断层形态及其封闭特征对油气成藏的控制作用

2020-04-11梁斌，王臣

石油化工应用 2020年3期

梁斌，王臣

（中国石油大港油田分公司，天津 300280）

油气勘探开发实践表明，断层对于油气藏的形成与分布具有重要控制作用，同时复杂断裂加大了勘探开发难度，开展断裂控运控藏机理研究对指导油气勘探开发具有重要意义。关于断层对油气的运聚作用，国内外学者做了大量研究，Allan 和Dowrey 等认为断层既不是油气运移的通道，也不是遮挡面，断层的封堵性取决于断层两盘岩性对接关系和地层形态。目前多数学者认为，断层具有开启和封闭双重性[1]，既是通道，又是封堵面，断层的开启部位会导致油气纵向或侧向运移，封闭部位会导致油气聚集成藏。前人关于断层疏导能力及成藏作用研究也取得较多成果，Sibson 在研究了热液金属矿与古代断裂破碎带的关系后提出“地震泵”模式，认为含矿热液是通过较深古断裂呈幕式运移的，通过断层带运移至具较低正应力的张裂隙中，并指出地震泵作用有利于油气在构造活动区运移；Hindle（1997 年）提出油气沿断裂带运移特征与本身断裂特征有关，同时也受断裂两侧地层构造形态的影响；Hooper[2]认为流体沿断层运移是一个幕式流动过程，与断裂活动性质和期次密切相关，且流速快，释放出的流体赋存于断裂上部储层中；邹华耀等认为油气沿断层向上运移有两种途径：（1）断层活动期沿断层面可产生裂缝，成为运移通道；（2）如果断层横向上是开启的，油气可沿断层面两侧连通的渗透性砂岩呈“之”字形途径向上运移。近些年随着地质研究技术的发展，构造解释、三维模拟技术在构造研究方面的结合应用，对断层的研究逐渐由二维趋于三维，揭示出断层面的各种特征，断层面作为油气疏导运移的通道，那么进行断面特征与油气疏导关系的研究对深化成藏规律认识具有重要意义。本文通过对断层三维形态特征及其封闭差异性研究，分析油气沿断层面运移的优势路径，并提出油气通过断层向储层充注的“高势进，低势出”的成藏模式。

1 断层优势疏导路径分析

断裂活动是区域应力场主应力的积累超过岩石的破裂极限时产生断层的应力释放，断层面一旦形成，沿断裂部位构造应力迅速释放，此时周围未破裂的岩石中尚存较大的应力，岩石中的流体在该应力的驱动下，由断裂两盘应力的高值部位向低应力区沿断层运移。断层后期的生长过程中，在不受其他断层切割影响下，断面形态几乎不会发生变化，而断面局部形态、曲率、埋深、岩性及应力场特征均有不同，致使断面不同部位封闭能力存在差异。断层作为油气长距离垂向运移的主要途径，尤其是油源断层，开展断面对油气疏导运移的控制作用研究具有重要意义。

1.1 断层封闭性评价

纵向表现为弧形的张性断层，曲率对其封闭性影响较大，下降盘沿断层旋转下掉，上下盘的接触关系表现为：断面浅部紧密接触，断层两盘挤压应力大，在泥岩涂抹或碎屑充填物作用下，易具有较强的封闭性；随着下降盘旋转下掉，断层下部两盘间开启缝增大，此段时期弧形断层在深层部分一直处于开启状态，有助于大量烃源岩持续排烃。随着断距增大，断层下部的开启宽度达到一定程度，最终在应力均衡作用下，产生反向断层，断层下部开启缝闭合。

断层的封闭性具有时空的不均匀性，受构造演化史的影响，早期开启的断层，后期由于应力场转变、成岩作用等因素作用成为封闭性断层，封堵油气，形成次生油气藏；相反，早期封闭的断层，后期因构造应力转变，断层重新开启，油气藏受到破坏，散失。断层的封闭性与构造演化过程密切相关，大范围开启与闭合，控制着油气的重新运移、分布。

断层两侧岩性配置关系是决定断层能否具有侧向封堵的重要条件之一，也是经典断层封闭性研究的主要手段[3]，当断层两盘砂岩与泥岩对接时，断层封闭性好；当砂岩与砂岩对接，且具有相同或相近的排驱压力时，断层封闭性差；当断层两侧接触的砂岩具有不同排驱压力时，断层的封闭程度取决于封堵砂岩的排驱压力和储集层的排驱压力之差。在油气井小层对比研究中，断层两侧岩性对接关系很好匹配了油水分布，即：“砂-砂”对接时，两侧砂体连通，若为油层，具有统一油水界面；“砂-泥”对接时，含油砂层构造高方向受泥岩封闭性较好，成为油气聚集场所。

断层的封闭性受多种因素控制，活动期的断层在地震时表现为开启状态，地震活动常伴随热泉水涌出、地下水位异常、油气产量及压力异常[4，5]，如1976 年7月28 日唐山地震，震中地区临震前井下水位上升，冒出地面。静止期的断层，尤其规模较大的油源断层，纵向贯穿深，走向延伸距离远，断面形态、曲率、岩性等因素纵、横向变化较大，成为影响断面封闭性的不确定因素，笔者认为，静止期的断层仍然存在开启部分，如港西油田出现注水井附近地面有污水冒出，钻井过程中钻遇断层，钻井液漏失严重等现象，如2018 年2 月港西油田西56-6-2 井，钻井至1 120 m 断层位置，漏液严重，封井。在含油气盆地生烃期，处于活动期或静止期的断层均可以作为油气运移的通道，从油气疏导的规模及速度上对比，活动期断层通道更宽畅、运移速率更高，断层伴随地震活动间幕式开启，断层附近压力释放，岩石孔隙度渗透率增大，促使断层附近流体压力下降，导致围岩中流体向断层运移，烃源岩内及早期储集在断层下方岩层中的油气向断层带快速运移；静止期断层面上形成的类似网状连通的运移通道，沿断层面垂向运移能力较弱，运移效率较低，由于该种油气运移方式持续时间长久，因此其对整个区块油气藏储量贡献同样占比较大。尤其是弧形张性断层，断层面深层部分在其活动期与静止期均处于开启状，其对油气疏导运移具有更高的效率，为油气的规模性运聚成藏提供了有利条件。

综上所述，断层侧向和垂向封闭性受多种地质因素控制，同时由于断层面复杂的形态、岩性及应力特征，致使处于静止期的断层仍存在相互连通的油气垂向运移通道，该类通道在源岩生烃期长期疏导油气，相比活动期断层间歇式油气运聚方式，对整个盆地规模性油气储量的形成具有重大作用。

1.2 断层面优势运移路径分析

油气勘探实践表明，断层作为油气运移重要通道之一，对油气成藏具有重要作用，尤其是下生上储含油气组合中断层的输导运移更是起到至关重要的作用，在一定程度上控制着油气藏的形成与分布。因此，能否正确认识断层在疏导油气的特征和能力，是油气成藏规律及勘探评价的关键。在断层疏导油气运移方面，前人做过大量研究，成果主要为断裂类型[6-9]、断裂输导油气动力[10-13]、断裂带内部结构及输导优势通道[14，15]、断裂输导油气时期[16，17]等。从以上的研究成果看，研究内容主要集中在断层类型、组合、疏导动力以及疏导时期等方面，近些年随着断层解释及三维模拟技术的成熟应用，断层面的特征更容易提取出来，而针对断层面的三维特征与油气疏导能力方面仍缺少研究。开展该方面的研究，有助于细化认识油气运聚成藏过程，对油气有利聚集带识别具有重要指导作用。

在地质构造研究中，依据野外露头资料及室内地震资料解释成果证实，断层在走向上曲折形态屡见不鲜，通过地震精细解释与三维模拟技术结合应用，对港西油田多条油源断层立体成像研究，认为断层面特征表现为：在张力、重力及摩擦力共同作用下，形成呈条带状纵向延伸的正负构造，其形态近似于断层平面走向形态向深层延伸形成的剖面，断面特征对油气垂向运移路径具有重要控制作用。

图1 断层面优势路径示意图

油气运移总是按照由高势区向低势区沿阻力最小路径的总规律，油气运移沿断面优势路径的选择，也遵循这个规律，烃源岩排出的油气沿断层面垂向运移，在断层面势能场的约束下，高势区油气发散向低势区汇聚，进而形成条带状向浅层流动。从断层面示意图（见图1）上看，油气沿断面汇聚于低势路径向浅层运移，路过处于开启状态的储层，油气才有机会进入，在圈闭条件满足情况下形成油气藏。通过断层面形态特征及流体势势能的分析、研究，可以更加精细识别油气沿断层的优势运移路径，结合构造演化史，有助于识别油气富集带。

2 断层疏导作用与油气充注作用关系分析

断层在烃源岩和储集层间起着油气沟通、疏导作用，油气在沿断层面优势路径运移过程中，即使路过砂体具备同样的圈闭条件，也不是都会有油气充注进入，作者认为存在以下三点关键性问题：（1）断层对油气的疏导和充注动力条件存在差异，断面疏导是油气在断面通道中的运移，而断层充注是油气通过断层向砂体注入的作用，油气运移通道发生了改变；（2）油气运移路径上砂体封闭性存在差异，油气从源岩向浅层疏导过程中，选择优势路径逐渐汇聚成流带向上运移，在优势路径上砂体封闭性存在差异，只有开启的砂体才有机会注入油气；（3）忽略了断块封闭性问题，若油气充注进入断块时，砂体储集空间被地层水充填，地层水若不排出，很难有足够的空间容纳大量油气进入。针对以上三点问题，下面对断层控制的油气充注模式展开分析、论述。

断层是油气疏导运移的通道，当断层活动断开深层超压带时，高压流体沿断层迅速外泄，在深浅压力差的作用下断层带像泵一样把超压流体向浅层抽吸，致使断裂带中流体被推移至浅部压力较小的地层[18]。随着断层的活动，应力得以释放，进入浅层后的油气动能减弱，为油气充注进入储层提供了必要条件。

断层活动期，断层面瞬间大范围开启，是大量油气快速进入储层的机遇，同时也会使原油气藏遭受破坏。双断层控制的砂体，当两个断层同时开启，砂体内部流体在势能差的作用下迅速由低势区流出，同时高势区抽吸流经断层的流体进入储层，因其开启面大、流体沿断面、砂体内部运移速率高、流量大，因此断层活动期是油气快速、规模性充注进入砂体的重要方式；单条断层活动，储层内部流体流动性较弱，油气短时间进入砂体的规模较小。

断层静止期，在断面上仍存在着相互连通的开启网，作者认为油气大量充注进入砂体须满足的条件是：砂体为有效圈闭，在油气沿断层运移路径上存在开启段，作为油气充注入口，同时在相对入口段较低势能区存在断层开启段，作为储层内流体排出口，油气在储层入、出口流体势能差作用下被吸入储层，进入储层的油气在密度差异作用下向构造高部位封闭区聚集成藏，出口开启段的位置决定着有效圈闭面积，即出口段构造最高点为圈闭溢出点。下面将油气充注模式分为两种类型：油气充注模式1（见图2）为一受双断层夹持的圈闭，A 段位于2 号断层，为油气优势运移路径上的开启段，B 段位于1 号断层，开启段势能较A 段低，油气在A、B 段势能差作用下进入砂体，油气密度较地层水轻，向构造高部位聚集形成油气藏；充注模式2（见图3），断层开启段入口、出口在同一断层上，同样遵循油气高势进，低势出的规律。

图2 油气充注模式1

综上所述，断层活动期对油气成藏是一把双刃剑，既有利于油气运聚成藏，又会对原油气藏产生破坏，断层活动期双断层同时开启模式更有利于油气快速注入储层，断层静止期油气的充注模式虽然低速、低效，但其作用时间更长久，也可形成大储量油气藏，且该充注过程不会对原油气藏产生破坏。

3 实例分析

港西油田位于渤海湾盆地歧口凹陷，断裂发育，为典型的复杂断块油气藏。港西断层为该油田一主要油源断层，为油气成藏期油气疏导运移的主要通道，沿该断层附近形成一系列含油气圈闭，通过多年勘探开发，目前各断块探明程度较高，紧邻港西断层的各断块含油气丰度、纵向油气分布规律及油气藏特征差异性较大，表明油气沿油源断层向各断块运聚成藏过程应有不同。

对于油源断层控运、控藏研究，应用地震精细解释技术及三维模拟技术，对港西断层面（见图4）三维特征开展研究，遵循流体总是由高势区流向低势区的原则，识别断面构造特征控制的油气优势运移路径。油气沿港西断层运移过程中，油气由高势区向低势区汇聚，在断面上形成垂向条带状最佳运移路径，与这些优势路径沟通的开启储层，且满足双断层控制的“低势出，高势进”的油气充注模式，将会有大量的油气进入。如港西断层东部构造区，港西断层（1 号断层）西段向南凸起部位为油气优势运移路径，其与2 号断层间的Ⅰ断块满足双断层油气充注模式，勘探开发成果证实该断块纵向含油气砂体多，单个砂体储量大。而5 号断层上升盘单斜圈闭Ⅱ，仅构造部位一条断层遮挡，油气难以规模进入，已证实该圈闭部分砂体油气储量极少，在构造高点仅发育少量顶油。