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断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用-金强

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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 第33卷第1期2012年1月石 油 学 报ACTA PETROLEI SINICAVol.33Jan.No.12012基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2011CB201001)和中国石化重点研究项目(P09037)资助。第一作者及通讯作者:金强,男,1956年5月生,1982年毕业于华东石油学院,现为中国石油大学(华东)教授、博士生导师,主要从事油气地质科研与教学工作。E-mail:jinqiang@upc.edu.cn文章编号:0253-2697(2012)01-0082-08断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用金强1周进峰1,2王端平3杨勇3(1.中国石油大学地球科学与技术学院 山东青岛 266555;2.中国石化江苏油田分公司江苏扬州225009;3.中国石化胜利油田分公司 山东东营 257061)摘要:断层破碎带是由断面附近派生裂缝和断面充填物组成的地质体,在地表露头容易识别,但是在地下油田的鉴别还是一个难题。利用测井信息结合相关地质资料在东辛断块油田尝试了此项研究,在反复的测井曲线对比基础上,利用裂缝发育系数(Fdr)识别出了派生裂缝(Fdr≥0.35)和断面充填物(Fdr<0.35)。通过对永3块和辛109块不同级别断层的研究,发现了4种类型的断层破碎带:①派生裂缝-断面充填物-派生裂缝组成的对称结构断层破碎带;②派生裂缝-断面充填物组成的非对称结构断层破碎带;③结构不完整的断层破碎带,可进一步细分为只有派生裂缝的断层破碎带和只有断面充填物的断层破碎带两种;④结构复杂的断层破碎带。对永3块不同级别断层的断层破碎带结构及展布特征的研究表明,断面充填物、派生裂缝及周围储层具有不同的岩石物性和排替压力,并在讨论断块油田剩余油挖潜问题的基础上,部署了3口水平井。关键词:断层破碎带;派生裂缝;断面充填物;测井识别;断块油田;东辛油田中图分类号:TE112.3    文献标识码:AIdentification of shattered fault zones and its application in developmentof fault-block oilfieldsJIN Qiang1ZHOU Jinfeng1,2WANG Duanping3YANG Yong3(1.School of Geosciences,China UniversityofPetroleum,Qingdao 266555,China;2.Jiangsu Oilfield Company,Sinopec,Yangzhou 225009,China;3.Shengli Oilfield Company,Sinopec,Dongying257061,China)Abstract:A shattered fault zone is defined as a geological body composed of fractures derived from fault movement and fragment fil-ers between two wals of a fault,it can be identified easily from outcrop but difficultly in subsurface.Based on repeated comparisonsof wel logging and related geological data,the authors identified 4 types of shattered fault zones in the Dongxin Oilfield of the JiyangDepression,i.e.①the symmetrical shattered fault zone with a configuration of induced fractures-fragment filers-induced fractures,②the unsymmetrical shattered fault zone with a configuration of induced fractures-fragment filers,③the incomplete shattered faultzone with either induced fractures or fragment filers,and④the complex shattered fault zone without fixed induced fractures or frag-ment filers.A key coefficient(Fdr)was used successfuly in the identification,namely if Fdris≥0.35,it is an induced fracture andif Fdris<0.35,it is a fragment filer.By examining structural and distributional characteristics of shattered fault zones with differ-ent sizes in the Yong-3 block,we found that the thickness,petrophysics and displacement pressure of induced fractures and fragmentfilers were key factors for the fault sealing property.The distribution of shattered fault zones was then mapped and applied to the al-location of 3 horizontal wels so as to recover the remaining oil in fault blocks.Keywords:shattered fault zone;induced fracture;fragment filer;identification with wel-logging;fault-block oilfield;Dongxin Oilfield对断层野外露头的研究表明[1-7],断层破碎带由断面充填物和派生裂缝组成,断面充填物和派生裂缝可以沿断面对称分布,也可以不对称分布。断面充填物是由断裂过程中两盘原岩或外来物质及断层泥充填形成的[8],派生裂缝为断面附近的与断层活动相关的裂隙[9-10]。断层性质和规模不同,断层破碎带的结构也不同,张性断层常发育断面充填物,断距大的断层破碎带的宽度较大[11-12]。断层控制了断块油田的形成及其油气开发[13],特别是断层破碎带的组成、厚度、物性和封闭性直接影响剩余油开发的方式,因此油田内部断层破碎带的识别和描述成为亟待解决的科学和实际问题,也是前人尝试解决的难点问题[14]。笔者在复杂的东辛断块油田地质研究中,通过露头表现出的断层破碎带特征以及大量的测井资料的反复对比,发现测井资料能够比较有效地表达出断层破碎带厚度及结构特征,并对不同级别、不同性质的断层破碎带进行描述,讨论它们对断块油田剩余油开发的影响,以期为断块油田的深入地 第1期 金强等:断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用 83质研究提供新思路、新成果。1 研究区概况东辛油田位于东营凹陷中央隆起带,东西长28km,南北宽7.7km,区内共发育断层210条,组成185个断块,其中已发现含油断块125个,探明石油地质储量2.5×108t[15]。选取辛109块和永3块进行本研究,取得了理想的成果。辛109块由东西向的四级断层(F3、F4、F5断层)和北东、北西向五级断层组成[16-17][图1(a)],永3块由一条近东西向的弧形三级断层(永3断层)、两条规模较大的近东西向四级断层(1、2号断层)以及南北向的五级断层 (3号断层)组成[18][图1(b)]。这两个断块剩余油挖潜需要解决哪些断层发育断层破碎带、破碎带物性及其封闭性等问题。图1辛109和永3断块沙二段顶面构造特征Fig.1 The tectonic features of Es2topof Xin-109and Yong-3blocks2 断层破碎带识别及结构特征2.1 断层破碎带识别断块油田内部的断层应当与地表露头断层一样具有结构复杂的断层破碎带。在断块油田大量的断层识别、小层对比工作中,笔者尝试利用测井资料对不同级别、不同性质的断层进行破碎带识别。首先,利用地震解释资料和地层对比确定某井断点的位置;然后,利用小层对比方法与没有钻遇断层井的同层位测井曲线反复对比,定性地判别断点附近测井曲线的差异(哪怕是很微小的差别),并且认定有差异的位置即为断层破碎带的顶底界面,差值为断层破碎带的视厚度;再后,进一步分析断层破碎带内部测井响应特征,利用裂缝发育系数等方法定量识别断面充填物和派生裂缝的位置。通过观察有断层井的岩心,发现断层破碎带在岩心上的位置与通过测井对比识别出的部位相一致(图2)。由于研究区取心井资料不全,故采用与研究区地质条件完全一样的邻区单90井的资料来证明该方法的可靠性。图2单90井断层破碎带Fig.2 The shattered fault zone of the Wel Shan-9084  石  油  学  报 2012年 第33卷 2.1.1 断层破碎带测井响应特征断面充填物岩性组成的差异,会导致测井曲线具有不同的响应特征,断层两盘派生裂缝发育程度不同也导致测井响应的差异。在反复定性对比的基础上,发现研究区派生裂缝具有声波时差(AC)测井曲线周波跳跃或声波时差增大、视电阻率(R25)曲线数值降低、密度测井值(DEN)整体偏小且曲线呈正的窄尖峰状、补偿中子测井值(CNL)偏大的特点,而断面充填物往往导致声波时差值(AC)偏小、密度测井值(DEN)偏大、补偿中子测井值(CNL)普遍偏小(图3)。图3X109-18井断层破碎带测井响应Fig.3 The wel loggingresponses of the shattered fault zone from the Wel Xin-109-182.1.2 裂缝发育系数在双侧向测井中,深侧向电阻率可以反映地层的电阻率,浅侧向电阻率反映的是侵入带电阻率。当出现裂缝时,深浅双侧向电阻率普遍减小,但减小的程度不同,并且出现幅度差[19]。利用双侧向曲线的差比值构造出一个反映裂缝发育程度的系数———裂缝发育系数(Fdr),来对断层破碎带结构进行划分。Fdr=2× A×RldRls+B×1Rls-1R( )[ ]ld(1)式中:Rld为深侧向电阻率,Ω·m;Rls为浅侧向电阻率,Ω·m;A、B为差比值系数,取值为0~1。笔者通过对研究区150余口井的测井曲线反复试差计算,发现研究区选取A为0.25、B为0.4时识别效果较好。结合研究区内裂缝发育状况,发现派生裂缝的裂缝发育系数Fdr≥0.35,断面充填物的裂缝发育系数Fdr<0.35。需要注意的是,在利用深浅双侧向电阻率进行断裂破碎带识别的过程中,要扣除油、气、水的增、减阻侵入的影响。2.2 断层破碎带的类型通过对永3块、辛109块150余口井的三级、四级和部分五级断层的断层破碎带对比和识别,发现了4种类型的断层破碎带。2.2.1 结构对称的断层破碎带断层破碎带结构发育完整,派生裂缝-断面充填物-派生裂缝以断面为中心对称分布[如图4(a)]。X109-18井在1 786 m井深附近发现有断层,与附近同层位没有断层的X109-71井进行反复对比,发现X109-18井的1 783.8~1 789.8 m深度与X109-71井1 766.6~1 791.6 m深度的自然电位、声波时差、视电阻率曲线存在着差异,确认前者钻遇断距为25 m、断层破碎带视厚度为6 m的断层。进一步分析,发现X109-18井的1 783.8~1 786.2 m和1 788~1 789.8 m井段为派生裂缝发育段(Fdr≥0.35),1 786.2~1 788 m井段为断面充填物发育段(Fdr<0.35)。2.2.2 结构不对称的断层破碎带由派生裂缝和断面充填物组成的结构不对称的断层破碎带如图4(b)所示。与无断层的Y3-100井对比,Y3-95井的1 995.6~2 005.6 m井段为断层破碎带,视厚度为10 m,断距为176.4 m(该断层为永3断块边界的三级断层)。Y3-95井1 995.6~2 002 m发育派生裂缝(Fdr≥0.35),2 002~2 005.6 m为断面充填物(Fdr<0.35)。2.2.3 结构不完整的断层破碎带断层破碎带结构不完整,可进一步细分为只发育派生裂缝的断层破碎带[图4(c)]和仅发育断面充填物的断层破碎带[图4(d)]。例如,X109-33井断层破碎带位置为2 313.0~2 321.6 m深度(与无断层的X109-62井对比),视厚度为8.6 m,断距为156 m。该断层破碎带声波时差曲线呈周波跳跃,视电阻率为低值,Fdr≥0.35,为派生裂缝[图4(c)]。 第1期 金强等:断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用 85图4断层破碎带的类型和特征Fig.4 The types and characteristics of shattered fault zoneX109-10井断层破碎带位置为1 908.0~1 912.8 m深度(与无断层的X109-62井对比),视厚度为4.8 m,断距为90.6 m。此断层破碎带由断面充填物组成,声波时差值较上下地层明显偏低且稳定,Fdr<0.35[图4(d)]。2.2.4 结构复杂的断层破碎带实际上,笔者对研究区内钻遇同一条断层的所有井都进行了断层破碎带的识别工作,但有些井并没有明确识别出断面充填物或派生裂缝。究其原因:①断层破碎带太复杂,测井上难以区分两者,例如,X109-73井的1 861.2~1 874.6 m深度应当是断层破碎带(与X109-51井对比),可是测井响应特征变化快,裂缝发育系数等很难区分出其内部结构特征[图4(e)];②派生裂缝或断面充填物均不发育,断层破碎带厚度为零,但这种情况在张性断裂发育区非常少见。3 永3块断层破碎带特征及其对断块油藏开发的影响3.1 断层破碎带空间展布特征永3块沙二段为良好的油气产层,但其断层级别多(三级、四级和五级)且产状复杂(弯曲的、倾角变化的)。笔者通过对钻遇6条不同级别、不同产状断层的68口井的对比分析,得到断层破碎带的视厚度,再根据断层倾角将其转化为真厚度后,编制了各断层的断层破碎带空间展布图。3.1.1 三级断层该断层是永3块边界的弧形断层,断面倾角为50°~60°,有8口井钻遇,将识别出的断层破碎带厚度与断面埋深和断距等值线叠合在一张图上,以研究断层破碎带在空间上的展布特征[图5(a)]。由图5(a)看出,断层弧形处的断距较大,其中Y3-81井附近断距超过120 m,其他部位断距为60~100 m,断层破碎带厚度随断距的增大而增大,在拐弯处最厚超过6 m(Y3-81井处),其他部位厚度为3~5 m;在断层平直段处断距小于60 m,断层破碎带厚度为2~3 m。断层破碎带厚度与断距之比约为1∶20。3.1.2 四级1号断层该断层基本为北东东走向,断面有弯曲变动,倾角为40°~60°。根据8口井识别出的破碎带厚度、断面埋深及断距,编制了四级1号断层破碎带空间展布特征图[图5(b)]。由图5(b)看出,在Y3-24井、Y3-73井和Y3-102井处断层出现弯曲变动,断距超过120 m,断层破碎带86  石  油  学  报 2012年 第33卷 图5永3块沙二段断层破碎带空间展布Fig.5 The space distribution of shattered fault zone of Es2in Yong-3block厚度在4 m以上;向西、向东断距变小,为40~100 m,断层破碎带厚度为2~4 m。该断层断距随深度增大具有明显增大的趋势,如断面埋深小于1 800 m时,断距基本小于60 m;断面埋深大于2 000 m时,断距都在80 m以上,反映了生长断层的性质。3.1.3 四级2号断层该断层也是一条具有弧形产状的断层,自西向东由北东走向变为东西走向[图5(c)],断距40~80 m(东部靠近三级断层部位的断距较大),断层倾角为40°~55°。在沙二段有10口井钻遇该断层,断层破碎带厚度在拐弯处为3~4 m,在Y3-56井—Y3-58井处也达到4 m,其他部位2~4 m[图5(c)]。断层破碎带厚度与断距之比约为1∶10~1∶20,符合前人的统计结果[20]。3.2 断层破碎带结构及封闭性分析由表1可见,永3断块边界的三级断层只发育结构不完整的断层破碎带;四级1号断层既发育结构对称的、又发育结构不完整的断层破碎带,说明同一条断层可以发育不同结构的断层破碎带;四级2号断层以派生裂缝和断面充填物组成的不对称断层破碎带为主。针对断层破碎带的断面充填物和派生裂缝,笔者结合实验室分析资料和测井响应,计算了它们的孔隙度、渗透率[21]和排替压力[22]。=0.061 4Δt+8.754(2)式中:为砂岩孔隙度,%;Δt为声波时差,μs/m。孔隙度与渗透率具有指数关系:K=0.000 3e0.498 8(3)式中:K为砂岩渗透率,mD。表1永3断块断层破碎带结构特征Table 1 The structural feature of shattered fault zonein Yong-3block断层 井号派生裂缝(Fdr≥0.35)断面充填物(Fdr<0.35)派生裂缝(Fdr≥0.35)Y3-2 2161.2~2164.0 m三级Y3-26 1881.6~1887.8 mY3-45 2018.8~2022.0 mY3-87  2073.8~2077.6 mY3-5 2019.8~2024.6 m四级 Y3-90 2145.0~2150.8 m 2150.8~2152.8 m2152.8~2155.0 m1号 Y3-6  1947.0~1952.6 mY3-73 2149.4~2155.6 mY3-56 2218.8~2224.8 m 2224.8~2225.6 m2225.6~2228.6 m四级Y3-58  2047.8~2052.6 m2052.6~2055.4 m2号Y3-18 1938.0~1940.8 mY3-94 2150.0~2150.8 m 2050.8~2152.0 mY3-42  1974.8~1979.1 m1979.1~1980.2 m排替压力是评价岩石物性封闭能力的重要参数,通常可以利用声波时差求取排替压力。采集断层破碎带附近样品,实测其排替压力,并与声波时差建立相关关系,从而得到泥岩、砂岩排替压力评价模型(图6)。 第1期 金强等:断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用 87图6砂、泥岩排替压力与声波时差关系Fig.6 The relationshipbetween displacement pressure of sandstone/mudstone and the acoustic time通过对永3块不同级别、不同结构的断层破碎带物性和排替压力等参数计算,发现断层破碎带的排替压力大于周围储集性砂岩层的排替压力,断面充填物的排替压力大于派生裂缝带的排替压力,即断面充填物在断层破碎带封闭中起重要的作用。并对同一断层平面和剖面不同位置进行了封闭性评价(图7):永3块图7永3块不同断层破碎带封闭特征Fig.7 The sealingproperties of different shattered fault zones in Yong-3block边界三级断层破碎带对沙二段储层主要起到封闭作用,该断层中段的断层破碎带上部具有封闭性,而下部排替压力较小,封闭性差;四级1号断层西段断层破碎带下部封闭性强,而上部具有连通性,该断层中段和东段封闭作用很强;四级2号断层西段和东段上部封闭性强、下部封闭性差,中段断层破碎带基本是封闭性的,仅局部结构不完整的断层破碎带(只发育派生裂缝)封闭性差。3.3 断层破碎带对断块油藏开发的影响断层封闭性对于油气成藏和油气开发均具有重要影响,识别了断层破碎带,了解了破碎带内部的物性和排替压力,可以真正搞清断层封闭性的原因。不能再利用过去的“断层两盘砂泥对置断层封闭,断层两盘砂岩对置则断层开启”的观点[23-25]说事了,应当建立正确的“储层-断层破碎带-储层”的对接模式。在永3块内断层两盘岩性存在砂砂、砂泥、泥泥3种对置关系,由于其断层破碎带大部分具有封闭性,即使在砂砂对置时,两侧砂岩之间依然不存在连通性[26]。断块油藏的剩余油常分布在封闭性断层遮挡处[27],在利用水平井挖掘剩余油时要求考虑断层破碎带的厚度及其空间分布。永3断块剩余油主要分布于断层墙角式构造高部位以及断鼻构造处,过去部署水平井井眼轨迹的经验是距上倾断层边缘的距88  石  油  学  报 2012年 第33卷 离为油层厚度的1/3[28],有时候就没有取得理想效果。沙二段4小层3砂组(Es243)是永3断块主力油层之一,根据油藏数值模拟得到的剩余油分布,并结合四级2号断层破碎带空间展布特征(断层西段破碎带厚度超过4 m,东段约为3 m,中段变薄约为2 m),建议的水平开发井井眼轨迹如图8所示,即水平井段1和井段2距离断层破碎带1 m进行部署、水平井段3可以从已有的Y3-P7井中钻出,向靠近断层破碎带方向部署。水平井段尽量靠近断层破碎带,可以得到最佳的剩余油挖潜效果。图8永3断块Es243剩余油分布及井位部署Fig.8 The remainingoil distribution and wel deployment ofEs243 in Yong-3block4 结论(1)在利用测井等信息的反复对比定性判别断层破碎带的顶底界面及其厚度基础上,利用基于测井响应计算出的裂缝发育系数(Fdr)定量地识别出派生裂缝(Fdr≥0.35)和断面充填物(Fdr<0.35),达到了断层破碎带结构识别的目的。(2)在东辛油田识别出4种类型的断层破碎带:①派生裂缝-断面充填物-派生裂缝组成的对称结构断层破碎带;②派生裂缝-断面充填物组成的非对称结构断层破碎带;③结构不完整的断层破碎带,可进一步细分为只有派生裂缝的断层破碎带和只有断面充填物的断层破碎带两种;④结构复杂的断层破碎带。(3)研究区内断层破碎带厚度与断距具有如下关系:断层破碎带厚度随断距的增大而增大,且弧形断层拐弯处厚度最大;三级断层的断层破碎带厚度与断距之比约为1∶20,四级断层的断层破碎带厚度与断距之比为1∶10~1∶20。(4)研究区断层破碎带对周围储层均有较好的封闭性,并且断面充填物的封闭性强于派生裂缝,由此可以造成同一条断层因不同部位断层破碎带结构的不同而具有不同封闭性的特征。例如永3断块内的四级1号断层西段下部为结构对称的断层破碎带,封闭性很强,而上部为结构不完整的断层破碎带(仅由派生裂缝构成),封闭性较差;该断层其他部位均发育断面充填物,封闭性较强。了解了断层破碎带厚度分布及其结构特征,可以为剩余油挖潜和注采方案设计及调整提供详细的地质依据。参 考 文 献[1]宋胜浩.从断裂带内部结构剖析油气沿断层运移规律[J].大庆石油学院学报,2006,30(3):17-20.Song Shenghao.Analysis of hydrocarbon migration based on theinterior structure of fault zone[J].Journal of Daqing PetroleumInstitute,2006,30(3):17-20.[2]周庆华.从断裂带内部结构探讨断层封闭性[J].大庆石油地质与开发,2005,24(6):1-3.Zhou Qinghua.Study on fault closure based on interior structureof fracture belt[J].Petroleum Geology &Oilfield Developmentin Daqing,2005,24(6):1-3.[3]Tauber 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本文标题:断层破碎带识别及其在断块油田开发中的应用-金强
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