1. 引言

随着我国对“不可再生能源”消费结构的调整，地下储气库作为天然气“注存采”一体化的民生基础设施，在国家能源战略中占据不可替代的地位。在进行新储气库建立的同时，我国部分储气库无法满足现有需要，在储气库库址实际地质构造情况无法改变的条件下，为追求多周期运行储气库库容利用率的提升，国内开始进行储气库增压扩容方面的研究。储气库进行增压扩容需要考虑诸多因素的影响，其中储气库所在区域断层的封闭性对储气库的安全运行及增压扩容方案制定有着极高的重要性。

自19世纪50年代起，国内外学者开始断层封闭性方面的研究。1949年，Muskat系统地阐述了储层物性与断层封闭机理之间的联系，强调了断层封闭性对油气运移、储存的重要性；1987年，Watts以薄膜封闭和水力封闭总结的断层封闭机理被广泛接受认可；Bouvier于1989年提出利用泥岩涂抹潜力(CSP)对断层的相对封闭程度进行判断；1993年，Lindsay提出利用泥岩涂抹因子(SSF)对断层封闭性进行判断；1997年，Yielding等提出了断层泥比率(SGR)方法判断断层封闭性。2009年，Childs利用烃类运移对断层封闭性进行模拟，认为断裂带宽度和断矩之间存在一定的比例关系[1]。国内学者雷城以三维分析技术为基础，从三维角度对断层封闭性进行定量表征。2011年，任森林等从岩性、力学、流体性质、流体包裹体与综合评价五个角度对断层封闭性研究方法进行了系统的总结[2]。2024年，李储华在原有的断层泥比率法的基础上进行了改良，引入了距离系数，即断层断矩与各泥岩点到目标位置距离的差与断层断矩的比值，构建了加权断层泥比率计算方法[3]。

至今，国内外对断层封闭性的分析仍基于以上几种方法对断层封闭性进行计算，但以断层泥比率(SGR)三维模型定量表征断层封闭性的方法仍然缺乏。本文基于断层泥比率(SGR)判别方法，通过对白6区块地质模型的建立，将地层属性投影至断层模型上，定量判断白6区块断层封闭性情况，最后与断层泥比率(SGR)计算结果进行核对，确定断层泥比率(SGR)三维模型的准确性。研究结果对白6储气库增压扩容方案制定及安全运行具有一定的意义。

2. 研究区概况

白6储气库位于渤海湾盆地黄骅坳陷中北部板桥凹陷北侧板南区块内，板桥凹陷西以沧东断裂为界、北以海河断裂与北塘凹陷相接，东南以白水头断裂、北大港断裂与岐口凹陷相邻，西南止于板桥–羊三木断裂，呈北北东向展布，长约52 km，宽为4~8 km，面积350 km²。白6储气库所处的白6断块均位于独流减河以北、津岐公路以东、海防路(即滨海大道)和沿海高速以西，地面站场主要位于盐池内。白6断块构造为F1断层、F3断层、F4断层和F7断层所围限，整体为夹持于F1断层和F5断层之间的垒块构造(图1)，地层整体西抬东倾，南高北低。该区域整体受早期挤压作用强烈，加之晚期拉张作用影响，整体构造较为复杂。构造上倾方向被F1断层和F8断层所遮挡。

Figure 1. Structural map of the top of ban 3 formation in Bai-6 block

图1. 白6区块板3层顶层构造图

3. 断层基本特征

白6断块构造为F1断层、F3断层、F5断层和F7断层所围限。断层按走向划分为三组，分别是北东向、北北东向和近东西向。

规模较大的断层纵向上具有一定的继承性。根据断层规模可分为两级：一级断层包括F1断层、F5断层、F8断层，其特点是发育时间长，断距大，延伸距离长，控制构造格局、地层沉积和油气分布；二级断层有F3断层，它们是各断块之间的分界断层，一般活动期较二级断层短，断距小，延伸短，对局部油气分布起控制作用；四级断层一般为大断层的派生断层，发育时间较短，断距小，延伸长度不大，它们分布在各断块内，将开发区块切割成大小不等的自然断块，使局部构造和油气水关系复杂化。其中F1、F5和F3断层分别是白6储气库的西部边界、东部边界和南部边界。研究区内断层发育，中部北东东走向断层向东截止于北北东走向的高沙岭断层，这组断层为发育于F1断层下降盘的调节断层，在剖面上形成“负花”式结构；东部断层以北东走向为主，断面南倾，向东与高沙岭断层和F1断层相接。这组断层发育于F1断层向东消失部位，并且与其断面倾向相反，从而形成构造转换(表1)。

Table 1. Fault element table

表1. 断层要素表

3.1. 边界断层特征

由于北部断层影响圈闭密封性，平剖对比分析认为该区除新解释的北东向断层外，还发育近东西向的F7断层，断距在13米~29米，与两侧边界断层F1、F4相连接，整体规模较小，将板2、板3与板4层切开，成为白6断块北部边界断层(图2)。

Figure 2. Schematic diagram of the F3 fault

图2. F3断层示意图

F1为西部边界断层，横穿整个工区，倾向北东，断距较大，工区范围内断距210米~320米，为同沉积断层，与区内南部边界F7断层、北部边界F3断层、F8断层、F9断层均相切，对板3油组沉积有一定控制作用，在研究区板2~板4层系完全断开，断层两盘地层无对接，断层封闭性较好。F4为东部边界断层，走向北东南西，倾向西南，区内延伸4.2 km。F5断层为东部边界断层，断距较大，为87~191米，走向北东，倾向西南，与区内F8断层、F5断层相切(图3)。

Figure 3. Schematic diagrams of the F1, F4, and F5 faults

图3. F1、F4、F5断层示意图

F7断层断距较大，为93~172米，整体走向近东西向，为研究区的南部边界断层，与F1断层相切，研究区板2~板4层系被F7断层完全断开，断层两盘地层无对接(图4)。

Figure 4. Schematic diagram of the F7 fault

图4. F7断层示意图

3.2. 边界断层特征

F8断层为区块南部边界断层，倾向北西，走向北东至西南，平面上延伸3.1 km，断距较小。F8断层在纵向上切开板2、板3、板4层，在横向上与F1断层、F9断层、F4断层相切。F9断层为区内断层，倾向南方，走向近东西向，平面上延伸1.9 km。纵向上，由于F9断层规模较小，因此切开了板3与板4层，并未切开板2层，横向上，F9断层与F1断层、F8断层相切(图5)。

Figure 5. Schematic diagram of the F8, F9 fault

图5. F8、F9断层示意图

4. 断层封闭机理及评价方法

4.1. 断层封闭机理

前人对断层封闭性进行了大量研究，认为断层封闭机理主要分为三个大类：1) 岩性对接封闭，主要形成于砂泥互层的地层断裂，断层规模较小。2) 断层岩封闭，又细分为碎裂岩封闭、层状硅酸盐岩框架断层岩封闭与泥岩涂抹封闭，当断裂带较为发育时结合地层具体岩性更容易发生该类封闭。3) 胶结封闭，断裂发生时，断层面附近形成裂缝发育的破碎带，破碎带中的流体与成岩物质在外部环境的影响下胶结并充填破裂带的裂缝，形成封闭[4] [5]。

4.2. 研究区断层封闭类型

白6断块上述6条断层的封闭类型主要为泥岩涂抹封闭与岩性对接封闭，其中，F1、F7断层与F5断层断距较大，断层两盘地层完全断开，为泥岩涂抹封闭；F3、F8、F9断层断距较小，目标层位并没有完全断开，部分层位岩性对接封闭，部分层位泥岩涂抹封闭。

4.3. 断层封闭性评价方法

Figure 6. Allan diagram (modified from Jin Chongtai, 2012)

图6. Allan断面图(据金崇泰，2012修改)

在断层封闭性研究的过程中，前人总结出了大量的评价方法，从针对单一因素进行定性评价到多种因素综合定性评价，从综合定性评价到综合定量评价，其中影响较大有以下几种：

1) 地层对接法，其中比较具有代表性的为Allan图解法。Allan图解以测井数据作为基础(图6)，针对地震数据进行研究，描绘出断层两侧地层的几何形态，结合地层岩性一同投影到断层面上，在断层面上建立起综合岩性、地层构造、油气的模型，进而分析地层对接关系，评价断层封闭性。

2) 泥岩涂抹系数

断层在发育的过程中，破碎带中原本地层的泥岩层在两端地层的相对滑动的作用下，涂抹到断层面上，所形成的泥岩涂抹层与两端地层形成排替压力差。基于此泥岩涂抹层前人总结出许多定量评价方法，主要有泥岩涂抹潜力(CSP)与断层泥比率(SGR) [6]。

泥岩涂抹潜力(CSP)评价断层封闭性是通过计算经过断层面上某一点在断层发育过程中泥岩层层数、厚度与断距到泥岩层距离的比值大小，CSP值越大，断层封闭性越好。

$\text{CSP=}{\displaystyle \sum \frac{H_i{}^2}{D_i}}$

(1)式中：H_i表示经过该点的某一泥岩层厚度，m；D_i断距内该点到泥岩层的距离，m。

断层泥比率(SGR)弥补了泥岩涂抹潜力(CSP)只考虑断层两端地层的泥岩层的缺陷，将断层破碎带中的泥岩也考虑进断层封闭性评价中。

$\text{SGR}=\frac{{\displaystyle \sum V_{shi}*M_i}}{T}\times 100\%$

式中：M_i代表断层两端单一地层厚度，m；V_shi单一地层中的泥质含量，%；T代表断层垂直断距，m。

根据前人研究，SGR值小于20%时，未观测到断层封堵油气，大于20%时，逐渐能够观测到油气聚集，因此，在SGR大于20%时，判断断层封闭性为好[7]。

相较于泥岩涂抹潜力(CSP)，断层泥比率(SGR)考虑的因素更加全面，是目前评价断层封闭性的一种主流方法，也是本次断层封闭性评价利用的方法。

本次断层泥比率(SGR)计算通过Petrel三维地质建模–数模一体化平台，在三维构造模型、岩相模型与属性模型的基础上，综合测井、录井等一系列数据，以岩相模型作为约束，通过随机建模的方法建立泥质含量模型，将模型所得计算结果在断层面上体现出来，得出断层面的断层泥比率(SGR)，进而定量表征研究区断层封闭性[8]-[15]。

5. 研究区断层封闭性分析

基于构造模型与岩相模型，将断层两端地层岩性对接关系与砂泥比的数值投影至断层上，建立白6断块断层岩相模型及泥比率(SGR)模型(图7)，基于岩相模型与进而分析研究区内断层封闭性情况[16]-[20]。

5.1. F1、F4、F5断层封闭性分析

F1、F4及F5断层为白6断块边界大断层，整体断距较大，几乎贯穿整个研究区，纵向上，三条断层基本上将目的层段板2~板4层完全断开，断层两盘地层无对接，因此封闭性较好。在搭建的断层泥比率(SGR)模型中两条断层由于将地层切开的较为完全，因此两盘地层的泥比率无法投影至断层面上。

5.2. F3断层封闭性分析

F3断层断距较小，目标层位板2~板4并未被完全断开，根据岩相模型，F3断层两端地层中，板4层砂砂对接、砂泥对接和泥泥对接三种情况都存在，其中以泥泥对接与砂泥对接为主；板3-3小层砂泥对接、泥泥对接两种情况存在，其中以泥泥对接为主；板3-2两盘地层为有部分砂砂对接，其余部位砂泥对接占多数；板3-1小层除少量位置砂砂对接外，大部分都为砂泥对接；板2小层主要以砂泥对接为主，存在部分砂砂对接。在断层西部的板3-2小层有部分砂砂对接，但由于该层砂泥互层，泥岩涂抹使得泥比率均在50%以上，整体断层封堵性较好(图8)。

Figure 7. Fault rock facies model (left) and SGR model (right) of Bai-6 block

图7. 白6断块断层岩相模型(左)及SGR模型(右)

Figure 8. Lithological juxtaposition diagram (top) and SGR distribution diagram (bottom) of the F3 fault cross-section

图8. F3断层断面岩性对接关系图(上)、断面SGR分布图(下)

5.3. F8断层封闭性分析

F8断层断距较小，板4层西部大片泥泥对接，在中部向东延申，以砂泥对接为主，存在部分砂砂对接；板3-3小层整个西部至中部全部为泥泥对接，中部偏东出现砂泥对接现象；板3-2小层自西部至中部多以砂泥对接为主，但是存在部分区域砂砂对接；板3-1小层整体岩性对接情况与板3-2小层类似，在西部至中部都出现了砂砂对接现象；板2层主要以泥泥对接为主，存在少量的砂泥对接与砂砂对接现象(图9)。整体分析白6断面SGR分布情况，在板3-1、板3-2小层中部断层泥比率(SGR)值在20%左右，其余对接区域在40%以上。

Figure 9. Lithological juxtaposition diagram (top) and SGR distribution diagram (bottom) of the F8 fault cross-section

图9. F8断层断面岩性对接关系图(上)、断面SGR分布图(下)

5.4. F9断层封闭性分析

Figure 10. Lithological juxtaposition diagram (top) and SGR distribution diagram (bottom) of the F9 fault cross-section

图10. F9断层断面岩性对接关系图(上)、断面SGR分布图(下)

F9断层断面岩性对接关系图中可见，板4层西部以泥泥对接为主，自中部至东部开始出现砂泥对接、砂砂对接，以砂泥对接为主；板3-3小层自西部至中部几乎都为泥泥对接，在东部出现少量砂泥对接区域；板3-2小层自中部至东部出现部分砂砂对接区域；板3-1小层以砂泥对接为主，存在少量区域砂砂对接；板2层多以泥泥对接为主，夹杂部分砂泥对接、砂砂对接。F9断层SGR模型可见在板3-2小层，砂砂对接区域泥比率10%~30%，该区域断层封堵性较差(图10)。

6. 结论

1) 断层泥比率(SGR)分析断层封闭性相较于泥岩涂抹潜力法既考虑了断层两端泥岩层中泥岩涂抹断裂两端地层的情况，又考虑到了破碎带中泥岩对地层涂抹的情况，评价断层封闭性更为全面。

2) 根据断层封闭性机理分析，白6断块断层多为泥岩涂抹封闭与岩性对接封闭。断距较大的西部、南部、东部边界断层F1断层、F7断层与F5断层为泥岩涂抹封闭；其余断层为泥岩涂抹封闭与岩性对接封闭混合。

3) 在白6断块研究的断层中，F1断层、F5断层完全切开目标层位，断层封闭性为好；F3断层SGR数值大于50%，断层封闭性为好；F8断层SGR数值大于20%，断层封闭性为好；F9断层SGR数值为10%~30%，断层封闭性为差。

4) 在断层泥比率(SGR)方法对断层封闭性进行评价，对断层两侧地层岩性的判定有利于在建立断层SGR模型后宏观地掌控目标层整体的封闭性情况，更好地判断断层整体封闭性的好坏。

5) 对于大部分区域断层封闭性的研究，断层泥比率(SGR)方法可以满足研究需要，但是断层泥比率(SGR)方法并没有着重考虑到异常地层压力、地应力等相关力学性质情况，因此在进行断层封闭性评价时要针对目标区域进行综合考虑。

基金项目

2023年重庆科技大学校级研究生科技创新计划项目“储气库地质体精细描述及增压扩容地质风险评估以白6储气库为例”(项目编号YKJCX2320124)资助。

参考文献