斷裂帶蓋層油氣封蓋斷接厚度下限的預(yù)測方法及其應(yīng)用

付 廣，王浩然，胡欣蕾

（東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

斷裂帶蓋層油氣封蓋斷接厚度下限的預(yù)測方法及其應(yīng)用

付 廣，王浩然，胡欣蕾

（東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

在含油氣盆地蓋層未被斷裂完全錯開的條件下，采用斷層巖石封閉能力與下伏儲層巖石封閉能力比較的研究方法，建立一套蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限的預(yù)測方法，并將其應(yīng)用于南堡凹陷南堡1號構(gòu)造，研究館三段火山巖蓋層封閉下伏東一段油氣所需斷接厚度下限。結(jié)果表明：館三段火山巖蓋層在f1、f2、f3、f4斷裂處封閉油氣所需斷接厚度均小于實際蓋層的斷接厚度，因此對下伏東一段儲層中的油氣均是封閉的，這與目前東一段油氣分布有著較好的吻合關(guān)系；該方法用于研究蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限是可行的。

蓋層；斷接厚度；預(yù)測方法；南堡1號構(gòu)造；館三段；火山巖蓋層

隨著油氣勘探的深入，人們對蓋層在油氣聚集與分布中所起作用的認識逐漸深入。蓋層不僅在一定程度上控制著含油氣盆地或凹陷油氣聚集的空間分布，而且控制著油氣聚集的數(shù)量［1］。在斷裂帶地區(qū)，蓋層對油氣聚集與分布的控制作用不僅受到自身發(fā)育特征的影響，更受到后期斷裂對蓋層破壞作用的影響。斷裂對蓋層的破壞不僅表現(xiàn)在空間分布連續(xù)性上，也表現(xiàn)在蓋層封閉能力上，二者之間又是相互聯(lián)系的［2］。如果斷裂將蓋層完全錯開（即斷裂斷距大于蓋層厚度），那么蓋層不僅失去空間分布的連續(xù)性，還會失去對油氣的封閉能力，對油氣聚集與分布將不再起作用。相反，如果斷裂雖然錯斷了蓋層，但并未將其完全錯開（斷裂斷距小于蓋層厚度），那么蓋層仍然可以在一定程度上保持橫向分布的連續(xù)性，只是蓋層斷接厚度（蓋層厚度減去斷裂斷距）較原始蓋層厚度明顯變小，蓋層封閉能力也因斷裂錯斷形成的斷層巖而降低，對油氣聚集與分布所起的作用明顯降低［2-8］。在這種情況下，蓋層還能否對油氣聚集與分布起到封閉作用關(guān)鍵取決于蓋層斷接厚度。蓋層斷接厚度越大，橫向分布的連續(xù)性越好，斷層巖泥質(zhì)成分越高，蓋層封閉油氣能力越強；反之則越弱［3］。能否準確地確定出蓋層封閉油氣所需要斷接厚度的下限值，是正確認識含油氣盆地，特別是在斷裂帶地區(qū)油氣分布規(guī)律的關(guān)鍵。

雖然前人曾對蓋層封油氣所需斷接厚度的下限值進行過研究和探討［2-8］，但這些研究主要是通過海拉爾盆地貝爾凹陷和渤海灣盆地南堡凹陷已知井泥巖蓋層上下油氣分布與蓋層斷接厚度之間關(guān)系統(tǒng)計，將蓋層之上無油氣分布井的最小蓋層斷接厚度作為其封油氣的下限值，所確定出的蓋層封油氣所需斷接厚度下限值對認識南堡凹陷中淺層油氣分布規(guī)律起到了非常重要的作用。然而，文獻［2-8］中這種方法得到的蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值由于受到勘探程度的影響，其值與地下真值并不一致，油氣勘探程度越高，其值可能越接近真值，反之二者差值越大。由此看出，這種方法確定出的蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值只具統(tǒng)計意義，缺少理論依據(jù)，這不利于對含油氣盆地或凹陷油氣分布規(guī)律正確認識。開展蓋層封油氣所需斷接厚度下限的預(yù)測方法研究，對于正確認識含油氣盆地或凹陷油氣分布規(guī)律和指導(dǎo)油氣勘探均具重要意義。

1　蓋層斷接厚度及其確定方法

所謂蓋層斷接厚度是當(dāng)蓋層被斷裂破壞后，斷層兩盤蓋層被錯開，彼此仍對接的那部分厚度，如圖1所示，其值取決于斷裂斷距和蓋層厚度的相對大小，可由圖1中的幾何關(guān)系求得：

式中，Hf為蓋層斷接厚度，m；H為蓋層厚度，m；L為斷距，m。

由式（1）可知，蓋層厚度越大，斷裂斷距越小，蓋層被斷裂錯斷后的斷接厚度越大；反之則越小。要研究蓋層的斷接厚度，就必須首先獲得蓋層厚度和斷距。蓋層厚度可以通過鉆井?dāng)?shù)據(jù)獲取，但由于鉆井所獲得的蓋層厚度并非蓋層的真厚度，而是鉛直厚度，所以蓋層真厚度可由圖1中的幾何關(guān)系求得：式中，h為蓋層鉛直厚度，m；α為蓋層傾角，（°）。

圖1　蓋層斷接厚度與蓋層厚度、斷距之間關(guān)系Fig.1 Relationship between faulted thickness of caprock，thickness of caprock and fault distance

斷裂斷距可以通過經(jīng)過時深轉(zhuǎn)化的三維地震剖面或構(gòu)造圖上直接量取，但通常情況下是讀取鉛直斷距，并不是斷裂的真斷距，所以斷裂斷距也可由圖1中的幾何關(guān)系求得：

式中，l為斷裂鉛直斷距，m。

2　蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限的預(yù)測方法

當(dāng)斷裂未將蓋層錯開時，雖然蓋層仍保持橫向分布的連續(xù)性，但由于斷裂的破壞作用，使蓋層出現(xiàn)薄弱帶——斷裂帶。斷裂帶中的斷層巖與蓋層巖石相比：①泥質(zhì)含量變低，這是因為斷層巖中除了蓋層巖石的泥巖成分充填外，還有兩盤砂巖成分的充填，二者在斷層巖中的混合結(jié)果使其泥質(zhì)含量較蓋層變低；②壓實成巖程度變低，這首先表現(xiàn)在壓實成巖作用時間上，因為斷層巖只有斷裂停止活動后，方可開始壓實成巖，其壓實成巖作用時間明顯晚于與其具有相同埋深蓋層巖石的壓實成巖作用時間［9］；其次還表現(xiàn)在壓實成巖作用壓力上，由于斷裂處于傾斜狀態(tài)，斷層巖壓實成巖受到的壓力應(yīng)為相同埋深蓋層巖石壓實成巖壓力在垂直于斷層方向的分力，明顯小于蓋層巖石壓實成巖壓力［9］。正是上述這兩點差異造成斷層巖封閉能力（排替壓力）明顯較蓋層巖石封閉能力（排替壓力）降低［10］。此種情況下蓋層是否能封閉住下伏儲層巖石中的油氣，已不再取決于蓋層巖石排替壓力，而是取決于斷層巖排替壓力，如果斷層巖排替壓力大于或等于下伏儲層巖石排替壓力，蓋層就可以封閉住下伏儲層中的油氣；相反，如果斷層巖排替壓力小于下伏儲層巖石排替壓力，蓋層則不能封閉下伏儲層中的油氣。由此可以得到，被斷裂錯斷的蓋層要封閉住其下儲層中的油氣，其必須滿足條件

式中，Pdf為蓋層中斷層巖排替壓力，Pdr為下伏儲層巖石排替壓力，MPa。

由式（4）中可以看出，要確定蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值，必須先確定斷層巖和下伏儲層巖石的排替壓力，再建立它們與蓋層斷接厚度之間的關(guān)系。如果將斷裂視為斷裂后期活動形成的傾置于沉積巖地層中的由斷層巖構(gòu)成的傾斜巖層，那么就可以按沉積巖地層巖石排替壓力的研究方法［11］研究斷層巖排替壓力。大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果［12］表明，沉積巖石排替壓力大小主要受到其成分（泥質(zhì)含量）和壓實成巖埋深（若上覆地層無明顯的抬升剝蝕，可用其現(xiàn)今埋深表示）的影響，泥質(zhì)含量越高，埋深越大，沉積巖石排替壓力越大；反之則越小。沉積巖石排替壓力與泥質(zhì)含量和埋深之間的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系［12］為

式中，Ps為沉積巖石的排替壓力，MPa；Zs為沉積巖石壓實成巖埋深，m；Rs為沉積巖石中的泥質(zhì)含量；a、b為與地區(qū)有關(guān)的常數(shù)，主要受到沉積巖埋深和巖性的影響。

由式（5）根據(jù)下伏儲層巖石的埋深（條件是上覆地層無明顯的抬升剝蝕）和泥質(zhì)含量（可利用自然伽馬測井資料利用文獻［13］中泥質(zhì)含量預(yù)測公式計算得到）便可以求取其排替壓力值。用式（5）求取斷層巖的排替壓力，必須先確定斷層巖泥質(zhì)含量和壓實成巖埋深。斷層巖中的泥質(zhì)成分通?？梢哉J為來自被斷裂錯斷的兩盤地層巖石，被錯斷的兩盤地層巖石中泥質(zhì)成分越高，充填在斷層巖中的泥質(zhì)成分也就越高；反之則越低。為了簡化和建立斷層巖排替壓力與蓋層斷接厚度之間的關(guān)系，假設(shè)斷層巖中的泥質(zhì)成分只來自斷層兩盤被錯斷的地層巖石，且均勻地充填在斷層巖中，將圖2中Hf+2L作為斷裂帶的拉開空間，兩盤2H厚的泥巖蓋層的破碎物質(zhì)均勻地落入斷裂帶中，便可得到在斷裂未完全將蓋層錯開的條件下斷層巖平均泥質(zhì)含量與蓋層斷接厚度之間的關(guān)系：

式中，Rf為斷層巖泥質(zhì)含量。

圖2　斷層巖泥質(zhì)含量預(yù)測模型Fig.2 Prediction model diagram of mudstone content in fault-rock

由式（6）中可以看出，斷層巖泥質(zhì)含量與蓋層厚度成正比，與蓋層斷接厚度和斷距成反比。利用蓋層厚度、斷接厚度和斷裂斷距由式（6）便可以近似地計算得到斷層巖中的泥質(zhì)含量。斷層巖的壓實成巖埋深是其壓實成巖程度的反映，其受到壓實成巖壓力和壓實成巖作用時間的影響，按照正常沉積巖壓實成巖機制，斷層巖所受到的壓實成巖壓力應(yīng)為上覆巖層骨架重量的正壓力［14］（因斷層巖上下地層孔隙水是連通的，上覆地層水對斷層巖的壓力被下伏地層孔隙水所承擔(dān)）為

式中，Nf為斷層巖所受到的正壓力，MPa；Z為斷層巖埋深，m；θ為斷裂傾角，（°）；ρr為沉積巖平均密度，g/cm3；ρw為地層水密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2。

相同埋深條件下，蓋層巖石所受到的壓實成巖壓力也為上覆沉積載荷重量產(chǎn)生的正壓力［14］，即

式中，Nc為與斷層巖具有相同埋深蓋層所受到的正壓力，MPa；Zc為蓋層的埋深，m。

斷層巖的壓實成巖開始時間應(yīng)從斷裂停止活動算起，直至現(xiàn)今或某一時期，明顯晚于與其具有相同埋深蓋層巖石的壓實成巖作用時間。根據(jù)斷層巖和具有相同埋深蓋層巖石之間壓實成巖壓力大小與作用時間之間的比例關(guān)系，便可以得到斷層巖的壓實成巖埋深［14］，即

式中，Zf為斷層巖壓實成巖埋深，m；Tf為斷層巖壓實成巖作用時間，Ma；Tc為與斷層巖具有相同埋深的蓋層壓實成巖作用時間，Ma。

將根據(jù)上式確定出的Rf和Zf代入式（5）中便可以得到斷層巖排替壓力，再將獲得的斷層巖和下伏儲層巖石的排替壓力代入式（4）中，便可以得到蓋層垂向封閉油氣的條件：

式中，Rr為下伏儲層巖石泥質(zhì)含量；Zr為下伏儲層巖石埋深，m。

通過求解上述方程便可以得到蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值（Hfmin）的計算公式為

由式（11）中可以看出，蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值受到多種因素的影響，與蓋層厚度和其壓實成巖作用時間成正比，與斷裂斷距、傾角和壓實成巖作用時間成反比。它并非是一個定值，而是隨其影響因素的改變而改變。

只要實際蓋層斷接厚度大于或等于其封閉油氣所需斷接厚度的下限值，則蓋層對下伏儲層中油氣封閉；否則不能形成封閉。

3　實例應(yīng)用

如上所析，要準確預(yù)測研究斷裂帶地區(qū)蓋層封蓋的有效性，理論上可以通過蓋層厚度、壓實成巖時間和斷裂傾角、斷距和壓實成巖時間由式（11）計算蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限來完成，但實際研究過程中，需要分析的參數(shù)很多，這些參數(shù)的準確獲取均會影響到這一研究方法的有效性。通過實例分析該研究方法的應(yīng)用。

如圖3，選取渤海灣盆地南堡1號構(gòu)造館三段火山巖蓋層為例，利用上述方法確定其被f1、f2、f3、f4這4條斷裂破壞后封閉油氣所需斷接厚度的下限值，并通過其與實際斷接厚度比較以及與油氣分布之間關(guān)系分析，驗證該方法用于定量研究蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限值的可行性。

圖3　南堡1號構(gòu)造帶平面展布Fig.3 Plane distribution chart of No.1 structure zone of Nanpu sag

南堡1號構(gòu)造位于南堡凹陷的西南斜坡上，構(gòu)造形態(tài)總體上為一發(fā)育在潛山背景之上被斷層復(fù)雜化的披覆背斜構(gòu)造，構(gòu)造走向為北東方向，被北東向及近南北向的斷層切割復(fù)雜化，斷層平面分布呈“帚狀”展布（圖3），以f1和f2斷裂為界，可將南堡1號構(gòu)造大體分為3個區(qū)，f1斷裂上升盤為南堡1-1斷塊區(qū)，f1和f2斷裂所夾區(qū)域為南堡1-3斷塊區(qū)，f2斷裂以南為南堡1-5鼻狀構(gòu)造區(qū)。該構(gòu)造自下而上發(fā)育有古近系沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系。該構(gòu)造油氣資源豐富，從下部東三段至上部明下段皆有油氣分布，但油氣主要分布在東一段。油氣源對比結(jié)果［15］表明，南堡1號構(gòu)造油氣主要來源于下伏沙三段或沙一段—東三段源巖。東一段砂巖儲層油氣的蓋層主要是館三段發(fā)育的大套火山巖（其巖性為沉凝灰?guī)r，具有與泥巖相似的孔滲性，巖石中凝灰質(zhì)成分含量越高，孔滲性越差；反之則越高，故可將凝灰質(zhì)當(dāng)成泥質(zhì)來研究其對蓋層封閉性的影響）蓋層，厚度為100～550 m［16］。f1、f2、f3、f44條大斷裂皆錯斷了館三段地層，如圖4所示，但并未將館三段火山巖蓋層完全錯開，失去橫向分布的連續(xù)性，如圖5所示。館三段火山巖蓋層目前的斷接厚度能否封閉下伏東一段中的油氣，是南堡1號構(gòu)造東一段油氣成藏與保存的一個關(guān)鍵。

圖4　南堡1號構(gòu)造f1、f2、f3、f4斷裂剖面示意圖Fig.4 Sectional schematic drawing of fault f1，f2，f3and f4in No.1 structure zone of Nanpu sag

圖5　南堡凹陷1號構(gòu)造蓋層與油氣分布關(guān)系示意圖Fig.5 Sketch map of relation between caprock and oil-gas distribution in No.1 structure of Nanpu sag

由圖3和圖4中可以看出，f1斷裂為北東走向展布，貫穿整個南堡1號構(gòu)造，斷裂延伸長度為20 km，斷裂傾角為60°，上陡下緩，斷距一般為200 m。f2斷裂為近東西向展布，橫穿南堡1號構(gòu)造中東部，斷裂延伸長度為13 km，斷裂傾角為70°，上陡下緩，斷距一般為50 m。f3斷裂為北東東向展布，貫穿南堡1號構(gòu)造中南部，斷裂延伸長度為18 km，斷裂傾角為65°，上陡下緩，斷距一般為120 m。f4斷裂為東西向展布，位于南堡1號構(gòu)造東南部，斷裂延伸長度為10 km，斷裂傾角為60°，上陡下緩，斷距一般為60 m。由圖4中可以看出，4條斷裂皆為長期繼承性發(fā)育的斷裂，除f1斷裂向下斷至基巖，其他3條斷裂皆從沙三段一直斷至上部第四系，皆為下伏沙三段或沙一段—東三段源巖生成油氣向上覆東一段運移的輸導(dǎo)通道。

由f1、f2、f3、f44條斷裂在館三段火山巖蓋層中的傾角、斷距、開始壓實成巖作用時間（明化鎮(zhèn)組沉積晚期）、館三段火山巖蓋層壓實成巖作用時間、厚度、東一段儲層巖石泥質(zhì)含量（可利用自然伽馬測井曲線資料由文獻［13］中泥質(zhì)含量預(yù)測公式計算求得）（表1），由式9對南堡1號構(gòu)造館三段火山巖蓋層在f1、f2、f3、f44條主要斷裂處封閉油氣所需斷接厚度的下限值進行計算，結(jié)果如表1所示。由表1中可以看出，館三段火山巖蓋層在f1、f2、f3、f44條斷裂處封閉油氣所需的斷接厚度下限分別是85.44、114.64、183.50和184.30 m。它們均小于4條斷裂在館三段火山巖蓋層處目前實際的斷接厚度（表1），表明館三段火山巖蓋層在f1、f2、f3、f4處對下伏東一段油氣均是封閉的，這可能是南堡1號構(gòu)造目前在東一段找到大量油氣的一個重要原因。雖然由圖3中可以看出f3、f4處目前在東一段沒有油氣分布，但這并不是蓋層原因，可能是圈閉不發(fā)育和油氣供給不足等原因造成的。另外本文中所計算得到的館三段火山巖蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值（55～130 m）也明顯不同于利用統(tǒng)計方法得到的館三段火山巖蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值［2］（圖6中的130～150 m），較其值偏低。表明理論計算值較統(tǒng)計值要小，說明統(tǒng)計值偏大，這是因為統(tǒng)計值不能去掉由油氣發(fā)生側(cè)向運移所造成的影響，理論計算值是不同井處蓋層封閉油氣所需斷接厚度，其值在各井處是不同的，而統(tǒng)計值一個地區(qū)只能給出一個值，這無疑不符合地下的實際情況。從這一點上看，用本文方法確定出的蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限值應(yīng)更接近地下真值。

表1　南堡1號構(gòu)造館三段火山巖蓋層封閉油氣所需斷接厚度下限及其參數(shù)計算Table 1 Lower limit of faulted thickness reqiured by Ng3volcanic caprock oil-gas sealing and its parameter calculation in No.1 structure zone of Nanpu sag

圖6　南堡凹陷館三段火山巖蓋層斷接厚度與油氣縱向分布關(guān)系Fig.6 Relation between effective thickness of Ng3volcanic caprock faulted and oil-gas distribution in Nanpu sag

4　研究方法有效性分析

由上述應(yīng)用結(jié)果可知，本文中方法在預(yù)測斷裂帶地區(qū)蓋層封蓋的有效性時應(yīng)是有條件的，首先該方法只能預(yù)測泥巖或凝灰?guī)r蓋層，不能預(yù)測膏鹽巖、碳酸鹽巖和火山侵入巖蓋層，因為這3類蓋層內(nèi)斷層巖泥質(zhì)含量不能用蓋層厚度、斷接厚度和斷距預(yù)測，而且其蓋層巖石排替壓力也不受壓實成巖埋深、泥質(zhì)含量的影響，所以不能利用上述方法預(yù)測蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值，也就不能預(yù)測斷裂帶地區(qū)蓋層封蓋的有效性。其次，該方法只能適用于正斷層，因為只有正斷層的斷層巖中泥質(zhì)含量才會完全來自斷層兩盤的泥巖地層，而逆斷層的斷層巖中泥質(zhì)含量除了來自斷層兩盤泥巖地層，還會來自斷裂活動過程中被斷裂錯動形成的泥質(zhì)成分，故不能利用上述方法預(yù)測斷層巖泥質(zhì)含量和蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值，也就無法預(yù)測斷裂帶地區(qū)蓋層封蓋的有效性。由上述分析不難看出，該方法應(yīng)主要適用于中國東部張性碎屑巖盆地，而不適用于中國西部擠壓性碳酸鹽巖盆地。

5　結(jié) 論

（1）當(dāng)斷裂未將蓋層完全錯開時，蓋層斷接厚度是決定其是否封閉油氣的根本原因，它不僅影響著蓋層空間分布的連續(xù)性，而且影響著蓋層封閉油氣能力。

（2）蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限值并非是一個固定值，它受到各種因素的影響，既有來自斷裂本身特征的影響，又有蓋層和下伏儲層特征的影響。

（3）該方法用于研究蓋層封閉油氣所需斷接厚度的下限是可行的，但須注意其只能應(yīng)用于中國東部張性碎屑巖盆地中泥巖或凝灰?guī)r蓋層，而不能用于中國西部擠壓性盆地碳酸鹽巖或膏鹽巖蓋層。

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（編輯 徐會永）

Prediction method and application of caprock faulted-contact thickness lower limit for oil-gas sealing in fault zone

FU Guang，WANG Haoran，HU Xinlei
（College of Earth Sciences，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Under the condition that caprock was not completely disconnected by fault in oil-gas bearing basins，a prediction method of caprock faulted-contact thickness lower limit for oil-gas sealing was established by comparing the sealing ability of fault rock and underlying reservoir rock.The method was applied to the No.1 structure of Nanpu sag，where a prediction on the lower limit of the Ng3volcanic caprock faulted-contact thickness for sealing the oil-gas in underlying Ed1was made.The results indicate that the caprock faulted-contact thickness required by oil-gas sealing at fault f1，f2，f3and f4are all less than the actual faulted-contact thickness of Ng3volcanic caprock，thus oil-gas are all sealed in the underlying Ed1reservoir，which is consistent with the current oil-gas distribution in the Ed1.This method is thus applicable to study the caprock faulted-contact thickness lower limit required by oil-gas sealing.

caprock；faulted-contact thickness；prediction method；No.1 structure of Nanpu；Ng3；volcanic caprock

TE 121.2

A

1673-5005（2015）03-0030-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.03.004

2014-11-10

國家自然科學(xué)基金項目（41372153，41372154）；東北石油大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項目（YJSCX2014-007NEPU）

付廣（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣藏形成與保存研究。E-mail：fuguang2008@126.com。

引用格式：付廣，王浩然，胡欣蕾.斷裂帶蓋層油氣封蓋斷接厚度下限的預(yù)測方法及其應(yīng)用［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，39（3）：30-37.

FU Guang，WANG Haoran，HU Xinlei.Prediction method and application of caprock faulted-contact thickness lower limit for oil-gas sealing in fault zone［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（3）：30-37.