被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的定量评价方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种应用于地球物理勘探领域中的被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的定量评价方法。

背景技术：
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大量的油气勘探实践与石油地质理论研究已经证实，盖层对油气的封闭能力不仅仅取决于其自身的封闭属性，更重要的是取决于错动其断层的封闭能力。而对于被断层错动但尚未错断的盖层，断层虽未使其失去横向分布的连续性，但由于断层上下两盘块体的相互研磨，使掉落到断裂带内的、早已发生成岩作用的岩石又发生碎裂，成岩程度降低，导致盖层失去封闭能力。随着压实程度的增强，盖层内断层充填物逐渐压实成岩并重新形成封闭能力，此时油气能否聚集成藏主要取决于盖层内断层岩石的封闭能力。

一般认为断层在活动时是开启的不具有封闭能力，只有当断层停止活动后，在多种地质因素的综合作用下才能形成封闭能力。随着断裂带内部结构由“面”至“带”认识的逐步完善，有关断层封闭的机理也逐渐由断面紧闭封闭机理过渡到排替压力差封闭机理，考虑的因素越加全面，采用的技术手段越加科学合理，推动着被断层错动后盖层封闭性(主要表现为错动盖层的断层的垂向封闭能力)的相关理论研究不断前进。目前，有关断层岩封闭能力的研究多是围绕其渗透能力开展的，即使目的盘储层岩石的对置盘为非渗透性地层，若断层岩石渗透性较好，油气也将通过断层岩石沿断层发生运移。

目前对于被断层错动后盖层封闭能力的定量评价主要是基于断层岩封闭机理得到的断-储排替压力差法，利用现今沉积状态下盖层内断层岩石与储层岩石资料，通过研究断层岩石的泥质含量和压实成岩程度，计算现今状态下压实后断层岩石与储层岩石排替压力的相对大小，进而定量评价盖层在现今的封闭与否及其封闭能力的大小、所能封闭的烃柱高度等，很少考虑错动盖层的断层究竟是在地质历史时期的哪个阶段形成了封闭能力，即盖层重新形成封闭能力的时期。现研究错动盖层的断层封闭能力形成时期的方法主要有3种：①断层停止活动时期即为断层封闭能力形式时期；②通过比较断面所受上覆沉积载荷压力与泥岩塑性变形极限压力，间接评价断层垂向封闭能力形成的时期；③通过分析温度和压力变化导致的断裂带内流体中成岩物质过饱和沉淀等现象，判断断层发生垂向封堵的时期。其中，方法①是比较笼统的概念，断层在停止活动时断裂带内充填物表现为松散堆积物尚未压实成岩，该时期远早于断层垂向封闭能力形成的时期；方法②并没有从断层垂向封闭机理出发，且仅适用于倾斜断层，对于不同成分、不同埋深的泥岩其物性变化较大，其与断面所受压力的变化趋势相差甚远，很难通过二者之间关系确定封闭能力形成时期；方法③也不是从断层垂向封闭机理出发，多适用于倾角较大的断层，在实际评价过程中仍存在一定的不确定性因素，如断裂带内流体中多种离子的过饱和沉淀是否发生相互促进或抑制作用等等。基于此，有关断层封闭能力形成时期的确定尚没有较为有效的方法，即有关被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的研究尚未形成一套系统、有效的方法，这无疑不利于评价被断层破坏盖层在油气成藏期的封闭能力，也不利于含油气盆地断层发育区油气勘探的深入。

技术实现要素：
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为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明给出的评价方法是基于断-储排替压力差法的研究思路和影响因素，根据已知的储层岩石排替压力反推在盖层重新形成封闭能力时断层岩石的初始排替压力值，由于该点断层岩石在围岩地层中一定能找到一点与其具有相同的泥质含量和压实成岩程度，以此来确定被断层错动后盖层重新形成封闭能力时盖层内断层岩石相当于正常沉积岩石的压实成岩埋深，通过不同压实成岩阶段断层岩石与储层岩石所受压力关系，求得被断层错动后盖层重新形成封闭能力时期至现今的时间，以期更好地评价被断层错动后盖层的封闭能力及其对油气的控制作用。

本发明的技术方案是：一种被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的定量评价方法，其特征在于：通过建立被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的地质与数学模型，当盖层中断层充填物压实后排替压力大于等于储层排替压力时，盖层重新形成封闭；然后根据盖层重新形成封闭能力时断层岩石所需达到的初始排替压力值，及研究区所建立的断层岩石泥质含量和压实成岩埋深乘积与其排替压力之间的关系，确定断层岩石封闭能力形成时与其具有相同成岩程度围岩的埋深，最终得到被断层错动后盖层重新形成封闭能力的时期。

上述方法的具体实现步骤如下：

第一步，确定储层岩石排替压力；

根据研究区储层岩石样品实测排替压力与其埋深、泥质含量数据，建立如公式(1)所述的3者关系的数学统计公式；

pdr—储层岩石排替压力，mpa；

vshr—储层岩石泥质含量，％；

zr—储层岩石埋深，m；

a、b—与地区有关常数，通过研究区实测储层岩石排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量乘积关系拟合确定；

实际应用时，公式(1)中储层岩石泥质含量vshr根据附近井的自然伽马或自然电位曲线获取，储层岩石埋深zr在研究区没有发生明显抬升剥蚀的情况下用现今埋深代替；已知上述两个参数后即可确定研究区储层岩石排替压力；

第二步，确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石压实成岩埋深；

由于断层在活动过程中上下两盘块体相互研磨形成空腔，此时两盘滑动削截下来的围岩物质充填在空腔内形成断裂带，对于被断层错动的盖层，其断裂带内物质表现为松散的、尚未发生压实作用的泥岩碎屑，因此不具备封闭能力；有且仅有当断层最后一次停止活动后，断层内充填物才开始压实成岩，逐渐形成封闭能力；而储层岩石与断层岩石不同，其是一经沉积便在上覆沉积载荷的作用下发生压实成岩作用，所以说断层岩石在初始状态下(断层刚停止活动后)排替压力是小于储层岩石的排替压力的，但随着时间的推移压实成岩作用不断增强，断层岩石受泥质含量较高的影响，在某一时刻其排替压力会等于储层岩石排替压力，此时盖层重新形成封闭能力，且有封闭能力随断层岩石压实程度的升高而逐渐增大；

因此，基于断层垂向封闭机理，将公式(1)中求得的储层岩石排替压力视为盖层重新形成封闭能力时对应的断层岩石初始排替压力值，即pdf＝pdr；其中断层岩石排替压力与其泥质含量、压实成岩埋深的乘积具有如公式(2)所示的关系，则断层形成封闭能力时断层岩石的压实成岩埋深用公式(3)表示：

pdf—断层岩石排替压力，mpa；

vshf—断层岩石泥质含量，％；

zf—断层岩石压实成岩埋深，m；

c、d—与地区有关的常数，通过研究区实测断层岩石排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量乘积关系拟合得到；

实际应用时，利用公式(4)求得断层岩石泥质含量vshf；

n—滑过断点的砂泥岩层层数；

i—滑过断点的第i层岩层；

△zi—滑过断点的第i层岩层厚度，m；

vshi—滑过断点的第i层岩层泥质含量，％；

h—断层垂直断距，m；

一般情况下，当盖层被断层错动但尚未错开时，断裂充填物以盖层物质——泥质碎屑为主；在断裂最后一次停止活动后，断裂带内的泥质碎屑在上覆地静压力的作用下逐渐排出孔隙水，发生压实成岩作用，形成的断层岩石表现为泥质岩类，具有较强的封闭能力，此时盖层内断层岩石的泥质含量即为100％；

因此，由公式(1)中储层岩石排替压力值确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石初始排替压力值pdf，且盖层内断层岩石泥质含量vshf也已知；即可利用公式(3)确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石压实成岩埋深；

第三步，按照以下步骤求取被断层错动盖层重新形成封闭能力的时期；

首先，基于在围岩地层中一定能找到一点其与目的点断层岩石具有相同的泥质含量和压实成岩程度这一观点；在本步骤及随后的步骤中定义a点为断裂带内的目的点；b点为围岩地层中一点，其与a点具有相同的泥质含量和压实成岩程度；c点为断层的上断点；则存在公式(5)所示的关系；

pa·ta＝pb·tb(5)

pa—断裂带内目的点a所受静岩压力，pa；

ta—断裂带内目的点a自断裂最后一次停止活动到盖层重新形成封闭能力的时间，ma；

pb—围岩地层中b点所受静岩压力，pa；

tb—被断层错动后盖层重新形成封闭能力时b点沉积所用时间，ma；

然后，根据围岩地层与断层岩石所受压力的不同对公式(5)进行转化；

z1(ρr-ρw)ta·cosθ+z2·ρr·ta·cosθ＝zb·ρr·tb(6)

z1—断裂带内目的点a到断层上断点c的垂直距离，m；

ρr—上覆沉积岩层骨架密度，kg/m³；

ρw—地层水密度，kg/m³；

θ—断层倾角，°；

z2—上断点c到盖层重新形成封闭能力时沉积地层顶面的垂直距离，m；

zb—围岩地层中b点到盖层重新形成封闭能力时沉积地层顶面的垂直距离(即第二步中计算得到的断层岩石压实成岩埋深zf)，m；

其中，对于已知深度的围岩地层内b点，其在盖层重新形成封闭能力时所经历的沉积时间tb也已知；且断裂带内目的点a到断层上断点c的垂直距离也能根据地震数据解释成果确定；故公式(4)中仅有ta和z2为未知数，但二者之间存在一定关系，z2厚度的地层是在ta的时间内沉积形成的，其表现为ta的一个函数，根据现今地层沉积厚度与沉积所经历时间的关系将公式(6)转变为一个以ta为未知数的一元二次方程；

z’—z2所属地层沉积的总厚度，m；

t’—z2所属地层沉积经历的总时间，ma；

然后，根据公式(6)可计算得到一正一负2个ta值，其中为负的ta值不符合实际情况，仅有当断层停止活动后其内物质才开始压实，此时充填物仍表现为泥质碎屑，盖层仍不具封闭能力；而为正的ta值就表示断层最后一次停止活动到盖层重新形成封闭能力时所经历的时间；

最后，利用公式(8)求得盖层形成封闭能力距现今的时间段，即为被断层错动后盖层重新形成封闭能力的时期；

tf＝t-ta(8)

tf—盖层形成封闭能力到现今的时间，ma；

t—断层最后一次停止活动到现今的时间，ma；

当tf为正值时，表示在距现今tf个百万年时断层充填物的压实后排替压力就等于或大于储层岩石的排替压力，被断层错动的盖层早已重新形成封闭能力；当tf为负值时，表示断层岩石的排替压力至今仍小于储层岩石的排替压力，盖层尚未恢复其封闭能力；

比较tf与油气成藏期的相对早晚，当tf早于油气成藏期，表明在油气大规模运移聚集时，被断层错动的盖层已经重新形成封闭能力，可捕获油气在相关圈闭中聚集成藏；当tf晚于油气成藏期，表明在油气大规模运移聚集时，被断层错动的盖层尚没有重新恢复其封闭能力，即使油气运移至此，盖层也不会对其起到封闭作用，油气仍会继续向上运移；

本发明具有如下有益效果：在以往有关被断层错动后盖层的封闭能力的评价中，往往是根据现今盖层内断层岩石与储层岩石的沉积状态，通过综合考虑影响封闭能力的多个地质因素来厘定断层岩石与储层岩石的相对大小，进而定量评价盖层封闭与否及其封闭能力的大小、所能封闭的烃柱高度等。盖层内断层岩石泥质含量越高，压实成岩压力越大，压实成岩时间越长，其排替压力越大，封闭能力越强；反之封闭能力越弱。且对于断层垂向封闭能力形成时期——被断层错动后盖层重新形成封闭能力时期的研究多局限在断面所受压力与岩石发生塑性变形临界压力的相对大小方面，并没有形成一套系统的、定量的方法来评价在地质历史的某个阶段被断层错动后盖层重新形成封闭能力的时间，这无疑不利于评价被断层破坏盖层在油气成藏期的封闭能力，也不利于含油气盆地断层发育区油气勘探的深入。为此，本发明基于断层垂向封闭的断-储排替压力差法，通过建立断层岩石和与其具有相同成岩程度围岩地层的等式关系，在确定目的点断层岩石压实成岩埋深的基础上，建立了一套定量评价被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的方法。利用上述方法可直接通过比较盖层重新形成封闭能力时期与油气成藏期的相对早晚，来确定盖层在油气大规模运聚期能否有效封闭油气，该方法对正确认识含油气盆地断层发育区油气分布规律和指导油气勘探均具有重要意义。

附图说明：

图1是被断层错动后盖层重新形成封闭能力时期计算地质模型图。

图2是研究区q砂岩样品及全部岩石样品排替压力与其埋深、泥质含量之间关系图。

图3是研究区q内断层f在目的层顶面构造图。

具体实施方式：

下面对本发明给出详细说明：

首先，分析盖层内断层垂向封闭机理及排替压力影响因素。断层在错动盖层过程中，其上下两盘块体相互研磨形成空腔，在空腔内往往形成地层负压或低压，使围岩地层内地层水迅速进入裂缝，并充满断层碎屑充填物的孔隙，使断裂碎屑充填物相对围岩有较大孔隙度和含水饱和度，致使盖层失去封闭能力。随着压实程度的升高，该充填物在断面正压力的作用下逐渐排出孔隙水，慢慢压实成岩，形成断层岩。断层碎屑充填物向断层岩演化的过程即是孔隙度逐渐变小、成岩程度逐渐提高、封闭能力逐渐恢复并变强的过程。断层充填物的封闭能力即代表油气穿过盖层垂向运移的难易程度，可见，评价盖层封闭能力的关键是评价断层岩的封闭能力。

评价断层岩封闭能力的关键参数是断层岩石的排替压力，只有当盖层中断层充填物的排替压力大于等于下伏储层岩石的排替压力时，盖层才重新恢复其封闭能力，反之盖层仍表现为非封闭。盖层内断层岩石排替压力的大小主要受其泥质含量和压实成岩程度的影响，其内泥质含量越高，压实成岩程度越高，排替压力就越大，反之则越小。而断层岩石压实成岩程度又取决于其压实成岩埋深，埋深又受压实成岩压力和压实成岩时间两方面作用，一般情况下，压实成岩压力主要表现为上覆沉积载荷和区域主压应力的综合作用，二者合力越大，断层岩石排替压力越大；压实成岩时间则表现为承压时间越长，岩层孔渗性越差，排替压力越大。

在以往有关被断层错动后盖层封闭能力的研究中，多是通过现今盖层内断层岩石与储层岩石的埋深、泥质含量等数据判断二者排替压力的相对大小，并依据断层垂向封闭机理定量评价盖层封闭能力，而没有较为系统地定量评价地质历史时期某一时刻盖层的封闭能力甚至盖层重新形成封闭能力时期的地质模型，这无疑不利于评价被断层错动盖层在油气成藏期的封闭能力，也不利于含油气盆地断层发育区油气勘探的深入。

为此，本发明根据断层垂向封闭的断-储排替压力差封闭机理，由盖层下伏储层岩石的排替压力推断出被断层错动后盖层重新形成封闭能力时断层岩石排替压力的初始值，通过研究区不同类型岩石排替压力与泥质含量、压实成岩埋深乘积关系确定目的点断层岩石相当于正常沉积围岩地层的埋深，提出了一套定量评价被断层错动后盖层重新形成封闭能力时期的方法。

本种被断层错动后盖层重新形成封闭能力时期的定量评价方法概述如下：通过建立被断层错动后盖层重新形成封闭能力时间的地质与数学模型，当盖层中断层充填物压实后排替压力大于等于储层排替压力时，盖层重新形成封闭；然后根据盖层重新形成封闭能力时断层岩石所需达到的初始排替压力值，及目标靶区所建立的断层岩石泥质含量和压实成岩埋深乘积与其排替压力之间的关系，确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石相当于正常沉积岩石的埋深，最终确定被断层错动后盖层重新形成封闭能力的时期。

具体实施过程如下：

第一步，确定储层岩石排替压力；

根据研究区q内泥质含量小于50％的砂岩储层岩石样品实测排替压力与其埋深、泥质含量数据(如附图2中左图所示)，建立三者之间的幂函数关系，其对应的数学统计式可用公式(1)表示；

pdr—储层岩石排替压力，mpa；

vshr—储层岩石泥质含量，％；

zr—储层岩石埋深，m；

计算过程中储层岩石泥质含量vshr根据附近井的自然伽马与自然电位曲线获取；由于研究区没有发生明显抬升剥蚀，储层岩石埋深zr用现今埋深代替，即可根据上述两个参数利用公式(1)计算研究区l1～l13测线处储层岩石的排替压力值，其结果如表1所示；

表1研究区q内不同测线处储层岩石排替压力数据表

第二步，确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石压实成岩埋深；

由于断层在活动过程中上下两盘块体相互研磨形成空腔，此时两盘滑动削截下来的围岩物质充填在空腔内形成断裂带，对于被断层错动的盖层，其断裂带内表现为松散的、尚未发生压实作用的泥岩碎屑，因此不具备封闭能力；有且仅有当断层最后一次停止活动后，断层内充填物才开始压实成岩，逐渐形成封闭能力；与断层岩石不同的是，储层岩石一经沉积便在上覆沉积载荷的作用下发生压实成岩作用，所以说断层岩石在初始状态下(断层刚停止活动后)排替压力是小于储层岩石的排替压力的，但随着时间的推移压实成岩作用不断增强，断层岩石受泥质含量较高的影响，在某一时刻其排替压力会等于储层岩石排替压力，此时盖层重新形成封闭能力，且有封闭能力随断层岩石压实程度的升高而逐渐增大；

因此，基于断层垂向封闭机理，将公式(1)中求得的储层岩石排替压力视为盖层重新形成封闭能力时对应的断层岩石初始排替压力值，即pdf＝pdr；其中研究区q内断层岩石排替压力与其泥质含量、压实成岩埋深的乘积与储层岩石相似，3者之间具有一定的幂函数关系，为得到断层岩石所具有的最大封闭能力，确定如附图2中右图所示的最大外包络线的拟合公式，即公式(2)所示关系，则断层重新形成封闭能力时断层岩石压实成岩埋深可用公式(3)表示：

pdf—断层岩石排替压力，mpa；

vshf—断层岩石泥质含量，％；

zf—断层岩石压实成岩埋深，m；

在计算过程中，考虑到盖层被断层错动但尚未错开，此时断裂带内充填物以盖层物质即泥质碎屑为主；在断裂最后一次停止活动后，断裂带内的泥质碎屑在上覆地静压力的作用下逐渐排出孔隙水，发生压实成岩作用，形成的断层岩石表现为泥质岩类，具有较强的封闭能力，故将研究区q内断层f在盖层段内的断层岩石泥质含量视为100％；

因此，由表1中第一步求取的储层岩石排替压力确定盖层重新形成封闭能力时断层岩石初始排替压力值pdf，且盖层内断层岩石泥质含量vshf也已知；根据公式(3)确定的函数关系，计算断层岩石形成封闭能力时其压实成岩埋深zf的相对大小；具体结果如表2所示；

第三步，按照以下步骤求取被断层错动盖层重新形成封闭能力的时期；

首先，基于在围岩地层中一定能找到一点其与目的点断层岩石具有相同的泥质含量和压实成岩程度这一观点；在本步骤及随后的步骤中定义a点为断裂带内的目的点；b点为围岩地层中一点，其与a点具有相同的泥质含量和压实成岩程度；c点为断层的上断点；则存在公式(5)所示的关系；

pa·ta＝pb·tb(5)

pa—断裂带内目的点a所受静岩压力，pa；

ta—断裂带内目的点a自断裂最后一次停止活动到盖层重新形成封闭能力的时间，ma；

pb—围岩地层中b点所受静岩压力，pa；

tb—被断层错动后盖层重新形成封闭能力时b点沉积所用时间，ma；

然后，根据围岩地层与断层岩石所受压力的不同对公式(5)进行转化；

z1(ρr-ρw)ta·cosθ+z2·ρr·ta·cosθ＝zb·ρr·tb(6)

z1—断裂带内目的点a到断层上断点c的垂直距离，m；

ρr—上覆沉积岩层骨架密度，kg/m³；

ρw—地层水密度，kg/m³；

θ—断层倾角，°；

z2—上断点c到盖层重新形成封闭能力时沉积地层顶面的垂直距离，m；

zb—围岩地层中b点到盖层重新形成封闭能力时沉积地层顶面的垂直距离(即第二步中计算得到的断层岩石压实成岩埋深zf)，m；

其中，对于已知深度的围岩地层内b点，其在盖层重新形成封闭能力时所经历的沉积时间tb也已知；且根据地震数据解释成果，断裂带内目的点a到断层上断点c的垂直距离亦已知；故公式(4)中仅有ta和z2为未知数，但二者之间存在一定关系，z2厚度的地层是在ta的时间内沉积形成的，其表现为ta的一个函数，根据现今地层沉积厚度与沉积所经历时间的关系便可将公式(6)转变为一个以ta为未知数的一元二次方程；

z’—z2所属地层沉积的总厚度，m；

t’—z2所属地层沉积经历的总时间，ma；

然后，根据公式(6)可计算得到一正一负2个ta值，其中为负的ta值不符合实际情况，仅有当断层停止活动后其内物质才开始压实，此时充填物仍表现为泥质碎屑，盖层仍不具封闭能力；而为正的ta值就表示断层最后一次停止活动到盖层重新形成封闭能力时所经历的时间；

最后，利用公式(8)求得盖层形成封闭能力距现今的时间段，即为盖层重新形成封闭能力的时期；具体结果如表2所示；

tf＝t-ta(8)

tf—盖层形成封闭能力到现今的时间，ma；

t—断层最后一次停止活动到现今的时间(在研究区q内的断层f对应的t为15.6ma)，ma；

表2研究区q内不同测线处断层岩石重新形成封闭能力时期数据表

表2中tf均为正值时，表示在距现今tf个百万年时断层充填物的压实后排替压力就等于或大于储层岩石的排替压力，被断层错动的盖层早已重新形成封闭能力；

比较tf与油气成藏期的相对早晚，当tf早于油气成藏期，表明在油气大规模运移聚集时，被断层错动的盖层已经重新形成封闭能力，可捕获油气在相关圈闭中聚集成藏；当tf晚于油气成藏期，表明在油气大规模运移聚集时，被断层错动的盖层尚没有重新恢复其封闭能力，即使油气运移至此，盖层也不会对其起到封闭作用，油气仍会继续向上运移。

而通过对研究区q内油气成藏期次的研究可知，该区共存在三期油气充注过程，对应的时期分别为11.5～8ma、5ma及3.5～2ma，均晚于盖层被断层f错动后重新形成封闭能力的时期15ma，表明油气是在盖层重新形成封闭能力后才发生多期充注的，盖层能有效阻挡油气并聚集成藏，该结果与研究区q目前得到的勘探成果相吻合，表明该方法能简单、快速评价被层错动后盖层的封闭能力。