地质力学学报  2011, Vol. 17 Issue (4): 350-360
引用本文
吴孔友, 李继岩, 崔世凌, 杨海波, 刘振宇. 断层成岩封闭及其应用[J]. 地质力学学报, 2011, 17(4): 350-360.
WU Kong-you, LI Ji-yan, CUI Shi-ling, YANG Hai-bo, LIU Zhen-yu. DIAGENETIC SEALING CHARACTERISTICS OF FAULTING ZONE AND ITS APPLICATION[J]. Journal of Geomechanics, 2011, 17(4): 350-360.
断层成岩封闭及其应用
吴孔友1 , 李继岩1 , 崔世凌2 , 杨海波3 , 刘振宇3     
1. 中国石油大学(华东)地球资源与信息学院, 山东 青岛 266555;
2. 中国石化胜利油田分公司物探研究院, 山东 东营 257061;
3. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 新疆 克拉玛依 834000
摘要:影响断层封闭性的成岩作用类型主要包括:充填作用、压实作用和胶结作用。断裂带充填物中泥质含量越高, 其孔渗性越差, 形成封闭的可能性越大。压实作用是控制断裂带充填物致密性和断裂静止期封闭强度的关键, 压实作用越强, 断裂带越紧闭, 封闭性越好。流体进入断裂破碎带, 随压力和温度的降低, 热液矿物发生沉淀结晶, 逐渐胶结裂缝和角砾岩。断裂带胶结矿物主要有方解石和石英, 温度和压力是控制胶结作用发生的主要因素。夏503井断裂带内泥质充填物发育, 厚1 m左右, 由于埋藏深, 压实作用强, 断裂带充填物致密坚硬。扫描电镜观察, 裂缝和岩石孔隙中充填有沉淀结晶矿物, 这种胶结作用发生的范围大致在断裂带附近3 m左右。在充填、压实、胶结共同作用下, 夏503井断层封闭性强, 是控制江家店油田成藏的关键。
关键词断层封闭性    充填作用    压实作用    胶结作用    
文章编号:1006-6616(2011)04-0350-11
DIAGENETIC SEALING CHARACTERISTICS OF FAULTING ZONE AND ITS APPLICATION
WU Kong-you1 , LI Ji-yan1 , CUI Shi-ling2 , YANG Hai-bo3 , LIU Zhen-yu3     
1. Faculty of Geo-Resources and Information, China University of Petroleum, Qingdao 266555, China;
2. Geophysical Research Institute, Shengli Oilfield Company, Sinopec, Dongying 257061, China;
3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Kelamay 834000, China
Abstract: The diagenetic types which influence the fault sealing properties mainly include packing action, compaction, and cementation.The more shale contents of filler, the lower porosity and permeability of faulting zone, and the less possibility to seal.Packing action plays a vital role in control of the compactness of filler and the sealing strength of faulting zone when it is dormant.The faulting zone's sealing effect is directly proportional to the strength of packing action.After entering the shattered fault zone, hydrothermal minerals precipitated and crystallized with the decrease of temperature and pressure, and then they cemented fractures and breccias gradually.The main cementing minerals in faulting zone are calcite and quartz, and temperature and pressure play critical roles in cementation.The Well Xia-503 Faulting Zone occurs compact argillaceous fillers with one meter thickness approximately for being deeply buried and strongly cement.The observed result of scanning electron microscope shows that there are precipitating crystallization minerals in the fractures and pores of rock, and the sphere of cementation is 3 meters around the fault zone.Combined with packing action, compaction and cementation, Well Xia-503 Fault seals strongly, that is critical factor in hydrocarbon accumulation of Jiangjiadian Oilfield.
Key words: fault sealing    packing action    compaction    cementation    

断层封闭与否直接关系到圈闭的含油气性, 控制着地下流体流动规律, 影响着注水开发效果。Watts N[1]、Knipe R J[2]在对断层封闭问题作了大量模拟和实践研究后, 认为断层的封闭机制主要有4个方面, 即并置对接、泥岩涂抹、碎裂作用和成岩作用。对于前三种封闭机制, 国内众多学者先后进行了大量研究, 并形成了一系列较成熟的定性与定量评价方法[3~8]。而对成岩作用, 尤其是成岩胶结作用因过程复杂多变, 其封闭断层的机制一直缺乏深入的认识和系统的研究[9]。钻井与野外观察表明, 无论是正断层还是逆断层, 在断层形成与活动过程中, 两盘岩石均发生破裂并填充在断层错动拉开的空间中, 使两盘以"带"接触[10~11], 即为断裂带。断层停止活动后能否对油气形成封堵取决于断裂带的封闭性[12], 而断裂带的致密性又受断面应力、泥质充填、胶结作用控制。本文将由断面所受正应力导致的压实作用、断层泥掉入断裂带形成的充填作用和流体沿断裂运移沉淀形成的胶结作用一并划归为断裂带成岩作用研究范畴。开展断裂带成岩作用研究, 不仅可以丰富断层封闭性研究的理论和方法, 且对寻找新的与断层相关的油气藏、拓展勘探空间, 具有重要意义。

1 充填作用对断层封闭性的影响

断层错动导致断面两侧岩石破碎, 掉入或带入断裂活动带中, 经过涂抹、研磨、压实、胶结, 形成断裂充填物(或断层岩)。对于断穿砂泥岩地层剖面的断层而言, 无论断层性质如何, 其断裂填充物主要是砂泥物质, 并按泥质含量的相对多少, 可分为泥质填充和砂质填充两种类型[13]。当断裂填充物以泥质为主时, 由于泥质颗粒细小, 性软, 在上覆地层重力作用下, 易压实成岩, 使其致密程度增高, 孔渗条件变差, 排替压力增高[14]。另外, 泥岩在上覆重力的作用下, 易发生塑性流动, 堵塞其渗漏空间, 也可使其封闭性增强而成为油、气侧向运移的遮挡物[15]。笔者在准噶尔盆地西北缘野外踏勘时发现, 中生界砂泥岩剖面中发育很多小规模断层, 露头可以清晰地看到泥岩涂抹充填和流动充填现象(见图 1)。泥岩涂抹层呈褐黄色, 紧贴在断裂面两侧, 较致密, 厚度大约2~3 cm, 中间混合有黑色的煤屑; 流动充填层呈灰白色, 充填于涂抹层残余的空间中, 表现出明显的塑性流动构造, 厚薄不一, 大致在3~5 cm厚, 泥质较纯。如果断裂填充物以砂质为主, 由于其致密程度差, 孔渗条件好, 难以直接成为油、气侧向运移的遮挡物, 但在断层静止后的压实、胶结作用下可以逐渐形成封闭。可以看出, 断裂填充物中泥质含量是影响断层封闭性的主要因素, 而填充物中泥质含量的多少可以通过以下公式进行计算[13]:

图 1 野外断层露头泥质充填现象 Figure 1 Phenomenon of fault clay filling in field outcrop
(1)

式中:Rm---泥质含量, 无因次; L---垂直断距, m; h1i, h2j---断层上、下两盘第i, j层泥岩的厚度, m; n1, n2---断层两盘被错断的泥岩层数; h---断层两盘目的层之间泥岩累积平均厚度, 统计时可取断层两盘不同井泥岩累积厚度的平均值, m; H---断移地层厚度, m。

断裂带填充物中泥质含量越高, 其孔渗性越差, 排替压力越高, 形成封闭的可能性越大。统计计算结果表明, Rm大于0.6时, 断裂带封堵性强; Rm处于0.3~0.6时, 封堵性中等; Rm小于0.3时, 封堵性差[13]

2 压实作用对断层封闭性的影响

影响断层封闭性好坏的关键因素是断裂紧闭程度[16], 而断裂紧闭程度又受断面承受的应力状态控制。断裂带充填物的致密性主要通过上覆沉积物重力载荷的压实作用和区域主压应力挤压作用形成, 若断裂带所受张应力大小超过了充填物的抗张强度, 就会张开; 要使早期形成的断裂带闭合, 断面所承受的压应力必须大于充填物的抗压强度。通常, 压性和压扭性断裂带压实作用强, 发育的断层岩致密, 颗粒紧密排列, 缝洞极不发育, 孔渗性差, 特别是其中发育的断层泥或糜棱岩孔渗性更差[10~11], 封闭性好。张性和张扭性断裂带压实作用弱, 常常发育破裂岩和断层角砾岩, 形态不规则, 大小混杂, 胶结疏松, 缝洞发育, 孔渗性好, 一般具开启性, 封闭性差。在对惠民凹陷曲堤地区钻遇断裂带取心井的岩心观察时发现, 发育在馆陶组的曲9-36井正断层, 断裂带破碎, 充填物疏松, 压实作用弱, 封闭性差(见图 2a); 而发育在奥陶系的曲古1井早期逆断层, 断裂带致密, 压实作用强, 封闭性好(见图 2b)。

图 2 断裂带岩心差异压实现象 Figure 2 Phenomenon of differential compaction in faulting zone' s core

断面所受应力状态除与区域应力、上覆重力载荷相关外, 还受断面埋深、断面倾角等因素的影响, 断面埋深越大, 倾角越缓, 断面所受到的压力越大, 断层紧闭程度越高, 封闭性越好; 反之越差。断面所受应力大小常用以下公式计算[6]:

(2)

式中:P---断面所承受的正压力, MPa; H---断面埋深, m; ρr---上覆地层平均密度, g/cm3;ρw---地层水密度, g/cm3;g---重力加速度; σ---水平地应力, MPa; θ---断面倾角, (°); β---地应力与断层走向之间的夹角, (°)。

断面所承受的压应力越大, 断裂带压实作用越强, 断裂越紧闭, 封闭性越好。统计计算结果表明, P大于7.5 MPa时, 断层封闭性强; P处于5.5~7.5 MPa时, 封闭性中等; P小于5.5 MPa时, 封闭性差[6, 13]

3 胶结作用对断层封闭性的影响 3.1 断裂带成岩胶结作用机理

断裂带成岩胶结作用是指富含矿物质的地下流体沿断裂带运移过程中, 由于物理环境的改变以及地下水与断层面上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, 使岩石孔隙度减小, 渗透率降低, 断层具有封闭性能。岩石在应力作用下, 发生剪切破裂, 并在微裂隙的周围, 特别在裂隙的尖端, 发生应力集中, 使裂隙递进扩展形成优势裂隙, 最后发展成大的断裂带[17]。断裂带一般由复杂的、成组的、交叉排列的断层滑动面和相应断裂体组合而成, 共同构成地震剖面上可识的断层[18]。在这一过程中, 岩石膨胀, 体积增大, 孔隙度、渗透率增加, 造成断层破碎带中流体压力下降, 成为相对低流体势区, 在裂隙内外压力差的驱动下, 围岩中的流体运移进入岩石的裂隙中, 在断层或断层附近作大规模的运移[19~21]。流体进入断裂破碎带中压力和温度降低, 必然产生水岩相互作用, 导致热液矿物的沉淀结晶, 而愈合破裂和角砾岩, 造成断裂带裂缝的充填, 久而久之, 渗透率逐渐变小直至不渗透[22~25]

3.2 断裂带成岩胶结物类型及来源

目前, 国内外大多数学者认为影响断层封闭性的成岩胶结矿物为石英和方解石。地下流体在沿垂直裂缝或连通孔隙自下而上的运移过程中, 石英沉淀, 方解石溶解; 而地表流体在沿垂直裂缝或连通孔隙自上而下的运移过程中, 方解石沉淀, 石英溶解[26]。同时, 来自相邻泥岩由于蒙脱石向伊利石转化而释放出的SiO2、相邻泥岩与砂岩本身的长石发生高岭石化释放出的SiO2和石英本身压溶形成的SiO2迁移至浅处沉淀, 导致石英增生; 另一方面是来自相邻岩石的沉积成因碳酸盐, 相邻泥岩的有机质在微生物作用下分解生成二氧化碳溶蚀长石等矿物形成的碳酸盐, 迁移至深处沉淀, 形成嵌晶状碳酸盐胶结[27]。SiO2和碳酸盐的沉淀是决定断裂带内垂直裂缝和未被泥质填充的连通孔隙是否封闭的主控因素。

3.3 断裂带成岩胶结作用影响断层封闭性的强度及范围

一般认为, 由于颗粒尺寸的减小和成岩胶结作用使断裂带与相邻的原地岩性相比具有较低孔隙度和渗透率, 同围岩相比, 孔隙度下降1个数量级, 渗透率下降3个数量级, 甚至低于7个数量级, 且毛细管压力比围岩大10~100倍[28]。石英在含水孔隙中的胶结速率平均为(6.3 ± 0.9)× 10-20 mol/(cm2·s), 在含油孔隙中的胶结速率平均为(1.5 ± 0.8)× 10-21 mol/(cm2·s)[29]。准噶尔盆地乌夏地区部分钻遇断层并取心井的岩石成岩胶结程度研究表明, 断裂带附近岩石胶结率明显增大, 胶结物含量增多, 胶结程度增强, 断裂带附近的孔隙度(小于5%)及渗透率(小于0.2 × 10-3 μm2)均较低, 胶结率比围岩高出近80%(见图 3), 表明断裂带是流体频繁活动的重要场所, 矿物沉淀现象非常普遍, 从而提高了断层的封闭能力。

图 3 乌夏地区围岩与断裂带岩石胶结程度对比图 Figure 3 Comparison chart of surrounding rock and faulting zone' s rock cementation level in WuXia

断裂带成岩胶结作用对断层封闭性的影响强度是很大的, 但是该作用发生的范围到底有多大是一个值得探讨的问题。Hippler S J[30]对苏格兰Orkney群岛北Scapa砂岩的显微结构和成岩作用分析表明, 盆地中流体运移作用对断层封闭性有重要影响。Oreadian盆地在中泥盆世发育时期, 断层呈张性, 与碎裂变形有关的膨胀作用引起的流体发生局部运动, 结果在北Scapa砂岩中距断层面1 m的范围内发生石英和伊利石胶结物的沉淀, 这一成岩事件与同时发生的碎裂岩使断层附近的砂岩的孔隙度和渗透率急剧减少。这说明成岩胶结作用对断裂带两侧岩石物性的影响范围有限, 但这只是个初步结论, 并没有对其进行过系统的量化研究, 因此, 这也是今后研究的一个重要方向。

3.4 断裂带成岩胶结作用的影响因素

流体在沿断裂带的渗滤运移过程中, 会改变断裂带内的pH、温度、压力等条件, 由于成岩环境的改变, 断裂带内发生成岩胶结作用, 提高断裂带的封闭性能。综合国内外专家学者的研究观点, 认为温度是影响断裂带成岩胶结作用的最主要因素。活动断裂带是流体流动的主要通道, 流体在对流过程中发生的温度变化, 势必会引起那些溶解度对温度变化敏感的矿物(例如石英和方解石)的重新分布。由于石英属于递进溶解度类型矿物, 而方解石则属于逆溶解度类型矿物[21]。因此, 在热对流过程中, 当流体降温流动时将引起石英的沉淀和方解石的溶解, 当流体升温流动时将引起石英的溶解和方解石的沉淀。但埋藏浅或更深温度过高或过低都不利于封闭, 温度值在70~90℃范围时, 断层会因自生石英的成岩胶结作用而封闭[31~32]

4 夏503井断层成岩封闭研究

夏503井断层位于济阳坳陷惠民凹陷南斜坡, 属于夏口大断层的分支(见图 4)。该断层对夏口断裂带江家店地区的油气聚集起着至关重要的作用, 其上盘含有大量油气, 含油层位主要为沙三下段(Es3下), 为一典型的断块油气藏。夏503井断层规模中等, 开始形成于沙四-孔店期, 活动持续时间长, 主要活动期为沙三段和东营期, 断距约60~150 m, 断面较陡, 倾角约为65°~70°[33]。该断层切割的地层多为砂泥岩剖面, 加之断面埋藏深, 受上覆岩层压力较大, 导致静止期断层所受压实作用较强, 泥质充填较好。同时, 由于断层多期活动, 构成流体运移通道, 导致断裂带内水岩相互作用较强, 成岩胶结作用较为明显。

图 4 夏503井断层位置图 Figure 4 Location of the fault in Well Xia-503
4.1 充填作用

断层两盘之间由于错动所产生的构造应力对两盘岩石的破坏作用, 使之或多或少存在着填充物[10~11]。通过对夏503井断裂带内的岩心观察发现, 断裂带上、下盘均为致密砂岩, 而带内充填泥岩, 厚1 m左右。该泥岩内含有碎屑颗粒, 破碎严重, 剪裂缝发育, 且有擦痕和镜面现象, 扫描电镜观察发育大量微裂缝(见图 5), 分析认为该套泥岩不是正常沉积, 而是由于断层持续活动过程中构造应力对两盘砂泥岩层破坏所产生的泥质充填物。利用公式(1), 可计算断裂带内的泥质充填物含量(Rm), 结果显示断裂带内泥质充填物含量大部分在0.7左右(见表 1), 泥质含量较高, 这与岩心观察的结果吻合。

图 5 夏503井断层成岩作用综合分析图 Figure 5 Comprehensive diagenetic analysis of the fault at Well Xia-503

表 1 夏503井断层断面应力和泥质含量计算结果 Table 1 Results of fault section stress and the clay content at Well Xia-503
4.2 压实作用

断面所受正应力大小是表征断裂带内压实作用强度的参数, 与区域应力场性质和埋深有关。一般逆断层或埋藏深的正断层断裂带压实作用强, 断层岩致密。通过地震、测井、录井及试油等资料, 建立夏503井断层地质剖面, 利用公式(2)计算夏503井断层面不同深度砂体所承受的正应力大小, 结果(见表 1)显示砂体所承受的正应力绝大部分超过了泥岩破裂强度(5.5 MPa), 从而使得断面两盘及断裂带内泥质岩发生塑性变形, 充填断裂带。同时, 强烈的断面挤压作用使充填在断裂带内的泥质岩发生错动、剪切、压实, 变得更为致密, 封闭性更强。岩心观察, 泥质充填物呈暗灰色, 质地坚硬, 表面擦痕、镜面现象普遍, 揉皱作用明显, 由于多期活动改造, 直接或镜下观察, 剪切裂缝和微裂缝发育(见图 5)。

4.3 成岩胶结作用

成岩胶结作用往往是静止期断层封闭的主要影响因素。早期由正应力作用形成的微裂隙, 由于后期成岩胶结作用的进行, 大量成岩胶结矿物可以堵塞裂缝, 从而使得其孔隙度、渗透率降低, 断层达到封闭的效果。通过扫描电镜分析发现, 断裂带内及其附近不同位置, 成岩胶结作用不同, 断裂带内泥质充填物微观剪切裂缝发育, 裂缝内充填球粒状黄铁矿、片状伊蒙混层和方解石, 断裂带上盘不含油砂岩成岩胶结作用强, 孔隙内充填石英、方解石、片状伊蒙混层、高岭石、伊利石、铁白云石等矿物, 含油层段砂岩孔隙保存较好, 整体为7~29 μm粒间孔不均分布。分析试油资料, 紧邻断裂带上盘的一层厚砂岩(砂体C)近断层的致密、成岩胶结作用强, 不含油或油斑, 深度大约3403.43 m, 而随着远离断层, 砂岩逐渐由油斑到油浸到饱含油(见图 5)。扫描电镜观察, 饱含油段砂岩成岩胶结作用弱, 粒间孔和粒内溶孔保存好, 深度大约3401 m。由此可推断夏503井断层成岩胶结作用的影响范围大致在断裂带附近3 m左右。

5 结论

(1) 断层错动, 容易形成断裂充填物, 且被断地层泥质含量越高, 断裂带充填物渗透性越差, 断层封闭性越强。

(2) 上覆地层重力载荷及区域主应力产生的压实作用是控制断裂带充填物的致密性和断裂静止期封闭强度的关键, 断裂带压实作用越强, 越紧闭, 封闭性越好。

(3) 断裂带既能成为流体运移的通道, 同时也是矿物沉淀胶结的场所。流体进入断裂破碎带, 随压力和温度的降低, 热液矿物发生沉淀结晶, 逐渐胶结裂缝和角砾岩, 使断裂带形成封闭。

(4) 夏503井断层断裂带内泥质充填物发育, 厚1 m左右, 由于埋藏深, 压实作用强, 断裂带充填物致密坚硬, 发育剪切缝及擦痕、镜面等构造现象。扫描电镜观察, 裂缝和岩石孔隙中充填有次生胶结矿物, 成岩胶结作用影响的范围大致在断裂带附近3 m左右。在充填、压实、胶结共同作用下, 夏503井断层封闭性强, 是控制江家店油田成藏的关键。

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