断层岩封闭性演化阶段确定方法及其应用
付广, 王明臣, 李世朝
东北石油大学

作者简介:付广,1962年生,教授;主要从事油气藏形成与保存条件方面的研究工作。地址:(163318)黑龙江省大庆市东北石油大学地球科学学院。ORCID: 0000-0003-3760-9162。E-mail: fuguang2008@126.com

摘要

为了准确确定断裂的封闭性,在对断层岩形成过程及封闭性演化特征进行研究的基础上,根据断层岩开始压实成岩时间和封闭能力形成时间把断层岩封闭性演化划分为3个阶段:①压实不封闭阶段,时间从断裂停止活动至断层岩开始压实成岩;②成岩弱封闭阶段,时间从断层岩开始压实成岩至封闭能力形成;③成岩强封闭阶段,时间从断层岩封闭能力形成至现今。由此建立了一套断层岩封闭性演化阶段的确定方法,并将其应用于渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造,以确定该构造内的f1、f2、f3这3条断裂在古近系东营组三段(以下简称东三段)断层岩中的封闭性演化阶段。结果表明:①f1断裂在东三段断层岩封闭性演化目前处于第1封闭性演化阶段,即压实不封闭阶段,不利于油气的聚集与保存;②f2、f3断裂在东三段断层岩封闭性演化目前均处于第3封闭性演化阶段,即成岩强封闭阶段,有利于油气的聚集与保存。结论认为:该方法确定的结果与目前该构造f1、f2、f3断裂两侧东三段已发现的油气分布规律相吻合,表明采用该方法来确定断层岩封闭性演化阶段是可行的。

关键词: 渤海湾盆地; 南堡凹陷; 古近纪; 断层岩; 封闭性; 演化阶段; 确定方法; 压实成岩时间; 封闭能力形成时间
A method for determining the sealing capacity evolution stage of fault rocks and its application
Fu Guang, Wang Mingchen, Li Shizhao
Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318, China
Abstract

In order to accurately define the sealing capacity of faults, based on the study of the formation process of fault rocks and their sealing capacity evolution characteristics it is necessary to divide this process into 3 stages according to their initial compaction diagenesis time and sealing capacity formation time. The first stage lasts from the termination of faulting activity to the initial compaction diagenesis of fault rocks. And in this stage, it is compaction without sealing. The second stage lasts from the initial compaction diagenesis of fault rocks to the formation time of sealing capacity, and it is characterized by diagenesis and weak sealing capacity. And the third stage has lasted since the formation time of sealing capacity of fault rocks, and it is characterized by diagenesis and strong sealing capacity. And accordingly, a method for determining the sealing capacity evolution stage of fault rocks was developed. This method was applied to No.5 structure of the Nanpu Sag in the Bohai Bay Basin to determine the sealing capacity evolution stage of Faults f1, f2 and f3 in E d3 fault rocks. It is shown that the sealing capacity evolution of Fault f1 in the E d3 fault rocks is currently in its first stage, namely, the compaction without a sealing capacity, which is not conducive to accumulation and preservation of oil and gas; and the sealing capacity evolution of Faults f2 and f3 in the E d3 fault rocks is currently in their third phases, namely, the diagenesis with a strong sealing capacity, which is conducive to accumulation and preservation of oil and gas. It is concluded that the result confirmed by this method is consistent with the discovered distribution rules of E d3oil and gas on both sides of Faults f1, f2 and f3 in No.5 structure. It is indicated that this method is feasible to determine the sealing capacity evolution stage of fault rocks.

Keyword: Bohai Bay Basin; Nanpu Sag; Paleogene; Fault rock; Sealing property; Evolution stage; Determination method; Compaction diagenesis time; Timing of sealing capacity

油气勘探实践表明, 在含油气盆地中虽然断裂均处于静止阶段, 但由于其停止活动时间不同, 断层岩所处的压实成岩阶段不同, 封闭性演化阶段也不同, 对油气聚集与分布所起的作用也就不同。能否准确地确定断层岩封闭性的演化阶段, 对于正确认识含油气盆地断裂发育区的油气分布规律至关重要。关于断层封闭性过去曾做过大量研究与探讨, 主要是将断裂视为倾置于围岩中的岩层, 按照围岩封闭性的研究方法来研究断层岩的封闭性[1, 2, 3], 即通过断裂断距和被其错断岩层的厚度、泥质含量, 由断层岩泥质含量预测方法[4, 5, 6]预测其断层岩的泥质含量, 再通过断层停止活动时间、断裂现今埋深、与其具有相同埋深围岩的压实成岩时间、围岩压实成岩系数, 按照断层岩压实成岩埋深的预测方法[7, 8]来预测其压实成岩埋深。最后利用围岩实测排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量之间的经验关系式[1, 2, 3]便可以预测出断层岩的排替压力。最后根据此值的大小, 按照盖层封闭性的评价标准[9, 10, 11]便可以判断断层岩的封闭性。尽管该方法目前还存在许多问题, 但已可以直接研究断层岩的封闭性了。

关于断层岩古封闭能力前人也曾做过不少研究工作, 但受限于认识水平和研究手段, 仅仅是对某一时期断层岩古封闭能力的恢复[8, 12, 13, 14], 目前进行断裂岩封闭性演化阶段划分确定的系统研究还较少, 这无疑不利于含油气盆地断裂发育区油气勘探的深入。因此, 开展断层封闭性演化阶段确定方法研究, 对于正确认识含油气盆地断裂发育区油气分布规律和指导油气勘探均具有重要的意义。

1 断层岩形成过程及其封闭性演化特征

断裂并非一经停止活动, 其内填充物便开始压实成岩, 而是在上覆沉积载荷重量和区域主压应力的作用下, 发生压紧和压实作用, 使其孔隙度和渗透率逐渐降低, 当达到一定程度, 再经过地表水所携带矿物质的沉淀胶结, 才开始成岩并形成断层岩, 其过程如图1所示, 可以看出, 在断层岩未开始压实成岩之前, 虽也会因断裂填充物压实, 导致孔隙度和渗透率减小, 形成一定的封闭能力, 但封闭能力很弱可以忽略不计, 故可以认为断层岩从开始压实成岩才形成封闭能力。之后随着断层岩压实成岩程度的增加, 其封闭能力逐渐增加, 直至现今。

图1 断层岩封闭性演化阶段示意图

2 断层岩封闭性演化阶段划分及其确定方法

由图1看出, 断层岩的封闭性是逐渐形成的, 经历了从无至有和由弱至强的变化。按照断层是否开始压实成岩和排替压力是否达到1 MPa形成封闭能力[15]的2个时间点可以将断层封闭性演化划分为3个阶段:①压实不封闭阶段, 该阶段断裂刚刚停止活动, 断裂填充物仅在上覆沉积载荷重量和区域主压应力作用下压紧压实, 孔隙度和渗透率逐渐降低, 但其尚未开始成岩, 有一定封闭能力, 但相对较弱, 不能封闭油气, 如图1中①阶段所示; ②成岩弱封闭阶段, 该阶段断裂填充物除了受到上覆沉积荷载重量和区域主压应力作用压紧压实外, 还受到地表水所携带矿物质沉淀胶结作用, 已开始成岩, 孔隙度和渗透率相对较低, 封闭性已形成, 但排替压力小于1 MPa, 封闭性相对较弱, 如图1中②阶段所示; ③成岩强封闭阶段, 该阶段断层岩压实成岩程度更高, 孔隙度和渗透率更低, 排替压力已开始大于1 MPa, 封闭性相对较强, 如图1中③阶段所示。

要确定断层岩封闭性演化阶段, 就必须确定出断层岩开始压实成岩时间和封闭能力形成时间。为确定前者, 笔者作以下假设:①断层岩中的充填物质仅来自断裂两盘地层的破碎岩石, 那么断层岩的压实成岩历史应与围岩相似, 只是较同深度围岩压实成岩开始形成时间要晚而已, 断层岩应具有与围岩相同的初始孔隙度和压实成岩系数; ②不论是围岩还是断层岩, 其压实成岩程度高低均可视为其压实成岩压力和作用时间二者共同作用的结果, 可用二者的乘积来表示。在上述2个假设条件下, 通过断层岩与围岩(与断层岩埋深一致)压实成岩程度之比和孔隙度之比的反比关系式[式(1)], 可以推导出断层岩的压实成岩埋深[式(2)], 由式(2)取Zf=0时, 便可以得到断层岩开始压实成岩时间[式(3)]。即

式中ρ w表示地层水密度, g/cm3; Z 表示断层岩埋深, m; Tf表示断层岩压实成岩时间, Ma; Ts表示与断层岩具有相同埋深的围岩的压实成岩时间, Ma; φ 0表示围岩初始孔隙度, 小数; C 表示围岩压实成岩系数; Tb表示断层岩开始压实成岩时间, Ma。

为了确定断层岩封闭能力开始形成时间, 由图1可以得到, 断层岩的压实成岩时间(Tf)应等于断裂停止活动时间(T0)减去断层岩开始压实成岩时间(Tb)[式(4)], 将Tf代入式(2)中便可确定出断层岩的压实成岩埋深。再由本文参考文献[1]中断层岩泥质含量计算方法求得断层岩的泥质含量。

将上述已确定出的断层岩压实成岩埋深和泥质含量代入研究区围岩实测排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量的经验关系式[2], 便可以计算出断层岩现今的排替压力值。如果断层岩排替压力小于1 MPa, 说明断层岩没有进入其封闭能力形成时期, 不需要进行封闭能力形成时间恢复。相反, 如果断层岩排替压力大于1 MPa, 说明其已进入封闭能力形成时期, 需进行封闭能力形成时间恢复。在对断层岩古埋深恢复[16]的基础上, 按照上述方法恢复断层岩的古压实成岩埋深。在假设断层岩泥质含量各地质时期不变的条件下, 由围岩实测排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量之间的关系[1], 对断层岩在不同地质时期的古排替压力进行了恢复计算, 做出了断层岩古排替压力随时间的变化关系(图1), 取断层岩排替压力等于1 MPa的时期即为断层岩封闭能力形成时期。根据断层岩开始压实成岩时间和封闭能力形成时间便可对断层岩封闭性演化阶段进行确定。

3 实例应用

选取渤海湾盆地南堡凹陷南堡5号构造f1、f2、f3这3条断裂为例, 利用上述方法确定其在古近系东营组三段(以下简称东三段)断层岩目前所处的封闭性演化阶段, 将结果与目前东三段已发现油气分布情况进行比对, 验证该方法用于断层岩封闭性演化阶段确定的可行性。

南堡5号构造位于南堡凹陷西北部, 为一个发育在古潜山背景之上的北东东向的背斜构造, 被近东西向断裂切割复杂化(图2)。f1、f2、f3是该构造核部发育的3条断裂, 平面上皆为北东东向展布, 其中f1、f2这2条断裂延伸长度大致相当, f3断裂延伸长度相对较大(图2)。剖面上f1、f2、f3这3条断裂倾角较陡, 介于49° ~72° , 下部断距大于上部, 最大断距70~145 m。3条断裂于不同时期形成, 其中f1断裂从下部沙一段一直向上断至近地表, f2断裂从下部东三段中部向上断至馆陶组中部, 而f3断裂从下部基底一直向上断至馆陶组底部(图3)。由于这3条断裂停止活动的时间不同, 其在东三段断层岩所处的封闭性演化阶段也就不同, 能否正确预测这3条断裂在东三段断层岩目前所处的封闭性演化阶段, 是正确认识该区油气分布规律和指导油气勘探的关键。

图2 南堡5号构造f1、f2、f3断裂分布图

图3 南堡5号构造f1、f2、f3断裂封闭性演化特征与油气分布关系图

由图3可得出3条断裂在东三段内的埋深, 通过其地层年代表可知东三段的压实成岩时间(开始沉积— 现今)。根据南堡凹陷地层孔隙度随埋深的变化关系[2], 可得C值为0.000 47。由式(3)便可以计算出f1、f2、f3这3条断裂断层岩开始压实的时间分别为距今6.58 Ma、6.85 Ma、7.16 Ma, 而由图3得出的f1、f2、f3停止活动的时间分别为距今0 Ma、17.0 Ma、13.3 Ma。通过比较停止活动时间和开始压实成岩时间的相对早晚, 发现f1断裂在东三段断层岩开始压实成岩时间早于其停止活动时间, 说明其至今尚未开始成岩, 应处于第1个封闭性演化阶段, 即压实不封闭阶段, 不利于其附近油气聚集。而其上盘油气聚集主要在于东三段泥岩盖层断接厚度(173 m)大于其封闭油气所需的最小断接厚度(90~120 m)[17], 油气不能穿过东三段泥岩盖层向上运移, 只能在其上盘背斜圈闭中聚集。而f2、f3这2条断裂在东三段断层岩压实成岩时间均晚于断裂停止活动时间, 表明f2、f3均已开始成岩。根据f2、f3的停止活动时间和断层岩开始压实成岩时间, 由式4可计算出f2、f3在东三段断层岩的压实成岩时间分别为距今10.66 Ma、6.78 Ma。

为了研究f2、f3在东三段断层岩的封闭性演化阶段, 将距今6.85 Ma、10.00 Ma、14.00 Ma和17.00 Ma作为研究f2封闭能力的时间点, 将距今7.16 Ma、8.5 0 Ma、11.00 Ma和13.30 Ma作为研究f3封闭能力的时间点, 首先根据研究点的压实成岩时间, 由式(2)计算研究点在东三段断层岩的压实成岩埋深, 再利用断裂断距和东三段厚度、泥质含量, 由断层岩泥质含量计算方法[1]计算出东三段断层岩的泥质含量, 将其值连同东三段断层岩压实成岩埋深代入围岩实测排替压力与压实成岩埋深及泥质含量之间的经验关系式(式5), 便可得到f2、f3在不同研究点处东三段断层岩的古排替压力及f2、f3二条断裂在东三段断层岩古排替压力随时间的变化关系(图4、5)。

图4 南堡5号构造f2断裂在东三段断层岩封闭性演化阶段划分图

图5 南堡5号构造f3断裂在东三段断层岩封闭性演化阶段划分图

式中pd表示南堡凹陷围岩实测排替压力, MPa; Z表示南堡凹陷围岩埋深, m; R 表示南堡凹陷围岩泥质含量。

由图4可看出, 南堡5号构造f2断裂在其停止活动后至距今6.85 Ma时, 其在东三段断层岩开始压实成岩, 其后排替压力逐渐增大, 在距今10 Ma时达到1 MPa, 形成封闭能力, 即断层岩封闭能力形成时间为距今10 Ma。据断层岩开始压实成岩时间(距今6.85 Ma)和断层岩封闭能力形成时间(距今10 Ma), 可将f2断裂在东三段断层岩封闭性演化划分为3个阶段:①压实不封闭阶段, 从断裂停止活动— 距今6.85 Ma; ②成岩弱封闭阶段, 距今6.85~10.00 Ma; ③成岩强封闭阶段, 距今10.00~17.00 Ma(现今)。目前f2断裂在东三段断层岩正处于第3个封闭性演化阶段(成岩强封闭), 有利于油气在其两侧聚集与保存, 目前已在其两侧东三段钻遇了油气层(图3)。

由图5可看出, 南堡5号构造f3断裂在停止活动— 距今7.16 Ma期间, 在东三段断层岩开始压实成岩后, 排替压力逐渐增大, 在距今12.5 Ma时达到1 MPa, 形成封闭能力, 即断层岩封闭能力形成时间为距今12.5 Ma。由断层岩开始压实成岩时间(距今7.16 Ma)和断层岩封闭能力形成时间(距今12.5 Ma), 可将f3断裂在东三段断层岩封闭性演化也划分为3个阶段:①压实不封闭阶段, 时间从断裂停止活动— 距今7.16 Ma; ②成岩成岩弱封闭阶段, 距今7.16~12.50 Ma; ③成岩强封闭阶段, 距今12.50~13.30 Ma(现今)。目前f3断裂在东三段断层岩也正处于第3个封闭性演化阶段, 即成岩强封闭阶段, 有利于油气聚集和保存, 已在f3断裂上盘东三段钻探遇了油气(图3)。

4 结论

1)由断层岩开始压实成岩时间和封闭能力形成时间可将断层岩封闭性演化划分为3个阶段:第一段阶段为压实不封闭阶段, 时间从断裂停止活动时间至断层岩开始压实成岩时间; 第二段阶段为成岩弱封闭阶段, 时间从断层岩开始压实成岩时间至断层岩封闭能力形成时间; 第三个阶段为成岩强封闭阶段, 时间从封闭能力形成时间至现今。

2)通过确定断层岩开始压实成岩时间和封闭能力形成时间, 建立了一套断层岩封闭性演化阶段的确定方法, 并将其应用于渤海湾盆地南堡凹陷5号构造f1、f2、f3三条断裂在东三段断层岩封闭性演化阶段的确定中, 结果表明:f1断裂在东三段断层岩封闭性演化处于第一个封闭性演化阶段, 即压实不封闭阶段, 不利于油气聚集与保存; 而f2、f3断裂均处于第3个封闭性演化阶段, 即成岩强封闭阶段, 有利于油气聚集与保存, 与目前该区f1、f2、f3这3条断裂两侧东三段的油气分布相吻合, 表明该方法用于确定断层岩封闭性演化阶段是可行的。

3)然而, 该方法仅仅适用于碎屑岩地层中正断层封闭性演化阶段的研究, 由于尚属初次尝试, 该方法还存在着许多不足之处, 如利用断层岩与其同深度围岩的压实成岩程度之比和孔隙度之比之间的反比关系来计算断层岩开始压实成岩时间, 这未必符合实际。再者, 断层岩在压实成岩过程中除了受到压实成岩压力和作用时间的影响外, 还受胶结作用的影响, 而文中未考虑这一影响。以上这些不足都表明此方法还不完善, 还有待于完善和提高。

The authors have declared that no competing interests exist.

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