塔里木盆地沙井子构造带志留系油气勘探突破及启示

2022-03-07张君峰张远银高永进

石油勘探与开发 2022年1期

张君峰，张远银，高永进

（中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083）

0 引言

塔里木盆地志留系分布面积近 25×104km2，在北部坳陷、西南坳陷及塔中隆起、塔北隆起和巴楚隆起等盆地主要构造单元均有分布[1-3]。依据全国第3次资评结果，塔里木盆地台盆区志留系地质资源量为5.98×108t，但截至 2018年，全盆地志留系仅提交石油三级储量8 011.97×104t，勘探程度极低[1]。依据各类钻探资料，前人开展了塔中和塔北等地区志留系沥青砂岩的特征、成因、形成期次和演化历程研究[4-7]，明确了志留系沥青砂岩的成因类型[4]和晚加里东期、晚海西期和燕山—喜马拉雅期3个主要油气成藏期次[8-9]，讨论了晚加里东期油气散失量[1,6]及残留沥青对油气保存的作用和二次生烃的潜力[10]，梳理了重点地区志留系沉积特征与储集层类型[11-16]，指出了古隆起构造背景对志留系油气规模聚集具有一定控制作用[8]，着重开展了塔中和塔北等继承性古隆起及其周缘的志留系油气成藏模式与分布规律研究[2-3,5,8]。尽管塔西北柯坪断隆沙井子构造带志留系露头广泛出露，为地层划分、岩性识别和沉积建造分析提供了直接资料[17-18]，但其油气成藏潜力研究十分薄弱，特别是复杂的构造运动造成下古生界直接高陡出露，普遍认为其志留系油气保存条件较差。

1990—2003 年石油企业曾沿沙井子断裂部署若干条北西向二维地震测线，成像效果较差，剖面显示地层为单斜背景，认为难于聚集油气，油企未曾部署探井，于2012年退出探矿权。笔者认为，长期制约沙井子构造带志留系油气突破的关键地质问题主要有两个：①对沙井子断裂及其伴生断裂的展布和演化认识不清，限制了对沙井子构造带单斜背景上潜在圈闭形成和分布的研究；②沙井子构造带志留系露头普遍见到初期油藏遭受破坏后形成的沥青砂岩，缺乏对后期成藏条件的系统分析和实践探索。因此开展沙井子构造带志留系的地层特征及油气潜力研究对于厘清盆地志留纪岩相古地理环境、探索复杂山前带油气成藏规律及评估塔西北志留系勘探方案至关重要。

基于2013—2018年间对沙井子构造带地层展布和油气潜力的持续攻关，2018年沙井子构造带钻探的新苏地1井首次在塔西北志留系获得工业气流，2020年邻近的新苏参 1井于志留系相同层位获得更好油气显示。基于沙井子地区钻探、试油、地球化学及地质特征等资料分析和野外剖面测量结果，结合二维地震资料目标处理与精细解释，开展沙井子构造带构造演化、志留系沉积与成藏等综合研究，以期厘定油气成藏要素和主控因素，建立志留系油气成藏模式，评价塔西北地区资源潜力，指出下步有利勘探区。

1 地质概况

柯坪断隆位于塔里木盆地西北部（见图1），是新生代南天山褶皱冲断系的一部分[19]，为盆地一级构造单元[17]。温宿凸起位于该断隆上段，为二级构造单元。沙井子断裂是盆地一级构造单元柯坪断隆和北部坳陷的分界线，同时也是二级构造单元温宿凸起和阿瓦提凹陷的分界线[17]（见图 1b）。沙井子断裂带呈北东—南西走向，西南接柯坪塔格断裂并与阿恰断裂交汇，东北抵达喀拉玉尔滚断裂，发育深部楔状冲断、狭义沙井子断裂和浅部伸展断层等 3套断裂体系[19-21]。依据野外露头和实际钻井资料，柯坪断隆中东段地层发育较为齐全（见图2），自上而下依次为第四系（Q）、新近系（N）、古近系（E）、二叠系（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）、奥陶系（O）、寒武系（—C）、震旦系（Z）和中元古界阿克苏群（Pt2ak），未见白垩系（K）、侏罗系（J）和三叠系（T）[17]。志留系在柯坪断隆中东段大范围出露（见图1b），主要包括上统克兹尔塔格组（（S3—D）k）、中统依木干他乌组（S2y）、下统塔塔埃尔塔格组（S1t）和柯坪塔格组（S1k）。其中，克兹尔塔格组主要为紫红色、棕红色厚层、块状粉—细砂岩，局部夹含砾砂岩、砾岩及泥岩；依木干他乌组主要为紫红色泥岩；塔塔埃尔塔格组主要为暗紫红色、紫红色薄层至中层状细砂岩、粉砂岩；柯坪塔格组主要为灰绿色、深灰色细砂岩、泥质粉砂岩。

图1 塔里木盆地西北部构造位置图

图2 柯坪断隆东部地区地层概略图

沙井子构造带西侧有大量下古生界出露，地层倾角普遍较大（30°～75°），四石厂、大湾沟等露头剖面柯坪塔格组下段均可观察到沥青质砂岩，什艾日克、肖尔布拉克、四石厂、大湾沟等露头剖面亦有寒武系—奥陶系烃源岩出露（见图1b）。

2 勘探突破

2018年中国地质调查局油气资源调查中心在沙井子构造带部署实施了新苏地1井，完钻井深2 882 m，完钻层位为奥陶系大湾沟组，具体钻揭地层及厚度见图2。其中，志留系柯坪塔格组可分为：柯上段砂泥岩互层（厚126 m）、柯中段泥岩（厚53 m）和柯下段砂泥岩互层（厚182 m）。新苏地1井志留系柯坪塔格组取心见油浸砂岩1.45 m/1层，油迹砂岩6.49 m/6层，滴水呈珍珠状，荧光滴照呈亮黄色放射状，砂岩浸水见气泡和油花溢出。砂体孔隙度为 5%～8%，岩心测试渗透率为（0.5～1.5）×10-3μm2，属低孔低渗储集层。新苏地1井柯坪塔格组综合解释气层6.9 m/4层，气水同层11.8 m/1层（见图3）。

新苏地1井柯下段2 525.5～2 528.5 m（3 m/1层）小型加砂压裂试气套压最大为4.8 MPa，获天然气日产量为1.260 5×104m3，累产气量为3.781 5×104m3，日产水量为16.38 m3，累产水量为55.57 m3，测试结论为“气水同层”。新苏地1井柯上段2 377～2 386 m和2 409～2 413 m（13 m/2层）中型加砂压裂试气最大套压为1.03 MPa，日均产气量为1.681 7×104m3，累计产气29.109 5×104m3，累计产油2.16 m3，测试结论为“气层”。新苏地1井首次获得塔里木盆地西北部志留系工业气流，实现了塔西北志留系自上世纪50年代勘探以来的重大突破。

新苏参1井位于新苏地 1井上倾方向（两井相距约1 150 m），主探寒武系盐下，同样揭示了志留系柯下段和柯上段两套有利砂岩段。两井钻揭柯坪塔格组两套砂岩厚度大致相当，但新苏参 1井志留系砂岩较新苏地 1井埋深整体抬高约 78～110 m，油气显示更好，柯坪塔格组取心见油浸砂岩5.41 m/8层、油斑砂岩2.1 m/2层、油迹砂岩6.83 m/3层，砂体岩心测试孔隙度为6%～8%，渗透率为（0.5～1.5）×10-3μm2，综合解释气层59 m/12层，气层厚度大，油气潜力大。目前该井正自下而上开展地层含油气性测试。

图3 新苏地1井志留系柯坪塔格组四性关系图

3 油气地球化学特征及油源分析

新苏地 1井于志留系柯坪塔格组上段和下段的天然气相关参数如表1所示，两段天然气成分基本相同，甲烷含量较高。柯下段原油密度为0.883 3 g/cm3，50 ℃温度下的黏度为16.98 mPa·s，含蜡量为3.4%，凝固点为4 ℃，为常规稀油（中质油），具有低黏、低蜡的特点。柯下段关井求得测试层中部（2 527 m）静压24.47 MPa，地层压力系数为0.987，温度为41.88 ℃，柯上段关井求得测试层中部（2 395 m）压力为24.27 MPa，地层压力系数为1.033，温度为41.05 ℃。

表1 新苏地1井柯坪塔格组天然气样品参数

新苏地1井志留系柯坪塔格组上段原油族组分以饱和烃为主（52.87%～72.65%），其次是芳烃（19.25%～29.67%）和非烃（5.80%～11.36%），沥青质含量相对较高（2.31%～16.35%），饱和烃含量与芳香烃含量比（1.78～3.77，均值为 2.78）、非烃含量与沥青含量比（0.44～2.51，均值为1.32）与塔中志留系原油相近（均值分别为 2.00，1.49）[22]。新苏地 1井原油具有一定的姥鲛烷优势，姥植比为0.78～0.85，二苯并噻吩含量与菲含量比和姥植比关系图版指示志留系原油/沥青（砂）属于典型的海相成因（一般小于1），表明母源岩形成于还原的原始沉积环境。新苏地1井原油规则甾烷呈左低右高的不对称“V”字型（近反“L”型）分布（见图4），整体具有相对较低的重排甾烷（重排甾烷含量与规则甾烷含量之比为0.21～0.27）和C30-重排藿烷含量（C30-重排藿烷含量与 C30藿烷含量之比为0.10～0.13）、较低的伽马蜡烷指数（0.13～0.15）。油-油对比表明，沙井子构造带志留系原油与塔中地区志留系早期充注原油的地球化学特征及指标多数接近，指示其成因总体相似，后者油源为寒武系—奥陶系烃源岩混源[22]。油-岩对比表明，尽管新苏地1井志留系原油的生物标志物参数与浅部获取（露头、钻井）寒武系—奥陶系烃源岩相关性不高，但其族组分碳同位素组成和单体烃硫同位素组成与寒武系玉尔吐斯组页岩相对接近，亲缘关系较好，指示玉尔吐斯组页岩有重要成烃贡献。综合分析认为，新苏地1井志留系原油主要来自阿瓦提凹陷深部寒武系—奥陶系烃源岩，以寒武系烃源岩为主。

图4 沙井子构造带及塔中隆起区志留系柯坪塔格组部分原油饱和烃m/z 217、m/z 191质子色谱图对比

新苏地 1井志留系天然气碳同位素组成偏轻，总体为Ⅰ—Ⅱ型干酪根成因。志留系轻烃的甲基环已烷指数值为33.33，指示其为腐泥型母质生成的天然气；轻烃三角图总体判断其为油型气；（δ13C2-δ13C1）与δ13C1关系图版也指示天然气为油型气。C1/C2+值为31.89～45.41，以甲烷为主，重烃气极少，干燥系数（C1/C1—5）为 0.97～0.99，属于干气。轻烃庚烷值为30、石蜡指数为2，指示天然气属于成熟—高成熟阶段，反映天然气较高的成熟度。甲烷和乙烷的碳同位素组成对比未见明显高温裂解特征。

4 油气成藏条件

4.1 烃源条件与运移通道

沙井子构造带紧邻阿瓦提生烃凹陷，目前已知下古生界主要发育寒武系玉尔吐斯组、奥陶系萨尔干组和印干组3套海相烃源岩[23-24]，多处露头可直接观测，新苏地1井钻揭了印干组和萨尔干组烃源岩，新苏参1井钻揭了印干组、萨尔干组和玉尔吐斯组烃源岩。露头与钻井揭示烃源岩厚度相当、岩性组合相同，但受风化影响，露头样品有机碳和氢指数测量结果偏低，可溶有机质性质信息不足。依据实验室测量和井震标定分析，玉尔吐斯组黑色泥岩TOC值为1.33%～16.79%，镜质体反射率Ro值为1.48%～2.00%，以Ⅰ—Ⅱ1型干酪根为主，厚度约为10～55 m，从柯坪断隆东西部到北部坳陷均有分布，是塔里木盆地目前发现最好的 1套烃源岩；萨尔干组黑色泥岩TOC值为1.15%～9.10%，镜质体反射率Ro值为0.75%～1.20%，以Ⅰ—Ⅱ1型干酪根为主，厚度约4～50 m，在柯坪断隆中西部—阿瓦提凹陷较为发育，是盆地西北部重要烃源岩；印干组泥灰岩样品测试显示其生烃能力差，为非有效烃源岩。

沙井子断裂平面呈北东—南西向，长度达163 km（见图1b），从奥陶纪持续活动到新近纪，控制阿瓦提凹陷—柯坪断隆的构造格局的形成和演化[19-21]。沙井子构造带西北部高陡出露下古生界和部分上古生界，新苏地1井钻揭上奥陶统—第四系（见图2），新苏参1井钻揭寒武系—第四系，各层组岩电特征差异较为显著。基于目标处理的高品质地震资料开展井震标定，可识别沙井子构造带主要层位和断裂展布特征（见图5）。前人明确了沙井子断裂带深部的基底卷入型楔状冲断构造、狭义的沙井子断裂和浅部的伸展构造，特别是二叠纪末—新近纪发育形成的狭义沙井子断裂为高角度的基底卷入型挤压走滑断裂，其规模大，活动时间长[19-21]，有效连接了阿瓦提生烃凹陷和沙井子构造带，并为油气输导提供了良好通道（见图 5）。阿瓦提凹陷深部寒武系—奥陶系烃源岩生成的油气，主要沿成藏期的沙井子断裂及其派生断裂作纵向运移，沿不整合面和砂岩骨架进行横向调整。

初中生要得到物理思维的锻炼，形成对物理问题广泛的独特的认识，就要从物理问题分析的综合性、严密性着手。以浅析动态电路中局部与整体的联系为例，引导学生对一个物理问题进行完整、准确的分析，予以增强学生分析问题的综合性、严密性。当然，上述方法是解决动态电路的一般思路，如果题目里面考查的问题比较特殊，或者题目中只考查一两个物理量的变化时，也不一定全部参照上述步骤，此时只需采用五个步骤中的两、三个步骤即可。

图5 研究区典型地震剖面特征（剖面位置见图1b）

4.2 储集层条件与储盖组合

新苏地1井和新苏参1井柯坪塔格组取心段砂岩岩石类型主要为中—细粒岩屑石英砂岩，石英含量为77%～88%，平均值为78.3%，长石含量为3%～8%，平均值为5.7%，岩屑含量为9%～18%，平均值为15.3%。砂岩碎屑颗粒以中—细粒砂岩为主。岩屑成分主要为石英岩岩屑和少量火成岩屑，偶见千枚岩屑和泥质岩屑。粒间填隙物主要为泥质杂基，方解石和次生石英。方解石中晶结构，斑块状胶结颗粒。石英次生加大强烈。岩心样品测试孔隙度为4.8%～8.4%，平均为6%，渗透率为（0.5～1.5）×10-3μm2，平均值为 0.71×10-3μm2（见图6），属于特低孔、低渗储集层。孔隙类型主要为粒间溶孔，其次为粒间溶孔及少量微裂缝（见图7），孔径一般为 0.1～0.2 mm，孔隙分布不均匀，多呈孤立分布，喉道不发育，整体连通性差。

图6 新苏地1井和新苏参1井柯坪塔格组砂岩样品孔渗性统计

图7 新苏地1井和新苏参1井柯坪塔格组砂岩样品铸体薄片照片

奥陶纪末，中昆仑地块与塔里木地块碰撞形成古塔南隆起和古塔北隆起，控制了后期志留纪向西开口的海湾古地理环境[25-26]，柯坪—阿瓦提地区发育潮控三角洲和潮坪复合沉积体系（见图8）。新苏地1井、新苏参 1井柯下段和柯上段岩心与就近露头可见波痕粉—细砂岩和水平层理粉—细砂岩与黏土互层等沉积建造，为典型潮控三角洲沉积前缘远端沉积。由于距物源较远，水动力作用较弱，新苏地 1井柯坪塔格组砂岩储集层岩心孔隙度较塔中、塔北靠近物源的砂体孔隙度（7%～15%）[7,12]小。另外，沙井子构造带现今岩心测得其最大古应力为85.7 MPa，较英买力地区大35 MPa，指示志留纪沉积后经历的强烈构造挤压可能进一步使得砂岩储集层更加致密，并形成大量裂缝，露头与岩心可见。相比之下，三角洲前缘远端沉积是造成沙井子构造带志留系柯下段和柯上段砂岩储集层物性相对较差的主要因素，推测在其西南靠近物源方向以及盆地中部潮下砂体发育区（见图8）储集层物性更好。

图8 塔里木盆地志留系柯下段沉积相平面图

沙井子构造带志留系自上而下主要发育 3套储盖组合（见图 9）：①依木干他乌组厚层状泥岩盖层（S2y）与塔上段潮道砂岩储集层（S1t2），泥岩段厚度约300～500 m，砂岩段厚度约150～300 m；②塔下段泥岩盖层（S1t1）与柯上段潮控三角洲砂岩储集层（S1k3），泥岩段厚度约50～100 m，砂岩段厚度约80～150 m；③柯中段泥岩盖层（S1k2）与柯下段潮控三角洲砂岩储集层（S1k1），泥岩段厚度约60～150 m，砂岩段厚度约80～150 m。第①套储盖组合中砂岩平均单层厚度7～18 m，泥地比偏低，不利于油气保存，钻探很少发现油气显示。第②和第③套储盖组合中砂岩平均单层厚度2～9 m，泥地比较高，油气保存条件更好，是主要勘探对象。新苏地 1井于第②和第③套储盖组合均获得工业气流。

图9 沙井子地区志留系最有利的3套储盖组合（剖面位置见图8）

志留系储盖组合的形成主要受控于沉积演化影响。柯下段时期，塔里木盆地中部为内浅海沉积，西部自南向北发育大型的潮控辫状河三角洲进积，一直进积到今柯坪断隆的温宿凸起前（见图8），形成储集层段。连井对比（见图9）可见物源大致从西南向东北方向进积，砂体厚度逐渐减薄、粒度变细。柯中段沉积时期，盆地为广泛的内浅海泥岩沉积，是盖层段。柯上段沉积时期，沉积面貌与柯上段大致相当，发育潮控三角洲和潮下砂体，是重要储集层段。塔下段沉积时期，盆地整体沉降，为浅水海湾泥岩，是盖层段。塔上段沉积时期，盆地地形平缓，发育潮汐砂席、砂脊等潮汐砂体，可作为储集层段。依木干他乌组沉积时期盆地主要为浅水海湾泥岩，是盖层段。

4.3 圈闭形成与成藏期次

如图10所示，沙井子断裂从奥陶纪末期开始活动，于晚加里东期—早海西期形成冲断楔，到晚海西期—早印支期初形成断裂带雏形和早期构造类圈闭，后期断层仍持续活动、圈闭不断调整，喜马拉雅期断裂停止活动并最终定型，为圈闭定型期[17-21]。沙井子断裂及其伴生断裂不仅控制了圈闭形成，而且为阿瓦提凹陷深部烃源岩生成油气提供良好运移通道。整体来看，沙井子构造带志留系圈闭以断块、断鼻和背斜等构造类圈闭为主，发育砂岩上倾尖灭型构造-岩性圈闭，表现为受断裂控制、沿构造带有序分布、叠合连片的特征（见图5）。

图10 沙井子构造带—阿瓦提凹陷构造演化剖面[20]（剖面位置见图1b）

塔西北寒武系玉尔吐斯组烃源岩自奥陶纪开始生烃，于晚加里东期—早海西期到达生油高峰，于喜马拉雅期到达生气高峰，现今为高—过成熟阶段[23]；奥陶系萨尔干组烃源岩自早海西期开始生烃，自晚海西—早印支期进入初期生油高峰，现今为成熟—过成熟阶段[24]。新苏地1井和塔中、塔北、顺9井流体包裹体分析指示志留系为多期成藏，主要包括晚加里东—早海西期、晚海西期和喜马拉雅期3个期次[8-9]，分别对应志留系沥青、原油和天然气，与寒武系—奥陶系烃源岩生烃演化史匹配较好。油气成藏正演与反演综合分析认为，沙井子构造带圈闭形成与寒武系—奥陶系烃源岩排烃期时间耦合较好，圈闭在喜马拉雅期定型后，深部烃源岩生成的油气可沿断裂、砂体和不整合面等通道运移至志留系有利部位聚集成藏并赋存至今。

4.4 油藏模式

综上分析，建立了沙井子构造带志留系“构造主控、晚期成藏”的油藏模式（见图11），明确其烃源主要为阿瓦提凹陷深部寒武系玉尔吐斯组和奥陶系萨尔干组泥岩，储集层主要为柯坪塔格组和塔塔埃尔塔格组砂岩，盖层为依木干他乌组、塔下段和柯中段泥岩。沙井子断裂规模大，自加里东期开始活动，并形成一系列派生断裂，既控制了沙井子构造带志留系构造和构造-岩性类砂岩圈闭的形成与分布，又为沟通深部烃源、输导油气提供良好通道。油气多期充注，主要包括晚加里东期、晚海西期—早印支期和喜马拉雅期 3期。志留系圈闭至喜马拉雅期才定型[20]，主要接受寒武系玉尔吐斯组烃源岩气体充注，形成现今油气藏，以气为主，表现为沿构造带有序分布、叠合连片的特征。受沙井子断裂及其伴生断裂控制，沙井子构造带志留系油气藏以断块（新苏地1井和新苏参1井揭示）和断鼻型为主，油气主要沿断裂体系输导，受上覆泥岩盖层和断层侧向封堵，在高部位富集。在阿瓦提凹陷沙井子断裂下盘志留系可能发育背斜型油气藏（沙南2井钻揭三叠系原油），在沙井子构造带斜坡背景上发育有砂岩上倾尖灭型构造-岩性型油气藏，在沙井子断裂上盘远端志留系不整合面附近，可能发育地层型油气藏，但其油藏更易遭受降解变稠。

5 勘探启示

根据构造精细解释，发现塔里木盆地沙井子构造带柯坪塔格组构造类圈闭42个，总面积为668.9 km2，依据圈闭落实程度、油气显示情况、埋藏深度将发现圈闭分为3类。其中，Ⅰ类圈闭为70.2 km2，Ⅱ类圈闭为516.2 km2，Ⅲ类圈闭为82.5 km2。塔西北志留系柯坪塔格组构造类圈闭74个，总面积8 249.2 km2，主要分布于柯坪断隆、巴楚隆起和阿瓦提凹陷东北部，其中，Ⅰ类圈闭为2 261.7 km2，Ⅱ类圈闭为1 322.4 km2，Ⅲ类圈闭为4 665.1 km2。圈闭资源量容积法计算公式为：

依据新苏地1井和新苏参1井实钻和测试信息，沙井子构造带志留系柯坪塔格组砂岩含气高度约300 m，柯坪塔格组上段含气砂体平均厚度为16.5 m，平均有效孔隙度为6%，平均含水饱和度为40%，平均原油密度为0.88 t/m3，平均原油体积系数为1，按照（1）式估算Ⅰ类圈闭资源丰度约为50×104t/km2（油当量），Ⅱ类和Ⅲ类圈闭分别按照1类圈闭资源丰度的60%和20%折算。依每吨原油折1 018 m3天然气的比例，评价沙井子构造带志留系柯坪塔格组天然气圈闭资源量达2.018×1011m3，塔西北（约15×104km2）志留系柯坪塔格组天然气圈闭资源量达2.03×1012m3，勘探潜力巨大，有望成为塔里木盆地油气增储上产重要目的层系。

虽然沙井子构造带位于单斜大背景上，但沙井子断裂规模大，活动时间长，可控制形成一系列圈闭，并且有效沟通阿瓦提凹陷深部烃源岩。志留系柯上段和柯下段均可形成工业气流，不排除局部塔上段有规模成藏的可能。此外，沙井子构造带寒武系、奥陶系、三叠系、石炭系等层段只要发育有效圈闭，均有望形成规模油气藏（见图11），勘探潜力巨大。新苏地1井志留系含气砂岩孔隙下限仅为5%，且钻探过程中气测并不明显，据此复查塔西北多口老井均发现新增加含油气层段。沙井子构造带的勘探成果可为柯坪断隆中西段、巴楚隆起等其他类似复杂山前带地区油气勘探提供借鉴。