断层封闭性

断层封闭性的研究现状 一、概述 早期人们对油气（二次）运移理解为油气沿连通砂体的横向运移。随着世界各主要油区勘探经验的丰富，尤其是墨西哥湾钻进垂直断层带的实例(Durhsm， 1994)以及我国准噶尔盆地西北缘克拉玛依大逆掩断裂带的油气富集规律的发现，人们开始把目光转向一种新的勘探领域-以断层作为运移通道的勘探区。目前，对运移通道的研究正不断深入。连通砂体、断层、不整合面均可作为油气从烃源岩到圈闭聚集的运移通道。各类不同运移通道运移油气的形式、效率等都不尽相同。储层运载层主要是通过其连通孔隙系统进行横向运移，断层通过其裂缝系统进行垂向运移，不整合面以其良好的孔渗性能可横向也可垂向运移油气。 断层对油气成藏控制作用主要研究断层在不同时期的封闭性与油气成藏的配合关系。断层封闭性是指断层与地层物性的各向异性相配合，能够阻止油、气继续运移，使其聚集起来形成新的物性和压力系统。它在空间上表现为侧向封闭性和垂向封闭性。 二、断层封闭机理 断层的封闭程度主要取决于断层带物质及其两侧岩石的封闭能力,概括而言，主要存在以下几种方式： （1）涂抹作用　指塑性的泥质物或其它非渗透性岩层被拖拽进断层带敷在断层面上。有的学者用实验模拟了这种作用现象。Berg 1995年解释了其产生的力学机制。Lehner和Pi-laar提出了泥岩涂抹的拉分机制，此作用通常与同沉积断层或超压有关，因为在这些情况下，泥岩可以保持好的塑性。 （2）碎裂作用　指断层位移期间的颗粒挤压和破碎作用，形成的断层泥明显降低了断层带的渗透性。在断层变形带内，由于碎裂作用使得孔隙度值比围岩的小一个数量级，渗透率比围岩中的小3个数量级。对断层岩岩芯微观结构的研究表明，碎裂产生的断层泥可以封住300m高的油柱或更多的烃柱。实验数据表明，断层泥的形成主要受控于断层的初始位移量，随后沿断层泥发生滑动，但不再产生破碎带。控制碎裂物发育的主要因素是断层移动时作用在断层面上的有效法向应力的大小。 （3）成岩胶结作用　断层破碎带的产生不仅有利于流体的流动，也有利于胶结物的生成。但是沉降在断裂带边界的物质将降低断层带内物质的渗透能力。胶结物的厚度取决于流体渗进岩石的距离、流体中溶解物的量和渗透过程中的流体压力。在岩石渗透率高和(或)流体渗滤压力降低的位置，生成的胶结物则厚度大。 三、断层封闭性研究方法 1．定性的地质研究 Smith（1966）提出的断层两侧岩性对接封闭模式，以其直观性为人们普遍接受，成为研究断层封闭性的经典理论。但是，这种模式是建立在无断裂充填物（即断层两盘以“面”接触）的情况下的。实际上断层无充填物，以“面”接触的情况是很难找到的，无论是正断层还是逆断层，断层两盘由于断层错动所产生的构造应力对两盘岩石的破坏作用，使之或多或少存在充填物，即存在断裂带。这种情况下断层能否形成侧向封闭，已不再取决于断层两盘的砂泥是否对接，而在于断裂带与储层的物性差异。 断裂带的物性对断层的侧向封闭能力有重要作用。碎屑岩断裂带特征可以分两种情况讨论：（1）当断裂填充物以泥质为主时，由于泥质颗粒细小，性软，在上覆地层重力的作用下，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。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，成为油、气侧向运移的遮挡。（2）断裂填充物以砂质为主，虽然其致密程度差，孔渗条件好，难以直接成为油、气侧向运移的遮挡物，但是，只要其能在后期构造应力的作用下发生颗粒的压碎作用使其颗粒变小，或者由于后期地下水所携带的矿物质将其胶结起来，或者是后期油、气在其渗漏过程中发生氧化，形成沥青塞等作用，都可以使其孔隙空间减少，渗漏空间被堵塞，排替压力增高，而成为油、气侧向运移的遮挡物。 2． 半定量化的研究 随后的研究均考虑到了断裂带的存在。刘泽容（1998）等提出了主应力、岩性配置、断层泥、断层产状、时间配置、泥岩沾污带和剪切带等6种封闭模式。近年来，国内外都用到了泥岩沾污因子（ ）等定量参数（Lindsay，1993；刘泽容，1998；付广，1996；等）。陈章明、吕延防等（1995）应用非线性映射、逻辑信息判别等方法，侯加根（1998）等采用模糊综合评价技术、灰色聚类等技术对断层封闭性进行评价。 （1）泥岩涂抹法 泥岩涂抹是断裂带中普遍存在的地质现象。在断层活动过程中，由于泥岩塑性大，在挤压应力或重力的作用下，使泥岩粉碎成粘土在其上下盘断壁间削截砂岩层上形成的一个糜棱岩化的泥岩隔层。这种泥岩涂抹层，由于受挤压应力或重力的作用，不仅可以使泥质颗粒侵入砂岩断面堵塞其孔隙，并且还会受到不同程度的动力变质，使泥岩涂抹层中成分发生致密化，而具封闭性。目前泥岩涂抹法已经成为定量评价断层封闭性的重要方法。 Bouvier等提出用“泥岩涂抹能力”(CSP)可以判断断层的相对封闭程度。CSP主要与泥岩层厚度和断距有关。其计算方法为(图1-a)： Yielding等认为上式可以改写成更一般的形式(图1-b)： 在这里m，n为附加变量，可以通过实验或观察确定。当m=n时，其为独立的变量，不受空间的限制。当n>1时，厚的源岩层对计算结果影响较大。 Lindsay于1993年提出了涂抹因子(SSF)的计算方法(图1-c)： 在这里涂抹因子与源岩层的厚度、层数成反比，而与断距成正比。该方法意欲模拟以塑性方式被拖曳进断层带或注入断层带的不渗透性物质的影响。这种方法明确假设断层带内不渗透层逐渐变薄。因此源岩的位置与涂抹因子有直接关系。它主要用于那些低围压下进入断层带内的弱压实沉积物。 实际上，(1)式和(2)式只适用于断面剪切型的涂抹，(3)式适用于压入型的涂抹。但它们不适合厚的非均质的碎屑岩层序。为此，Yielding等提出了断层泥比率(SGR)的计算方法(图2-a)： 稍加变化，就可以计算断层带的SGR(图2-b)： 断层泥比率法就是在断层位移段内测定泥和(或)页岩所占的比例。用上盘或下盘均可以测定。其使用的前提条件是把进入断层带的非渗透性物质作为断层泥。它提供了一种更“平均”化或“夸张”化的断层封闭性评价方式。 总之，泥岩涂抹所形成的断层侧向封闭性的好坏，关键在于其空间分布的连续性，泥岩涂抹既可存在于逆断层中，也可以存在于正断层中。在不同的断层中以及同一条断层的不同部位，由于断层性质、产状、断移地层的泥地比和断面产状及形态的差异，其内的泥岩涂抹程度以及空间分布面积大小是不同的。断层性质和产状不同，断层面上所受到的作用力也就不同，挤压成因的逆断层，由于断层面上不仅要受到一个来自上覆岩层重量产生的压力作用，而且还要受到一个来自区域构造挤压应力对断面的挤压作用，因此，其泥岩涂抹作用相对较强，有利于泥岩涂抹层发育。而拉张成因的正断层，其断层面上只受到一个来自上覆岩层重量产生的压力作用，因此，泥岩涂抹作用相对较弱，而不利于泥岩涂抹层发育。断移地层的泥岩含量大小也是影响泥岩涂抹层发育的重要因素，断移地层的泥岩含量越高，断裂带中泥质成分越多，越有利于泥岩涂抹层的发育；相反，断移地层的泥岩含量越低，断裂带中泥质成分越少，越不利于泥岩涂抹层的发育。此外，断层面的产状及其光滑程度也将影响其泥岩涂抹层的发育，断层面的产状越缓，其所受到的压力越大，其涂抹作用越强，越有利于泥岩涂抹层的发育，反之则不利于泥岩涂抹层的发育；断层面越光滑，泥岩涂抹的范围越大，越有利于泥岩涂抹层的发育，反之则不利于泥岩涂抹层的发育。 根据Richard  G.Gibson（1995）对特立尼达海哥伦布盆地第三系沉积物中的断层研究发现，泥岩涂抹只能形成于泥岩位移经过的断层部位，其在空间上连续性好坏集中反映在断层位移大小和断开泥岩层数及厚度大小上，即断层位移越小，断开泥岩层数越多，厚度越大，泥岩涂抹层在空间上的连续性相对越好；反之泥岩涂抹层在空间上的连续性相对越差。 （2） 应用各种数学方法的综合研究 断层封闭性是多种地质因素共同作用的结果，选择适当的数学地质方法将诸多地质因素，通过数学变换与计算进行综合分析，可确切地反应断层实际的封闭情况。 非线性映射分析是常采用的方法。值得一提的是，综合数学方法方法的准确度均基于对地质现象的认识程度和理论研究的深度。下面介绍非线性映射分析法判断断层封闭性的数学原理。 非线性映射分析是一种“几何图像降维”的数学方法，由J． W．Sanunon于1969年提出。此方法是通过某种非线性变换后，把高维空间几何图象转换为低维空间中的图象，要求变换后仍能近似地保持原象的几何关系，由此在低维空间中直观地看到一些高维样品相互关系的近似图像。 非线性映射分析分 型和 型两类， 型是用距离系数矩阵表示样品点之间的关系， 型通常是用相关系数矩阵或协方差矩阵表示变量间的关系，前者主要用于地质体的分类，后者主要用于地质变量的分类。断层封闭性的判别是将被判别的断层与已知封闭性断层一道进行数学变换和归类，以断定被判别断层封闭性的归属，属于地质体的分类研究，故选择 型非线性映射分析。 型分析的基本原理如下： 设有 个样品，每个样品测量 项指标（变量），得到的数据用如下的矩阵表示 （6） 每个样品就相当于 维空间的一个点或一个向量 （7） 它们之间的欧氏距离为 （8） 现在要将 空间中的 个点非线性地映射到一个维数较低的 空间( < )中，通过非线性映射之后 空间中的 个点为 （9） 是 空间中的 个初始映射点，计算 个点之间的欧氏距离为： （10） 一般 取2或3，这样便于作图，赛孟的非线性映射的原则是尽可能地保持 空间中 个点之间的欧氏距离不变，尤其是要尽可能地保持距离较小的那些点之间的欧氏距离不变。而原来距离较大的那些点之间的距离允许有某些歪曲．当然，如果能使所有点之间的距离都尽可能地不变更好，但是由于受到维数 的约束，这往往是不可能的，通常只能局部地保持点间的距离不变，而不能全局地保持点间距离不变。 定义误差函数 （11） 采用最速下降法迭代，只到满足精度要求为止。 把多个影响断层封闭性的因素看成是多维坐标，则每条断层即是这多维空间中的一个点，断层的封闭能力不同，其所在空间的位置就不同，封闭能力相似的断层，控制其封闭能力地质因素相似，所在坐标中空间位置就相近。在近似保持断层间几何关系的前提下，通过数学变换使多维坐标降至二维平面，并在二维平面上研究不同封闭性能与断层所在的位置关系。 参考文献 [1]鲁兵等，断层封闭性研究进展，地质科技情报，1998，Vol.7，No.3. [2]童亨茂，断层开启与封闭的定量分析，石油与天然气地质，1998，19（3），215-220. [3]吕延防等，断层的封闭性的定量研究方法，石油学报，1996，17（3），39-45. [4]赵密福等，断层封闭性的研究进展，新疆石油地质，2001，Vol.22，No.3.