断层封闭性探讨
一、断层封闭性的研究现状及主要认识
断层的封闭性对油气藏的形成至关重要。然而，断层封闭性受多种因素影响(如断层活动特征、性质、产状和断层充填物等)。)，在空间和时间上往往表现出多变性和复杂性，目前可获得的信息非常有限，因此对断层封闭性的研究一直处于探索阶段(富光等，1998)。目前主要采用综合地质分析和数学地质分析研究断层封闭性(方德全，1998)。前者是根据各种资料的综合分析判断断层封闭性，即以实际地质资料和石油构造地质学理论为基础，从分析影响断层封闭性的地质因素入手，根据现有资料直接或间接判断断层封闭性。数学地质分析法是通过对影响断层封闭能力的诸多因素进行数学变换和计算，来反映断层的实际封闭能力。成熟的方法有“非线性映射分析法”、“逻辑信息法”、“断层两盘间砂泥对接统计及地质参数评价法”等。这些评价方法各有优势，在应用中应根据不同的地质条件进行选择。目前，中外学者对断层封闭性的认识主要有以下几点:
(1)如果毛管压力高的非渗透层与断层另一侧的目标储层相对，则断层的横向是闭合的(Smith，1980)。
(2)当储层上方盖层较厚，断层未将其完全打破时，断层垂直闭合(Weber，1987)。
(3)当断层两侧与渗透性地层接触时，断层泥能提供良好的侧向封闭性(Weber，1987)。
(4)断裂带的矿化、岩石的成岩作用或石油的降解都可能降低断裂带的渗透率(Smith，1980)。
(5)如果岩石固结良好或脆性岩石破裂，往往沿正断层形成裂缝，气体沿较老的断层带向上泄漏。如果裂缝被水泥填满，它将不再是一个运移通道(哈丁，1989)。
(6)如果断层再次活动，并继续穿过不整合面或向上延伸至缺乏向上封闭的较浅油藏，则气(油)沿断层面垂直泄漏的机会将增加(Hurding，1989)。
(7)如果断层和与断层有关的裂缝穿插，垂直渗漏的可能性会增加。
(8)如果断块的位移使不同流体压力的岩石接触，低压断块的封闭性会得到改善(陈发景，1989；哈丁，1989).
(9)断层在活动时大多是开放的，长时间停止活动的断层更有可能是封闭的(陈发景，1989)。
(10)大断距断层增加了形成裂缝的可能性，从而增加了沿断层垂向气(油)漏的风险(HardiNg，1989)。
(11)垂直于最大主压应力走向的断层有可能闭合；走向平行于最大压应力的断层更有可能垂直渗漏(陈张铭等人，1992)。
(12)储盖组合上细下厚的特点，决定了当断层倾向与断块地层倾向相反时，储层会形成一个上部封闭、侧部封堵的良好断块圈闭。但当断层与地层倾角相同时，断块圈闭无法形成(乔汉生等，1999)。
(13)同等条件下，扭性断层比压性断层和张性断层封闭性好。无论正断层还是逆冲断层，剖面倾角由陡变缓的地方往往是油气聚集的有利场所(陆冰等，1996)。
2.柴达木盆地北缘断层封闭性探讨
柴达木盆地北缘是断裂最发育的地区。断层不仅控制着中生代以来的沉积和构造演化，而且对油气的运移、聚集和保存具有重要影响，对油气藏的形成起着决定性作用。因此，研究柴达木盆地北缘断层封闭性具有重要意义。鉴于该地区断层资料有限，不可能评价所有断层的封闭性。但从目前发现的油气田分析，油气藏类型主要是断块油气藏和断层背斜、背斜油气藏。冷湖3号油田、冷湖4号油田、冷湖5号油田为断块油藏，油气主要分布在第三系和侏罗系，断层发育。冷湖三号侏罗系油藏断层两侧属于不同的压力系统。冷湖4号和5号油田的油气通过冷湖构造带东侧的大型逆断层向上运移，聚集在具有背斜带背景的冷湖4号和5号油田下盘的封闭断块中。南八仙油气田是受断层控制的背斜油气藏，油气主要集中在断层下盘。可以看出这些油气藏存在断层封闭性(附图5-12)，但同时存在一个事实，即虽然油气来源均来自侏罗系，但断块构造以油藏为主，断层背斜或背斜以气为主，这与目前我国气田气藏少的现象是一致的。这说明断块构造中的断层封堵对油可能有效，对气影响不大。为了说明柴达木盆地北缘的断层封闭性，选取南八仙(已确认为油气田)和冷湖5号2号高点(钻井尚未突破)两个类似构造进行研究。
1.断层的基本特征
冷湖五号构造主要有42、Q、7、I四条逆断层(附图5-13)，其中两条断层对油气成藏起关键作用。42号断层是深断层。断层倾向东北，断层面为侏罗系、第三系陆乐河组和下干柴沟组(可作为烃源断层)，断距750 ~ 1650 m，断层于中侏罗世末(燕山早期运动)开始活动，一直持续到新近纪末。断层一是浅断层。该断层是喜马拉雅晚期强烈水平挤压形成的走滑逆冲断层，将第三系下干柴沟组与地表断开，是影响油气保存的主要断层，断距约1000 m(表5-11)。南八仙构造断裂众多，但仙南断裂和仙北断裂是成藏的主控因素(附图5-12B)。鲜南断裂的断层面为侏罗系和古近系，断距1190 ~ 3250 m，近东西走向，延伸长度10.2 km，倾向北北东向。该断层在燕山早期开始作为正断层活动，在喜马拉雅期转变为逆断层，直至新近纪末。鲜卑断裂对油气的运移和保存有重要影响。形成于喜马拉雅晚期，与干柴沟组断开，延伸至油砂山组，但未达到地表。倾向于偏南，断层距离215 ~ 265米(表5-11)。
图5-12柴达木盆地北缘断层封堵实例
图5-13冷湖5号第二高点构造特征(94314测线)
表5-11冷湖五号和南八仙构造断层基底特征
2.断层封闭性的初步识别
根据目前对断层封闭性的地质认识，初步判断这四条断层的封闭性如下。
(1)冷湖五号42号断层。主要断层为侏罗系和第三系陆乐河组。根据冷科1井的钻井剖面分析，侏罗系湖西山组顶部3473~4300 m主要为泥质岩(仅泥质岩就占层厚的85.6%)，4300~4660 m为一套以砂岩为主的储层段，4660 m以下为一套泥质岩..顶部泥岩段(厚827 m)厚于中部砂岩段，断层偏移750 ~ 1650 m，推测上部砂岩段与下部泥岩段基本对接，具有侧向封闭性。路乐河组也有砂泥岩互层，但很难判断砂泥岩是否对接。横截面为向下平缓、向上陡峭的弧形。由于断层形成于燕山期，主滑动面应该是平缓的。由于压应力的作用，上陡面极大地阻碍了上壁的运动，是封闭的(陆冰等，1996)。断层活动时间长，可能是张开的，但断层的主压应力基本垂直于走向，其封闭性增强。
(2)冷湖五号I断层。冷科1井剖面中，断开的干柴沟组泥质岩占绝大多数(覆盖地层厚度的70%以上)，砂泥对接的可能性较大。同时，断层倾角缓，断距大，在剖面上容易形成断层泥，侧向封闭的可能性大。当断层断至地表时，强烈坍塌，增加了形成裂缝的可能性，降低了垂向封闭性。
(3)南八仙仙南断裂。断层断裂侏罗系和古近系，下降盘地层与上升盘基岩对接。仙6井钻入基岩。基岩主要是闪长岩，岩石硬而脆。电测井曲线显示是一个比较致密的层。它的表面可能已经风化有裂缝，但其下未风化的基岩由于变质作用非常致密，对下落的板块有侧向封闭作用。上升的板块E3 x 1与下降的板块E3 x 2对接。根据仙4、5、6井砂泥岩统计，E3 x 2泥岩厚度较大，E3 x 1和E3 x 2泥岩厚度占该层总厚度的50%以上。所以砂泥岩对接的可能性很大，也可以形成侧向封堵。从断层两侧的地层变化特征可以看出，该断层形成于燕山期，开始为正断层，其活动一直持续到渐新世(E1+2)，此时转为逆断层，所以是垂直开启的。
(4)南八仙鲜卑断层。断层将干柴沟组和油砂山组断开。仙4、5、6井岩性统计结果表明，油砂山组和上干柴沟组泥质岩占绝大多数，泥土比超过70%，两套砂泥对接和侧向封闭的机会较大。断层没有完全断开上油砂山组的盖层，所以它是垂直闭合的。横截面的特点是向下平缓，向上陡峭。根据应力分析，它的主滑动面应该是陡峭的，所以断层的上段是闭合的，而下段平缓面由于应力释放是张开的。
可以看出，这四条断层都具有侧向封闭性，但垂向封闭性有所不同。冷湖5号42号断层封闭的可能性大于开启的可能性，I号断层开启的可能性更大。南八仙构造中的仙南断裂在活动期很可能是张开的，仙北断裂具有下开上闭的特点。
3.断层封闭性的数学评价
(1)泥岩涂抹系数法。泥岩涂抹是断裂带中常见的地质现象。在断层活动过程中，由于泥岩的高塑性，在压应力或重力的作用下，泥岩被压成粘土，切割上、下壁断层墙之间的砂岩层，形成糜棱岩化泥岩夹层。这种泥岩涂抹层在压应力或重力作用下，不仅使泥质颗粒侵入砂岩段堵塞其孔隙，而且由于不同程度的动力变质作用而被致密化和封闭。泥岩涂抹封堵是断层侧向封堵的一种形式。其封堵质量与断层性质、产状、断层地层泥地比、产状和断面形状有关。在实际应用中，可以从断层的位移和破碎泥岩的厚度得到泥岩涂抹系数，从而定量描述泥岩涂抹层的空间发育程度，判断断层的侧向封闭性(富光等，1998)。
柴达木盆地北缘石油地质
式中，fm为泥岩涂抹系数；l为故障距离，m；Hi为断层错动的第一层泥岩地层厚度，i = 1，2，...，n；n为断层交错的泥岩层数；h为断层破碎地层的厚度，m；Rm是被断层断开的地层的泥岩厚度与地层厚度的比值。
图5-14泥岩铺展系数与烃柱高度的关系
从公式(5-1)可以看出，泥岩涂抹系数越小，泥岩涂抹层在空间上的连续性越好，侧向封闭性越好，反之亦然。根据Richard G.Gib-son对泥岩涂抹系数的测试，泥岩涂抹空间分布的连续性与可封闭油柱高度的关系(附图5-14)，只要泥岩涂抹系数小于4，泥岩涂抹层就能保持空间分布的连续性，形成的断层侧向封闭性好；相反，泥岩涂抹层在空间上分布不连续，断层侧向封闭性差。根据目前能收集到的地质资料，根据不同断距下泥岩涂抹系数公式，计算上述四条断层的涂抹系数。这四条断层中，断距(L)超过断层面(上升盘)厚度的断层为仙南断层(E1+2的底断距为1285 m)，故采用公式(5-1)。其他断层的断距不大于破碎地层的厚度，因此按公式(5-2)计算。计算结果表明，这四条断层的涂抹系数均小于4，表明它们是侧向封闭的。冷湖5号构造深大断层侧向封闭性好于浅部断层，南八仙构造浅部断层侧向封闭性好于深大断层(表5-12)。
表5-12柴达木盆地北缘冷湖5号构造和南八仙构造主要断层涂抹系数
(2)断面压力的计算方法。该方法由陆艳芳等(1996)提出，用于评价断层的垂向封闭程度。影响断层垂向封闭性的关键因素是断面的紧密性。如果剖面封闭，断层垂向封闭性好，油气不能沿剖面垂向运移。否则，断层将成为油气运移的通道。截面的紧密度可以通过截面上的法向压力来衡量，其计算公式为:
柴达木盆地北缘石油地质
式中，p为截面上的正压力(MPa)；h为截面埋深(m)；ρr为上覆岩层的平均密度(g/cm3)；ρw为地层水密度(g/cm3)；θ是截面的倾斜角度(度)。当剖面上的法向压力大于泥岩的变形强度时，由于泥岩的变形，断层的裂缝愈合，导致断层的垂向闭合。根据断裂地层中泥质岩的变形强度，断层的垂向封闭性按剖面上正压力的大小细分为五级(表5-13)。断层的垂向封闭性不仅与剖面压力有关，还受断层置换地层中泥岩含量的影响。虽然剖面上的法向压力比较大，但是如果断陷地层剖面中泥岩的比例很小，那么断层充填一定是以砂质为主。以砂体为主的断层充填就像一个倾斜在断层面上的油藏，仅靠断层压力将其渗透率降低到泥质岩的水平是极其困难的。即使没有断层充填，由于断层两侧泥岩较少，砂岩较多，两泥岩层不相交，油气仍可沿剖面向上运移。因此，当断裂地层的砂地比较高时，不利于断层的垂向封闭。泥岩中的砂含量与地层剖面上的砂地比有关，特别是在陆相沉积地层中砂岩地层比较发育的地区，泥岩中的砂含量往往较高，高砂含量泥岩的变形强度过大。因此，根据剖面压力评价断层垂向封闭性时，应考虑断层地层的砂地比(表5-13)。利用剖面压力公式研究了柴达木盆地北缘冷湖5号和南八仙构造四条断层的垂向封闭性，将剖面埋深作为断层中部的深度。由于本区地层以泥质岩为主，上覆地层的平均密度主要以泥岩和粉砂质泥岩的实测密度为基础，地层水的密度尽可能通过钻探水样测得。若无法获得实测值，可借助相邻构造或有成因联系的构造所钻地层水的实测值来确定。这四条断层的剖面压力计算结果表明，除鲜卑断层垂向封闭外，其余三条断层的剖面压力均较高。深断层比浅断层具有更好的垂向封闭性；在不同构造深度对应的断层中，冷湖五号构造垂向封闭性强于南八仙构造(表5-13、表5-14)。
表5-13纵断面闭合评定标准表
断层横向封闭性和纵向封闭性的定量评价结果基本一致。但在各构造中，与深断裂相比，侧向封闭性和垂向封闭性也不一致。如南八仙构造浅部断层侧向封闭性好于深部断层，而垂向封闭性深部好于浅部断层。这个结果并不矛盾，因为垂向封闭强调断层的紧密性，而侧向封闭强调断层两侧形成的封堵。同时，定量评价中考虑了现状(静态)，但实际上不同地质历史时期的断层性质、构造形式和活动条件是不同的。因此，在评价断层封闭性时，只有综合考虑静态和动态条件，才能正确评价断层的封闭效果。根据以上地质分析和定量评价结果，可以认为冷湖五号构造I号断层和42号断层封闭性较好，在地质历史上也是封闭的；南八仙构造中的仙南断裂和鲜卑断裂目前闭合较好，但仙南断裂在地质历史上具有由正转负的特征(有开启期)，鲜卑断裂也有向下开启和闭合的可能性。
表5-14柴达木盆地北缘冷湖五号和南八仙构造主要断层剖面压力
4.断层封闭与油气聚集
根据对冷湖五号构造和南八仙构造四条主要断层封闭性的分析研究，发现这两个构造的断层封闭性有明显的差异，这可能是这两个构造油气含量不同的原因之一。冷湖五号构造的两条断层比南八仙构造的封闭性好，而且从地质历史的角度来看，断层始终处于压应力状态，使断层始终处于相对封闭的状态。导致侏罗系油气源未能沿断层面运移至上部有利储层聚集，侏罗系储层物性差，以致冷湖五号构造第二高点未形成油气藏。冷科1井的失败也说明了这一点。南八仙构造中的仙南断层是燕山期局部张性形成的正断层。该断层在喜马拉雅期受挤压由正断层变为逆断层。在此过程中，断层倾角不断变化，必然在某一时期垂向闭合最小，进入开启期。但是，很难对开放期进行定量估计。笔者认为大概发生在E3-E1+2期(喜马拉雅晚期第二断层形成之前)，即油气开始成熟并达到生烃高峰的时期。此时，部分侏罗系油气沿断层和不整合面运移，首先聚集在E3x1层。鲜卑断层在喜马拉雅晚期开始形成。由于主滑动面在断层的上部，断层没有断至地表(下部敞开，上部闭合)，E3x1的油气或沿深断层的油气再次运移至浅部，聚集于上干柴沟组和油砂山组形成油气藏。仙6、仙4深井试气产量普遍高于浅井，也可以作为油气自下而上运移，断层自下而上逐渐闭合的证明。