CN106680891A - 一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，属于油田勘探技术领域，该方法不依赖于实验、成本较低，能够准确判断油气成藏时期断层垂向启闭性，且能够适用于多种岩性盖层的定量评价。该技术方案包括以下步骤：选取研究区内已探明区的多个断层作为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断；计算样本点的断层启闭系数S，统计样本点断层垂向启闭性与其对应的断层启闭系数S之间的相关关系，建立判识门限；计算研究区内未探明区断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于判识门限，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。

Description

一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法

技术领域

本发明属于油田勘探技术领域，尤其涉及一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法。

背景技术

断层是地壳表层中岩石顺破裂面发生明显位移的构造，在断裂作用下，破裂面上、下两盘围岩颗粒破碎并滑入破裂面，形成断层内部充填物，充填物颗粒之间发育的伴生裂隙可以为油气运移提供优势通道，因此，断层是油气运移的重要输导通道，也是油气聚集的重要遮挡条件。准确认识油气成藏时期断层的开启和封闭性，有助于正确认识油气运移、聚集和油气现今分布规律。断层启闭性评价分为侧向启闭性和垂向启闭性评价两方面，其中，侧向启闭性评价主要针对储层段，而垂向启闭性评价主要针对盖层段，准确评价断层垂向启闭性能够帮助分析油气的富集层位，有利于指导油田勘探。

目前，断层垂向启闭性的定性描述居多，而定量研究相对较少。近十年来，被业内广泛认可的断层垂向启闭性的研究方法主要有三种：吕延防等人公开的“断面正压力法”、付广等人公开的“断-储排替压力差法”和张立宽等人公开的“断层开启系数法”。然而，这三种方法在使用中均存在一定的局限性：“断面正压力法”和“断-储排替压力差法”都需要实验室模拟设备的支撑，成本较高，且对现场取心有较高依赖性，严重制约了这两种方法在油田勘探中的应用；而“断层开启系数法”只能适用于断层停止活动后的垂向启闭性的研究，但油气成藏时期通常与断层活动期吻合，因此该方法不能适用于油气成藏时期断层垂向启闭性的评价，对指导勘探价值有限。此外，上述三种方法中只考虑了盖层泥质含量参数，因此都只能适用于泥质岩型盖层条件下的断层垂向启闭性评价，不能适用于膏岩、碳酸盐岩、煤层等其它岩类盖层。

因此，现有断层垂向启闭性定量评价方法存在成本高、不适用于评价油气成藏时期断层垂向启闭特征、且只适用于泥质岩型盖层等几项不足。

发明内容

本发明针对上述现有断层垂向启闭性定量评价方法的不足，提出一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，该方法不依赖于实验、成本较低，能够准确判断油气成藏时期断层垂向启闭性，且能够适用于多种岩性盖层的定量评价。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，包括以下步骤：

(1)样本点断层垂向启闭性的判识：选取研究区内已探明区的多个断层作为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断；

(2)建立断层启闭系数S对断层垂向启闭性的判识门限：对样本点的断层启闭系数S进行计算，统计样本点断层垂向启闭性与其对应的断层启闭系数S之间的相关关系，建立研究区断层启闭系数S对断层开启和封闭的判识门限；所述断层启闭系数S的计算公式为：

其中，S为断层启闭系数，无量纲；ρ_古为成藏时期上覆地层平均密度，单位为千克/立方米；g为重力加速度，单位为牛/千克；h_古为成藏时期断层测点深度，单位为米；θ为断层倾角，单位为°；δ为成藏时期区域主压应力，单位为兆帕；β为成藏时期区域主压应力与断层水平走向之间的夹角，单位为°；n为上、下两盘盖层中所含断层岩岩性总数；i为自定义的岩性编号，i＝1,2,……，n；σ_i为上、下两盘盖层中所含第i种岩性的抗压强度，单位为兆帕；h_断接为断层上、下两盘盖层的对置厚度，单位为米；H为断层上、下两盘盖层的顶断距，单位为米；h为断层上、下两盘盖层的底断距，单位为米；m为断层上盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；j为断层上盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，j＝1,2,……，m；h_ij为断层上盘中第i种岩性、第j小层的厚度，单位为米；o为断层下盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；k为断层下盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，k＝1,2,……，o；h_ik为断层下盘中第i种岩性、第k小层的厚度，单位为米；ρ_o为现今断层上覆地层平均密度，单位为千克/立方米；H_o为断层现今深度，单位为米；ρ_w为地层水密度，单位为千克/立方米；C为声波时差的半对数数值与深度的直线斜率；Δt为深度为H_o时应对的声波时差，单位为微秒/英尺；Δt₀为地表声波时差，单位为微秒/英尺；

(3)对未探明区断层垂向启闭性进行判识：根据步骤(2)中断层启闭系数S的计算公式，计算研究区内未探明区断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于步骤(2)中得到的判识门限，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。

作为优选，步骤(1)中选取样本点的具体步骤为：确定已探明区具有油气运移通道的断层，选取其中上、下两盘经过钻井的断层作为样本点。

作为优选，步骤(1)中判断样本点断层垂向启闭性的具体标准为：

(1)断层上盘含油气而下盘不含油气,则断层垂向开启；

(2)断层上盘和下盘均含油气,则断层垂向开启；

(3)断层上盘不含油气而下盘含油气，则断层垂向封闭；

(4)断层上盘和下盘均不含油气，则无法判识，不作为样本点。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明以地质力学分析为基础，定义了全新的断层启闭系数S及其计算公式，在此基础上，本发明所提供的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法不需要依赖于实验，不需要模拟设备的支撑，成本较低；

2、本发明所提供的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法能够适用于各种岩性盖层段评价，具有经济、可靠、高效的特点，便于在油田勘探中大范围推广，对促进断裂发育区的深入勘探开发有积极作用。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的断层面垂直方向上的受力示意图；

图3为本发明实施例所提供的断层上覆地层重力沿断层面垂直方向的力的分解示意图；

图4为本发明实施例所提供的在水平面内区域主压应力沿断层面垂直方向的力的分解示意图；

图5为本发明实施例所提供的在竖直面内区域主压应力沿断层面垂直方向的力的分解示意图；

图6为本发明实施例所提供的岩性组成ω_i的计算原理示意图；

图7为本发明实施例1所提供的饶阳凹陷样本点及对应剖面方向的示意图；

图8为本发明实施例1所提供的饶阳凹陷样本点断层垂向启闭性与对应的断层启闭系数S之间的关系图；

图9为本发明实施例1所提供的饶阳凹陷南部未探明区的过断层油藏剖面图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，其流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)样本点断层垂向启闭性的判识：选取研究区内已探明区的多个断层作为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断。

(2)建立断层启闭系数S对断层垂向启闭性的判识门限：对样本点的断层启闭系数S进行计算，统计样本点断层垂向启闭性与其对应的断层启闭系数S之间的相关关系，建立研究区断层启闭系数S对断层开启和封闭的判识门限；所述断层启闭系数S的计算公式为：

在本步骤中，需要说明的是，断层启闭系数S的计算公式(1)的建立以断层受力分析为理论基础，断层内部裂隙是否开启取决于油气充注时期断层垂直方向所受外来压应力和断层内部抗压力之间的平衡关系，即：当断层所受外来压应力超过了断层内部抗压力时，则断层内部裂隙受挤压闭合，断层垂向封闭；反之，则断层垂向开启。基于该理论，定义断层启闭系数S为：

式(2)中，S为断层启闭系数，无量纲；F_压为断层面垂直方向上所受压应力，单位为兆帕；F_抗压为断层内部在断层面垂直方向上产生的抗压力，单位为兆帕。

如图2所示，断层面垂直方向上所受压应力F_压来源于两方面，分别为断层上覆地层重力在断层面垂直方向上的分力F_地层和区域主压应力在断层面垂直方向上的分力F_区域。其中，断层上覆地层重力沿断层面垂直方向的力的分解示意图如图3所示，区域主压应力沿断层面垂直方向的力的分解示意图如图4和图5所示。需要说明的是，应选择油气成藏时期的各地质参数计算该时期的应力特征。因此，得到断层垂直方向上所受压应力F_压的计算公式如下：

F_压＝F_地层+F_区域＝ρ_古gh_古·cosθ+δ·sinθ·sinβ (3)

式(3)中，ρ_古为成藏时期上覆地层平均密度，单位为千克/立方米，通过测井资料获取；g为重力加速度，单位为牛/千克；h_古为成藏时期断层测点深度，单位为米；θ为断层倾角，单位为°；δ为成藏时期区域主压应力，单位为兆帕；β为成藏时期区域主压应力与断层水平走向之间的夹角，单位为°。

如图2所示，断层内部在断层面垂直方向上产生的抗压力F_抗压同样来源于两方面，分别为断层充填物骨架的抗压力F_骨架和断层岩裂隙内孔隙流体的抗压力F_流体。

断层充填物骨架的抗压力F_骨架取决于断层岩的岩性组成，随着岩石力学的发展，多种岩石的抗压强度均已量化。根据断层岩中的岩性组成，再结合单一岩性的抗压强度，能够量化表征断层充填物骨架的抗压力F_骨架，其计算公式如下：

式(4)中，n为上、下两盘盖层中所含断层岩岩性总数；i为自定义的岩性编号，i＝1,2,……，n；σ_i为上、下两盘盖层中所含第i种岩性的抗压强度，单位为兆帕，几种主要断层充填物岩石的抗压强度如表1所示；ω_i为在断层岩中第i种岩性所占百分含量。

表1主要断层充填物岩石的抗压强度表

岩石种类	抗压强度(兆帕)	岩石种类	抗压强度(兆帕)
				玄武岩	147	砂岩	35.3
花岗岩	98	细沙岩	28
				白云岩	78	粉砂岩	22.7
石灰岩	29	泥质砂岩	30.56
				煤层	4.9	泥岩	12.4

由于断层充填物来自于断层上、下两盘盖层的破碎颗粒，因而可通过断层上、下两盘盖层的岩性组成估算断层岩的岩性组成。需要说明的是，只有断层上、下两盘盖层对接的深度段(即断接厚度)才能对断层垂向封闭具有贡献，因此，在计算断层岩的岩性组成时，应只针对盖层对接的深度段统计数据。如图6所示，对于多岩性互存的盖层段，通过相同岩性小层累加计算的方法得到在断层岩中第i种岩性所占百分含量ω_i的计算公式如下：

式(5)中，h_断接为断层上、下两盘盖层的对置厚度，单位为米；H为断层上、下两盘盖层的顶断距，单位为米；h为断层上、下两盘盖层的底断距，单位为米；m为断层上盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；j为断层上盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，j＝1,2,……，m；h_ij为断层上盘中第i种岩性、第j小层的厚度，单位为米；o为断层下盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；k为断层下盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，k＝1,2,……，o；h_ik为断层下盘中第i种岩性、第k小层的厚度，单位为米。

断层岩裂隙内孔隙流体的抗压力F_流体即成藏时期断层中孔隙流体发育的异常压力，可用附近泥岩段的压力进行表征，采用声波时差法建立断层岩裂隙内孔隙流体的抗压力F_流体的计算公式为：

式(6)中，ρ_o为现今断层上覆地层平均密度，单位为千克/立方米，通过测井资料获取；H_o为断层现今深度，单位为米；ρ_w为地层水密度，单位为千克/立方米；C为声波时差的半对数数值与深度的直线斜率；Δt为深度为H_o时应对的声波时差，单位为微秒/英尺，通过测井资料获取；Δt₀为地表声波时差，单位为微秒/英尺，通过测井资料获取。

由此，得到断层内部在断层面垂直方向上产生的抗压力F_抗压的计算公式如下：

将式(3)和式(7)代入式(2)，即得断层启闭系数S的计算公式(1)。

还需要说明的是，断层启闭系数S的计算是以断层受力平衡为理论基础，理论上最终所得的断层开启和封闭的判识门限应为1.0。然而，由于地下地质条件复杂，不同地区特有的地质特征可能会影响断层启闭系数S量化表征的结果，因此，断层启闭系数S对断层开启和封闭的判识门限存在地区差异性，不宜采用统一标准，实际门限会在1.0上下徘徊。当在某研究区初次使用本发明实施例所提供的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法时，应先通过该研究区已探明数据库建立断层启闭系数S的判识门限。

(3)对未探明区断层垂向启闭性进行判识：根据步骤(2)中断层启闭系数S的计算公式，计算研究区内未探明区断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于步骤(2)中得到的判识门限，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。

在一优选实施例中，步骤(1)中选取样本点的具体步骤为：确定已探明区具有油气运移通道的断层，选取其中上、下两盘经过钻井的断层作为样本点。由于判识门限的准确性依赖于样本点的选取，因此，在本实施例中进一步具体限定了样本点的选取步骤，通过该步骤选取的断层更具有代表性，相关表征数据的获得较为简单，有利于提高效率、保证判识门限的准确性。

在一优选实施例中，步骤(1)中判断样本点断层垂向启闭性的具体标准为：(1)断层上盘含油气而下盘不含油气,则断层垂向开启；(2)断层上盘和下盘均含油气,则断层垂向开启；(3)断层上盘不含油气而下盘含油气，则断层垂向封闭；(4)断层上盘和下盘均不含油气，则无法判识，不作为样本点。通过本实施例的判断标准可准确判断样本点断层垂向启闭性，且操作简单，有利于提高效率和降低成本。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

饶阳凹陷是渤海湾盆地中的富油气凹陷，主力烃源岩是沙河街组沙三段与沙一下亚段，主要含油层为沙二段、沙一上亚段和东三段，发育沙一下亚段和东一段、东二段两套盖层，油气成藏时期为明化镇组沉积初期。水平面方向上油气主要分布于洼槽周边受断层控制的正向构造带；竖直面方向上则呈现出油气多层系梳状分布的特征。沟通烃源岩和储集层的断层是油气垂向运移的主要通道，盖层段中的断层垂向启闭性对油气纵向聚集层位起到重要的控制作用。

(1)样本点断层垂向启闭性的判识：

挑选出饶阳凹陷已探明区13条断层为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，样本点及对应剖面方向的示意图如图7所示，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断，具体标准为：(1)断层上盘含油气而下盘不含油气,则断层垂向开启；(2)断层上盘和下盘均含油气,则断层垂向开启；(3)断层上盘不含油气而下盘含油气，则断层垂向封闭；(4)断层上盘和下盘均不含油气，则无法判识，不作为样本点。根据上述判断标准，获得的13个样本剖面的断层垂向启闭性如表2所示：

表2饶阳凹陷13个样本点断层的统计数据表

(2)建立断层启闭系数S对断层垂向启闭性的判识门限：

利用式(1)对13个样本点的断层启闭系数S进行计算，数据如表2所示，其中，成藏时期断层测点深度h_古取断层样本点深度与明化镇组底界面深度的差值；成藏时期上覆地层平均密度ρ_古取h_古深度段内地层密度的平均值，根据断层附近钻井的密度测井曲线统计获得；根据宋永东的研究，此地区成藏时期区域主压应力δ取3.5兆帕。

统计13个样本点断层垂向启闭性与对应的断层启闭系数S之间的相关关系，如图8所示。由图8可见，当S大于0.95时，对应的6条样本断层全部垂向封闭；当S小于0.95时，对应的7条样本断层全部垂向开启。因此，饶阳凹陷断层启闭系数S对断层开启和封闭的判识门限为0.95。

(3)对未探明区断层垂向启闭性进行判识：

在饶阳凹陷南部未探明区选取一个过断层油藏剖面，如图9所示，选取剖面上穿过东一段、东二段盖层的7条未探明断层，利用式(1)计算断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于0.95，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。7条未探明断层对应的断层启闭系数S及断层启闭性数据如表3所示：

表3饶阳凹陷7条未探明断层的统计数据

未探明断层	S	预测断层启闭性
			C1	1.32	封闭
C2	0.76	开启
			C3	0.87	开启
C4	0.92	开启
			C5	0.81	开启
C6	1.03	封闭
			C7	0.85	开启

经实际勘探，C2、C3、C4、C5和C7断层的上部地层均发现了油气显示，说明对应断层垂向开启，而C1和C6断层的上部地层未发现油气显示，说明对应断层垂向封闭。由此可见，预测结果与实际勘探结果相吻合。因此，基于断层启闭系数S计算公式(1)获得的断层开启和封闭定量评价结果与实际吻合度高，该评价方法合理可靠，适合在油田勘探开发工作中广泛使用。

Claims (3)

1.一种油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)样本点断层垂向启闭性的判识：选取研究区内已探明区的多个断层作为样本点，制作垂直于断层走向的纵向地质剖面，根据断层上、下两盘油气分布特征对样本点断层的垂向启闭性进行判断；

(2)建立断层启闭系数S对断层垂向启闭性的判识门限：对样本点的断层启闭系数S进行计算，统计样本点断层垂向启闭性与其对应的断层启闭系数S之间的相关关系，建立研究区断层启闭系数S对断层开启和封闭的判识门限；所述断层启闭系数S的计算公式为：

其中，S为断层启闭系数，无量纲；ρ_古为成藏时期上覆地层平均密度，单位为千克/立方米；g为重力加速度，单位为牛/千克；h_古为成藏时期断层测点深度，单位为米；θ为断层倾角，单位为°；δ为成藏时期区域主压应力，单位为兆帕；β为成藏时期区域主压应力与断层水平走向之间的夹角，单位为°；n为上、下两盘盖层中所含断层岩岩性总数；i为自定义的岩性编号，i＝1,2,……，n；σ_i为上、下两盘盖层中所含第i种岩性的抗压强度，单位为兆帕；h_断接为断层上、下两盘盖层的对置厚度，单位为米；H为断层上、下两盘盖层的顶断距，单位为米；h为断层上、下两盘盖层的底断距，单位为米；m为断层上盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；j为断层上盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，j＝1,2,……，m；h_ij为断层上盘中第i种岩性、第j小层的厚度，单位为米；o为断层下盘盖层中对应于每种岩性所包含的小层总数；k为断层下盘盖层中对应于每种岩性自定义的小层编号，k＝1,2,……，o；h_ik为断层下盘中第i种岩性、第k小层的厚度，单位为米；ρ_o为现今断层上覆地层平均密度，单位为千克/立方米；H_o为断层现今深度，单位为米；ρ_w为地层水密度，单位为千克/立方米；C为声波时差的半对数数值与深度的直线斜率；Δt为深度为H_o时应对的声波时差，单位为微秒/英尺；Δt₀为地表声波时差，单位为微秒/英尺；

(3)对未探明区断层垂向启闭性进行判识：根据步骤(2)中断层启闭系数S的计算公式，计算研究区内未探明区断层对应的断层启闭系数S，当断层对应的断层启闭系数S大于步骤(2)中得到的判识门限，断层垂向封闭；反之，断层垂向开启。

2.根据权利要求1所述的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，其特征在于，步骤(1)中选取样本点的具体步骤为：确定已探明区具有油气运移通道的断层，选取其中上、下两盘经过钻井的断层作为样本点。

3.根据权利要求1所述的油气成藏时期断层垂向启闭性的定量评价方法，其特征在于，步骤(1)中判断样本点断层垂向启闭性的具体标准为：

(1)断层上盘含油气而下盘不含油气,则断层垂向开启；

(2)断层上盘和下盘均含油气,则断层垂向开启；

(3)断层上盘不含油气而下盘含油气，则断层垂向封闭；

(4)断层上盘和下盘均不含油气，则无法判识，不作为样本点。