油氣勘探構(gòu)造：斷層封閉理論及應(yīng)用

1、2022/9/141斷層封閉理論及應(yīng)用Fault seal theory and its applicationChina University of Geosciences一、斷層封閉研究意義及現(xiàn)狀二、斷層封閉機(jī)理三、斷層封閉性研究方法四、斷層封閉性研究實例2022/9/142China University of Geosciences斷層兩種作用?封閉（Seal）？輸導(dǎo)（Transport）？2022/9/143克拉2構(gòu)造克拉2構(gòu)造總發(fā)育6條逆斷裂，斷裂的擬和相態(tài)為“人”字型和“入”字型。除F5和F6斷裂外，其他4條斷裂均斷穿儲層與原巖層，并向上終止于下第三系膏泥巖層中，只有F1斷裂斷穿

2、老第三系膏泥巖之中。F1斷裂上部及F6斷裂屬于蓋層內(nèi)滑脫斷裂。 克拉2氣田的氣源為來自中上三疊統(tǒng)，中下侏羅統(tǒng)的暗色泥巖，儲集層為下白堊統(tǒng)巴什基奇克組和下第三系底砂巖，蓋層為下第三系泥巖、膏泥巖和巖鹽。 China University of Geosciences2022/9/144斷裂輸導(dǎo)實驗（據(jù)呂延防，2006）模型裝載完畢后，開始注人氨氣，打開排氣閥氨氣沿底部石英砂層平行推進(jìn)關(guān)閉排氣閥，向上同時抽提各膠皮至要求部位氨氣在壓力差作用下迅速沿斷裂空腔向上運(yùn)移氨氣順著斷裂臨近砂體發(fā)生側(cè)向運(yùn)移最后，氨氣充注到克拉2構(gòu)造圈閉中China University of Geosciences2022/

3、9/145 斷層既作為油氣運(yùn)移的重要輸導(dǎo)通道，也作為油氣聚集的重要遮擋條件，其在油氣運(yùn)移和聚集過程中，這兩種不同性質(zhì)作用的決定因素是斷層本身的封閉性，斷層開啟時起輸導(dǎo)通道作用，斷層封閉時起遮擋油氣作用。同一條斷層在其發(fā)育的全過程中，可能要經(jīng)歷多期開啟與封閉過程，準(zhǔn)確認(rèn)識斷層封閉與開啟性及其發(fā)育歷史，有助于正確認(rèn)識油氣運(yùn)移、聚集、散失過程及油氣現(xiàn)今分布規(guī)律。因此，自上個世紀(jì)60年代初期，Smith發(fā)表的第一篇關(guān)于斷層封閉性研究的文章以后，已有眾多研究者對此進(jìn)行過深入研究，并取得了許多重要研究成果。一、斷層封閉性研究的意義及研究現(xiàn)狀China University of Geosciences20

4、22/9/146斷層與油氣運(yùn)移關(guān)系的研究開始于上世紀(jì)60年代 Smith, D. A., 1966, Theoretical consideration of sealing and nonsealing faults: AAPG Bulletin, v. 50, p. 363374.Smith, D. A., 1980, Sealing and non-sealing faults in Louisiana Gulf Coast salt basin: AAPG Bulletin, v. 64, p. 145 172.China University of Geosciences2022/9

5、/1471978年，K.J.Weber等人利用環(huán)形剪切實驗裝置來模擬斷層泥的形成，證實了在剪應(yīng)力作用下的塑性地層可以形成斷層泥，他同時也對所產(chǎn)生的斷層泥的進(jìn)行了封閉性能測試，確認(rèn)斷層泥可對流體起遮擋作用,但未給予定量描述。China University of Geosciences2022/9/148 1984年，M.W.Dewney通過對斷層的封閉機(jī)理研究指出，斷層封閉具有雙向性，即頂部封閉（后人稱之為垂向封閉）和側(cè)向封閉，且由于兩個方向上封閉性質(zhì)的差異，導(dǎo)致對油氣保存和破壞作用大不相同。China University of Geosciences2022/9/149Allan, U.

6、S., 1989, Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures: AAPG Bulletin, v. 73, p. 803811.Anderson,R.N., 1994, Gulf of Mexico growth fault drilled, seen as oil, gas migration pathway, Oil & gas Journal, June 6, 97-104Knipe,R.J., 1997, Juxtaposition and seal diagrams to help

7、 analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs, AAPG, v.81, n.2, p187-195Yielding,G., 1997, Quantitative fault seal prediction, AAPG, v.81, n.6, p897-917Alexander,L.L., 1998, Fluid flow in a faulted reservoir system: fault trap analysis for the Block 330 field in Eugene island, south addition, Offsh

8、ore Louisiana, AAPG, v.82, n.3, p387-411China University of Geosciences2022/9/1410 Losh,S., 1998, Oil migration in a major growth fault: structural analysis of the pathfinder core, south Eugene island Block 330, Offshore Louisiana, AAPG, v.82, n.9, p1694-1710 Losh,S., 1999, Vertical and lateral flui

9、d flow related to a large growth fault, South Eugene Island Block 330 field, Offshore Louisiana, AAPG, v.83, n.2, p244-276 G. Jones、Q.J. Fisher和R.J. Knipe (1998) 著Faulting , Fault sealing and Fluid Flow in Hydrocarbon Reservoirs 呂延防等編著斷層封閉性研究（2002），石油工業(yè)出版社 AAPG Theme Issue Fault Sealing(2003,87-3).

10、AAPG Memoir（2005，85）Faults, fluid flow, and petroleum traps China University of Geosciences2022/9/1411China University of Geosciences研究歷史2022/9/1412二、斷層封閉機(jī)理斷層封閉程度主要取決于斷層帶物質(zhì)及其兩側(cè)巖石的封閉能力，主要由薄膜封閉實現(xiàn)的 ，其本質(zhì)取決于差異排替壓力（Smith，1966，1998） China University of Geosciences2022/9/1413側(cè)向封閉垂向封閉斷 層 封 閉China University

11、of Geosciences2022/9/1414 所謂斷層側(cè)向封閉性是指斷層在側(cè)向上沿斷層面法線方向穿過斷層面運(yùn)移油氣的封閉能力。斷層側(cè)向封閉機(jī)理分為以下三種形式： 1） 砂泥對接封閉機(jī)理 2） 斷裂帶高排替壓力封閉機(jī)理 3） 泥巖涂抹形成的側(cè)向封閉機(jī)理斷層側(cè)向封閉機(jī)理China University of Geosciences2022/9/1415 當(dāng)斷層兩盤巖層以“面”接觸時，斷層能否形成側(cè)向封閉主要取決于斷層兩側(cè)對接巖層排替壓力的相對大小。1） 砂泥對接封閉機(jī)理China University of Geosciences2022/9/14162） 斷裂帶高排替壓力封閉機(jī)理 當(dāng)斷層兩

12、盤為“帶”接觸時，盡管斷層兩盤為砂砂接觸，盡管對置盤砂巖的排替壓力低于油氣運(yùn)移盤巖層的排替壓力，如果斷裂帶的排替壓力大于油氣運(yùn)移盤巖層的排替壓力，斷裂帶就能阻止油氣的側(cè)向運(yùn)移，斷層具側(cè)向封閉性。China University of Geosciences2022/9/1417(1)泥質(zhì)填充封閉(2)后期成巖封閉 依據(jù)斷裂帶物質(zhì)形成高排替壓力的原因此種封閉作用又可分為以下兩種形式。China University of Geosciences2022/9/1418成因： 由于同生斷層在活動過程中，由于構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖層重量的作用，斷層兩盤的未固結(jié)或半固結(jié)的泥巖層被削截、擠壓進(jìn)入斷裂空隙，在斷層

13、兩盤削截砂巖層上形成的一薄泥質(zhì)巖層。3） 泥巖涂抹形成的側(cè)向封閉機(jī)理China University of Geosciences2022/9/1419泥巖涂抹（smear）China University of Geosciences2022/9/1420涂抹層的分類 泥巖涂抹層分布廣泛，厚度展布較均勻，是遮擋油氣的良好隔層。 涂抹層的厚度通常隨著與原泥巖層距離的增加而減小，在上下盤對應(yīng)層的中間位置達(dá)到最薄。a 剪切型：主要發(fā)生在斷距相對較大，斷層傾角較緩，斷面較光滑的斷層處。China University of Geosciences2022/9/1421b 削截型：是砂巖滑過涂抹層后，

14、削截作用所形成的泥頁巖薄層。斷距逐漸增大，涂抹層本身也逐漸被削蝕掉。這種類型一般發(fā)育在砂巖剛性較強(qiáng)的斷層中。China University of Geosciences2022/9/1422c 填塞型：涂抹層對砂巖中裂縫及孔隙的局部充填，有學(xué)者稱為侵入型涂抹。China University of Geosciences2022/9/1423泥巖涂抹（smear）China University of Geosciences2022/9/1424（3）涂抹層的分布 涂抹層在空間上的分布并不是理想規(guī)則，主要受泥巖厚度、斷距、主應(yīng)力、斷面粗糙程度的影響。一般情況下，斷層帶中涂抹層拖拽越遠(yuǎn)，其厚度

15、越??；斷層帶空間較大，易發(fā)育較厚涂抹層，反之，發(fā)育較薄涂抹層，甚至不發(fā)育。China University of Geosciences2022/9/1425 由于泥巖涂抹層在形成過程中受到較大的剪應(yīng)力與地重力的共同作用，使其孔滲性明顯低于相應(yīng)深度的泥巖層的孔滲性，故具有較高的排替壓力，可形成對目的層的側(cè)向封閉，且只要存在泥巖涂抹，這種側(cè)向封閉油氣不存在任何問題，故這種側(cè)向封閉作用主要取決于其空間分布的連續(xù)性，其空間分布的連續(xù)性越好，泥巖涂抹的側(cè)向封閉性越好，反之則越差。China University of Geosciences2022/9/14262、斷層垂向封閉機(jī)理1） 斷層面緊閉封閉

16、機(jī)理 這種封閉機(jī)制的形成所需要的地質(zhì)條件是斷層兩盤之間無斷裂填充物，斷層兩盤之間以“面”接觸。在這種情況下，斷層面主要是依靠上覆巖層重力或區(qū)域主壓應(yīng)力使其發(fā)生緊閉。然而，由于斷層面的凸凹起伏，仍會遺留滲漏空間，通常在斷層緩角處緊閉，陡角處開啟造成油氣滲濾散失。因此，僅僅依靠斷層面所受到的壓力，還不能使斷層對油氣在垂向上形成完全封閉，還必須借助于泥巖的塑性流動，來堵塞斷層緊閉后遺留下來的滲漏空間。China University of Geosciences2022/9/1427 大量實驗結(jié)果(魯兵等，1996)表明，斷層面緊閉處地層多為巖性較軟的泥質(zhì)巖層，硬度低，塑性強(qiáng)，尤其是當(dāng)其所受壓力超過

17、泥巖塑性變形所需要的最小壓力(據(jù)李德發(fā)等1991年對川西坳陷上三疊統(tǒng)泥巖的高壓實驗研究證明，其所抗最大壓力不超過5MPa)時，泥巖便發(fā)生塑性變形向滲漏空間流動，堵塞斷層面緊閉后所遺留的滲漏空間，使其愈合起來，在垂向上形成對油氣的封閉作用。否則，斷層在垂向上難以形成封閉。China University of Geosciences2022/9/14282） 斷裂帶排替壓力差封閉機(jī)理 指斷層兩盤之間存在斷裂充填物，斷層兩盤呈帶接觸。 （1） 泥質(zhì)填充封閉機(jī)理（2） 后期成巖封閉機(jī)理 China University of Geosciences2022/9/1429儲層段與蓋層段內(nèi)油氣運(yùn)移方向示

18、意圖 儲層段內(nèi)應(yīng)研究斷層的側(cè)向封閉性，蓋層段內(nèi)應(yīng)研究斷層的垂向封閉性。斷層封閉性研究的層段差別China University of Geosciences2022/9/1430斷層封閉性影響因素China University of Geosciences定性判斷封閉性2022/9/1431China University of Geosciences2022/9/1432三、兩大研究方法：two important methods for the research 巖性對接Allan圖解（juxtaposition） 粘土涂抹（smear）China University of Geosc

19、iences2022/9/1433Allan, U. S., 1989, Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures: AAPG Bulletin, v. 73, p. 803811.Allan 假設(shè)斷層本身沒有封閉能力斷層也不是開啟的通道圈閉和運(yùn)移取決于斷層兩側(cè)對接的巖性China University of Geosciences2022/9/1434（a）砂巖/泥巖 圈閉（b）砂巖/砂巖 側(cè)向運(yùn)移1）巖性對接（juxtaposition）China University of Geosc

20、iences2022/9/1435 斷層側(cè)向封閉性評價的Allen圖解Allans hypothesis and Allan fault-plane section（1989） China University of Geosciences2022/9/1436China University of GeosciencesAllan斷面圖編制方法針對研究斷層，垂直斷層走向選擇若干條剖面（3）；根據(jù)鉆井資料進(jìn)行地層劃分，作斷層剖面圖；將每條剖面所揭示的斷層兩盤地層投影到斷層面上，連接頂?shù)捉缑纥c即可2022/9/1437Allan 假設(shè)和Allan圖（斷面圖）問題： 未考慮斷層帶本身的封閉性？ 過

21、渡巖性對接的封閉能力？China University of Geosciences2022/9/1438China University of Geosciences兩盤大多以斷層帶接觸2022/9/1439斷層帶立體示意圖2022/9/1440（據(jù)趙密福等，2006）China University of Geosciences2022/9/14412、泥巖涂抹（smear）2022/9/1442Bouvier(1989)在研究尼日爾三角洲時,提出“泥巖玷污潛力CSP(Clay Smear Potential)”,表示沿斷面某點某泥巖層被涂抹的相對量值,其值隨泥巖厚度或泥巖層數(shù)的增加呈正相

22、關(guān)關(guān)系,隨斷距的增大呈相反關(guān)系。CSP適用于斷面剪切型的涂抹 China University of Geosciences2022/9/1443Lindsay(1993)提出了“泥巖涂抹因素SSF(Shale Smear Factor)”,提出斷層的斷距越大,斷開泥巖的厚度越小,泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越差;斷層的斷距越小,斷開泥巖的厚度越大,泥巖涂抹層在空間上的連續(xù)性越好。SSF與源巖層的厚度、層數(shù)成反比,而與斷距成正比。SSF適用于壓入型的涂抹 China University of Geosciences2022/9/1444Yielding(1997)等提出了“斷層泥比率SGR(S

23、hale Gouge Ratio)”,對于砂泥巖層序,用斷面中各泥巖層的厚度之和與斷距之比SGR來評價斷面的封閉性,其方法比較實用簡單。 Yielding, G., B. Freeman, and D. T. Needham, 1997, Quantitativefault seal prediction: AAPG Bulletin, v. 81, p. 897 917.China University of Geosciences2022/9/1445斷層泥比率（SGR）定量分析斷層封閉性的步驟根據(jù)測井分析確定地層砂泥成分；根據(jù)公式計算斷裂帶SGR值；根據(jù)盆地已知封閉和泄漏斷層的SGR值，

24、確定SGR門限值(2530%)；根據(jù)門限值標(biāo)準(zhǔn)判斷斷層封閉性China University of Geosciences2022/9/1446 大張坨斷層斷面上SGR的分布特征China University of Geosciences2022/9/1447China University of Geosciences粘土涂抹（smear）問題： 僅適用于斷開的砂/泥層序，碳酸鹽巖？ SGR門限值的確定？ 逆沖斷層或走滑斷層？2022/9/1448據(jù)Roald B et al, 20072022/9/1449目前，國內(nèi)外常規(guī)的斷層封閉性分析：將斷面圖（Allan圖）和SGR的分析作為一個整

25、體來考慮編制斷面（Allan）圖；計算斷層砂泥比；編制斷層砂泥比圖；確定斷層砂泥比門限值；綜合判斷斷層封閉性分析步驟China University of Geosciences2022/9/1450主參數(shù)斷層封閉性評價巖性配置關(guān)系（確定性參數(shù)）泥巖涂抹指數(shù)（相對性參數(shù)）封堵層的排替壓力斷面埋深斷面壓應(yīng)力斷距單層砂巖厚度斷層活動期所處的成巖階段斷面傾角相關(guān)參數(shù)China University of Geosciences2022/9/1451研究實例A new process-based methodology for analysis of shale smear along normal

26、faults in the Niger Delta砂泥對接與泥巖涂抹結(jié)合2022/9/1452China University of Geosciences2022/9/1453China University of Geosciences2022/9/1454China University of Geosciences2022/9/14552022/9/1456China University of Geosciences2022/9/1457基本原理應(yīng)用三維地震、測井資料并結(jié)合正斷層分段模型，確定斷層幾何形狀，評價涂抹泥巖的性質(zhì)，最終建立一個真實的并置圖，進(jìn)行斷層封閉性分析。分析過程利用

27、正斷層分段模式，在三維地震剖面中進(jìn)行斷層幾何形狀的精確解釋，主要是對斷層進(jìn)行分段以及識別張性斷層的斷裂疊復(fù)過渡帶（extensional relay）。構(gòu)建斷裂帶和斷裂巖結(jié)構(gòu)：根據(jù)一些規(guī)則，可在剖面中對斷裂帶和斷裂帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的識別。利用測井?dāng)?shù)據(jù)來識別和繪出沿著斷層以及橫穿斷層的儲層和非儲層地層。依據(jù)橫穿斷層的泥巖涂抹繪出斷裂巖的分布，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建包括斷裂巖在內(nèi)的并置圖。利用該真實的并置圖進(jìn)行斷層封閉性分析。適用條件高品質(zhì)三維地震資料地區(qū)，利用斷層分段模式可在剖面上識別出斷層段以及斷裂疊復(fù)過渡帶，才能進(jìn)一步確定泥巖涂抹及斷裂巖的分布。China University of Geoscien

28、ces2022/9/1458其它方法1、斷面正應(yīng)力分析2、流體地球化學(xué)證據(jù)3、溫、壓系統(tǒng)分析4、模糊數(shù)學(xué)綜合分析China University of Geosciences2022/9/1459斷面正應(yīng)力越大，斷面的緊閉程度越好，封閉性越強(qiáng)。而對于斷面正應(yīng)力的計算應(yīng)考慮最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、重力及流體壓力的綜合效應(yīng)。斷面正應(yīng)力大于孔隙壓力，是斷層封閉的一個重要前提，當(dāng)具備這個條件時，斷面應(yīng)是閉合的，否則斷面將開啟，不具封閉性。斷面正應(yīng)力China University of Geosciences2022/9/1460流體地球化學(xué)證據(jù)China University of Geoscien

29、ces2022/9/1461斷層兩側(cè)若無巖性、物性的橫向劇變，且不屬于同一個壓力系統(tǒng)，那么斷層應(yīng)是封閉的。另外，干擾試井法、示蹤劑法及油水井生產(chǎn)動態(tài)分析法等也對斷層封閉性研究有重要意義。China University of Geosciences2022/9/14622022/9/1463 主要考慮以下幾種因素：（1）斷層兩側(cè)的巖性配置關(guān)系（s1）（2）斷層的力學(xué)性質(zhì)（v2）（3）斷層泥的分布(SSF封堵指數(shù))（v3）（4）巖層產(chǎn)狀配置關(guān)系（v4）（5）封堵層泥巖百分含量（v5）（6）斷層面所承受的壓應(yīng)力分量（v6）（7）斷層活動期與油氣運(yùn)移期配置（v7）（8）斷距（v8）模糊綜合評價China University of Geosciences2022/9/14642022/9/1465China University of Geosciences2022/9/14662022/9/14672022/9/1468FAPS工作流程建立斷面模型做巖性并置輸入已知井巖性剖面輸入已知井泥質(zhì)含量壓力數(shù)據(jù)計算SGR、SSF做交匯圖綜合地質(zhì)分析解釋2022/9/1469China University of Geo