斷層封閉性

斷層封閉性是指斷層上下盤岩石或斷裂帶與斷層上下盤岩石由於排替壓力的差異，而阻止流體繼續流動的性質。

斷層對油氣成藏控制作用主要研究斷層在不同時期的封閉性與油氣成藏的配合關係。斷層封閉性是指斷層與地層物性的各向異性相配合，能夠阻止油、氣繼續運移，使其聚集起來形成新的物性和壓力系統。它在空間上表現為側向封閉性和垂向封閉性。

基本介紹

• 中文名：斷層封閉性
• 外文名：fault sealing
• 學科：石油工程
• 釋義：岩石排替壓力的差異
• 機理：塗抹作用、碎裂作用
• 內容：斷面兩側的岩性條件、力學性質

介紹

早期人們對油氣（二次）運移理解為油氣沿連通砂體的橫向運移。隨著世界各主要油區勘探經驗的豐富，尤其是墨西哥灣鑽進垂直斷層帶的實例(Durhsm， 1994)以及我國準噶爾盆地西北緣克拉瑪依大逆掩斷裂帶的油氣富集規律的發現，人們開始把目光轉向一種新的勘探領域-以斷層作為運移通道的勘探區。目前，對運移通道的研究正不斷深入。連通砂體、斷層、不整合面均可作為油氣從烴源岩到圈閉聚集的運移通道。各類不同運移通道運移油氣的形式、效率等都不盡相同。儲層運載層主要是通過其連通孔隙系統進行橫向運移，斷層通過其裂縫系統進行垂向運移，不整合面以其良好的孔滲性能可橫向也可垂向運移油氣。

斷層對油氣成藏控制作用主要研究斷層在不同時期的封閉性與油氣成藏的配合關係。斷層封閉性是指斷層與地層物性的各向異性相配合，能夠阻止油、氣繼續運移，使其聚集起來形成新的物性和壓力系統。它在空間上表現為側向封閉性和垂向封閉性。

斷層封閉機理

斷層的封閉程度主要取決於斷層帶物質及其兩側岩石的封閉能力,概括而言，主要存在以下幾種方式：

（1）塗抹作用

指塑性的泥質物或其它非滲透性岩層被拖拽進斷層帶敷在斷層面上。有的學者用實驗模擬了這種作用現象。Berg 1995年解釋了其產生的力學機制。Lehner和Pi-laar提出了泥岩塗抹的拉分機制，此作用通常與同沉積斷層或超壓有關，因為在這些情況下，泥岩可以保持好的塑性。

（2）碎裂作用

指斷層位移期間的顆粒擠壓和破碎作用，形成的斷層泥明 顯降低了斷層帶的滲透性。在斷層變形帶內，由於碎裂作用使得孔隙度值比圍岩的小一個數量級，滲透率比圍岩中的小3個數量級。對斷層岩岩芯微觀結構的研究表明，碎裂產生的斷層泥可以封住300m高的油柱或更多的烴柱。實驗數據表明，斷層泥的形成主要受控於斷層的初始位移量，隨後沿斷層泥發生滑動，但不再產生破碎帶。控制碎裂物發育的主要因素是斷層移動時作用在斷層面上的有效法向應力的大小。

（3）成岩膠結作用

斷層破碎帶的產生不僅有利於流體的流動，也有利於膠結物的生成。但是沉降在斷裂帶邊界的物質將降低斷層帶內物質的滲透能力。膠結物的厚度取決於流體滲進岩石的距離、流體中溶解物的量和滲透過程中的流體壓力。在岩石滲透率高和(或)流體滲濾壓力降低的位置，生成的膠結物則厚度大。

研究方法

1．定性的地質研究

Smith（1966）提出的斷層兩側岩性對接封閉模式，以其直觀性為人們普遍接受，成為研究斷層封閉性的經典理論。但是，這種模式是建立在無斷裂充填物（即斷層兩盤以“面”接觸）的情況下的。實際上斷層無充填物，以“面”接觸的情況是很難找到的，無論是正斷層還是逆斷層，斷層兩盤由於斷層錯動所產生的構造應力對兩盤岩石的破壞作用，使之或多或少存在充填物，即存在斷裂帶。這種情況下斷層能否形成側向封閉，已不再取決於斷層兩盤的砂泥是否對接，而在於斷裂帶與儲層的物性差異。

斷裂帶的物性對斷層的側向封閉能力有重要作用。碎屑岩斷裂帶特徵可以分兩種情況討論：

（1）當斷裂填充物以泥質為主時，由於泥質顆粒細小，性軟，在上覆地層重力的作用下，易壓實成岩，使其緻密程度增高，孔滲條件變差，排替壓力增高。另外，泥岩在上覆重力的作用下，易發生塑性流動，堵塞其滲漏空間，也可使其封閉性增強，成為油、氣側向運移的遮擋。

（2）斷裂填充物以砂質為主，雖然其緻密程度差，孔滲條件好，難以直接成為油、氣側向運移的遮擋物，但是，只要其能在後期構造應力的作用下發生顆粒的壓碎作用使其顆粒變小，或者由於後期地下水所攜帶的礦物質將其膠結起來，或者是後期油、氣在其滲漏過程中發生氧化，形成瀝青塞等作用，都可以使其孔隙空間減少，滲漏空間被堵塞，排替壓力增高，而成為油、氣側向運移的遮擋物。

2． 半定量化的研究

隨後的研究均考慮到了斷裂帶的存在。劉澤容（1998）等提出了主應力、岩性配置、斷層泥、斷層產狀、時間配置、泥岩沾污帶和剪下帶等6種封閉模式。近年來，國內外都用到了泥岩沾污因子（SSF）等定量參數（Lindsay，1993；劉澤容，1998；付廣，1996；等）。陳章明、呂延防等（1995）套用非線性映射、邏輯信息判別等方法，侯加根（1998）等採用模糊綜合評價技術、灰色聚類等技術對斷層封閉性進行評價。

（1）泥岩塗抹法

泥岩塗抹是斷裂帶中普遍存在的地質現象。在斷層活動過程中，由於泥岩塑性大，在擠壓應力或重力的作用下，使泥岩粉碎成粘土在其上下盤斷壁間削截砂岩層上形成的一個糜棱岩化的泥岩隔層。這種泥岩塗抹層，由於受擠壓應力或重力的作用，不僅可以使泥質顆粒侵入砂岩斷面堵塞其孔隙，並且還會受到不同程度的動力變質，使泥岩塗抹層中成分發生緻密化，而具封閉性。目前泥岩塗抹法已經成為定量評價斷層封閉性的重要方法。

泥岩塗抹所形成的斷層側向封閉性的好壞，關鍵在於其空間分布的連續性，泥岩塗抹既可存在於逆斷層中，也可以存在於正斷層中。在不同的斷層中以及同一條斷層的不同部位，由於斷層性質、產狀、斷移地層的泥地比和斷面產狀及形態的差異，其內的泥岩塗抹程度以及空間分布面積大小是不同的。斷層性質和產狀不同，斷層面上所受到的作用力也就不同，擠壓成因的逆斷層，由於斷層面上不僅要受到一個來自上覆岩層重量產生的壓力作用，而且還要受到一個來自區域構造擠壓應力對斷面的擠壓作用，因此，其泥岩塗抹作用相對較強，有利於泥岩塗抹層發育。而拉張成因的正斷層，其斷層面上只受到一個來自上覆岩層重量產生的壓力作用，因此，泥岩塗抹作用相對較弱，而不利於泥岩塗抹層發育。斷移地層的泥岩含量大小也是影響泥岩塗抹層發育的重要因素，斷移地層的泥岩含量越高，斷裂帶中泥質成分越多，越有利於泥岩塗抹層的發育；相反，斷移地層的泥岩含量越低，斷裂帶中泥質成分越少，越不利於泥岩塗抹層的發育。此外，斷層面的產狀及其光滑程度也將影響其泥岩塗抹層的發育，斷層面的產狀越緩，其所受到的壓力越大，其塗抹作用越強，越有利於泥岩塗抹層的發育，反之則不利於泥岩塗抹層的發育；斷層面越光滑，泥岩塗抹的範圍越大，越有利於泥岩塗抹層的發育，反之則不利於泥岩塗抹層的發育。

根據Richard G.Gibson（1995）對特立尼達海哥倫布盆地第三系沉積物中的斷層研究發現，泥岩塗抹只能形成於泥岩位移經過的斷層部位，其在空間上連續性好壞集中反映在斷層位移大小和斷開泥岩層數及厚度大小上，即斷層位移越小，斷開泥岩層數越多，厚度越大，泥岩塗抹層在空間上的連續性相對越好；反之泥岩塗抹層在空間上的連續性相對越差。

（2） 套用各種數學方法的綜合研究

斷層封閉性是多種地質因素共同作用的結果，選擇適當的數學地質方法將諸多地質因素，通過數學變換與計算進行綜合分析，可確切地反應斷層實際的封閉情況。

非線性映射分析是常採用的方法。值得一提的是，綜合數學方法方法的準確度均基於對地質現象的認識程度和理論研究的深度。下面介紹非線性映射分析法判斷斷層封閉性的數學原理。

非線性映射分析是一種“幾何圖像降維”的數學方法，由J．W．Sanunon於1969年提出。此方法是通過某種非線性變換後，把高維空間幾何圖象轉換為低維空間中的圖象，要求變換後仍能近似地保持原象的幾何關係，由此在低維空間中直觀地看到一些高維樣品相互關係的近似圖像。

研究內容

斷層對油氣具有雙重作用，一是能阻擋油氣運移，形成油氣圈閉，它是油氣藏的天然邊界;二是成為油氣運移的通道，或注水開發時的水竄道路。即使是同一條斷層在它形成的早期一般是開啟性的，在其後期斷裂活動轉沉寂以後，由於上覆地層的壓實作用與地下水活動產生的充填、膠結作用，斷層又多轉化為封閉性的。因此，研究斷層的封閉性，無論在理論上或在油氣勘探與開發的實踐中都是十分重要的。

判斷斷層的封隔性，可以從以下兒個方面進行分析研究。

1.斷面兩側的岩性條件

斷面兩側的岩性條件是斷層具封閉性的基礎。斷層兩側若為滲透性與非滲透性岩層相接觸時，則該斷層為封閉性斷層的可能性較大。但也要注意，沿斷層延伸方向斷面兩側滲透層與非滲透層的接觸關係是變化的，因此在斷層的不同位置，其封閉差異可能存在變化，因而該斷層的封閉性還需套用其它更可靠的資料予以證實。

2.斷層的力學性質

從力學性質來分析，通常認為張性斷裂易於形成開啟性斷層，而壓扭性斷裂容易形成封閉性斷層。但隨著埋深的增加和時間的延長，張性斷裂的封閉性也會發生變化。埋深增加使壓實作用加強，斷層面會逐漸封閉;在漫長的地質年代裡，時間因素也會使岩石發生蠕變現象，從而使原來開啟的斷層逐漸封閉。而地下水的存在和水中的溶解物質的澱積、膠結、交代等作用，也會加強斷層的封閉。因此，不能僅僅根據斷層的力學性質就做出肯定或否定的斷語，還應參考多方面的資料進行推斷論證。一般來說，長期處於沉寂狀態下的斷蹌較小的斷層，多是封閉性的

3.斷層兩盤的流體性質及分布差異

斷層兩盤流體性質的差異，尤其油水界面高度的差異，是斷層封閉的重要標誌。

4.鑽井過程中的顯示

在正常鑽井過程中，鑽遇斷層若發現鑽井液漏失、井涌及油氣顯不等現象，以及岩心有斷層角礫岩，岩屑中存在次生方解石，石英含量增高，鑽時減少等現象，這將預不鑽遇的斷層多為開啟性的，否則為封閉性斷層。例如，渤海灣地區很多井都鑽遇了正斷層，有的井鑽遇正斷層多達6~7條，但多數井未發現斷點處有井漏、井涌及油氣顯不等現象，一般都認為斷層是封閉的，並得到證實。

斷層的封閉與否，除應考慮上述因素外，還可在油田的開發過程中，套用壓力恢復曲線或通過觀察開發井與生產井產量與壓力變化，來判斷斷層的封閉性，這對油田開發和剩餘油研究有重要意義。

開發過程研究

以上四種判斷斷層封閉性的方法，基本上屬於可能性推斷，所得出的推斷都需要依據油田開發動態資料進行檢驗。

在油田開發過程中，需要對斷層的封閉性進行準確判斷，這隻有採用水動力學的方法。

（1）壓力判斷

依據斷層兩側油水井的壓力反映來判斷斷層的封閉性，是開發過程中研究斷層封閉性的基本方法。如果斷層一側的井出現激動而另一側的井隨之出現相應的產量壓力波動，則該斷層必然是開啟的。常常這樣的波動難以從井口的壓力或產量變化中察覺，這時可以下入高靈敏度的電子壓力計，進行井間干擾測試。如果該斷層是開啟的，一般情況下會測出壓力波動信號。

（2）注采連通判斷

依據斷層附近油水井的生產動態資料，可以準確地判斷該斷層的封閉性。比如:

①當分布在斷層兩邊的油水井出現注水見效、注水見水等動態反應時，該斷層應該是開啟的;否則是封閉的。

②當沿斷層分布的油水井出現注水水竄、暴性水淹等動態表現時，該斷層應該是開啟的;否則是封閉的。

③當斷層附近的油水井突然出現套管損壞，尤其大量出現套管損壞時，極大可能是注入水引起斷層面附近的泥岩膨脹，導致斷層出現移動(滑動)，出現套管損壞現象。