斷層巖成巖程度計算方法的改進及應用

羅佳智，王宇鵬，劉浩宇

(1. 東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油 大慶油田公司第五采油廠，黑龍江 大慶 163000)

1 以往斷層巖成巖程度的定量計算方法

經研究，斷層巖的成巖程度受壓實作用時間和斷面壓力的影響[1]。上覆巖層對斷層巖的斷面壓力越大，斷層巖受到的壓實成巖作用就會越強。而斷面壓力的大小受兩個因素控制，斷層巖斷點處的埋深高低與斷層傾角的大小，埋深越深，上覆地層越厚壓力就越大，傾角越小，使得地層壓力在斷層面上的分量越多，斷面壓力也越大[2]。文獻[2]根據斷層面的正壓力與埋深、斷層傾角的關系得到斷面正壓力的計算公式見式(1)[2]。

Pf=Z×(ρr-ρw)×cosθ×g

(1)

式(1)中，Pf為斷面所承受的正壓力，MPa；Z為地層埋深，m；ρr為地層的平均密度，kg/m3；ρw為地層自由水的密度，kg/m3；θ為斷層傾角，(°)；g為重力加速度。

斷層巖成巖程度除了受斷面壓力影響，還取決于成巖壓實時間的影響，壓實時間越長,斷層巖的成巖程度就越強，所以可以得出壓實成巖程度與斷面壓力、壓實成巖時間的關系見式(2)。

Hf=Pf×tf

(2)

式(2)中，Hf為斷層巖的成巖程度，無量綱；tf為壓實作用的時間，Ma。

2 改進后的斷層巖的成巖程度計算方法

斷層巖的成巖過程分為兩個階段[3]，第1階段是斷裂填充物的機械壓實階段，這個階段的斷層巖是在上覆沉積壓力和區(qū)域主應力的作用下，使松散的填充物壓緊壓實；第2階段，斷層活動結束時，斷裂中的填充物即將發(fā)生壓實成巖作用，斷層巖本身與圍巖相同的成巖程度顯現出來，作為了斷層巖壓實成巖階段的初始成巖程度。因此，在計算此成巖程度時，可以設取一個時間節(jié)點 ，即斷裂活動結束時刻t。在t時刻，斷裂活動停止，斷層面兩側圍壓對斷層巖成巖作用尚無影響，在此時刻斷裂被圍巖破碎形成的填充物填充，斷層巖此時的成巖程度應與被錯斷圍巖的成巖程度相同，而圍巖的成巖程度可由其地靜壓力與成巖作用時間的乘積表征。假設斷裂中的填充物只由兩盤圍巖破碎滑落形成，沒有其他外來物質進入[4]。利用斷層的生長指數或活動速率法能夠確定斷層的活動時期，再通過古埋深恢復法可以恢復沉積地層的厚度，便可得與斷層巖埋深相同的圍巖的古埋深和古成巖時間[5](見圖1)。

圖1 考慮初始成巖程度的斷層巖成巖程度計算地質模型

綜上所述，與斷層巖埋深相同的圍巖地層壓實成巖程度關系式見式(3)。

Pt=Zt×ρr×g

(3)

式(3)中，Pt為圍巖所受的地靜壓力，MPa；Zt為圍巖的古埋深，m。

Ht=Pt×t

(4)

式(4)中，t為圍巖的古成巖作用時間，Ma；Ht為圍巖的古成巖程度即斷層巖的初始成巖程度。

所以斷層巖的壓實程度表征見圖2，為：

H=Ht+Hf

(5)

圖2 斷層巖壓實程度的變化規(guī)律

3 在古封閉性評價中的應用

當斷裂活動停止時，斷層巖發(fā)生壓實成巖作用，逐漸使排替壓力增大，而排替壓力與巖石的成巖程度和泥質含量有關。因此，上述的斷層巖的初始成巖程度在斷層巖的壓實成巖初期會對斷層的封閉能力起到較大的影響。由上述的方法得到斷層活動時期和斷層的古埋深，由式(5)得到斷層巖的古成巖程度。

由上述的方法得到斷層活動時期和斷層的古埋深，由式(5)得到斷層巖的古成巖程度。

H=Ht+Hf=Zt×ρr×g×t+Z古×(ρr-ρw)×

g×cosθ×tf

(6)

已知斷層巖的古壓實成巖程度，求得斷層巖的古壓實成巖埋深。

(7)

對斷層巖泥質含量的求取目前已有多種方法，主要有頁巖涂抹法(SSF)[6]，泥巖涂抹式法(CSP)[6]，泥質含量法(SGR)[6]法等。地層的泥質含量在沉積過程中可以近似地看作是不變的，但是斷層巖的泥質含量是受斷距的影響的，需要通過古斷距的恢復法如最大斷距相減法得到斷層巖的古斷距，再根據SGR法求得斷層巖的古泥質含量。

(8)

式(8)中：SGR為斷層巖的泥質含量，%；H為斷裂垂直斷距，m；n為經過斷點的砂巖或泥巖層的層數；Vshi為經過斷點的第i層巖層的泥質含量，%；ΔZi為經過斷點的第i層巖層厚度，m。

通過實際測量沉積地層不同深度，不同泥質含量的巖樣的排替壓力，總結規(guī)律，擬合出地層巖石的排替壓力與壓實成巖埋深以及地層泥質含量的數量關系見式(9)。

Pd=f(Z,Vsh)

(9)

將斷層巖的某一時期的壓實成巖埋深和泥質含量代入式(9)中，便可恢復到斷層巖某一時期的排替壓力Pdf。同樣地，將與斷層巖埋深相同的圍巖地層某一時期的壓實成巖埋深和泥質含量代入式(9)，也可得到地層的排替壓力Pdr。

通過比較得到的斷層巖及圍巖地層的排替壓力的大小，對斷層的側向封閉能力進行定量評價[7]。當斷層巖的排替壓力比圍巖的排替壓力大時，斷層在此深度具有側向封閉的能力，當斷層巖的排替壓力小于圍巖的排替壓力時，則不具有側向封閉能力。而斷—儲巖石的排替壓力差決定了斷層側向封閉能力的大小，差值越大，封閉能力越強。其中封閉的烴柱高度Hh可由斷—儲排替壓力差法求得，見式(10)。

(10)

4 應用實例

應用上述的改進前和改進后的兩種研究方法，以海拉爾盆地貝爾凹陷呼和諾仁構造帶B29斷層為例[8]，通過計算斷層巖古壓實成巖程度對其油氣成藏期的古側向封閉性進行定量評價，用來驗證改進方法的可行性，見圖3。

貝爾凹陷南屯組在伊敏組沉積時期的末期開始油氣成藏,從B29斷裂的斷裂活動史可知，斷裂在大磨拐河組末期停止活動，從此時期開始斷裂開始壓實，也就是說從大磨拐河組末期到伊敏組沉積末期應為斷層巖在油氣成藏期的古壓實成巖時間，為30 Ma。南屯組的沉積時間為5 Ma，大磨拐河組的沉積時間為6 Ma。南屯組①～⑨號儲層在斷裂發(fā)生時分別對應的沉積時間為6.6，8.9，9.3，9.5，9.6，9.8，10.0，10.2，10.5 Ma。通過對貝爾凹陷不同埋深(見圖3)，不同巖性的巖石樣品進行實測，得到巖石的排替壓力與其埋深、泥質含量之間的數量關系，擬合出貝爾凹陷沉積地層巖石排替壓力的計算公式為式(11)。

圖3 貝爾凹陷呼和-7構造南屯組油藏剖面及成藏期斷層側向封閉性評價

Pds=0.098 3e0.203Zs·Vsh

(11)

式(11)中，Pds為沉積地層巖石排替壓力，Mpa；Zs為沉積地層埋深，m；Vsh為沉積地層的泥質含量，%。

經過現場鉆探成果的比照，在貝302井的開發(fā)資料里，①、②、③、⑥號儲層已經獲得工業(yè)油流，對應各層開發(fā)得到的油柱高度分別為43.5，45.6，42.8，33.8 m。將油氣藏開發(fā)得到的實際數據和評價結果(表1)對照可以看出：通過改進后的研究方法得到的斷層封閉能力與實際地質情況更加吻合，證明了斷層巖的初始成巖程度對其封閉能力有一定的影響，說明了改進后的研究方法具有一定的可行性。

表1 貝爾凹陷B29斷層油氣成藏期斷層巖考慮初始成巖程度前后的儲層排替壓力計算參數及結果

5 結 論

1)在對斷層巖的成巖程度的求取時，應該考慮斷層在沒開始成巖作用之前，斷層填充物所具有的初始成巖程度，這部分成巖程度在油氣成藏時期，對斷層巖的排替壓力以及封閉能力都有影響。

2)通過對海拉爾盆地貝爾凹陷B29斷裂應用改進后的研究方法，得到的古側向封閉能力驗證發(fā)現，在油氣成藏期斷層巖的初始成巖程度會一定程度的提高斷層巖的排替壓力，使得封閉的油柱高度更加接近實際值。