斷層封閉性的定量評(píng)價(jià)方法

斷層封閉性的定量評(píng)價(jià)方法

油氣在運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。該缺陷有時(shí)用作氣壓運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，也有時(shí)用作覆蓋（陳發(fā)景，田世成，1989）。如果擾動(dòng)起到封閉的作用，可以防止油氣通過(guò)擾動(dòng)表面的運(yùn)動(dòng)，并防止油氣沿著斷裂表面的頂部運(yùn)動(dòng)。擾動(dòng)的密封度不僅控制了油氣的分布規(guī)律和勘探目的層，而且決定了包圍油氣區(qū)的重要性。在油氣勘探中，擾動(dòng)封閉性是影響水井流量影響的主要地質(zhì)因素。趙密福等人在油氣勘探和開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要作用。斷層封閉具備雙向性,即垂向封閉和側(cè)向封閉.所謂斷層垂向封閉性是指斷層在垂向上對(duì)斷層與垂向分布的各層系內(nèi)沿?cái)鄬用媲芯€方向順斷層運(yùn)移油氣的封閉作用(呂延防等,1996).根據(jù)斷層兩盤之間有無(wú)填充物、填充物成分及是否經(jīng)受過(guò)成巖改造等特征,可將斷層垂向封閉性形成機(jī)制劃分為2種形式(付曉飛等,1999):即斷層面緊閉封閉機(jī)理(呂延防等,1996;劉澤容等,1998;童亨茂,1998)和斷裂帶高排替壓力封閉機(jī)理(HardingandTuminas,1989;呂延防等,1996;付廣和楊勉,2002).斷層面緊閉封閉機(jī)理適用于斷層兩盤之間無(wú)斷裂填充物、以“面”接觸的斷層,因此,斷面所受應(yīng)力狀態(tài)是造成斷層垂向封閉性形成的主導(dǎo)因素.基于此,人們從地應(yīng)力角度出發(fā)結(jié)合巖石的變形特征去評(píng)價(jià)斷層垂向封閉性(Dewney,1984;陳發(fā)景和田世澄,1989;呂延防等,1996;劉澤容等,1998;童亨茂,1998;周新桂等,2000).斷裂帶高排替壓力封閉機(jī)理考慮了破碎帶的存在,許多學(xué)者從理論上作了有價(jià)值的探討(AntonelliniandAydin,1994;付廣和楊勉,2002),Kinpeetal.(1998)分析了斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封閉條件.本文從塑性斷層和脆性斷層斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征出發(fā),探討了破碎帶發(fā)育的斷層垂向封閉機(jī)理,針對(duì)破碎帶發(fā)育的斷層提出了垂向封閉性評(píng)價(jià)方法.1斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和擾動(dòng)垂直密封機(jī)制1.1斷層帶組成部分.斷層是地殼表層中巖石順破裂面發(fā)生明顯位移的構(gòu)造,當(dāng)巖石受力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)便開(kāi)始破裂,破裂之初出現(xiàn)微裂隙,呈羽狀展布,屬?gòu)埿?微裂隙逐漸發(fā)展聯(lián)合,形成明顯的破裂面(閻福禮等,1999),兩盤巖石順破裂面摩擦滑動(dòng)使巖層沿著一定方向相互擠壓剪切而形成破碎帶,與此同時(shí),斷層附近的圍巖應(yīng)力集中以及斷層兩盤相互作用力的影響產(chǎn)生的大量裂縫,常將巖石分割成扁菱形、三角形等塊體,形成誘導(dǎo)裂縫帶.因此,從宏觀上看斷層帶主要由2部分組成:破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶(圖1).1.1.1斷層巖機(jī)制及其作用由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),使巖層沿著一定方向相互擠壓剪切而形成破碎帶,破碎帶以斷層巖和伴生裂縫發(fā)育為主要特征.(1)斷層巖發(fā)育特征.斷層巖是在深部及淺部地殼的剪切位移帶中,至少可以被認(rèn)為是具有明顯的由過(guò)去的剪切過(guò)程所產(chǎn)生的組構(gòu)特征的巖石.Sibson(1977)以斷層巖的結(jié)構(gòu)特征為根據(jù),把斷層巖分為不具有線理和面理結(jié)構(gòu)的碎裂巖系列和具有線理和面理結(jié)構(gòu)的糜棱巖系列.碎裂巖系列為“彈性-摩擦”的產(chǎn)物,糜棱巖系列為“準(zhǔn)塑性”的產(chǎn)物.“彈性-摩擦”變形過(guò)程中使母巖產(chǎn)生脆性破壞、摩耗,斷層泥、斷層角礫巖、假玄武玻璃等所謂無(wú)結(jié)構(gòu)的斷層破壞的產(chǎn)物即是屬于這種機(jī)制產(chǎn)生的.“準(zhǔn)塑性”的變形過(guò)程,常會(huì)使晶體產(chǎn)生蠕變,并伴隨有重結(jié)晶作用和壓力溶解過(guò)程,糜棱巖系列的斷層巖即為這種機(jī)制所產(chǎn)生的.按著本利彥(1988)三段式地殼強(qiáng)度與斷層巖模式可知,從淺部到深部的斷層帶分為以破裂為主的彈性摩擦領(lǐng)域、以韌性變形為主的準(zhǔn)塑性領(lǐng)域以及介于韌性與脆性領(lǐng)域之間的中間過(guò)渡領(lǐng)域.從而決定斷層巖在垂向上分布具有分段特征,深部以糜棱巖系列為主,淺部以碎裂巖系列為主,過(guò)渡域產(chǎn)出S-C糜棱巖,同時(shí)伴生假玄武玻璃.Sibson(1977)根據(jù)斷層巖的固結(jié)和非固結(jié)的特征進(jìn)一步把斷層巖分為固結(jié)的和非固結(jié)的2個(gè)系列.固結(jié)的為糜棱巖和碎裂巖,非固結(jié)的為斷層泥和斷層角礫.這2種斷層巖構(gòu)成了破碎帶2個(gè)性質(zhì)截然不同的構(gòu)成帶:即有粘結(jié)力的斷層巖帶和無(wú)粘結(jié)力的斷層巖帶(圖1).(2)斷層帶內(nèi)部的變形及伴生裂縫發(fā)育特征.與斷裂相關(guān)的裂縫為斷裂的低級(jí)、低序次構(gòu)造,斷裂帶中以伴生裂縫為主.林愛(ài)明(1996)研究認(rèn)為,在以脆性破裂為主的環(huán)境下,從斷層帶整體來(lái)看,強(qiáng)烈變形的部分基本上集中于剪切面附近,這種變形集中帶常被人們叫做Riedel剪切面.如圖2所示,Riedel剪切面具有各種不同的形式.斷層帶內(nèi)部的最大壓應(yīng)力方向是與斷層帶成45°交角方向(圖2a的T方向).在這種應(yīng)力條件下,可以形成像R1、R2的剪切破裂面(斷層內(nèi)部的次級(jí)斷層)及張性破裂面T.但若在壓力高的條件下,就比較難產(chǎn)生張性破裂面T.由于R1、R2與斷層帶成斜交,所以沿這些剪切面的位移最終就要受到主斷層面的阻擋.因此,伴隨主斷層而產(chǎn)生的這些次級(jí)(二次)斷層的位移與主斷層的位移是不一致的,相對(duì)比較容易產(chǎn)生位移的是與斷層帶平行或者是低角度斜交的R1、Y和P剪切面;若位移量加大,最后這三者則互相連通起來(lái)(圖2b).裂縫發(fā)育提高了斷層的垂向滲透性,成為斷裂活動(dòng)時(shí)期油氣運(yùn)移的主要通道.斷層停止活動(dòng)后,這些優(yōu)勢(shì)裂隙開(kāi)啟的程度決定了斷層垂向封閉.1.1.2采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育斷裂附近則是誘導(dǎo)裂縫的發(fā)育部位(周新桂等,2003),一般來(lái)講,誘導(dǎo)裂縫主要分布于斷裂兩側(cè)有限區(qū)域或斷層末端應(yīng)力釋放區(qū)(武紅嶺和張利容,2002).該帶巖石沒(méi)有破碎,斷裂伴生的低級(jí)別及多次序裂隙發(fā)育,鏡下觀察,本帶巖石具碎裂結(jié)構(gòu),即保留了原來(lái)母巖的基本特征,僅被縱橫交錯(cuò)的裂隙切割,裂隙的性質(zhì)既有壓性的,也有扭性和壓性的(熊永旭等,1978).從宏觀上看與斷裂相關(guān)的裂縫分布受斷層展布規(guī)律的控制,其裂縫密度是巖性、斷層面的位移與斷層面的距離、埋藏深度和斷層類型等參數(shù)的分布函數(shù)(Nelson,1985).裂縫發(fā)育帶常常出現(xiàn)在斷裂的兩側(cè),主動(dòng)盤一側(cè)裂縫的密度大于被動(dòng)盤,有些斷裂被動(dòng)盤裂縫根本就不發(fā)育,在靠近主干斷層的部位構(gòu)造強(qiáng)度較大,裂隙的規(guī)模和密度也大,隨著遠(yuǎn)離斷裂中心的距離增大,裂縫的密度越來(lái)越小,最后完全消失.該帶寬度與斷層性質(zhì)、斷層規(guī)模和活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān).1.2斷層-斷裂雙裂斷裂帶影響斷裂伴生裂縫發(fā)育的因素很多,但在地殼淺部總體脆性環(huán)境下影響裂縫發(fā)育程度關(guān)鍵因素之一是巖石的塑性程度.在高塑性泥巖、鹽巖和膏巖巖層中斷裂表現(xiàn)為塑性斷層的特征,斷層以粘滑為主,應(yīng)力大部分消耗在斷層位移上,在圍巖中集中很少,集中在圍巖的應(yīng)力多使晶格錯(cuò)位產(chǎn)生塑性變形而不破裂,因此,斷裂誘導(dǎo)裂縫不發(fā)育.同時(shí)裂縫內(nèi)填充的多為軟的斷層泥.在這種巖層中斷裂帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為幾條充填斷層泥大裂縫的組合,不存在伴生裂縫帶(圖3),這種斷裂帶我們稱為塑性斷裂帶.因此一條斷裂同時(shí)穿越了脆性地層(儲(chǔ)層)和一套高塑性巖層(蓋層),其在這兩段地層內(nèi)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)就存在伴生裂縫帶發(fā)育程度、破碎物性質(zhì)的差異.這種差異性決定了斷裂在不同層段具有不同的垂向封閉機(jī)理.1.3斷裂帶內(nèi)油氣運(yùn)動(dòng)的可能通道和垂直關(guān)閉軸1.3.1斷層巖帶封閉型油氣運(yùn)移通道與油氣運(yùn)移通道的關(guān)系斷裂演化的不同階段輸導(dǎo)油氣的通道是不同的,破碎帶內(nèi)部伴生裂隙為斷裂活動(dòng)時(shí)期油氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道,斷層停止活動(dòng)后,這些裂隙能否封閉決定了斷層垂向封閉程度.斷裂靜止期有粘結(jié)力的斷層巖帶由于顆粒尺寸的減少和礦物沉淀作用使其與相鄰的原地巖性相比具有較低孔隙度和滲透率,同圍巖相比,孔隙度下降1個(gè)數(shù)量級(jí),滲透率下降3個(gè)數(shù)量級(jí),甚至低于6個(gè)數(shù)量級(jí)(焦大慶等,1998),該帶在斷裂靜止期為流體流動(dòng)的屏障.無(wú)粘結(jié)力的斷層巖帶膠結(jié)的程度低,能否具有很高的滲透性完全取決于斷層泥含量,如果大量斷層泥充填使其滲透率大大降低,該帶就是封閉的,相反可能成為油氣運(yùn)移的通道.斷裂靜止期誘導(dǎo)裂縫帶如果裂縫處于開(kāi)啟的狀態(tài),大量裂隙構(gòu)成裂隙網(wǎng),導(dǎo)致該帶擁有比破碎帶和未變形原地巖石更高的孔滲性,可成為油氣運(yùn)移的有效通道,煤礦突水和透水性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)了這一點(diǎn)(圖4).從斷裂帶內(nèi)部油氣運(yùn)移的可能通道來(lái)看,有粘結(jié)力的斷層巖帶具有特低孔滲的特征,是油氣垂向運(yùn)移的有利屏障.破碎帶內(nèi)優(yōu)勢(shì)裂縫、誘導(dǎo)裂縫帶和無(wú)粘結(jié)力的斷層巖帶都有可能保持一定的孔滲性,成為油氣垂向運(yùn)移的通道.因此,斷層垂向封閉的條件是破碎帶內(nèi)優(yōu)勢(shì)裂縫、誘導(dǎo)裂縫帶內(nèi)裂縫封閉,同時(shí)無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶填充大量斷層泥使孔滲性變得很低,這3個(gè)條件缺一不可.1.3.2垂直封閉法護(hù)理劑塑性地層內(nèi)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為幾條填充斷層泥的大裂縫組合,不存在誘導(dǎo)裂縫帶,因此,該類斷層封閉與否,關(guān)鍵是這幾條大的裂縫封閉與否.2該擾動(dòng)垂直封閉性影響因素分析2.1斷層面周邊壓力應(yīng)力要使斷層起封閉作用,最重要而且必要的條件是優(yōu)勢(shì)裂隙處于閉合狀態(tài).優(yōu)勢(shì)裂縫的閉合決定于2個(gè)因素:一是斷層面附近承受較大的壓應(yīng)力;二是斷層泥具有較低的強(qiáng)度,受力后能改變其形態(tài),將通道堵塞起來(lái).在破碎帶中斷層泥和破碎物質(zhì)普遍發(fā)育,具有較低的強(qiáng)度,當(dāng)斷層面正壓力大于斷層泥塑性強(qiáng)度時(shí),斷層泥變形就會(huì)將優(yōu)勢(shì)裂隙堵塞起來(lái).2.2斷層泥含量的影響無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶以發(fā)育斷層泥和斷層角礫為特征,從二者產(chǎn)出的形態(tài)看,基本有2種類型:即單純的斷層泥帶和角礫與斷層泥混雜帶.單純的斷層泥帶是由斷層反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩側(cè)巖石破碎和摩擦滑動(dòng)形成的,天然斷層泥的密度取決于埋藏深度.地表出露的斷層泥樣品密度為2.2g/cm3,類似于致密粘土,300m以下的為2.6～2.8g/cm3.斷層泥中無(wú)土壤和沉積層土中的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),顯得相當(dāng)致密,因而其滲透性很低(邵順妹,1994),不為油氣垂向運(yùn)移的通道.在混雜帶角礫之間膠結(jié)物極少,多為斷層泥充填,該帶滲透性好壞完全取決于斷層泥的含量,含量越高,滲透性越低,越不容易成為油氣運(yùn)移的通道;但究竟斷層泥含量達(dá)到多大時(shí)無(wú)粘結(jié)力的斷層巖帶能有效阻止油氣運(yùn)移還沒(méi)有準(zhǔn)確答案.為此利用模擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了在浮力為驅(qū)動(dòng)力、不同粒度石英砂為填充物的條件下無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶封閉油氣所需斷層泥含量的實(shí)驗(yàn)理論值,如表1所示.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)斷裂帶填充的顆粒尺寸在細(xì)砂級(jí)以上時(shí),隨著尺寸的增大封閉油和氣所需粘土含量越低.如果預(yù)測(cè)的無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶斷層泥含量(Rm)大于無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶中填入的顆粒封閉天然氣所需的泥質(zhì)含量的理論下限值(Rmx)(付曉飛等,2004),該帶能夠有效阻止油氣運(yùn)移,斷層封閉.2.3盆地內(nèi)裂縫封閉脆性地層斷裂誘導(dǎo)裂縫發(fā)育,提高了斷層垂向開(kāi)啟的可能性,野外觀察和煤田斷裂附近突水的現(xiàn)象證實(shí)了這種可能.裂縫是開(kāi)啟的還是封閉的,因該帶巖石并沒(méi)有破碎,斷面附近應(yīng)力狀態(tài)對(duì)裂縫封閉程度影響較小,主要取決于后期充填的情況.伴生裂縫能否被充填封閉取決于盆地有機(jī)質(zhì)熱演化程度、地下水成分、循環(huán)暢通程度及成巖環(huán)境.根據(jù)盆地內(nèi)區(qū)域性SiO2和碳酸鹽沉淀帶的分布理論模式結(jié)合具體盆地有機(jī)質(zhì)熱演化程度可以判斷裂縫是否被充填(張義綱,1991;張明利等,2004).處于多孔帶的斷層其伴生裂縫充填的可能性小,斷層垂向開(kāi)啟的可能性大;相反處于致密帶的裂縫多被充填失去連通性,斷層垂向封閉的可能性大.3錯(cuò)誤垂直封閉度評(píng)價(jià)方法和應(yīng)用3.1斷層巖帶斷層泥含量極限通過(guò)上述分析可以看出,脆性地層內(nèi)斷裂帶垂向封閉必須滿足3個(gè)條件:一是斷面所受正壓力超過(guò)斷層泥塑性變形強(qiáng)度極限,使斷層泥塑性變形,填塞破碎帶內(nèi)的優(yōu)勢(shì)裂縫;二是無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶斷層泥含量必須大于斷裂帶填充顆粒封閉天然氣所需的理論下限值,其低孔隙高排替壓力斷裂帶才能阻止油氣滲濾散失;三是伴生裂縫帶被后期成巖充填封閉.同時(shí)滿足上述3個(gè)條件的脆性斷裂帶是封閉的.塑性斷裂帶只要滿足第一個(gè)條件就是封閉的.具體評(píng)價(jià)過(guò)程如圖5所示.3.2不同巖性對(duì)斷裂結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)本文選取庫(kù)車坳陷克拉2構(gòu)造穿鹽斷裂F1為典型實(shí)例,深入剖析斷層垂向封閉評(píng)價(jià)方法的可行性.克拉2氣田位于塔里木盆地北部的庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶東段的一個(gè)局部構(gòu)造,是在雙重構(gòu)造背景下形成的斷彎褶皺,鉆井揭示地層從上至下為上第三系、下第三系和白堊系,上第三系出露地表并遭受強(qiáng)烈剝蝕,氣層分布在下第三系庫(kù)姆格列木組、白堊系巴什基奇克組和巴西蓋組(張明利等,2004),蓋層為下第三系巨厚的膏泥巖,蓋層品質(zhì)好.克拉2號(hào)構(gòu)造斷層組合為“入字型”散失斷裂與“反y字型”充注斷裂組合(圖7),從斷裂與圈閉的關(guān)系來(lái)看,只有穿鹽斷裂F1通過(guò)斷層F3與圈閉聯(lián)系(楊明慧等,2002),因此,該條斷層垂向封閉特征直接決定了氣藏的保存.從F1斷移地層來(lái)看,包括上第三系、下第三系、白堊系、侏羅系和三疊系,但在圈閉范圍以上只包括白堊系、下第三系和上第三系,這里只討論F1斷層在這三段地層內(nèi)現(xiàn)今的封閉性.不同巖性典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖6),結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)認(rèn)為鹽、膏巖的力學(xué)行為屬于軟弱層,在應(yīng)力作用下極易發(fā)生塑性變形,由此認(rèn)為下第三系由于大量鹽、膏巖的混入(圖6)而表現(xiàn)為塑性變形特征,其內(nèi)形成的斷裂具有塑性斷裂帶的結(jié)構(gòu)特征(圖3),而白堊系和上第三系以砂、泥為主要巖性,表現(xiàn)為脆性變形,其內(nèi)形成的斷裂具有脆性斷裂帶的結(jié)構(gòu)特征(圖1);因此,F1斷層按其斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的差異可以劃分為3段,每段的封閉程度存在差異(圖6).3.2.1不同斷面正壓力斷層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律下第三系泥巖塑性強(qiáng)度極限約為6MPa(斷層泥可能更低)(圖7),現(xiàn)今庫(kù)車坳陷最大主應(yīng)力隨著埋藏深度的增加而增加,斷面正壓力在斷面埋深100m時(shí)為6MPa,因此,斷層停止活動(dòng)(F1斷層主要活動(dòng)時(shí)期為庫(kù)車末期-西域期后),在斷面壓力的作用下斷層泥很快變形填塞破碎帶內(nèi)的優(yōu)勢(shì)裂隙,使其封閉.因此,這種優(yōu)勢(shì)裂隙現(xiàn)今是封閉的,這就決定了塑性斷裂帶(②段)是封閉的.3.2.2斷層泥含量門限值根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1)和對(duì)置兩盤巖性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖6),計(jì)算了①、③段脆性斷裂帶中無(wú)粘結(jié)力斷層巖帶封閉天然氣所需斷層泥含量門限值分別為48.8%、44.4%,根據(jù)斷距和斷移地層兩盤巖性預(yù)測(cè)的斷層泥含量為72.23%、45.6%,均大于理論的門限值,證實(shí)該帶也是封閉的(圖7).3.2.3段誘導(dǎo)裂縫沒(méi)有被后期方解石、二氧化碳充填誘導(dǎo)裂縫是否封閉取決于后期成巖充填的情況,根據(jù)庫(kù)車坳陷鏡質(zhì)體反射率隨深度演化關(guān)系曲線,利用張義綱(1991)提出的盆地內(nèi)區(qū)域性SiO2和碳酸鹽沉淀帶的分布模式,預(yù)測(cè)了3個(gè)致密帶發(fā)育