引用本文
韩静, 乔东生, 卢刚臣, 李振永, 臧明峰, 李燕. 断层封闭性定量评价方法在港西地区的应用[J]. 录井工程, 2023,34(4): 67-72.
HAN Jing, QIAO Dongsheng, LU Gangchen, LI Zhenyong, ZANG Mingfeng, LI Yan. Application of quantitative evaluation methods for fault sealing ability in Gangxi area[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(4): 67-72.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.04.011  
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断层封闭性定量评价方法在港西地区的应用
韩静①, 乔东生②, 卢刚臣①, 李振永①, 臧明峰①, 李燕③
①中国石油东方地球物理公司研究院大港分院
②中国石油大港油田公司第五采油厂
③中国石油渤海钻探井下作业分公司

作者简介：韩静 工程师,1985年生.2007年毕业于中国地质大学(北京)地理信息系统专业,现在中国石油东方地球物理公司研究院大港分院从事地质综合研究工作。通信地址:300280 天津市大港油田红旗路中段中国石油东方地球物理公司研究院大港分院。电话:(022)25965986。E-mail:hanjing01@cnpc.com.cn

收稿日期: 2023-07-12
摘要

为实现对断层导水性的定量化评价,以港西地区的港西断层为例,利用断层岩泥质含量法及断层面正压力法评价断层垂向封闭性,利用断-储排替压力差法评价断层侧向封闭性。研究结果表明：断层岩泥质含量和断层面正压力是影响断层垂向封闭性的主要因素,断层岩泥质含量越高,断层面正压力越大,垂向封闭性越好;断层侧向封闭性是基于断层封闭机理进行评价的,影响因素较多。基于岩性敏感曲线应用地质统计学反演得到岩性体,结合断层封闭性评价结果,以及注水井注水层位分布情况,预测断层面的可能水窜通道,为港西地区后续注采井网部署提供参考。

关键词: 断层; 封闭性; 导水性; 定量评价; 港西地区; 泥质含量; 断层面正压力
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of quantitative evaluation methods for fault sealing ability in Gangxi area
HAN Jing①, QIAO Dongsheng②, LU Gangchen①, LI Zhenyong①, ZANG Mingfeng①, LI Yan③
①Dagang Branch,Research Institute of BGP INC.,CNPC,Tianjin 300280,China
②No. 5 Oil Production Plant of PetroChina Dagang Oilfield Company,Tianjin 300280,China
③Downhole Services Company,BHDC,CNPC,Tianjin 300280,China
Abstract

In order to quantitatively evaluate water transmissibility of faults,taking the Gangxi fault in Gangxi area as an example,the fault rock shale content method and the fault surface positive pressure method were used to evaluate the vertical sealing ability of faults,fault rock displacement pressure-reservoir displacement pressure difference method was used to evaluate the lateral sealing ability of faults. We found that the shale content of fault rock and the positive pressure of fault surface were the main factors affecting the vertical sealing ability of faults. The higher the shale content of fault rock,the greater the positive pressure of fault surface and the better the vertical sealing ability. Fault lateral sealing ability was evaluated based on fault sealing mechanisms with many influencing factors. The lithosome was obtained by geostatistics inversion based on lithology sensitive curves. Combined the evaluation results of fault sealing ability with the distribution of injecting layers in water injection wells,predict the possible water channeling at the fault surface,providing reference for the subsequent deployment of injection-production pattern in Gangxi area.

Keyword: fault; sealing ability; water transmissibility; quantitative evaluation; Gangxi area; shale content; positive pressure of fault surface
0 引言

港西地区位于北大港构造带西翼, 区域内发育有基于潜山披覆背斜的岩性-构造油气藏, 断裂密集, 断块破碎, 油藏埋深浅（600~1 400 m）, 目前处于注水开发阶段。自1990年以来该地区出现过9起地面冒水事故, 近两年事故频发, 出现3起地面冒泥砂浆事故, 既造成资源浪费, 也给地面设施和田地造成很大伤害, 目前发生事故区块内注水井均处于停注关井状态, 严重影响了该区的正常生产。由于地面冒泥砂浆无油气显示, 且断层可作为重要导水通道, 据此认为地面冒水与断层导水有关。鉴于断层导水性与断层封闭性具有相关性[1], 可以利用断层封闭性评价方法判别断层导水性, 预测出断层面的可能水窜通道, 为注采井网部署提供参考。因此, 开展断层封闭性研究在港西地区注水开发过程中具有重要的现实意义。

1 断层封闭性类型划分及评价方法
1.1 断层封闭性类型划分

断层封闭性是指断层面或断裂带对地层流体封堵并阻止流体渗流的能力[2], 根据其在地质空间上的表现分为垂向封闭性和侧向封闭性两大类型[3]。（1）断层垂向封闭性是指在垂向上沿着断层运移流体的能力, 如果垂向不封闭, 则流体会沿着断层面（或断裂带）运移到其他层系。（2）断层侧向封闭性是指在侧向上断层两盘对置层穿过断层面运移流体的能力, 如果侧向不封闭, 则流体会穿过断层面运移到另一盘。

因此, 在利用断层封闭性预测断层面的可能水窜通道时, 应同时考虑垂向及侧向两个方面。

1.2 断层封闭性评价方法

在油气勘探领域, 国内外学者针对断层封闭性评价做了很多研究, 评价内容逐渐从考虑单一因素向多元因素发展, 评价方法逐渐从定性研究发展到半定量研究再到定量研究。

定性评价方法主要包括3种：岩性配置识别法、断层岩性叠置断面图法[4]、断层活动性分析法。其中前两种方法只考虑了断层两盘岩性的对接情况, 最后一种方法只考虑了断层的活动性, 考虑因素比较单一, 且只能评价断层的相对封闭能力, 不能明确得出评价结果。

半定量评价方法主要包括3种：根据油水界面判定法、根据断层两盘产出及压力变化情况判定法、利用井间干扰状况判定法。这些方法都是利用油田开发动态资料进行评价, 对井数据要求较高。

定量评价方法主要包括3种：断层岩泥质含量法[5]、断层面正压力法[6]、断-储排替压力差法[7]。第一种方法考虑了断层断距、被错断的泥岩及储层的泥质含量等因素, 第二种方法考虑了断层岩的压实成岩作用, 第三种方法是从断层封闭机理出发的。每一种方法考虑的因素都比较单一, 但是将这3种方法结合起来, 考虑的因素相对比较全面, 且能够明确得出评价结果。因此, 在此次研究中将同时利用这3种定量评价方法对断层封闭性进行评价。

2 研究区概况

选取港西地区中地面冒泥砂浆较严重区域作为研究区, 区域面积4.5 km2, 位于港西地区复杂断裂区内, 研究层系深度范围150~1 000 m, 包括第四系平原组, 上第三系明上段和明下段, 其中明下段涉及明Ⅰ 、明Ⅱ 油组。

2.1 断裂特征

研究区内发育两条大断层（港西断层和沙井子断层）, 派生断层发育, 各层位底界断裂平面展布如图1所示。（1）港西断层：倾向南倾, 自西向东走向发生变化, 东西→ 北东→ 东西→ 北北东, 延伸3 000 m, 断距30~170 m。（2）沙井子断层：倾向北倾, 走向北东向40° ~50° , 延伸2 800 m, 断距30~100 m, 该断层在明Ⅱ 段底界（图1a）和明Ⅰ 段底界（图1b）时位于港西断层北侧, 明上段底界（图1c）与港西断层发生交叉, 发育到平原组（图1d）后位于港西断层南侧。（3）港西断层下降盘发育5条分支, 走向北东, 断距5~20 m。（4）沙井子断层下降盘发育4条分支, 走向北东, 断距5~30 m。（5）港西断层和沙井子断层所夹持的上升盘发育3条断层, 走向北东, 断距5~20 m。

图1 研究区断裂分布图

研究区内注水井主要分布在港西断层两侧（图1a）, 因此本研究以港西断层为例进行封闭性评价。

2.2 岩性特征

第四系平原组深度为0~225 m, 上部岩性为黄灰、土黄色黏土及砂质黏土夹粉砂岩, 下部为土黄、浅灰色砂质黏土、粉砂岩、黏土质粉砂岩层等厚互层。上第三系明上段深度为225~655 m, 岩性为浅绿色粉-细砂岩, 中-细砂岩与灰绿色泥岩不等厚互层, 夹棕红色泥岩, 泥岩质纯, 可塑性好, 砂岩胶结疏松, 易分散。上第三系明下段深度为655~1 000 m, 其中明Ⅰ 油组为浅棕红色泥岩与浅灰绿色砂岩组成的互层段, 明Ⅱ 油组呈现“ 泥包砂” 特征, 为灰绿色、浅棕红色泥岩夹浅灰绿色砂岩, 最大单层泥岩厚度为15 m, 最大单层砂岩厚度为14 m。研究区内有利储层为砂岩, 因此在此次研究中寻找能够反映砂泥岩的敏感曲线识别岩性体。

3 地质统计学反演获取岩性体
3.1 岩性敏感曲线分析

在测井曲线标准化的基础上, 通过岩性敏感曲线分析直方图可以看出, 声波时差曲线（图2a）和密度曲线（图2b）对砂泥岩的叠置区域较多, 无法区分砂泥岩; 自然伽马曲线（图2c）对砂泥岩反应最为敏感, 对砂泥岩的叠置区域较少, 能够有效地区分砂泥岩。应用希尔奇指数校正公式将自然伽马转换为泥质含量（图2d）, 泥岩的泥质含量下限值为45%。

图2 岩性敏感曲线分析直方图

3.2 地质统计学反演

地质统计学反演过程如下：首先根据岩性敏感曲线分析, 利用自然伽马曲线对声波时差曲线进行重构, 得到拟声波曲线; 其次根据地震解释成果建立地层格架, 结合测井数据建立初始低频模型; 然后根据井上岩性分布情况确定水平变差函数, 根据测井数据确定垂向变差函数; 最后开展相控约束下的地质统计学反演, 对多个概率体进行优选, 得到最终岩性反演体。反演剖面如图3所示, 该剖面清晰地刻画了砂体的分布情况, 与井上岩性分布情况表现基本一致。

图3 过X 34-10-4、X35-8-2、X 1-7-1、X 35-5-3井连井线岩性剖面

4 断层封闭性定量评价
4.1 断层垂向封闭性评价

4.1.1 断层岩泥质含量法

断层岩的泥质含量主要受断层断距、被错断的泥岩层层数和厚度及砂岩层中泥质含量的影响, 其大小可以按照SGR[8]法计算求得, 计算公式为：

Vshf＝∑i=1n（Vshi×Hi）T×100%（1）

式中：Vshf为断层岩泥质含量, %; Vshi为被断裂错断的第i层地层岩石的泥质含量, %, 可由断层附近标志井的泥质含量曲线直接读取; Hi为被断裂错断的第i层地层厚度, m; T为断层断距, m。

应用断层岩泥质含量法评价断层垂向封闭性：利用公式（1）计算得到断层岩泥质含量与泥岩的泥质含量下限值进行比较, 当断层岩泥质含量大于45%时, 认为断层填充物以泥质为主, 断层垂向封闭, 反之开启。

4.1.2 断层面正压力法

断层面正压力p[9]计算公式为：

p=Hr× （ρ r-ρ w）× 0.009 876cosθ （2）

式中：p为断层面所受正压力, MPa; Hr为断点埋深, m; ρ r为地层密度, g· cm-3, 可由断层附近标志井的密度测井资料得到; ρ w为地层水密度, g· cm-3, 该区块取1.0 g· cm-3; θ 为断层倾角, （° ）。

应用断层面正压力法评价断层垂向封闭性：计算该段地层顶界与断层相交处的断层面正压力p1; 计算该段地层底界与断层相交处的断层面正压力p2; 对这两个数值求取平均值（p′ ）, 即为该段地层中部断层面正压力。根据前人[10]对川西拗陷上三叠统泥岩进行的抗压实验可知, 泥岩塑性变形要求的下限压力为5 MPa, 由于港西地区浅层与川西拗陷上三叠统储层均以碎屑岩为主, 因此可以此作为参考依据。将地层中部断层面正压力与泥岩塑性变形要求的下限压力进行比较：当断层面正压力大于5 MPa时, 因泥岩变形导致断层裂缝愈合, 由此造成断层垂向封闭, 反之开启。

4.2 断层侧向封闭性评价

前人[11]对歧口凹陷岩石样品进行取样分析, 将岩石泥质含量、岩石埋深与岩石实测排替压力进行数学拟合, 得到如下关系式：

pdf＝0.280Vshf×Hf1001.415（3）

pdr＝0.197Vshr×Hr1001.352（4）

式中：pdf为全部岩石样品排替压力, MPa; Hf为岩石压实成岩埋深（Hf=Hrcosθ ）, m; pdr为储层岩石样品排替压力, MPa; Vshr为储层岩石泥质含量, %。

港西地区位于歧口凹陷西缘, 因此关系式（3）和关系式（4）也适用于本研究区。应用断-储排替压力差法评价断层侧向封闭性：断层岩内物质是由断层两盘地层中的砂泥成分共同组成, 因此可利用关系式（3）计算得到该点的断层岩排替压力（pdf）, 利用关系式（4）计算得到该点所在盘的储层排替压力（pdr）。将断层岩排替压力（pdf）与储层排替压力（pdr）进行比较：如果pdf> pdr, 流体不能穿过断裂带进行侧向运移, 断层起封闭作用, 反之, 断层开启。

4.3 综合评价

本文以港西断层为例, 沿断层走向按照测线顺序划分15个测点A-O（图4a）, 每一个测点垂向上从地面至明Ⅱ 油组底分为22个地层（图4b）, 依据解释成果统计和计算每个测点的断层断距、断点埋深及断层倾角, 在每一测点周边选取一口标志井, 统计地层密度及地层岩石泥质含量。利用断层岩泥质含量法及断层面正压力法对断层进行垂向封闭性定量评价, 利用断-储排替压力差法对断层进行侧向封闭性定量评价。表1为港西断层测点A浅层封闭性定量评价参数及评价结果。依据此方法对每一测点每一地层分别进行参数统计并计算得出该断层最终评价结果。

图4 断层走向及垂向划分示意图

表1 港西断层测点A浅层封闭性定量评价参数及评价结果

根据最终评价结果绘制断层封闭性评价立体示意图（图5）, 为了使示意更加清晰直观, 使用4种颜色对评价结果进行区分, 可以看出港西断层在不同测点、不同地层处垂向及侧向封闭情况呈现差异性[12]。

图5 港西断层封闭性评价立体示意图

以注水井X 34-7-1井为例, 其注水层位为NmⅠ 4和NmⅠ 5, 图5中不规则图形代表通过地质统计学反演得到的岩性体确定的该层系砂体分布范围, 可以看出地层砂体与断层相接处在L 1860及L 1880附近; 从封闭性立体示意图可以看出, L 1860处断层垂向及侧向均不封闭, L 1880处断层垂向及侧向均封闭。因此认为L 1860附近可能为港西断层在该层系的水窜通道, 注入水可穿过断层窜流至另一盘, 也可沿断层发生垂向运移。

该区块内共有注水井15口, 注水层位主要分布在NmⅠ 4、NmⅠ 5以及NmⅡ 2和NmⅡ 3, 依据此方法对每口注水井的每一注水层位逐一进行分析, 预测该注水井注水层位所在砂体是否为水窜通道, 为港西地区后续注采井网部署提供参考。

5 结束语

（1）鉴于断层导水性与断层封闭性具有相关性, 断层封闭性在地质空间上具有差异性, 评价断层导水性不应单独考虑某一方向, 应从垂向及侧向两个方向同时评价。因此本文利用断层封闭性定量评价方法从垂向及侧向分别评价断层导水性：垂向封闭性利用断层岩泥质含量法及断层面正压力法, 侧向封闭性利用断-储排替压力差法。

（2）断层岩泥质含量和断层面正压力是影响断层垂向封闭性的主要因素：断层岩泥质含量越高, 断层面正压力越大, 断层垂向封闭性越好。侧向封闭性是基于断层封闭机理评价的, 影响因素较多。

（3）基于岩性敏感曲线, 应用地质统计学反演得到岩性体, 结合断层封闭评价结果及注水井注水层位分布情况, 预测断层面可能水窜通道。

（4）本研究思路初次应用于港西地区评价油源断层导水情况, 得到了一些直观的数据与结论, 研究结论还未进行验证, 将会在今后的研究中进一步论证。

编辑 王丙寅

参考文献
[1] 李光辉, 王杰, 谢道雷, 等. 基于断层封闭性的导水性评价及防隔水煤柱设计[J]. 中国矿业, 2021, 30(3): 138-143.
LI Guanghui, WANG Jie, XIE Daolei, et al. Evaluation of water conductivity based on fault sealing property and design of water-proof coal pillar[J]. China Mining Magazine, 2021, 30(3): 138-143. [本文引用:1]
[2] 宋来明, 贾达吉, 徐强, 等. 断层封闭性研究进展[J]. 煤田地质与勘探, 2006, 34(5): 13-16.
SONG Laiming, JIA Daji, XU Qiang, et al. Advance in fault sealing study[J]. Coal Geology & Exploration, 2006, 34(5): 13-16. [本文引用:1]
[3] 吕延防, 马福建. 断层封闭性影响因素及类型划分[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2003, 33(2): 163-166.
LYU Yanfang, MA Fujian. Controlling factors and classification of fault seal[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2003, 33(2): 163-166. [本文引用:1]
[4] ALLAN, U S. Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures[J]. AAPG Bulletin, 1989, 73(7): 803-811. [本文引用:1]
[5] 付广, 胡欣蕾. 利用断层岩泥质含量判断断层垂向封闭性的方法及其应用[J]. 地球科学与环境学报, 2016, 38(5): 660-667.
FU Guang, HU Xinlei. Method of fault vertical sealing ability judged by the mudstone content of fault-rock and its application[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2016, 38(5): 660-667. [本文引用:1]
[6] 刘震, 谭卓, 蔡东升, 等. 用断层面正压力法分析北部湾盆地涠西南凹陷断层垂向封闭性及其演化[J]. 地质科学, 2008, 43(4): 695-711.
LIU Zhen, TAN Zhuo, CAI Dongsheng, et al. Analysis on fault′s vertical sealing and its evolution by normal pressure of fault surface method in the Weixinan sag, Beibu Gulf Basin[J]. Chinese Journal of Geology, 2008, 43(4): 695-711. [本文引用:1]
[7] 黄劲松, 吕延防, 刘长国, 等. 利用断储排替压力差定量评价断层封闭性: 以海拉尔盆地贝尔凹陷贝301区块为例[J]. 科学技术与工程, 2011, 11(13): 2902-2909.
HUANG Jinsong, LYU Yanfang, LIU Changguo, et al. Quantitative evaluation method discussion of fault sealing by use of different displacement pressure between fault and reservoir: Taking Bei 301 block in Beier depression Hailaer as example[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(13): 2902-2909. [本文引用:1]
[8] YIELDING G, FREEMAN B, NEEDHAM D T. Quantitative fault seal prediction[J]. AAPG Bulletin, 1997, 81(6): 897-917. [本文引用:1]
[9] 张春林, 高先志, 李潍莲, 等. 柴达木盆地尕斯断陷断层封闭性及其对油气运聚的作用[J]. 石油与天然气地质, 2004, 25(6): 659-665.
ZHANG Chunlin, GAO Xianzhi, LI Weilian, et al. Sealing capacity of faults and its control on hydrocarbon migration and accumulation in Gas fault depression in Qaidam Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2004, 25(6): 659-665. [本文引用:1]
[10] 刘文碧, 周文, 李德发. 川西拗陷上三叠统断层封闭性研究[J]. 西南石油学院学报, 1996, 18(3): 10-17.
LIU Wenbi, ZHOU Wen, LI Defa. Study of fault confining of the early Triassic period in West Sichuan Depression areas[J]. Journal of Southwestern Petroleum Institute, 1996, 18(3): 10-17. [本文引用:1]
[11] 吕延防, 王伟, 胡欣蕾, 等. 断层侧向封闭性定量评价方法[J]. 石油勘探与开发, 2016, 43(2): 310-316.
LYU Yanfang, WANG Wei, HU Xinlei, et al. Quantitative evaluation method of fault lateral sealing[J]. Petroleum Exploration and Development, 2016, 43(2): 310-316. [本文引用:1]
[12] 张培森, 许大强, 付翔, 等. 基于断层封闭性研究评价其导水性[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2022, 4(2): 1-10.
ZHANG Peisen, XU Daqiang, FU Xiang, et al. Evaluation of hydraulic conductivity based on fault confinement studies[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2022, 4(2): 1-10. [本文引用:1]