0 引言

随着天然气勘探的深入，人们对盖层的认识越来越深入，盖层不仅控制着含油气盆地内天然气聚集的空间分布，而且控制着天然气聚集的数量。然而，盖层能否封闭住天然气聚集，除了受到盖层本身分布连续性好坏、封闭能力强弱和天然气能量大小的影响外，还要受到断裂对盖层破坏的影响。任何一套盖层形成后都不可避免地遭到断裂的破坏，只是被破坏的程度不同而已。大量的研究结果^[1-8]表明，断裂不仅破坏盖层空间分布的连续性^[2]，而且影响其封闭能力，使盖层封气综合能力降低，造成天然气散失。能否正确认识这一问题，是含油气盆地断裂发育区天然气勘探的关键。关于盖层封气综合能力，前人^[9-10]曾做过研究和探讨，主要是从盖层宏观发育特征和微观封闭能力入手，利用模糊数学方法和达西定律进行研究。近年来对盖层封气综合能力的评价除了考虑盖层本身发育特征和封闭特征外，又考虑了天然气能量(剩余压力)的影响^[11-16]，使盖层封气综合能力评价考虑的因素更加全面，结果更符合实际。然而，虽然前人也曾对断裂对盖层分布连续性的破坏程度^[3-8]和断裂对盖层封闭能力的破坏程度进行过研究，并取得了非常有价值的认识，但这些研究是将二者分开来进行的，缺少将二者综合起来进行断裂对盖层封气综合能力破坏程度的研究；因此这方面研究仍处于空白。这无疑影响了盖层封气综合能力研究的准确性，不利于含油气盆地断裂发育区天然气勘探的深入。因此，开展断裂对盖层封气综合能力破坏程度的研究，对于正确认识含油气盆地断裂发育区天然气分布规律和指导油气勘探均具重要意义。

1 盖层封气综合能力及其研究方法

研究^[6-8]表明，盖层封气综合能力不仅受到自身发育特征——厚度和排替压力的影响，而且受到下伏储层中天然气能量——剩余压力的影响，如图 1所示。盖层厚度越大，排替压力越小，剩余压力越大，盖层封气综合能力越强，越有利于天然气在其下储层中聚集成藏；反之盖层封气综合能力越弱，越不利于天然气聚集成藏。

为了能够综合定量评价盖层封气综合能力，本文利用天然气在剩余压力作用下通过盖层向外渗滤散失压力梯度的大小来定量反映盖层封气能力的好坏。压力梯度计算公式为

式中：E_c为盖层封气综合能力评价参数，MPa/m；Δp为下伏储层天然气剩余压力，MPa；p_d为盖层岩石排替压力，MPa；H_c为盖层厚度，m。

由式(1) 看出，要研究盖层封气综合能力就必须首先确定出盖层的排替压力、厚度和下伏储层中天然气的剩余压力。E_c与H_c成反比，与Δp和p_d之差``````````成正比。E_c越小，表明天然气在剩余压力作用下通过盖层向外渗滤散失的压力梯度越小，天然气越不易通过盖层向外渗滤散失，盖层封气综合能力就越强，越有利于天然气在其下储层中聚集与保存；尤其是当E_c≤0时，天然气不能在剩余压力的作用下通过盖层向外渗滤散失，更有利于天然气在其下储层中聚集与保存。反之盖层封气综合能力越差，越不利于天然气在其下储层中聚集与保存。由此看出，E_c综合反映了各种因素对盖层封气综合能力的影响。

由文献[16]可知，盖层排替压力是反映其封闭能力最根本的参数，其值越大，盖层封闭能力越强；反之则越弱。盖层排替压力可以通过钻井取心利用直接驱替法^[17]在实验室直接测试获得。如果没有岩心资料，那么可以利用盖层岩石压实成岩埋深(若上覆不存在明显的地层剥蚀，可用其现今埋深代替)和泥质质量分数(可利用自然伽马测井资料，由文献[18]中的泥质质量分数预测方法求得)获得。实测盖层岩排替压力与压实成岩埋深、泥质质量分数之间有一定的相关性，可表示为

式中：Z为盖层岩石埋深，m；w为盖层岩石泥质质量分数。这种相关性在各含油气盆地或凹陷已得到证实^[18]。下伏天然气通过盖层向外渗滤散失，即盖层厚度越大，阻止天然气通过其向外发生渗滤的能力越强；反之则越弱。盖层厚度可以通过钻井或地震资料获取。

下伏储层中天然气剩余压力也是影响盖层封气能力的重要参数，其值越大，天然气越易通过盖层向外渗滤散失，即不利于天然气在盖层之下储层中聚集与保存；反之则有利于天然气在盖层之下储层中聚集与保存。其大小主要受到储层压力系数和埋深的影响，储层压力系数越大、埋深越大，产生的天然气剩余压力越大；反之则越小。

天然气剩余压力计算公式为

式中：k为储层压力系数；ρ_w为地层水密度，g/cm³。

利用上述已确定出的盖层岩石排替压力、下伏储层天然气剩余压力和盖层厚度，由式(1) 便可以计算得到盖层封气综合能力评价参数，进而对盖层封气综合能力进行研究。

2 断裂对盖层封气综合能力的破坏程度及其研究方法

当盖层遭到断裂破坏时：如果断裂将盖层完全错开，盖层对其下伏天然气无封闭能力，这种情况下不需再研究其封气综合能力；当断裂未将盖层完全错开时，盖层并未使其失去横向分布的连续性，但有效厚度明显变小，而且其封闭能力也遭到明显破坏，此时盖层的封闭能力已不再取决于其本身的封闭能力，而是取决于其内断层岩的封闭能力(图 1b)。断层岩的排替压力明显小于盖层岩石的排替压力，这是因为断层岩岩性(除了来自盖层岩石外，还会来自其上下附近储层岩石)明显较盖层本身岩性的粒度粗，加之压实成岩作用时间较盖层压实成岩作用时间晚^[2]，结果使得断层岩排替压力值明显小于盖层岩石排替压力值，造成了断裂对盖层封闭能力的破坏。由于断裂对盖层分布连续性和封闭能力均产生了破坏，所以也会对盖层封气综合能力产生破坏。按照上述盖层封气综合能力的研究方法，可以得到被断裂破坏后盖层封气综合能力评价参数：

式中：E_f为被断裂破坏后盖层封气综合能力评价参数，MPa/m；H_f为盖层断接厚度(盖层残余厚度，其值等于盖层厚度减去断裂断距)，m。断裂对盖层封气综合能力破坏程度D可用盖层被断裂破坏前后封气综合能力(式(1) 和式(4))差值与被断裂破坏前盖层封气综合能力(式(1))的比值来描述，即

由式(5) 可以看出：D值越大，断裂对盖层封气综合能力破坏程度越强；反之则越弱。根据理论上D值大小与断裂对盖层封气综合能力破坏程度强弱之间的对应关系，可将断裂对盖层封气综合能力的破坏等级划分为强(D > 75%)、较强(D为50%~75%)、中等(D为25%~50%)和弱(D < 25%)4个等级。

以上研究表明，要研究断裂对盖层封气综合能力的破坏程度，除了上述盖层厚度、断接厚度、排替压力和下伏储层中天然气剩余压力外，还必须确定出断层岩的排替压力。而断层岩排替压力由于受到钻井和取心资料的限制，无法直接测试获取，只能通过计算方法求得。若把断层岩视为围岩地层中的岩层，那么其排替压力也和盖层岩石一样受到岩性及压实成岩程度(可用岩石成岩埋深表示，包括压实成岩压力、压实成岩作用时间、断裂倾角、矿物沉淀及沥青封堵等各种因素的影响)的影响，其值可近似地利用文献[19]中的方法(主要适用于正断层)求得。具体方法步骤如下：首先利用断裂埋深、倾角、停止活动时间、与其具有相同埋深盖层的压实成岩时间确定出断层岩压实成岩埋深；再利用断裂断距、被其错断盖层的厚度和泥质质量分数确定断层岩的泥质质量分数；最后利用研究区盖层岩石排替压力与埋深、泥质含量之间关系便可求得断层岩排替压力。

3 实例应用

选取渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造古近系东营组二段泥岩盖层，利用上述方法研究NP5-2断裂对其封气综合能力的破坏程度，并分析研究结果与东二段泥岩盖层之下储层中已发现天然气分布之间的关系，以验证该方法用于研究断裂对盖层封气综合能力破坏程度的可行性。

南堡5号构造位于南堡凹陷北部，是南堡凹陷一个重要的含气构造，构造形态总体上为一发育在古潜山背景之上被断裂复杂化的披覆背斜构造，构造方向为北北东向，被东西向断层切割复杂化，如图 2所示。该构造从下至上发育的地层有古近系的沙河街组(Es)、东营组(Ed)和新近系的馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)及第四系。截至目前，该构造已在东二段(Ed₂)下部至沙河街组一段(Es₁)见到了大量天然气，但天然气主要分布在东二段泥岩盖层之下的储层中，东二段发育的大套泥岩是该构造东二段泥岩盖层之下储层中天然气的主要盖层。NP5-2断裂位于南堡5号构造的中南部地区，是一条北东东向展布的断裂，发育规模总体上是下部大于上部，在南堡5号构造处断距可达到70~160 m，倾角变化较大(30°~70°)。由图 3可以看出，NP5-2断裂为东三段(Ed₃)中晚期发育起来的一条断裂，主要活动期在东营组沉积时期，在馆陶组沉积中期断裂停止活动。NP5-2断裂错断了东二段泥岩盖层，但由于东二段泥岩盖层厚度(198~305 m)大，并未被NP5-2断裂完全错开，仍保持横向分布的连续性。天然气钻探揭示，东二段泥岩盖层之下储层中的天然气主要分布在NP5-2断裂东部区域内，上下盘皆有分布(图 2、3)。由于NP5-2断裂在南堡5号构造内破坏了东二段泥岩盖层，能否正确认识NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度，是决定南堡5号构造东二段泥岩盖层之下储层中天然气勘探的关键。

南堡凹陷实测盖层岩石排替压力数据(表 1) 与其埋深、泥质质量分数之间关系式为

式中：p_d为南堡凹陷泥质岩盖层岩石排替压力，MPa。

利用NP5-2断裂所在9条测线处东二段泥岩盖层的埋深(表 2)、泥质质量分数，由式(6) 对其盖层岩石排替压力进行了计算，其结果如表 2所示。由表 2可以看出，南堡5号构造NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层排替压力为2.018~4.610 MPa。由钻井统计得到，NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层厚度为198~305 m，断距为20~185 m，可以得到东二段泥岩盖层断接厚度为25~249 m，NP5-2断裂并未将东二段泥岩盖层错开。依据东二段泥岩盖层之下储层压力系数和埋深资料(表 2)，由式(2) 对NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层之下储层剩余压力进行了计算，结果如表 2所示。由表 2可以看出，NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层之下储层剩余压力为-2.881~6.865 MPa。在此基础上，利用式(3) 对NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层封气综合能力评价参数进行了计算，结果(表 2) 表明，NP5-2断裂所在的9条测线处东二段泥岩盖层封气综合能力评价参数为-0.027 4~0.035 2，其中除L6、L7、L8、L9测线外，其他测线处东二段泥岩盖层封气综合能力评价参数均小于0，表明在没有断裂破坏的情况下，除L6、L7、L8、L9测线外，其他测线处东二段泥岩盖层之下储层中的天然气不能通过上覆东二段泥岩盖层向外渗滤散失，东二段泥岩盖层封气综合能力相对较好，有利于天然气在东二段泥岩盖层之下储层中聚集与保存。

由9条测线处NP5-2断裂在东二段泥岩盖层内埋深、倾角、停止活动时间(在明化镇组沉积初期停止活动，距今应为5.32 Ma)、东二段泥岩盖层压实成岩时间(为其本身沉积时间，约为25.3 Ma)，利用文献[20]中断层岩排替压力的研究方法对9条测线处NP5-2断裂在东二段泥岩盖层内断层岩排替压力进行了计算，结果如表 2所示。由表 2可以看出，9条测线处NP5-2断裂在东二段泥岩盖层内断层岩排替压力为0.146~0.257 MPa，明显小于与其对应处东二段泥岩盖层排替压力；表明NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封闭能力产生了较强的破坏。由NP5-2断裂所在9条测线处东二段泥岩盖层排替压力、断接厚度、其下储层剩余压力和断层岩排替压力，由式(5) 对9条测线处NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度进行了计算，结果见表 2。由表 2可以看出，9条测线处NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度为9.0%~97.1%。按照断裂对盖层封气综合能力的破坏程度等级划分标准，可以得出：NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度在L6测线处为弱级别，在L1、L5、L8测线处达到中等级别，在L7、L9测线处达到较强级别，在L2、L3、L4测线处达到强级别。总体而言，NP5-2断裂西部较东部对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度强，这可能是造成目前仅在NP5-2断裂东部东二段泥岩盖层之下储层中发现了天然气，而NP5-2断裂西部东二段泥岩盖层之下储层中未发现天然气的根本原因。

4 结论

1) 盖层封气综合能力可用天然气在剩余压力作用下通过盖层向外渗滤散失的压力梯度综合反映，其值越小，盖层封气综合能力越强，反之则越弱。

2) 依据盖层被断裂破坏前后封气综合能力差值与被断裂破坏前盖层封气综合能力的比值，建立了一套断裂对盖层封气综合能力破坏程度的研究方法，并将该方法应用于南堡凹陷5号构造NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力破坏程度的研究中。结果表明，NP5-2断裂对东二段泥岩盖层封气综合能力除在L6和L1、L5、L8测线处分别为弱或中等破坏程度外，在其余5条测线处均可达到较强和强破坏程度破坏程度；并且西部强于东部，与目前已发现的天然气主要分布相吻合。表明该方法用于研究断裂对盖层封气综合能力破坏程度是可行的。