摘要
张性正断层断裂带内部结构具有二分性:即断层核和破碎带。侧向封闭机理为毛细管封闭与水里封闭。较可靠的断裂带泥质含量的计算模型为SGR,常用断层侧向封闭性评价的图件是Knipe图解和Allan图解,存在5种封闭类型:即对接封闭、碎裂岩封闭(SGR<15%)、层状硅酸盐-框架断层岩封闭(15%
50%)和胶结封闭。基于已知封闭断层断裂带SGR与两盘压力差之间的关系,建立了断层侧向封闭烃柱高度与SGR之间的定量关系,对于未标定区可以通过实际油藏油水界面和烃柱高度分布,反推断层封闭的SGR临界值,进而标定断层侧向封闭烃柱高度与SGR之间的定量关系,从而对未知断裂侧向封闭能力进行定量评价。断层侧向封闭性定量评价主要应用于圈闭风险性评价中,依据断层封闭的烃柱高度和圈闭幅度的关系,分为完全有效的圈闭、部分有效的圈闭和完全无效的圈闭三种类型。
关键词:正断层侧向封闭定量评价临界SGR 圈闭风险性
Abstract
The structure of fault zone in extensional normal fault consists of fault core and damage zone. The main seal mechanism is membrane seal and hydraulic seal. One reliable model used to calculate shale content is SGR value, and common methods to estimate lateral seal capacity are Knipe diagram and Allan diagram. There are five seal types including juxtaposition seal, cataclastic rock seal(SGR<15%), framework-phyllosilicate fault rocks seal(15%
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
(15)
3.1地层岩性特征和断距 (15)
3.2断层带厚度与后期充填物性质 (16)
3.3断层埋藏深度 (16)
3.4断裂变形与埋藏史的关系 (16)
3.5断层后期活动的影响 (17)
第4章断层侧向封闭性评价
方法
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(18)
4.1定性评价方法 (18)
4.2定量评价方法 (19)
第5章断层侧向封闭性评价在勘探中的应用 (29)
5.1断层圈闭风险性评价 (29)
5.2断层侧向封闭性与油气运移和聚集 (31)
结论 (33)
参考文献 (34)
致谢 (35)
前言
1.目的意义
油气在运移过程中常常会遇到断层面,这种断层面有时可以作为油气运移的通道,有时又起遮挡作用(1989,陈发景)。当起通道作用时,油气可沿断层面做垂向运移,断层错断地层的层位不同,油气运移到的层位也不同,其活动时期控制着天然气二次运移的时期;当起封闭作用时,断层在侧向上可阻止油气穿断层面运移,垂向上防止油气沿断面向上部储层运移。因此搞清断层的封闭程度,可认清油气的分布规律,确定油气的勘探目的层,同时研究与断层有关的圈闭,对于有效寻找油气藏具有重要的指导意义。
2.研究现状
断层封闭性的研究自20世纪50-60年代起步以来,已有半个多世纪之久,取得了一系列进展和可喜的成果。
早在1966年,Derret Smith就从分析断层封闭性的本质入手,建立了断层封闭性理论模型,基本含义为:目的盘岩层中的排替压力小于与之对接的断层的另一盘地层排替压力时,断层封闭,故目的砂岩层与对盘泥岩层对接时,断层是封闭的。若断层两盘为砂-砂对接,断裂带内的泥可起封闭作用。Smith在1980年发表的文章中,利用油田实例证实了断层层两侧砂泥对接断层封闭理论的正确性,并通过对野外的实际观察,证实了断层泥的存在。后来人们所做的工作基本都是从不同角度证实Smith模型的正确性,并以断层两盘砂泥对接作为断层封闭的主要
标准
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应用于断层封闭性的判断。
1978年,K.J.Weber等人利用一种环形剪切装置来模拟断层泥的形成,证实了在剪切应力下的塑性地层可以形成断层泥,同时他也对所产生的断层泥进行封闭性能测试,确定断层泥可对流体起遮挡作用。
N.Lwatts于1978年在所发表的文章中以Smith理论模型为基础,从理论上进一步论述了两盘不同渗透能力砂岩相互对接时,无充填情况下的断层封闭单相烃柱和两相烃柱能力的差别。他指出,在浅处断层封闭的油柱高度可能会大于气柱高度,而在临界深度(区间)之下,气比油更容易封闭。在断层封闭能力确定的情况下,如果断层封闭的是油气藏,随着气顶高度的加大,断层封烃的总高度会下降。
1984年,M.W.Devney通过对断层封闭机理的研究指出,断层封闭具备双向性,即顶部封闭(后被称之为垂向封闭)和侧向封闭,且由于两个方向上行至上
的差异,导致对油气保存与破坏的控制作用大不相同;段侧过的垂向封闭将油气限制在某一储层内而不至于上逸散失,断层的垂向开启会导致油气向更新地层中串层运移、聚集(在聚集)、或散失。断层的侧向封闭将油气限制在了断层的一侧,使油气只能在断层一侧沿断层走向发生运移或聚集;断层侧向开启会导致油气产断层面运移,使油气在底层上倾方向上的更远处聚集或散失。
1989年,Urbans Allan 提出了利用断面剖面分析判断断层侧向封闭性的方法,该方法的前提是断层内无充填,断层侧向封闭与否取决于断层两盘砂岩层的对接情况,该方法是以断层能免为剖面,将断层两盘目的层段各岩层按实际地层产状投影到断面剖面上,根据两盘渗透性地层和非渗透性地层的分布状态从右起运移角度分析各点断层的侧向封闭性。
陈发景(1989)在前人研究的基础上又进一步研究了断层封闭机理,建立了断层差异排替压力封闭能力判断模型。指出断层侧、垂向封闭能力的大小取决于目的盘储层与对置盘地层、断裂充填物质及盖层内断层裂缝排替压力差的大小,如果目的盘储层排替压力小于对置盘地层排替压力(无断裂充填或断裂充填物排替压力小于目的储层排替压力)或小于断裂充填物(有断裂充填时)排替压力时,断层侧向封闭,否则断层侧向开启;当目的盘储层排替压力小于盖层内断层裂缝排替压力时,断层垂向封闭,否则垂向开启。陈发景利用北大港油田开发区油藏实例证实了所建模型的正确性。在陈发景以后,关于断层封闭机理问题没再有更新的认识,多数工作都致力于断层封闭影响因素研究和断层封闭性判别方法研究上。
1989年,J.Q.Bouvier 在尼日利亚农河油田利用三维地震资料作过断层切片,研究断层两盘地层接触情况,并以此分析断层封闭性。研究后指出,断层泥的存在确实可以阻挡油气穿过断层的侧向运移。
1992年,曹瑞成、陈章明提出了利用逻辑信息技术判断断层封闭性的方法。该方法是在
总结
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所有影响断层封闭性因素的基础上,利用逻辑信息法对各因素进行分析、筛选,找出最主要的10个因素,并计算其各自在断层封闭性中作用权值,建立由各因素及其权重构成的断层封闭性判别模型。
1993年,Lindsay 等人根据实际资料的统计分析,提出了泥岩涂抹因素SSF(Shale Smear Factor )分析断层侧向封闭性判别方法,其SSF 的计算公式为:SSF =断距/泥岩层厚度,SSF 主要用以表征断层涂抹层的连续程度,Lindssy 给出了断层封闭性作用的SSF 范围值。受Lindsay 的启发,1996年,Fulljames 和Lehner 改进了Lindsay 的SSF 算方法,分别提出了CSP(Clay Smear Potential )和SF(Smear Factor )断层涂抹层连续性的描述方法及公式(CSP =thickness ∑2/distance ,SSF =thickness ∑n/distancem )。1997年,G.Yielding 在前人研究的基础上,提出了断层泥分布SGR(Shale Gouge Ratio )及计算公式:SGR=(Shale ∑bed thickness )×100%/Fault throw 。并用以分
析断层泥的分布及断层的侧向封闭性能。
1994年,M.Antoneuini和A.Aydia通过露头区断裂带的精细地质填图和测量,发现在多孔砂岩中变形条带、变形带和滑移面是同断裂带形成演化有关的次级构造,变形条带的孔隙度比围岩低1个数量级,渗透率低3个数量级,滑移面附近两盘岩石的渗透率比原岩低7个数量级;变形条带中毛管压力比围岩的大10100 倍。因此说,即使是断层两盘砂岩层与砂岩层相接触,由于断裂带的低孔渗性也可能造成断层的侧向封闭。
1995 年,吕延防通过对辽河油田开发区断层所断移地层的砂泥比值统计发现,同生断层断移地层砂泥比值大于1.0、非同生断层大于0.8,断层不具封闭性;封闭断层断移地层的砂泥比值一般小于0.6。他在总结了前人断层封闭性研究成果的基础上,提出了非线性映射分析法判断断层封闭性的数学地质方法。此后,又相继提出了压力系数法、综合地质分析法等断层封闭性分析方法。
1996年,吕延防在充分分析断层封闭机理及封闭性影响因素的基础上.指出影响断层侧向封闭性的主要因素是断层两盘砂泥岩层的对置状况,影响断层垂向封闭的主要因素是断层面所承受的正压力。鉴于我国陆相沉积盆地砂泥岩层单层厚度不大、横向相变快、断层两盘砂泥岩层的对置状况直到油田开发初期都很难用作图的方式准确知晓的特点,提出了利用砂泥对接概率模拟的方法定量研究断层侧向封闭性的新方法。至此,将过去的断层封闭性的定性研究发展到了半定量一定量研究阶段。
1997 年,付广等人在Lindsay 等(1993)提出了泥岩涂抹系数的基础上,结合我国断层发育特点,提出了一套适合我国断层泥岩涂抹系数的求取方法,并将其应用于松辽和塔里木盆地断层封闭性研究中,并取得了较好的效果。1997年,付广等人又对断层垂侧向封闭机理进行了深人研究,对其研究方法进行了探讨。
1998年刘泽荣等应用“多级模糊综合评价技术”研究断层的封闭性。
1999年英国利物浦大学断层研究小组和英国Badleys公司科研人员联合推出了评价断层封闭性的FAPS4.0软件,对于定量评价断层封闭性起到一定作用。
2001年赵密福等将现代测试和数学分析方法应用于断层封闭性研究,实现了从定性到定量的发展方向。
2002年Peter Bretan等提出利用断层泥比率估算断裂带所能支持的烃柱高度,进一步定量研究断层封堵性。
2003年Ted Doughty P研究了生长断层的泥岩涂抹封堵性和断层封闭潜力。
。
同年付广等利用达西定律,建立了断层垂向封闭性评价指标V
n
2004年Kip Cerveny等提出如何在断层封闭性分析中减低不确定因素。
同年刘琨等全面研究断层封闭性的4种基本参数及其相互制约关系,建立符合实际的断层四维封闭模型。
2005年付广、吕延防等建立了利用油气通过断裂带运移速度研究断层垂向
封闭性的综合定量评价方法。
2006年李功权从断层的封闭机理入手,分析了断层封闭性的控制因素。
2007年吕延防等提出利用断层排替压力研究断层垂向封闭性。
由此看出:国内外对断层封闭性的研究,研究方法上,已经向着多角度多学科迅速发展,实现了从定性到定量的研究。内容上,主要侧重于断层的几何学、形态学、断层面的物质涂抹及动力学、运动学等方面。
3.研究思路
4、主要研究任务
综合考虑断层侧向封闭性影响因素,利用封闭性的定性、定量评价方法,预测断层的侧向封闭能力,并将其应用实际的油气勘探中。
第1章断层侧向封闭性研究简史
伴随石油工业的发展,断层在油气成藏中的作用日显突出,其发展可大致分为以下四个阶段。
第一阶段:1850年以前:石油勘探萌芽阶段,围绕“油苗”找油;
第一家石油公司是1859年成立的塞内加(Seneca)石油公司。1859年第一口井大约21m,开始产量每天25桶,随后降到了每天15桶(Weber,2006),部署“经验”和“野猫”井。
第二阶段:1851年—1900年:石油地质开始——“背斜聚油理论”:
两个地质学家于1861发表了他们关于背斜圈闭的理论。加拿大地质调查局的T.Sperry Hunt注意到西安大略的石油生产与宽广的、适度的背斜有关。玛丽埃塔地质专家E.B.Andrews也发现了弗吉尼亚州西部产油井与背斜的密切关系。
I.C.White教授对石油聚集背斜理论的发展做了较为详细的工作。Clapp(1929年)曾提到过“我们的国家似乎被断裂支解了”,他认为在找油的过程中一个应该避开断层。
第三阶段(1901年—1960年);石油地质理论发展,圈闭分类描述,开始考虑断层在石油圈闭中的作用。
部分学者认识到断层是圈闭形成的重要因素之一(表1-1);1955年AAPG 年会(1958年公开发表)《石油产出》(Weeks,1958)绪论中列举18个问题,其中有“断层是否通常是充当运移的通道还是运移的遮挡物”;少数勘探地质学家提到断层封闭的重要性(McKnight,1940;Wilhelm,1945;Willis,1961);对断层的类型和断层岩性对接更为重视(忽略断层岩)。
第四个阶段(1961年—1980):断层对油气成藏控制作用及断层封堵性分析的初级阶段
20世纪下半叶,在圈闭分类中充分考虑了断层的重要性;同时建立了断层封闭的岩性对接概念模型,将毛细管压力理论应用到断层封闭研究中(Smith, 1966;Perkins,1961);确定了泥岩涂抹是断层封闭的重要因素之一(Perkins, 1961;Weber和Daukoru,1975;Weber等,1978 );涉及了有关断层岩组构和岩石物性方面的研究(Pittman,1978,1981);Smith(1980)和Watts(1987)推广使用“Sealing fault”和“fault seal”术语,并提供了断层封闭性分析的完善理论框架。
表1-1 构造圈闭分类
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
中断层的作用(据Rasoul Sorkhabi等,2006)
表1-3 断层封闭的标定(Smith,1966,2007,修改)
断层在石油勘探、油藏管理和生产规划上不可忽视的重要性受到普遍认可;被断
层分隔储层越来越成为人们关注的经济勘探目标;3D高分辨率地震和测井技术能够有效识别断层;基于野外露头、岩心分析,对断裂带结构有了深刻的认识(Bruhn等,1990;Knipe,1992;Antonellini和Aydin,1994;Caine等,1996; Burhannudinnur和Morley,1997;Walsh等,1998;Wallace 和Morris,1986; Gibson,1994;Shipton等,2002),识别多种类型的断层岩(Sibson,1977; Watts,1987;Mitra,1988;Knipe 1989,1992;Knipe 等,1997; Weber, 1997; Fisher和Knipe,1998;Gibson,1998),并确定其封闭作用;建立了考虑多因素的断层封闭性评价方法。提出了断层输导油气的“地震泵”抽吸作用(Sibson, 1975;Hooper,1991;华保钦,1995),进一步提出“断-压”双控油气运移模式(郝芳等,2004);
图1-1 断层封闭性评价方案的鱼骨状示意图(Rasoul Sorkhabi,2005)
第2章断层带内部结构、封闭机理及类型
2.1 断层带内部结构
断裂带(Fault zone)结构表现为二分结构(付晓飞,方德庆,吕延防等, 2005;Sibson,1977;Chester,Logan.1986):断层核(Fault core)和破碎带(Damage zone),两者之间没有数量上的关系,同时并不是每部分都会出现在断层中。需要指出的是断层对流体的作用是变化的,因此我们所看到的断层只是断层活动过程中的一个时间点对应的状况。因此对于特定的断层带,在确定其概念模型时,了解被研究断层所处演化阶段是非常重要的。
(1)断层核
断层核吸收了断层大部分位移,由滑动面(Slip surface)和多种类型断层岩(Fault rock)构成(Sibson,1977;Chester,Logan.1986)。基于油田的调查表明下倾向和走向上的厚度变化和不同内部结构与组分对断层核部的流体流动起到很重要的作用。粒度减小与细粒沉积都会使断层核具有相对原岩较低的孔隙度与渗透率。渗透率下降则会使断层核具有对流体流动的阻碍作用。
图2-1 断裂带内部结构及封闭机理模式图
(2)破碎带
破碎带为与断层形成统一应力场和活动派生的应力场中形成的大量裂缝切
割围岩部分,因此具有比围岩更高的渗透性。如果不考虑胶结作用和成岩作用的影响,断层核渗透性往往比破碎带低得多(付晓飞,方德庆,吕延防等,2005; Chester,Logan,1986;Scholz,Anders.1994;熊永旭等.1978; Smith、Forster、Evans,1990; Andersson、Ekman、Nordqvis、Winberg,1991),断层核表现为特低孔特低渗的特征,破碎带由于大量裂缝的发育渗透性大大提高(图2-1)。
2.2断层侧向封闭机理及封闭类型
断层侧向封闭机理主要为薄膜封闭(Membrane seal)即毛细管封闭(Hubbert.1953;Smith,1966;Engelder,1997;Watts.1987;Smith,1980)(图2-1),因此断层岩性质和两盘对接情况是决定断层封闭能力的关键因素。基于断层封闭机理的认识,断层封闭可以划分为三型五类(图2-2):
图2-2 断层侧向封闭类型及影响因素
对接封闭(Juxtaposition seal)(Smith,1995; Allan.1989):
其是指储层砂岩对接于低渗透性或非渗透性岩层所形成的封闭。无论断裂带内部结构如何,无论断层核中断层岩性质如何,只要断层一盘渗透性地层与另一盘非渗透性地层对接,断层侧向是封闭的,这种模式适用于正、逆和走滑断层,也适用于各种沉积环境地层。
断层岩封闭(Fault rock seal):
断裂变形过程中卷入断裂带中并受变形影响形成的岩石,包括三种类型:一是碎裂岩封闭(Cataclastic rock seal)(Knipe,1992a,1992b):碎裂岩形成于粘土含量低、纯净的砂岩中(泥质含量不超过15%),碎裂岩起因于破裂作用、颗粒磨擦滑动以及伴随有粒径减小的孔隙的崩塌(Knipe,1992a,1992b)。碎裂岩破碎程度往往不足以产生高排替压力,只有随着埋藏深度的增加,石英压溶胶结可能使碎裂岩产生比围岩更低的物性特征。石英压溶胶结取决于变形的温度、压力条件,主要的控制因素还是温度,普遍的结论是石英压溶胶结的温度大于80℃-90℃。
二是层状硅酸盐-框架断层岩(Phylloslicate-frame rock seal):是由含一定层状硅酸盐不纯净砂岩的变形而形成的(泥质含量为14(15%)-40%(50%)) (Knipe,1992a,1992b,1997),由层状硅酸盐与框架石英混合形成的断层岩。这些互相联结的微观泥质带可能具有与粘土封堵相似的特性,其封闭性是受变形层状硅酸盐的连续性和结构控制的,并不一定像泥岩涂抹那样要求厚而且塑性较强的粘土地层单元。
三是泥岩涂抹封闭(Clay smear seal)(Knipe,1992a,1992b;Sverdrup, 1997;Weber,1975;Bouvier,1989;Lehner,Pilaar ,1997;Doughty,2003; Aydin,Eyal,2002;Clausen,Gabrielsen,2002):泥岩涂抹是在断层在活动过程中,由于巨大的构造应力和上覆岩层重量的作用,在断层两盘削截砂岩层上形成一个薄薄的泥岩层,由于泥质颗粒侵入到砂质颗粒中,而且发生了动力变质和重结晶作用,使其成分均一化,物性明显降低,故具有非常高的排替压力,对被涂抹砂层中的油气起到侧向封堵作用。Lindsay等(1993)通过野外露头观察认为泥岩涂抹主要有三种类型:即研磨型(Abrasion smear)、剪切型(Shear zone smear)和注入型(Injection smear)。泥岩剪切强度和含水量是泥岩涂抹形成的主要控制因素(Bouvier,1989;Lehner,Pilaar ,1997;Doughty,2003; Aydin,Eyal,2002),其形成于同生断裂中,且埋藏深度不超过50m[80],但在固结成岩泥岩中的断裂作用也发育泥岩涂抹(Clausen,Gabrielsen,2002; Knipe,1998;Childs,Walsh ,Watterson,1998)。无论哪种类型的泥岩涂抹,只要连续分布,就能对储层中油气具有封闭作用。
胶结封闭(Cemented seal):
断裂带形成后被后期胶结物充填,造成断裂带渗透性降低形成封闭条件,常见的胶结作用有:碎裂岩深埋石英压溶胶结、深部热液胶结和沥青塞作用等。
除了胶结作用之外,岩性对接封闭和断层岩封闭性受控于断移地层岩性及断层规模,因此合理预测断层两盘岩性对接及断裂带填充物泥质含量成为断层侧向封闭性预测的核心内容
第3章断层侧向封闭性影响因素分析
断层侧向封闭性评价存在很多不确定性因素,这些不确定性因素极大影响断层的侧向封闭能力,因此深入剖析这些因素,对正确评价断层的侧向封闭性具有重要的意义。
3.1地层岩性特征和断距
地层岩性特征和断距是控制断裂带中泥质含量及封闭能力的主要因素。这里所涉及的地层岩性特征主要指断移地层的砂泥比。砂泥比值为某一层段内砂岩层总厚度与泥岩层总厚度的比值。不难想象,如果为断层所错动的地层中砂泥比值较高,泥岩层对置的可能性就一定很小,断裂充填物的性质也以砂质为主。在较高的砂泥比条件下,断层的封闭能力必然较低,因此当砂泥比值高到一定程度时,无论其它条件如何,断层都不具封闭能力。
断距也是影响封闭性的一个主要因素,断距大小直接影响着泥岩涂抹的连续程度和涂抹的厚度,可以定性理解为断距越大涂抹越不连续,同时涂抹厚度越小,那么断层的封闭能力也就会随之下降。断层封闭性定量评价的基础是断裂泥比率的计算,目前存在多种计算方法(SSF——Shale Smear Factor、CSP——Clay Smear Potential和SGR——Shale Gouge Ratio)(图3-1-3),地层岩性特征和断距是影响断裂带中断层泥比率的关键因素。泥岩厚度和断距共同约束断层泥比率的大小,断层泥比率与泥岩厚度、断距不存在单因素的相关关系。野外定量表征这些计算方法,结果与实际测试的断裂带中泥质含量误差最小的为SGR(图
3-1-4),因此选择SGR为预测手段。
图3-1 断裂带中泥岩涂抹规律计算方法
3.2断层带厚度与后期充填物性质
毛细管压力大小、毛细管阻碍流体运移的程度是和断层带厚度成正相关的(Scholz,1987;Evans,1990;Knott,1994;Childs等人,1997;Sperrevik等人, 2002)。断层带厚度这一因素是非常重要的,特别是在没有泥岩涂抹的位置,带内多个主滑动面和混杂的岩性将会大大改善断层封闭能力(Roald和F?rseth, 2007)。
断裂充填是一种普遍的地质现象。如果断裂充填物以泥岩为主,由于其很高的排替压力使其具有很好的侧向封闭性,并且也有很好的垂向封闭性。由此可形成断层的垂向与侧向双重封闭性。但如果断裂充填物以砂质为主,且其排替压力不比目的盘储层排替压力高,则该充填物不具备侧向封闭性,同时也不具垂向封闭性。如果断裂充填物以砂质为,但后期由于地层水的矿化作用,使得原生孔隙被次生矿物所充填,或者由于石油沿其运移的过程中的降解作用,也会形成断裂充填的封闭。如果充填物具封闭性,与目的盘砂层对置的断层另一盘为泥岩层,泥岩层可增强断裂充填的封闭能力,减少油气侧向穿断层运移的风险
3.3 断层埋藏深度
多个盆地的研究结果表明,埋深对封闭性影响很大,同时深度越深对封闭性的影响越大(Hindle,1989;Knott,1993;Gibson,1994;Hesthammer 等人, 2002; Sperrevik 等人, 2002; Yielding, 2002; Bretan 等人,2003)。随埋深的增加,物理和化学方面的作用(压实和交结)都会产生孔喉半径减小、毛细管压力升高。在埋深超过3000米,或温度大于90°C时,石英会发生结晶,从而增加断层的封闭能力(Fisher和Knipe,2001)。由于在埋深很大时,其他因素对封闭性的增强影响较涂抹而言不容忽略,因此即使深部和浅部的SGR值相同,深部的断层封闭能力也会强于浅部。
3.4 断裂变形与埋藏史的关系
断裂变形发生的时间与埋藏的历史匹配关系有2种类型:
第一种是早期断裂变形之后深埋形成断层岩,之后在埋藏过程中发生与围压大致相同的成岩作用,变得越来越致密,封闭性能有逐渐增强的趋势。早期伸展后期没活动的断裂系统普遍具有这种特征,这类断层具有较强的侧向封闭能力。
第二种是早期深埋晚期断裂变形(未抬升),该类断层变形特征取决于岩石力学特征,塑性泥岩依然产生泥岩涂抹,相应形成较强的封闭能力;脆性砂岩多被研磨破碎,断裂带孔渗较高,相对的封闭能力较差。
3.5 断层后期活动的影响
早期活动的断裂晚期再活动时,对早期形成的断层岩有改造和破坏的作用,主要有两个方面:一是早期形成的泥岩涂抹,由于后期活动断距增大,从而将泥岩涂抹拉断(吕延防等,2000);二是早期形成的断层岩在晚期活动时产生裂缝,成为油气的运移通道(RDR公司,2004,2005)。因此早期形成的断层岩在晚期活动时容易被破坏,断层封闭性变差。
另外,我们可以利用原地压力状态的方向和大小、空隙压力、和断层几何形态来推测关键断层复活的可能性(Bailey 等人, 2006)。将要活动的断层,其内部的压力状态是不稳定的,很可能会将部分压力传给烃类。相比较而言,稳定的断层更可能出于封闭状态(Bola’s and Hermanrud,2002;Wiprut and Zoback, 2002; Jones and Hillis,2003)。
第4章 断层侧向封闭性评价方法
4.1定性评价方法
4.1.1利用Knipe 图解和Allan 图定性评价断层侧向封闭性方法
对于研究区内以岩性对接为主要侧向封闭类型的断层,其断层侧向封闭能力取决于断层两盘的岩性对接关系,因此,我们可以利用Knipe 图和Allan 图对其进行断层侧向封闭性研究。
一、Allan 图基本原理
1989年,Allan 在研究墨西哥湾沿岸三角洲油气与构造关系的过程中提出了断层构造内油气运移和圈闭模式,以预测哪一类闭合度构成圈闭的可能性大以及这些圈闭所能容纳的油气数量,开启了断层封堵评价的先河。Allan 在其断层研究工作中提出了著名的Allan 图,又称“断面图”。
断层错断岩层时,沿断层走向断距是变化的:断裂中心断距最大,向两侧逐渐减为零。我们可以依据地震解释数据中断层断距的变化及断层两侧岩性关系,将上下盘同时投影到断层面上,就形成了Allan 图(图4-1)。通过绘制Allan 图,我们可以清楚的知道断层两侧的岩性对接关系。 图4-1 断层在三维空间中的形态及Allan
图
二、Knipe 图解基本原理
1992年,Knipe 在研究北海ULA 油气田时,对Allan 图作了改进,采用断层
upthrown
downthrown
(after Allan, 1989)
面的实际形态作图,并在计算机上得到了实现。紧接着,Knipe等提出了传统三角图,在传统的三角图上除了绘出断层上下盘的岩性外,还用x轴表示了断层断距的变化。其优点是它能对断距不同断层的对接关系和封堵性进行快速的初步评价。尽管如此,Allan图和传统三角图都只考虑了断层两侧地层的岩性对接关系,只能是一种定性的评价方法。1993年,由Knipe等对三角图进行了改进,改进后的三角图不仅考虑岩性、断距,而且考虑断层涂抹封堵,使断层封堵分析向定量研究迈进了一步。
图4-2 Knipe图解与实际断层面上两盘岩性对接关系对比(据Knipe,1997)
Knipe图解是以单井资料为基础,编制的理想状态下岩性对接及封堵图,X (水平)轴代表断层垂直断距的变化。图4-2所示的这种图表明一条伸展断层,其下盘地层保持水平,上盘地层保持倾斜,对接图的这种视角,等同于“看穿”一条断层,下盘地层可视作与断层面相交,上盘地层可看作沿斜线与看穿断层相交,在图上向右垂直断距增加,地层单元的偏离随之增加。Knipe图解实际是表达理想状态下不同断距断层两盘对接特征,以此为基础,可进一步计算不同断距条件下不同对接的地层断裂带内SGR值,并根据断裂带中SGR判断断层岩类型,依据数据库中不同类型断层岩的属性特征,进一步判断断层侧向封闭能力。
4.2定量评价方法
目前世界上应用于断层封堵性分析的常用定量算法中,以泥岩断层泥比即SGR算法最为常用,效果也最好。本文主要介绍了用过断层的压力差和用浮力对SGR进行标定的两种方法,并通过建立SGR与过断层带压力差(AFPD )的关系来定义与深度有关的封堵失败包络线。封堵失败包络线提供了一种估算断层可支撑的最大烃柱高度的方法。
断层封堵性分析是断块圈闭勘探和断块油藏开发中不可缺少的研究内容
(Peter,2003)。TrapTester软件可以进行断层封堵定量评价,通过建立断层封堵属性值与过断层压力差的关系来对未钻探断块圈闭进行封堵完整性评价,进而估算断块圈闭的潜在烃柱高度。导致断层封堵的机制主要有四种,分别是对接作用、粘土涂抹、破裂作用和成岩作用(Yielding,Freem,Needham,2003; Knipe,1997;Knott,1993;Smith,1980)。常用的断层封堵定量算法主要有三种,即泥岩断层泥比(S hale Gouge Ra tio,即SGR ) 、粘土涂抹潜力(Clay Sm ear Potential,即CSP) 、泥岩涂抹因子( Shale Sm ea r Factor,即SSF ) (Peter,2003;Yielding,Freem,Needham,2003;Knipe,1997;Knott,1993; Smith,1980;Lindsay,Murphy,1993)。其中以SGR 方法最为常用,效果也最好,本文主要对该方法进行探讨。
4.2.1 SGR的计算方法
在静态压力条件下,断层封堵行为的主要控制因素是断层带的泥质含量(Yielding,Freem,Needham,2003;Knipe,1997);。因此要预测断层的封堵能力,必须对断层带的泥质含量进行评价。SGR就是预测由于断裂机械过程导致的进入断层带的泥质含量。在断层的每一点, SGR 算法计算断层上滑过那一点的岩石的泥质含量(图4-3) (Peter,2003)。其计算公式为:
SGR=Σ(Vsh·ΔZ)/D×100% (1)
式中ΔZ、Vsh和D分别表示地层带的厚度(m)、地层带的泥质百分含量(%)和断层的断距(m)。该算法首先需要根据断层和层位的解释结果构建一个合理的框架模型,然后结合井的地层段划分和Vsh资料进行计算。
图4-3 SGR计算模型图
当SGR<15%~20%时,对应典型的碎裂岩或岩石崩解带,而当SGR>50%时为泥岩涂抹,中间的成分指泥岩骨架断层泥或层状硅酸盐骨架断层泥(Yielding, Freem,Needham,2003)。
4.2.2用过断层压力差对SGR进行标定
应用SGR方法对一个具体地区断层的封堵性进行评价,须用被钻井资料证实了具有封堵能力的油藏断层对SGR值进行标定。用原地的压力资料对SGR进行标定,推导断层的封堵强度,从而估算烃柱的高度。在理想情形下,SGR值必须用断层圈闭的烃类与断层带中水之间的压力差进行标定。由于很难收集到断层带中精确的水的压力资料,压力差异通过测量相同储层中烃相和水相之间的压差或者测量过断层的压力差异得到。定义AFPD为断层面上同一深度在断层上升盘和下降盘测得的原地压力值的差,即过断层的压差(图4-4)。通过重复地层测试(RFT)获得的压力—深度数据提供了地下压力机制的原始观察测量值。AFPD的这一定义假设断层带物质支撑了断层上升盘和下降盘两侧之间的压力差异;也假设当断层带中含水时,过断层的含水层具有相同的压力,但没有考虑由不同毛管性质的对接砂岩引起的压力差异。
图4-4 过断层压力差(AFPD)示意图
AFPD是在断层面上同一深度测量的上升盘一侧(A)的烃类压力和下降盘一侧(A’)的水压力的差异。
图4-5为过断层的压力差与SGR的关系图,图中数据来自于北海、挪威、墨西哥、越南以及泰国的一些盆地。图中划分来自于封堵断层的数据点的区域与数据空白区域间的边界线被称为封堵失败包络线(Yielding,Freem,Needham,2003),包络线显示了一给定SGR值可支持的最大AFPD。从图4-5可知,随着SGR值增加,它支持的AFPD明显增加。随着深度的增加,相同SGR值可以支持的AFPD也增大。SGR与AFPD关系的封堵失败包络线方程为:
AFPD(×105Pa)=10(SGR/27-C) (2)
式中C为一常数,埋深小于3000m时,C为0.5,埋深在3000~3500m之间时,C 为0.25,埋深超过3500m时,C为0。代表断层封堵或不封堵的SGR的临界值为15%~ 20%(Yielding,Freem,Needham,2003;Knipe,1997;Knott,1993;Smith, 1980)。
图4-5 砂砂储层对接区的 SGR与过断层压差的标定图
图中数据来自于北海、挪威、墨西哥、越南以及泰国的一些盆地。按照埋藏深度给出不同颜色代码,深兰色表示埋深小于3000m,红色表示埋深3000~3500m,绿色表示埋深3500~5500m。虚线为封堵失败包络线,代表了特定SGR值能支持的最大毛管压力。
4.2.3用浮力对SGR进行标定
图4-5通过在同一张图上绘制SGR与AFPD的关系可以得到封堵失败包络线,但由于这个包络线还受到其它因素,比如断层埋藏深度、断层两侧不同的岩石类型、断裂带的宽度以及断层两侧不同的流体对接类型等的影响,所以其真实性不是很高。过断层两侧的压差或者相同储层中的压差可能是不同流体相引起的,也可能是相同流体相但具有不同的流体密度或者断层起了封堵作用引起的。而相同储层中不同流体相之间存在浮力,浮力的大小与流体的密度有关,也决定了压差的大小。通常情形下,通过RFT测试更容易得到断层两侧储层中油、气、水等不同流体相的密度和压力数据,因此可以通过计算得到浮力数据。因此用浮力代替
压差对SGR进行标定更容易实现。
对图4-5中的标定数据按照浮力和埋藏深度进重新分析,过断层存在三种明显的流体对接类型即烃类与水对接、烃类与烃类对接以及水与水对接。要从这些基本的对接类型中确定浮力是很困难的,不仅取决于过断层是否有一个共同的或不同的含水层,而且与烃的密度有关。
一、烃类与水对接
图 4-6 不同含水层的横剖面、断层带细节和压力深度剖面示意图(Peter,2003)
第一种基本的流体对接类型是断层面上烃类与水对接,也是用于对SGR标定最好的对接类型。当不同压力的含(烃)水层过断层对接时,由于烃类或水在储层中的等压线是水平的,断层带中的等压线必定是陡倾的,且倾向于较低压力的含(烃)水层(图4-6)。在过断层的含水层压力存在变化的地方,原始的AFPD值为
断层带毛管压力和含水层间压力差的和。如果压力差异是从过断层同一深度储层中测量的烃压力减去水压力得到的,则原始的AFPD 将不代表断层带毛管压力。此时用合适的断层一侧的浮力计算相对于含水层的压差。
储层中的等压线是水平的但断层带中是陡倾的。图a 表示上升盘含水层的压力比下降盘含水层低,此时与水接触的烃相在断层带中压力低,而不是下降盘一侧相对高的水压。图b 表示上升盘含水层的压力高于下降盘,此时与水接触的烃类在断层带中压力高。图中用黑色表示烃类,灰色表示高压含水层,
白色表示低压含水层,压力—深度图上的虚线表示水的趋势线,用于计算浮力。
浮105Pa 浮力
()力(105Pa )
图 4-7 含油砂岩与水对接的 SGR 与浮力标定图 [北海盆地Oseberg 和Gullfaks 油田]
标定图中所有数据来自于埋深小于3500m 的断层,深兰色表示埋深小于3000m ,红色表示埋深3000~3500m 。
用先前通过原始AFPD 分析的油(图4-7)数据新计算浮力,图5显示,一个较大范围的浮力差,其对应的SGR 值范围较小。通常SGR 值和最大浮力之间存在对应关系,低的SGR 值只可以支持低的浮力。然而这种对应关系只在SGR 为20%~
40%之间适用,在SGR 值小于20%时,说明相对纯的砂岩对接受成岩作用或碎裂作用的影响弱,通常对油不起封堵作用。
二、烃类与烃类对接
第二种基本的流体对接类型是断层面上含气或含油层段与其它具有相同密度的含气或含油层段对接。对应于一个大范围的SGR 值,压力差的范围很小(图4-8)。SGR 值小于 30%仅能支持很低的AFPD(约2×105Pa) ,而SGR 值大于40%可支持高的AFPD(约10×105Pa) 过
bar 断
层
压差
(
) 图 4-8 对接烃类的 SGR 与过断层压差关系
气气对接用“十”号表示,油油对接用“· ”表示。绿色表示埋深小于3000m ,红色表示埋深3000~3500m ,绿色表示埋深3500~5500m 。
三、水层与水层对接
流体对接的第三种基本类型是断层面上水层与水层对接 (图 4-9)。含水层之间的压差,不反映薄膜封堵的毛细管排替压力影响。然而,由含水层对接推导
的SGR 与AFPD 间存在一定的关系,高的SGR 值支持高的AFPD 。在高SGR 下的非常低的断层带渗透率最可能引起大的压力差,从而阻止流体通过断层带发生运移,
Heum 将这种类型的封堵称为水力阻力封堵。
过
(bar)
断层
压
差
图 4-9 对接含水层的SGR 与过断层压差关系
数据点显示对应于一个大范围的SGR 值,压力差的范围很小。深兰色表示埋深小于3000m ,红色表示埋深3000~3500m 。绿色表示埋深3500~5500m 。
4.2.4 用SGR 值估算烃柱高度
一、烃柱高度的估算方法
用SGR 与AFPD 之间的经验关系可以推导断层每一部分可以支持的潜在烃柱高度。首先,用方程(1)或其它相似方程对SGR 值进行标定,推导沿断层面的最大可支持的压力。其次,结合在油藏条件下的水、油或气相的密度数据,用方程
(2)将压力差转换成最大的潜在烃柱高度。
H=dP/g(ρ
w -ρ
h
) (3)
H —烃柱高度,m;
dP—在共同含水层用方程 (2)估算的AFPD或者浮力,×105Pa;
ρw—孔隙水密度,kg/m3;
ρh—烃密度,kg/m3;
g —重力加速度,取9.81m·s-2。
二、烃柱高度估算实例
运用上述方法,采用TrapTester软件系统,对中国东部某断块圈闭 A进行了断层封堵性分析和烃柱高度估算。
圈闭A的主要勘探目的层为AA组,其为一套砂泥岩交互地层。图8 AA组顶面构造图,该圈闭由Fa,Fb,Fc三条断层控制形成。
图 4-10 中国东部某断块AA组圈闭顶面构造图
从图4-10可知,如果不考虑三条控制断层的封堵条件,则该圈闭的构造高点为3200m,闭合幅度达400m,圈闭面积接近6km2。断层封堵分析研究表明,研究区内 SGR值大于 15%的断层均具有封堵性。Fa,Fb,Fc三条断层的 SGR分布范围分别为19%~98%,20%~100%,26%~97%。根据SGR估算的可支撑的烃柱高度分别为250m,280m和480m。综合三条断层的估算结果,就可以确定该断块圈闭的烃柱高度主要受Fa断层控制,圈闭A的有利圈闭幅度应为250m(表4-1),即当圈闭内充注油气的高度超过250m时,油气将首先通过Fa断层发生泄露。也即只有构造等值线在3450m范围之内的圈闭面积才是有利的,该面积约为原来面积的一半。
表4-1 中国东南部地区断块圈闭要素及停住高度预算
尽管影响断层封堵性研究的因素非常多而且复杂,这些因素主要包括断层
性质、断距、岩性、流体类型以及断层活动史等等。但应用SGR方法研究断层的封堵性,只要能够提供合理的构造精细解释结果和井点位置的准确的泥质百分含量,并应用当地油藏断层的压力数据进行标定,就可以得到一个研究区合理的断层封堵分析结果,并准确地预测断层可支撑的潜在烃柱高度,为圈闭综合评价和油气勘探提供理论依据。
第5章断层侧向封闭性评价在勘探中的应用
断层侧向封闭性在勘探中的应用体现在两个方面:一是用于钻前断层圈闭风险性评价;二是断层作为输导体系的重要组成部分,其封闭性影响油气运移路径和聚集规律,油气运聚成藏过程研究必须考虑断层活动性和侧向封闭性。
5.1 断层圈闭风险性评价
图5-1 断层圈闭有效性分析
无论控圈断层是不是油气向圈闭充注的通道,聚集在断层圈闭油气的数量受到断层侧向封闭能力的控制,依据断层侧向定量评价预测的烃柱高度,对圈闭风险性进行预测,有三种情况(图5-1):一是完全有效的圈闭:即预测的烃柱高度
大于圈闭的幅度,含油气面积与圈闭的闭合面积一致;二是部分有效的圈闭:即预测的烃柱高度小于圈闭的幅度,但含油气面积所确定的储量有一定规模;三是完全无效的圈闭:预测的烃柱高度非常小,含油面积极小。断层圈闭风险性评价会避免近油源“大断层圈闭”表观带来的“陷阱”:一是尽管圈闭的规模很大,但断层封闭性很差,往往是水圈(图5-1);二是已证实含油的圈闭,由于断层封闭能力有限,油水界面与圈闭最大的闭合线往往不重合,在扩边时提防评价井打在有效范围之外(图5-1)。断层圈闭风险性评价对提高钻井成功率和节约勘探成本具有重要的意义。
根据海拉尔盆地贝尔凹陷呼和-7断层圈闭SGR 临界值及d 值标定结果,对贝西南地区圈闭有效性进行了预测(图5-2),绝大多数圈闭为部分有效的圈闭,只有呼和-13和贝23井所在圈闭为完全无效的圈闭,这是贝23井失利的主要原因,而贝13井和贝9井均钻在圈闭有效范围边缘,为油水过渡带,试油为低产油流。
图5-2 海拉尔盆地贝西南南屯组二段圈闭风险性评价
5.2断层侧向封闭性与油气运移和聚集
图5-3 断层侧向封闭性与油气运移路径关系
视活动期与烃源岩大量排烃时期匹配关系,断层在油气成藏中的作用明显不同,连接烃源岩且在烃源岩大量排烃时期活动且具有顶封条件的断层为烃源断层,对油气垂向运移起到明显的输导作用。在烃源岩大量排烃时期没有明显活动
的断层,对侧向运移的油气主要起遮挡作用。油气沿着砂体或不整合面侧向运移常沿着优势路径,当遇到断层时,主要发生三种变化:a.断层在近油源一侧无圈闭,当断层封闭能力很强时,油气将绕过断层,在断层断点以外继续侧向运移(图 5-3a )。b.断层在近油源一侧有圈闭,当断层封闭能力很强时,油气大量聚集在断层圈闭中,当充注的油气浮压大于断层侧向封闭能力时,油气穿越断层继续侧向运移(图 5-3a );c.无论近油源一侧有无圈闭,当断层封闭能力很弱时,油气均将穿越断层侧向运移,有圈闭时形成“水圈”(图 5-3a )。
在实际油气运聚成藏过程中模拟中,传统方法为,对于活动断层赋予比砂泥岩更高的渗透率,不活动的断层渗透能力视为0。随着对断层侧向封闭能力的相对性认识的深入,发现SGR 与渗透率之间存在正相关关系,Manzocchi 等人(1999)和在FAPS 软件中(Badley ,1997)分别建立了断层渗透性与SGR 关系(式4、5):
51)log(4
1
4log )—(SGR D SGR k f ?--= (4)
10
)
5(SGR f
k
-= (5)
这种关系建立很好地将断层侧向封闭性评价结果应用到油气运聚规律模拟中模拟,使模拟的结果更符合客观事实。但也存在很多问题:a.SGR 值很难恢复到成藏关键时刻;b.SGR 与断层渗透性关系没有可靠的数据去标定正确性。因此断层侧向封闭性在油气运聚过程模拟中的应用仍处在萌芽阶段,需要不断地去探索。
结论
(1)断层带具有二分结构,即断层核与破碎带。断层核具有相对较低的孔隙度与渗透率,对流体流动主要起阻碍作用;断层封闭机理为薄膜封闭与水利封闭;断层的侧向封闭类型可分为:对接封闭、断层岩封闭(碎碎裂岩封闭、层状硅酸岩-框架断层岩封闭和泥岩涂抹封闭)、交接封闭;
(2)断层侧向封闭的主要影响因素为:①地层岩性特征和断距大小;②断层带厚度与后期充填物性质;③断层埋藏深度;④断裂变形与埋藏史的关系;⑤断层后期活动的影响;
(3)断层侧向评价方法可以应用Knipe图解和Allan图方法,用之可确定断层上下两盘的岩性对接关系;定量评价主要方法为SGR算法,这里主要介绍了用过断层的压力差和用浮力对SGR进行标定的两种方法,并通过建立SGR与过断层带压力差(AFPD )的关系来定义与深度有关的封堵失败包络线。封堵失败包络线提供了一种估算断层可支撑的最大烃柱高度的方法;
(4)断层侧向封闭性在勘探中的应用体现在两个方面:一是用于钻前断层圈闭风险性评价;二是断层作为输导体系的重要组成部分,其封闭性影响油气运移路径和聚集规律,油气运聚成藏过程研究必须考虑断层活动性和侧向封闭性。
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致谢
本学生能够在较短时间内完成本科毕业设计,是在付晓飞老师的指导栽培下顺利进行的。毕业设计期间得到老师的悉心教导,不但在论文撰写过程中给予大量相关资料,更是对理论研究有所提醒。在此,对付老师致以深深的感激!
另外,本学生得到研究生刘哲师兄的很多帮助,并对相关地质软件有了初步认识,在此,对师兄的批评指导表示感谢!
浙公网安备 33021202002483