砂泥巖地層斷層巖壓實(shí)成巖埋藏深度預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用

沙子萱 ，孫源 ，文全 ，于丹

（1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；3.青島金智瑞油氣田開發(fā)技術(shù)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著斷裂在砂泥巖盆地油氣成藏中所起作用研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到砂泥巖地層中的斷層封閉性主要受到斷層巖泥質(zhì)含量和壓實(shí)成巖埋藏深度（簡(jiǎn)稱壓實(shí)成巖埋深）的影響［1-3］。斷層巖泥質(zhì)含量和壓實(shí)成巖埋深越大，斷層巖排替壓力越大，封閉性越好，反之則越差。因此，只要能確定斷層巖泥質(zhì)含量和壓實(shí)成巖埋深，便可以對(duì)砂泥巖地層中的斷層封閉性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。目前已經(jīng)有一些方法［4-11］可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出斷層巖的泥質(zhì)含量，但對(duì)斷層巖壓實(shí)成巖埋深的研究尚不成熟，嚴(yán)重阻礙了砂泥巖地層中斷層封閉性研究的深入。

前人對(duì)砂泥巖地層斷層巖壓實(shí)成巖埋深開展的研究方法主要有：1）假定斷層巖和圍巖壓實(shí)成巖速率相等，由斷層巖停止活動(dòng)時(shí)間、圍巖壓實(shí)成巖埋深和壓實(shí)成巖時(shí)間求取斷層巖壓實(shí)成巖埋深［12-18］。2）假定斷層巖和圍巖具有相同的壓實(shí)成巖歷史，由斷層巖停止活動(dòng)時(shí)間、圍巖壓實(shí)成巖埋深、壓實(shí)成巖時(shí)間和壓實(shí)系數(shù)，利用斷層巖和圍巖壓實(shí)成巖埋深之比與二者孔隙度之比成反比的關(guān)系求取斷層巖壓實(shí)成巖埋深［14，19-23］。這些方法在求取斷層巖壓實(shí)成巖埋深、評(píng)價(jià)砂泥巖地層斷層封閉性的研究中起到了重要作用。然而，在求取斷層巖壓實(shí)成巖埋深時(shí)，這些方法不是假設(shè)條件過于苛刻，就是一些參數(shù)確定不合理，造成計(jì)算得到的斷層巖壓實(shí)成巖埋深與地下實(shí)際情況存在偏差，嚴(yán)重影響了砂泥巖地層斷層封閉性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。因此，開展砂泥巖地層斷層巖壓實(shí)成巖埋深預(yù)測(cè)方法研究，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)砂泥巖地層斷層封閉性具有重要意義。

1 斷層巖壓實(shí)成巖埋深影響因素

砂泥巖地層中，斷層巖壓實(shí)成巖過程應(yīng)與圍巖的壓實(shí)成巖過程相似。斷層巖是在上覆沉積載荷、區(qū)域主壓應(yīng)力與地下水?dāng)y帶礦物質(zhì)沉淀膠結(jié)等作用下形成的，只是開始?jí)簩?shí)成巖時(shí)間明顯比與其具有相同埋藏深度的圍巖壓實(shí)成巖時(shí)間要晚，應(yīng)從斷裂停止活動(dòng)后開始?jí)簩?shí)成巖。然而，同一條斷裂剖面上不同部位雖然斷層巖壓實(shí)成巖時(shí)間相同，但其埋藏深度不同，壓實(shí)成巖埋深也不同，這是因?yàn)閿鄬訋r壓實(shí)成巖埋深（或程度）是壓實(shí)成巖壓力在一定時(shí)期里作用的結(jié)果。

由圖1（Z為斷層巖埋藏深度，Z0為斷層巖停止活動(dòng)時(shí)的埋藏深度，θ為斷層傾角）可看出，隨著埋藏深度的增加，砂泥巖地層斷層巖壓實(shí)成巖埋深由頂部某處((Z-Z0)cos θ)至其下某處(Zcosθ)，是逐漸增大的。然而，對(duì)于確定停止活動(dòng)時(shí)間和埋藏深度的斷層巖來說，其壓實(shí)成巖埋深還受到泥質(zhì)含量的影響。通常情況下，斷層巖泥質(zhì)含量越高，越容易被壓實(shí)成巖，壓實(shí)成巖埋深越大（見圖 2。圖中 Rf1，Rf2，Rf3，Rf4為斷層巖不同泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，且 Rf1＜Rf2＜ Rf3＜Rf4）。

總之，斷層巖的壓實(shí)成巖埋深受到埋藏深度、傾角、泥質(zhì)含量和停止活動(dòng)時(shí)間等因素的綜合影響，對(duì)于傾角、停止活動(dòng)時(shí)間和泥質(zhì)含量相同的斷層巖，隨著埋藏深度的增加，壓實(shí)成巖埋深增大。

2 斷層巖壓實(shí)成巖埋深預(yù)測(cè)方法

由于受到鉆井和取心的限制，目前無法通過取樣直接確定斷層巖的壓實(shí)成巖埋深，所以只能借助于間接方法，利用其影響因素（埋藏深度、泥質(zhì)含量、傾角和停止活動(dòng)時(shí)間）求得。為了方便研究問題，假設(shè)以下條件：1）斷層巖物質(zhì)成分僅來自斷層兩盤被錯(cuò)斷地層巖石；2）若斷層巖和圍巖泥質(zhì)含量相同，那么斷層巖與圍巖具有相同的壓實(shí)成巖歷史，即具有相同的孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深變化關(guān)系。

在上述假設(shè)條件下，首先，由斷裂斷距和被斷裂錯(cuò)斷的巖層厚度和泥質(zhì)含量（泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)定量表征泥質(zhì)含量，可由文獻(xiàn)［24］中的預(yù)測(cè)方法，利用自然伽馬測(cè)井資料求?。?，利用式（1）預(yù)測(cè)斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；然后，通過實(shí)測(cè)圍巖孔隙度資料，由自然伽馬測(cè)井資料求取圍巖中的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，建立圍巖孔隙度與圍巖壓實(shí)成巖埋深、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系（見式（2））；最后，將斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)代入式（3），便可得到與斷層巖具有相同泥質(zhì)含量的圍巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深變化關(guān)系曲線。將曲線從圍巖停止沉積時(shí)間（Ts）移至相當(dāng)于斷層巖開始?jí)簩?shí)成巖埋深Z1(Z1=(Z0-(Z-Z0)cosθ))處對(duì)應(yīng)的沉積時(shí)間，平移后的曲線可看作斷層巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深的變化關(guān)系，取斷層巖現(xiàn)今壓實(shí)成巖埋深Z2(Z2=Zcos θ)對(duì)應(yīng)的孔隙度，即為斷層巖現(xiàn)今孔隙度 ?f（見圖 3）。

式中：Hi為被斷裂錯(cuò)斷的第i層巖層厚度，m；Ri為被斷裂錯(cuò)斷的第i層巖層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；L為斷裂斷距，m；n為被斷裂錯(cuò)斷的巖層個(gè)數(shù)。

式中：?s為圍巖孔隙度；Rm為圍巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；Z為圍巖壓實(shí)成巖埋深，m；a，b為與地區(qū)有關(guān)的系數(shù)。

式中：Zf為斷層巖壓實(shí)成巖埋深，m。

3 實(shí)例應(yīng)用

南堡5號(hào)構(gòu)造位于南堡凹陷西北部，為一長(zhǎng)期繼承性發(fā)育的背斜構(gòu)造，其上發(fā)育一系列近北東向斷裂（見圖4a。圓形圖式表示鉆井油氣顯示情況）。該構(gòu)造鉆遇的地層有孔店組、沙河街組、東營(yíng)組、館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系。目前已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在東營(yíng)組三段、二段和一段，油氣藏類型主要為斷層遮擋型油氣藏和斷塊型油氣藏（見圖4b）。

F3斷裂為一正斷層，位于南堡5號(hào)構(gòu)造中部，走向?yàn)楸睎|東向，平面延伸長(zhǎng)度約為13.4 km（見圖4a）。F3斷裂傾角平均為25°，斷距為70～145 m，從下部東營(yíng)組三段中部一直向上斷至館陶組中部，是一條長(zhǎng)期發(fā)育的斷裂。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)F3斷裂在東營(yíng)組三段—一段內(nèi)斷層巖壓實(shí)成巖埋深，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)F3斷裂的側(cè)向封閉性和指導(dǎo)南堡5號(hào)構(gòu)造油氣勘探至關(guān)重要。

由圖4b可以得到F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段現(xiàn)今埋藏深度分別為3 800，3 000，2 900 m，因其上無明顯的地層抬升剝蝕，可將這3個(gè)深度看作東營(yíng)組三段、二段和一段的壓實(shí)成巖埋深。由圖4b還可以得到F3斷裂停止活動(dòng)埋藏深度約為2 320 m，由同位素測(cè)年結(jié)果可得F3斷裂停止活動(dòng)時(shí)間約為距今13.3 Ma，東營(yíng)組三段、二段和一段圍巖壓實(shí)成巖時(shí)間分別為距今 27.9，26.3，24.5 Ma。由式（1）求得 F3 斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)的斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)分別為32%，29%，31%。由南堡凹陷實(shí)測(cè)圍巖孔隙度與圍巖壓實(shí)成巖埋深、圍巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系（見圖5），可以得到三者之間的關(guān)系式：

將F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)的斷層巖泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)分別代入式（4），便可得到與斷層巖具有相同泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的東營(yíng)組三段、二段和一段圍巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深的變化關(guān)系曲線，將曲線從圍巖停止沉積時(shí)間（距今 27.9，26.3，24.5 Ma）移至 F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖開始?jí)簩?shí)成巖埋深（分別為 973.2，1 701.2，1 792.2 m）對(duì)應(yīng)的沉積時(shí)間，作為F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深變化關(guān)系曲線（見圖6）。將F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)的斷層巖現(xiàn)今埋藏深度乘以斷裂傾角的余弦值，即斷層巖現(xiàn)今壓實(shí)成巖埋深，分別為3 458，2 730，2 639 m；由圖6可得到F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖對(duì)應(yīng)的現(xiàn)今孔隙度分別為 14.87%，23.66%，27.66%，再將其代入式（3）便可以求得F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖的壓實(shí)成巖埋深分別為2 486.13，1 031.55，847.90 m。

由于F3斷裂在東三段、二段和一段斷層巖壓實(shí)成巖已達(dá)到一定深度，孔隙度相對(duì)較小，且均小于對(duì)應(yīng)的東三段、二段和一段的孔隙度（分別為17.74%，24.81%，30.05%），表明F3斷裂具有一定的封閉能力，有利于油氣在其附近儲(chǔ)層中聚集和保存，這可能是能在F3斷裂附近東三段至東一段找到油氣的一個(gè)重要原因。在預(yù)測(cè)斷層巖壓實(shí)成巖埋深時(shí)需注意：1）該方法適用于砂泥巖盆地?cái)鄬訋r，不適用于碳酸鹽巖和火山巖含油氣盆地?cái)鄬訋r；2）該方法適用于上覆無明顯抬升剝蝕的地層中正斷層壓實(shí)成巖埋深的預(yù)測(cè)，不適用于上覆地層存在明顯抬升剝蝕的情況；3）該方法適用于斷裂不同活動(dòng)階段的斷層巖壓實(shí)成巖埋深預(yù)測(cè)，但前提是假設(shè)各階段斷層巖壓實(shí)成巖歷史相似。

4 結(jié)論

1）斷層巖的壓實(shí)成巖埋深主要受到埋藏深度、泥質(zhì)含量、傾角和停止活動(dòng)時(shí)間的綜合影響，在斷裂傾角和停止活動(dòng)時(shí)間確定的條件下，斷層巖埋藏深度越大，泥質(zhì)含量越高，斷層巖壓實(shí)成巖埋深越大；反之越小。

2）將與斷層巖具有相同泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的圍巖孔隙度隨壓實(shí)埋藏深度變化關(guān)系曲線從圍巖停止沉積時(shí)間移至相當(dāng)于斷層巖開始?jí)簩?shí)成巖沉積時(shí)間，此時(shí)的曲線可看作斷層巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深變化關(guān)系曲線，取斷層巖現(xiàn)今壓實(shí)成巖埋深對(duì)應(yīng)的孔隙度，可求得斷層巖現(xiàn)今孔隙度。據(jù)此，由圍巖孔隙度隨壓實(shí)成巖埋深及泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系，建立了一套斷層巖壓實(shí)成巖埋深的預(yù)測(cè)方法，克服了以往方法假設(shè)條件過于苛刻的不足。

3）運(yùn)用該方法對(duì)南堡凹陷南堡5號(hào)構(gòu)造F3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖壓實(shí)成巖埋深進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，F(xiàn)3斷裂在東營(yíng)組三段、二段和一段內(nèi)斷層巖壓實(shí)成巖埋深分別為2 486.13，1 031.55，847.90 m，均具有一定的封閉能力，有利于油氣在F3斷裂附近聚集和保存，與目前F3斷裂附近東三段至東一段已發(fā)現(xiàn)油氣分布相符，表明該方法用于預(yù)測(cè)砂泥巖地層中斷層巖壓實(shí)成巖埋深是可行的。