[科普中国]-断层封闭性

简介

早期人们对油气（二次）运移理解为油气沿连通砂体的横向运移。随着世界各主要油区勘探经验的丰富，尤其是墨西哥湾钻进垂直断层带的实例(Durhsm， 1994)以及我国准噶尔盆地西北缘克拉玛依大逆掩断裂带的油气富集规律的发现，人们开始把目光转向一种新的勘探领域-以断层作为运移通道的勘探区。目前，对运移通道的研究正不断深入。连通砂体、断层、不整合面均可作为油气从烃源岩到圈闭聚集的运移通道。各类不同运移通道运移油气的形式、效率等都不尽相同。储层运载层主要是通过其连通孔隙系统进行横向运移，断层通过其裂缝系统进行垂向运移，不整合面以其良好的孔渗性能可横向也可垂向运移油气。

断层对油气成藏控制作用主要研究断层在不同时期的封闭性与油气成藏的配合关系。断层封闭性是指断层与地层物性的各向异性相配合，能够阻止油、气继续运移，使其聚集起来形成新的物性和压力系统。它在空间上表现为侧向封闭性和垂向封闭性。1

断层封闭机理断层的封闭程度主要取决于断层带物质及其两侧岩石的封闭能力,概括而言，主要存在以下几种方式：

（1）涂抹作用

指塑性的泥质物或其它非渗透性岩层被拖拽进断层带敷在断层面上。有的学者用实验模拟了这种作用现象。Berg 1995年解释了其产生的力学机制。Lehner和Pi-laar提出了泥岩涂抹的拉分机制，此作用通常与同沉积断层或超压有关，因为在这些情况下，泥岩可以保持好的塑性。

（2）碎裂作用

指断层位移期间的颗粒挤压和破碎作用，形成的断层泥明 显降低了断层带的渗透性。在断层变形带内，由于碎裂作用使得孔隙度值比围岩的小一个数量级，渗透率比围岩中的小3个数量级。对断层岩岩芯微观结构的研究表明，碎裂产生的断层泥可以封住300m高的油柱或更多的烃柱。实验数据表明，断层泥的形成主要受控于断层的初始位移量，随后沿断层泥发生滑动，但不再产生破碎带。控制碎裂物发育的主要因素是断层移动时作用在断层面上的有效法向应力的大小。

（3）成岩胶结作用

断层破碎带的产生不仅有利于流体的流动，也有利于胶结物的生成。但是沉降在断裂带边界的物质将降低断层带内物质的渗透能力。胶结物的厚度取决于流体渗进岩石的距离、流体中溶解物的量和渗透过程中的流体压力。在岩石渗透率高和(或)流体渗滤压力降低的位置，生成的胶结物则厚度大。1

断层封闭性研究方法1．定性的地质研究

Smith（1966）提出的断层两侧岩性对接封闭模式，以其直观性为人们普遍接受，成为研究断层封闭性的经典理论。但是，这种模式是建立在无断裂充填物（即断层两盘以“面”接触）的情况下的。实际上断层无充填物，以“面”接触的情况是很难找到的，无论是正断层还是逆断层，断层两盘由于断层错动所产生的构造应力对两盘岩石的破坏作用，使之或多或少存在充填物，即存在断裂带。这种情况下断层能否形成侧向封闭，已不再取决于断层两盘的砂泥是否对接，而在于断裂带与储层的物性差异。

断裂带的物性对断层的侧向封闭能力有重要作用。碎屑岩断裂带特征可以分两种情况讨论：

（1）当断裂填充物以泥质为主时，由于泥质颗粒细小，性软，在上覆地层重力的作用下，易压实成岩，使其致密程度增高，孔渗条件变差，排替压力增高。另外，泥岩在上覆重力的作用下，易发生塑性流动，堵塞其渗漏空间，也可使其封闭性增强，成为油、气侧向运移的遮挡。

（2）断裂填充物以砂质为主，虽然其致密程度差，孔渗条件好，难以直接成为油、气侧向运移的遮挡物，但是，只要其能在后期构造应力的作用下发生颗粒的压碎作用使其颗粒变小，或者由于后期地下水所携带的矿物质将其胶结起来，或者是后期油、气在其渗漏过程中发生氧化，形成沥青塞等作用，都可以使其孔隙空间减少，渗漏空间被堵塞，排替压力增高，而成为油、气侧向运移的遮挡物。1

2． 半定量化的研究

随后的研究均考虑到了断裂带的存在。刘泽容（1998）等提出了主应力、岩性配置、断层泥、断层产状、时间配置、泥岩沾污带和剪切带等6种封闭模式。近年来，国内外都用到了泥岩沾污因子（SSF）等定量参数（Lindsay，1993；刘泽容，1998；付广，1996；等）。陈章明、吕延防等（1995）应用非线性映射、逻辑信息判别等方法，侯加根（1998）等采用模糊综合评价技术、灰色聚类等技术对断层封闭性进行评价。

（1）泥岩涂抹法

泥岩涂抹是断裂带中普遍存在的地质现象。在断层活动过程中，由于泥岩塑性大，在挤压应力或重力的作用下，使泥岩粉碎成粘土在其上下盘断壁间削截砂岩层上形成的一个糜棱岩化的泥岩隔层。这种泥岩涂抹层，由于受挤压应力或重力的作用，不仅可以使泥质颗粒侵入砂岩断面堵塞其孔隙，并且还会受到不同程度的动力变质，使泥岩涂抹层中成分发生致密化，而具封闭性。目前泥岩涂抹法已经成为定量评价断层封闭性的重要方法。

泥岩涂抹所形成的断层侧向封闭性的好坏，关键在于其空间分布的连续性，泥岩涂抹既可存在于逆断层中，也可以存在于正断层中。在不同的断层中以及同一条断层的不同部位，由于断层性质、产状、断移地层的泥地比和断面产状及形态的差异，其内的泥岩涂抹程度以及空间分布面积大小是不同的。断层性质和产状不同，断层面上所受到的作用力也就不同，挤压成因的逆断层，由于断层面上不仅要受到一个来自上覆岩层重量产生的压力作用，而且还要受到一个来自区域构造挤压应力对断面的挤压作用，因此，其泥岩涂抹作用相对较强，有利于泥岩涂抹层发育。而拉张成因的正断层，其断层面上只受到一个来自上覆岩层重量产生的压力作用，因此，泥岩涂抹作用相对较弱，而不利于泥岩涂抹层发育。断移地层的泥岩含量大小也是影响泥岩涂抹层发育的重要因素，断移地层的泥岩含量越高，断裂带中泥质成分越多，越有利于泥岩涂抹层的发育；相反，断移地层的泥岩含量越低，断裂带中泥质成分越少，越不利于泥岩涂抹层的发育。此外，断层面的产状及其光滑程度也将影响其泥岩涂抹层的发育，断层面的产状越缓，其所受到的压力越大，其涂抹作用越强，越有利于泥岩涂抹层的发育，反之则不利于泥岩涂抹层的发育；断层面越光滑，泥岩涂抹的范围越大，越有利于泥岩涂抹层的发育，反之则不利于泥岩涂抹层的发育。

根据Richard G.Gibson（1995）对特立尼达海哥伦布盆地第三系沉积物中的断层研究发现，泥岩涂抹只能形成于泥岩位移经过的断层部位，其在空间上连续性好坏集中反映在断层位移大小和断开泥岩层数及厚度大小上，即断层位移越小，断开泥岩层数越多，厚度越大，泥岩涂抹层在空间上的连续性相对越好；反之泥岩涂抹层在空间上的连续性相对越差。

（2） 应用各种数学方法的综合研究

断层封闭性是多种地质因素共同作用的结果，选择适当的数学地质方法将诸多地质因素，通过数学变换与计算进行综合分析，可确切地反应断层实际的封闭情况。

非线性映射分析是常采用的方法。值得一提的是，综合数学方法方法的准确度均基于对地质现象的认识程度和理论研究的深度。下面介绍非线性映射分析法判断断层封闭性的数学原理。

非线性映射分析是一种“几何图像降维”的数学方法，由J．W．Sanunon于1969年提出。此方法是通过某种非线性变换后，把高维空间几何图象转换为低维空间中的图象，要求变换后仍能近似地保持原象的几何关系，由此在低维空间中直观地看到一些高维样品相互关系的近似图像。1

研究内容断层对油气具有双重作用，一是能阻挡油气运移，形成油气圈闭，它是油气藏的天然边界;二是成为油气运移的通道，或注水开发时的水窜道路。即使是同一条断层在它形成的早期一般是开启性的，在其后期断裂活动转沉寂以后，由于上覆地层的压实作用与地下水活动产生的充填、胶结作用，断层又多转化为封闭性的。因此，研究断层的封闭性，无论在理论上或在油气勘探与开发的实践中都是十分重要的。

判断断层的封隔性，可以从以下儿个方面进行分析研究。

1.断面两侧的岩性条件

断面两侧的岩性条件是断层具封闭性的基础。断层两侧若为渗透性与非渗透性岩层相接触时，则该断层为封闭性断层的可能性较大。但也要注意，沿断层延伸方向断面两侧渗透层与非渗透层的接触关系是变化的，因此在断层的不同位置，其封闭差异可能存在变化，因而该断层的封闭性还需应用其它更可靠的资料予以证实。

2.断层的力学性质

从力学性质来分析，通常认为张性断裂易于形成开启性断层，而压扭性断裂容易形成封闭性断层。但随着埋深的增加和时间的延长，张性断裂的封闭性也会发生变化。埋深增加使压实作用加强，断层面会逐渐封闭;在漫长的地质年代里，时间因素也会使岩石发生蠕变现象，从而使原来开启的断层逐渐封闭。而地下水的存在和水中的溶解物质的淀积、胶结、交代等作用，也会加强断层的封闭。因此，不能仅仅根据断层的力学性质就做出肯定或否定的断语，还应参考多方面的资料进行推断论证。一般来说，长期处于沉寂状态下的断跄较小的断层，多是封闭性的

3.断层两盘的流体性质及分布差异

断层两盘流体性质的差异，尤其油水界面高度的差异，是断层封闭的重要标志。

4.钻井过程中的显示

在正常钻井过程中，钻遇断层若发现钻井液漏失、井涌及油气显不等现象，以及岩心有断层角砾岩，岩屑中存在次生方解石，石英含量增高，钻时减少等现象，这将预不钻遇的断层多为开启性的，否则为封闭性断层。例如，渤海湾地区很多井都钻遇了正断层，有的井钻遇正断层多达6~7条，但多数井未发现断点处有井漏、井涌及油气显不等现象，一般都认为断层是封闭的，并得到证实。

断层的封闭与否，除应考虑上述因素外，还可在油田的开发过程中，应用压力恢复曲线或通过观察开发井与生产井产量与压力变化，来判断断层的封闭性，这对油田开发和剩余油研究有重要意义。2

开发过程中的断层封闭性研究以上四种判断断层封闭性的方法，基本上属于可能性推断，所得出的推断都需要依据油田开发动态资料进行检验。

在油田开发过程中，需要对断层的封闭性进行准确判断，这只有采用水动力学的方法。

（1）压力判断

依据断层两侧油水井的压力反映来判断断层的封闭性，是开发过程中研究断层封闭性的基本方法。如果断层一侧的井出现激动而另一侧的井随之出现相应的产量压力波动，则该断层必然是开启的。常常这样的波动难以从井口的压力或产量变化中察觉，这时可以下入高灵敏度的电子压力计，进行井间干扰测试。如果该断层是开启的，一般情况下会测出压力波动信号。

（2）注采连通判断

依据断层附近油水井的生产动态资料，可以准确地判断该断层的封闭性。比如:

①当分布在断层两边的油水井出现注水见效、注水见水等动态反应时，该断层应该是开启的;否则是封闭的。

②当沿断层分布的油水井出现注水水窜、暴性水淹等动态表现时，该断层应该是开启的;否则是封闭的。

③当断层附近的油水井突然出现套管损坏，尤其大量出现套管损坏时，极大可能是注入水引起断层面附近的泥岩膨胀，导致断层出现移动(滑动)，出现套管损坏现象。2