基于積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型定量評價伸展斷層側(cè)向封閉性

呂延防，胡欣蕾，金鳳鳴，肖敦清，羅佳智，蒲秀剛，姜文亞，董雄英

（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.中國石油大港油田公司，天津 300280；3.中國石油大慶油田公司第四采油廠，黑龍江大慶 163511）

0 引言

根據(jù)斷層斷距和被錯斷砂、泥巖層厚度的相對大小，可將斷層側(cè)向封閉類型分為兩種，即對接型封閉和斷層巖型封閉。當(dāng)斷層斷距小于其所錯斷單砂體厚度導(dǎo)致斷裂帶結(jié)構(gòu)不發(fā)育、或斷裂帶孔滲性優(yōu)于圍巖時，研究目的盤儲集層與對置盤非滲透性巖層對接，斷層側(cè)向封閉，該封閉類型為對接型封閉。當(dāng)斷層斷距大于其所錯斷單砂體厚度時，巖層被徹底斷開，研究目的盤儲集層中運移到斷層附近的油氣能否被封擋，則取決于斷層巖的封閉能力，這種封閉類型為斷層巖型封閉[1-2]。

關(guān)于斷層巖型封閉的伸展斷層側(cè)向封閉性的定量研究，歸納起來有3種方法：①泥質(zhì)含量計算法，包括“SSF”法[3]、“CSP”法[4]和“CCR”法[5]，均是通過計算斷層裂縫中泥巖涂抹程度間接半定量評價斷層封閉性，多適用于特定的地質(zhì)環(huán)境。②“SGR”[6]法，通過計算斷層巖泥質(zhì)含量，結(jié)合對已知斷層圈閉油氣藏的壓力統(tǒng)計，建立斷層巖泥質(zhì)含量與烴柱高度之間的數(shù)學(xué)統(tǒng)計關(guān)系式，達(dá)到定量評價斷層側(cè)向封閉性的目的[7-9]。該方法雖然是目前地質(zhì)學(xué)家廣泛應(yīng)用的斷層側(cè)向封閉性評價方法，但其仍存在以下 3點不足：未從封閉機理出發(fā)，僅具有統(tǒng)計學(xué)意義，斷層封閉能力與SGR值并不總呈正比關(guān)系；未考慮斷層傾角，且對成巖程度（斷點埋深）考慮過于粗略；資料均來自現(xiàn)存油氣藏，建立的評價公式僅適用于有效斷圈封閉烴柱高度的預(yù)測，對無效圈閉必將形成誤判。③斷-儲排替壓力差法，通過計算斷層巖和儲集層巖石排替壓力并比較二者差值分析斷層側(cè)向封閉性[10-11]。在上述 3種伸展斷層封閉性評價方法中，唯第3種斷-儲排替壓力差法是基于斷層封閉機理建立的定量評價方法，用已知斷層圈閉所封閉的烴柱高度對3種方法進(jìn)行驗證時，斷-儲排替壓力差法評價結(jié)果最接近實際[11]。因此，基于國內(nèi)外斷層封閉性研究現(xiàn)狀，對斷-儲排替壓力差法定量評價伸展斷層側(cè)向封閉性的深入研究與完善既有意義又有必要。

伸展斷層封閉性評價的斷-儲排替壓力差法最初是用于計算斷點處斷層巖承受的斷面正壓力和斷層巖的泥質(zhì)含量，考慮到具有相同泥質(zhì)含量和承受相同靜巖壓力的巖石具有相同的成巖程度。因此，在具有相同排替壓力的假設(shè)條件下，計算與斷層巖相同泥質(zhì)含量和所承受相同靜巖壓力的沉積地層巖石的排替壓力，此排替壓力即為該斷點處斷層巖的排替壓力，以此排替壓力與研究目的盤儲集層排替壓力相減，負(fù)值表明斷層開啟，正值表明斷層封閉，且差值越大，斷層封閉能力越強[10]。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，雖然斷層巖和沉積地層目前具有相同的泥質(zhì)含量和相同的成巖壓力，但因斷層巖和沉積地層所經(jīng)歷的成巖時間不同，致使二者的成巖程度不同，所以排替壓力也就不同，二者簡單的類比給實際伸展斷層封閉性評價造成了很大誤差，于是便提出了考慮成巖時間的伸展斷層封閉性評價方法[11]。盡管該方法提高了斷層封閉性評價的精度，但由于其將斷層停止活動后上覆沉積地層視為一個整體，并沒有考慮不同埋藏深度地層沉積速率的差異性，以及斷層巖所受壓力是隨成巖時間增加逐漸累積的量值，這些必然導(dǎo)致伸展斷層封閉性的評價結(jié)果與實際之間仍存在較大差異，且斷層停止活動時間越早，評價結(jié)果與實際差值越大；另外，該方法還忽略了地應(yīng)力在成巖過程中的作用。據(jù)此，本文以斷-儲排替壓力差法研究為基礎(chǔ)，充分考慮斷層封閉性形成演化過程，建立了積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型，以期更準(zhǔn)確地定量評價伸展斷層的側(cè)向封閉性。

1 伸展斷層封閉性的形成與演化

斷層一旦形成并活動，兩盤間便形成裂縫[12]，斷層兩盤的錯動必然刮削兩側(cè)巖層形成碎屑并掉入斷層裂縫中。斷層活動形成的裂縫也是流體空腔，兩盤滲透性地層孔隙水在地層壓力差的作用下同時進(jìn)入裂縫流體空腔，與斷層裂縫中的碎屑混合形成未被壓實的、且含有大量孔隙水的斷裂充填物質(zhì)。斷層停止活動以后，斷裂充填物質(zhì)在垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力作用下逐漸排出孔隙水向斷層巖轉(zhuǎn)化[13]。與正常沉積地層相同，斷裂充填物承受的成巖壓力越大，所經(jīng)歷的成巖時間越長，斷層巖的成巖程度越高，在相同泥質(zhì)含量情況下，斷層巖的排替壓力越大。當(dāng)斷層巖的排替壓力達(dá)到被封擋的目的盤儲集層巖石的排替壓力時，斷層開始具備側(cè)向封閉能力[14-15]。隨著斷層巖的不斷深埋，成巖壓力逐漸增大，所經(jīng)歷的承壓時間逐漸累積，斷層巖的成巖程度不斷增強，斷層巖排替壓力也不斷增大，斷層封閉能力不斷增強。

影響伸展斷層巖排替壓力的主要因素是斷層巖的泥質(zhì)含量和成巖程度，斷層巖的成巖程度又取決于斷層巖承受的垂向應(yīng)力、水平地應(yīng)力和成巖時間，垂向應(yīng)力又受斷點埋深和斷層傾角的控制，斷層傾角越小，斷點埋深越大，則應(yīng)力越大；水平地應(yīng)力則受埋深、斷層傾角及應(yīng)力方向與斷層走向夾角等因素控制[9,16-17]。

2 積分法定量計算伸展斷層封閉性

以往對斷層巖封閉能力的定量研究中，在考慮成巖時間對斷層巖排替壓力的影響時，往往把斷層巖所經(jīng)歷的成巖時間和成巖壓力分開來考慮[11]，并沒有認(rèn)識到成巖壓力與成巖時間之間的內(nèi)在關(guān)系。實際上，隨著成巖時間的增加，斷點處斷層巖的埋深逐漸增加，成巖壓力也隨之增大，即成巖壓力是隨著成巖時間增加而不斷增大的變量。在長期的成巖過程中，斷層巖所受的成巖作用實際上是一個壓力累積的過程。為此，本文以砂泥巖地層、伸展斷層為研究目標(biāo)，用成巖壓力在所研究地質(zhì)時期內(nèi)對成巖時間的積分計算斷層巖的成巖程度，以期更準(zhǔn)確地評價斷層巖的側(cè)向封閉能力。

2.1 斷層巖泥質(zhì)含量的求取

斷層巖是斷裂充填物發(fā)生成巖作用的產(chǎn)物，斷裂充填物又是由于斷裂活動使得斷層兩盤砂泥巖地層被刮削成碎屑，與地層水共同進(jìn)入斷層裂縫中形成的，故斷層巖中的泥質(zhì)成分來源于兩側(cè)砂泥巖地層，其含量主要與被錯斷圍巖層的砂泥巖層層數(shù)、厚度及斷層斷距大小有關(guān)?？梢杂肶ielding所提出的公式求取[6]：

2.2 巖石排替壓力的求取

根據(jù)前人的研究，巖石的排替壓力與巖石的泥質(zhì)含量與埋深的乘積存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[16]，巖石的泥質(zhì)含量越高，埋藏深度越大，排替壓力越大。故在求取巖石排替壓力時，可以選取研究區(qū)的典型巖石樣品，通過實測數(shù)據(jù)建立巖石排替壓力與泥質(zhì)含量和埋深二者乘積的擬合統(tǒng)計公式：

2.3 積分法定量計算斷層巖排替壓力的數(shù)學(xué)-地質(zhì)模型

當(dāng)伸展斷層處于活動期時，上下斷盤相互研磨，滑動削截的圍巖碎屑物質(zhì)落入斷裂帶，此時斷裂充填物并未發(fā)生成巖作用；當(dāng)斷層活動停止后，斷裂填充物便在上覆沉積載荷及水平地應(yīng)力的作用下，逐漸排出孔隙水并緩慢成巖，即斷層巖真正開始發(fā)生成巖作用是在斷層停止活動之后，對應(yīng)圖1中③號地層開始沉積時期。

首先，假設(shè)斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同（基于以下兩點考慮：安全因素，鉆遇到斷層可能會出現(xiàn)井噴或跳鉆等現(xiàn)象；局限性，鉆遇斷裂帶的井位相對較少，且斷層巖易碎較難獲取到實驗所需巖樣，受井位分布的影響不具有全區(qū)代表性），借助于圍巖排替壓力間接研究斷層巖排替壓力。在圖1中，研究斷點A的排替壓力，如果圍巖中存在一點K，K點巖石的泥質(zhì)含量和成巖程度與A點斷層巖的泥質(zhì)含量和成巖程度相同（（3）式、（4）式），那么K點就具有與A點相等的排替壓力，其中成巖程度為成巖壓力與成巖時間的函數(shù)[10-11,17]，受垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力共同影響。本文將用斷層巖所受的斷面正壓力及水平地應(yīng)力在所研究成巖時間范圍內(nèi)的積分值來表示。

圖1 積分法計算斷層巖排替壓力地質(zhì)模型

2.3.1 斷層巖成巖程度的確定

2.3.1.1 垂向應(yīng)力對斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)

如圖1所示，斷裂帶內(nèi)斷點A處的碎屑填充物在t3時開始成巖，根據(jù) A點的埋深及上覆①、②、③號地層的平均沉積速率v1、v2、v3，確定其上覆地層沉積厚度，即A點埋深與成巖時間的關(guān)系：

斷點A處斷面的正壓力與斷點A的埋深存在如下關(guān)系：

聯(lián)立（5）式及（6）式，便可以得到斷面正壓力與成巖時間的函數(shù)關(guān)系，二者間的積分值即可表征垂向應(yīng)力對斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)（見圖2、（7）式）。若研究區(qū)地層存在明顯的抬升剝蝕，可將（7）式進(jìn)一步完善為（8）式所表述形式。

圖2 斷層巖垂向應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.3.1.2 水平地應(yīng)力對斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)

斷層巖在成巖過程中，除了受到上覆沉積載荷作用在斷面上的垂向應(yīng)力影響外，還要受到水平地應(yīng)力的控制。1978年Brown和Hoek總結(jié)歸納了世界不同地區(qū)垂向地應(yīng)力隨埋藏深度的變化規(guī)律（（9）式）[18]，結(jié)合中國沉積巖石平均水平地應(yīng)力與垂向地應(yīng)力間關(guān)系（（10）式）[19]，便可求得巖層所受水平地應(yīng)力。同時，綜合考慮不同地質(zhì)時期地應(yīng)力大小及方向特征，建立（11）式所示的斷層巖水平地應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型。

2.3.1.3 斷層巖成巖程度的確定

將垂向應(yīng)力和水平地應(yīng)力分別對斷層巖成巖程度的貢獻(xiàn)進(jìn)行累加，便可確定自斷層停止活動后斷層巖的成巖程度。

2.3.2 斷層巖排替壓力的確定

2.3.2.1 垂向應(yīng)力對圍巖成巖程度的貢獻(xiàn)

如圖1所示，在圍巖層中根據(jù)每一沉積地層的平均沉積速率，可分別得到以不同圍巖地層為初始沉積地層開始沉積，沉積至t0（現(xiàn)今）時，上覆巖層厚度即K點埋深與沉積時間的數(shù)量關(guān)系，以下（12）—（15）式分別對應(yīng)K點位于①—④號地層內(nèi)的情況：

地層所受上覆地層靜壓力的大小與地層的埋深具有如下關(guān)系：

將（12）—（15）式代入到（16）式中，便可得到：

聯(lián)合上述公式即可得到地層所受靜巖壓力與沉積時間之間的函數(shù)關(guān)系（見圖3），通過上覆地層靜巖壓力對沉積時間的積分可計算不同圍巖地層在垂向應(yīng)力作用下的成巖程度（（21）—（24）式）：

圖3 圍巖垂向應(yīng)力成巖程度積分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.3.2.2 水平地應(yīng)力對圍巖成巖程度的貢獻(xiàn)

基于上述水平地應(yīng)力對斷層巖成巖程度貢獻(xiàn)的分析，建立不同圍巖地層在水平地應(yīng)力作用下具有的成巖程度：

2.3.2.3 圍巖成巖程度的確定

將垂向應(yīng)力和水平地應(yīng)力分別對不同圍巖地層成巖程度的貢獻(xiàn)進(jìn)行累加，便可確定以任意層為初始沉積層時圍巖的成巖程度。

2.3.2.4 斷層巖排替壓力的確定

根據(jù)（8）式、（11）式即可得到A點斷層巖的成巖程度，在圍巖地層中存在一點K，使得K點的巖石成巖程度與A點斷層巖的成巖程度相等（（3）式）。

通過對（16）—（28）式對應(yīng)層垂向應(yīng)力及水平地應(yīng)力成巖程度的累加，可得到任意一點圍巖地層的成巖程度。假設(shè)A點的成巖程度介于③、④號圍巖層底界面對應(yīng)的成巖程度之間，即Qr3＜QfA＜Qr4，便可確定與A點斷層巖具有相同成巖程度的K點位于④號地層中，根據(jù)（24）式及（28）式可得：

在確定K點沉積至今時間tK的基礎(chǔ)上，根據(jù)④號地層的平均沉積速率即可得到K點的埋深（該埋深表現(xiàn)為研究目標(biāo)斷層巖A考慮成巖時間對成巖壓力作用效果后得到的具有成巖意義的壓實成巖埋深），由于K點的泥質(zhì)含量與A點的泥質(zhì)含量相同，K點的埋深又已知，根據(jù)（2）式便可計算得到K點的排替壓力，即為A點斷層巖的排替壓力。

以上便是利用積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型計算斷層巖排替壓力的過程，應(yīng)該特別指出的是，（3）—（29）式在考慮垂向成巖壓力對成巖時間的積分過程時，雖然其中成巖壓力是利用巖石所受壓實成巖壓力表征的，但成巖時間并非只是單純地代表斷層巖或儲集層巖石所經(jīng)歷的成巖時間，而是在這段時間內(nèi)巖石所經(jīng)歷的所有成巖作用因素的綜合。除此之外，在建立（2）式所示的巖石排替壓力擬合公式時，研究區(qū)典型巖樣是實際經(jīng)歷過地下機械壓實，以及膠結(jié)、溶蝕等多種成巖作用的綜合影響。綜合上述兩方面考慮，該模型是符合地下巖石在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷多種成巖作用綜合影響的實際地質(zhì)情況的，而并非僅考慮了機械壓實作用，只是將所有成巖作用對斷層巖或儲集層巖石的影響均反映在其成巖埋深上，即對應(yīng)前文與研究目標(biāo)點斷層巖A具有相同成巖程度圍巖K的埋深，該數(shù)值具有的地質(zhì)意義包括壓實特征，但絕不局限于壓實特征。

2.4 儲集層巖石排替壓力的求取

根據(jù)伸展斷層附近典型井的自然伽馬曲線，即可獲得儲集層巖石泥質(zhì)含量的變化規(guī)律[17]，結(jié)合目的盤儲集層巖石的埋深，將其代入研究區(qū)所建立的巖石排替壓力與泥質(zhì)含量和埋深函數(shù)關(guān)系式（（2）式），便可求取儲集層巖石的排替壓力。

2.5 伸展斷層側(cè)向封閉性定量評價

比較上述確定的斷層巖排替壓力與研究目的盤儲集層巖石排替壓力的相對大小，如果斷層巖排替壓力小于儲集層巖石排替壓力，斷層不具備側(cè)向封閉能力；如果斷層巖排替壓力大于等于儲集層巖石排替壓力，斷層側(cè)向封閉，二者間差值越大，斷層側(cè)向封閉能力越強。封閉能力的大小可用所能封閉的烴柱高度表示[10]：

值得注意的是，上述積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型的建立是基于“斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同”這一假設(shè)，但是在一般情況下斷層巖較圍巖更容易受到膠結(jié)作用的影響。如果研究區(qū)膠結(jié)作用發(fā)育程度相對較弱，那么該方法在評價伸展斷層側(cè)向封閉性時更接近于地下實際情況；如果研究區(qū)膠結(jié)作用發(fā)育程度極強，那么評價結(jié)果表征了伸展斷層所具有的最小封閉能力，該值對于實際油田開發(fā)則是最安全的數(shù)值。但是，無論針對哪種地質(zhì)情況，該方法在評價伸展斷層側(cè)向封閉性時均是適用的。

3 應(yīng)用實例

本文以渤海灣盆地南堡凹陷 1號構(gòu)造區(qū)內(nèi) F1、F2及F3斷層圈閉為例，通過上述方法對斷層的側(cè)向封閉性進(jìn)行評價，同時利用未考慮成巖時間和簡單考慮成巖時間的斷-儲排替壓力差法分別進(jìn)行評價，將其與利用本方法得到的評價結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)合實際分析本文研究方法的合理性。

3.1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡 1號構(gòu)造是渤海灣盆地南堡凹陷內(nèi)最主要的油氣富集區(qū)之一，其位于南堡凹陷西南部斜坡帶，受中國東部新生代裂陷盆地北西—南東向（距今 40 Ma以前）及近南北向（距今40 Ma以后）兩期伸展構(gòu)造作用影響[20]，表現(xiàn)為一在潛山背景下發(fā)育的有大量伸展斷層分布的披覆背斜構(gòu)造，呈北東走向[21-23]（見圖4）。該區(qū)的沉積地層由下至上發(fā)育古近系沙河街組（Es）、東營組（Ed）、新近系館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）以及第四系（Q），其中沙河街組二、三段（簡稱沙二、沙三段）和沙河街組一段（簡稱沙一段）—東營組三段（簡稱東三段）是南堡凹陷主要的生油氣層，東營組二段（簡稱東二段）泥巖層為良好的區(qū)域性蓋層[24]。巖心測試及實地測量等多種手段均揭示，南堡1號構(gòu)造在地質(zhì)歷史時期地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生2次轉(zhuǎn)換，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向以近東西向為主[25]。根據(jù)流體包裹體均一溫度和井埋藏史研究表明，該區(qū)油氣充注時間是距今24.6～25.5 Ma和距今6.0～9.5 Ma，分別對應(yīng)東營組沉積末期和明化鎮(zhèn)組沉積中期[26]。

圖4 南堡凹陷1號構(gòu)造F1斷層明化鎮(zhèn)底面構(gòu)造圖

前人研究成果揭示[27]，南堡凹陷埋深小于3 100 m和大于3 500 m時巖石所受成巖作用以機械壓實作用為主，3 100～3 500 m埋深的巖石則以方解石膠結(jié)作用為主，目前南堡 1號構(gòu)造東營組一段（簡稱東一段）—第四系埋藏深度均小于3 100 m，表明上述層位內(nèi)巖石發(fā)生膠結(jié)作用的概率較小。除此之外，研究區(qū)測井解釋成果亦揭示了典型井孔隙度隨埋深呈指數(shù)規(guī)律變化，尚未出現(xiàn)明顯的孔隙度增大或減小區(qū)段[28]，也表明該地區(qū)巖石主要受機械壓實作用影響，膠結(jié)作用發(fā)生的概率較小。因此，可利用上述建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型定量評價伸展斷層的側(cè)向封閉性及封閉能力。

3.2 典型伸展斷層F1側(cè)向封閉性評價

F1斷層是南堡 1號構(gòu)造內(nèi)一條重要的遮擋斷層，延伸長度約為2.3 km，斷距為20～200 m，斷層傾角為40°～60°（見圖5），與傾斜地層構(gòu)成斷層圈閉，該圈閉油源供給、儲集層物性等成藏要素匹配良好[28]，故油氣能否在圈閉內(nèi)聚集成藏主要取決于斷層的側(cè)向封閉與否。且該圈閉目前在淺層——明化鎮(zhèn)組—館陶組鉆遇油氣，斷層巖埋藏較淺，以發(fā)生機械壓實作用為主，滿足上述方法的假設(shè)條件。因此，選擇南堡 1號構(gòu)造F1斷層作為典型伸展斷層，以驗證本文建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型在定量評價伸展斷層側(cè)向封閉性時的合理性與準(zhǔn)確性。

圖5 過F1、F2及F3斷層油藏剖面圖（剖面位置見圖4）

①斷層巖泥質(zhì)含量的確定。依據(jù)研究區(qū)三維地震解釋成果，建立斷層-地層構(gòu)造地質(zhì)模型，結(jié)合F1斷層附近典型井的測井曲線數(shù)據(jù)，明確圍巖地層泥質(zhì)含量隨埋藏深度的變化規(guī)律，再依據(jù)（1）式計算F1斷層在三維空間上任意一點的斷層巖泥質(zhì)含量（見圖6）。結(jié)果表明，F(xiàn)1斷層在明化鎮(zhèn)組—東一段下部斷層巖泥質(zhì)含量相對較高，除斷層中東部局部地區(qū)在館陶組SGR值低于20%以外，其與部位均大于25%，局部甚至高達(dá)70%。

圖6 南堡1號構(gòu)造F1斷層SGR屬性圖

②巖石排替壓力的求取。在研究區(qū)不同層位、不同深度鉆取規(guī)格為2.5 cm×1 cm（直徑×高）的典型巖石樣品34塊，結(jié)合各巖樣的埋藏深度及泥質(zhì)含量（可利用測井曲線求得或利用X衍射法測量得到），便可建立巖石排替壓力與其埋藏及泥質(zhì)含量間乘積的函數(shù)關(guān)系（見圖7），三者間具有較好的指數(shù)關(guān)系，對應(yīng)的擬合關(guān)系式為（31）式。因此，在明確巖石泥質(zhì)含量及埋藏深度的基礎(chǔ)上，可依據(jù)下式確定相應(yīng)巖石的排替壓力值：

圖7 南堡1號構(gòu)造巖石排替壓力與埋深、泥質(zhì)含量間關(guān)系

③斷層巖成巖程度的確定。根據(jù)三維地震解釋成果，F(xiàn)1斷層在明化鎮(zhèn)組沉積末期活動停止，表明斷層巖所經(jīng)歷的成巖時間為明化鎮(zhèn)組末期至今時間段，約為2.58 Ma。按照上文提出的積分法計算步驟，根據(jù)F1斷層最后停止活動時間和研究目的斷點 A處的埋深、巖石骨架密度（見圖8），以及依據(jù)地層沉積時間和沉積厚度等資料得到的不同沉積速率（其中，平原組為791 m/Ma、明化鎮(zhèn)組為23 m/Ma、館陶組為53 m/Ma、東營組為194 m/Ma、沙一段為798 m/Ma、沙二段為600 m/Ma、沙三段為75 m/Ma）。便可在明確南堡1號構(gòu)造地層沉降史的基礎(chǔ)上，利用（5）—（8）式及（9）—（11）式分別計算得到A點斷層巖的垂向應(yīng)力成巖程度及水平地應(yīng)力成巖程度。

圖8 南堡1號構(gòu)造巖石密度隨埋藏深度的變化規(guī)律

④斷層巖排替壓力的確定。首先，根據(jù)各層的平均沉積速度、沉積時間及地應(yīng)力特征，分別利用（12）—（24）式和（25）—（28）式計算沉積地層中以任意層為初始沉積層對應(yīng)的垂向應(yīng)力成巖程度和水平地應(yīng)力成巖程度，將二者累加確定圍巖層成巖程度。然后，通過比較上述確定的目標(biāo)點斷層巖成巖程度與不同圍巖層成巖程度間關(guān)系，利用（3）式及（29）式確定與A點具有相同泥質(zhì)含量和相同成巖程度的圍巖層中K點所在層位及埋深，該埋深即為目標(biāo)斷層巖A的壓實成巖埋深；其中，與NP103X2井內(nèi)①—⑤號儲集層巖石相對置的斷層巖壓實成巖埋深為 958～1 399 m。再結(jié)合上述確定的A點斷層巖SGR值，依據(jù)（31）式計算K點地層巖石的排替壓力；由于K點排替壓力與A點排替壓力相等，此排替壓力即為斷點A的排替壓力，為0.61～0.84 MPa（見表1）。

⑤儲集層巖石排替壓力的求取。根據(jù)與A點對置的儲集層巖石的埋深和泥質(zhì)含量，利用研究區(qū)實際資料建立的排替壓力擬合關(guān)系式（（31）式）計算儲集層巖石的排替壓力。

⑥F1伸展斷層側(cè)向封閉性定量評價。將斷層巖和儲集層巖石在各點排替壓力差的最小值作為斷層的封閉能力，并利用（30）式計算出斷層各點所能封閉的油氣柱高度，為70～165 m（見表1）。由表1可知，研究目的盤儲集層巖石的排替壓力為0.51～0.63 MPa，利用本文方法計算得到F1斷層在不同埋深處的斷層巖排替壓力值為0.61～0.84 MPa，二者間的斷-儲排替壓力差值為0.09～0.21 MPa，評價值均大于0，表明研究目標(biāo)點斷層巖均具有一定封閉能力，可遮擋油氣并形成油氣聚集。結(jié)合研究區(qū)地層中的原油密度，利用本文方法建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型預(yù)測得到的烴柱高度與實際烴柱高度十分接近，誤差僅為0～3 m（見表1）。同理，重復(fù)上述伸展斷層側(cè)向封閉性定量評價流程，對南堡1號構(gòu)造 F2及 F3斷層進(jìn)行分析（見圖9），所得的評價結(jié)果分別與受上述斷層封閉的 NP1及 NP1-90井的實際油氣分布同樣吻合較好，其中F2斷層預(yù)測誤差為0～3.8 m，F(xiàn)3斷層預(yù)測誤差為0.5～8.2 m，也進(jìn)一步印證了本文方法對定量評價伸展斷層側(cè)向封閉性的可靠性。

圖9 南堡1號構(gòu)造NP1井、NP1-90井F2、F3斷層側(cè)向封閉性評價結(jié)果及封閉油柱高度

將利用未考慮成巖時間[10]和簡單考慮成巖時間[11]方法計算的結(jié)果一同列入表1中，并同時與實際所封閉的烴柱高度進(jìn)行對比分析，比較這兩種研究方法及本文建立的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型研究結(jié)果與實際資料的吻合關(guān)系。由評價結(jié)果可知（見表1），在利用未考慮成巖時間的斷-儲排替壓力差法對 F1斷層的封閉能力進(jìn)行評價時，大大低估了斷層的封閉能力，研究目的盤儲集層5層中僅1層被封閉，封閉的油柱高度（20 m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際被封閉的油柱高度（162 m），這表明在利用未考慮成巖時間的斷-儲排替壓力差法評價伸展斷層封閉性時，因忽略了成巖時間對成巖程度的影響而使斷層實際封閉能力被低估，同時也揭示了成巖時間是影響斷層巖成巖作用的重要因素。而在利用簡單考慮成巖時間的斷-儲排替壓力差法計算 F1斷層的封閉能力時，計算結(jié)果與實際也存在較大偏差（見表1），這主要是由于在考慮成巖時間求取排替壓力時，只是簡單地將上覆地層沉積所經(jīng)歷的總時間作為斷層巖和沉積地層的成巖時間。實際上，上覆地層每層的沉積時間是不同的，某一薄地層沉積所經(jīng)歷的時間可能比另一厚地層沉積所經(jīng)歷的時間長，而薄地層和厚地層施加給下伏地層或斷層巖的壓力是不同的，如果地層的厚度差異很大，所經(jīng)歷的沉積時間范圍差異也很大。盡管兩地層總沉積時間一定，但二者對下伏地層成巖程度的貢獻(xiàn)差異卻很大，造成下伏地層的成巖程度在此一定時間內(nèi)因上覆各地層的沉積速率不同而不同，由此計算得到的斷層巖和儲集層排替壓力就不會準(zhǔn)確，伸展斷層封閉性的評價結(jié)果與實際必然存在偏差；且上覆各地層沉積速率差異越大，評價結(jié)果與實際的偏差就越大。實際上，上覆地層壓力是隨時間增長和地層不斷加厚而不斷增加的，巖石的成巖程度不是一個瞬時的量，而是一個隨成巖時間的增長和地層加厚而不停累積的變量，所以通過成巖時間對成巖壓力的積分再現(xiàn)斷層巖經(jīng)歷的成巖過程，合理地考慮了成巖時間對成巖的影響，計算得到的封閉能力與實際情況十分接近。由此可見，本文提出積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型計算斷層封閉能力更符合實際。

表1 南堡凹陷1號構(gòu)造F1斷層NP103X2井處側(cè)向封閉性定量評價數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

斷層自形成后受多種成巖作用影響，在形成側(cè)向封閉性及封閉能力的過程中，考慮到目標(biāo)斷層巖所受成巖壓力是隨成巖時間和沉積地層厚度增大而不停累加的變量，即斷層巖經(jīng)歷的成巖時間越長、承受的成巖壓力越大，斷層巖排替壓力越大，伸展斷層越容易形成側(cè)向封閉。通過建立斷層巖及圍巖地層所受成巖壓力隨成巖時間變化的積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型來表征其成巖程度，便可依據(jù)與斷層巖具有相同成巖程度的圍巖埋深及斷層巖泥質(zhì)含量，借助研究區(qū)巖石排替壓力擬合關(guān)系式確定斷層巖排替壓力，用儲集層巖石排替壓力與之比較，定量評價伸展斷層的封閉性及封閉能力大小。南堡 1號構(gòu)造內(nèi)典型斷層（F1、F2及 F3）評價結(jié)果表明，預(yù)測烴柱高度與實際鉆探結(jié)果吻合程度較好，誤差僅0～8 m，評價結(jié)果與地下實際情況吻合較好。

利用成巖時間對成巖壓力的積分表征伸展斷層側(cè)向封閉性的數(shù)學(xué)-地質(zhì)模型，是在“斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與圍巖地層中的巖石相同”的假設(shè)條件下建立的，考慮到在一般情況下斷層巖較圍巖更容易受到膠結(jié)作用的影響?；诖颂岢龇e分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型評價伸展斷層側(cè)向封閉性時的適用條件，即為待評價區(qū)塊研究目的層位未發(fā)生膠結(jié)作用，此時得到的伸展斷層側(cè)向封閉性定量評價結(jié)果更符合地下實際。但這并不意味著發(fā)生膠結(jié)作用的地區(qū)不能用該積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型評價伸展斷層的側(cè)向封閉性，只是此時得到的評價結(jié)果為斷層所具有的最小封閉能力，膠結(jié)作用的發(fā)生必然會使封閉能力進(jìn)一步增大，該值則是實際油田開發(fā)保持伸展斷層封閉的最安全數(shù)值。

有關(guān)伸展斷層側(cè)向封閉性的研究，目前較難獲取到足夠多、且具有整條斷裂帶甚至全區(qū)可代表性的斷層巖巖樣進(jìn)行直接分析，僅能通過圍巖地層來間接評價伸展斷層的側(cè)向封閉性。但是這樣的評價方法仍存在諸多亟待解決的難點問題，如斷層巖的非均質(zhì)性（溶蝕及膠結(jié)作用發(fā)育程度的差異）、實測數(shù)據(jù)如何與積分?jǐn)?shù)學(xué)-地質(zhì)模型結(jié)合等問題，故有關(guān)伸展斷層側(cè)向封閉性的定量評價仍需進(jìn)一步研究。

符號注釋：

Ffab——已剝蝕ab段地層在未剝蝕前作用在A點的斷面正應(yīng)力，Pa；Ffi——ZAi厚度的上覆巖層作用在 A點的斷面正應(yīng)力，Pa；FrK——K 點圍巖所受的上覆靜巖壓力，Pa；Fr——圍巖上覆靜巖壓力，Pa；g——重力加速度，m/s2；h1——①號地層底界面至地表距離，m；h2——②號地層底界面至地表距離，m；h3——③號地層底界面至地表距離，m；h4——④號地層底界面至地表距離，m；hK——K點至地表距離，m；Hh——斷層面某點所能封閉的烴柱高度，m；H——斷層垂直斷距，m；k——樣品數(shù)；m1——①號地層沉積時期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m2——①～②號地層沉積時期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m3——①～③號地層沉積時期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m4——①～④號地層沉積時期內(nèi)經(jīng)歷的地應(yīng)力期次；m——巖石開始成巖至今經(jīng)歷的地應(yīng)力期次（可根據(jù)地應(yīng)力大小及方向劃分）；n——滑過斷點的圍巖層層數(shù)；pdf——斷層巖排替壓力，MPa；pdr——儲集層巖石排替壓力，MPa；pd——巖石樣品的排替壓力，MPa；QfA——A點斷層巖成巖程度，Pa·Ma；QfvA——垂向應(yīng)力對A點成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；QfσA——水平地應(yīng)力對A點成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；QrK——K點圍巖成巖程度，Pa·Ma；Qrv1——①號地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv2——①～②號地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv3——①～③號地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrv4——①～④號地層在垂向應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；QrvK——垂向應(yīng)力對K點成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；Qrσ1——①號地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ2——①～②號地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ3——①～③號地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；Qrσ4——①～④號地層在水平地應(yīng)力下具有的成巖程度，Ma；QrσK——水平地應(yīng)力對K點成巖程度的貢獻(xiàn)，Pa·Ma；q——泥質(zhì)含量與垂直距離之積，m；SGR——斷層巖泥質(zhì)含量，%；t0——現(xiàn)今沉積時間，Ma；t1——①號地層初始沉積時間，Ma；t2——②號地層初始沉積時間，Ma；t3——③號地層初始沉積時間，Ma；ta——地層抬升剝蝕初始時間，Ma；tb——地層抬升剝蝕結(jié)束時間，Ma；tjs——巖層經(jīng)歷的第j期次地應(yīng)力起始時間，Ma；tjf——巖層經(jīng)歷的第j期次地應(yīng)力結(jié)束時間，Ma；tK——K點圍巖沉積至今的時間，Ma；t——地層沉積時間，Ma；v1——①號地層的平均沉積速率，m/Ma；v2——②號地層的平均沉積速率，m/Ma；v3——③號地層的平均沉積速率，m/Ma；Vshi——滑過斷點的第i層巖層泥質(zhì)含量，%；Vsh——巖石樣品的泥質(zhì)含量，%；Z0——A點與④號地層頂界面之間的垂直距離，m；Z1——A點與③號地層頂界面之間的垂直距離，m；Z2——A點與②號地層頂界面之間的垂直距離，m；Z3——A點與①號地層頂界面之間的垂直距離，m；ZA——斷點A的埋深，m；ZAi——A點斷層巖上覆地層的沉積厚度，m；Z——巖石埋深，m；γ——水平地應(yīng)力方向與斷層走向夾角，（°）；ΔZi——滑過斷點的第i層巖層厚度，m；θ——斷層傾角，（°）；ρo——烴密度，kg/m3；ρr——上覆沉積巖層骨架密度，kg/m3；ρw——地層水密度，kg/m3；σhj——巖層經(jīng)歷的第j期次水平地應(yīng)力大小，Pa；σhmax——最大水平地應(yīng)力，Pa；σhmin——最小水平地應(yīng)力，Pa；σh——水平地應(yīng)力，Pa；σv——垂向地應(yīng)力，Pa。