油气勘探构造：断层封闭理论及应用

1、2022/9/141断层封闭理论及应用Fault seal theory and its applicationChina University of Geosciences一、断层封闭研究意义及现状二、断层封闭机理三、断层封闭性研究方法四、断层封闭性研究实例2022/9/142China University of Geosciences断层两种作用?封闭（Seal）？输导（Transport）？2022/9/143克拉2构造克拉2构造总发育6条逆断裂，断裂的拟和相态为“人”字型和“入”字型。除F5和F6断裂外，其他4条断裂均断穿储层与原岩层，并向上终止于下第三系膏泥岩层中，只有F1断裂断穿

2、老第三系膏泥岩之中。F1断裂上部及F6断裂属于盖层内滑脱断裂。 克拉2气田的气源为来自中上三叠统，中下侏罗统的暗色泥岩，储集层为下白垩统巴什基奇克组和下第三系底砂岩，盖层为下第三系泥岩、膏泥岩和岩盐。 China University of Geosciences2022/9/144断裂输导实验（据吕延防，2006）模型装载完毕后，开始注人氨气，打开排气阀氨气沿底部石英砂层平行推进关闭排气阀，向上同时抽提各胶皮至要求部位氨气在压力差作用下迅速沿断裂空腔向上运移氨气顺着断裂临近砂体发生侧向运移最后，氨气充注到克拉2构造圈闭中China University of Geosciences2022/

3、9/145 断层既作为油气运移的重要输导通道，也作为油气聚集的重要遮挡条件，其在油气运移和聚集过程中，这两种不同性质作用的决定因素是断层本身的封闭性，断层开启时起输导通道作用，断层封闭时起遮挡油气作用。同一条断层在其发育的全过程中，可能要经历多期开启与封闭过程，准确认识断层封闭与开启性及其发育历史，有助于正确认识油气运移、聚集、散失过程及油气现今分布规律。因此，自上个世纪60年代初期，Smith发表的第一篇关于断层封闭性研究的文章以后，已有众多研究者对此进行过深入研究，并取得了许多重要研究成果。一、断层封闭性研究的意义及研究现状China University of Geosciences20

4、22/9/146断层与油气运移关系的研究开始于上世纪60年代 Smith, D. A., 1966, Theoretical consideration of sealing and nonsealing faults: AAPG Bulletin, v. 50, p. 363374.Smith, D. A., 1980, Sealing and non-sealing faults in Louisiana Gulf Coast salt basin: AAPG Bulletin, v. 64, p. 145 172.China University of Geosciences2022/9

5、/1471978年，K.J.Weber等人利用环形剪切实验装置来模拟断层泥的形成，证实了在剪应力作用下的塑性地层可以形成断层泥，他同时也对所产生的断层泥的进行了封闭性能测试，确认断层泥可对流体起遮挡作用,但未给予定量描述。China University of Geosciences2022/9/148 1984年，M.W.Dewney通过对断层的封闭机理研究指出，断层封闭具有双向性，即顶部封闭（后人称之为垂向封闭）和侧向封闭，且由于两个方向上封闭性质的差异，导致对油气保存和破坏作用大不相同。China University of Geosciences2022/9/149Allan, U.

6、S., 1989, Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures: AAPG Bulletin, v. 73, p. 803811.Anderson,R.N., 1994, Gulf of Mexico growth fault drilled, seen as oil, gas migration pathway, Oil & gas Journal, June 6, 97-104Knipe,R.J., 1997, Juxtaposition and seal diagrams to help

7、 analyze fault seals in hydrocarbon reservoirs, AAPG, v.81, n.2, p187-195Yielding,G., 1997, Quantitative fault seal prediction, AAPG, v.81, n.6, p897-917Alexander,L.L., 1998, Fluid flow in a faulted reservoir system: fault trap analysis for the Block 330 field in Eugene island, south addition, Offsh

8、ore Louisiana, AAPG, v.82, n.3, p387-411China University of Geosciences2022/9/1410 Losh,S., 1998, Oil migration in a major growth fault: structural analysis of the pathfinder core, south Eugene island Block 330, Offshore Louisiana, AAPG, v.82, n.9, p1694-1710 Losh,S., 1999, Vertical and lateral flui

9、d flow related to a large growth fault, South Eugene Island Block 330 field, Offshore Louisiana, AAPG, v.83, n.2, p244-276 G. Jones、Q.J. Fisher和R.J. Knipe (1998) 著Faulting , Fault sealing and Fluid Flow in Hydrocarbon Reservoirs 吕延防等编著断层封闭性研究（2002），石油工业出版社 AAPG Theme Issue Fault Sealing(2003,87-3).

10、AAPG Memoir（2005，85）Faults, fluid flow, and petroleum traps China University of Geosciences2022/9/1411China University of Geosciences研究历史2022/9/1412二、断层封闭机理断层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，主要由薄膜封闭实现的 ，其本质取决于差异排替压力（Smith，1966，1998） China University of Geosciences2022/9/1413侧向封闭垂向封闭断 层 封 闭China University

11、of Geosciences2022/9/1414 所谓断层侧向封闭性是指断层在侧向上沿断层面法线方向穿过断层面运移油气的封闭能力。断层侧向封闭机理分为以下三种形式： 1） 砂泥对接封闭机理 2） 断裂带高排替压力封闭机理 3） 泥岩涂抹形成的侧向封闭机理断层侧向封闭机理China University of Geosciences2022/9/1415 当断层两盘岩层以“面”接触时，断层能否形成侧向封闭主要取决于断层两侧对接岩层排替压力的相对大小。1） 砂泥对接封闭机理China University of Geosciences2022/9/14162） 断裂带高排替压力封闭机理 当断层两

12、盘为“带”接触时，尽管断层两盘为砂砂接触，尽管对置盘砂岩的排替压力低于油气运移盘岩层的排替压力，如果断裂带的排替压力大于油气运移盘岩层的排替压力，断裂带就能阻止油气的侧向运移，断层具侧向封闭性。China University of Geosciences2022/9/1417(1)泥质填充封闭(2)后期成岩封闭 依据断裂带物质形成高排替压力的原因此种封闭作用又可分为以下两种形式。China University of Geosciences2022/9/1418成因： 由于同生断层在活动过程中，由于构造应力和上覆岩层重量的作用，断层两盘的未固结或半固结的泥岩层被削截、挤压进入断裂空隙，在断层

13、两盘削截砂岩层上形成的一薄泥质岩层。3） 泥岩涂抹形成的侧向封闭机理China University of Geosciences2022/9/1419泥岩涂抹（smear）China University of Geosciences2022/9/1420涂抹层的分类 泥岩涂抹层分布广泛，厚度展布较均匀，是遮挡油气的良好隔层。 涂抹层的厚度通常随着与原泥岩层距离的增加而减小，在上下盘对应层的中间位置达到最薄。a 剪切型：主要发生在断距相对较大，断层倾角较缓，断面较光滑的断层处。China University of Geosciences2022/9/1421b 削截型：是砂岩滑过涂抹层后，

14、削截作用所形成的泥页岩薄层。断距逐渐增大，涂抹层本身也逐渐被削蚀掉。这种类型一般发育在砂岩刚性较强的断层中。China University of Geosciences2022/9/1422c 填塞型：涂抹层对砂岩中裂缝及孔隙的局部充填，有学者称为侵入型涂抹。China University of Geosciences2022/9/1423泥岩涂抹（smear）China University of Geosciences2022/9/1424（3）涂抹层的分布 涂抹层在空间上的分布并不是理想规则，主要受泥岩厚度、断距、主应力、断面粗糙程度的影响。一般情况下，断层带中涂抹层拖拽越远，其厚度

15、越薄；断层带空间较大，易发育较厚涂抹层，反之，发育较薄涂抹层，甚至不发育。China University of Geosciences2022/9/1425 由于泥岩涂抹层在形成过程中受到较大的剪应力与地重力的共同作用，使其孔渗性明显低于相应深度的泥岩层的孔渗性，故具有较高的排替压力，可形成对目的层的侧向封闭，且只要存在泥岩涂抹，这种侧向封闭油气不存在任何问题，故这种侧向封闭作用主要取决于其空间分布的连续性，其空间分布的连续性越好，泥岩涂抹的侧向封闭性越好，反之则越差。China University of Geosciences2022/9/14262、断层垂向封闭机理1） 断层面紧闭封闭

16、机理 这种封闭机制的形成所需要的地质条件是断层两盘之间无断裂填充物，断层两盘之间以“面”接触。在这种情况下，断层面主要是依靠上覆岩层重力或区域主压应力使其发生紧闭。然而，由于断层面的凸凹起伏，仍会遗留渗漏空间，通常在断层缓角处紧闭，陡角处开启造成油气渗滤散失。因此，仅仅依靠断层面所受到的压力，还不能使断层对油气在垂向上形成完全封闭，还必须借助于泥岩的塑性流动，来堵塞断层紧闭后遗留下来的渗漏空间。China University of Geosciences2022/9/1427 大量实验结果(鲁兵等，1996)表明，断层面紧闭处地层多为岩性较软的泥质岩层，硬度低，塑性强，尤其是当其所受压力超过

17、泥岩塑性变形所需要的最小压力(据李德发等1991年对川西坳陷上三叠统泥岩的高压实验研究证明，其所抗最大压力不超过5MPa)时，泥岩便发生塑性变形向渗漏空间流动，堵塞断层面紧闭后所遗留的渗漏空间，使其愈合起来，在垂向上形成对油气的封闭作用。否则，断层在垂向上难以形成封闭。China University of Geosciences2022/9/14282） 断裂带排替压力差封闭机理 指断层两盘之间存在断裂充填物，断层两盘呈带接触。 （1） 泥质填充封闭机理（2） 后期成岩封闭机理 China University of Geosciences2022/9/1429储层段与盖层段内油气运移方向示

18、意图 储层段内应研究断层的侧向封闭性，盖层段内应研究断层的垂向封闭性。断层封闭性研究的层段差别China University of Geosciences2022/9/1430断层封闭性影响因素China University of Geosciences定性判断封闭性2022/9/1431China University of Geosciences2022/9/1432三、两大研究方法：two important methods for the research 岩性对接Allan图解（juxtaposition） 粘土涂抹（smear）China University of Geosc

19、iences2022/9/1433Allan, U. S., 1989, Model for hydrocarbon migration and entrapment within faulted structures: AAPG Bulletin, v. 73, p. 803811.Allan 假设断层本身没有封闭能力断层也不是开启的通道圈闭和运移取决于断层两侧对接的岩性China University of Geosciences2022/9/1434（a）砂岩/泥岩 圈闭（b）砂岩/砂岩 侧向运移1）岩性对接（juxtaposition）China University of Geosc

20、iences2022/9/1435 断层侧向封闭性评价的Allen图解Allans hypothesis and Allan fault-plane section（1989） China University of Geosciences2022/9/1436China University of GeosciencesAllan断面图编制方法针对研究断层，垂直断层走向选择若干条剖面（3）；根据钻井资料进行地层划分，作断层剖面图；将每条剖面所揭示的断层两盘地层投影到断层面上，连接顶底界面点即可2022/9/1437Allan 假设和Allan图（断面图）问题： 未考虑断层带本身的封闭性？ 过

21、渡岩性对接的封闭能力？China University of Geosciences2022/9/1438China University of Geosciences两盘大多以断层带接触2022/9/1439断层带立体示意图2022/9/1440（据赵密福等，2006）China University of Geosciences2022/9/14412、泥岩涂抹（smear）2022/9/1442Bouvier(1989)在研究尼日尔三角洲时,提出“泥岩玷污潜力CSP(Clay Smear Potential)”,表示沿断面某点某泥岩层被涂抹的相对量值,其值随泥岩厚度或泥岩层数的增加呈正相

22、关关系,随断距的增大呈相反关系。CSP适用于断面剪切型的涂抹 China University of Geosciences2022/9/1443Lindsay(1993)提出了“泥岩涂抹因素SSF(Shale Smear Factor)”,提出断层的断距越大,断开泥岩的厚度越小,泥岩涂抹层在空间上的连续性越差;断层的断距越小,断开泥岩的厚度越大,泥岩涂抹层在空间上的连续性越好。SSF与源岩层的厚度、层数成反比,而与断距成正比。SSF适用于压入型的涂抹 China University of Geosciences2022/9/1444Yielding(1997)等提出了“断层泥比率SGR(S

23、hale Gouge Ratio)”,对于砂泥岩层序,用断面中各泥岩层的厚度之和与断距之比SGR来评价断面的封闭性,其方法比较实用简单。 Yielding, G., B. Freeman, and D. T. Needham, 1997, Quantitativefault seal prediction: AAPG Bulletin, v. 81, p. 897 917.China University of Geosciences2022/9/1445断层泥比率（SGR）定量分析断层封闭性的步骤根据测井分析确定地层砂泥成分；根据公式计算断裂带SGR值；根据盆地已知封闭和泄漏断层的SGR值，

24、确定SGR门限值(2530%)；根据门限值标准判断断层封闭性China University of Geosciences2022/9/1446 大张坨断层断面上SGR的分布特征China University of Geosciences2022/9/1447China University of Geosciences粘土涂抹（smear）问题： 仅适用于断开的砂/泥层序，碳酸盐岩？ SGR门限值的确定？ 逆冲断层或走滑断层？2022/9/1448据Roald B et al, 20072022/9/1449目前，国内外常规的断层封闭性分析：将断面图（Allan图）和SGR的分析作为一个整

25、体来考虑编制断面（Allan）图；计算断层砂泥比；编制断层砂泥比图；确定断层砂泥比门限值；综合判断断层封闭性分析步骤China University of Geosciences2022/9/1450主参数断层封闭性评价岩性配置关系（确定性参数）泥岩涂抹指数（相对性参数）封堵层的排替压力断面埋深断面压应力断距单层砂岩厚度断层活动期所处的成岩阶段断面倾角相关参数China University of Geosciences2022/9/1451研究实例A new process-based methodology for analysis of shale smear along normal

26、faults in the Niger Delta砂泥对接与泥岩涂抹结合2022/9/1452China University of Geosciences2022/9/1453China University of Geosciences2022/9/1454China University of Geosciences2022/9/14552022/9/1456China University of Geosciences2022/9/1457基本原理应用三维地震、测井资料并结合正断层分段模型，确定断层几何形状，评价涂抹泥岩的性质，最终建立一个真实的并置图，进行断层封闭性分析。分析过程利用

27、正断层分段模式，在三维地震剖面中进行断层几何形状的精确解释，主要是对断层进行分段以及识别张性断层的断裂叠复过渡带（extensional relay）。构建断裂带和断裂岩结构：根据一些规则，可在剖面中对断裂带和断裂带结构进行详细的识别。利用测井数据来识别和绘出沿着断层以及横穿断层的储层和非储层地层。依据横穿断层的泥岩涂抹绘出断裂岩的分布，在此基础上构建包括断裂岩在内的并置图。利用该真实的并置图进行断层封闭性分析。适用条件高品质三维地震资料地区，利用断层分段模式可在剖面上识别出断层段以及断裂叠复过渡带，才能进一步确定泥岩涂抹及断裂岩的分布。China University of Geoscien

28、ces2022/9/1458其它方法1、断面正应力分析2、流体地球化学证据3、温、压系统分析4、模糊数学综合分析China University of Geosciences2022/9/1459断面正应力越大，断面的紧闭程度越好，封闭性越强。而对于断面正应力的计算应考虑最大主应力、最小主应力、重力及流体压力的综合效应。断面正应力大于孔隙压力，是断层封闭的一个重要前提，当具备这个条件时，断面应是闭合的，否则断面将开启，不具封闭性。断面正应力China University of Geosciences2022/9/1460流体地球化学证据China University of Geoscien

29、ces2022/9/1461断层两侧若无岩性、物性的横向剧变，且不属于同一个压力系统，那么断层应是封闭的。另外，干扰试井法、示踪剂法及油水井生产动态分析法等也对断层封闭性研究有重要意义。China University of Geosciences2022/9/14622022/9/1463 主要考虑以下几种因素：（1）断层两侧的岩性配置关系（s1）（2）断层的力学性质（v2）（3）断层泥的分布(SSF封堵指数)（v3）（4）岩层产状配置关系（v4）（5）封堵层泥岩百分含量（v5）（6）断层面所承受的压应力分量（v6）（7）断层活动期与油气运移期配置（v7）（8）断距（v8）模糊综合评价China University of Geosciences2022/9/14642022/9/1465China University of Geosciences2022/9/14662022/9/14672022/9/1468FAPS工作流程建立断面模型做岩性并置输入已知井岩性剖面输入已知井泥质含量压力数据计算SGR、SSF做交汇图综合地质分析解释2022/9/1469China University of Geo