断层相及其在砂岩储层中的应用.docx

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断层相及其在砂岩储层中的应用

断层相及其在砂岩储层中的应用

摘要

断层相的概念是一种新的使断层描述适应三维储层建模目的的方法。

断层被认为是岩石的变形册，确定一个围岩中的三维断层壳面的结构和岩石物理性质被构造变形所改变。

断层壳面包含数目不一的源自围岩和根据变形分布和位移梯度所定的有组织的空间所组成的离散断层相。

断层相与尺寸，几何，内部结构，岩石物理性能和断层单元的空间分布这些断层数据有关，达到促进了模型的识别和对一般模型统计分析的目的。

断层相就像建筑单元一样，可以是体系组也可以是独立的规模，组合相，独立相。

将发育断层带格子的体积和断层相一起添加进储层模型，允许将现实断层带的结构和性质列入。

为了表示断层相概念的实力，我们现在分析埃及西奈半岛的砂岩油藏中的26个断层核心。

这些断层都包括离散结构，薄膜，和透镜体。

测量发现核心宽度和断层位移有密切联系，然而，没有与断层相分布环节的存在。

断层核心是被受到挂壁边的走滑面的限制，在某些情况下与下盘的走滑面相配。

走滑面与断层核心在暴露的规模上倾向于连续和平行。

薄膜是连续到半连续的，长且薄层的断层岩石，例如砂岩，泥岩和角砾岩，其长/厚比超过100:

1。

大多数观察到的透镜体是4面的（李德尔边缘结构分类）并开放的显示内部结构的致密网络，其中的许多都具有伸展剪切（R）的方向。

平均透镜体长轴/短轴方向的比例约为9:

1。

引言

断层对于在地壳中流动的流体来说可以是通道也可以是障碍（Chester等，1993；Caine等，1996；Seront等，1998；Manzocchi等，1999，2008），因此它们得到了很重要的关注（例如，KoestlerandHunsdale，2002；BoultandKaldi，2005；SorkhabiandTsuji，2005）。

它们对流体流动的影响取决于层流的空间分布，它于受构造变形影响的围岩的岩石物理性质有关，即断层壳面（Tveranger等，2005）。

要现实的描述断层的性质，因此需要一种方法，将断层想象为在一定程度上观察不同实体体积，不同岩石物理特性和空间分布的结构单元。

这里我们介绍的断层相得概念是一种描述和组成断层变形壳面的结构单元的方法。

地学中的相概念

相概念（Steno，1671；Gressly，1838；Teichert，1958）历来被用于描述沉积岩（Reading，1986）和变质岩（Winkler，1976），并在较小程度上，用于延展性好的变形岩（Hansen，1951；Tikoff和Fossen，1999）。

这一概念也被应用到地球化学（Ernst，1970），测井解释（例如，Rider，1996），和地震特性（Mitchum等，1977）。

一般来说，相可以被定义为“一种具有特定性质的岩石”（Middleton，1978）。

理想情况下，它应该是一个在特定条件下形成的独特的岩石，反映了一个特定的过程或环境。

相的主要优势在于其可以根据特定的属性或特征、观察到的或解释将任何规模的岩体灵活的细分为不同的类别或组。

这使得相成为一个在模式识别、描述、建模的有力工具，用来预测矿藏在底下的分布。

引入断层相是相概念自然延伸进断裂岩石的领域。

我们定义一个断层相为“任何具有从构造变形中衍生出的属性的特征或岩石”（Tveranger等，2005）。

类似沉积相，独特的断层相发生在特定的条件或组合；发生在过度序列或继承；和在大范围的体积中相互关联，像建筑元素。

储层模型中的断层

储层模型随着CPU功率和三维电脑图像的快速发展而逐步变得更加精密。

当今地球建模工具可以提供数百万的单元预测的实现结合沉积体系和性能以及附属于这些高细节中的不确定因素。

这些模型将流体流动输入到模拟软件中用以为勘探和生产行为目的来预测储层状况。

然而传统的储层模型工具包括一个高度简化的断层用来结合沿网偏移的分裂和计算传递乘数来收集流体跨越断层流动时断层产生的影响。

（Walsh等，1998；Manzocchi等，1999；Manzocchi等，2008）。

已知的和重要的储层状态的特征，例如断层壳面里流体的流动，可以是不包括明确的，并且不平行的层流只能包含在一个与历史匹配的特定的方式中。

这使得断层描述过程中用现今的模拟程序不能充分的完成对断层封闭和隔离的详细评估和预测。

此外，断层壳面不包括因围岩所改变了空隙性的可能导致的对其体积过高估计的实体。

最后，在现有的模型中缺乏对断层壳面的详细描述使得它们不适合在钻穿断层前作为详细规划和风险评估的工具。

包含由断层活动产生的发育明确体积网络的断层壳面为在储层模型中处理断层性质提供了一个替代方式。

最近的研究（Syversveen等，2006；Fredman等，2007，2008；Soleng等，2007）已经研究了这种方法的可行性，使用一定范围内的人工地质数据来建立断层区模型的技术框架。

通过将断层带的体积引入标准的储层模型和提供适当的断层壳面结构和应变分布的调整参数，断层相可以用现有的为沉寂相发开的模型工具进行处理。

技术框架和工作流程的可用性允许通过重点关注断层在实地是如何描述和组织的来明确的再现断层的特征。

下面，我们提出断层分类方案的用法，它允许为3-D建模的目的来系统的观察和定量分析断层带的要素。

断层描述

断层和结构元素

断层出现在所有的构造环境中。

因此，断层可以归因于一个断层制度（图1）。

一个断层系统包括孤立的断层和断层系统（例如，Walsh等，2003），每一个都有独特的几何形态（平面，凹形，倾斜-半倾斜），尺寸（长，宽，高），以及滑动方向（正常，相反，沿地层滑动）。

个别断层包含变形断裂壳面，它原来的岩石属性已经被改变了。

断层壳面可以在空间上重叠，显然在一个断层系统中扇形断层之间在接触区相互影响（Huggins等，1995；Walsh等，2003；Rotevatn等，2007）。

大多数断层壳面显示出一个断层平行带，其中像断层核心，破碎带，和拖动带是第一等级的区带特征（Chester等，1993；Caine等，1996；BurhannudinnurandMorely，1997；Childs等，1997；Heynekamp等，1999；Braathen等，2004；CollettiniandHoldsworth，2004；MyersandAydin，2004；BergandSkar，2005；VanderZeeandUrai，2005；Childs等，2009）。

一个典型断层壳面的主要结构单元是（Figure2）:

（1）断裂岩层或槽；

（2）透镜体；（3）走滑面；（4）剪切断裂（小规模走滑面）；（5）伸展断裂；（6）变形带；以及（7）收缩节理特征如劈理和缝合线。

我们将在下面返回去对这些元素进行描述和分类。

以上提到的构造元素是在实地观察断层时发现的，虽然仅仅是允许简单解释的孤立特征。

断层通常以断层壳面的形状对周围的围岩产生重要的影响，包括一个或多个主要的裂带和几个附属断层和离散结构（例如，Childs等，1997；MyersandAydin，2004；BergandØian，2007）。

我们通过露头研究断层的能力是有限的，事实上他们通常构成了岩石中的薄弱带，被地表的碎屑和植被所覆盖。

露头通常只是显示断层壳面的一个二维视角，而情况是可以被研究的断层时沿着蜿蜒的山谷或峡谷的连续峭壁，并且能够开放的进行三维分析的很少。

断层壳面只有很少的能以真正的三维去加以研究，这一小部分例外与采石场和隧道系统有关（例如，WallaceandMorris，1986；Huggins等，1995；Kristensen等，2008）。

断层相及其分类

对于在露头中分析的断层，上面提到的和文献中讨论的（Chester等，1993；Caine等，1996；BurhannudinnurandMorely，1997；Childs等，1997；Heynekamp等，1999；PrestholmandWalderhaug，2000；Braathen等，2004；CollettiniandHoldsworth，2004；MyersandAydin，2004；VanderZeeandUrai，2005；Kristensen等，2008；Childs等，2009）。

显然，断层中的许多内容是反复出现的，因此他们是全球范围内的沉积岩和结晶岩的代表。

在一个一般规模中，围岩原始性质在断层壳面中的修改可以被描述为个别小规模构造结构或这些结构的组合的综合属性。

为了更详细的描述断层，描述断层壳面内部的岩石属性需

图1断层相等级划分方案。

断层可以归结于断层系统，它是用独特的几何形态（平面，凹形，倾斜-半倾斜），尺寸（长度，宽度，高度）以及滑动方向（正常，相反，沿地层滑动）组成的孤立的断层或断层数组。

其应变包络线包括个别断层，它展示了一个已知的体积，形状和断层平行带，其要素如断层核部，脆性破碎带和韧性拖曳区或扩展破碎带都是一阶地带性特征或建筑元素。

这些每个主要元素是由结构组合如离散结构（破碎和变形带），薄膜和透镜体组成，它们可归结于相及相组合。

要需要查明和量化呈现在断层壳面中的个别结构单元和结构组合的面积，几何形态和岩石物理性质，以及它们的空间格局和分布。

系统的独立的找到单独位置来查找断层的几个变量可以充当类似向导的角色来组织数据组，这是对相分析的一个基本投入。

类似沉积相，断层相的定义可以在规模和细节上与客观的研究和可用的数据相适应。

例如，多孔砂岩变形带可以被定义为一个断层相。

然而，在毫米级别，变形带可能有：

（1）一种内在区带或核心，由强烈的剪切此生城的破碎作用和一些压实作用生成；

（2）一种壳面带有压实作用但很少有破碎作用，并且有时（3）可能会或不会被矿物充填的中央断裂（Aydin，1978；Gabrielsen等，1998；Fossen等，2007）。

这种变形带可能因此被描述为包括三种断层相，共同确定一个变形带断层相组合。

在露头规模，变形砂岩中的破碎带分布，可细分为若干形状，例如在一个给定的砂岩层中的呈开放网络状的变形带。

这种断层相组合可用来弥补破碎带的建筑元素。

基于我们对多孔砂岩露头中断层的观察，我们将断层数据组分为三种主要的单元：

（1）离散结构；

（2）薄膜；（3）透镜体。

以下的部分，这些组合的结构单元和它们的相分类将在考虑成岩作用的重要性之前讨论。

图2（A）图示常见结构遇到桂质碎屑伸展断层的断层模型。

（B）图表所示为应用于断层的常见描述。

（C）图表描述断层模型输入的所需参数。

离散结构

在断层中（图2），典型的离散结构，也被称为明显的连续中断（在发育的时候没有凝聚的时间；SchultzandFossen，2008），是走滑面，剪切裂缝，拉张裂缝，和收缩特性，例如劈理和缝合线。

裂缝和缝合线受溶解过程中去除的物质的控制（例如，Groshong，1975）。

这些元素被Hancock（1985）,Petit（1987）,andAydin（2000）等人很好的描述。

裂缝显示切力，如走滑面，通常有或多或少由破碎围岩组成的连续墙，经常被视为微米到毫米级别的碎屑岩薄层或组（AydinandJohnson，1983；AntonelliniandAydin，1995；ShiptonandCowie，2001；Shipton等，2005）。

因此，有变形墙的走滑面（s）被称为滑区（例如，Foxford等，1998）。

走滑面时常被看做是代表了断层核心和裂缝的主要位移（滑动）面，后者是由个别变形带或变形带群为主（Aydin，1978；JamisonandStearns，1982；AntonelliniandAydin，1995；ShiptonandCowie，2001；Fossen等，2007；Rotevatn等，2008）。

变形带是在高孔隙岩石如砂岩中的板状的局部变形结构（Fossen等，2007），因此它也被称为板状不连续性（SchultzandFossen，2008）。

虽然变形带可能呈现多种运动模式，有些坚实的剪切带是在自然状态下破碎的多孔砂岩中最常被观察的。

变形带通常比裂缝更大和具有凝聚力性更强的结构并且显示不同的岩石物理性质和位移比例关系（Fossen等，2007）。

多孔砂岩中的的伸展断层壳面通常显示出群组，共轭组，交叉网络，或个别断裂带（例如，Aydin，1978；HesthammerandFossen，2001；ShiptonandCowie，2001；BergandSkar，2005），它可以通过类型和形状分类（图3）。

类似模式通过无孔或结晶岩的裂缝来显示（例如，Chester等，1993；Caine等，1996）。

每个断裂带表示充填了一个确定的岩石册，可以用长度，宽度，厚度和形状来描述。

每一个这样的岩石册都有它变形的特点，并因岩石物理性质而在同一断层壳面中与围岩区别开。

裂缝和断裂带的形状都可以通过他们关注他们主要结构的取向来分析（图3）。

定位分析可以参照Riedel（1929）介绍的分类（又见Logan等，1979；Katz等，2004），有伸展（R，X），等厚（Y），和收缩性（P，R′）剪切结构，或R，R′，P，X，andY劈理，代表给定方向和运动的结构组。

正如ArboleyaandEngelder（1995）指出，方向结构的形成与局部应力场有关，这可能使其围绕断层旋转，并且因此在不同层次的结构中存在不同。

这有助于不同剪切（Riedel）结构方向延伸时发生碰撞。

薄膜

基本上，所有断层，独立额的落差和大小，含有沿着断层核心或多或少连续层或岩石薄膜。

我们观察到几种薄膜类型，从碎屑岩和角砾岩跨越到断层泥或涂片（图4）。

鉴于碎裂岩、角砾岩和断层泥都是与破碎有关的断层岩（Sibson，1977；Wise等，1984；Braathen等，2004），涂片是沿着断层核心伸展转动和斑点状的层（例如，LehnerandPilaar，1997；Yielding等，1997）。

薄膜，例如在多孔砂岩中沿着走滑面发现的毫米级的在围岩墙中的碎裂岩层（例如，Foxford等，1998；ShiptonandCowie；2001），或是就像下面和在文献中所描述的断层中的泥页岩层和砂泥岩层（例如，BurhannudinnurandMorely，1997；Childs等，1997；Heynekamp等，1999；PrestholmandWalderhaug，2000；Bense等，2003；Doughty，2003；MyersandAydin，2004；VanderZeeandUrai，2005；RawlingandGoodwin，2006）。

薄膜的形状是特别重要的，因为他们通常对穿越断层流体分析中的流体阻碍作用和连续性起到决定性的（例如，Færseth，2006）。

因此薄膜分析应该建立连贯性，在这里从连续的跨越到槽状薄膜（图4B）。

滑动面，破裂和变形带（S）

图3离散结构的相分类组合，包括类型如滑动面，破裂和变形带。

该分类是基于离散结构类型和作为辅助结构，文章中所讨论的定位的基础之上的。

该模型与独特的外观或者能与变形类型相联系的成套的结构有关。

图4断层薄膜（M）的相分类组合。

薄膜是沿着断层核部分布的岩石层。

该类型包括断层岩石，圆槽和涂片，下层与柔性旋度和沿断层沉积层的涂片和伸展量有关。

薄膜类型描述了讨论层的连续性。

透镜体

透镜体是菱形的，各面都被走滑面和/集中剪切带的构造岩石体包围，后者通常显示为薄膜。

透镜体是包括从未变形到强烈变形的岩石，或断层岩，就像Lindanger等描述的那样（2007）（亦可见Childs等，1996；Kristensen等，2008；Childs等，2009；Bastesen等，2009）。

他们的位置可以可以在核心和破碎带。

然而，在这里我们关注作为断层体的透镜体，它们与它们的源层并不平行，因此，他们将它们的出现限制在断层核心。

透镜体可以根据岩性被分类，例如，砂岩，页岩，砂页岩组合或断层岩（图5）。

大多数透镜体显示内部的变形，并因此可以被描述为从未变形到内部结构组的相系列。

他们的形状是根据他们的边界来分类，它们通过限定他们边界的结构倾向来识别。

这个术语适应的边界结构是上面提到的Riedel系统中讨论的不连续结构。

通过组合结构，透镜体的可能形状跨越三面（Ls3）到六面（Ls6）和更多（Bastesen等，2009）。

图5砂页岩中断层透镜体（L）的相分类组合。

该类型的相与岩石学和间隔变形程度有关。

该模型被定义为束缚边界（滑动面或薄膜）和在Riedel系统中的定位。

见本文的进一步阐述。

断层中的成岩作用

在许多的储层中，断层带的低温范围内的成岩作用可能控制断层带的性质（例如，Heynekamp等，1999；Bjørlykke等，2005），包括的过程有压实，溶解，重结晶和胶结。

在一个了解详细的程度下，例如一个给定的断层带，这些过程产生的可预测的效果是有限的，特别是当存在外来胶结物的出现和分布时。

然而，胶结物貌似更常见于更具渗透性单元或结构元素中，例如粗砂岩和裂缝。

后者是由Laubach（2003）所讨论的，他提供了一种通过胶结物来预测裂缝的方法（亦可见LaubachandWard，2006）。

此外，Heynekamp等（1999）报告方解石胶结区在断层核心之中或包围着它，并且在源岩颗粒大小，变形过程，胶结作用和渗透率之间建立了推测性的联系。

对于自生胶结物，对预测石英的溶解和沉淀的最新的发现（Walderhaug，1996；Walderhaug等，2001）是它们可以适用于断层分析。

后者的例子包括破碎带的石英胶结，例如Hesthammer等所讨论的那样（2002）。

因为本文的重点在于结构元素，由成岩作用引起的第二作用只做表面的处理，所反映出的事实是只有单独出现的胶结物作为薄膜分类中的一部分来描述（图4B）。

较少的胶结物或作为松散体系或其他成岩作用的胶结物是不被考虑的。

一个延伸了的断层相概念应该进一步考虑成岩作用。

外延的分析

砂岩中的断层

断层相分析的吸引力在于系统描述断层，它允许对比单一断层的观察结果和断层数据组的分析。

为了说明断层相分析的价值，我们呈现一组包括26个断层的数据组。

为了限制范围，我们这里重点关注断层核心。

这里所描述的全部断层都位于西奈半岛（埃及），在苏伊士裂谷的隆起的山肩处（Figure6;Table1）。

几个主要的断层将西奈裂谷山肩破碎成几个主要的断块，例如Hammam-Faraun,Thal和Baba断层（名字来源于Sharp等，2000）。

这一地区的地质详情，请看Moustafa（1993），Sharp等（2000），DuBernard等（2002），andMoustafa（2004）的工作。

这一范围内的沉积剖面落在pan-african基底上并且一般分裂成下覆裂谷和上铺同生裂谷沉积（例如，Moustafa，2004）。

最低的裂谷单元，从寒武纪到白垩纪的努比亚砂岩，包括主要的陆相沉积。

在研究区，沉积物主要包括适度成岩和多孔的，中等粒度的河流相和一些风成沉积物。

这些单元被埋藏在最大深度为1500-2000米（4921–6562ft）的苏伊士裂谷的外延裂谷的波端（例如，Sharp等，2000；DuBernard等，2002；Moustafa，2004）。

下列裂谷，它从白垩纪到始新统承续下来，一般是由灰岩和泥岩沉积而显著，但是它也寄宿在Matulla地层，包括中等粒度的多孔浅海相砂岩。

这个单元估计埋藏在距离裂谷开始处800米深的地方（2625ft）。

上铺的年龄在中新统到渐新世的同生裂谷剖面是被发现在孤立的海岸露头和苏伊士海湾的底面中。

典型的沉积包括断层边界盆地的砂岩单元，显示向上转折进入蒸发层。

在同生裂谷层序中，断层已经被记录在Nukhul地层中，在它中主要是浅海相，细到中粒砂岩。

这个单元是并没有适当的压实固结，并且假定它在距离裂谷波端的表面有几百米的位置处。

为了举例说明硅质岩中的外延断层的普通特征，由2个案例研究来描述，巴巴村断层和Tayibamine断层（图6,标号分别为1and2）。

案例研究为下面的26个断层核心的大量分析建立了标准。

这两个案例研究都是基于努比亚砂岩的露头。

图6WesternSinai的地质图描述了主要岩石学单元和主要断层。

星号表示研究断层坐落的位置。

详细位置（坐标）见表1。

Baba村断层标注1，Tayiba煤矿断层标注2。

地层直方图阐述了岩石序列，单位和它们的年代（修改于Moustafa，2004）。

4个单元的下部阴影是研究断层的构造。

BMFZ=BabaMarkha断层带。

表1多个遗址记录的断层数据摘要

巴巴村断层

在研究峭壁部分露头时，巴巴村断层有约12米的落差（39ft）（图7）。

断层与断层下盘部分一米厚的砂岩层平行，砂岩层被薄泥岩层分开成主要为挂壁部分的薄层砂岩。

两个单位都是属于Ataqua组的CambrianAbuThora地层。

靠近核心，在下盘部分多层显示有轻微的拖动。

在上盘中，剖面上发现一个更高级的逆牵引构造代替了在更远处的一个拖曳叠加。

在更多细节中，集中剪切带，断层核心组成的复合区域，因为它的普遍变形而著名，并且事实上，穿越核心区的层并不平行。

周围的断裂区显示砂岩层中的变形带和一些走滑变形带（Rotevatn等，2008）和泥岩中的裂缝，每个都可能显示厘米到分米的偏移。

变形强度显示在下盘断裂区内部和挂壁的逆牵引枢纽处最为强烈。

在内部，核心包括一个面向上盘的主要走滑面，另外次一级走滑面面向下盘，和来自页岩（泥页岩）的脆性变形的半层泥和来自砂岩（砂泥岩）的破裂泥。

这两个元素限制透镜体包含砂岩和砂泥岩，它们可以沿着断层移动，因此与它们起源的层并不平行。

TayibaMines断层

这个断层在研究区有100m（328ft）的断距，与Jurassic–LowerCretaceousMalha地层的下限和上限平行。

这个断层用一些砾岩和泥岩层切穿厚层的河流相和被河流改造的风成砂岩，上覆一个暴露在下盘的厚粘土岩单元。

图8显示一个在采石场的断层核心的垂直剖面，它允许在一个60m（197ft）（长）×50m（164ft）（宽）×6m（20ft）（高）的岩石空间中对断层核心和下盘进行三维分析。

类似巴巴村断层，这个断层时由几个结构元素复合而成，包括

（1）断层岩层，称断层平行薄膜，

（2）多种成分的透镜体，（3）走滑面和裂缝，和（4）变形带，其中有些是破碎的。

核心的主要走滑面位于面向上盘的地方，而相关的走滑面出现在一个开放的网络中，它们可以穿过研究区域沿断层被追踪。

边界薄膜包括砂、页槽，页岩和砂粒的混合体，和粘土岩衍生的角砾岩。

薄膜在真实的空间范围内最厚达10cm（4in.）厚但侧向不连续。

断层岩薄膜和走滑面限制了砂岩和页岩的透镜体。

砂岩透镜体普遍小于10cm（4in.）厚和几米长和显示内部变形带网络。

页岩透镜体显示类似的内部网络但是展示剪切裂缝来代替变形带。

破碎区在砂岩中展示为变形带，在泥岩中展示为裂缝。

破碎区可以在下盘映射15-25m（49-82ft），而上盘破碎区的宽度因为相邻的断层的干扰时不确定的。

图7（A）Baba村断层的图片，位于Baba主断层的下盘（Sharp等，2000）；方位见图6。

断层与CambrianAtaqua河流群（Nubia砂岩单元最下面）并列，有大约12m（40ft）的偏移。

曲线轮廓是主要结构。

（B）断层一部分的特写照片（A中的红方块），描述了狭窄的区域集中的剪切细节，断层的核部。

（C）在A中的二维断层的描述，插图中有明显的标记。

标注了断层核部细长的透镜体。

（D）B的特写照