斷層封閉性定量評價方法在港西地區的應用

韓 靜 喬東生 盧剛臣 李振永 臧明峰 李 燕

（①中國石油東方地球物理公司研究院大港分院；②中國石油大港油田公司第五采油廠；③中國石油渤海鉆探井下作業分公司）

0 引言

港西地區位于北大港構造帶西翼，區域內發育有基于潛山披覆背斜的巖性-構造油氣藏，斷裂密集，斷塊破碎，油藏埋深淺（600～1400 m），目前處于注水開發階段。自1990 年以來該地區出現過9 起地面冒水事故，近兩年事故頻發，出現3 起地面冒泥砂漿事故，既造成資源浪費，也給地面設施和田地造成很大傷害，目前發生事故區塊內注水井均處于停注關井狀態，嚴重影響了該區的正常生產。由于地面冒泥砂漿無油氣顯示，且斷層可作為重要導水通道，據此認為地面冒水與斷層導水有關。鑒于斷層導水性與斷層封閉性具有相關性[1]，可以利用斷層封閉性評價方法判別斷層導水性，預測出斷層面的可能水竄通道，為注采井網部署提供參考。因此，開展斷層封閉性研究在港西地區注水開發過程中具有重要的現實意義。

1 斷層封閉性類型劃分及評價方法

1.1 斷層封閉性類型劃分

斷層封閉性是指斷層面或斷裂帶對地層流體封堵并阻止流體滲流的能力[2]，根據其在地質空間上的表現分為垂向封閉性和側向封閉性兩大類型[3]。（1）斷層垂向封閉性是指在垂向上沿著斷層運移流體的能力，如果垂向不封閉，則流體會沿著斷層面（或斷裂帶）運移到其他層系。（2）斷層側向封閉性是指在側向上斷層兩盤對置層穿過斷層面運移流體的能力，如果側向不封閉，則流體會穿過斷層面運移到另一盤。

因此，在利用斷層封閉性預測斷層面的可能水竄通道時，應同時考慮垂向及側向兩個方面。

1.2 斷層封閉性評價方法

在油氣勘探領域，國內外學者針對斷層封閉性評價做了很多研究，評價內容逐漸從考慮單一因素向多元因素發展，評價方法逐漸從定性研究發展到半定量研究再到定量研究。

定性評價方法主要包括3種：巖性配置識別法、斷層巖性疊置斷面圖法[4]、斷層活動性分析法。其中前兩種方法只考慮了斷層兩盤巖性的對接情況，最后一種方法只考慮了斷層的活動性，考慮因素比較單一，且只能評價斷層的相對封閉能力，不能明確得出評價結果。

半定量評價方法主要包括3 種：根據油水界面判定法、根據斷層兩盤產出及壓力變化情況判定法、利用井間干擾狀況判定法。這些方法都是利用油田開發動態資料進行評價，對井數據要求較高。

定量評價方法主要包括3 種：斷層巖泥質含量法[5]、斷層面正壓力法[6]、斷-儲排替壓力差法[7]。第一種方法考慮了斷層斷距、被錯斷的泥巖及儲層的泥質含量等因素，第二種方法考慮了斷層巖的壓實成巖作用，第三種方法是從斷層封閉機理出發的。每一種方法考慮的因素都比較單一，但是將這3 種方法結合起來，考慮的因素相對比較全面，且能夠明確得出評價結果。因此，在此次研究中將同時利用這3 種定量評價方法對斷層封閉性進行評價。

2 研究區概況

選取港西地區中地面冒泥砂漿較嚴重區域作為研究區，區域面積4.5 km2，位于港西地區復雜斷裂區內，研究層系深度范圍150～1000 m，包括第四系平原組，上第三系明上段和明下段，其中明下段涉及明Ⅰ、明Ⅱ油組。

2.1 斷裂特征

研究區內發育兩條大斷層（港西斷層和沙井子斷層），派生斷層發育，各層位底界斷裂平面展布如圖1所示。（1）港西斷層：傾向南傾，自西向東走向發生變化，東西→北東→東西→北北東，延伸3 000 m，斷距30～170 m。（2）沙井子斷層：傾向北傾，走向北東向40°～50°，延伸2800 m，斷距30～100 m，該斷層在明Ⅱ段底界（圖1a）和明Ⅰ段底界（圖1b）時位于港西斷層北側，明上段底界（圖1c）與港西斷層發生交叉，發育到平原組（圖1d）后位于港西斷層南側。（3）港西斷層下降盤發育5 條分支，走向北東，斷距5～20 m。（4）沙井子斷層下降盤發育4 條分支，走向北東，斷距5～30 m。（5）港西斷層和沙井子斷層所夾持的上升盤發育3條斷層，走向北東，斷距5～20 m。

圖1 研究區斷裂分布圖

研究區內注水井主要分布在港西斷層兩側（圖1a），因此本研究以港西斷層為例進行封閉性評價。

2.2 巖性特征

第四系平原組深度為0～225 m，上部巖性為黃灰、土黃色黏土及砂質黏土夾粉砂巖，下部為土黃、淺灰色砂質黏土、粉砂巖、黏土質粉砂巖層等厚互層。上第三系明上段深度為225～655 m，巖性為淺綠色粉-細砂巖，中-細砂巖與灰綠色泥巖不等厚互層，夾棕紅色泥巖，泥巖質純，可塑性好，砂巖膠結疏松，易分散。上第三系明下段深度為655～1000 m，其中明Ⅰ油組為淺棕紅色泥巖與淺灰綠色砂巖組成的互層段，明Ⅱ油組呈現“泥包砂”特征，為灰綠色、淺棕紅色泥巖夾淺灰綠色砂巖，最大單層泥巖厚度為15 m，最大單層砂巖厚度為14 m。研究區內有利儲層為砂巖，因此在此次研究中尋找能夠反映砂泥巖的敏感曲線識別巖性體。

3 地質統計學反演獲取巖性體

3.1 巖性敏感曲線分析

在測井曲線標準化的基礎上，通過巖性敏感曲線分析直方圖可以看出，聲波時差曲線（圖2a）和密度曲線（圖2b）對砂泥巖的疊置區域較多，無法區分砂泥巖；自然伽馬曲線（圖2c）對砂泥巖反應最為敏感，對砂泥巖的疊置區域較少，能夠有效地區分砂泥巖。應用希爾奇指數校正公式將自然伽馬轉換為泥質含量（圖2d），泥巖的泥質含量下限值為45%。

圖2 巖性敏感曲線分析直方圖

3.2 地質統計學反演

地質統計學反演過程如下：首先根據巖性敏感曲線分析，利用自然伽馬曲線對聲波時差曲線進行重構，得到擬聲波曲線；其次根據地震解釋成果建立地層格架，結合測井數據建立初始低頻模型；然后根據井上巖性分布情況確定水平變差函數，根據測井數據確定垂向變差函數；最后開展相控約束下的地質統計學反演，對多個概率體進行優選，得到最終巖性反演體。反演剖面如圖3 所示，該剖面清晰地刻畫了砂體的分布情況，與井上巖性分布情況表現基本一致。

圖3 過X 34-10-4、X35-8-2、X 1-7-1、X 35-5-3井連井線巖性剖面

4 斷層封閉性定量評價

4.1 斷層垂向封閉性評價

4.1.1 斷層巖泥質含量法

斷層巖的泥質含量主要受斷層斷距、被錯斷的泥巖層層數和厚度及砂巖層中泥質含量的影響，其大小可以按照SGR[8]法計算求得，計算公式為：

式中：Vshf為斷層巖泥質含量，%；Vshi為被斷裂錯斷的第i層地層巖石的泥質含量，%，可由斷層附近標志井的泥質含量曲線直接讀??；Hi為被斷裂錯斷的第i層地層厚度，m；T為斷層斷距，m。

應用斷層巖泥質含量法評價斷層垂向封閉性：利用公式（1）計算得到斷層巖泥質含量與泥巖的泥質含量下限值進行比較，當斷層巖泥質含量大于45%時，認為斷層填充物以泥質為主，斷層垂向封閉，反之開啟。

4.1.2 斷層面正壓力法

斷層面正壓力p[9]計算公式為：

式中：p為斷層面所受正壓力，MPa；Hr為斷點埋深，m；ρr為地層密度，g·cm-3，可由斷層附近標志井的密度測井資料得到；ρw為地層水密度，g·cm-3，該區塊取1.0 g·cm-3；θ為斷層傾角，（°）。

應用斷層面正壓力法評價斷層垂向封閉性：計算該段地層頂界與斷層相交處的斷層面正壓力p1；計算該段地層底界與斷層相交處的斷層面正壓力p2；對這兩個數值求取平均值（p'），即為該段地層中部斷層面正壓力。根據前人[10]對川西拗陷上三疊統泥巖進行的抗壓實驗可知，泥巖塑性變形要求的下限壓力為5 MPa，由于港西地區淺層與川西拗陷上三疊統儲層均以碎屑巖為主，因此可以此作為參考依據。將地層中部斷層面正壓力與泥巖塑性變形要求的下限壓力進行比較：當斷層面正壓力大于5 MPa 時，因泥巖變形導致斷層裂縫愈合，由此造成斷層垂向封閉，反之開啟。

4.2 斷層側向封閉性評價

前人[11]對歧口凹陷巖石樣品進行取樣分析，將巖石泥質含量、巖石埋深與巖石實測排替壓力進行數學擬合，得到如下關系式：

式中：pdf為全部巖石樣品排替壓力，MPa；Hf為巖石壓實成巖埋深（Hf＝Hrcosθ），m；pdr為儲層巖石樣品排替壓力，MPa；Vshr為儲層巖石泥質含量，%。

港西地區位于歧口凹陷西緣，因此關系式（3）和關系式（4）也適用于本研究區。應用斷-儲排替壓力差法評價斷層側向封閉性：斷層巖內物質是由斷層兩盤地層中的砂泥成分共同組成，因此可利用關系式（3）計算得到該點的斷層巖排替壓力（pdf），利用關系式（4）計算得到該點所在盤的儲層排替壓力（pdr）。將斷層巖排替壓力（pdf）與儲層排替壓力（pdr）進行比較：如果pdf>pdr，流體不能穿過斷裂帶進行側向運移，斷層起封閉作用，反之，斷層開啟。

4.3 綜合評價

本文以港西斷層為例，沿斷層走向按照測線順序劃分15 個測點A-O（圖4a），每一個測點垂向上從地面至明Ⅱ油組底分為22 個地層（圖4b），依據解釋成果統計和計算每個測點的斷層斷距、斷點埋深及斷層傾角，在每一測點周邊選取一口標志井，統計地層密度及地層巖石泥質含量。利用斷層巖泥質含量法及斷層面正壓力法對斷層進行垂向封閉性定量評價，利用斷-儲排替壓力差法對斷層進行側向封閉性定量評價。表1為港西斷層測點A淺層封閉性定量評價參數及評價結果。依據此方法對每一測點每一地層分別進行參數統計并計算得出該斷層最終評價結果。

表1 港西斷層測點A淺層封閉性定量評價參數及評價結果

圖4 斷層走向及垂向劃分示意圖

根據最終評價結果繪制斷層封閉性評價立體示意圖（圖5），為了使示意更加清晰直觀，使用4 種顏色對評價結果進行區分，可以看出港西斷層在不同測點、不同地層處垂向及側向封閉情況呈現差異性[12]。

圖5 港西斷層封閉性評價立體示意圖

以注水井X 34-7-1 井為例，其注水層位為NmⅠ4和NmⅠ5，圖5 中不規則圖形代表通過地質統計學反演得到的巖性體確定的該層系砂體分布范圍，可以看出地層砂體與斷層相接處在L 1860 及L 1880 附近；從封閉性立體示意圖可以看出，L 1860處斷層垂向及側向均不封閉，L 1880處斷層垂向及側向均封閉。因此認為L 1860 附近可能為港西斷層在該層系的水竄通道，注入水可穿過斷層竄流至另一盤，也可沿斷層發生垂向運移。

該區塊內共有注水井15口，注水層位主要分布在NmⅠ4、NmⅠ5以及NmⅡ2和NmⅡ3，依據此方法對每口注水井的每一注水層位逐一進行分析，預測該注水井注水層位所在砂體是否為水竄通道，為港西地區后續注采井網部署提供參考。

5 結束語

（1）鑒于斷層導水性與斷層封閉性具有相關性，斷層封閉性在地質空間上具有差異性，評價斷層導水性不應單獨考慮某一方向，應從垂向及側向兩個方向同時評價。因此本文利用斷層封閉性定量評價方法從垂向及側向分別評價斷層導水性：垂向封閉性利用斷層巖泥質含量法及斷層面正壓力法，側向封閉性利用斷-儲排替壓力差法。

（2）斷層巖泥質含量和斷層面正壓力是影響斷層垂向封閉性的主要因素：斷層巖泥質含量越高，斷層面正壓力越大，斷層垂向封閉性越好。側向封閉性是基于斷層封閉機理評價的，影響因素較多。

（3）基于巖性敏感曲線，應用地質統計學反演得到巖性體，結合斷層封閉評價結果及注水井注水層位分布情況，預測斷層面可能水竄通道。

（4）本研究思路初次應用于港西地區評價油源斷層導水情況，得到了一些直觀的數據與結論，研究結論還未進行驗證，將會在今后的研究中進一步論證。