斷裂致泥巖蓋層封閉形成期滯后程度的預測方法及其應用

曹思佳 許鳳鳴 孫顯義 張云峰 姜美玲

1.東北石油大學地球科學學院 2.中國石油大慶油田公司勘探事業部

0 引言

前人研究結果表明，泥巖粒度細，沉積后在埋藏過程中更容易壓實，因此具有極高排替壓力，能夠有效地封堵油氣，但同時泥巖能干性較弱，常因斷層活動而被破壞[1]。因此，在時間上能否有效地封閉油氣，已不再取決于蓋層本身封閉形成時間的相對早晚，而取決于斷層巖封閉形成時間的相對早晚。由于后者明顯晚于前者，導致泥巖蓋層封閉形成時間明顯向后推遲，造成油氣聚集與保存時期明顯變短，油氣富集程度變低。能否準確地預測出斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度，對于正確認識斷裂附近的油氣分布尤為重要。前人[1-4]關于斷裂對泥巖蓋層造成的影響展開過相關研究，主要是通過斷距及泥巖蓋層厚度來研究斷裂對泥巖蓋層的分布連續性產生破壞作用，認為斷裂斷距相對越大，而泥巖蓋層厚度相對越小，斷裂對泥巖蓋層分布連續性破壞程度越大，反之則越小。也有學者[5-10]通過對比斷層巖和泥巖蓋層的排替壓力研究斷裂破壞蓋層封閉能力，認為斷層巖排替壓力越小，泥巖蓋層排替壓力越大，斷裂對泥巖蓋層封閉的破壞程度越大；反之則越小。然而，關于斷裂活動導致泥巖蓋層封閉能力滯后的研究甚少，僅見蓋層封閉形成時間、斷層巖封閉形成時間的研究成果[11-13]，而且是用排替壓力為1 MPa對應的時間作為泥巖蓋層封閉形成時間，缺少理論依據。而對斷層巖封閉形成時間研究也是套用上述泥巖蓋層封閉形成時間的研究方法，同樣缺少理論依據。同時因斷層巖排替壓力相對太小，造成多數斷層巖無法進入封閉形成時期，這與實際斷裂附近有油氣聚集分布相矛盾，不利于正確認識斷裂附近油氣資源分布。因此，筆者開展了斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度預測方法的研究，以期為正確認識斷裂附近油氣資源分布和油氣勘探部署提供理論依據。

1 斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度及其影響因素

剛沉積的泥巖蓋層排替壓力（pc）相對較低，小于下伏儲層巖石排替壓力（ps），不能對下伏儲層巖石中的油氣形成封閉[9]。只有當其排替壓力等于下伏儲層排替壓力時，泥巖蓋層才開始對下伏儲層巖石中油氣形成封閉，如圖1中泥巖蓋層封閉形成時間（Tm）所示。由于泥巖蓋層與下伏儲層巖石孔滲性差異較大，泥巖蓋層較易對下伏儲層巖石中的油氣形成封閉，封閉形成時間相對較早（圖1）。然而，當泥巖蓋層被斷裂破壞后，由于斷裂在其內分段生長上下連接，成為油氣穿過泥巖蓋層向上運移的輸導通道[14]，所以在斷裂活動時期泥巖蓋層對下伏儲層巖石中的油氣是不封閉的，油氣可沿斷裂穿過其向上運移。斷裂停止活動后，便可在各種地質因素[9]作用下，斷裂填充物（來自斷裂兩盤巖石破碎的碎屑顆粒及斷層泥）壓實成巖，形成固結的角礫巖（碎屑顆粒大小不一，成分復雜，分選磨圓差），即斷層巖，其孔滲性逐漸降低，當斷層巖排替壓力（pf）等于下伏儲層巖石排替壓力時，斷層巖開始對下伏儲層巖石中油氣形成封閉，如圖1中斷層巖封閉形成時間（Tf）所示。由此看出，被斷裂破壞泥巖蓋層不僅封閉油氣機理發生了改變，而且封閉形成時間較未被破壞泥巖蓋層封閉形成時間也明顯向后推遲，如圖1所示。其滯后程度（σ）主要受到泥巖蓋層封閉形成時間與斷層巖封閉形成時間二者相對早晚的影響，Tf相對于Tm越晚，斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度越大；反之越小。滯后程度可用式（1）來表示。由式（1）可以看出，σ值介于0～1，σ值越大，斷裂致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度越大；反之越小。

式中σ表示斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度；Tm表示泥巖蓋層封閉形成時間，Ma；Tf表示斷層巖封閉形成時間，Ma。

2 斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度的預測方法

綜上所述，預測斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間的滯后程度需要先確定泥巖蓋層封閉形成時間和斷層巖封閉形成時間。

2.1 泥巖蓋層封閉形成時間的確定

孫同文等[14]研究結果表明，泥巖蓋層排替壓力主要受到埋深和泥質含量的影響，壓實埋深和泥質含量越大，排替壓力越大；反之則越小。按本文參考文獻[9]的方法求取泥巖蓋層巖石中的泥質含量，并在假設泥巖蓋層巖石各地質時期泥質含量近似不變的條件下，根據本文參考文獻[15]地層骨架不變原理法，利用聲波時差資料恢復泥巖蓋層及其以上地層在不同時期的古厚度，再通過地層回剝法恢復泥巖蓋層不同時期的古壓實埋深，據此便可以由泥巖蓋層排替壓力計算公式（2）[16]計算求得研究區泥巖蓋層不同地質時期的古排替壓力，如圖1中pc曲線所示。

式中pc表示泥巖蓋層排替壓力，MPa；Zc表示泥巖蓋層壓實埋深，m；Rc表示泥巖蓋層泥質含量，小數，可按本文參考文獻[17]中的方法計算求得；a、b表示與研究區有關的常數。

儲層巖石實測排替壓力與其壓實埋深和泥質含量之間具有相關關系[9,15-17]。利用儲層埋深和泥質含量，由儲層排替壓力計算公式（3）[18]便可得到研究區儲層巖石不同地質時期的古排替壓力，如圖1中ps曲線所示。

式中ps表示儲層排替壓力，MPa；Zs表示儲層巖石壓實埋深，m；Rs表示儲層巖石泥質含量，小數，可由本文參考文獻[18]中的方法計算求得；c、d表示與研究區有關的常數。

泥巖蓋層排替壓力和下伏儲層排替壓力相等時所對應的時間為泥巖蓋層封閉形成時間。

2.2 斷層巖封閉形成時間的確定

受鉆井和取心的限制，目前無法利用斷層巖樣品的方法獲取斷層巖排替壓力。對于碎屑巖地層中發育的斷層，其斷層巖物源主要來自兩盤破碎的巖石，其巖石組成與圍巖相似，在相同的泥質含量及壓實條件下排替壓力與圍巖相似，即為壓實埋深和泥質含量的函數。因此，只要確定出斷層巖壓實埋深和泥質含量，便可以利用圍巖排替壓力（pm）與其壓實埋深和泥質之間的關系式（2）求取斷層排替壓力[19]。斷層巖泥質含量可由斷裂斷距和被其錯斷地層巖石厚度，通過本文參考文獻[9]中斷層泥巖泥質含量的預測方法式（4）計算得到。由于斷層巖壓實成巖時期晚于圍巖壓實成巖時期，加上斷裂傾斜，其壓力又小于相同埋深圍巖的壓力，斷層巖的巖石成巖埋深難以獲取。故斷層巖的壓實成巖埋深明顯不同于圍巖的壓實成巖埋深。所以，不能用圍巖壓實成巖埋深代替斷層巖壓實成巖埋深，只能在假設斷層巖和圍巖壓實成巖歷史相似的條件下，由式（4）計算求得。

式中Rf表示斷層巖泥質含量，小數；Hi表示被斷裂錯斷第i層巖層厚度，m；Ri表示被斷裂錯斷第i層巖層泥質含量，小數，可由本文參考文獻[17]中的方法利用自然伽馬測井資料計算求得；L表示斷裂斷距，m；n表示被斷裂錯斷巖層層數。

將斷層巖泥質含量代入式（2）中，可得到與圍巖具有相同泥質含量斷層巖排替壓力與其壓實埋深之間關系，不過斷層巖因其具有一定的傾角，引起壓實作用的力為斷層所受正壓力，其小于圍巖壓實所受的靜巖壓力[19-21]，實際斷層巖等效埋深（Zf）為圍巖埋深（Zc）乘以cosθ[θ為斷層傾角，（°）]，因而同深度段斷層巖排替壓力曲線斜率小于圍巖地層；再將其由圍巖停止沉積開始壓實成巖時間（可用圍巖停止沉積時間代替，Ts）移至斷層巖開始壓實成巖時間（可用斷裂停止活動時間，即斷裂向上延伸處地層沉積至今時間，To）作為斷層巖排替壓力隨其壓實成巖埋深變化關系；最后，利用上述泥巖蓋層古壓實成巖埋深恢復方法恢復斷層巖不同時期的古壓實成巖埋深，即可得到與斷層巖排替壓力隨時間變化關系（圖2）。

取上述斷層巖與下伏儲層巖石排替壓力相等所對應時間，即為斷層巖封閉開始形成時間。

2.3 斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度的確定

將上述已確定出的泥巖蓋層封閉形成時間和斷層巖封閉形成時間代入式（1）中，可以計算斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度，其值越大，斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度越大；反之則越小。

3 應用效果

以渤海灣盆地南堡2號構造F4斷裂作為實例，應用上述方法預測F4斷裂導致古近系東營組二段（以下簡稱東二段，E3d2）泥巖蓋層封閉形成時間的滯后程度，并結合其目前東二段泥巖蓋層之下已發現油氣分布，驗證該方法預測斷裂致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度的可行性。

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊凹陷北部，面積為1 932 km2，潛在油氣資源豐富[22]。南堡2號構造位于南堡凹陷中部，為發育于奧陶系潛山基底背景之上的披覆背斜構造，被一系列北東走向的斷裂切割，圈閉面積為280 km2（圖3）。鉆井揭示其發育的地層主要是古近系和新近系，古近系自下而上發育孔店組（E1k）、沙河街組（E3s）、東營組（E3d），新近系自下而上發育館陶組（N1g）、明化鎮組（N2m），東營組一段（E3d1）是南堡2號的主要含油層位，東二段目前發現的油氣相對較少，僅見于構造的高部位。F4斷裂位于南堡2號構造的南邊界，平面上呈北東向展布，長度為25.14 km（圖3），傾向東南，在東二段內的斷距為0～360 m。F4斷裂從基底向上一直斷至館陶組的頂部（圖4）。F4斷裂連接了沙河街組三段（E3s3）和沙河街組一段（E3s1）烴源巖及東二段砂巖儲層，且在油氣成藏期（東營組沉積末期活動）是南堡2號構造東二段的油源斷裂。下伏沙河街組三段和沙河街組一段源巖生成的油氣沿F4斷裂向東二段砂巖儲層中運移，由于F4斷裂破壞了東二段泥巖蓋層，東二段內油氣的聚集與保存明顯受到F4斷裂使東二段泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度大小的影響。

南堡2號構造東二段泥巖蓋層較為發育，LP1、NP2-15、NP205等井泥巖蓋層厚度介于200～370 m，平均厚度為260 m。其中LP1井泥巖蓋層厚度為200 m，NP2-15井泥巖蓋層厚度為290 m，NP205井泥巖蓋層厚度為200 m。泥巖蓋層未被F4斷裂完全錯斷，仍保持橫向分布的連續性。利用自然伽馬測井資料，由本文參考文獻[23]中的方法求取F4斷裂處東二段泥巖蓋層巖石的泥質含量為0.87，將其代入圍巖排替壓力計算式（5），可得到南堡凹陷東二段泥巖蓋層排替壓力隨壓實埋深變化關系（圖5），再通過恢復東二段泥巖蓋層巖石古壓實埋深，即得到東二段泥巖蓋層排替壓力隨時間變化關系（圖5）。

利用自然伽馬測井資料，由本文參考文獻[17]中的方法求取東二段砂巖儲層巖石泥質含量為0.13，將其代入南堡凹陷砂巖儲層排替壓力計算公式（式6）中，便可以得到東二段砂巖儲層巖石排替壓力隨壓實埋深變化關系（圖5），再恢復東二段砂巖儲層巖石古壓實埋深，可得到東二段砂巖儲層巖石排替壓力隨時間變化關系，如圖5所示。

取東二段泥巖蓋層和下伏砂巖儲層巖石排替壓力相等處所對應的時間（圖5），為距今25.8 Ma，即為東二段泥巖蓋層封閉形成時間（Tm）。

受到鉆井及取心的影響，目前難以利用測試樣品的方法獲取F4斷層巖排替壓力，也就無法確定斷層巖封閉形成時間，只能利用間接方法確定斷層巖封閉形成時間，具體方法為：①明確南堡2號構造F4斷裂斷至館陶組上段頂部停止活動，其停止活動時間（To）為距今5.32 Ma；②按照本文參考文獻[18]中的方法求取F4斷裂在東二段斷層巖泥質含量為0.36，將其代入南堡凹陷圍巖排替壓力計算式（5）中，得到與斷層巖泥質含量相同的東二段圍巖排替壓力隨壓實埋深變化關系；③基于斷層巖與圍巖壓實所承受應力的差異，結合東二段圍巖排替壓力與地質時間/壓實埋深的關系得到斷層巖排替壓力隨地質時間/壓實埋深的變化關系，將東二段圍巖排替壓力從東二段圍巖停止沉積時間（為距今27.3 Ma，Ts）移至斷層巖開始壓實成巖時間（為距今5.32 Ma）處，將其作為斷層巖排替壓力隨壓實埋深變化關系（圖5）；④恢復斷層巖壓實古埋深，可得到斷層巖排替壓力隨時間變化關系（圖5）；⑤取上述F4斷裂在東二段泥巖蓋層內斷層巖與下伏砂巖儲層巖石排替壓力相等所對應的時間（圖5）為距今1.1 Ma，即為斷層巖封閉形成時間。

將上述已確定出的F4斷裂在東二段泥巖蓋層內斷層巖封閉形成時間和東二段泥巖蓋層封閉形成時間代入式（1），可計算得到F4斷裂導致東二段泥巖蓋層封閉滯后程度為0.96，其值較大，表明F4斷裂對東二段泥巖蓋層封閉破壞程度相對較大，不利于沙三段和沙一段烴源巖生成的油氣通過F4斷裂在南堡2號構造東二段砂巖儲層中聚集與保存，這是目前南堡2號構造東二段僅在構造高部位發現3處少量油氣、構造低部位大部分地區未找到油氣的根本原因。

4 結論

1）斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度主要受到泥巖蓋層封閉形成時間和斷層巖封閉形成時間相對早晚的影響，斷層巖封閉形成時間相對于泥巖蓋層封閉形成時間越晚，斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度越大；反之則越小。

2）通過確定泥巖蓋層封閉形成時間和斷層巖封閉形成時間，建立了一套預測斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度的方法，該方法克服了以往斷層巖排替壓力預測中壓實埋深難以預測以及以往利用蓋層和斷層巖排替壓力等于1 MPa所對時間作為蓋層和斷層巖封閉形成時間的不足。

3）該方法應用于渤海灣盆地南堡凹陷南堡2號構造F4斷裂，認為東二段泥巖蓋層封閉形成時間為距今25.8 Ma，內部斷層巖封閉形成時間為距今1.1 Ma，F4斷裂導致東二段泥巖蓋層封閉形成時間滯后程度為0.96，該值較大，不利于沙三段和沙一段烴源巖生成油氣在東二段砂巖儲層中聚集與保存，與目前南堡2號構造東二段現有勘探成果一致，表明該方法可適用于預測斷裂導致泥巖蓋層封閉形成時間滯后的程度。