克拉通盆地内部走滑断裂发育、演化特征及其石油地质意义: 以塔里木盆地顺北地区为例

邓 尚, 刘雨晴, 刘 军, 韩 俊, 王 斌, 赵 锐

克拉通盆地内部走滑断裂发育、演化特征及其石油地质意义: 以塔里木盆地顺北地区为例

邓 尚1, 2, 3, 刘雨晴1*, 刘 军2, 韩 俊2, 王 斌1, 赵 锐1

(1.中国石化 石油勘探开发研究院, 北京 100083; 2.中国石化 西北油田分公司, 新疆 乌鲁木齐 830011; 3.马永生科学家工作室, 北京 100083)

在详细刻画与定量分析顺北地区走滑断裂几何学特征的基础上, 解剖了走滑断裂典型构造样式, 建立了主干断裂演化模式, 并结合生产动态资料探讨了走滑断裂差异演化对规模储集体发育部位、油气沿断裂带差异分布的控制作用: (1) 顺北地区普遍具有“纵向分层变形、主滑移带平面分段”的空间结构特征, 纵向分层变形分界面多为岩性界面, 平面分段主要发育于中下奥陶统碳酸盐岩(勘探目的层)。平面分段中叠接变形段长宽比相似, 均值为3.2。(2) 顺北地区走滑断裂在目的层同时发育有“压脊‒地堑”复合构造样式, 上覆地堑构造是下伏压脊构造在后期活动时拖曳上覆地层形成的伴生构造。(3) 顺北地区走滑断裂演化受控于盆地南、北不同区域应力场的叠加作用, 演化早期最大主应力方向从南到北发生了NNE向到NNW向的逆时针偏转, 为顺北5断裂弧形构造行迹的发育奠定了基础。(4) 压脊构造与压隆段边界断面类似, 根部沟通烃源, 具有“控储、控藏”特征。地堑构造自上而下发育至目的层, 不直接沟通烃源, 暂未钻遇规模性储集体。研究区走滑断裂晚期活动强度可控制晚期高成熟油气充注程度。

复合构造样式; 演化模式; 走滑断裂; 控藏特征; 塔里木盆地

0 引 言

克拉通内走滑断裂(Intracratonic strike-slip faults)远离活动板块边界, 由盆地内部先存构造(例如破裂或断层)在板内应力集中下再活动形成(Mann, 2007)。克拉通内走滑断裂与大型走滑断裂(板块边界型、嵌入碰撞型等)有着明显差异, 前者的滑移距通常在数百米‒数千米左右, 而后者滑移距多在数百千米尺度。因为滑移距较小, 克拉通内走滑断裂又被前人描述为小滑移距走滑断裂(Harding, 1974)。该类走滑断裂活动弱且产状高陡, 在二维地震资料中难以被识别, 因此其在盆地内部的存在性往往被人们所忽视(Gogonenkov and Timurziev, 2010)。近年来, 随着在塔里木盆地内部深层‒超深层获得一系列与走滑断裂相关的油气发现, 人们逐渐认识到塔里木盆地腹部普遍发育走滑断裂, 并依据三维地震资料识别出多个走滑断裂体系(吕海涛等, 2017)。

前人针对塔里木盆地不同地区走滑断裂体系开展了深入的研究工作, 明确了走滑断裂构造样式、活动期次、滑移距特征、控储机制等(王璐瑶等, 2017; Han et al., 2017, 2020; 韩晓影等, 2018; 宁飞等, 2018; 邓尚等, 2018, 2019; Deng et al., 2019; 李兵等, 2019; 李映涛等, 2019; 马德波等, 2019; 马永生等, 2019; Ma et al., 2019; Qiu et al., 2019)。邓尚等(2018, 2019)通过对顺北及邻区发育的主干走滑断裂进行三维地震精细解析, 一方面明确了该类断裂具有“纵向分层变形、主滑移带平面分段、垂向多期叠加”的特征, 另一方面也基于不同断错标志实测了水平滑移距(多在1 km左右), 提出了顺北及邻区主干走滑断裂水平滑移距与平均分段长度成正比的分段发育模式。马德波等(2019)通过对塔北隆起哈拉哈塘油田发育的“共轭”走滑断层进行分段研究, 探讨了分段性对于储层发育规律与油气富集的控制作用。在此基础上, 邬光辉等(2012)基于对分段特征的定量分析进一步提出了“共轭”走滑断层分段连接的发育模式。

受滑移方向与分段展布阶式的控制, 走滑断裂在平面上通常可分为叠接压隆段、拉分段和平移段(邓尚等, 2018), 在剖面上可发育纵向分层的“复合花状”构造样式(韩晓影等, 2018)。在成因机制方面, Qiu et al.(2019)基于对塔中隆起和塔中北坡北东向走滑断裂体系进行活动特征与期次的系统解剖, 提出了控制塔中隆起发育的北西向逆冲断裂体系和与其正交的北东向走滑断裂体系耦合变形, 两者的构造演化共同受控于不同地质时期的盆缘构造事件。前人也进一步明确了多期活动的通源走滑断裂可形成断控洞穴、裂缝及沿缝溶蚀的“断溶体”储层, 具有“控储、控藏、控富”特征(李映涛等, 2019; 马永生等, 2019)。然而, 随着三维资料的进一步采集与勘探评价的不断推进(邓尚等, 2019; 漆立新, 2020), 顺北地区走滑断裂呈现出新的构造样式和更为复杂的内部结构, 且存在差异明显的控储控藏特征。目前, 针对这些复杂的构造样式及其内部结构尚缺乏系统的解析, 不仅影响了顺北地区走滑断裂演化过程的研究, 同时也制约了该地区油气勘探开发的进程。

鉴于此, 本文在总结前人研究成果的基础上, 以顺北地区走滑断裂为例, 依据高精三维地震资料, 利用以断裂力学为基础建立的断裂解析方法, 开展走滑断裂构造特征与演化模式研究, 结合实钻与生产动态资料探讨断裂构造特征与演化模式对断控储集体和油气沿主干断裂分布的控制作用。研究结果不仅能够深化塔里木盆地克拉通内走滑断裂活动特征与成因机制的认识, 还可为超深“断溶体”油藏的勘探评价提供一定的指导, 具有重要的理论和实践意义。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

塔里木盆地顺北地区主体位于顺托果勒低隆北部, 该低隆起处于南北两隆(卡塔克隆起、塔北隆起)、东西两坳(满加尔坳陷、阿瓦提坳陷)之间, 呈“马鞍形”(图1)。顺北地区的古生界发育相对齐全,包括寒武系‒中奥陶统碳酸盐岩地层和上奥陶统‒二叠系碎屑岩地层(漆立新, 2020)。其中, 奥陶系自下而上可划分为下统蓬莱坝组(O1), 中‒下统鹰山组(O1-2), 中统间房组(O2), 以及上统恰尔巴克组(O3)、良里塔格组(O3)和桑塔木组(O3)(图2)。

顺北地区下古生界发育完整的生‒储‒盖组合, 多期活动的走滑断裂体系为该地区油气运移、聚集与富集提供了优越的石油地质条件, 沿断裂带部署的多口探井均获得高产油气流, 揭示了顺北油田的存在(焦方正, 2018)。截止目前, 顺北油田已有顺北1号、顺北5号等多条断裂带(图1)获得工业油气产能并逐渐转入评价、开发阶段, 目前已初步建成100×104t/a产能(漆立新, 2020)。

1.2 走滑断裂体系区域分布特征

结合前人的研究成果和大量的二维地震测线, 依据新采集的三维地震资料, 在顺北地区及邻区可厘定多个走滑断裂体系(图1)。顺北地区走滑断裂体系以顺北5断裂为界, 呈现出“东西分区”特征: 以东主要发育北东向断裂体系, 以西主要发育北西向断裂体系。塔北隆起发育的“X”型似共轭断裂体系也具有类似的东西分区特征: 托普39断裂以东北东向断裂更为发育, 而托普39断裂以西北西向断裂更为发育(Wu et al., 2020)。这些北西向断裂与轮台断裂走向近乎垂直, 这一特点与塔中北坡北东向断裂体系近垂直于塔中1号断裂(或坡折带)类似。总结起来, 顺北及邻区走滑断裂体系整体分布特征具有“两个东西分区, 两个近垂直”的特点。

2 走滑断裂构造样式

本研究选取顺北地区已采集处理的三块三维地震资料(图1), 针对顺北1断裂、顺北4断裂和顺北5断裂等探评程度较高的重点断裂带进行了地震—地质精细解析。在研究区内, 顺北1断裂和顺北4断裂走向大致为45°; 顺北5断裂走向自北向南发生了约30°的偏转(图3), 依据走向变化特征可将其分为北段(走向大致为340°)、中段(走向近南北向)和南段(走向大致为10°)。本文作者在前期针对顺北1断裂、顺北5断裂“纵向分层、平面分段”特征已开展了精细解析(邓尚等, 2018, 2019), 本研究在总结前期认识的基础上, 重点阐述研究进展。

2.1 纵向分层变形特征

前期研究揭示顺北1断裂、顺北5断裂具有下伏陡直走滑段(主滑移层)与上覆雁列正断层(雁列层)的纵向分层变形特征(邓尚等, 2018)。下伏主滑移层与上覆雁列层之间的界面通常对应中下奥陶统顶面T74界面, 该界面同样是中下奥陶统碳酸盐岩与上奥陶统、志留系等碎屑岩层系之间的岩性界面(图2)。本研究中提取的高精度相干切片(T83界面, 对应吾松格尔组顶面, 图2)进一步表明, 顺北1断裂、顺北5断裂在T74界面以下也存在分层变形特征。顺北1、顺北5断裂(北段、中段)在T83界面主要表现出线性延伸构造特征(图3a), 尤其是在顺北5断裂西侧发育若干北东向分支断裂, 与其在T74界面分段变形特征存在明显差异(图3b)。此外, 顺北5断裂南段在T83界面表现出分段变形特征, 分段间不发育明显的隆起和下掉(图3a), 该构造样式与T74界面发育的“压脊‒地堑”复合构造样式(邓尚等, 2019)也存在明显差异(图3b)。与T74界面类似, T83界面位于下伏膏盐岩(或膏质白云岩)和上覆白云岩之间, 同为岩性界面(图2)。

2.2 平面分段与典型叠接段发育特征

分段性是走滑断裂的基本特征之一, 在盆地尺度大型走滑断裂和露头尺度走滑断层中均普遍发育(Aydin and Nur, 1985)。在顺北地区, 走滑断裂平面分段样式在中下奥陶统顶面(T74界面)相干切片中清晰可见(图3b, 图4a), 但不同断裂分段展布阶式和叠接构造类型具有明显差异。顺北1断裂在T74

图1 塔里木盆地顺北地区及邻区下古生界主要断裂分布图

图2 塔里木盆地顺北地区古生界地层与古生代盆地周缘动力学背景(动力学背景依据贾承造, 2004)

界面分段均呈左阶展布, 在分段叠接部位发育拉分段, 指示顺北1断裂在T74界面左行走滑。顺北5断裂(北段、中段)在T74界面分段也以左阶展布为主, 但在分段叠接部位主要发育压隆段, 指示顺北5断裂在T74界面右行走滑(图3b)。与顺北1、顺北5断裂明显不同的是, 顺北4断裂在T74界面分段呈现左、右阶交替展布特征(图4a)。例如, 1号段和2号段、3号段和4号段之间为左阶展布, 而2号段和3号段, 5号段和6号段之间为右阶展布, 左阶和右阶展布分段之间分别发育拉分段和压隆段, 指示顺北4断裂在T74界面呈左行走滑特征(图4a)。

本研究对发育在顺北1、顺北5和顺北4断裂的10个压隆段和7个拉分段的长度、宽度进行了定量统计。统计数据表明(图4b), 压隆段长度和宽度大小范围分别约为2.01~4.11 km和0.47~1.40 km, 长宽比均值约为3.45; 拉分段长度和宽度大小范围分别约为1.32~3.60 km和0.43~1.03 km, 长宽比均值约为3.03。综合压隆段和拉分段数据, 顺北走滑断裂叠接段平均长宽比约为3.20, 这一数值与前人对于多个地区、多个尺度走滑断裂叠接段统计分析得出的长宽比数值(约等于3)十分接近(Aydin and Nur, 1982)。

前期研究重点关注了塔里木盆地走滑断裂叠接段的发育部位、形变类型(挤压或拉张)以及对油气富集的控制作用(顾忆等, 2019; 李兵等, 2019 ), 而对于典型叠接段的内部结构和发育模式研究较少。本研究以顺北5断裂北段发育的典型叠接压隆段(Ⅰ号压隆段, 位于3号段和4号段之间, 图3b)为例, 依据多层位高精度相干切片, 采用平‒剖结合方法精细解剖了其内部结构特征(图5)。

该压隆段在T81、T76和T74界面都表现出两个分段叠接发育的特征(图5a), 且在叠接段内部均发育有和压隆段边界断面近平行且斜交的其他断面。尤其是在T74界面, 在以3号和4号断面为边界的压隆段内部, 还发育有由1号和2号断面叠接形成的另一个隆起, 形成了“隆起之内有隆起”的构造样式(图5a)。内部隆起的走向和1号、2号断面以及3号、4号断面整体走向夹角约为15°, 指示Ⅰ号压隆段在形成内部隆起之后, 叠接断面滑移量的进一步增加导致了隆起内部块体的旋转(Flodin and Aydin, 2004), 该压隆段正上方发育的雁列正断层在T70界面(对应上奥陶统顶面, 图2)走向和南、北部发育的雁列也具有5°至15°的角度差异, 进一步指示在雁列层形成之后, 下伏压隆段块体的顺时针旋转也带动了上覆雁列构造的顺时针旋转(图5a)。对比内部隆起边界断面(1号和2号)与整个压隆段边界断面(3号和4号)的断距大小表明, 1号和2号断面断距明显大于3号和4号, 过内部隆起剖面(B-B’)也揭示1号和2号断面夹持的块体垂向挤出幅度明显大于外围块体(图5b)。由此说明, 内部隆起是容纳垂向应变的主要部位, 其边界1号和2号断面活动强度应该大于3号和4号断面, 该认识与前人针对走滑断裂叠接压隆段内部结构进行渐进式物理模拟得出的结论一致(McClay and Bonora, 2001)。

图3 顺北1断裂与顺北5断裂多层位相干切片与断裂平面解释(三维资料研究范围见图1)

图4 (a)顺北4断裂中下奥陶统顶面(T74界面)分段特征(研究范围见图1)与(b)顺北主干断裂典型叠接段长、宽值

图5 顺北5断裂典型隆起段(发育部位见图3)多层位相干断裂解释(a)及地震剖面(b)

2.3 “压脊‒地堑”复合构造样式与断距分析

顺北地区走滑断裂除发育压隆段、拉分段和平移段“三段式”变形外, 也发育有“压脊‒地堑”复合构造样式(邓尚等, 2019)。走滑断裂压脊构造(Pressure ridges or push up ridges)可沿整段连续发育斜压变形(Transpressional deformation), 整体具有隆起特征(Cunningham and Mann, 2007), 与在叠接部位局部发育的压隆段具有根本差异。本研究针对顺北5断裂南段压脊构造进行了进一步解剖, 发现其同样表现出分段性, 分段叠接部位变形较弱, 不同于北段和中段发育的典型叠接构造(图3b)。此外, 压脊构造两侧发育相向倾斜的地堑构造, 该构造主要在T63界面(对应下志留统塔塔埃尔塔格组顶面)以下发育, 并断穿T74界面, 其根部不一定与压脊构造断面相交(图6)。

通过近垂直于地堑构造密间距(500 m)统计东、西两侧断面在T74界面和T70界面垂向断距表明(图6a), T74界面西侧断面断距在部分剖面(38~65号)明显大于东侧断面, 推测可能与地堑形成前T74界面本身的构造面貌有关, 而在T70界面东、西两侧断面断距无明显差异。此外, T70界面东、西两侧断面平均断距为−38.3 ms, 明显大于T74界面平均断距(−30.6 ms), D-D’剖面也揭示地堑断面对T70界面造成的落差明显大于T74界面。根据断层位移场分布原理, 断面从发育中心部位至边缘部位位移量逐渐减小(Fossen, 2010)。由此看来, 该地堑构造在T70界面平均断距大于T74界面这一现象, 揭示了其从T70界面至T74界面自上而下发育, 这与其中部夹持的走滑压脊构造所表现出的自T74界面往上变形幅度变小的自下而上继承性变形模式存在根本差异(图6)。

3 走滑断裂演化模式

3.1 顺北5断裂南段“压脊‒地堑”复合构造演化模式与成因机制

根据压脊构造、地堑构造以及上覆雁列层断穿层位, 可以厘定顺北5断裂在研究区内至少经历了四个阶段的活动。压脊构造同时造成了T74界面以及T70界面以下地层的局部隆起, 且无明显角度不整合, 所以该构造样式形成时期大致在晚奥陶世, 对应加里东中期Ⅲ幕构造运动(邓尚等, 2019)。地堑断面主要在T63界面(对应下志留统柯坪塔格组顶面, 图2)以下发育(图6b), 且自上而下断穿T74断面, 由此推断地堑断面形成大致在中晚志留世, 对应加里东晚期构造运动。上覆雁列层分为上、下两层(图6b), 下层主要在T56界面(对应下石炭统巴楚组顶面, 图2)以下发育, 且断穿T60界面, 由此推断在海西早期活动形成; 上层在T50界面(对应二叠系顶面, 图2)以下发育, 且断穿T56界面, 由此推断在海西中期或海西晚期活动形成(图7)。

地堑构造是伸展性质的构造, 通常在大陆伸展构造系统中离散分布, 与地垒构造等共同产出(Fossen, 2010)。然而, 本研究中的地堑构造并未在研究区内广泛分布, 在平面上仅分布在压脊构造两侧(图3b), 且主体沿下伏主滑移带展布, 说明其在成因机制上与主滑移带有着必然的联系。前人基于破裂力学推导出主滑移带上覆伴生伸展断层(例如雁列正断层)雁列角(上覆雁列正断层与下伏主滑移带走向之间的夹角)的大小与下伏主滑移带活动时是否受到张应力有关: 当主滑移带在纯剪应力状态下活动时, 雁列角为45°; 当垂直于主滑移带有张应力作用时, 雁列角会小于45°; 当张应力大到一定程度时, 雁列角会接近0°(Olson and Pollard, 1991; Martin, 2016)。本研究中的地堑构造虽然和雁列正断层在平面几何学特征上具有明显差异(前者不具有雁列展布的特征), 但在运动学特征上都是下伏压脊构造在上覆地层中形成的正断层, 只是与下伏主滑移带具有不同的夹角, 表明地堑构造是下伏压脊构造在后期活动时拖曳上覆地层形成的伴生构造, 其在形成时受到了一定的张应力作用, 因而表现出地堑断面的特征。地堑断面附近发育的一系列NE向派生次级正断层也指示其在形成过程中经历了一定程度的右行走滑(图3c)。由此可以推断, 下伏压脊构造在晚期多次活动, 在不同地质时期、不同应力背景下分别形成了上覆地堑断层、雁列断层等伴生构造(图7)。

图6 研究区顺北5断裂南段地堑断面垂向断距变化(a)与典型剖面特征(b)

图7 研究区顺北5断裂南段演化模式图

3.2 顺北5断裂古应力背景及演化模式

在对走滑断裂体系的研究中, 前人曾通过对走滑断裂伴生构造, 例如对雁列正断层雁列角的测量来反演走滑断裂体系古应力状态, 建立演化模式, 从而进一步厘定其成因机制(Martin, 2016)。本研究依据相干切片资料, 对研究区内顺北5断裂北段、中段和南段在T70、T60等界面发育的雁列正断层进行了系统的地震解释(图3b), 分界面(对应不同地质时期)测量了雁列角的大小(图8), 并以此为依据反演了顺北5断裂在研究区内不同分段的古应力状态(图9)。在此基础上, 结合区域地质背景(贾承造, 2004; 何登发等, 2008; 安海亭等, 2009; 任建业等, 2012), 建立了顺北5号带的整体演化模式。

加里东中期Ⅰ幕(中奥陶世末): 塔里木板块南缘古昆仑洋板块向中昆仑地块强烈俯冲, 由盆缘向盆地腹部传递北东向挤压应力。在NNE向最大主应力的作用下, NWW向塔中隆起在基底古隆起的基础上开始隆升, 同时在隆起内部以及隆起北坡形成一系列与隆起轴向呈高角度(近垂直)的NNE向(平行于最大主应力方向)区域节理(Qiu et al., 2019)。本文研究区内顺北5断裂南段也呈NNE走向, 与邻近塔中Ⅰ号断裂呈高角度相交, 推测同样是发育于加里东中期Ⅰ幕(中奥陶世末)NNE向最大主应力背景下的区域节理(图9)。与此同时, 塔里木盆地北缘也转化为活动大陆边缘, 北昆仑洋向南俯冲, 中昆仑地体与塔里木地块碰撞, 此时受由南向北挤压应力的控制, 塔北地区发生褶皱隆升(杨勇等, 2018; 陈槚俊等,2019), 同时在塔北隆起西部形成了平行于最大主应力(推测为NNW向)的区域节理。在塔北隆起与塔中隆起之间夹持的顺托果勒低隆区域, 因为受控于南、北不同应力场的叠加作用(Pollard and Fletcher, 2005), 最大主应力方向从南到北发生了NNE向到NNW向的逆时针偏转, 形成的区域节理同时具有走向偏转特征(Cruikshank and Aydin, 1995), 为顺北5断裂弧形构造行迹的发育奠定了基础(图1)。

加里东中期Ⅲ幕(晚奥陶世末), 塔里木盆地东南缘阿尔金构造域强烈褶皱造山作用, 形成NNW向区域挤压应力, 该最大主应力作用于加里东中期Ⅰ幕形成的NNE向区域节理, 造成其左行走滑(Qiu et al., 2019), 研究区内顺北5断裂南段在T74界面发育系列雁列褶皱, 也指示其具有左行走滑特征(图3b)。与此同时, 塔里木板块北部古大洋向中天山地块进一步俯冲(贾承造, 2004), 受由南向北挤压应力的控制, 研究区内顺北5断裂中段和北段同时右行走滑, 最大主应力走向分布在早期区域节理走向的右象限(图9)。值得指出的是, 受南北应力场的影响, 此时研究区内顺北5断裂北段、中段右行走滑, 而南段左行走滑, 说明其暂时还分属于不同的断裂体系, 早期区域节理可作为薄弱面引导后期断裂的走向(Myers and Aydin, 2004), 但顺北5断裂本身还未形成自北向南连通的断裂带, 这一推测也与前期基于滑移距分析得出的顺北5断裂“后期逐段拼接”的演化模型相符(邓尚等, 2019)。

图8 研究区顺北5断裂北段、中段、南段T70、T60、T56界面雁列角大小分布

加里东晚期(中、晚志留世), 塔里木盆地北缘南天山地区扩张成洋盆, 海西早期(泥盆纪), 南天山地区曾处于扩张阶段, 塔北隆起从海西早期开始进入拉张—挤压构造旋回; 海西中期(石炭纪), 塔里木盆地南缘开始进入被动大陆边缘时期(贾承造, 2004; 陈槚俊等, 2019)。上述研究表明, 自加里东晚期到海西晚期, 盆地内部具备形成区域性弱伸展或者南北向挤压、东西向弱伸展的动力学背景, 为顺北5断裂在后期继承性斜拉活动(主滑移带在垂向受到一定的张应力作用)提供了条件。其中, 加里东晚期, 顺北5断裂整体右行形成了自北向南贯通的走滑断裂。此时, 中段在加里东晚期雁列角大小平均值为46.9°(T70界面), 约等于45°(考虑测量误差), 说明中段主滑移带在加里东晚期处于纯剪应力状态下活动, 在平面内等同于压、张双轴应力状态且压应力或张应力与主滑移带走向呈45°(图9), 而北段的雁列角为35.7°, 说明北段下伏主滑移带的继承性走滑活动中都受到了垂直于断面的张应力的作用(图9, 红色箭头), 压、张双轴应力中的张应力与主滑移带夹角也应小于45°; 南段形成了地堑构造。海西早期、海西中‒晚期, 顺北5断裂整体均为左行活动, 不同分段形成了雁列角小于45°的雁列正断层(图3, 图9)。

4 石油地质意义

4.1 走滑断裂内部结构特征与井组连通性分析

顺北地区鹰山组与一间房组碳酸盐岩基质物性较差, 全直径岩心孔隙度和渗透率实测揭示, 平均孔隙度约等于2%, 实测渗透率分布在0.01~5.52 mD, 其中约72%的样品实测渗透率小于1 mD(漆立新, 2020)。基于现有的实钻、岩心资料进行分析, 顺北地区现今有效储集空间被认为是沿深大断裂带断面发育且受溶蚀改造的洞穴或空腔, 以及断裂破碎带内构造缝及伴生的溶蚀孔洞等(李映涛等, 2019), 洞穴与规模裂缝带主要表现为钻井过程中钻遇的放空和漏失(焦方正, 2018)。

致密碳酸盐岩因其本身脆性强, 在应力集中下容易先形成节理, 进一步剪切活动形成走滑断层。断层的核部在初期通常表现为由正交节理切割而成的岩块, 在断层进一步剪切活动的过程中, 岩块间发生错位或滚动, 形成具有洞穴或空腔的角砾带(Billi et al., 2003)。此外, 在局部张应力作用下(例如拉分段), 致密碳酸盐岩中也可形成张性角砾岩(Woodcock et al., 2007)。致密碳酸盐岩中的断层角砾带因为孔渗性普遍高于围岩, 通常被认为是油气运移的优势通道, 在北美地表露头和地下都有实际案例佐证(Aydin, 2000)。

本研究基于对塔里木盆地阿克苏地区奥陶系碳酸盐岩露头走滑断层(邬光辉等, 2012)以及剪切节理带进行考察, 发现了类似的走滑断层核部发育角砾带, 角砾带一侧或双侧发育裂缝带的“核‒带”结构(图10a, b)。其中, 位于蓬莱坝剖面(杜洋等, 2016)走滑断层核部的角砾和角砾之间发育空腔和裂缝, 且部分被沥青充填, 直接指示其具备输导和聚集油气的作用(图10b)。该角砾带中部被浅色矿物胶结, 也进一步说明该断层存在多期活动, 中部的角砾形成或活动时存在非烃类流体的浸染, 导致其被胶结。

空腔的发育并非仅局限于断层的核部, 对剪切节理带的露头观测揭示, 空腔也可发育于剪切节理的叠接区域(图10c): 该露头中并列发育多条剪切节理, 滑移距(右行)从1 cm到20 cm不等, 右阶展布的两条剪切节理叠接部位形成了宽约30 cm的拉分段, 内部发育空腔。此外, 剪切节理的发育也受到层序或岩性界面的限制, 具备几何学上的顶、底板(图10d)。

除上述露头案例外, 钻井和成像测井资料也已证实顺北地区走滑断裂在盆地地下同样发育“核—带”结构(赵锐等, 2019)。在本文研究区内, 部署于顺北5断裂Ⅰ号隆起段的三口钻井(W1, W2, W3井)均成功建产(图11), 且在测试阶段具有压力动态连通的特征。其中, W1井钻穿2号断面, W2井钻穿与1号断面相连的6号断面以及3号断面, W3井钻穿1号断面和4号断面(图11)。结合在前文中针对Ⅰ号隆起内部1号和2号断面相比其他断面活动更强的分析可以看出, W1, W2和W3井应该通过1号和2号断面进行压力上的沟通, 沿断面发育的“核—带”结构或者断面之间分布的剪切裂缝体系为该井组提供了压力沟通的渠道(图10)。

图9 顺北5断裂北段、中段、南段平面演化模式与基于雁列角的古应力状态反演

图10 塔里木盆地柯坪地区走滑断层内部结构以及剪切节理带露头特征

图11 顺北5断裂I号隆起段(发育部位见图3)内部井组过井剖面与断裂解释

4.2 走滑断裂断面活动特征差异性与高产、失利对比分析

与Ⅰ号隆起段不同的是, 位于研究区内顺北5断裂中段的Ⅴ号隆起段在地震上只见边界断面发育, 不具备“隆起之内有隆起”的构造样式(图12a)。部署于该隆起段的W4井在钻遇东侧断面时发生漏失, 经测试后获高产, 也进一步证实叠接段边界断面具有“控储、控藏”的特征。对比研究区内顺北5断裂南段的“压脊‒地堑”复合构造样式, W5井自东向西依次钻穿东侧地堑断面(1号)和内部压脊构造断面(2号和3号), 但只在内部压脊构造相关两个断面钻遇漏失(图12b), 后期测试获高产。压脊构造断面在几何学、运动学特征上类似压隆段边界断面, 向下断入中下寒武统烃源岩(漆立新, 2020), 向上控制T74界面隆起, 同样具有“控储、控藏”的特征。然而, 前文分析表明地堑断面从T70界面至T74界面自上而下发育, 其根部不一定与压脊构造断面相交 (图6、7)。由此看来, 地堑断面不直接沟通烃源, 正断层形成的断控储集体可能被非烃类流体胶结破坏(图10b)。此外, 倾向活动断层形成的断控储集空间可能受控于地层能干性(Ferrill et al., 2017), 裂缝体系在纵向上发育规模受限(图10d)。

4.3 走滑断裂差异演化对油气分布面貌的控制作用

顺北地区油气藏沿主干断裂分布呈现出明显的非均质性: 顺北5断裂北段为未饱和轻质油藏, 顺北5断裂中段和顺北1断裂为未饱和挥发性油藏, 顺北5断裂南段为凝析油藏(漆立新, 2020)。在地面20℃条件下, 测得原油密度分布也符合顺北1断裂原油成熟度高于顺北5断裂中段、顺北5断裂中段高于北段的特点(图13a, 圆圈面积与原油密度成正比)。

前人研究认为, 顺北地区地温梯度自西向东逐渐升高, 烃源岩差异演化, 导致了晚期高成熟油气充注程度有差异, 是造成不同断裂带和同一断裂带不同部位油气性质差异的主要原因(顾忆等, 2019; 漆立新, 2020)。

对比原油密度分布特征(与成熟度变化一致)与顺北1、顺北5断裂浅层(T60、T56界面)雁列正断层活动特征表明, 研究区内顺北5断裂北段成熟度相对最低, 对应的T60、T56界面雁列活动强度(雁列正断层密度与宽度)也较弱; 顺北5断裂中段原油成熟度整体低于顺北1断裂, 其在T60、T56界面雁列活动强度也整体弱于顺北1断裂(图13)。此外, 研究区内顺北5断裂南段原油成熟度也高于顺北5断裂中段(漆立新, 2020), 其在T60、T56界面雁列活动强度也强于中段。由此也进一步说明, 研究区走滑断裂晚期活动性控制了晚期高成熟油气充注强度, 可能是烃源岩差异演化之外造成油气性质差异的另一主控因素。

图12 顺北5断裂中段V号隆起段(中段)与“压脊‒地堑”复合构造(南段)典型井过井剖面

图13 顺北1、顺北5断裂已钻井原油密度分布(a)与浅层雁列活动强度对比(b, c)

5 结 论

(1) 顺北地区走滑断裂普遍具有“纵向分层变形、主滑移带平面分段”的空间结构特征, 纵向分层变形分界面多为碎屑岩、碳酸盐岩与膏盐岩(或云质膏岩)层系之间的岩性界面, 而平面分段主要发育于中下奥陶统碳酸盐岩(勘探目的层)。平面分段叠接部位发育的压隆段、拉分段普遍具有相似的长宽比, 均值为3.2。叠接压隆段可发育“隆起之内有隆起”的构造样式, 且内部块体可随断裂右行走滑发生顺时针旋转。

(2) 顺北地区走滑断裂在目的层除发育压隆段、拉分段和平移段“三段式”变形外, 也发育有“压脊‒地堑”复合构造样式。压脊构造在剖面上表现为沿断裂走向连续发育的隆起变形, 代表主滑移带, 其本身具有分段性。压脊构造两侧发育相向倾斜的地堑断面, 成因机制上, 地堑构造是下伏压脊构造在后期活动时拖曳上覆地层形成的伴生构造, 其在形成时受到了一定的张应力作用。

(3) 顺北地区走滑断裂演化受控于盆地南、北不同区域应力场的叠加作用, 演化早期(加里东中期I幕)最大主应力方向从南到北发生了NNE向到NNW向的逆时针偏转, 形成的区域节理同时具有走向偏转特征, 为顺北5断裂弧形构造行迹的发育奠定了基础。顺北5断裂在研究区内经历了南、北段滑移方向相反(加里东中期Ⅲ幕), 到走滑方向一致、南北贯通的转变(加里东晚期‒海西中、晚期), 不同分段在不同演化阶段具有斜压、斜拉走滑特征。

(4) 叠接压隆段边界断面可控制规模储集体的发育, 压脊构造与压隆段边界断面类似, 根部沟通烃源, 具有“控储、控藏”特征。然而, 地堑构造自上而下发育至目的层, 不直接沟通烃源, 暂未钻遇规模性储集体。研究区走滑断裂晚期活动越强, 沿断裂分布的油气成熟度越高, 说明断裂晚期活动强度可控制晚期高成熟油气充注程度。

两位审稿专家在论文评审过程中提出了宝贵意见与建议, 在此致以诚挚的谢意。文章构思与撰写过程当中得到了很多专家的指点, 中国石化西北油田分公司漆立新教授和云露教授在2016‒2020年作者参与顺北油田地质攻关期间给予了重要的指导, 中国石化石油勘探开发研究院李慧莉教授和张仲培教授对本文涉及的断裂解析工作提出了建设性的意见, 高天、李兵等承担了部分研究工作, 在此一并表示衷心的感谢。

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Structural Styles and Evolution Models of Intracratonic Strike-slip Faults and the Implications for Reservoir Exploration and Appraisal: A Case Study of the Shunbei Area, Tarim Basin

DENG Shang1, 2, 3, LIU Yuqing1*, LIU Jun2, HAN Jun2, WANG Bin1and ZHAO Rui1

(1.100083,; 2.830011,; 3.100083,)

Based on detailed structural characterization and geometric analysis, the structural styles of the strike-slip faults in the Shunbei area are determined and the evolution models are proposed. Incorporated with analysis of production data, the controls of strike-slip fault evolution on the formation of reservoir space as well as the heterogeneous distribution of hydrocarbon along the faults are discussed. The new findings include the following: (1) The strike-slip faults in the Shunbei area are characterized by “layered deformation” in profiles, which display subvertical segments as “principal displacement zone” at depth and en echelon normal fault zones at relatively shallow parts. The interfaces between the “layered deformations” are commonly lithological boundaries, and the fault segmentations are usually developed in the carbonate rocks (i.e., target layers for exploration). The length to width ratios of the step-over structures between segments are around 3.2; (2) “Pressure ridges and graben” composite structures are also developed in the strike-slip faults in the Shunbei area. The formation of the overlying graben structure is associated with the movement of the underlying pressure ridges; (3) The evolution of the strike-slip faults in the Shunbei area is controlled by the superposition of stress fields in the northern and southern regions. Such a superposition caused a counterclockwise rotation of the maximum compressive stress from NNE-orientation in the south to the NNW-orientation in north, which shaped the curved trace of the Shunbei 5 at the early stage of evolution; and (4) Pressure ridges and push-up step-overs cut through the source rocks at depth, and they both can control the hydrocarbon accumulation in the carbonate rocks developed above the source rocks. In contrast, the graben structures are not directly connected with the source rocks due to their nature of downward propagation into the carbonate rocks, and no reservoirs associated with the graben faults have been discovered so far. In the study area, the intensity of fault movements at the later stages can control the charge amount of hydrocarbons at higher maturity levels.

Composite structure; evolution model; strike-slip faults; control the hydrocarbon accumulation; Tarim Basin

P54

A

1001-1552(2021)06-1111-016

10.16539/j.ddgzyckx.2020.05.015

2020-04-26;

2020-09-09;

2020-11-19

国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(U19B6003)、中石化科技部项目(P20062)联合资助。

邓尚(1987–), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事构造地质与石油地质综合研究。Email: shang_deng@126.com

刘雨晴(1990–), 女, 博士, 主要从事构造地质与石油地质综合研究。Email: liuyqsmile@163.com