断层的封闭性是指断层上下盘岩石或断裂带与断层上下盘岩石由于排驱压力的差异而阻止流体继续流动的能力.断层的封闭性历来是石油地质学家关注的一个重要研究课题, 因为断层的封闭性可以控制圈闭油气的多少(存在与否及充注的百分比)、油气的运移路径、烃类的纵横向分布, 以及油田开发过程烃类的运动等.因此断层的封闭性研究对油气的勘探与开发均具有重要的意义(王志欣和信荃麟, 1997).

对断层的研究过去常常集中在对断层两边的面的接触性, 如果断层两盘为砂岩对接, 就认为断层是开启的, 如果断层两盘为渗透性岩石与非渗透性岩石对接, 则认为断层是封闭的(图 1).但实际情况远远不是这样简单.实际的情况是, 虽然断层也可以以面接触, 但更多的是以断层破裂带接触, 断层的封闭性受断裂带岩性和泥质含量影响.而地球化学方法可以从断层两盘油气水的化学性质方面及靠近断层附近的油藏地球化学特征方面, 提供有关断层的封闭性信息, 比其他方法更具优点(Kaufman et al., 1987; Kaufman et al., 1990; Hwang et al., 1994), 主要表现在以下2个方面: (1) 根据断层附近油藏的地球化学特征, 更能反映在地质历史期特别是排烃期断层的封闭性. (2) 根据断层两端原油的化学组成, 可以帮助判定“岩性连通, 流体不连通”的储层, 可以对储层的连通性给予定量评价, 从而指导石油的开发.

图  1  断层的连通性示意图

Fig.  1.  Schematic diagram showing the fault sealing

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1.   断层的封闭性影响因素及研究方法

断层的封闭性可分为断层垂向和侧向上的封闭性, 断层垂向上的封闭性常常决定了油气运移的方向、油藏的再分配、圈闭中油气的多少.断层侧向上的封闭性决定了油气分布的范围、油藏的开发部署等方面.

1.1   断层垂向上封闭性的影响因素

断层在垂向上的封闭性主要决定于以下几个方面: (1) 断层的力学性质.一般而言, 张性断层封闭性差; 挤压性断层封闭性好. (2) 断层倾角.断层越陡, 上覆地层压力越小, 封闭性越差; 反之, 断层越缓, 封闭性越好. (3) 断裂带充填物的性质.充填物的泥质含量越高, 充填物越致密, 封闭性越好.断裂若断穿盖层, 则封闭性差; 若未断穿盖层, 则封闭性好. (4) 断层的同生性. 同生断层易产生流动的泥岩涂抹, 造成断层的封闭性变好.同时, 断裂中的碎裂作用、成岩作用, 局部的裂隙, 砂岩的渗透率变化, 不同盆地类型断层的活动性和构造类型等因素均对断层的封闭性有影响.

1.2   断层横向上封闭性的影响因素

断层在横向上的封闭性除了受上述因素的影响外, 还与断层两盘对置的岩性密切相关, 一般而言, 如果断层两盘以渗透性岩层相接触, 则断层横向上的连通性好, 但同时也取决于其他因素.应该说明的是, 断层的封闭性是有一定条件的, 如对油封闭的断层, 则可能对天然气泄漏.断层的封闭性对油柱的高度也是一定的, 当超过一定高度, 断层则可能泄漏烃类.

1.3   常见的研究方法

最为常见的方法是用油水界面的分布关系.如果断层两盘的油水界面不同, 则可以肯定, 断层是封闭的; 如果断层两盘的油水界面相同, 则断层可能是不封闭的(图 2), 也可能是封闭的.同时, 根据试井资料, 如果断层两盘的油藏符合一个统一的压力递减曲线, 则断层横向上连通.此外, 根据声波资料或者研究泥岩的涂抹系数均可以对断层的封闭性进行评价.但应该说明的是, 这些方法均有一定的可变性.如一条断层的封闭性也是可变的, 在一定层段的岩层是封闭的, 但在另外一段岩层是泄漏的.断层的封闭性也会随时间而发生变化.因而, 对于石油地质工作者而言, 我们重点想了解断层的封闭性在油气运移期和现今油藏横向上的连通性如何.因而应用地球化学方法对此进行研究将更具有重要的理论意义和实际应用价值.

图  2  根据断层两盘油水界面判断断层的封闭性

Fig.  2.  Fault sealing deduced by different oil-water interfaces

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2.   不同断块之间油藏的连通性研究

以我国南海西部石油公司所属的涠西南凹陷涠12-1油田研究为例(图 3).油田的开发部门根据物探资料, 发现在涠12-1-5井和涠12-1-6井Ⅳ油组存在着一个小断层(图 4), 该断层因为断距较小, 似连非连, 因此对其存在与否尚有一定的争议.但是该油田即将面临着开发, 需要对该断层的存在与否, 特别是该小断层如果存在, 对Ⅳ油组连通性的影响进行评价.

图  3  研究区的位置

Fig.  3.  Location of research area

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图  4  涠洲12-1油田5井和6井的区域构造

Fig.  4.  Regional structure map of Weizhou 12-1 oilfield

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在本研究工作中, 通过对研究区Ⅳ油组和Ⅴ油组油样GC指纹仔细分析研究, 借助正交实验法的原则, 从多个配对参数中优化、筛选出10个参数(图 5).该参数既考虑了平面上和垂向上油藏流体指纹差异的最大性, 又考虑了不同油藏间可选参数的差异性, 它具有客观性、代表性, 能真实地反映油藏流体的连通性与分隔性.

图  5  用于油层连通性识别的10对色谱指纹峰

Fig.  5.  Ten GC peak ratios which are used to determine reservoir continuity

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为了研究Ⅳ和Ⅴ油组流体平面连通性, 将P₁至P₁₀共10个色谱指纹配对参数做成星状图(Kaufman et al., 1990), 如图 6所示.由图 6b可见, WZ12-1-5井与WZ12-1-6井Ⅴ油组2个油样其GC指纹参数几乎完全重合, 反映W₂Ⅴ油组流体连通性好.由图 6a可见, 2口井W₂Ⅳ油组GC指纹参数有明显差异, 反映其连通性差.为了定量描述连通性的好坏, 根据连通判识标准及△Px数据表(表 1), Ⅴ油组GC指纹参数符合率为90%, 油藏流体连通级别为1级; Ⅳ油组GC指纹符合率为30%, 油藏流体连通级别为5级, 这也正说明在5井和6井之间Ⅳ油组储层物性具非均质性.地震相图也说明Ⅴ油组储层物性好, 而Ⅳ油组具非均质性.反映的油藏连通性与其地质剖面也是吻合的.上述结果充分说明了在本区Ⅳ油组确实存在着一个小的断层, 而且该断层对油层的连通性有一定的影响, 属于连通性不十分好的状况, 因而在今后的石油开发方案中应该考虑该断层对流体的影响.

图  6  WZ5井和WZ6井Ⅳ油组(a)和Ⅴ油组(b) 原油色谱指纹星状图

Fig.  6.  Radar or star plot of selected peak ratios from gas chromatographic analysis of oils in the formation group Ⅳ (a) and Ⅴ (b) of well WZ5 and WZ6

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表  1  涠12-1油田W₂Ⅴ和W₂Ⅳ油组△P_x参数结果

Table  Supplementary Table   Gas chromatographic parameters of the formation groups W₂Ⅴ and W₂Ⅳ in Weizhou 12-1 oilfield

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3.   对断层在油气运移中的作用评价

辽河坳陷东部凹陷中段是近些年来石油勘探比较关心的一个热点研究地区, 在该区中, 欧利坨子地区断裂背斜带有一定的规模, 因而本研究拟结合油田分析资料, 对断层在油气运移中的作用进行分析.取样井的位置及详尽的地球化学分析和原油混源特征研究成果参见侯读杰等(2002).

欧利坨子地区原油总体上属于中质原油, 但其物性差异较大, 密度从0.83~0.89, 粘度从2~20 MPa·s.同样, 原油中的胶质+沥青质含量差别也较大, 从8%~22%.这些特征出现在欧利坨子这样一个面积比较小的地区, 反映出原油成藏过程的不同及可能母质、成熟度的差异.分析原油的含蜡量, 同样可以提供有关原油的生源母质、成熟度、运移分馏等成藏过程的信息.总体上原油具有随密度升高, 蜡含量逐渐升高的趋势.但同时, 原油的蜡含量比较分散, 反映出原油的性质变化较大, 欧14、欧26原油性质相对接近, 欧32、欧31虽然地理位置较近, 但原油性质相差甚远.以前的研究结果证实, 在本区的原油, 欧26和欧14井原油为典型的混源油.而欧32和欧31井原油来自于不同的源岩层.

原油的众多生物标志物参数分析表明, 原油的成熟度相差较大, 其中, 欧31井原油的成熟度最低, 欧14、欧26井原油的成熟度介于欧31和欧32之间, 欧35、欧32的成熟度最高.欧32井和欧35井原油的成熟度较高, 而且这2个井均邻近本区主要断层, 这说明这2个油藏的原油是本区晚期运聚的原油成藏的, 而且断层在油气运移中起到了重要的作用, 成为油气运移的有效通道(图 7).

图  7  根据成熟度判定断层在油气运移中的作用

Fig.  7.  Diagram showing the action of the fault on petroleum migration by maturity parameters

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本区原油含氮化合物分析结果参见表 2.总体上, 欧32和欧35井原油的含氮化合物绝对浓度相对较高(图 8), 说明它们更靠近源岩区, 同时也验证了断层在本区油气运移中起到了通道的作用.从咔唑类系列化合物C₁、C₂、C₃的组成, 咔唑/苯并咔唑, 说明它们均为通过断层运移, 含氮化合物并未发生明显的分异作用.

表  2  利坨子地区原油含氮化合物参数值

Table  Supplementary Table   Parameters for pyrrolic nitrogen compounds in the oils of Oulituozi region

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图  8  欧利坨子地区原油含氮化合物绝对浓度与甾烷成熟度参数的关系

Fig.  8.  Diagram showing the relationship between concentration of pyrrolic nitrogen compounds in the oils of Oulituozi region and maturity parameters of C₂₉ sterances

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4.   结论

通过对2个不同地区断层在油气运移和连通性的分析, 笔者认为, 油气地球化学方法同样可以为断层的封闭性研究提供重要的信息, 并帮助我们取得有关断层封闭性的认识: (1) 对涠西南凹陷油田小的断层分析表明, 尽管存在着很小的断层, 从物探资料上来看, 对流体流通性似乎无较大影响, 但地球化学分析表明, 它仍然对油藏流体的连通性有较大的影响. (2) 根据含氮化合物资料, 结合油藏与断层的分布和原油的成熟度资料, 我们可以确定断层在油藏成藏过程中, 是否起到油气运移的通道作用. (3) 地球化学方法在断层的连通性研究中仍是大有可为的.