崔殿

(中石化股份胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015)

准噶尔盆地西北缘百口泉断裂成岩封闭作用研究

崔殿

(中石化股份胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015)

从机理上看,影响断层封闭性的主要因素包括:涂抹作用、碎裂作用及成岩作用。其中成岩作用是静止期断层逐渐封闭的主导因素,其类型主要包括:压实和充填作用、胶结作用,二者对断层的封闭性均具有建设性作用。根据地震、测井、录井及试油等基础资料,运用定量计算的方法,并结合岩心和岩石薄片观察,对准噶尔盆地西北缘百口泉断裂内成岩作用进行了研究。结果表明:由于百口泉断裂内压实和充填作用强烈,致使该断裂的封闭性较好,对油气具有良好的封堵作用。加之受胶结作用的影响,使断裂带与相邻围岩相比具有较低的孔隙度和渗透率。最后通过断裂带结构划分,结合岩心和岩石薄片观察,初步认为百口泉断裂内成岩胶结作用的影响范围约为100～120m。

断层封闭性 压实作用 胶结作用 百口泉断裂 准噶尔盆地

从机理上看，断层封闭作用主要包括3种类型：涂抹作用、碎裂作用和成岩作用。通常所采用的断层封闭性评价方法主要是针对前两种类型的封闭作用，国内外关于断裂带成岩作用对断层封闭性影响的研究较少，而这种作用往往是影响静止期断层逐渐封闭的主要因素。通过研究认为影响断层封闭性的成岩作用包括胶结作用和由断面正应力导致的压实和充填作用。这二者对断层封闭性均具有建设性作用。因此，开展断裂带成岩作用对断层封闭性影响的研究，不仅可以丰富断层封闭性研究的理论和方法，而且对寻找新的与断层相关的油气藏及拓展勘探空间，具有重要意义。

表1 447井附近百口泉断裂封闭性参数计算表

1 地质概况

准噶尔盆地西北缘为一晚古生代晚期—中生代早期形成的大型叠瓦冲断系统。区域内发育众多平行于构造线方向的NE向逆推断层以及与主断层垂直或斜交的近NW向横断层，这些断层控制了西北缘油气的空间分布。百口泉断裂是克夏断裂带的重要组成部分，属于一级断裂，其南接南白碱滩断裂、北接百乌断裂。该断裂活动时期较长，从二叠纪开始持续活动至中侏罗世末期。该断裂总体走向为南西～北东向，倾向北西，呈向东凸出的弧形，断层面上陡下缓，上部倾角60°，下部倾角20°～35°；深部地层垂直落差大，浅部地层落差小，三叠系底垂直断距200m～800m，水平断距200m～600m；侏罗系底垂直断距50m～200m，水平断距30m～180m，具有同生逆掩断裂的性质。延伸长度约12km。断裂早期与南白碱滩断裂和百乌断裂为一条断层，三叠纪以来，由于受印支、燕山运动引起的平面差异运动的影响逐渐分化成为独立断层。

2 压实和充填作用对断层封闭性的影响

2.1 压实和充填作用机理

当断层上下盘岩层所受的正应力超过了其破裂强度，会使岩石发生破碎，从而充填堵塞了断裂带内部孔隙空间并且使断面紧闭，使断层封闭。这种作用使断裂带内孔隙度、渗透率降低，导致断层达到了封闭的效果。断裂带的压实作用可以用断层面承受的正应力进行表征，而充填作用则由断裂带泥质充填含量表征。当断裂充填物的驱替压力高于围岩时，必然封堵流体的运移。

2.2 压实和充填作用对百口泉断裂封闭性的影响

通过对钻遇百口泉断裂的417井和423井的岩心取样作岩石薄片观察发现：断裂内压实作用强烈，表现为受构造应力作用颗粒塑性破碎并被压碎后进入孔隙。充填作用普遍发育，泥质充填了裂缝(图1)。

压实和充填作用对断裂封闭性的影响不仅可以通过岩心观察等方式进行定性研究，还可以通过公式计算的方式进行定量评价。压实作用可以通过断面正应力(P)进行表征，其计算公式前人进行过大量研究，具体为：

式中：P为断面所承受的正应力MPa；H为断面埋深m；ρr为上覆地层平均密度g/cm3；ρw为地层水密度g/cm3；g为重力加速度；σ为水平地应力MPa；θ为断面倾角(°)；β为主地应力方向与断层走向的夹角(°)。

付广等提出的断裂充填物泥质含量(Rm)可以定量评价断裂带泥质充填含量，公式为：

式中：Rm为断裂带泥质充填含量；L为垂直断距m；h1i和h2j分别为断层上盘第i层和断层下盘第j层的泥岩厚度m；n1，n2分别为断层两盘被错断的泥岩层数；h为断层上、下盘目的层之间的泥岩累积平均厚度m；H为断移地层厚度m。

通过地震、试油、测井及录井等资料，运用公式1和公式2计算百口泉断裂带内的正应力(P)和断裂带泥质充填含量(Rm)。结果表明该断层所承受的正应力大大超过了泥岩破裂强度(5.5MPa)，会使得断层上下泥岩层发生塑性变形，泥质充填堵塞孔隙空间。断裂带内泥质充填含量分布在0.25-0.65之间，整体较大，这与岩心观察的结果吻合(表1)。

通过岩心观察和参数计算发现，百口泉断裂内压实和充填作用强烈，断面所受正应力较大，超过了泥岩破裂强度(5.5MPa)，这不但会使断裂带内岩石致密，孔隙度减小，还会导致断裂带内岩石尤其是泥岩破碎，并发生塑性变形充填在断裂带内，进一步堵塞孔隙空间。因此，可以认为压实和充填作用使百口泉断裂封闭性变好。

3 胶结作用对断层封闭性的影响

3.1 胶结作用机理

断裂带的胶结作用是指富含矿物质的地下流体在沿断裂带运移的过程中，由于物理环境的改变以及地下水与断裂带内的物质发生物理化学反应，造成矿物质发生过饱和沉淀。这些后期的矿物沉淀，胶结了疏松的沉积物，阻塞了断裂带中的孔隙，降低了岩石孔隙度、渗透率，从而造成断层的封闭。

3.2 影响断层封闭性的胶结矿物类型

目前，国内外大多数学者认为影响断层封闭性的胶结矿物主要为石英和碳酸盐岩。根据岩心观察得出，由于受应力作用，百口泉断裂内岩石裂缝发育，成岩胶结作用强烈，裂缝普遍被碳酸盐岩胶结。对断裂内岩心取样作岩石薄片观察，发现断裂带岩石由于受应力作用，破裂缝发育，且全部被胶结，主要胶结矿物为方解石(图2)。

3.3 胶结作用影响强度及范围

一般认为，由于受胶结作用的影响，断裂带与相邻的原地岩性相比具有较低的孔隙度和渗透率。对钻遇百口泉断裂的423井、424井及百乌12井断点附近岩心胶结程度的研究表明：断裂带附近的岩石胶结率明显异常增大，比正常岩石大近80%，胶结物含量明显增多，胶结程度增强，孔隙度、渗透率较低。说明断裂带是流体频繁活动的重要场所，因此矿物沉淀现象非常普遍，由此产生的胶结作用大大提高了百口泉断裂的封闭性。

断裂带胶结作用对断层封闭性的影响强度非常大，但是该作用发生的范围到底有多大，这是一个值得探讨的问题。断裂是一个具有复杂内部结构的三维地质体，由以发育断层岩和伴生裂隙为主要特征的破碎带和断裂伴生的低级别及多次序裂隙发育的诱导裂缝带组成的，并且由于断层形成特征的差异导致不同断层或断层不同部位破碎带和诱导裂缝带的范围不同。也正因为破碎带和诱导裂缝带在特征和性质上的区别，导致在二者内部发生的主要成岩作用存在差异。破碎带内发育断层岩，是压实和充填作用的主要发育带；诱导裂缝带内裂隙发育，为流体低势区，地下流体在“地震泵”效应下在其内部进行运移，致使与断裂带岩石发生水-岩反应，因此诱导裂缝带是胶结作用的主要发育带。

根据诱导裂缝带和滑动破裂带的测井识别特征对钻遇百口泉断裂的423井、424井及百乌12井进行断裂带结构划分(图3)，发现百口泉断裂的滑动破碎带范围约60m，诱导裂缝带范围约100m。

结合岩心观察和岩石薄片观察发现，滑动破碎带内充填大量破碎泥岩(图1)，诱导裂缝带内裂缝发育且基本被方解石完全胶结(图2)。此观察结果表明，百口泉断裂胶结作用十分强烈，整个诱导裂缝带都是胶结作用的影响范围，考虑紧邻断裂带的围岩受其影响，成岩胶结作用的影响范围应为100～120m。这说明成岩胶结作用对断裂带封闭性能的影响范围非常大。

图2 百口泉断裂带内岩心和岩石薄片照片

图3 424井断裂带结构划分图

4 结语

(1)影响百口泉断裂封闭性的成岩作用主要有压实和充填作用、胶结作用。由于二者的影响使断裂带与相邻围岩相比具有较低的孔隙度和渗透率，致使该断裂的封闭性较好，对油气具有良好的封堵作用。

(2)百口泉所受正应力大大超过了泥岩破裂强度(5.5Mpa)，不但会使断裂带内岩石致密，孔隙度减小，还使断裂带内岩石尤其是泥岩破碎，发生塑性变形充填在断裂内，进一步堵塞孔隙空间。岩心薄片观察和定量计算的结果与之吻合。

(3)百口泉断裂成岩胶结作用十分发育，大量成岩胶结矿物堵塞裂缝，胶结破碎的岩石，从而使得断裂带内孔隙度、渗透率降低。成岩胶结矿物类型主要为方解石，通过断裂带结构划分，结合岩心和岩石薄片观察初步，认为胶结作用影响范围大约100～120m。

[1]吕延防,付广,张云峰,等.断层封闭性研究[M].北京:石油工业出版社,2002:33-34.

[2]吕延防,李国会,王跃文,等.断层封闭性的定量研究方法[J].石油学报,1996,17(3):42-43.

[3]付广,李玉喜,张云峰,等.断层垂向封闭油气性研究方法及其应用[J].天然气工业,1997,17(6):22～25.