反向和顺向断裂侧向封闭油气的差异性研究

付 广，郎 岳，胡欣蕾

（东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318）

反向和顺向断裂侧向封闭油气的差异性研究

付 广，郎 岳，胡欣蕾

（东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆163318）

为了研究含油气盆地中断裂对油气成藏与分布的控制作用，在断裂侧向封闭油气机理及影响因素研究的基础上，采用反向和顺向断裂特征对比的方法，对反向和顺向断裂侧向封闭油气的差异性进行了研究。结果表明，反向和顺向断裂侧向封闭油气的差异性主要有3个方面：①反向和顺向断裂与储层对接的断裂带部位不同，反向断裂与储层对接的是滑动破碎带，而顺向断裂与储层对接的是诱导裂缝带；②反向和顺向断裂侧向封闭油气的遮挡物不同，反向断裂封闭油气的遮挡物为泥岩，而顺向断裂封闭油气的遮挡物为断层岩；③反向和顺向断裂侧向封闭油气的能力不同，理论分析和实例均表明反向断裂侧向封闭油气的能力较顺向断裂强。

反向断裂；顺向断裂；断裂带；遮挡物；侧向封闭；差异性

0 引言

随着油气勘探的持续进行，人们对断裂在油气运聚与成藏中所起作用的认识越来越深入。断裂不仅是油气运移的输导通道，而且是油气聚集的遮挡物，常使油气聚集并分布于断裂附近。然而，由于断裂与地层之间产状配置关系不同，油气在不同类型断裂附近的聚集与分布均存在差异。油气勘探的大量实例［1-6］表明，反向断裂附近油气聚集数量明显较顺向断裂附近多，尤其是在含油气盆地的斜坡区，这种油气分布现象更加明显。为什么反向断裂附近油气较顺向断裂附近更富集？能否正确认识此现象，是目前含油气盆地油气勘探的关键。尽管前人对此现象曾做过大量尝试性研究和探讨，但这些研究主要是从断层两盘岩性对接［7-10］和断层带内部结构［11-13］等2个方面分别进行的阐述。这2种观点虽然均能较合理地解释反向断裂附近油气较顺向断裂附近更富集的原因，但反向和顺向断裂侧向封闭油气在机理上有何不同和在能力上到底有多大差异，上述2种研究均未给出确定答案，仅是从某一侧面进行的研究，这无疑不利于含油气盆地断裂控藏作用研究的深入。因此，笔者在总结前人研究成果的基础上，开展反向和顺向断裂侧向封闭油气的差异性研究，对正确认识含油气盆地油气成藏规律和丰富断裂控藏理论均具有一定的意义。

1 与储层对接的断裂带部位的差异性

图1 断裂带内部结构分带示意图①滑动破碎带宽度；②诱导裂缝带宽度；③断裂带宽度Fig.1 Schematic diagram of internal structure of fault zone

由于断层与地层之间产状配置关系不同，以及油气运移盘储层岩性各异，均造成反向和顺向断裂对油气侧向封闭作用具有差异性。野外观察结果表明，不管是反向断裂，还是顺向断裂，断层两盘之间均发育断裂带。通常情况下，断裂带可由滑动破碎带和诱导裂缝带两部分组成，其中滑动破碎带位于断裂带的中心部位，由一系列复杂的、成组的、交叉排列的断裂滑动面和相应的断层体构成（图1），其内断层岩和伴生裂缝发育［14］。诱导裂缝带分布于滑动破碎带两侧的有限区域内，发育低级别和多次序裂缝，它们纵横交错分布［14］。实际上，断裂内部结构十分复杂，图1仅仅是一个简化的断裂带内部结构。通常情况下任何一条断裂其滑动破碎带均较发育，但不同断裂其滑动破碎带的发育程度不相同，主要受断裂活动强度和被错断地层压实成岩作用大小的影响。断裂活动强度越大，被错断地层压实成岩作用程度越高，滑动破碎带越发育；反之，则不太发育［15］。断裂两侧的诱导裂缝带是否发育则取决于被断裂错断两盘地层岩石的脆塑性特征和断裂两盘相对活动特征。如果断裂两盘地层以砂岩为主，脆性强，诱导裂缝发育；相反，如果断裂两盘地层以泥岩为主，塑性强，诱导裂缝不发育［15］。在断裂活动过程中，断裂两盘的活动特征也不尽相同。通常情况下，断裂上盘为断裂活动的主动盘，诱导裂缝带相对发育，而下盘为被动盘，诱导裂缝带相对不发育。从秦皇岛鸡冠山长龙山组野外断层的观测研究［16］结果（图2）可以看出，断层上盘裂缝密度明显大于下盘，这充分证实断层上盘诱导裂缝带较下盘发育。正是这一差异，使油气运移盘储层与反向断裂对接的部位是下盘滑动破碎带，断层侧向封闭性相对较好［17］，有利于油气的聚集与分布，而顺向断裂油气运移盘储层与断裂对接的部位则是上盘诱导裂缝带，断层侧向封闭性相对较差，不利于油气的聚集与分布（图3）。从图3可以看出，从对接的断裂带部位来看，反向断裂较顺向断裂更有利于油气侧向聚集与分布。

2 油气侧向封闭遮挡物的差异性

断裂在侧向上能否形成封闭主要取决于断层岩排替压力与油气运移盘储层岩石排替压力的相对大小。断层岩排替压力大于或等于油气运移盘储层岩石排替压力，断层侧向封闭；反之，断层侧向不封闭（图4）。

图4 断层侧向封闭机理示意图Fig.4 Schematic diagram of fault lateral sealing mechanism

油气之所以会在断裂附近聚集与分布，是因为断裂对油气的聚集起到了侧向封闭作用。然而，由于断裂与地层之间产状配置关系不同，其对油气侧向封闭起作用的遮挡物也不同。从图5（a）可以看出，反向断裂下盘砂体通常与上盘对接的是泥岩层，可形成对接型封闭［17］。虽然此种情况下断层两盘之间也发育断层岩，但由于泥岩层在断裂活动过程中的拖拽作用或泥质填充作用［18］，使上、下两盘泥岩层在断裂带处未完全断开，仍连续分布或断开却以泥质填充为主。与反向断裂下盘砂体直接对接的是断层岩，其成分主要来自断层两盘岩石，既有砂质成分又有泥质成分，泥质含量明显较泥岩层低［参见图2（a）］。正是由于这一原因，断层岩侧向封闭油气的能力明显弱于泥岩层［19］，如海拉尔盆地贝尔凹陷呼和诺仁构造带的B29号断层，它是呼和诺仁断鼻构造上的一条同生正断层，呈NE向展布，断层面西倾，与下盘南屯组储层呈反向遮挡关系（图6），使上盘大磨拐河组大一和大二段厚度较大的泥岩盖层与下盘南屯组储层对接。B29号断裂在南屯组①～⑤号储层内断层岩的排替压力是利用埋深和泥质含量计算得到的［20］，其值为0.114～0.233 MPa，而与之相同深度的大一和大二段泥岩盖层的排替压力是根据断层岩埋深、倾角和活动时期等计算得到的，其值为0.74～0.83 MPa，前者明显小于后者。目前，油气钻探所揭示的①～③及⑥号储层的油柱高度分别为40 m，40 m，36 m和28 m，而断层岩所能封闭的油柱高度分别为38.2 m，39.3 m，37.1 m和34.5 m，均略小于泥岩盖层所能封闭的油柱高度。对接盘大一和大二段泥岩盖层所能封闭的油柱高度分别为466.7 m，473.3 m，473.3 m和455.3 m，远大于实际油柱高度。这表明真正对南屯组油气起封闭作用的是对接盘大一和大二段泥岩盖层，而不是断层岩。这个实例说明反向断裂侧向封闭油气的遮挡物是上盘泥岩层，而不是断层岩。断层岩虽然有一定的侧向封闭油气的能力，但仅能起到假盖层的作用［19］。

图5 不同倾向断裂侧向封闭油气类型示意图Fig.5 Schematic diagram of lateral sealing oil-gas types in different inclination faults

图6 贝尔凹陷呼和—7号构造油藏剖面及断层侧向封闭性评价图Fig.6 Section of oil reservoirs and evaluation of lateral sealing of fault of Huhe 7 structure in Bei’er Depression

从图5（b）可以看出，顺向断裂上盘砂体通常情况下不能与下盘上升的泥岩层形成对接，不能形成对接型封闭。顺向断裂对侧向运移的油气形成封闭主要靠的是断层岩。只有断层岩排替压力大于油气运移盘储层岩石排替压力时，顺向断裂侧向才能封闭油气，否则油气将沿断层岩发生垂向运移并散失或穿越断层岩向下盘砂体发生侧向运移并散失，顺向断裂侧向不具备封闭油气的能力。如上述贝尔凹陷呼和诺仁构造带B29号断裂下盘南屯组与断裂对接的①～⑨号储层岩石的排替压力为0.115～0.132 MPa，小于相同埋藏深度断层岩的排替压力（0.114～0.233 MPa）。如果B29号断裂下盘南屯组储层对接的不是大一和大二段泥岩盖层而是相同埋深的储层，那么对接处的储层不能对下盘南屯组储层形成侧向封闭。由此可知，顺向断裂侧向封闭油气的遮挡物为断层岩。

3 侧向封闭油气能力的差异性

反向和顺向断裂侧向封闭油气的遮挡物明显不同，这就造成二者封闭油气的能力明显不同。

3.1 理论上的差异性

反向断裂主要依靠上盘泥岩封闭其下盘侧向运移来的油气，而顺向断裂则主要依靠断层岩封闭上盘侧向运移来的油气。由于相同埋深条件下泥岩和断层岩封闭油气的能力不同，所以造成反向和顺向断裂侧向封闭油气的能力存在差异。

无论是泥岩还是断层岩，其封闭油气能力的强弱主要取决于其排替压力的大小。排替压力越大，封闭油气的能力越强；反之则越弱［21］。

岩石排替压力主要受其压实成岩埋深（若上覆不存在地层剥蚀即可用现今埋深表示）和成分（可用泥质含量表示）的影响。泥质含量越高，埋藏深度越大，沉积岩石的排替压力越大；反之则越小［21］。其经验关系式为

式中：Pd为沉积岩石排替压力，MPa；Z为沉积岩石埋深，m；Vsh为沉积岩石的泥质质量分数，小数；a和b分别为与地区有关的常数，无量纲。

对于泥岩排替压力，由于其泥质含量相对较高，排替压力相对较大，可利用自然伽马测井资料，由文献［22］中“地层岩石泥质含量”的方法计算其泥质含量。将其与埋深代入式（1）便可计算得到泥岩的排替压力

式中：Pdm为泥岩排替压力，MPa；Zm为泥岩埋深，m；Vshm为泥岩中的泥质质量分数，小数。

对于与泥岩相同埋深条件的断层岩的排替压力，可将断裂视为后期活动形成的一个沿断层面倾置于沉积地层之间由断层岩构成的地层，也可按照上述的计算方法来计算断层岩的排替压力，即按照文献［23］中“断层岩压实成岩埋深和泥质含量的计算方法”可以计算出断层岩的压实成岩埋深和泥质含量

式（3）～（4）中：Zf为断层岩压实成岩埋深，m；Z断为断层岩目前埋深，m；θ为断层倾角，（°）；T断为断层岩压实成岩作用时间，Ma；T泥为与断层岩具有相同埋深的泥岩的压实成岩作用时间，Ma；ρr为沉积岩平均密度，g/cm3；ρw为地层水密度，g/cm3；SGR为断层岩泥质质量分数，小数；hi为被断裂错断第i层岩层厚度，m；Vshi为被断裂错断第i层泥质质量分数，小数；n为被断裂错断岩层数，无量纲；L为垂直断距，m。

由式（3）和式（4）便可以计算出断层岩的排替压力

式中：Pdf为断层岩排替压力，MPa。

由于断裂停止活动时，断层岩开始压实成岩作用，其时间远远晚于与其具有相同埋深泥岩的压实成岩作用时间，即T断远远小于T泥，而cosθ又小于1，所以可得断层岩的压实成岩埋深Zf应小于相同埋深条件下泥岩的压实成岩埋深Zm；又由于通常情况下，断层岩中的泥质成分来自断层两盘岩石，断层两盘岩石既有泥岩，又有砂岩，因此使得断层岩泥质含量通常小于其两盘纯泥岩的泥质含量。综上所述，在相同埋深条件下，Pdm应大于Pdf，即泥岩侧向封闭油气能力应强于断层岩。这从理论上说明了反向断裂侧向封闭油气的能力应强于顺向断裂。

3.2 实例上的差异性

为了验证上述理论分析的正确性，笔者选取渤海湾盆地歧口凹陷板桥反向断裂，利用上述方法求取与板桥断裂下盘沙一段上亚段砂体对接的泥岩排替压力和与其具有相同埋深的断层岩排替压力，并用其分别代表反向断裂和顺向断裂侧向封闭油气的能力。通过比较二者的相对大小，定量阐述二者侧向封闭油气的能力的差异性。

图7 歧口凹陷板桥断裂构造带示意图Fig.7 Schematic diagram of Banqiao tectonic belt of Qikou Depression

图8 歧口凹陷板桥断裂与沙一段泥岩对接封闭示意图为沙一段上亚段；为沙一段中亚段Fig.8 Schematic diagram of butt-type sealing of Banqiao fault and mudstone of the first member of Shahejie Formation in Qikou Depression

板桥断裂位于歧口凹陷板桥断裂带中部（图7），与主要目的层（古近系沙河街组）倾向为反向关系（图8），油气主要富集于断裂下盘，呈2个区域分布。板桥断裂明显破坏了沙一段中亚段区域性盖层，但并未将其完全错开，使下盘沙一段上亚段的顶部储层与上盘沙一段中亚段泥岩盖层对接，形成对接型侧向封闭。下盘沙一段上亚段的底部储层与上盘沙一段上亚段的顶部储层对接，形成断层岩侧向封闭（参见图6）。

按照上述泥岩和断层岩排替压力的求取方法，由文献［24］中参数的确定方法，对板桥断裂在不同测线处（参见图7）上盘沙一段中亚段泥岩盖层的排替压力和相同埋深的断层岩排替压力进行了计算，结果如表1所列。从表1可以看出，在相同埋深条件下，泥岩的排替压力远远大于断层岩，前者是后者的25.5～43.5倍。此实例分析结果充分说明反向断裂侧向封闭油气的能力明显强于顺向断裂。

表1 板桥断裂在不同测线处断层岩与相同埋深沙一段中部泥岩排替压力对比Table1 Comparison of the displacement pressure of fault-rock and central mudstone of the first member of Shahejie Formation at the same depth in different measuring lines in Banqiao fault

4 结论

（1）反向和顺向断裂与储层对接的断裂带部位存在差异：反向断裂与储层对接的是滑动破碎带，而顺向断裂与储层对接的是诱导裂缝带。

（2）反向和顺向断裂侧向封闭油气的遮挡物存在差异：反向断裂侧向封闭油气的遮挡物为对接盘泥岩，顺向断裂侧向封闭油气的遮挡物为断层岩。

（3）反向和顺向断裂侧向封闭油气的能力存在差异：反向断裂侧向封闭油气的能力明显较顺向断裂强。

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（本文编辑：李在光）

图版Ⅱ

（本文编辑：于惠宇）

Research on differences of lateral sealing between transoid fault and cisoid fault

FU Guang，LANG Yue，HU Xinlei
（College of Earth Sciences，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China）

In order to study the controlling of faults to oil-gas accumulation and distribution in oil-gas-bearing basin，based on the study of lateral sealing mechanism of fault and its influencing factors，the differences of lateral sealing between transoid fault and cisoid fault were studied by analyzing the sealing characteristics between transoid and cisoid fault.The result shows that the differences of lateral sealing between transoid fault and cisoid fault are mainly showed in the following three aspects:①the place of fault zone connected transoid fault and cisoid fault with reservoir is different，the sliding crush zone of transoid fault connects with reservoir，while the induced fracture zone of cisoid fault connects with reservoir;②the lateral sealing objects of transoid and cisoid fault is different，the lateral sealing object of transoid fault is mudstone of the other block，while lateral sealing object of cisoid fault is fault-rock;③the lateral oil-gas sealing capacity of transoid fault is different from that of cisoid fault,and theoretical and actual example research all show that the lateral oil-gas sealing capacity of transoid fault is stronger than that of cisoid fault.

transoid faults；cisoid faults；fault zone；lateral sealingobjects；lateral sealing；differences

TE121

A

1673-8926（2014）06-0028-06

2014-02-15；

2014-06-13

国家自然科学基金项目“油源断裂转换带优势输导运移油气条件研究”（编号：41372153）资助

付广（1962-），男，博士，教授，主要从事油气藏形成与保存方面的教学与科研工作。地址：（163318）黑龙江省大庆市高新技术开发区发展路199号东北石油大学地球科学学院。电话：（0459）6504024。E-mail：fuguang2008@126.com。