松辽盆地寒武系马氏断陷营一段火山岩断层封闭性评价

松辽盆地寒武系马氏断陷营一段火山岩断层封闭性评价

0断层岩封闭性研究断裂带的封闭性影响断裂带（与断层相关的圆锥体）的聚气能。这是评估区域和周界风险的重要研究内容。目前对砂泥互层地层断层带内部结构及封闭性的研究取得了长足的发展,国内外学者认识到断层带普遍发育破碎带和断层核“二元”结构。破碎带因岩石物性差别而表现出不同的渗透性:高孔砂岩断层的破碎带主要发育变形带;低孔岩石断层带的破碎带则以发育裂缝为主,普遍为高渗特征。断层核的渗透性因其内部充填物不同而表现出较大差异,这是围岩与断层存在差异渗透性的根本原因。针对碎屑岩断层形成的断层岩封闭,2002年,Bretan等学者建立了断层带断层泥比率与封闭最大烃柱高度的关系,实现了碎屑岩断层侧向封闭性的定量评价。然而,目前关于火山岩断层侧向封闭性的研究相对较少。松辽盆地徐家围子断陷火山岩天然气分布受断层控制明显,本文基于火山岩断层带内部结构和两盘对接特征,并结合气水分布特点,通过研究断层封闭机理,利用改进的断层封闭性评价方法,系统分析了徐家围子断陷营一段火山岩断层带内部结构与断层侧向封闭性,探究了断层封闭性对该地区天然气聚集和分布的影响。1层间沉积期岩相徐家围子断陷位于松辽盆地东部断陷带的中部(见图1),为“西断东超”的箕状断陷,其上叠加后期发育的三肇凹陷,具有典型的“下断上坳”的二元结构。断陷期自下而上发育初始裂陷期的火石岭组(K1h)、强烈裂陷期的沙河子组(K1sh)和断陷向坳陷转化期的营城组(K1y),层间均以角度不整合相接触。火石岭组为一套火山岩建造,沙河子组沉积时断陷强烈活动,形成优质烃源岩,营城组沉积时断陷逐渐向坳陷转化,发育两套火山岩建造。登娄库组沉积时断陷活动停止,转入断陷期后的热冷却沉降期。目前勘探证实,营城组火山岩普遍富气,已发现的天然气藏主要富集在走滑断层附近。走滑断层封闭特征与天然气运移、分布规律之间存在特定的耦合关系,因此研究断层变形特征及控藏机理有利于深入揭示天然气藏的分布规律。2不同结构特征的断层对流体的控制作用断层带普遍发育“二元”结构,即断层核和破碎带。研究发现,不同结构特征的断层对流体的控制作用存在很大差异,因此正确认识断层带内部结构是断层封闭性研究的基础。2.1断层带结构组成断层通常是岩浆“裂隙式”喷发的通道,虽然断层活动诱导火山喷发,但强烈的岩浆作用抑制了断层带结构的形成。只有喷发回落的堆积物和冷却后的岩浆固结成岩之后,断层再次变形,才能形成明显的断层带“二元”结构。火山岩的断层变形主要有3种形式,破碎带处一般以破裂作用为主,表现为大量的裂缝切割围岩;断层核处以破裂和碎裂流作用为主,岩石发生很大程度的破裂,主要形成断层角砾岩;断层核内的滑动面位置则以研磨作用为主,具有擦痕,可见断层泥、碎裂岩和角砾岩。2005年,Gray等人通过研究美国内华达州尤卡山熔结凝灰岩断层带结构发现,随着断距的增加,断层带结构差异越来越明显。可归纳为4种典型断层带内部结构:Ⅰ型断层带发育不连续的断层滑动面和擦痕,断距为几毫米到几厘米,几乎不发育破碎带,其宽度小于2cm;Ⅱ型断层带发育较薄的断层核和不明显的破碎带,断距小于1m,断层核内以角砾岩充填为主;Ⅲ型断层带由断层核和破碎带构成,断距为几厘米到几十米,断层核由无内聚力或内聚力较小的碎裂岩和角砾岩组成,直径约为几十厘米到1m,破碎带发育小断层、裂缝和岩脉,宽度约为1~10m;Ⅳ型断层带由断层核(由断层泥、碎裂岩和角砾岩组成)和破碎带组成,断距为10m到几百米。综上可知火山岩断层带的形成特点:断层随着断距增加,逐渐从单一断层核向“二元”结构发展,断层核由角砾岩向碎裂岩和断层泥方向发展。2.2fpsr-pcr断层基于对熔结凝灰岩断层带结构的初步认识,对天然气富集的营城组营一段火山岩断层带进行分析。营一段火山岩主要为流纹岩和凝灰岩。为了了解两类火山岩的变形特征和断层带内部结构,对营一段流纹岩断层(松辽盆地吉林九台地区)与凝灰岩断层(柳江盆地义院口地区)分别进行了描述。吉林九台地区营一段露头岩性为流纹岩,其发育F1和F2两条断层(见图2),断层滑动面的擦痕方向指示两条断层均为正断层。F1断层发育明显滑动面,滑动面不同位置的产状具有一定差异,但整体为近西倾的高角度正断层。断层带“二元”结构清晰,断层核宽度为0.4~2.3m,其内充填大量较松散的断层角砾岩,受风化作用呈紫红色,成岩程度相对围岩较低,且发育大量交叉、连通的网状裂缝。自滑动面沿剖面方向向东,断层核充填物粒度逐渐增大(长轴长为几毫米至2.4m),由角砾岩逐渐过渡为构造透镜体,且裂缝发育密度呈下降趋势。未变形位置的围岩裂缝发育程度低,岩石本身非常致密,发育的孔洞和裂缝较少,且连通性差,因而整体上流纹岩与流纹岩对接处的断层带相对围岩具有较高的孔渗特征。F2断层仅发育滑动面,局部位置发育断层核。断层核内部为断层角砾岩,基本无断层泥,滑动面两侧为发育裂缝的破碎带。因此,由两条断层特征可知,营一段断层带在流纹岩—流纹岩对接处,裂缝密度高,裂缝连通性好,断层不具备封闭能力,且在一定程度上增强了断层带相对围岩的渗透能力。柳江盆地义院口地区发育1条明显的凝灰岩断层(见图3)。依据滑动面上擦痕的指示方向,判断其为逆断层,倾角约43°。断层两盘无明显标识层,难以确定断距大小。该断层具备清晰的“二元”结构特征,断层核宽为5~20cm,破碎带发育较长的交叉裂缝(几十厘米至几米)(见图3a)。断层核附近的网状交叉裂缝十分发育(见图3b),裂缝连通性好。断层核内充填物主要为风化的断层角砾岩(见图3c),其抗风化能力相对母岩较弱,成岩程度比围岩低。在断层核部分位置发育开启的裂缝,局部新鲜面有胶结的裂缝(见图3c),说明断层变形后期断层核具备高渗特征,为后期流体在断层带流动和流体携带物质沉积提供了条件。凝灰岩断层带内断层泥含量极低,断层核与破碎带均发育大量连通裂缝。综上可大致推断,相对围岩,凝灰岩断层带总体呈现高渗特征,基本不具备封闭能力,其封闭性与流纹岩断层基本相同。2.3断层封闭模式露头观测到流纹岩与凝灰岩断层带“二元”结构清晰。尽管不同断层的断层核与破碎带厚度相差较大,但流纹岩和凝灰岩断层在同层火山岩对接处均呈现高渗特征,不具备封闭能力,且付晓飞等研究发现火山岩—火山岩对接的部位均为水层。因此可推断徐中断层在营一段火山岩对接位置难以依赖断层岩形成封闭,只能依靠火山岩储集层与低渗透性岩性对接、盖层泥岩涂抹或后期的胶结封闭作用才能形成有效的封闭。但由于大规模天然气运移极大阻碍胶结作用的发生,因此胶结封闭难以形成。同时通过对比徐中断层登二段区域盖层、营四段局部盖层的累计厚度与盖层顶面断距发现,其盖层厚度在任意位置均大于顶面断距(见图4),因此盖层并未被错断,泥岩涂抹封闭模式不存在。因而研究区断层封闭的形成主要依赖营一段火山岩储集层与对盘上覆低渗透层岩性对接形成封闭。营一段火山岩气层上覆地层岩性主要为泥岩和砾岩。根据徐中断层周围井资料,对比火山岩储集层和砾岩物性及排替压力发现,砾岩比下伏火山岩物性差,因此存在火山岩—砾岩对接封闭模式。从而说明营一段火山岩与上覆泥岩、砾岩可形成对接封闭,同时火山岩—火山岩对接位置是侧向渗漏的,因此气藏的气水界面受控于火山岩与火山岩对接部位的最小深度(见图5)。3火山岩脉的闭合3.1分析方法改进在明确营一段火山岩断层为对接封闭的基础上,对徐中断层等主要控圈断层的封闭性进行了解剖。对接封闭评价中应用最普遍的为Allan图(断面岩性对接图)和Knipe图(传统单井三角图),两者结合即可定量分析断层的对接封闭性。Knipe图主要应用于正断层和逆断层的断层封闭性分析,其原理是利用断层附近一口典型井的测井及录井成果表征断层两盘的地层特征,进而通过断层控圈部分断距的大小绘制传统单井三角图。在不考虑剥蚀和同生作用的情况下,正、逆断层形成后两盘的地层基本特征(岩性、厚度、层序和渗透性)变化较小,因此该方法只能应用于断层两盘地层特征相同或相似的区块。由两条过徐中断层的地层剖面可知:受断层走滑作用、剥蚀作用和火山岩发育厚度不均一的影响,徐中断层两盘的火山岩储集层厚度和地层层序都存在明显差异(见图6)。走滑作用导致平面上不同地层特征的两盘发生对接。另外走滑断层的垂直断距使得断面岩性的对接关系趋于复杂,若采用Knipe图法,则难以准确确定不同断距下断层两盘的岩性对接关系。为了评价走滑断层对接封闭性,对传统三角图的评价方法进行改进,基于Knipe图法的基本原理,进一步考虑走滑作用下两盘地层特征的差异,绘制双井三角图。如图7a中所示,走滑断层导致平面上不同地层特征的区带对接。当区带Ⅰ与区带Ⅲ对接时,断层两侧的地层特征存在明显差异。因此在利用三角图分析岩性对接关系过程中,在断层两盘各选取1口典型井(A′井与C井)绘制三角图,并依据两口井的目的层顶面确定垂直断距,进而绘制断层两盘垂向上的岩性对接关系(见图7b)。双井三角图能够真实反映走滑作用下不同垂直断距的岩性对接关系,并且可以更为真实地反映断层两盘的地层特征,降低高渗透性储集层与对盘低渗透—非渗透性盖层(简称低非渗透性盖层)对接范围的不确定性,提高了利用三角图评价断层封闭性的精度。3.2同层储集层对接渗流井气水界面特征结合双井三角图和Allan图,对控圈作用明显的徐中断层及其两盘发育的小型正断层进行了评价,包括徐深1、徐深7、徐深14及徐深27等4个典型气藏。评价过程中,引入了“风险断距”的概念,即断层形成封闭条件所对应的最小断距,小于该断距值则说明断层存在较高的侧向渗漏风险。分析野外断裂带结构发现,在火山岩储集层同层对接处,断层不具备封闭能力,因此可以依据双井三角图所显示的火山岩对接关系确定风险断距。徐深1气藏断层控圈部分的储集层顶面断距为80~708m,由徐深1井与对盘徐深502井双井三角图可知(见图8),该断圈的风险断距为260m,因此部分控圈断距小于风险断距,因此控圈断层存在同层火山岩储集层对接渗漏窗口。通过断面岩性对接图发现(见图9),同层火山岩储集层对接处最小海拔深度为-3550m,即对接渗漏所确定的气水界面海拔为-3550m,对应断距为223m。依据以上原理,分别利用徐深7与徐深201井、徐深14与徐深141井、徐深27与徐深302井绘制双井三角图,对徐深7、徐深14及徐深27断圈进行评价,确定3个断圈的气水界面海拔分别为-3810m、-3636m、-3792m。对比单井气测解释结果与评价气水界面,发现断圈内部分井的含气段深度与评价结果存在较大差别,因此对评价结果进行了不确定性分析(见表1)。其中徐深1断圈内徐深6、徐深601、徐深5井与徐深14断圈内徐深12井的实际含气深度均较评价结果浅。分析4口井的测井解释结果发现:徐深6井在-3550.0~-3472.9m仍然见气,但为气水同层,该深度段内的岩样压汞数据显示渗透率值仅为(0.06~0.40)×10-3μm2,孔隙度为0.9%~6.2%,即该井在圈闭气水界面以上出现气水同层主要为储集层物性差所致;徐深601井在海拔-3494.3m以下无储集层,导致单井气测结果较圈闭气水界面浅;徐深5井在海拔-3574.0~-3509.9m深度段无气测结果,但在-3574.0m以下为水层,即圈闭气水界面-3550m介于气测结果的工业气层段与水层段深度之间,与评价结果基本吻合;徐深12井与徐深601井相似,在-3465.4m以下无储集层,导致单井气测结果较评价结果浅。通过不确定性分析得出,钻遇火山岩储集层的探井(徐深1、徐深7、徐深14和徐深27井),其实际气水界面与评价结果的最大误差为15.1m,基本与地震分辨率相当,处于可控误差范围。说明断圈整体含气特征与评价结果基本吻合。由于火山岩是多期火山喷发产物的复合体,其厚度变化大,物性不均一,具有很强的非均质性,由不确定性分析结果可知,火山岩储集层中天然气的聚集很大程度上受储集层厚度和物性特征控制,从而导致火山岩储集层断圈没有明显统一的气水界面,但其总体气水分布规律受断层侧向封闭性控制。3.3油气成藏条件与断层性质的关系研究4个典型火山岩断圈的封闭性发现,在上升盘圈闭的断层控圈处更易于形成有效对接封闭。在徐家围子断陷火山岩储集体中,无论发育走滑断层、正断层还是逆断层,天然气藏均聚集在断层的上升盘,因此研究区断圈封闭条件与断层性质不存在直接关系。同时由于走滑断层的“海豚效应”,最终导致徐中断层两盘的天然气藏呈“正弦”交替特征分布(见图10)。4岩性对接封闭徐家围子断陷营一段火山岩主要为凝灰岩与流纹岩,其断层带均不同程度地发育“二元结构”。破碎带位于断层两盘,发育大量网状裂缝;以滑动面为标志,断层核位置岩石发生强烈破碎,内部为大量的无内聚