塔里木盆地顺北地区中下奥陶统走滑断裂差异成岩作用

2020-11-10陈菁萍肖重阳

东北石油大学学报 2020年5期

陈菁萍，赵腾，肖重阳，韩俊，赵锐，邓尚

( 1. 中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011； 2. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083； 3. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083 )

0 引言

塔里木盆地顺北油气田为奥陶系超深层断控碳酸盐岩油气田，油气资源主要蕴藏于台盆区中下奥陶统海相碳酸盐岩7.3～8.5 km地层[1]。顺北油气田前期部署的钻井沿主干走滑断裂带排布，钻井轨迹多设计为大斜度井，钻穿主干断裂或以缝洞为目标。在钻穿断裂位置若发生大规模漏失，随即裸眼完井，通常获得较高的油气产量。因此，高渗透性的断裂—裂缝体系是顺北油气田主要的油气存储空间和流动通道，优质缝洞型储集体是顺北油气田后期增产最重要的支撑[2]。走滑断裂带成岩作用研究对于油藏描述、井位部署、井轨迹设计和酸压储改等具有指导意义。

成岩作用多用于辅助探讨储层物性，在流体活跃的断裂带中成岩作用的贡献更为突出[3]。目前，顺北地区研究主要集中于走滑断裂几何学、运动学、动力学特征及断裂带对储层的控制作用[4-8]，水岩作用对断裂带内部碳酸盐岩储层影响机制不明。成岩作用是储集体发育和形成的必经过程,是决定储集体性能优劣的主要因素之一[9]。

碳酸盐岩地层中断裂带通常发育由断层核、破碎带、裂缝带等组成的复杂三维空间结构[10-11]。成岩作用对于断层核、破碎带等分异结构的影响机制明显不同。断层核通常是一个狭窄、高度变形的区域，形成于断层滑动面周围，是粉碎、溶解、沉淀、矿物反应等过程发生的主要场所之一。受成岩作用影响，碳酸盐岩地层中断层核部多致密，内部裂缝充填程度高[12]。破碎带位于断层核周围，包含大量的裂缝、滑动面及可识别的围岩碎片。破碎带中裂缝发育，是流体运移的主要通道。WENNBERG O P等观察岩心和露头，表明碳酸盐岩张开裂缝中的流体倾向于在通道内流动而非通过微裂缝渗流，大多数流体流动沿少量主体通道发生，通道位于裂缝面内，大多数裂缝面对流体流动是无效的，水力学性质受控于溶蚀作用和胶结作用[13]。张丽娟等以塔中Ⅰ号断裂带为研究目标，表明断层破碎带受压溶作用影响而发育多期低角度缝合线与高角度构造缝合线，部分具有渗透性；不同类型胶结作用沿裂缝带发育，大气淡水胶结较多，胶结程度相对较弱；准同生期大气淡水溶蚀与局部风化壳岩溶主要沿断层破碎带发育，埋藏溶蚀作用较强，发育大型缝洞体与溶蚀孔洞；塔中Ⅰ号断裂带上的裂缝充填程度比围岩部分的低，围岩以早期较强区域应力场形成的裂缝为主，长期稳定埋藏期间裂缝充填程度高[14]。尤东华研究超深层断裂带与流体相互作用，沿走滑断裂带发育的白云岩储层类型为裂缝—孔隙型，主要储集空间为破碎带和裂缝带中发育的裂缝—扩溶缝、晶间孔—晶间溶孔，孔隙发育与裂缝具有明显相关关系，一方面热液流体沿破碎带进入，改造白云岩而形成储集空间，另一方面以萤石与方解石为代表的热液矿物充填裂缝与孔隙，伴随构造运动发生的热液流体活动在一定程度上影响白云岩储集空间的形成。硅化碳酸盐岩主要由石英和方解石组成，储集空间主要为晶洞、晶间孔及部分裂缝。热液硅化作用受走滑断裂控制，流体沿断裂带及分支断层自下而上进入碳酸盐岩地层，水岩相互作用发生在断层的破碎带和裂缝带部位[15]。

在构造解析和储层描述基础上，笔者分析塔里木盆地顺北油气田走滑断裂带的内部结构及其相关的成岩作用差异，借助岩心观察、扫描电镜、电子探针等资料，研究走滑断裂带内部的古流体成分及多类型成岩作用，探讨成岩作用对断裂带内部不同结构储集空间的改造与影响机制。

1 区域地质概况

顺北油气田位于塔里木盆地顺托果勒低隆起北部。顺托果勒低隆起位于塔里木盆地中部，北邻沙雅隆起，南接卡塔克隆起，西邻阿瓦提凹陷，东接满加尔凹陷(见图1)。震旦纪末期的柯坪运动扩大塔中和塔西南的剥蚀区，形成震旦系与上覆寒武系之间的构造不整合面，在卡塔克隆起和顺托果勒隆起中东部，寒武系与震旦系呈角度不整合接触，在塔中中西部为平行不整合接触。早寒武世，受塔里木板块周缘快速拉张裂陷作用影响，海平面快速上升，广泛沉积玉尔吐斯组，形成塔里木盆地台盆区第一套主力烃源岩。顺托果勒隆起处于斜坡—陆棚相区，发育斜坡相烃源岩。奥陶纪以来，顺托果勒隆起及邻区经历碳酸盐岩台地发育、台地内隆起—斜坡形成、北西向与北东向断裂改造、岩浆活动、区域翘倾变动及早期断层再活动等阶段[16-18]。早—中奥陶世，塔中地区广泛发育碳酸盐岩台地。晚奥陶世，塔中地区台盆分异，卡塔克隆起持续隆升，顺托果勒隆起处于构造斜坡部位，稳定沉降，主要是北西向逆冲断层活动；志留纪—早中泥盆世，卡塔克隆起定型，顺托果勒隆起稳定沉降，北东向走滑断层活动；石炭纪—二叠纪，顺托果勒隆起经历埋藏到东部再次抬升，早期断层再次活动，岩浆活动强烈。中—新生代，顺托果勒隆起整体沉降，发生多次区域翘倾，局部断层活化调整[19]。

顺北油气田奥陶系地层发育齐全，自下而上为下统蓬莱坝组(O1p)、中—下统鹰山组(O1-2y)、中统一间房组(O2yj)、上统恰尔巴克组(O3q)、良里塔格组(O3l)和桑塔木组(O3s)。主要目的层为一间房组和鹰山组上部碳酸盐岩。顺北油气田储层类型为“缝洞型”储层，储层沿断裂带发育[20-21]。顺北7断裂带为顺北油气田内部一条NW向的走滑断裂带。走滑断裂体系具有断层“核带”结构：断裂带具有对称的分带结构特征，中间为断层核，两边为破碎带，再过渡到正常围岩。其中断层核包括断层滑动面及断层泥、断层角砾岩、碎裂岩等断层岩的充填部分。顺北7断裂带发育的“缝洞”型储层本质上为走滑断裂带“核带”结构形成的破碎体系。油气主要富集在断层角砾岩和裂缝中。在断裂带内部及附近裂缝受流体溶蚀作用影响[20-22]，从而影响储集空间。

2 研究方法

2.1 岩石学观察

顺北地区中下奥陶统(一间房组和鹰山组上段)碳酸盐岩地层经历多期次构造活动和成岩作用的叠加改造，储集体的形成、演化与不同期次的成岩作用(尤其是破裂作用)有密切关系。通过井震标定、岩心观察，结合显微镜、阴极发光鉴定描述，对走滑断裂带内部结构进行分类，包括断层核部、破碎带和裂缝带等，在岩石学特征描述的基础上，探讨不同结构的成岩作用特征，对取自走滑断裂带不同部位的岩心样品进行手标本描述；对重点样品磨制薄片进行镜下观察，借助扫描电镜和电子探针研究样品裂缝中胶结物及其他充填物的化学性质，确定流体对顺北地区储集空间的影响。

图1 塔里木盆地顺北地区构造位置Fig.1 Tectonic location of Shunbei Area, Tarim Basin

2.2 岩心取样

后续取样与地球化学测试在岩石学观察基础上开展。共取4口井的岩心样品，每口井主探的断裂带部位有所不同，揭示不同结构单元的成岩作用特点。其中，A1井取心部位为断层核，取心起止深度为7 265～7 295 m，共7回次。A2井取心部位为断层核，取心起止深度为7 331～7 333、7 425～7 428 m，共2回次。A3井取心部位为破碎带，取心起止深度为7 465～7 490 m，共3回次。A4井取心部位为破碎带，取心起止深度为7 078～7 092 m，共2回次。

通过岩心描述、薄片镜下观察明确样品的岩石学特征，通过电子探针测量不同部位的微量元素含量，研究流体对储集空间的影响作用。

3 岩石学及地球化学特征

3.1 断层核

A1井沿主断面核部钻入，井底遇到放空漏失并见产，表明钻遇物性极好的储集空间。该井在一间房组顶部取心，原岩为砂屑灰岩，受断层的破碎作用影响，成为断层角砾状灰岩。测井资料显示，在7 265～7 267 m段钻遇缝洞，在7 267～7 295 m段为围岩。岩心手标本观察显示，A1井样品具有“断层泥”(见图2)和碎裂岩—破碎角砾体系，大量裂缝将原本完整的碳酸盐岩地层切碎而形成角砾岩(目前已重新压实成岩)，角砾碎块粒径为5～10 cm，边缘呈棱角状，角砾之间被黑色沥青全充填—半充填(见图3-4)，主要特征(见图2)：(1)产状呈高角度近垂直弯曲、似网状、角砾缝合状；(2)通常沥青或黏土混杂充填；(3)微观下有方解石脉填充，CL(阴极发光)下橙红色发光；(4)呈剪切性质，开度小；(5)A1井裂缝密度为0.4条/m。

图2 A1井样品岩石学特征Fig.2 Petrological characteristics of well A1 specimens

图3 A1井岩心裂缝填隙物光学显微镜下特征Fig.3 Optical microscope characteristics of core fracture fillings in well A1

断层泥扫描电镜及能谱分析结果(见图5)表明，断层泥成分以沥青为主，兼含少量石英、金红石和伊利石等黏土矿物，显示陆源碎屑充填特点。这种碳酸盐岩地层中含有大量陆源碎屑现象，通常指示外源流体沿断层渗入。结合地层叠置关系，陆源物质最有可能的来源是上覆的恰尔巴克组，其岩性为含灰质的泥岩或粉砂质泥岩，富含黏土矿物。

图4 A1井岩心(7 265.43 m)裂缝填隙物扫描电镜下特征Fig.4 Scanning electron microscope characteristics of fracture interstitial in core(7 265.43 m) of well A1

图5 A1井岩心扫描电镜能谱

A2井取心段为断层核部的破碎角砾岩，岩心发育破碎—胶结/充填等成岩作用(见图6)。破碎角砾之间的充填物为亮晶方解石及沥青，与A1井样品具有相似性。薄片观察显示，黄褐色物质为硅质，白色条带为亮晶方解石，黑色团块为灰质(见图6(e))。硅质受破碎作用而形成碎片，随后被亮晶方解石胶结(见图6(f))。

破碎角砾及裂缝伴生流体性质见表1，借助电子探针对裂缝胶结物、裂缝壁、围岩分别进行原位测试，可检测11种元素(Na、K、Mg、Ca、Mn、Fe、Ni、Al、Cr、Si、Ti)，比较流体的性质、成分和不同元素的丰度。首先，在裂缝中亮晶方解石胶结物上检测3个点，其中Fe质量分数为-0.030 3%～0.100 1%，K质量分数为-0.010 1%～-0.002 5%，Al质量分数为-0.003 7%～0.013 3%，Si质量分数为-0.010 5%～0.004 7%。其次，在裂缝旁边的围岩上检测2个点，其中Fe质量分数为0～0.020 9%，K质量分数为0.003 6%～0.007 4%，Al质量分数为0.042 9%～0.085 4%，Si质量分数为0.063 7%～0.212 7%。最后，在裂缝壁(胶结物和围岩)的过渡部位上检测7个点，其中Fe质量分数为-0.002 3%～1.931 3%，K质量分数为-0.006 7%～4.518 3%，Al质量分数为0.005 6%～11.350 3%，Si质量分数为0.014 3%～22.107 1%。

亮晶方解石胶结物的黏土信号元素(K、Fe、Al、Si)与围岩相比没有明显区别，裂缝壁与围岩相比明显更富含黏土信号元素(K、Fe、Al、Si)，表明裂缝壁上的黏土矿物质量分数要高于围岩的，说明最早流入裂缝的流体携带一定质量分数的黏土矿物。这一现象与A1井的高黏土矿物质量分数吻合，说明断层核部在破碎作用发生后，不但发生方解石胶结，而且伴随一定黏土矿物的充填。

图6 A2井样品岩石学特征Fig.6 Petrological characteristics of well A2 specimens

3.2 裂缝带

A4井岩心取自断层核附近的强破碎区域，发育破碎—溶蚀—半充填成岩作用。在手标本上可以观察到发育大量高角度开启裂缝，裂缝壁上附着一层黑色物质，不溶于酸(见图7(c))。裂缝壁明显有扩溶现象，表面形状不规则，局部发育港湾状孔洞(见图7(b))，有黑色物质充填。薄片观察表明，沿裂缝壁附着黑色不溶物质前，还有一期亮晶方解石胶结物(见图7(d))，亮晶方解石胶结物被后期开启的裂缝切穿(见图7(e))，裂缝壁上很干净，没有发现胶结物，但有极少量黑色不溶物质附着。

裂缝的扩溶现象见图7(e)，电子探针分析结果见表1和图8，可检测11种元素(Na、K、Mg、Ca、Mn、Fe、Ni、Al、Cr、Si、Ti)。首先，在裂缝壁内残余的亮晶方解石胶结物上检测2个点，其中Fe质量分数为0.053 8%～0.215 0%，K质量分数为-0.006 8%～0.003 1%，Al质量分数为0.005 5%～0.017 5%，Si质量分数为0.017 5%～0.052 0%。其次，在围岩上检测4个点，其中Fe质量分数为0.002 3%～0.067 9%，K质量分数为-0.016 5%～0.010 8%，Al质量分数为-0.003 8%～0.107 4%，Si质量分数为0～0.568 0%。方解石胶结物的元素成分、质量分数与围岩的一致，表明裂缝中流体很可能来自围岩，并且在元素组成上与围岩达到平衡。最后，在裂缝壁的溶蚀区域检测4个点，其中Fe质量分数为-0.004 7%～0.030 4%，K质量分数为-0.006 8%～0.058 5%，Al质量分数为-0.006 5%～0.160 5%，Si质量分数为0～2.345 5%。溶蚀区域与围岩相比在无机元素组成上基本一致，没有检测到明显的新生或蚀变矿物。

图7 A4井样品岩石学特征Fig.7 Petrological characteristics of well A4 specimens

同位素测试表明，溶蚀区域与围岩相比具有偏低的碳、氧同位素值(见图9)，可能与裂缝作为储集空间有油气浸染有关。受有机碳质量分数升高的影响，碳同位素大幅降低，与裂缝壁上附着黑色不溶物质(很可能是沥青)的结果吻合。

A4井样品可能受到两期流体影响。第一期影响A1、A2井的流体，CaCO3过饱和，富含黏土矿物元素，析出的黏土矿物、亮晶方解石充填在早期开启的裂缝中。第二期流体成分单一，CaCO3欠饱和, 为酸性流体，对晚期开启的裂缝具有溶蚀作用，晚期开启的裂缝壁内可见沥青，沥青作为油气显示，说明酸性流体是伴随油气的，明显为深部来源。

A3井取心在走滑断裂裂缝带位置，具有破裂—溶蚀—半充填成岩序列(见图10)，样品可见高角度裂缝，沿裂缝壁出现扩溶现象(见图10(a))。此外，岩心上还发育高角度缝合线，缝合线边缘为黄铁矿，中间为泥质，缝合线又被高角度裂缝切穿并发生溶蚀，即黄铁矿缝合线上叠加破裂—溶蚀。在裂缝边缘也可见亮晶方解石胶结物(见图10(c))，成岩现象与A4井的一致。薄片观察结果与岩心完全吻合，黑色团块为黄铁矿，黄铁矿被早期裂缝切开，早期裂缝被亮晶方解石胶结(见图10(d))，可能指示A3与A4井样品受相似的两期流体影响。

表1 A2、A4井样品电子探针元素检测 Table 1 Test of elements in well A2 and well A4 specimens %

图8 A2、A4井样品电子探针取点位置Fig.8 Electron probe point location of well A2 and well A4 specimens

4 讨论

走滑断裂带内部的差异成岩作用或差异性流体改造普遍存在，在一定程度上影响不同部位的物性。研究意大利Majella背斜北部边缘断层变形机制和内部构造，斜向正断层横切中新世碳酸盐颗粒灰岩。在断层内部，沥青不仅存在于断层核的角砾，还存在于周围裂缝和破碎带。此外，在斜向正断层两侧的多孔碳酸盐岩地层中也存在沥青。提出断层成核与发育的概念模型，初期的断层特征是压溶缝受到剪切，形成两套主要的尾部压溶缝。随Majella背斜的断层活动、剥蚀和发育，在演化的斜向正断层中，主要的变形机制转变为以尾部节理、矿脉为主要形式的开启模式裂缝。这一过程使单一的滑动面与相邻的碳酸盐岩层相连，并沿不断演化的断层形成独立的破碎岩石。角砾化和碎裂作用仅局限于斜向正断层的主滑动面，形成强烈的变形带，即断层核，可以将沥青分布作为断层和裂缝渗透性的指标。发育良好的斜向正断层在整体上形成流体流动的屏障—通道结构。碎裂岩如果沿断层核连续分布，则形成断层间流体流动的遮挡物，断层角砾岩和周围的碳酸盐岩破坏带充当流体流动的通道。缺乏演化的斜向正断层可能形成流体流通的局部通道，取决于滑动面周围是否存在碎裂碳酸盐岩[23]。

图9 A4井样品碳氧同位素分析Fig.9 Carbon and oxygen isotope analysis of well A4 specimens

在苏格兰西北部，分米到米级位移的斜滑断层切割前寒武纪岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩和寒武纪石英砂岩。尽管两套砂岩单元在断裂过程中存在相同的滑动史和热史，但具有不同的断裂核和破碎带属性。断层核狭窄(小于1 m)，主要为岩屑长石砂岩/长石岩屑砂岩中的低孔隙度碎裂岩。破碎带平行开启的裂隙长度在米或米级以上，长度和孔径范围较小，裂缝密度低，有少量石英胶结物，且为开启裂隙。相比之下，石英砂岩尽管有丰富的石英胶结物，但断层核含有多孔角砾岩和密集的条纹状滑动带。破碎带裂缝的长度范围为米到厘米级别或更小。受大量的石英胶结影响，裂缝通常是封闭的。这些属性反映在长石和岩屑颗粒上自生石英的堆积受到抑制，不利于沉淀基质，但有利于碎屑石英的堆积。在石英角砾岩中，大于0.04 mm宽的大孔隙持续存在，周围是缓慢生长的自形石英。石英产状和粒度分布的差异与沉积物改造裂缝重新活化的概率一致。在石英堆积量低、孔隙度高的集中生长区，现有裂缝很容易重新活化。新的裂缝地层中石英堆积量较高，只有部分已存在的半胶结裂缝重新活化，部分裂缝发生变形。沿走滑断层走向的断层核、破碎带在渗透率、流体流动轨迹及断层强度上有差异[24]。

图10 A3井样品岩石学特征Fig.10 Petrological characteristics of well A3 specimens

在走滑断层核带结构(见图11)中，不同部位储集空间受流体影响不同。断层核以A1、A2井样品为代表，以破碎—胶结体系为主。破碎带以A3、A4井样品为代表，不仅具有破碎—胶结体系，还可见明显的扩溶现象。核带结构储集空间沿断裂带受流体影响，共有两期流体影响储集空间：第一期流体自上向下流动，CaCO3过饱和，为碱性环境，富含Al、Si、K、Fe元素，引起围岩矿物蚀变，离子来源与恰尔巴克组泥岩有关。断层核、破碎带、围岩受这一期流体的影响，随深度增加，地层中流体析出的黏土元素(Al、Si、K、Fe)逐渐减少。第二期流体成分明显单一，CaCO3欠饱和,为酸性环境，可能含少量Al、Si元素，引起围岩轻微矿物蚀变。晚期开启的裂缝壁上的油气显示(沥青)表明流体伴随油气属于深部来源。

图11 走滑断层核带结构地质模型(据文献[25]修改)Fig.11 Structural geology model of strike-slip fault that composed of fault core and damage zone(modified from reference[25])