斷層側向封堵性評價方法綜述

金崇泰，付曉飛，柳少波

（1.東北石油大學地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油勘探開發研究院實驗中心，北京 100083）

斷層側向封堵性評價方法綜述

金崇泰1，付曉飛1，柳少波2

（1.東北石油大學地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油勘探開發研究院實驗中心，北京 100083）

針對碎屑巖中正斷層側向封堵性評價的10種研究方法，文中從各方法的基本原理入手，分析其優缺點及適用范圍，從而進行了全面的論述和評價。斷層側向封堵性評價方法可概括成4類：Ⅰ類是斷層巖封閉法；Ⅱ類是斷層兩側流體相關參數對比法；Ⅲ類是巖性對接封閉法；Ⅳ類是綜合法。每個斷層側向封堵性評價方法都有一定的局限性，具體選用何種評價方法，要具體情況具體分析確定。總的來說，巖性對接分析和斷層兩側流體分析是對地質特征的基本描述，是評價或預測斷層側向封堵性的基礎。若是砂砂對接，則SGR法是目前比較成熟的評價方法。

斷裂側向封閉；巖性對接；泥巖涂抹；斷面壓力法

0 引言

早在1958年，Weeks就提出“斷裂對油氣到底是起封閉作用還是起運移作用”的疑問［1］。隨著勘探程度的增加和知識積累，人們逐漸認識到斷裂對油氣既起封閉作用，又起運移作用［2-4］。1984年Downey將斷層封閉分為頂部封閉（垂向封閉）和側向封閉［3］。近30 a來，隨著人們對斷層的野外觀察、實驗模擬以及高分辨率地震技術的發展，對斷層結構、斷層封閉類型和斷層巖的物性都有了突破性的認識。在此基礎上，國內外地質工作者提出了許多斷層側向封堵性評價方法。然而各個方法都是地質工作者基于一定的地質環境提出的，必然存在局限性，在實際應用這些方法進行斷裂側向封堵性評價時，必須了解其基本原理及適用條件，以免適得其反。

1 斷層巖封閉法

1.1 斷層巖物性分析法

斷層對油氣的封閉作用機理是斷層帶物質（斷層巖）的毛細管壓力作用［2］。當油氣所受的浮力未超過斷層巖的毛細管壓力時，斷層對油氣起遮擋作用。

通過測量斷層巖的物性來推算其毛細管壓力的大小，可以評價斷層的封閉性［5-6］。目前，斷層巖物性的獲取有3種方法：一是直接測量斷層巖巖心，然而在實際工作中，很少能取到斷層巖的巖心；二是用母巖的物性來預測斷層巖的物性，其基本原理是統計野外露頭的斷層巖和母巖的滲透率，擬合成公式，但是斷層巖的成巖作用往往比母巖復雜得多，所以用母巖的滲透率來反映斷層巖的滲透率存在著很大的誤差；三是用斷層巖的泥質質量分數來預測斷層巖的物性，其基本原理是在野外采斷層巖的樣品，建立泥質質量分數與斷層巖滲透率的關系，下面是2個已報道的經驗公式：

1）Manzocchi等提出的公式為［7］

式中：Kf為斷層巖滲透率，10-3μm2；CCR為斷層巖的泥質質量分數；D為斷層的滑距，m。

2）Sperrevik等提出的公式為［8］

式中：Zmax為斷層巖的最大埋深，m；Zf為斷層活動時期斷層巖的埋深，m；a，b，c，d，e均為擬合出來的參數，a= 80000，b=19.4，c=0.004 03，d=0.0055，e=12.5。

若有井打在斷裂帶上，就可以采巖屑，做X衍射實驗或者通過GR測井數據來獲得斷層巖泥質質量分數，滑距從地震剖面上讀出，這樣就可以用Manzocchi公式來預測Kf的值。而在實際運用Sperrevik公式時，必須恢復斷層的埋藏史，得到Zmax，再根據斷裂活動時期，估算出Zf。斷層巖的埋深對斷層巖物性的影響是不可忽視的［9］。但是Zmax，Zf的確定是極其困難的，特別在地震資料不理想的情況下。

1.2 SGR法

SGR是Yielding在1997年提出的一種斷層涂抹因子［10-11］，用來預測由于斷裂機械運動導致的進入斷層帶的泥質質量分數。SGR的計算公式為

式中：Vsh為地層泥質質量分數，%；ΔZ為地層厚度，m；D為斷距，m。

SGR法其實是斷層巖物性分析法的延伸，其基本原理是SGR能反映斷層巖的泥質質量分數，而泥質質量分數直接影響斷層巖的物性，而過斷層壓力差又受斷層巖毛細管壓力的影響。Yielding通過統計SGR與過斷層壓力差，并考慮到斷層巖的物性受泥質質量分數與埋深的共同影響，所以將斷層巖按埋深分別建立SGR的封閉包絡線［12］，如當斷層巖埋深小于3 000 m時，由斷距和斷移地層的泥質質量分數、厚度計算出的SGR為40%，那么就認為此斷層巖的最大毛細管壓力為1 MPa，從而換算出所能支撐的烴柱高度。

1.3 斷面壓力法

關于斷面所受正應力與斷層封堵性的關系，國內外的研究都較少［3］。但在一定程度上，斷面壓力法還是能定性反映斷層封堵性。斷面壓力法基本原理是當斷面所受的壓力較大時，斷裂帶內的充填物磨碎和壓實程度高，滲透率減小［13-15］，斷面壓力的算法如下：

若斷層巖不存在超壓，則

式中：p為斷層面所受有效應力，Pa；p1為上覆巖層作用在斷面上的壓力，Pa；p2為水平應力作用在斷面上的壓力，Pa；p3為斷層巖的地層壓力，Pa；Z為斷面埋深，m；ρ為上覆地層的平均密度，kg/m3；ρw為地層水密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；α為斷層面傾角，°；σH為區域水平最大地應力，Pa；σh為區域水平最小地應力，Pa；β為地應力與斷層走向所夾銳角，°。

綜上所述，斷面所受壓力是斷面埋深、傾角、上覆巖層密度、區域水平應力及其與斷層走向交角的函數。

2 巖性對接法

2.1 Allan圖

Allan圖是Allan在研究墨西哥沿岸三角洲油氣與構造關系過程中提出的一種模式圖，用來分析斷層與油氣運移、聚集的關系［4］。其基本假設是斷層巖不發育，斷層既不起封閉作用，也不起輸導作用。斷層在橫向上的封堵性取決于斷層兩盤的巖性組合及其接觸關系。將斷層兩側的地層幾何形態、巖性投影到斷層面上，根據斷層兩側的巖性接觸關系，評價斷層的側向封堵性。

2.2 Knipe圖解

Knipe圖解是以單井資料為基礎編制的理想狀態下巖性并置及封堵圖，X（水平）軸代表斷層垂直斷距的變化［16-17］。圖1表明了一條伸展斷層，其下盤地層保持水平，上盤地層保持傾斜，并置圖的這種視角，等同于“看穿”一條斷層，下盤地層可視作與斷層面相交，上盤地層可看作沿斜線與斷層面相交，在圖上向右垂直斷距增加。Knipe圖解實際是表達理想狀態下不同斷距的斷層兩盤對接特征，以此為基礎，可進一步計算不同斷距條件下不同對接類型的斷裂帶內頁巖斷層泥比率（SGR）值，并根據斷裂帶中SGR判斷斷層巖類型，從而判斷斷層的側向封閉能力。

2.3 斷移地層砂泥比值法

如果被斷層所錯動的地層中砂泥比值大，則斷層兩側砂泥對置的可能性就小，而且斷裂帶的充填物也以砂巖為主，所以斷層側向封堵性必然要差。呂延防統計了遼河油田34條已知封閉性的斷層，得出同生斷層斷移地層的砂泥比值大于1.0，非同生斷層大于0.8時，斷層則不具側向封閉性［18］。

圖1 Knipe圖解兩盤巖性對接關系

2.4 砂泥對接概率法

在砂泥巖地層剖面中，將砂巖視為滲透性地層，泥巖視為非滲透性地層。砂泥對接概率是指占斷層目的盤砂巖層總厚度的某一百分數的砂巖層被對置盤泥巖層封堵的可能性大小。在斷層目的盤一側，通過模擬計算，相對目的盤砂巖層總厚度而言，如果僅有少部分砂巖層被對置盤泥巖層封堵的概率高，則說明該斷層側向封堵性差，反之，封堵性好。呂延防在研究延吉盆地時，根據鉆井資料劃分沉積相，統計每一相中的砂泥小層厚度，確定厚度分布規律，從而推算斷面附近的小層厚度，計算對接概率［18］。

3 斷層兩側流體相關參數對比法

斷層兩側流體相關參數對比法是斷層側向封閉性評價最直觀的手段，也是檢驗斷層封閉與否的手段。其基本原理是斷層若側向封閉，兩側流體不能自由通過斷面，此時地層壓力、油氣水界面、流體特征、微量元素等方面必然存在差異。

斷層兩側地層壓力的對比，是斷層定量封閉性評價的基礎［10，19］。斷層兩側地層壓力可以通過RFT測試和鉆桿壓力測試得到，差值越大斷層封閉性越好。

如果斷層側向封閉，理論上斷層兩側的流體是不同的溫壓系統，地層溫度應該是不一樣的，但實際上，地層溫度主要是由地溫梯度決定的。至今，尚未見報導利用斷層兩側流體地層溫度的差異來標定斷層封堵性。斷層兩側油氣藏的油氣水界面不一致，則斷面是封閉的，油氣水界面性質和地層壓力是最重要的2個指標。

若斷層兩側流體是氣，則要對比其組分特征（烴類、非烴）、相態參數特征（臨界溫度、臨界壓力）［12］、碳氫等穩定同位素組成、稀有氣體同位素組成、相對密度等。若斷層兩側流體是油，則要從物性參數、生物標志物、芳烴、碳同位素、含氮化合物等方面來進行對比。若斷層兩側流體是水，則主要是從顏色、氣味、透明度、沉淀物、pH值、蘇林分類的水型、同位素等方面來進行常規對比。另外，也可用膠結物的微量元素來對比。Hayes等發現富Mn的方解石通常形成于海相［20］。金之鈞等認為富Mg的方解石應沉積于湖相地層水中［21］。Cao Jian對紅車斷裂上下盤及斷裂帶系統產樣，分析膠結物中方解石的Mn，Fe，Mg等元素，發現斷裂下盤的膠結物是富Mg方解石，而斷裂帶及斷層上盤是富Mn方解石，從而推出斷裂兩側地層水類型不同，據此判斷，紅車斷裂至少在某個時期是封閉的［22］。

由斷層兩側流體充注期次的對比也可間接判斷出斷裂的封閉性。Cao Jian在研究準西北緣的紅車斷裂時，根據包裹體的巖相、均一溫度，將其劃分出3期，又發現前2期的包裹體在斷裂的上下盤和斷裂帶均有發現，而第3期的氣包裹體只存在于斷裂的下盤，由此判斷，第3期氣充注時，斷裂是封閉的［22］。

4 綜合法

4.1 斷裂開啟指數法

Zhang Likuan等在研究大港油田時，認為斷裂的開啟與封閉受多種地質因素 （主要為斷面附近的泥巖地層壓力、垂直斷面的應力、SGR）影響［23］，為了綜合考慮這些地質因素，提出了斷裂開啟指數。

式中：FOI為斷裂開啟指數，無量綱；p為斷面附近的泥巖地層壓力，MPa；δ為垂直斷面的應力，MPa；SGR為斷層泥比率，無量綱。

當FOI≤0.75時，斷裂封閉；FOI≥3.25時，斷裂開啟；當0.75＜FOI＜3.25時，斷裂可能封閉，也可能開啟，但FOI越大，開啟的可能性越大。

4.2 模糊綜合評判法

該方法是由鄧俊國等［24］提出的，考慮影響斷層封閉性的各種因素對其所做的綜合研究。由于本文只探討斷層的側向封閉性，又結合近年來的研究成果，故對評價標志做了一些修改（見表1）。值得指出的是，這里的模糊綜合評判法是在判定砂砂對接的基礎上進行的，因為若斷層兩盤砂泥對接，則認為斷層側向封閉。已見報道的除上述2個，還有非線性映射分析法［25］等。

5 綜述

斷層側向封堵性評價方法總的來說可以概括成4大類：Ⅰ類是斷層巖封閉法（斷層巖性分析、斷面正應力、SGR法）；Ⅱ類是斷層兩側流體相關參數對比法；Ⅲ類是巖性對接封閉法；Ⅳ類是綜合法（見圖2）。

每個斷層側向封堵性評價方法都有其局限性，具體選用何種評價方法，要根據具體情況分析選用。但總的來說，巖性對接圖和斷層兩側流體分析是對地質特征的基本描述，是評價或預測斷層側向封堵性的基礎。若是砂砂對接，SGR法是目前較成熟的評價方法。

表1 斷層側向封閉性單因素評價標準［24］

圖2 斷層側向封堵性評價方法總結

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［25］呂延防，陳章明，陳發景.非線性映射分析斷層封閉性評價方法［J］.石油學報，1996，10（2）：7-12. Lv Yanfang，Chen Zhangming，Chen Fajing.Evaluation of sealing ability of faults using nonlinear mapping analysis［J］.Acta Petrolei Sinica，1996，10（2）：7-12.

（編輯 趙旭亞）

Review on evaluation methods of lateral sealing of fault

Jin Chongtai1,Fu Xiaofei1,Liu Shaobo2
(1.College of Geosciences,Northeast University of Petroleum,Daqing 163318,China;2.Laboratory Center,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China)

According to ten evaluation methods of the lateral sealing of normal fault in clastic reservoirs,the advantages, disadvantages and application range of each method are discussed comprehensively based on basic principles in this paper.The evaluation methods of lateral sealing of fault are summarized into four categories,they are fault rock sealing,the related parameters analysis of fluid on both sides of faults,lithology juxtaposition and comprehensive method.Each method has certain limitations and is selected according to the specific situation analysis.But in general,lithology juxtaposition and the related parameters analysis of fluid on both sides of faults are the basic descriptions and the basis of sealing evaluation and prediction.If fault juxtaposition is against reservoir rock,SGR is more mature evaluation method at present.

lateral sealing of fault;lithology juxtaposition;shale smearing;pressure method of fault plane

TE122.3+4

：A

1005-8907（2012）03-0297-05

2011-09-26；改回日期：2012-03-15。

金崇泰，男，1987年生，在讀碩士研究生，主要從事斷層封堵性評價和裂縫預測研究。E-mail：atai521521@qq.com。

金崇泰，付曉飛，柳少波.斷層側向封堵性評價方法綜述［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：297-301. Jin Chongtai，Fu Xiaofei，Liu Shaobo.Review on evaluation methods of lateral sealing of fault［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：297-301.