鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部断裂体系的发现及地质意义

冯保周，于长录，何太洪，王玉善，冯 琦，刘永涛，常 圆

(1.中国石油集团东方地球物理公司研究院 长庆分院，陕西 西安 710021； 2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司 苏里格分公司，内蒙古 乌审旗 017300； 3.中国石油集团西部钻探工程有限公司 苏里格气田分公司，内蒙古 乌审旗 017300； 4.中海石油(中国)有限公司 海南分公司，海南 海口 570312)

引 言

在鄂尔多斯盆地北部发现了苏里格、大牛地、东胜等多个千亿立方米级大气田，具有广阔的勘探前景。前人认为断裂仅发育于盆地周缘的构造单元，对盆地北部的相关研究主要集中于泊尔江海子断裂带及以北的杭锦旗探区，对于该断裂带以南的伊陕斜坡等盆地本部地区仍以断裂构造不发育、寻找岩性油气藏为主要的勘探思路[1-7]。然而，在伊陕斜坡北部天然气的勘探开发过程中发现，该区气水关系复杂，气藏赋存与优势砂体的展布并不吻合。在钻探过程中有多口井因钻遇断裂而发生井漏，此外，近年新采集处理的二维地震剖面中可明显观察到Tc2(对应石炭系煤层)等主要标志层被错断，这些证据均表明，伊陕斜坡北部存在较为复杂且未被前人重视的断裂体系，并且对上古生界天然气的运聚、成藏有重要影响。

本文以位于伊陕斜坡北部的苏里格气田东区为主要研究区，根据最新的地震、钻测井资料，对该地区断裂系统进行精细构造解释，发现了巴音—木肯走滑断裂带和多组小断层，明确了该地区断裂体系特征和构造样式，对断裂体系的成因和对上古生界天然气赋存的控制进行相应的分析，以期为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡、 天环向斜等地区的油气勘探开发提供新的思路。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是一个多旋回叠合的克拉通盆地，经历了复杂、多期次的构造运动。研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部(图1)，北接由近EW走向的三眼井断层、乌兰吉林庙断层、泊尔江海子断层及李家渠断层等组成的泊尔江海子断裂带。该断裂带具有多期活动的特点，研究区经历了相似的区域构造应力作用过程，具备发育断裂体系的应力条件[8-10](图2)。

图1 研究区位置(据文献[8]修改)

图2 Y6-DPM测线地震剖面(剖面位置见图1)

受隆起控制，鄂尔多斯盆地北部古生界向北减薄并逐渐尖灭。研究区早古生代沉积寒武、奥陶系海相碳酸盐岩，此后，华北克拉通整体抬升、剥蚀。至晚石炭世短暂接受海侵后进入陆相沉积阶段，广覆式沉积石炭系本溪组、二叠系山西组、太原组煤层及暗色泥岩，这是鄂尔多斯盆地上古生界天然气藏的主力烃源岩。二叠系山西组、下石盒子组的砂岩与上石盒子组、石千峰组的泥岩为天然气藏提供了储集层、封盖层[11]。目前开发主力层系仍以上古生界气藏为主，盆地北部大规模开发的天然气藏主要以这几套沉积地层为生储盖组合。

2 断裂发育特征

姚宗惠[12]曾提出沿苏里格庙—乌审召—伊金霍洛旗—东胜发育近北东向断裂体系，本次研究借助最新处理解释的二维地震剖面，证实研究区发育较为复杂的断裂系统(图3)。研究区地震剖面中Tc2、Tj9地震反射层分别对应石炭系煤层、侏罗系延安组煤层底，是研究区特征明显的区域标志层。此外，借助研究区大量井位，对于主要目的层段二叠系盒8段、千5段也进行了层位标定，对应Tp8、Tpq5地震反射层。通过研究区较为密集的二维测网进行构造解释，在剖面上解释断层、平面组合断点，能够真实地刻画研究区的断裂发育特征。

图3 盒8气水分布与断裂系统叠合图

2.1 剖面特征

区内南北向剖面可明显观察到Tc2反射层被错断，断点反射较为清晰，并可观察到断层两盘与之伴生的褶皱；东西向剖面断点较不发育，但依旧可观察到Tc2反射层发育的褶皱、挠曲。从断裂性质上看，走滑断层、正断层、逆断层及反转断层均有发育，断距较小，多在10～40 m，断层倾角普遍较大，不同断层所切割的层位不同，自基底至白垩系地层均被断层错断。其中，逆断层切割层位较少，一组断至下石盒子组并在两盘伴生挠曲褶皱，一组断至侏罗系地层；正断层较逆断层更为陡立，多断穿至近地表；还存在一些上部为正断层下部伴生挤压褶皱的反转断层，表明此种断裂多期次活动，早期为逆断层，后期改造过程中发生了负反转。

笔者在对南北向剖面解释的过程中，还发现一组倾向不定、样式独特的断裂，该断裂向上撒开为多条正断层，且各断裂断穿层位自二叠系至白垩系不等，向下合并归一为一条插入基底的陡立断裂，符合花状构造的样式，在其底部隐约可见中—新元古界裂陷槽。将断点进行平面组合后，发现其为一组横贯研究区的走滑断裂，由4条不连续的呈NW—近EW走向的断裂所组成(图4)，将之命名为巴音—木肯断裂带。鄂尔多斯盆地内部一般发育多组小尺度走滑断裂，此种断距较大、发育典型花状构造的走滑断层在鄂尔多斯盆地本部较少被发现。该断裂的发现有益于揭示鄂尔多斯盆地断裂构造成因机制及控藏作用。

图4 花状构造特征

2.2 平面展布特征

本区密集发育规模小且复杂的断裂系统，断裂平面走向以EW向最多，其次发育部分NE、NW向断裂。除中部走滑断裂单条可达14 km以外，其余断裂平面延伸距离较短，以2～5 km居多。研究区内断裂平面分布差异性较大，北部断裂发育密集、复杂，向南断裂发育程度减弱。本区北侧为断裂发育程度较高的北缘杭锦旗地区，南部为较为稳定的伊陕斜坡，研究区恰好处于其交接部位，故南北断裂展布呈现一定差异。

3 成因机制分析

3.1 断裂活动期次及形成机制

根据地震剖面解释成果，按照断裂性质、展布、切割层位等特征进行划分，研究区断裂至少可分为3个活动期次：Ⅰ期断裂为切割基底至石盒子组的逆断层；Ⅱ期断裂以逆断层为主，切割层位向上可至下白垩统，并发育少部分断穿三叠系—侏罗系的层间断裂；Ⅲ期断裂为断穿基底至近地表的正断层、走滑断层及负反转断层。Ⅰ期断裂发育时间主要为海西期中晚二叠世，以南北向挤压应力为主；Ⅱ期断裂定型时期对应于燕山期晚侏罗世—早白垩世，主要受NW向挤压；Ⅲ期断裂形成于新生代喜山期，受拉张及走滑影响。由于研究区三叠系在剖面上反射较为杂乱，缺乏连续可追踪的同相轴，而且工区内断裂规模较小，断裂性质、延伸和断穿层位也不易识别，故而不作详细讨论。Yang[8]、Xu[9]等学者对北部泊尔江海子等断层生长指数的分析结果显示， 三叠系多条断层生长指数均在0.9～0.98，说明这一时期研究区及临区也受一定的挤压应力作用。

笔者认为，研究区断裂主要有2种成因模式。第一种是受挤压作用，地层以煤层、泥岩、不整合面为滑脱面发生逆冲，发育逆断层，此类断层两盘常伴生牵引构造、断层相关褶皱，形成低幅度背斜；第二类则是由基底断层后期活化所形成的调节断层。前人研究认为，鄂尔多斯盆地基底非均质性较强，发育多组基底断层，并在盆地后期演化中重新活动，对盖层沉积、构造起到一定控制作用[13-14]。本区断裂呈有规律的带状分布，尤其是中部走滑断层与其底部中—新元古界裂陷槽在空间上匹配关系较好，这一走滑断裂或受基底断层隐性活动的控制，由于深部基底断层发生错断、走滑，应力向上传递至盖层使其发生被动变形，从而形成有一定规律呈带状展布的断裂体系。

3.2 断裂形成的区域动力学背景

鄂尔多斯盆地北部构造演化经历了多期次复杂的地质作用过程，控制着研究区及邻区的断裂发育。研究区断裂的形成演化主要经历了加里东—海西期逆冲褶皱、印支—燕山期挤压、喜山期走滑拉张三大阶段。加里东—海西期，华北板块南、北分别受扬子板块向北俯冲、西伯利亚板块碰撞的影响[15]，研究区及邻区受南北向挤压作用，发育大量规模较小、EW走向的逆断层。印支期，扬子板块与华北板块沿秦岭造山带呈“剪刀状”碰撞拼合[16-17]，燕山期，古太平洋板块、西伯利亚板块分别以NW、SN向与欧亚板块碰撞，研究区经受多期次的区域挤压作用，位于北侧的泊尔江海子、李家渠等断裂经受强烈挤压逆冲[18-19]，导致研究区内发育NE走向的逆断层和NW走向的调节断层。喜山期，受太平洋板块及印度板块向欧亚板块俯冲、碰撞的共同影响，鄂尔多斯盆地周缘断陷，内部块体之间沿基底断裂扭动走滑，研究区受走滑拉张应力最终形成现今的断裂构造格局。

4 油气地质意义

4.1 断裂与天然气运移通道

处于开启状态的断裂为天然气的垂向运移提供通道，后期改造过程中形成的断裂对原始气藏起调节和再分配作用，而通天断裂造成天然气的逸散。伊陕斜坡北部及伊盟隆起南部上古生界主要储集层是山2—盒8段砂体，其上有泥岩盖层封盖。然而研究区多口井上石盒子组地层均发现工业气藏，上覆石千峰组甚至三叠系的气测录井也出现异常，说明上古生界天然气发生了一定规模的垂向运移调整与再分配。由于上覆沉积多套区域性泥岩封盖层，且储层砂体非均质性较强，故断裂为天然气垂向运移提供通道，使天然气向远离烃源岩的层段中运移。此外，在伊盟隆起地区天然气大规模向北运移的过程中，断裂与优势砂体及不整合面共同组成油气运移的疏导体系。

Ⅰ期断裂主要错断至下石盒子组储层，并有少部分断裂向上切割至上石盒子组、石千峰组；Ⅱ期断裂中也存在大量沟通烃源岩与上覆地层的断裂。这两期断裂的形成时间均早于主要排烃阶段或与主要排烃阶段同期。在排烃期，处于开启状态的断层能够沟通烃源岩与有利储层，使得天然气垂向运移至有利砂体中成藏，对于天然气成藏具有一定的建设性作用。后期改造过程中形成的Ⅲ期断裂则对原始天然气藏主要起再分配或破坏性作用，该期断裂包括张性及张扭应力形成的正断层、走滑断层及负反转断层，错断自基底至近地表的地层，早期成藏的天然气藏沿该期断裂向上运移从而被破坏。研究区中部的走滑断裂两侧储层出现的无气水带就是气藏被该走滑断层破坏的结果。由于前期对这一问题认识不清，忽视了对断裂控藏的研究，导致该走滑断裂周边部署的井位接连失利。

4.2 断裂对储层的改造作用

鄂尔多斯盆苏里格气田为典型的“先成型”气藏，储层的致密化过程优先于天然气的充注过程。研究区储层时代较老、埋深较大，前期经历强烈的压实作用，具“低孔低渗致密”的物性特征，但断裂对储层有明显的改造作用。研究区内储层有溶孔、晶间孔、残余粒间孔等孔隙类型，并有微裂缝发育。王晓晨[20]在镜下观察到召48井铸体薄片中山23段储层发育微裂缝，但并未考虑到储层中裂缝的形成与断裂相关。事实上，过召48井南北向剖面可以明显观察到其上古生界储层被断裂错断(图5(a))，而断裂及其伴生的节理对储层物性有较强的改善作用。钻探结果证实，召48井山23段储层孔隙度为8.83%，渗透率高达30.35×10-3μm2，对于致密砂岩储层来讲这明显异常，试气结果显示其山23段无阻流量高达13.7×104m3/d。

图5 研究区典型地震剖面(剖面位置见图3)

通过观察研究区内主要储集层段岩心薄片，发现微裂缝普遍存在，部分较发育的地区可达60条/cm2(图6)。镜下微裂缝宽度不等，主要缝宽多在0.1～15 μm，最宽200 μm，产状多为定向平行或低角度斜交，显示微裂缝的形成与断裂活动相关。这些裂缝沿颗粒与填隙物接触处分布，或切穿石英颗粒和高岭石、伊利石胶结物，对于储层物性有良好的改造作用，拓展了储层储集空间，提高了渗透能力。

图6 研究区储层类型及微裂缝特征(Frac-裂缝；Qtz-石英；Deb-岩屑；Or-钾长石；Kln-高岭石)

无论何种类型的断裂，其往往以发育破裂带的方式存在，周围岩石完整性遭到破坏，形成规模不等的节理、裂缝。因此，对于研究区内主要储层，不论断裂性质及形成的期次，凡切割储层的断裂，均对储层物性有建设性的改造作用，但这一过程是否有利于天然气成藏，还需结合断裂封闭性等方面进行综合研究。

4.3 断裂与构造圈闭的关系

研究区除岩性圈闭外，还发育河道砂体与低幅度构造叠合的岩性—构造圈闭(图5(b))。同Ⅰ期逆冲断裂相伴生的断层相关褶皱及逆断层上盘形成的牵引构造使研究区上古生界地层发育低幅度背斜，形成背斜圈闭，当断裂侧向封闭性较强时，还可形成断背斜圈闭。这一认识解释了研究区气水关系异常、气藏与优势储层并不完全吻合的原因。岩性圈闭形成于二叠纪，低幅度构造圈闭主要发育于二叠纪，并最终定型于燕山期，圈闭形成时间早于大规模排烃期或与之同期，为有效圈闭。

4.4 上古生界天然气成藏模式

分析热史及埋藏史，认为晚三叠世盆地进入快速沉降阶段，烃源岩进入生烃门限，随着埋深的不断加大，中侏罗世烃源岩达到成熟，天然气藏进入连续充注阶段[21-22]。而进入白垩纪后，受古太平洋板块俯冲的影响，华北克拉通发生大规模的岩浆活动和岩石圈减薄，鄂尔多斯盆地深部热活动增强，发生大规模沉降。随着这一构造热事件的发生，烃源岩进入过成熟阶段而大量生气，具有广覆式生气的特点。这一时期也是研究区储层基本完成致密化、断裂活动较强的阶段，构造活动、成岩作用、天然气成藏在时空上耦合。鄂尔多斯盆地北部存在两次大规模运移期，第一次为中—晚侏罗世，第二次为早白垩世至今[23-25]。

综上所述，鄂尔多斯盆地北部天然气运移与成藏具有3种模式：第1种为排烃后直接运移至紧邻烃源岩的储层中成藏，这种模式是伊陕斜坡地区天然气最主要的成藏模式；第2种为沿砂体、不整合面、断裂等疏导体系先后向北、北东运移，以侧向运移为主、垂向运移为辅，最终被圈闭捕获的远源成藏模式，这种模式被认为是伊盟隆起杭锦旗等地区天然气成藏的主要模式；第3种模式是以断裂为主要疏导体，天然气垂向运移至上石河子组的砂体中成藏，包括后期改造过程形成的断裂使原始气藏调整再分配的过程。此外，喜山期张扭形成的走滑断层与伸展拉张形成的通天断层使天然气沿垂向散逸，导致一部分气藏被破坏。

5 结 论

(1)研究区可识别出EW、NE、NW走向的断裂，正、逆及走滑断层均有发育，断距较小、倾角较陡，具有多期次活动的特点。断裂大致分为3期：Ⅰ期断裂为切割基底至石盒子组、形成于海西期的逆断层；Ⅱ期断裂为切割至白垩系底，定型于燕山期；Ⅲ期断裂为喜山期发育的正断层、走滑断层及负反转断层，切割层位自基底至白垩系，断裂成因主要有沿滑脱面挤压逆冲和基底断层后期隐性活动。

(2)断裂垂向上沟通烃源岩与砂岩储集层，提供运移通道；断裂及其伴生节理可形成微裂缝，改善致密砂岩储层物性；断裂两盘形成的低幅度背斜、牵引构造及封闭性较好的断层可控制构造圈闭的发育。后期活动的断裂对于原始气藏具有调整和再分配作用，部分断裂破坏原始气藏，导致气水关系异常。伊陕斜坡北部地区天然气存在3种成藏模式：第1种为天然气直接运移至与烃源岩相邻的储层；第2种是以横向运移为主，即沿优势砂体、不整合面、断裂向北远距离运移成藏；第3种是沿断裂垂向运移至远离烃源岩的砂体中成藏。

(3)断裂构造不仅在鄂尔多斯盆地边缘地区发育，伊陕斜坡也有较多断裂存在，并对上古生界气藏具有显著影响。

在鄂尔多斯盆地本部下一步勘探开发过程中，应转变思路，不仅要着重储层预测，寻找有利砂体，也要重视对断裂构造和构造-岩性复合油气藏的研究，并注意规避断层带来的风险。