王 则，商 琳，龚丽荣，王彤达

(1.油气资源探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 冀东油田 勘探开发研究院，河北 唐山 063000；4.中国石化 胜利油田 勘探开发研究院，山东 东营 271500)

断层在油气运移与聚集中具有遮挡和通道的双重作用[1]。现今断层的封闭与开启影响古油藏中油气的重新分配，也影响油气田注水开发效果，油气区断层现今封闭性评价对于油气勘探和开发意义重大。决定断层开闭性的一个关键因素是断面的紧闭程度[2]，因此越来越多的学者试图建立地应力与断层封闭性之间的关系来评价断层的开启和封闭[3]。断层破碎带的结构也会影响断层的应力状态，从而影响断层的开启与封闭，最终影响剩余油的开采方式，因此油田内部断层破碎带的识别和描述成为亟待解决的科学和实际问题[4]。本文对渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块进行地质研究，根据测井曲线特征，划分了断层破碎带结构，应用测井数据计算了围岩与断层破碎带的力学参数，并应用岩石力学实验结果进行校正，获取了较为精确的断层破碎带力学参数，在此基础上计算了断层封闭系数，对不同结构的断层进行了封闭性评价。

1 区域地质概况

M区块位于渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷北部(图1)，是以下古生界为主的潜山构造[5]。奥陶系为M区块主要含油层系，为一套海相碳酸盐岩沉积，主要为灰岩、白云岩，夹薄层泥岩，自下而上发育冶里—亮甲山组(O1y-O1l)、下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)和八陡组(O2b)[6]。M区块是在燕山期挤压褶皱—逆冲作用下形成的短轴背斜，其长轴方向为北北西向，东翼较陡、西翼宽缓，北部、东部以断层为界，内部受次级断层分割复杂化[7]。

2 断层封闭性评价方法及原理

2.1 断层破碎带结构划分

断层面是岩石由于受到挤压应力或者拉张应力而产生剪切或者拉张等破坏、原有岩石或岩层的完整性、连续性被破坏，产生破裂，破裂两侧的岩块发生位移错动而产生的。破碎带有2种类型，分别是仅由派生裂缝组成的裂缝带和断层活动产生的空间被黏土或破碎岩石充填的充填带。

陈伟等[8]认为断裂带主要由位于中部的滑动破碎带和其两侧的上、下盘诱导裂缝带等具有不同变形和物性特征的结构单元组成。金强等[9]通过露头表现出的断层破碎带特征以及大量的测井资料的反复对比，认为测井资料能够比较有效地表达断层破碎带厚度及结构特征。常规测井曲线中，声波时差(AC)、电阻率(RD)、自然电位(SP)、密度(DEN)、补偿中子(CNL)等曲线对断裂带较为敏感，因此本文主要选择以上测井曲线进行对比与分析，将断层破碎带划分为断层泥、断层角砾岩和派生裂缝带。

2.1.1 断层泥

断层泥的主要成分是黏土矿物，其次为原岩的碎屑，其矿物成分和原岩相比可能并不完全相同，这是由于在断层活动过程中可能发生了一定的压溶作用(图2a)。它是断层在长期、反复运动的过程中，由于较强烈的应力作用，使得充填在断层中的岩石碎屑等被研磨细化成为断层泥，是断层带中的软弱夹层，对油气往往起到封堵作用[10-11]。

断层泥测井曲线表现为声波时差偏小，密度增大，补偿中子偏小，电阻率测井曲线一般显示为视电阻率低值等特征；力学参数曲线也具有一定的规律性：弹性模量明显偏小，泊松比显著偏大。

2.1.2 断层角砾岩

断层角砾岩是在应力作用下，断层上、下两盘相对滑动，原岩不断地被破碎成角砾状，其砾石孔隙被破碎细屑充填胶结的岩石(图2b)。一般认为，可识别的角砾碎屑含量大于30%的称为断层角砾岩，角砾碎屑含量小于30%的则称为断层泥[11]。断层角砾岩的碎块形状不规则，角砾碎屑多呈棱角状，但其棱角也可以在应力作用下被一定程度地磨圆和压扁，有时还会产生裂缝，但仍保持原岩特点。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块位置示意

图2 断层破碎带中的断层泥、断层角砾岩和派生裂缝带

断层角砾岩测井曲线表现为声波时差偏小，且较稳定；补偿中子偏小，密度值普遍偏大，但二者的曲线形态都比较平缓；力学参数曲线平缓，弹性模量偏大，泊松比数值偏小。

2.1.3 派生裂缝带

远离断层滑动面，原岩所受应力逐渐减小，原岩没有完全破碎，在断层角砾岩外围发育派生裂缝带(图2c)。这些裂缝往往互相连通成网状，可以成为油气的渗流通道。一般来讲，派生裂缝带主要分布于断裂两侧有限区域或断层末端应力释放区[12]。

由于派生裂缝带裂缝较为发育，岩石孔隙度增大，导致声波时差增大或周波跳跃、密度整体偏小、补偿中子增大的特点，电阻率曲线在与原岩界面处发生突变；力学参数曲线表现为：弹性模量曲线不稳定，整体偏小，泊松比曲线变化较大，整体偏大。

2.1.4 断层破碎带识别

首先，利用地震、钻井、录井资料进行层位标定、联井对比，确定断点位置。其次，为了对断点附近测井曲线是否具有差异进行定性判别，将钻遇和未钻遇断层的井中同一个层位的测井曲线根据小层对比的方法来反复对比，认为断层破碎带的顶、底界面应为测井曲线出现差异的位置，其差值即为断层破碎带的视厚度。然后，为了识别出断层角砾岩、断层泥、派生裂缝带的位置，要进一步对断层破碎带内部的测井响应特征进行分析研究。

M区块A203井断点深度为4 015 m，断裂带宽度为243 m(图3)。进一步分析发现，A203井3 879.5～3 989.5 m及4 040～4 122.5 m井段声波时差周波跳跃，密度整体偏小，补偿中子增大，电阻率曲线在原岩界面处发生突变，弹性模量及泊松比变化剧烈，弹性模量变化范围为22～78 GPa，泊松比在0.33～0.42之间变化，为派生裂缝带。3 989.5～4 013 m及4 020.5～4 040 m井段声波时差及补偿中子曲线较平缓，测井值明显偏小；密度曲线也较平缓，测井值偏大；弹性模量及泊松比变化稳定，弹性模量约为68～73 GPa，泊松比数值为0.32～0.34，为断层角砾岩发育带。4 013～4 020.5 m井段出现声波时差显著减小、视电阻率出现低值、密度较大、弹性模量明显偏小、泊松比明显偏大的特点，为断层泥发育带。

图3 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块A203井断层破碎带测井响应特征

2.2 断层力学参数计算与校正

断裂带内部结构的不同，必然导致断层破碎带各结构单元的力学参数存在差异。由于三轴压缩试验能够较好地还原岩石在地下的埋藏环境与应力条件，且使用的是岩心样品，属于直接资料，因此得到的静态岩石力学参数准确度和可信度较高。但由于断裂带破碎程度较高，取样较困难，造成样品较少，数据点离散，这样的数据直接用于数据模拟理论依据不充足，且钻井取心成本较高，经济上不合算。而利用常规测井资料计算出来的动态岩石力学参数具有良好的连续性，可以弥补岩石力学实验的不足，且成本较低。

2.2.1 岩石动态力学参数计算

岩石力学理论证明，储层岩石的弹性模量、泊松比等力学参数与纵波时差、横波时差和岩石密度满足公式(1)。岩石密度及纵波时差根据常规测井(密度测井、声波时差测井)即可获得，而横波时差需要通过阵列声波测井或偶极子声波测井方可获得[13]，由于此类特殊测井的费用较高，在实际生产中多进行常规测井。M地区缺少由阵列声波测井获得的横波时差数据，因此需要利用由常规测井得到的纵波时差和密度数据建立与横波时差之间的关系式，通过计算得到该地区横波时差的值。前人[14-16]研究认为横波时差及纵波时差满足公式(2)。

(1)

(2)

式中:E为弹性模量，Pa；Δtp为纵波时差，ms/ft；Δts

为横波时差，ms/ft；ρb为岩石密度，kg/m3；μ为泊松比，无量纲；a、b、c均为常数，可通过待定系数法确定。本文以上述公式为基础，计算了M区块断裂带各结构单元的岩石动态力学参数(表1)。

2.2.2 力学参数校正

(1)三轴压缩试验条件、参数及过程。由于地下岩层的真实应力环境及引起的变形等方面更接近三轴试验这一静态测试，所以其准确度、真实性更高，更接近真实的岩石力学特性。本次试验在四川大学水利水电学院岩土工程省重点实验室进行，采用的设备是美国产MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统。

试验过程中，试件受到3个方向、相互正交的应力σ1、σ2、σ3，其中横向上施加的围压σ2=σ3，而轴向上的应力σ1是逐渐增大的，直至达到岩石被破坏时的应力大小，据此绘制出应力应变曲线(图4)，其中横坐标ε为应变。在模拟地下真实应力条件下，通过三轴试验可以获得各岩石试件的密度，以及在不同围压条件下的强度、变形模量E和泊松比μ。

表1 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块断层破碎带力学参数

图4 试件1三轴压缩试验应力—应变曲线

(2)力学参数校正。因为三轴试验结果更接近真实情况，因此本文使用静态测试结果来标定根据测井资料计算得到的动态参数，对测井解释结果进行静态校正，得到二者之间的回归关系，相关数据见表2。由表2可知，动、静态泊松比数值之间的差异很小，基本一致，相关性很高，故无需校正；而动、静态杨氏模量之间的差异较大，需要建立两者的关系曲线，用静态杨氏模量来校正其连续的测井计算剖面。

由于三轴测试静态参数与测井解释结果之间具有线性转换关系(图5)，因此可利用静态测试结果对利用常规测井资料计算的动态参数进行动—静态校正，得到合理的断层破碎带岩石力学参数(表3)，增强了岩石力学数值模拟的准确性。

表2 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块动、静态力学参数对比

图5 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块动、静态岩石力学参数关系曲线

表3 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块断层破碎带力学参数校正

3 不同模式断层封闭性结果分析

3.1 断层破碎带发育模式

由于地质条件的复杂性，导致不同构造位置的断层内部结构的差异性，同一条断层在不同深度上内部结构也会有所变化[8]。断层破碎带宽度与断距存在正相关性，就M区块而言，断层切穿地层，断距逐渐被上覆地层的塑性变形吸收，断距向上逐渐减小，断层破碎带宽度自下而上也会相应地减小。同时沿断层走向，断距也会发生变化，导致断层内部结构发生改变。由于M区块碳酸盐岩表现为较强的脆性特征，断层滑动面两侧结构发育比较对称，多为结构对称的断层破碎带。根据各井钻遇断层结构特征，可以将M区块断层破碎带划分为3种类型：只发育派生裂缝带的断层破碎带、断层泥不发育的断层破碎带和结构完整的断层破碎带。图6a为只发育派生裂缝带的断层破碎带，这种模式的断层断距小，仅在断层滑动面两侧发育一系列网状裂缝，这些裂缝可以相互连通，有利于油气输导。图6b为断层泥不发育的断层破碎带，这种模式断距有所增大，上、下两盘之间的岩石不断的被糅合，原岩破碎成角砾状，断层滑动面两侧发育断层角砾岩，外侧发育派生裂缝带。图6c为结构完整的断层破碎带，这种模式断距最大，断层剪切滑动、碎裂、碾磨形成断层泥，两侧发育断层角砾岩和派生裂缝带。

3.2 断层破碎带封闭性评价

3.2.1 断面正应力计算

断层对油气的封闭性能与应力作用密切相关，断面正应力大小可作为定量评价断层封闭性能的一个重要判据。一般挤压作用越强越有利于增强断层对油气的封闭性能，而拉张作用则往往造成油气的逸散[17]。为了便于直观分析，假设断层断开的岩层为岩性均一的地质体，断层带物性及厚度均匀相同，且断层面产状稳定。

图6 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块断层破碎带发育模式

断层面受到3个主应力σv、σH、σh的作用，根据几何关系求取3个主应力分别在断层面上产生的正应力(图7)，然后再依据应力叠加原理即可求得断层面上的叠合正应力P：

P=σvcos2α+σHcos2β+σhcos2γ

(3)

式中：σv为垂向主应力；σH和σh分别为水平最大和最小主应力；α、β、γ分别是σv、σH、σh与断层面法线n之间的夹角。

通过推导可得到公式(4)：

(4)

式中：θ为断面倾角，φ为断层走向与σH之间的夹角。将式(4)代入式(3)中可得到用θ和φ表示的叠合正应力表达式：

P=σvcos2θ+σHsin2θsin2φ+σhsin2θcos2φ(5)

3.2.2 断层封闭系数计算

断层开启与封闭主要取决于断层面上的正应力和孔隙压力的关系。前人根据地应力与断层封闭性的关系，提出断层封闭系数的概念来定量表征断层的封闭与开启性能，是指断面所受正应力与流体压力的比值[18]，即：

图7 断层面应力状态示意

(6)

式中：If为断层封闭系数；f为异常压力系数；σn为断面所受正应力；ρw为水的密度；h为埋深。

其中异常压力系数f可由等效深度法求取。先利用地层深度和声波测井传播时间的对数获得压实趋势线，然后由声波测井资料求取地层流体压力，即可求出某点的异常压力系数：

(7)

式中：Pf为孔隙流体压力；S为上覆地层压力；ρb为上覆地层平均密度；ρw为地下流体平均密度；Z为地层深度；Z0为异常压力点在正常趋势线上对应的压力相等点的深度。

当If>1时断层呈封闭状态[19]，If值越大，封闭程度越高；当If≤1时断层开启成为油气运移的通道，If值越小，开启程度越高。

3.2.3 不同模式断层封闭性结果分析

M区块断层破碎带划分为3种类型：只发育派生裂缝带的断层破碎带、断层泥不发育的断层破碎带和结构完整的断层破碎带。利用Ansys软件，对3种发育模式的断层破碎带封闭系数进行了模拟(图8)。

只发育派生裂缝带(图8a)：由于裂隙的发育，封闭系数要低于围岩，封闭能力差；裂缝带常成为油气运移的通道[20]。断层泥不发育的断层破碎带(图8b)：破碎带中的断层角砾岩比与其相邻的原岩封闭性要大，这是由于它的粒径减小且受到了胶结作用的影响。该带在断层活动休止期对流体起封闭作用。结构完整的断层破碎带(图8c)：越靠近断裂中心，岩石碎裂作用越严重，由于断层泥的存在，封闭系数越大，即封闭能力越强。结构完整的断层破碎带往往具有较强的横向分隔性[21]。断层泥不发育和结构完整的断层破碎带，其断层封闭系数等值线沿断裂带两侧呈近似对称分布(图8b,c)。

4 结论

(1)利用测井曲线将断层破碎带划分为断层泥、断层角砾岩和派生裂缝带三部分。济阳坳陷车镇凹陷M区块断层破碎带的发育模式分为3种类型：只发育派生裂缝带、断层泥不发育和结构完整的断层破碎带。

(2)断裂带内部结构的差异性，必然导致断层破碎带各结构单元力学参数的不同。应用三轴测试静态参数和用常规测井资料计算的动态力学参数的相关性进行静态校正，可以得到合理的断层破碎带岩石力学参数。

图8 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷M区块断层破碎带封闭系数等值线

(3)利用Ansys软件，对济阳坳陷车镇凹陷M区块3种发育模式的断层破碎带封闭系数进行数值模拟表明，断层泥封闭系数最大，其次为断层角砾岩，派生裂缝带的封闭系数最小。