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运用地质力学三维模型评价断层重新活动期间含油气圈闭的整体性：

以澳大利亚帝汶海为例。

Evaluatinghydrocarbontrapintegrityduringfaultreactivationusinggeomechanicalthree-dimensionalmodeling:

AnexamplefromtheTimorSea,Australia

作者：

LaurentLanghi,YanhuaZhang,AnthonyGartrell,JimUnderschultz,andDavidDewhurst

起止页码：

567-591

出版日期（期刊号）：

2010.04（V94,No4）

出版单位：

AAPGBulletin

摘要

三维（3-D）的耦合变形和流体流动数值模拟是用来模拟一个圈闭边界断层伸展恢复到相对复杂的设置响应，并探讨在海上油气盆地构造圈闭保存的风险（LaminariaHigh，帝汶海，澳大利亚西北大陆架）。

模型结果显示剪应变分布和扩张以及流体通量沿断层异构推断横向断层封闭有效性的变化。

该高剪切应变分布被视为主要的控制结构透渗透，主要被结构构架所影响。

断层大小和分布在模拟时，以及由生长过程驱动波纹代表断层的应变和向上流动的分区断层的关键因素，在确定这些因素对Laminaria中后期恢复阶段的高油保存至关重要。

测试的防渗漏的指标定义模型三维地震数据关联与数值预测断层遮挡的成效，并解释复杂的分布古并保存在研究区的油柱。

简介

断层被广泛用作流体管道引用（Anderson，1994;。

O!

Brienetal，1999，Revil和Cathles，2002，Ligtenberg，2005），和密封的断层恢复是一个关键的风险勘探在许多石油碳氢化合物（Smith，1966，Sibson，1985，Abrams，1996;Kaluza和Doyle，1996，Sibson，1996）。

圈闭机制是值得商榷（例如，Revil和Cathles，2002;Wilkins和Naruk，2007），但与构造活动和泄漏的关系是不是（如Muir-Wood和King，1993，Haneyetal，2005）。

在帝汶海（澳大利亚西北大陆架），第三纪伸展到扭构造活化影响到大多数的圈闭边界断层（O'Brienetal，1996，1999，Rollet，2006。

），并普遍认为是对违反圈闭（即未充满圈闭与列证据）高发的原因（Shusteretal，1998。

O!

Brienetal1999，Gartrell和Lisk,，2005）。

剩余油泄漏流体包裹体数据和相关的功能约束的列，在地震频繁的识别常用数据（见下文）相关联，观察断层恢复提供了这种说法（例如，Whibley和Jacobson，1990的大力支持;O'Brien和woods，1995，O!

Brienetal，1996，1998;。

Cowley和O'Brien，2000;。

DeRuigetal，2000，Gartrelletal，2005，Rolletetal，2006）。

此外，Gartrelletal（2006）表明，在帝汶海与后纵应变分布和保存或油柱的损失很强的相关性。

油柱的往往是保存在一个圈闭脊面是有界的相对位移的低位裂谷断层（60米[196英尺]）。

与此相反，波峰圈闭界的断层相对较大（六十米[196英尺]）后纵位移往往是完全违背。

泄漏点导致了油柱的部分损失。

更好的连接其外水库履行地点和崇高职务上的裂痕与位移的碳氢化合物的泄漏量较高的风险较大的断层活动导致长寿。

这些经验观察提供多达断层即烃类损失列在帝汶海的主要机制泄漏更多的支持。

Zhangetal（2009），用耦合变形和流体流动数值模型来模拟简单断层和简单的储盖伸展断层恢复几何回应。

这些模型的相互作用的特点，应力和应变之间良好的状态和流体流动的简化断层几何基于管道在东帝汶海.为了进一步测试此方法，观察到一个复杂的耦合变形和流体流动的数值模型，构建了在波拿巴盆地，钛铁道部海，澳大利亚西北大陆架LaminariaHigh.建模结果进行了比较与应变分布，油气保存，以及高达断层的LaminariaHigh流体流动地震的证据。

图1：

地质波拿巴盆地北部设置显示主正断层的趋势。

灰色的规模是指结构构件的（暗灰色）构造高海拔槽（白色）

地质背景

在澳大利亚西北大陆架（NWS）的，波拿巴盆地（图1）北端的特点是一个复杂的生界延长多历史阶段进行，泥盆纪，石炭纪和二叠纪石炭世（韦弗斯，1984，1988,Audley-Charlesetal，1988）和晚侏罗纪的深海平原达到最顶点（AGSO，1994，Baillieetal，1994）。

这种晚裂谷是主要为西南-东北部的结构。

图2：

顶油藏时间高的Laminaria结构图。

当今Laminaria和珊瑚字段在深灰色的虚线代表电路图古油田。

通用横轴墨卡托投影坐标系统被使用。

第三到现今的边缘演化的影响主要是由碰撞的澳大利亚之间的板块和亚洲板块东南复杂（图1）（O'Brienetal，1993）。

BradleyandKidd（1991）建议该岩石圈的柔性由于推力负荷产生的帝汶岛的后裂谷，伸展恢复少量的碰撞地区.碰撞的发生通常是追溯至晚中新世鸭，（Charltonetal，1991,Woods，1994,Shusteretal，1998,Charlton，2000；Keepetal，2002）与一（Charltonetal，1991）。

第二阶段发生在上新世期间，这些碰撞事件发生的时间与在东帝汶恢复海.断层活动伸展活动恰逢下降了更新世，但正在与变形一些断层参展海底偏移（Meyeretal，2002）。

Laminaria代表的高面积小，东西为导向的平台淹没残（Smithetal，1996。

）与三个结构层次：

（1）南北和北北东-南-西南向的二叠纪块断基底，

（2）侏罗纪，白垩纪垒和地堑系统，以及（3）西西南东北东走向的新生代断层活化系列（DeRuigetal。

，2000）

在侏罗纪至早白垩纪由一个东西方系列走向的主要断层系统划定Laminaria（图2）（DeRuigetal，2000;Langhi和Borel，2008）。

断层恢复后纵导致了东-东北-西部-西南走向的Laminaria之内，在高区的序列通常包括上述新生代裂谷相断层（图3），位于正断层套的形成。

直接连接，或硬盘断层之间的联系的痕迹，在侏罗纪（纵）和第三纪（重新激活，后纵）的水平，有时很难确定，因为对自然

（1）干预白垩纪岩性（页岩，泥岩，泥灰岩和）

（2）地震信号衰减，以及（3）子地震断层（Gartreletal，2006）。

然而，具有较高的位移后裂谷断层往往显示清晰的上下级之间的连接。

图3：

地震对LaminariaHijh的横截面。

地点是在图2。

（一）穿越的Laminaria场和北干Laminaria结构和当前及剩余油柱（深灰色和浅灰色，分别）位置部分。

右侧的黑色箭头指示的地方油气旗已经泄漏断层沿地层记录的水平。

（二）与反射异常分隔断层F4键（箭头）和亚体用于海底地震属性提取详情。

作者在封面序断层的性质表明，在由于地壳伸展到预先存在的东斜西向断裂元素后果激活一组成部分。

这个模型是由GartrellandLisk（2005）谁提出后期使用断层滑动反演技术和从帝汶海南部断层数据中新世一个北东北东南偏南伸展古应力估计一致。

作者：

波拿巴盆地西北部的部分，在大面积的Laminaria（图4）附近，地层学，显然是受到中生代裂谷和记录大陆架深化被动陆缘碎屑形成的阶段。

在三角洲和shelfal海洋船组（Labutisetal，1998）跨越中，下侏罗统。

三角洲海洋环境仍然表征Callovian随着Laminaria砂岩（图4）沉积。

随后编队清楚地反映了沉积环境的深化，（Tithonian–Berriasian）和EchucaShoals（Valanginian–Barremian）泥质地层（Whittametal，1996）的存在。

本节，与相对海平面快速上升有关，代表了区域性盖层基地。

Aptian–Maastrichian序列（Darwin,Jamieson,Woolaston,Gibson,Fenelon和Turnstonformations）是西北变薄楔组成，类似于在其他地方找到波拿巴盆地（图4）。

厚厚的覆新生代序列代表一个碳酸盐（图4）被广泛覆盖期间的成熟阶段被动陆缘沉积（Whittamet，1996）。

它包括Johnson,Hibernia,Prion,Cartier,Oliver和Barracoutaformations（图4）。

图4：

（原理图的面积从LaminariaHijhDeRuigetal修改，地层柱（2000）。

该模型地层列显示在数值模拟中使用的细分。

）

LaminariaHigh的石油系统与历史

Laminaria上的原生油气藏的目标是高的Callovian中Laminaria形成（图4）在垒块或下盘一侧倾斜断块沉积在早白垩世裂谷（图3）侏罗纪（Whittametal，1996）。

目前，最高库水位位于海底以下约3000米（9804英尺）。

烃源岩的时间间隔被发现的侏罗纪地层和Laminaria船组（图4）（Preston和Edwards，2001，Georgeetal，2004）。

油气充几个阶段是建议在该地区（图4）（利斯克etal，1998，Kennardetal，1999。

）与

（1）初始晚侏罗世至早白垩世早期，

（2）全速阶段油费近到晚始新世（约50Ma）的中叶，早在恢复阶段，（3）在从中新世以后可能再次塌陷驱逐后期天然气和石油（Kennardetal，1999）。

厚的下白垩统泥岩部分代表的区域性盖层（图4）。

在LaminariaHijh的情况下，无论是Laminaria和珊瑚的结构有一个密封条厚比最大断层既丢了现在的每天限额内密封断层并列位于古油柱，因此减少的可能性（后恢复）跨断层渗漏由于砂岩，已经在本文中（DeRuigetal，2000讨论了区域的顶部密封报区（即地层流体可以迁移到其中）并列。

W.Bailey，2009）。

汞注入毛细管压力对感兴趣的领域内的盖层样品的测试表明，烃列数百米的高度接近可以通过盖层（DeRuigetal，2000），尽量减少渗漏的风险。

剪切破坏中新世晚期当今断层恢复相关联认为是圈闭，在高区违反Laminaria负责（Castilloetal，1998，Gartrelletal，2006，DeRuigetal，2000）因密封失效或液压劈裂抗拉强度高，由于压力差发生的裁决有利于剪切压裂升以上孔隙水压力水力压裂和现有的断层恢复。

图5：

烃类一重新构造圈闭。

OWC的=油水接触;POWC=古油水接触。

（一）珊瑚结构是一个有77米（252英尺），油柱和部分违反封闭例如一个37-82米（121-269英尺）的残余油柱。

（二）Laminaria结构是一个由低应变断裂（F5）约束的圈闭上倾一方违反部分封闭的例子。

Laminaria北的结构是一个具有由一个相对高应变断裂（F6键），在高应变与地下连接断层F4约束的圈闭上倾一方完全违反封闭的例子。

（三）倾斜，并恢复了结构性封闭，如果将保留油气圈闭上倾的一边是由低断层恢复应变约束。

泄漏点可能制定关于封闭向下倾恢复对高应变过错方，并将相关，当今OWC的（Gartrelletal，2006）。

对含油流体包裹体分布表明，油柱是在过去更广泛的（Georgeetal。

，2004）。

这表明，所有的构造圈闭上钻高Laminaria，Laminaria和包括珊瑚领域（图2），已在一定程度上泄露（图5a中的B）（DeRuigetal，2000;。

加特雷尔etal。

2006）。

上面提到新近系（后裂谷）的圈闭包围断层恢复通常被认为是对泄漏（例如，Whibley和Jacobson，1990，Lisketal，1998，Shuster1998;。

O’Brienetal，1999，DeRuigetal，2000;Gartrelletal，2005）。

在这样的重新设置，保存积累的大小取决于对应变幅度（Gartrelletal。

2006）和恢复断层的位置相对封闭的几何结构（琼斯etal，1999）。

正如在图5c，结构有界闭说明恢复断层可能仍保留烃如果溢出点是在封闭下一侧（加特雷尔etal。

，2006）。

一个100米，一个额外的残余油柱（328英尺）的油柱在Laminaria1发现井（DeRuigetal，2000）报告（14至26米[46到85英尺]）（乔治etal，2004）。

一个77米（252英尺）油栏是报告在珊瑚1发现井（DeRuigetal。

2000）增加37至82米（121和269英尺）的残余油柱高度（乔治etal，2004;。

Gartrelletal，2005）。

的形状和上侏罗统圈闭救济似乎并没有显着改变，对泄露给在一定程度上有恢复（图5a中的B）（DeRuigetal，2000;。

Gartrelletal，2006。

）。

如上所述，新近系（后裂谷）的圈闭包围断层恢复通常被认为是对泄漏（例如，Jacobson，1990,Lisketal，1998,Shusteretal，1998,O’Brien1999，DeRuigetal，2000;Gartrelletal，2005）。

。

在这样的重新设置，保存积累的大小取决于对应变幅度（Gartrelletal。

2006）和恢复断层的位置相对封闭的几何结构（Jonesetal，1999）。

在图5c所示，结构有界闭说明恢复断层可能仍保留烃如果溢出点是在封闭一侧（Gartrelletal，2006）。

一个100米，一个额外的残余油柱（328英尺）的油柱在Laminaria1发现井（DeRuigetal。

，2000）报告（14至26米（46到85英尺））（Georgeetal，2004,Gartrelletal，2005）。

一个77米（252英尺）油栏是报告在珊瑚1发现井（DeRuigetal。

2000）增加37至82米（121和269英尺）的残余油柱高度（Georgeetal，2004。

Gartrelletal，2005）。

的形状和上侏罗统圈闭救济似乎并没有显着改变的断层恢复。

水冲洗已提议为改变当地的机制来解释研究区（Newell，1999）的圈闭重大底部填充在这个过程中实现的体积减少所需的水平。

，需要的圈闭已初步填补溢出气凝，岩相学和地球化学证据表明，在Laminaria和珊瑚领域的流体包裹体捕获，但没有包含天然气凝析油（Georgeetal，2004）。

耦合数值模拟方法

快速拉格朗日分析连续统法（FLAC3D数值）（Cundall和Board，1988;艾塔斯卡，2005）被用于地质力学变形的耦合与这项研究中流体流动模拟。

这种三维（3-D）的有限差分程序使变形和流体之间的相互作用，模拟岩石此处流动。

该地质问题的代码和执政的代码变形和流体流动行为本构关系描述中的应用，可以发现在的工程项目（1991），Ord和Oliver（1997），Strayeretal。

（2001），和McLellanetal（2004）。

因此，主要方面是这里提供的简短描述。

图6：

几何的三维模型LaminariaHijh。

上部页岩和碳酸盐层，说明断层不在几何（见图4，表1地层单位的资料）。

该模型箱为502410km（3115.56.2mi）的大小，包括九个断层。

这个扩展的方向是赋予的白色箭头。

F=断层。

在FLAC3D数值模型中，岩石材料为代表的一个三维连续体六面体元素组成的网格。

每个元素的行为将按照法律规定的机械和液压。

网孔变形响应和边界条件的材料模拟移动。

该模型的机械变形，应依莫尔库仑各向同性弹塑性本构关系，其中涉及包括剪切模量（G）的体积模量（金），凝聚力（三），拉伸强度（T）的摩擦角构参数（j）条和扩张角（）。

在机械应力，变形的模型材料在弹性的方式，直到最初最大剪应力达到屈服应力（临界值），然后塑性变形屈服后一个大的压力。

该莫尔库仑屈服准则来描述

其中，Ts是剪应力和Sn是在物质上的任意平面应力。

塑性应变是由一个不相关的塑料恒定的凝聚力，摩擦，扩张角（Vermeer和deBurst，1984）流动规律。

此外，拉伸破坏发生在有效的最小主应力是在克服紧张和岩石拉伸强度。

一个莫尔库仑材料塑性剪切过程中可能发生变形（Ord和Oliver，1997）的体积变化（膨胀量为正应变或数量增加表示）。

该材料的塑性变形莫尔库仑扩容潜力是一个积极的特点扩张角。

本模型中的流体流动是单相（水），仅是Darcy’的规定为各向同性多孔介质（Bear和Verruijt，1987）。

其中Vij是具体的排放载体或达西渗流速度（ms1），kij是渗透张量供应量（M2），M为流体粘度，P为孔隙流体压力，RW是流体的密度，g是由重力引起的加速度，xj是点的位置，z是在垂直方向（高程）的位置。

因此，计算流体流动速度基本上是在孔隙流体压力和渗透率的变化梯度功能。

流体流动的机械变形，加上在一个模拟。

三个主要的相互作用是：

（1）流体孔隙压力的变化，在模拟岩石的有效应力变化的结果，从而影响材料屈服，

（2）机械或容积量的变化引起液体孔隙水压力株的变化，以及（3）发展任何地形标高或变形导致抑郁症可导致流体流动模式的变化。

体积应变之间（EV）和流体孔隙压力的变化（DP）的关系（第2点以上）

其中千瓦的流体体积模量。

这个公式意味着，量的增加或扩张将导致孔隙压力的降低，反之亦然。

模型的体系结构：

断层与地层学

该地区的LaminariaHijh建筑的复杂性建筑代表了一类耦合变形和流体流动模型的三维网状重大挑战。

该模型（图6）代表5025.10公里（3115.56.2英里）框。

大量的断层被解释过，从研究区的三维地震数据。

对于实用性和重大断层为重点的缘故，一些简化被视为必要的。

在Laminaria，珊瑚区的主要断层有9个选择（图2,6）。

这些断层被定位为连续断层表面与子公司的错误，被忽略。

断层顶级的模型（即，对模型表面断层上的提示）深度级别是可变的，作为衡量其外浅的断层从地震，基地级断层的部分采取了5到恒定公里（3.1英里）的简单的深度级别，这是与区域数据近似一致（Longleyetal，2002。

）。

模型中的这些断层的倾角是来自区域地震资料解释，他们是在60至65范围掳为主，虽然局部倾角可低至45至50掳。

顶部水库和顶部密封层位解释其外三维地震数据，他们被过滤，被集成到模型中删除。

该模型的地层框架已经简化，主要反映在该地区的地层结构。

这包括四个岩石单元，从上到下（图4，6）：

（1）碳酸盐层（约2公里厚），

（2）页岩层（1公里厚），（3）砂岩单位（储集层，厚2公里），（4）一个相对较软的基底岩石单元（5公里）旨在避免断层的情况达到示范基地，从而减少对边界断层运动模型的底部边缘效应。

这些单位的厚度是可变的，其外定义上的顶级藏地层解释和顶部密封视野的地震数据。

表1：

在三维Laminaria最初材料性能高的数值模型

模型材料特性

表1列出了岩石力学和流体流动的性能模型中使用。

这些值均选自文学或从该地区（CSIRO的集成预测评价圈闭和密封件协会，2009，未发表资料）岩石属性数据。

在模型中，断层为低强度参数和渗透率最初岩石相同的主机（表1）缩小区域模拟。

这代表了对断层仿真，已在以前的研究通过连续几个方法（例如，McLellanetal，2004，Zhangetal，2009）。

一种用离散的方法相比，连续的方法潜在的问题（即断层断层面为离散模拟的）在其难以实现大断层错动。

然而，这swith一个相对小区域变形的研究只处理，并作为下面将描述，断层引发了目前的模型预测是由地震引发的解释与实测一致。

一个断层渗透率变异计划已被纳入其中渗透率与剪应变（即剪切引起的扩张）在伸展重新积累。

切变应变或剪切破坏最大断层是在各自的渗透性围岩如下：

。

在页岩和砂岩，无软基础单元（即改变此前变形，断裂的渗透率是相同的寄主岩石的。

这是一个简单的通透性增强计划用于捕捉结构渗透剪切与断层初始积累和网络的断层破碎改善连接增加（Gartrelletal，2006）,zhangetal。

（2009）认为这是近似为合理的，因为这样一个相对小批量的推广模式。

它与一般的预期，低渗透岩石渗透率增加时将会遇到涉及剪切变形（例如，剪切断裂页岩）一致，也与实验结果相一致,zhang和Cox（2000），显示在与剪切变形的合成泥通透性增强。

我们要提及的是，小角度积极扩张的地层单位（见表1）在整个模拟一直保持不变。

这将导致扩张逐步发展随着剪切变形的模型。

我们认为这是由于小的模型（1.5％堆积延伸，见下文）区域变形合理的假设。

然而，扩张的角度可能要减少到零，甚至出现负值（剪切造成的板结），此前大型剪切变形的实现。

Edmond和Paterson（1972）实验结果表明，岩石变形，仍然可以进行扩容20％在50%至为200MPa（7252至29007psi）的围压下轴向应变。

图7：

对数值模式的初始压力条件。

（一）孔隙压力梯度的数值模型和静孔隙压力梯度用于绘制，以供参考。

该模型是一个梯度，在下面的碳酸盐岩单位稍超压系统。

（b）在数值模型中地层单位。

（三）水头在数值模型中使用。

边界条件

当地在原址压力数据其外LaminariaHijh面积基础上，对地层水孔隙模型中（图7）通过压力的初始条件包括一静之间的海底流体压力梯度（0.433磅/英尺[9.81千帕/米]）和碳酸盐层在模型（图4）的顶部基地。

现场数据表明，约70米（239英尺）水头是一种特征的Laminaria组顶部或为研究区页岩基地。

这定义所产生的垂直压力梯度为0.466磅/英尺[10.57千帕/米]内的页岩。

一个轻微的超压梯度（0.439磅/英尺[9.95千帕/米]）是明的砂岩层。

规定的初始孔隙压力模型的条件界定为整个水头页岩垂直梯度，在垂直向上流动的结果。

在新生代裂谷后重新在帝汶海事件主要是占主导地位的延伸方向大致正常，或在一个较高的角度向广大罢工裂谷断层方向（Gartrell和利斯克，2005;Gartrelletal，2006。

）etal。

区域伸展变形条件大约在模型模拟应用不断伸展位移速率（或速度），北与正常（图6）南边缘。

散装拉应变，最大的目的是实现对模型进行约1.5％。

该型号的延伸方向和体积应变与结构分析（Gartrell和利斯克，2005）的区域数据相一致。

其他额外的模型力学边界条件包括一个模型上自由面条件下，在垂直方向固定的模式（但自由流动在水平方向）的基础上，在东西方向和固定模式东部和西部边缘（自由运动的南北伸展方向）。

这些边界条件与zhang在2009的研究相似。

数值模拟结果

断层分布

在1.5％的扩展阶段，所有的断层模型，包括在激活过程中，积累了扔变形（位移的断层垂直部分）（即恢复，图8）。

对于侏罗系油藏边界与60至65°（全为蓝本面积一致）突降断层架，伸展变形（隆起）量可估计累计投入成正比。

正如预期的那样从zhangetal的结果。

（2009）和以往的实证观测和数值模型（Cowie，1998，Walshetal，2001，Meyeretal，2002;。

Gartrelletal，2006。

）初始断层之间的长度和数量累计投入很强的相关性在伸展恢复存在。

较大