顺北地区奥陶系超深断溶体油气成藏条件

2021-03-26云露

新疆石油地质 2021年2期

云露

（中国石化西北油田分公司，乌鲁木齐 830011）

近年来，塔里木盆地的油气勘探聚焦于古隆起，随着对走滑断裂带构造背景、结构特征、活动演化过程及石油地质条件的深化研究[1-3]，逐渐认识到走滑断裂带对台盆区碳酸盐岩储集层发育与油气成藏具有重要的影响[4-7]。随着顺北1号走滑断裂带勘探的突破与新类型断溶体油气藏的发现[8]，认识到顺北地区走滑断裂带具有明显的“控储、控圈、控藏、控富”特征[9]，成为台盆区奥陶系碳酸盐岩油气勘探的主要目标。

前人针对塔里木盆地顺托果勒低隆起的石油地质条件进行了深入研究[10-11]，明确了该地区主要成藏要素是走滑断裂带，同时对断溶体油气藏的概念也进行了解剖[8-9]。目前，断溶体油气藏的研究主要集中于断溶体识别[12]，走滑断裂带活动特征[13-14]，走滑断裂带对储集层发育[15]与油气成藏的控制作用[16]，走滑断裂带油气成藏过程及分布差异[17]。对走滑断裂带断储关系、油气成藏条件与主要控制因素等方面的研究相对较少。

本文通过对典型主干走滑断裂带的解析，结合区域断裂体系认识，将顺北地区主干断裂带划分为北东—南西向、北西—南东向和北北东—南南西向3 类断裂体系，断裂带平面划分为叠接拉分、叠接压隆、线性平移和复合地堑4 种断裂样式，建立平面不同断裂样式的储集层地质模型。在弄清断储关系的基础上，从烃源岩演化、储集层控藏地质因素等方面，分析顺北地区奥陶系断溶体油气成藏的主要控制因素，为顺北地区奥陶系断溶体油气藏勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

塔里木盆地顺托果勒低隆起南北方向夹持于沙雅隆起、卡塔克隆起两大富油气区带，东西方向位于满加尔坳陷与阿瓦提坳陷之间[18]（图1）。相比南部与北部两大隆起区，顺北地区奥陶系碳酸盐岩目的层顶面埋深大（7 200～8 600 m），构造位置相对南北隆起低近2 000 m。自加里东运动中期以来构造相对稳定，目的层内未见明显的角度不整合，实钻也证实该区不具备发育类似塔河地区大规模表生岩溶缝洞型储集层的地质条件。

图1 顺托果勒低隆起及周缘构造图Fig.1.Structural map showing Shuntuoguole low swell and its periphery

顺托果勒低隆起经历了南华—震旦纪裂陷—拗陷、寒武—奥陶纪碳酸盐岩台地形成和逐渐消亡、加里东运动晚期—海西运动期古隆起分异、燕山运动期拗陷型盆地形成及喜马拉雅运动晚期再生前陆盆地演化。南华—震旦纪，受伸展断裂控制，形成多个裂陷—坳陷体系。寒武纪—早奥陶世，主要发育蒸发台地和局限台地沉积，中—下奥陶统鹰山组和中奥陶统一间房组均为开阔台地沉积，主要发育颗粒灰岩、微晶灰岩、藻粘结灰岩、白云岩、硅质（含硅）岩等，储集层物性较差，均为低孔、低渗储集层。

顺托果勒地区发育多条走滑断裂带，按走向可划分为北东—南西向、北西—南东向和北北东—南南西向3 类断裂体系。受走滑断裂活动及埋藏流体溶蚀作用改造，沿断裂带储集层发育，断溶体油气藏是研究区油气勘探的主要目标[8-9]。顺托果勒地区最重要的2条走滑断裂带是北北东—南南西向顺北5号断裂带和北东—南西向顺北1 号断裂带，2 条走滑断裂带呈“Y”形相交，顺北5 号断裂带向南进一步延伸至卡塔克隆起，与塔中1 号断裂带相切[13-14]。顺北1 号断裂带及其以东发育了近北东—南西向展布的顺北4号、顺北6 号、顺北8 号等多条走滑断裂带，顺北5 号断裂带以西则发育近北西—南东向顺北13 号、顺北11号、顺北9号、顺北7号等多条走滑断裂带（图1）。

2 顺北地区走滑断裂带发育特征

2.1 区域走滑断裂体系

受塔里木盆地复杂的构造演化影响，台盆区自北向南发育多个走滑断裂体系，塔北地区具有“X”形似共轭断裂体系的特点，向南至顺北地区主要发育顺北1号和顺北5号断裂带，塔北“X”形似共轭断裂体系发育至顺北1号断裂带附近逐渐减弱并终止[19]。顺北地区主干走滑断裂带在走向上呈现明显差异，顺北1 号断裂带及其以东为北东—南西向近平行走滑断裂体系，顺北5 号断裂带北段及其以西为近平行北西—南东向走滑断裂体系，顺北5 号断裂带南段为北北东—南南西向走滑断裂体系（图1）。

2.2 走滑断裂带纵向分层特征

顺北地区走滑断裂带空间结构具有平面叠接分段、纵向分层变形、垂向叠加改造特征[9]。纵向分为下伏陡直走滑段（主滑移层）和上覆雁列正断层（雁列层）。上覆雁列正断层主要发育在上奥陶统—中泥盆统构造层、石炭—二叠系构造层、中—新生界构造层，分别对应走滑断裂带下伏主滑移层在加里东运动晚期—海西运动早期、海西运动中—晚期及喜马拉雅运动期继承性滑移活动；下伏陡直走滑段主要发育在基底面至中奥陶统顶面附近。受地层能干性差异影响，走滑断层在不同构造层内具分层变形特征。在垂向上表现为主断层样式的变化及分支断层的组合方式。

根据顺托果勒地区地层的构造变形特征，可以将其从下往上划分为4 个构造层（图2）：①下寒武统盐下构造层，主要由前寒武裂拗盆地与下寒武统碳酸盐岩台地组成，构造样式主要继承了前寒武先存正断层，在加里东运动中—晚期走滑断层活动时，晚期走滑断层沿早期正断层的断层面继承活动或切割早期正断层；②中—下寒武统盐岩构造层，受盐岩塑性流动作用影响，主要表现为滑脱逆冲断层及走滑断层花状构造特征，可划分为盐撤凹陷、盐拱背斜和单断平移3 种构造样式；③上寒武统—中奥陶统碳酸盐岩构造层，深部断层面较平直，走滑断层样式复杂，根据应力机制可以分为叠接拉分、叠接压隆、线性平移和复合地堑4 种断裂样式；④上奥陶统—石炭系碎屑岩构造层，受加里东运动晚期构造运动的影响，主要形成张扭走滑断层，走滑断层样式较为单一。走滑断层向下切入碳酸盐岩地层，与早期走滑断层相交，在平面上呈现为雁列式展布，剖面上则多具有伸展正断层特征。根据雁列正断层的组合关系，可以分为单断式、双断式及多断式。单断式在剖面上表现为半地堑，双断式在剖面上表现为地堑，多断式在剖面上则表现为复式地堑。

图2 顺北地区走滑断裂带分层结构模型Fig.2.Layered structure model of strike⁃slip fault zones in Shunbei area

2.3 走滑断裂带平面分段特征

顺北地区走滑断裂带三大断裂体系不但具有分层变形特征，也具有较强的平面分段特征：①北东—南西向断裂体系，具有典型的叠接拉分、叠接压隆、线性平移三段式特征，且叠接拉分段相对较发育，如顺北1号断裂带，按照其叠接样式可分为9个小段，其中有3 段明显的叠接拉分段（图3a）；②北西—南东向断裂体系，具有叠接拉分、叠接压隆、线性平移三段式特征，但与北东—南西向走滑断裂带相比，叠接压隆段的发育频率明显升高，叠接拉分段相对欠发育，如顺北5 号断裂带中—北段，以压扭走滑为主，中间夹杂少量张扭及平移构造，主要为左阶斜列展布（图3b）；③北北东—南南西向断裂体系，以顺北5 号断裂带南段为例，表现为“复合地堑”构造样式，在上奥陶统桑塔木组—下石炭统巴楚组为雁列正断层，展布方向与下伏走滑断裂走向一致，上下叠置，在剖面上表现为负花状构造（图3c）。

图3 顺北地区走滑断裂带平面分段特征（中奥陶统顶面）Fig.3.Plane segmenting styles of strike⁃slip fault zones in Shunbei area(the top of Middle Ordovician)

3 顺北地区断溶体油气成藏条件

3.1 烃源岩演化差异控制油气性质分布

顺北地区油气分布自西北向东南具有由轻质油藏—挥发性油藏—凝析气藏—干气藏过渡趋势，表现出西油东气的显著特点，东部和西部气油比、原油密度、天然气干燥系数存在较大差异[20]。

前人对顺北地区奥陶系油气来源和成藏期研究认为，顺北地区油气主要来自下部中—下寒武统烃源岩，现今可动油成藏期主要为海西运动晚期、燕山—喜马拉雅运动期；顺北东部地区天然气主要来自下部下寒武统和满加尔坳陷寒武系烃源岩，现今天然气成藏期主要为喜马拉雅运动期。由于构造演化和地温场的差异，造成顺北东、西部地区烃源层在同一时期热演化程度存在较大差异（图4）。顺北西部地区烃源层埋深大于10 000 m，虽然埋深大，但因现今地温梯度低（地温梯度主要分布在1.96～2.08 ℃/hm），烃源层现今温度在185～210 ℃，且海西运动晚期以来快速稳定深埋，造成了烃源岩经历较高温度时间短；另一方面，研究区烃源层压力长时间保持在60 MPa 以上，高压力背景下，烃源岩的生烃演化过程受到抑制，会延缓液态烃向气态烃的转化[21-22]。在大埋深、高压力、低地温梯度、晚期快速深埋等因素的共同作用下，顺北西部地区下寒武统烃源层在燕山运动期处于生高成熟油阶段，喜马拉雅运动期仍处于生凝析油气阶段。而顺北东南部地区下寒武统烃源岩及满加尔坳陷寒武系烃源岩具有早期快速深埋，达到高成熟—过成熟阶段，中期降温保持，晚期再次深埋，达到过成熟阶段的特征，海西运动晚期处于生凝析油气阶段，喜马拉雅运动期处于生过成熟干气阶段。

图4 顺北地区SHB1-3井和SHN1井埋藏史和热演化史Fig.4.Burial⁃thermal evolution histories of the reservoirs in Well SHB1⁃3 and Well SHN1 in Shunbei area

3.2 平面分段样式控制储集体内部结构

顺北地区沿走滑断裂带发育的断控缝洞体是断溶体油气藏的主要储集空间。从成像测井、试井等资料分析，在垂向发育空腔型洞穴（宽度一般小于5 m）、缝洞集合体和裂缝带等储集空间，断层内部结构复杂。

理论上，走滑断层在其内部结构上可表现为一元裂缝系统和二元核带系统2 种结构类型。顺北地区钻井放空漏失位置井震标定与成像测井资料揭示，井下断层内部存在一元裂缝系统和二元核带系统，其中以SHB7井最为典型[23]。一元裂缝系统表现为单一滑动面或雁行式破碎带形成的裂缝系统，二元核带系统断层通常被分成2 部分：低—中渗透率的断层核和高渗透率的破碎带，内部可能发育空腔型洞穴，与断层核相比，破碎带位于断层核两侧，变形程度较低，向外逐渐过渡为致密围岩。

顺北地区不同走滑断裂体系目的层平面上可划分为叠接拉分、叠接压隆、线性平移和复合地堑4 种断裂样式。根据顺北地区典型的走滑断裂带精细解析与内部断层及储集层空间雕刻，不同分段的储集体内部结构差异较大（图5）。①叠接拉分段：规模储集层发育以脱空模式为主，内部结构较简单，内部次级断裂、裂缝与主断面以近平行为主，主要储集空间有破裂空腔和诱导裂缝带。叠接拉分段规模裂缝型储集体主要沿主断裂及次级断裂附近发育，储集体规模大、连通性好，储集层非均质性弱（图5a）。②叠接压隆段：以核带模式为主，裂缝和诱导裂缝带是其主要储集空间类型，也发育空腔型洞穴，但发育比例低于叠接拉分段。次级断裂、裂缝与主断面高角度相交，裂缝类型多、密度大，内部应力状态决定其逆断层和裂缝以压应力为主，次级断裂端部、交会部位储集层裂缝发育，内部储集层非均质性强（图5b）。③线性平移段：可能发育多种模式，当纯走滑状态下裂缝发育以平移作用派生的剪切破裂为主，裂缝作用影响的范围较小，密集程度不如叠接拉分段和叠接压隆段；当断裂活动强度较大时，也可能出现断裂核与断层角砾带，此时储集空间可能包括断层角砾带和诱导裂缝带2 种（图5c）。④复合地堑段：主要表现在顺北5 号断裂带南段，中部走滑断裂面控制储集体发育，而东西2个断面储集体可能相对欠发育（图5d）。

图5 顺北地区走滑断裂带平面不同断裂样式储集体地震剖面及其地质模型Fig.5.Seismic sections and geological models of the reservoirs in strike⁃slip fault zones with different plane fault styles in Shunbei area

4 断溶体油气藏富集的主控因素

4.1 断裂带级别控制油气富集的整体规模

走滑断裂带级别控制断溶体油气藏总体富集程度，断裂变形强度越大，对应的滑移距越大，分段越长，储集体规模越大。钻井揭示，顺北地区主干断裂带油气富集，钻井油气产能高，而断裂带之间钻井油气富集程度低，钻井多为低产井或干井。如SHB1-1H井位于顺北1号主干一级断裂，稳产时间长，动态储量高达231×104t；SHB7 井位于顺北7 号主干二级断裂，其动态储量仅6×104t；SHB2CH井位于顺北2号次级断裂，其初期产能26.00 t/d，目前平均产能0.15 t/d，SHBP1 井和SHBP2 井位于断裂带之间，其钻井过程中无放空和漏失现象，测试为干井。

4.2 断裂带分段样式控制油气藏空间分布

顺北地区走滑断裂带不同断裂体系奥陶系碳酸盐岩目的层也具有较强的平面分段特性，不同断裂体系平面分段特征有差异。其中北东—南西向走滑断裂带（如顺北1 号、顺北4 号、顺北8 号断裂带等）与北西—南东向走滑断裂带（顺北5号断裂带北段，顺北7号、顺北11 号断裂带等）均具有典型叠接拉分、叠接压隆、线性平移三段式特征，不同的是前者叠接拉分段相对更发育，后者叠接压隆段的发育频率明显升高（图3）。顺北5号断裂带南段为北北东—南南西向断裂带，表现为复合地堑构造样式[14]，与典型的三段式特征明显不同（图5d）。

顺北地区走滑断裂带不同分段的储集体内部结构差异较大，其中叠接拉分段（图5a）、叠接压隆段（图5b）较线性平移段（图5c）储集体的整体规模更大。顺北地区走滑断裂不同构造样式单井平均生产单位压降产油量统计，叠接拉分段油气富集程度最高，其次为线性平移段和叠接压隆段[9]。

不同结构类型油气藏空间分布有差异。叠接拉分段规模储集层内部次级断裂、裂缝和主断面以近平行为主，主要储集空间有破裂空腔和诱导裂缝带，储集体连通规模大。叠接压隆段内部结构复杂，次级断裂、裂缝与主断面高角度相交，空腔型洞穴欠发育，主要的储集空间类型是裂缝带，内部应力状态以压应力为主，内部连通性相对较差。线性平移段主要储集空间是断裂派生裂缝，裂缝作用影响范围不如叠接拉分段和叠接压隆段，储集层规模一般小于叠接拉分段和叠接压隆段。复合地堑段中部走滑断裂面控制储集体发育，而东西2个断面储集体可能欠发育（图5d）。

4.3 现今主应力方向及断裂破碎系统决定油气藏富集差异

走滑断裂对晚期油气充注程度的控制主要表现在作为晚期更高成熟度油气充注通道对早期油藏的改造。顺北地区走滑断裂多期活动，在其内部形成受走滑断裂带控制的规模裂缝-洞穴型储集层；走滑断裂垂向断穿基底，沟通烃源层，是油气多期垂向运移的主要通道。

顺北地区断溶体油气藏主要成藏期为燕山运动期和喜马拉雅运动期。喜马拉雅运动期走滑断裂基本不活动，但受周围板块强烈挤压造成的板内远程效应，仍会有开启，但开启程度受走滑断裂与现今应力场方向的夹角控制，与现今应力方向基本一致的走滑断裂带，其内部裂缝开启程度高，越有利于喜马拉雅运动期油气充注，而与现今应力方向斜交或近垂直的走滑断裂，其内部裂缝开启程度很弱，喜马拉雅运动期油气充注弱。顺北地区成像测井资料解释研究区现今最大主应力方向为北东40°，在烃源岩热演化程度基本一致的地区，如顺北5号断裂带中段，该段主走滑断裂带走向为近南北向，与现今应力方向斜交，在该段没有发育北东向分支走滑断裂区，其内部裂缝开启程度很弱，喜马拉雅运动期油气充注弱，气油比低，如SHB5-6井压力恢复试井解释远端渗透率为9.02 mD，气油比为233 m3/t；而在该段发育有北东向分支断裂区，其内部裂缝开启程度高，喜马拉雅运动期油气充注较强，气油比高，如SHB5-7 井压力恢复试井解释远端渗透率为78.00 mD，气油比为370 m3/t。