壓力低估了斷層垂向封閉能力，降低了油氣資源遠景。

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(編輯 董 立)

Research method of fault vertical sealing capacity in overpressure mudstone caprock and its application

Hu Huiting1,Wang Long2,Liu Yan1,Qin Peirui3,Fu Hongjun3

(1.SchoolofEarthSciences,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China;2.The4thOilProductionPlantofPetroChinaDaqingOilfieldCompany,Daqing,Heilongjiang163355,China;3.HailaerOilExplorationandDevelopmentHeadquartersofPetroChinaDaqingOilfieldCompany,Hailar,InnerMongolia021000,China)

In order to study the role of fault in hydrocarbon accumulation and preservation，a comparative study was carried out on vertical sealing capacity of faults between overpressure and normal pressure mudstone caprocks.On this basis,displacement pressure of fault rock was calculated by using the empirical relationship between displacement pressure and shale content and buried depth.A set of methods for evaluating the vertical sealing capacity of fault in overpressure mudstone caprock was established and applied to Surennuoer fault zone of Wuerxun Sag in Hailar Basin.The displacement pressure of faults was quantitatively calculated,and the vertical sealing ability of overpressure mudstone caprock was eva-luated.The results indicate that K1d1overpressure mudstone caprock has a weak sealing capacity in Surennuoer fault zone and is unfavorable for hydrocarbon accumulation and preservation.This result is in good agreement with the phenomenon that oil/gas are widely distributed in this fault zone but the reserves abundance is low.This shows that this method is feasible for quantitative calculation of the vertical sealing capacity of fault in overpressure mudstone caprock.

overpressure mudstone caprock,fault,vertical sealing capacity of fault,Damoguaihe formation,Surennuoer Fault zone,Wuerxun Sag,Hailar Basin

2014-03-24。

胡慧婷(1983— )，女，博士、講師，油氣成藏與保存。E-mail:hht-214@163.com

國家自然科學(xué)基金項目(41372153)。

0253-9985(2014)03-0359-06

10.11743/ogg201409

TE122.2

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