準噶爾盆地西北緣百口泉斷裂成巖封閉作用研究

崔殿

(中石化股份勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營 257015)

準噶爾盆地西北緣百口泉斷裂成巖封閉作用研究

崔殿

(中石化股份勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營 257015)

從機理上看,影響斷層封閉性的主要因素包括:涂抹作用、碎裂作用及成巖作用。其中成巖作用是靜止期斷層逐漸封閉的主導因素,其類型主要包括:壓實和充填作用、膠結作用,二者對斷層的封閉性均具有建設性作用。根據地震、測井、錄井及試油等基礎資料,運用定量計算的方法,并結合巖心和巖石薄片觀察,對準噶爾盆地西北緣百口泉斷裂內成巖作用進行了研究。結果表明:由于百口泉斷裂內壓實和充填作用強烈,致使該斷裂的封閉性較好,對油氣具有良好的封堵作用。加之受膠結作用的影響,使斷裂帶與相鄰圍巖相比具有較低的孔隙度和滲透率。最后通過斷裂帶結構劃分,結合巖心和巖石薄片觀察,初步認為百口泉斷裂內成巖膠結作用的影響范圍約為100～120m。

斷層封閉性 壓實作用 膠結作用 百口泉斷裂 準噶爾盆地

從機理上看，斷層封閉作用主要包括3種類型：涂抹作用、碎裂作用和成巖作用。通常所采用的斷層封閉性評價方法主要是針對前兩種類型的封閉作用，國內外關于斷裂帶成巖作用對斷層封閉性影響的研究較少，而這種作用往往是影響靜止期斷層逐漸封閉的主要因素。通過研究認為影響斷層封閉性的成巖作用包括膠結作用和由斷面正應力導致的壓實和充填作用。這二者對斷層封閉性均具有建設性作用。因此，開展斷裂帶成巖作用對斷層封閉性影響的研究，不僅可以豐富斷層封閉性研究的理論和方法，而且對尋找新的與斷層相關的油氣藏及拓展勘探空間，具有重要意義。

表1 447井附近百口泉斷裂封閉性參數計算表

1 地質概況

準噶爾盆地西北緣為一晚古生代晚期—中生代早期形成的大型疊瓦沖斷系統。區域內發育眾多平行于構造線方向的NE向逆推斷層以及與主斷層垂直或斜交的近NW向橫斷層，這些斷層控制了西北緣油氣的空間分布。百口泉斷裂是克夏斷裂帶的重要組成部分，屬于一級斷裂，其南接南白堿灘斷裂、北接百烏斷裂。該斷裂活動時期較長，從二疊紀開始持續活動至中侏羅世末期。該斷裂總體走向為南西～北東向，傾向北西，呈向東凸出的弧形，斷層面上陡下緩，上部傾角60°，下部傾角20°～35°；深部地層垂直落差大，淺部地層落差小，三疊系底垂直斷距200m～800m，水平斷距200m～600m；侏羅系底垂直斷距50m～200m，水平斷距30m～180m，具有同生逆掩斷裂的性質。延伸長度約12km。斷裂早期與南白堿灘斷裂和百烏斷裂為一條斷層，三疊紀以來，由于受印支、燕山運動引起的平面差異運動的影響逐漸分化成為獨立斷層。

2 壓實和充填作用對斷層封閉性的影響

2.1 壓實和充填作用機理

當斷層上下盤巖層所受的正應力超過了其破裂強度，會使巖石發生破碎，從而充填堵塞了斷裂帶內部孔隙空間并且使斷面緊閉，使斷層封閉。這種作用使斷裂帶內孔隙度、滲透率降低，導致斷層達到了封閉的效果。斷裂帶的壓實作用可以用斷層面承受的正應力進行表征，而充填作用則由斷裂帶泥質充填含量表征。當斷裂充填物的驅替壓力高于圍巖時，必然封堵流體的運移。

2.2 壓實和充填作用對百口泉斷裂封閉性的影響

通過對鉆遇百口泉斷裂的417井和423井的巖心取樣作巖石薄片觀察發現：斷裂內壓實作用強烈，表現為受構造應力作用顆粒塑性破碎并被壓碎后進入孔隙。充填作用普遍發育，泥質充填了裂縫(圖1)。

壓實和充填作用對斷裂封閉性的影響不僅可以通過巖心觀察等方式進行定性研究，還可以通過公式計算的方式進行定量評價。壓實作用可以通過斷面正應力(P)進行表征，其計算公式前人進行過大量研究，具體為：

式中：P為斷面所承受的正應力MPa；H為斷面埋深m；ρr為上覆地層平均密度g/cm3；ρw為地層水密度g/cm3；g為重力加速度；σ為水平地應力MPa；θ為斷面傾角(°)；β為主地應力方向與斷層走向的夾角(°)。

付廣等提出的斷裂充填物泥質含量(Rm)可以定量評價斷裂帶泥質充填含量，公式為：

式中：Rm為斷裂帶泥質充填含量；L為垂直斷距m；h1i和h2j分別為斷層上盤第i層和斷層下盤第j層的泥巖厚度m；n1，n2分別為斷層兩盤被錯斷的泥巖層數；h為斷層上、下盤目的層之間的泥巖累積平均厚度m；H為斷移地層厚度m。

通過地震、試油、測井及錄井等資料，運用公式1和公式2計算百口泉斷裂帶內的正應力(P)和斷裂帶泥質充填含量(Rm)。結果表明該斷層所承受的正應力大大超過了泥巖破裂強度(5.5MPa)，會使得斷層上下泥巖層發生塑性變形，泥質充填堵塞孔隙空間。斷裂帶內泥質充填含量分布在0.25-0.65之間，整體較大，這與巖心觀察的結果吻合(表1)。

通過巖心觀察和參數計算發現，百口泉斷裂內壓實和充填作用強烈，斷面所受正應力較大，超過了泥巖破裂強度(5.5MPa)，這不但會使斷裂帶內巖石致密，孔隙度減小，還會導致斷裂帶內巖石尤其是泥巖破碎，并發生塑性變形充填在斷裂帶內，進一步堵塞孔隙空間。因此，可以認為壓實和充填作用使百口泉斷裂封閉性變好。

3 膠結作用對斷層封閉性的影響

3.1 膠結作用機理

斷裂帶的膠結作用是指富含礦物質的地下流體在沿斷裂帶運移的過程中，由于物理環境的改變以及地下水與斷裂帶內的物質發生物理化學反應，造成礦物質發生過飽和沉淀。這些后期的礦物沉淀，膠結了疏松的沉積物，阻塞了斷裂帶中的孔隙，降低了巖石孔隙度、滲透率，從而造成斷層的封閉。

3.2 影響斷層封閉性的膠結礦物類型

目前，國內外大多數學者認為影響斷層封閉性的膠結礦物主要為石英和碳酸鹽巖。根據巖心觀察得出，由于受應力作用，百口泉斷裂內巖石裂縫發育，成巖膠結作用強烈，裂縫普遍被碳酸鹽巖膠結。對斷裂內巖心取樣作巖石薄片觀察，發現斷裂帶巖石由于受應力作用，破裂縫發育，且全部被膠結，主要膠結礦物為方解石(圖2)。

3.3 膠結作用影響強度及范圍

一般認為，由于受膠結作用的影響，斷裂帶與相鄰的原地巖性相比具有較低的孔隙度和滲透率。對鉆遇百口泉斷裂的423井、424井及百烏12井斷點附近巖心膠結程度的研究表明：斷裂帶附近的巖石膠結率明顯異常增大，比正常巖石大近80%，膠結物含量明顯增多，膠結程度增強，孔隙度、滲透率較低。說明斷裂帶是流體頻繁活動的重要場所，因此礦物沉淀現象非常普遍，由此產生的膠結作用大大提高了百口泉斷裂的封閉性。

斷裂帶膠結作用對斷層封閉性的影響強度非常大，但是該作用發生的范圍到底有多大，這是一個值得探討的問題。斷裂是一個具有復雜內部結構的三維地質體，由以發育斷層巖和伴生裂隙為主要特征的破碎帶和斷裂伴生的低級別及多次序裂隙發育的誘導裂縫帶組成的，并且由于斷層形成特征的差異導致不同斷層或斷層不同部位破碎帶和誘導裂縫帶的范圍不同。也正因為破碎帶和誘導裂縫帶在特征和性質上的區別，導致在二者內部發生的主要成巖作用存在差異。破碎帶內發育斷層巖，是壓實和充填作用的主要發育帶；誘導裂縫帶內裂隙發育，為流體低勢區，地下流體在“地震泵”效應下在其內部進行運移，致使與斷裂帶巖石發生水-巖反應，因此誘導裂縫帶是膠結作用的主要發育帶。

根據誘導裂縫帶和滑動破裂帶的測井識別特征對鉆遇百口泉斷裂的423井、424井及百烏12井進行斷裂帶結構劃分(圖3)，發現百口泉斷裂的滑動破碎帶范圍約60m，誘導裂縫帶范圍約100m。

結合巖心觀察和巖石薄片觀察發現，滑動破碎帶內充填大量破碎泥巖(圖1)，誘導裂縫帶內裂縫發育且基本被方解石完全膠結(圖2)。此觀察結果表明，百口泉斷裂膠結作用十分強烈，整個誘導裂縫帶都是膠結作用的影響范圍，考慮緊鄰斷裂帶的圍巖受其影響，成巖膠結作用的影響范圍應為100～120m。這說明成巖膠結作用對斷裂帶封閉性能的影響范圍非常大。

圖2 百口泉斷裂帶內巖心和巖石薄片照片

圖3 424井斷裂帶結構劃分圖

4 結語

(1)影響百口泉斷裂封閉性的成巖作用主要有壓實和充填作用、膠結作用。由于二者的影響使斷裂帶與相鄰圍巖相比具有較低的孔隙度和滲透率，致使該斷裂的封閉性較好，對油氣具有良好的封堵作用。

(2)百口泉所受正應力大大超過了泥巖破裂強度(5.5Mpa)，不但會使斷裂帶內巖石致密，孔隙度減小，還使斷裂帶內巖石尤其是泥巖破碎，發生塑性變形充填在斷裂內，進一步堵塞孔隙空間。巖心薄片觀察和定量計算的結果與之吻合。

(3)百口泉斷裂成巖膠結作用十分發育，大量成巖膠結礦物堵塞裂縫，膠結破碎的巖石，從而使得斷裂帶內孔隙度、滲透率降低。成巖膠結礦物類型主要為方解石，通過斷裂帶結構劃分，結合巖心和巖石薄片觀察初步，認為膠結作用影響范圍大約100～120m。

[1]呂延防,付廣,張云峰,等.斷層封閉性研究[M].北京:石油工業出版社,2002:33-34.

[2]呂延防,李國會,王躍文,等.斷層封閉性的定量研究方法[J].石油學報,1996,17(3):42-43.

[3]付廣,李玉喜,張云峰,等.斷層垂向封閉油氣性研究方法及其應用[J].天然氣工業,1997,17(6):22～25.