0 前言
随着油气勘探的深入,人们已发现含油气盆地内油气分布与断裂关系十分密切,通常情况下油气沿着断裂分布,这已是许多含油气盆地油气分布的规律。然而,由于断裂产状与地层产状之间配置关系的不同,造成油气在于反向断裂垂直于断层方向断层岩排替压力大于顺向断裂附近的聚集与分布特征也明显不同,反向断裂下盘油气的聚集与分布明显优于顺向断裂上盘的油气聚集与分布,尤其是在含油气盆地源外斜坡区这种油气分布规律更为明显。为什么反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气富集?造成这一现象的机理是什么?能否正确认识这一问题是指导含油气盆地断裂发育区油气勘探的关键。关于反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气更富集的研究,前人曾做过大量研究和探讨,但这些研究归纳起来主要有2种观点:第一种观点是通过断层两盘砂泥对接是否形成侧向封闭来解释反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气,认为反向断裂下盘砂体易与上盘下降泥岩层对接形成侧向封闭,使油气在反向断裂下盘砂体中聚集成藏,如图 1a所示。而顺向断裂上盘砂体不易与下盘上升泥岩层对接形成侧向封闭,不利于油气在顺向断裂上盘砂体中聚集成藏[1-6],如图 1b所示。另一种观点是通过反向断裂和顺向断裂断裂带内部结构发育及分布特征的差异性来解释反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气的。认为断裂带内部通常由内部滑动破碎带和两侧的诱导裂缝带组成的,滑动破碎带由于断层泥发育,使其孔渗性降低,难以成为油气运移的输导通道。而两侧诱导裂缝带,多级次的裂缝发育,孔渗性高,是油气运移的主要输导通道[7]。然而,无论是反向还是顺向断裂,其都处于倾斜状态,通常情况下断裂上盘在其活动过程中是主动盘,诱导裂缝相对发育;而断裂下盘在其活动过程中是被动盘,诱导裂缝相对不发育。由此不难看出,与反向断裂下盘砂体对接的下盘诱导裂缝带不发育,主要是滑动破碎带与下盘砂体直接对接,侧向封闭性相对较好,有利于油气在反向断裂下盘砂体中聚集与分布,如图 2a所示。而与顺向断裂上盘砂体对接的是上盘诱导裂缝带,侧向封闭性相对不好,不利于油气在顺向断裂上盘砂体中聚集与分布[6-12],如图 2b所示。这2种观点在一定程度上都解释了为什么反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气更富集。然而,这2种观点除了是定性研究外,而且均存在着缺欠。第一种观点是将断裂两盘看成是以“面”接触,这是不符合断裂的内部实际结构的[13-18],大量的野外观察结果和油气钻探揭示,断层两盘并非以“面”接触,而是以“带”(或断层岩) 接触的。断裂侧向上能否形成封闭不取决于两盘砂泥是否对接,而应取决于断层岩是否具有封闭能力[13]。第二种观点是认为断裂下盘诱导裂缝带不发育,而实际上断裂下盘诱导裂缝带是否发育,还要受到地层岩性的影响,如果脆性岩石发育,下盘诱导裂缝带也会发育。由此看出,这两种观点均存在着不足,不能较合理地解释反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气更富集油气,不利于断裂发育区油气分布规律的正确认识。因此,开展反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气富集机理的定量解释研究,对于正确认识油气分布规律和指导含油气盆地断裂发育区油气勘探具有重要意义。
1 反向和顺向断裂侧向封闭油气机理及其主要影响因素不管是反向断裂还是顺向断裂,其之所以可以在侧向上封闭油气,是由于油气运移盘储层岩石与其对接的断层岩之间在油气运移方向上存在着排替压力差,如果油气运移方向断层岩排替压力(pfc) 大于或等于油气运移盘储层岩石排替压力(psc),断层侧向封闭,如图 3a所示;相反,如果油气运移方向断层岩排替压力小于油气运移盘岩石排替压力,断层侧向开启,如图 3b所示。由此看出,不管是反向断裂还是顺向断裂,在油气运移盘储层岩石岩性和断裂倾角、埋深相同的条件下,影响反向断裂和顺向断裂侧向上是否封闭的主要影响因素是油气运移方向断层岩排替压力的相对大小。
2 反向和顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力确定及理论上大小比较由于受钻井取心的限制,通常情况下利用直接测试断层岩排替压力来研究反向和顺向断裂侧向封闭能力的相对强弱是不可能的。因此,只能利用实测断层围岩排替压力来间接地研究反向断裂和顺向断裂断层岩排替压力。
如果将断裂视为后期活动形成的一个沿断层面倾置于沉积岩地层之间由断层岩构成的地层,那么就可按照围岩实测排替压力与其埋深、泥质体积分数之间的经验关系式(式(1))[19]来研究垂直于断层方向断层岩排替压力,只要确定出断层岩的压实成岩埋深和泥质体积分数,便可以求出垂直于断层方向断层岩排替压力。
式中:pd为围岩垂直于岩层层面方向排替压力,MPa;Z为围岩埋深,m;R为围岩中泥质体积分数;a,b为与地区有关的常数。
断层岩的压实成岩埋深是其压实成岩程度的反映,主要受到压实成岩压力和压实成岩作用时间的影响。可按照文献[19]中断层岩压实成岩埋深的预测方法(式(2)),利用断层岩现今埋深、倾角、停止活动时间、与其具有相同埋深围岩压实成岩时间便可以计算得到断层岩的压实成岩埋深。
式中:Z′f为断层岩压实成岩埋深,m;Z′f为断层岩现今埋深,m;Tf为断层岩压实成岩作用时间,Ma;Tw为与断层岩具有相同埋深围岩的压实成岩作用时间,Ma;θ为断裂倾角,(°);ρr为沉积岩平均密度,g/cm3;ρw为地层水密度,g/cm3。
断层岩的泥质主要来自被断裂错开的两盘地层岩石,其均匀地分布在断层岩中。然而,在断层倾角、断距、埋深及围岩地层岩性相同的条件下,反向断裂和顺向断裂两盘被错断对置的地层岩性特征不同,因此造成其断层岩中的泥质体积分数也不同。由图 4中反向断裂和顺向断裂两盘地层岩性的对置关系,在假设断层两盘目的层未被完全错开,断层岩中泥质成分仅来自断层两盘被错断的泥岩地层和进入断层岩中的泥质成分均匀分布的条件下,由图 4中断层两盘地层岩性、厚度和断裂断距可以推导得到反向断裂断层岩泥质体积分数(Rf) 为
式中:Hc为盖层厚度,m;Hs为储层厚度,m。
同理由图 4中顺向断裂两盘地层岩性、厚度和断裂断距可以推导得到顺向断裂断层岩泥质体积分数(Rs) 为
式中,L为断裂断距,m。
由于断层两盘目的储层未被完全错开(图 4),断裂断距小于盖层厚度,因此可以得到在断裂倾角、埋深和地层岩性相同的条件下,反向断裂断层岩泥质体积分数Rf应大于顺向断裂断层岩泥质体积分数Rs。又由于相同条件下反向断裂和顺向断裂断层岩压实成岩埋深相同,由式(1) 便可以得到,反向断裂垂直于断层方向断层岩排替压力应大于顺向断裂垂直于断层方向断层岩排替压力。
由于断层岩的产状不同,其不同方向所受到沉积载荷作用力的大小也就不同,其压实成岩程度也不同,造成断层岩不同方向排替压力大小也不相同。通常情况下垂直方向断层岩所受到的上覆沉积载荷作用力最大,压实成岩程度最高,排替压力pft应最大。而水平方向断层岩所受到的上覆沉积载荷作用力最小,压实成岩程度最低,排替压力应最小,其他方向断层岩所受到的上覆沉积载荷作用力的大小应介于垂直方向和水平方向之间,即排替压力也应介于垂直方向与水平方向之间。由图 5中反向断裂与顺向断裂垂直断裂方向断层岩排替压力与油气运移方向断层岩排替压力之间关系,可以得到反向断裂和顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力大小分别为
式中:pfc为反向断裂油气运移方向断层岩排替压力,MPa;p′fc为顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力,MPa; pfv为反向断裂垂直断层方向断层岩排替压力,MPa;p′fv为顺向断裂垂直断层方向断层岩排替压力,MPa;α为储层倾角,(°)。
由式(5) 和式(6) 中可以看出,由于反向断裂垂直于断层方向断层岩排替压力大于顺向断裂垂直于断层方向断层岩排替压力,所以反向断裂油气运移方向断层岩排替压力也大于顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力,即反向断裂侧向封闭能力强于顺向断裂侧向封闭能力,这是造成反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气更为富集的根本原因。
3 反向和顺向断裂侧向封闭能力的实例比较为了验证上述理论分析的正确性,本文选取渤海湾盆地岐口凹陷板桥反向断裂为例,利用上述方法求取板桥断裂下盘沙一段下部砂体对接的断层岩油气运移方向排替压力与如果板桥断裂为顺向断裂(其他条件不变的情况下) 上盘沙一段下部砂体对接的断层岩油气运移方向排替压力,比较其相对大小,来阐述反向断裂下盘较顺向断裂上盘油气更富集。
板桥断裂位于歧口凹陷板桥断裂带中部(图 6),与主要目的层——古近系沙河街组倾向为反向关系(图 7),油气主要富集在断裂下盘的2个区域分布(图 6)。由图 7中可以看出,板桥断裂明显破坏了沙一段中部区域性盖层,但并未将其完全错开,使下盘沙一段上部储层与上盘沙一段中部泥岩盖层对接,下盘沙一段下部储层与上盘沙一段上部储层对接。其在侧向上能否形成封闭,对沙一段下部砂体中油气聚集成藏至关重要。
首先根据板桥断裂在目的层埋深、倾角、停止活动时期(板桥断裂在馆陶组沉积初期停止活动,断层岩开始压实成岩,Tf约为24.6 Ma) 和与其具有相同埋深围岩压实成岩时期(其沉积后便开始压实成岩,Tw约为38 Ma),由式(2) 对其压实成岩埋深进行了计算,其结果如表 1所示。由表 1可以看出,板桥断裂在13条测线处的压实成岩埋深为360.36~526.24 m。由沙一段中部泥岩盖层、沙一段下部储层厚度和板桥断裂断距,式(3) 和式(4) 对13条测线处板桥断裂在反向和顺向条件下断层岩泥质体积分数进行了计算,结果如表 1所示。
测线号 | Z′f/m | Rf /% | Rs /% | θ/(°) | α/(°) | Pfv/MPa | P′fv/MPa |
L1 | 391.40 | 56 | 48 | 67 | 45 | 14.27 | 11.22 |
L2 | 467.42 | 56 | 48 | 62 | 45 | 11.75 | 9.24 |
L3 | 526.24 | 56 | 48 | 58 | 45 | 10.37 | 8.15 |
L4 | 512.41 | 56 | 48 | 59 | 45 | 10.70 | 8.41 |
L5 | 469.66 | 56 | 48 | 62 | 45 | 11.85 | 9.32 |
L6 | 360.36 | 56 | 48 | 69 | 45 | 15.66 | 12.31 |
L7 | 342.54 | 56 | 48 | 70 | 45 | 16.29 | 12.80 |
L8 | 405.11 | 56 | 48 | 66 | 45 | 13.57 | 10.67 |
L9 | 451.18 | 56 | 48 | 63 | 45 | 12.12 | 9.52 |
L10 | 463.63 | 56 | 48 | 62 | 45 | 11.59 | 9.11 |
L11 | 462.25 | 56 | 48 | 62 | 45 | 11.53 | 9.06 |
L12 | 450.01 | 56 | 48 | 63 | 45 | 12.06 | 9.48 |
L13 | 485.01 | 56 | 48 | 61 | 45 | 11.48 | 9.02 |
由表 1可以看出,板桥断裂在反向条件下断层岩泥质体积分数为56%,而在顺向条件下断层岩泥质体积分数为48%,前者明显大于后者。将上述确定出的板桥断裂压实成岩埋深和在反向、顺向条件下的断层岩泥质体积分数代入歧口凹陷围岩排替压力与其埋深和泥质体积分数的关系式(7) 中,便可以计算得到板桥断裂在沙一段下部断层岩在反向和顺向条件下的排替压力值,如表 1所示。
式中,pd为沉积岩排替压力,MPa。
由板桥断裂倾角和沙一段下部储层倾角,由式(5) 和式(6) 对反向断裂和顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力进行了计算,其结果分别为10.37~16.29 MPa和8.15~12.80 MPa,前者也明显大于后者,表明相同条件下反向断裂较顺向断裂具有更强的侧向封闭能力,这也是歧口凹陷板桥断裂下盘沙一段下部砂体中能找到大量油气(图 6) 的一个重要原因。
4 结论1) 无论是反向断裂还是顺向断裂,它们均是断层岩侧向封闭油气,油气运移方向断层岩排替压力是影响其侧向封闭能力的重要因素,油气运移方向断层岩排替压力越大,侧向封闭能力越强;反之则越弱。
2) 在断裂埋深、断裂倾角和地层岩性、地层倾角相同的条件下,理论上反向断裂断层岩泥质体积分数大于顺向断裂断层岩泥质体积分数,即反向断裂油气运移方向断层岩排替压力大于顺向断裂油气运移方向断层岩排替压力,反向断裂侧向封闭能力强于顺向断裂侧向封闭能力,这是造成反向断裂下盘较顺向断裂上盘更易富集油气的根本原因。
3) 歧口凹陷板桥断裂在沙一段下部储层砂体处断层岩在反向和顺向条件下断层岩油气运移方向排替压力实例研究结果表明,反向断裂较顺向断裂断层岩在油气运移方向具有更大的排替压力,反向断裂侧向封闭能力强于顺向断裂侧向封闭能力,有利于油气在板桥断裂下盘沙一段下部储层砂体中富集。
4) 上述所做的定量解释是有条件的,只有反向和顺向断裂具有相同的倾角,且储层与断层之间夹角也相同时,才能得到反向断裂侧向封闭能力强于顺向断裂侧向封闭能力;否则结论就不一定正确。此外,本文在计算断层岩排替压力时仅仅考虑了上覆物质重力的作用,限于资料难获取和计算的简便而没有考虑地应力的作用,这可能也会影响断层岩排替压力计算的准确性,也不可避免地影响上述定量解释结果的准确性,等等这些问题均表明该定量解释仍不完善,还须进一步完善和提高。
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