高孔隙度砂巖斷裂帶內部結構及側向封閉能力主控因素

薛永安，呂丁友，付曉飛，吳 奎，黃江波，孟令東，王海學

( 1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2. 東北石油大學 陸相頁巖油氣成藏及高效開發教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3. 東北石油大學 斷裂控藏重點實驗室，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

斷層封閉性一直是國內外油氣勘探的重要研究熱點，影響斷層的聚油能力，因此主要用于區帶和圈閉風險性評價，是油氣勘探、生產和油藏管理的重要基礎[1-5]。目前，已經認識到碎屑巖砂泥互層型地層層序中斷層側向封閉的本質是斷裂帶與母巖的滲透能力差[6]。通過野外露頭、巖心觀察描述和分析測試表明，斷層變形機制決定斷裂帶內部結構特征，進而影響斷層封閉類型及封閉能力[5,7-9]。斷層側向封閉類型主要分為四類：一是對接封閉[10-11]，提出應用Allan圖定量評價斷層封閉能力；二是泥巖涂抹封閉[12-16]，應用SSF定量預測斷層封閉滲漏風險；三是斷層巖封閉[3]，主要包括碎裂巖封閉、層狀硅酸鹽框架斷層巖封閉，斷層泥比率(SGR)是有效的斷層巖側向封閉能力評價方法[17]；四是膠結封閉[11]，仍未形成有效的評價技術。

近年來，油氣勘探實踐發現，位移很小(5～10 m)的斷層導致同層砂巖對接，但具有分隔油水的作用[18]，對于高孔隙性(孔隙度大于15%)巖石，主體以碎裂作用為主，形成典型的變形帶，降低巖石物性[7,19]，但不同母巖性質和作用條件下斷層封閉能力存在差異。

按照砂巖中黏土礦物質量分數，將高孔隙性砂巖分為純凈砂巖(黏土礦物質量分數小于15%)和不純凈砂巖(黏土礦物質量分數介于15%～40%)[6,20]。斷裂在不同類型高孔隙性砂巖中變形機制明顯不同，從而導致不同類型的斷裂帶內部結構差異。野外和取心井觀察描述表明：當高孔純凈砂巖處于固結成巖階段時，巖石在構造變形作用下以碎裂作用為主，導致顆粒破碎和孔隙坍塌，形成典型的“碎裂型”變形帶[8,21]；對于高孔隙性不純凈砂巖，由于砂巖泥質質量分數相對較高，受力變形時黏土礦物與碎屑發生混合作用，從而形成“層狀硅酸鹽型”變形帶[20-22]，屬于亞地震構造。不同類型的變形帶滲透率降低幅度不一樣，相較于母巖，變形帶滲透率普遍降低1～5個數量級[7]。野外斷裂帶觀察、過斷層取心井巖心描述和環形剪切試驗表明：變形帶型斷裂帶是高孔隙性砂巖斷裂剪切變形的重要產物，變形帶顆粒發生明顯破碎，顆粒粒徑減小，從而導致滲透率降低；這些現象在束鹿凹陷過斷層取心井和柴達木盆地油砂山野外逆沖構造被證實[7,19]。近年來，人們開始關注母巖地層泥質質量分數、有效正應力和位移等因素對斷層滲透性的影響[23-25]，但缺少系統性單一變量條件下斷裂帶形成演化及物性變化規律物理模擬研究，反映斷裂帶物性動態變化規律。

筆者以高孔隙性純凈砂巖為研究對象，應用高壓低速環形剪切實驗裝置，開展泥質質量分數、有效正應力和位移等單一因素系列性環形剪切實驗，結合鑄體薄片顯微觀察、覆壓孔隙度與滲透率測試及薄片粒徑數理統計等分析方法，探討不同因素對斷裂帶滲透性的影響，明確斷裂帶滲透性變化規律，為同層砂巖對接型斷層封閉能力評價提供支撐。

1 實驗設計

剪切實驗一直是巖石固結條件下正演斷層形成過程的方法，目前剪切實驗主要有環形剪切、直剪和三軸剪切3種類型。為了分析不同條件下斷層形成的斷層帶結構特征、滲透性變化規律及封閉性主控因素，采用研發的高壓低速環形剪切裝置開展物理模擬實驗(見圖1(a))。

1.1 過程

實驗樣品使用人造巖心，巖心的平均孔隙度為30.86%，平均滲透率為1 118×10-3μm2，為高孔隙度純凈砂巖。人造巖心由8個高度相等的90°扇形環樣品組成，整體表現為環形特征(見圖1(c))；通過垂向負載施加斷面有效正應力和環形轉動角度實現位移的變化(見圖1(b-d))，旋轉90°折合位移為90.3 mm。

圖1 環形剪切實驗裝置與模型示意Fig.1 Ring shear experimental apparatus and model diagram

1.2 方案

斷層滲透性決定斷層側向封閉能力，影響高孔隙度砂巖同層砂巖對接型斷層側向封閉能力主要有泥質質量分數、斷面正應力和斷距3個因素[26-28]?？紤]環形剪切實驗單一因素對實驗結果的影響，保證母巖礦物成分不變，分析泥質質量分數、斷面正應力、斷層位移3個主要因素，采用控制變量法開展3個系列15組單一因素環形剪切物理模擬實驗(見表1)，探討3個因素對同層砂巖對接型斷層側向封閉能力的影響。

表1 環形剪切物理模擬實驗參數設定

續表1

2 微觀結構與物性特征

2.1 斷裂帶微觀結構

野外觀察描述、過斷層取心井(見圖2)和高壓環形剪切實驗(見圖1)表明：高孔隙純凈砂巖以碎裂作用為主，斷裂帶具有典型二元結構，即斷層核和破碎帶[29-30]，且斷層核是決定斷層封閉能力的關鍵。基于高壓環形剪切實驗模擬斷裂帶形成，實驗前后的模型見圖1，實驗后對樣品取心操作，對實驗樣品薄片直觀觀察，并對母巖與斷裂帶的粒徑進行數理統計。通過控制位移的變化(其他因素不變)實驗結果可知，斷層活動初期，斷層核以發育碎裂型變形帶為主，隨斷層累積活動，碎裂程度明顯增強(見圖3)。由于壓實作用導致孔隙發生坍塌，粒度較小的碎屑和基質填充在孔隙中，導致孔隙性變差，是碎裂變形的直接證據(見圖3)，未考慮制作薄片時不同位移的變形帶走向差異。從微觀結構可知，小位移斷層斷裂帶內部結構發育滑動面和變形帶。由圖3可知，在剪切作用下，變形帶內顆粒沿剪切方向定向排列，顆粒發生旋轉、滾動和破碎。母巖與斷裂帶的粒徑數理統計表明，變形帶具有3個典型特征：(1)與母巖相比顆粒尺寸明顯較小。未變形母巖顆粒間存在明顯的孔隙，顆粒尺寸較大，一般為0.13～0.20 mm；碎裂作用導致斷裂帶內顆粒發生破碎，形成碎屑和基質，顆粒尺寸明顯減小，一般為0.01～0.06 mm(見圖4)，因此，碎裂作用是斷裂帶內顆粒粒徑減小的重要機制。(2)變形帶內顆粒具有定向性。母巖顆粒長軸具有多方位特征，變形帶內顆粒長軸整體表現為平行于剪切方向(見圖3)。(3)隨位移增大，破碎程度越強。從不同位移變形帶微觀結構可知，隨位移增大，顆粒破碎越明顯，顆粒尺寸減小程度越高(見圖3)。

圖2 高孔隙性純凈砂巖內斷裂伴生亞地震構造類型及特征(據文獻[7,19]修改) Fig.2 Subseismic structure types and characteristics associated with faults in high-porosity pure sandstone(modified by references[7,19])

圖3 不同位移條件下變形帶發育特征Fig.3 Development characteristics of deformation bands under different displacement conditions

2.2 孔隙度和滲透率變化規律

系列環形剪切實驗測試表明：顆粒碎裂的粒度減小及其定向規律排列方向決定斷層帶孔隙度和滲透率的降低，與斷裂帶的孔隙度和滲透率特征一致[6,22-23,25,31-36]。基于CT掃描和微觀孔滲性綜合分析，未變形母巖的孔隙度分布在25.0%～30.0%之間，平均約為27.5%，斷裂帶的孔隙度分布在7.0%～9.0%之間。由圖5可知，斷裂帶的孔隙度明顯低于母巖的孔隙度，平均降低約為19.5%(見圖5)。與未變形母巖相比，斷裂帶的滲透率也發生明顯降低，未變形母巖的滲透率為(260～860)×10-3μm2。斷裂帶滲透率普遍小于10×10-3μm2，普遍降低約2個數量級(見圖6)。環形剪切實驗測試孔滲結果與實際野外測試斷裂帶孔滲數據表明，高孔隙性砂巖內斷裂帶的孔隙度和滲透率明顯降低，導致斷層具有一定的封閉能力。

圖4 斷裂帶與母巖顆粒粒徑對比Fig.4 Comparison of particle size between fault zone and host rock

圖5 母巖與斷裂帶孔隙度差異對比Fig.5 Comparison of porosity differences betweenhost rock and fault zone

圖6 母巖滲透率與斷裂帶滲透率差異對比(據文獻[6,22-23,25,31-36]修改)Fig.6 Comparison of permeability difference between host rock and fault zone(modified by references[6,22-23,25,31-36])

3 主控因素

以物理模擬和分析測試為基礎，結合文獻[26-29]，影響高孔隙性砂巖斷層封閉能力主要有4個因素：(1)泥質質量分數；(2)斷層位移；(3)斷面正應力；(4)砂地比。由于考慮小位移走滑斷層的影響，主體易于形成同層砂巖對接封閉，因此，前3個因素是同層砂巖對接型斷層封閉能力的主要影響因素。斷裂帶滲透性是決定斷層封閉能力的關鍵，因此，主要探討不同影響因素與滲透率的關系，分析對封閉能力的控制作用。

3.1 泥質質量分數與斷裂帶滲透性的關系

為了探討不同泥質質量分數對斷裂帶滲透性變化的影響，固定位移和有效正應力條件，設計5個系列(泥質質量分數：5%、10%、15%、20%、25%)5組環形剪切實驗。由實驗樣品滲透性測試結果(見圖7)可知：隨泥質質量分數增加，斷裂帶滲透性具有逐漸降低的趨勢，滲透率從8×10-3μm2降低到2×10-3μm2。因此，泥質質量分數對斷層滲透性具有一定影響，但相同地層泥質質量分數變化不大的條件下，滲透率降低程度較小，從而導致斷層側向封閉能力影響較弱[37]。

圖7 不同泥質質量分數與斷裂帶滲透率的關系Fig.7 Relationship between different shale contentand fault permeability

3.2 剪切位移與斷裂帶滲透性的關系

為分析剪切位移對斷裂帶滲透性的影響，固定泥質質量分數和斷面正應力條件，開展不同位移條件下環形剪切實驗并測試滲透率。由純凈砂巖環形剪切實驗結果(見圖8)可知：在斷層變形的初期階段，隨剪切位移增加，斷裂帶滲透率表現為逐漸降低趨勢，但當達到一定的位移(約為15 cm)條件下，斷裂帶滲透率普遍趨于平穩，即斷裂帶滲透率達到相應斷面正應力條件下的最低值。與母巖相比，斷層巖整體滲透率下降2～3個數量級(見圖8)，降低程度較大。因此，當低于臨界位移條件時，斷裂帶滲透率隨位移增加而降低，剪切位移是影響斷層側向封閉能力的主控因素之一；當超過臨界位移條件時，斷裂帶滲透率基本不再變化，剪切位移對斷層側向封閉能力沒有直接影響。

圖8 剪切位移與斷裂帶滲透率的關系Fig.8 Relationship between displacement and fault permeability

圖9 斷面正應力與斷裂帶滲透率的關系 Fig.9 Relationship between effective normal stress and fault permeability

3.3 斷面正應力與斷裂帶滲透性的關系

不同斷面正應力條件下環形剪切實驗測試證實，相同位移條件下，斷面正應力越大，斷層滲透率越低，二者表現為負相關關系，導致斷層側向封閉能力增強。結合不同斷面正應力斷裂帶滲透性測試，斷裂帶滲透率與有效正應力表現明顯的負相關關系，隨斷面正應力增加，斷裂帶滲透率明顯降低(見圖9)，代表斷層的側向封閉能力越強；因此，斷面正應力是影響斷層側向封閉能力的重要因素之一，斷面正應力越大，斷層側向封閉能力越強。

泥質質量分數、斷面正應力和剪切位移與斷裂帶滲透率表現為負相關關系，斷裂帶滲透性是斷層側向封閉能力的直接反映，因此，泥質質量分數、斷面正應力和剪切位移共同決定同層砂巖對接型斷層的側向封閉能力。

4 結論

(1)高孔隙性砂巖以碎裂變形機制為主，形成典型的碎裂結構(變形帶)，與母巖相比，斷裂帶顆粒粒徑明顯降低；斷裂帶滲透率相較于母巖的滲透率明顯降低，最大可降低2～3個數量級，是同層砂巖對接斷層封閉的根本機制。

(2)泥質質量分數、斷面正應力和剪切位移共同決定同層砂巖對接型斷層的側向封閉能力。其他條件不變，隨剪切位移增加，初期斷裂帶滲透性明顯降低，當達到一定位移條件下，斷裂帶滲透性逐漸平穩，甚至不再變化；隨斷面正應力增大，斷裂帶滲透性明顯降低，整體呈線性關系；泥質質量分數越大，斷裂帶滲透性逐漸越低，最終趨于平穩變化。