鄂尔多斯盆地苏里格东二区走滑断裂结构特征及其对流体分布的控制作用

宋 清，孙盼科，相金元，田发金，吕凤清，贾浪波，姜世一，沈宇豪，徐怀民，张 林，何太洪，方向阳

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油西部钻探工程有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300；4.中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏 银川 750000；5.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710000)

0 引 言

断裂作为一种最常见的构造变形样式，对含油气盆地的沉积及后期的油气成藏与富集都具有重要的控制作用，因此断裂相关的研究一直是油气勘探、开发过程中研究的重点和难点。近年来，随着地震资料采集、解释技术的发展以及研究人员对盆地内部构造要素认识的深入，走滑断裂相关的研究越发得到人们的重视[1-3]。截止目前，在塔里木盆地、渤海湾盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地等大型含油气盆地中均已发现多个受走滑断裂控制的油气田和油气藏，油气资源潜力巨大[3-6]。然而，受走滑断裂复杂结构及其不同垂向分期、平面分段演化规律的影响，断裂带两侧的油气成藏具有“多期成藏、差异富集”的特征[7-10]。此外，生产实践表明，走滑断裂沿走向不同位置及垂直走向不同位置的生产井开发特征差异巨大，油、气、水关系复杂[5，11]。因此，开展走滑断裂结构解析及其对流体差异富集的控制作用具有重要的理论与现实意义。

鄂尔多斯盆地油气资源丰富，目前已经在奥陶系马家沟组、石炭系山西组和石盒子组、三叠系延长组以及侏罗系延安组发现十亿吨级大油区和万亿立方米大气区[1，3，12-13]。然而，盆地早期的勘探及开发主要聚焦在砂体空间展布及结构、储层质量及非均质性、源储配置关系等方面，认为这些是流体差异富集及分布的主控因素[13-14]，对于断裂或者走滑断裂对油气成藏的控制及开发的影响缺少系统、深入的研究。近年来，盆地北部多个地区发现受构造作用控制的天然气富集区，表明鄂尔多斯盆地走滑断裂对油气差异富集及复杂流体分布的影响不可忽视[15-18]。本次研究区位于鄂尔多斯盆地苏里格气田东二区北部的气水同层区，区内断裂发育，断裂附近生产井产能差异大，开井见水特征常见，气水关系复杂，但是断裂如何控制流体分布及产能差异的原因尚不明确，因此，迫切需要开展断裂结构特征及其对流体分布的差异控制作用研究。本文在区域构造应力背景及构造演化认识的基础上，充分利用研究区地震、测井及生产动态等资料，开展走滑断裂结构解析，揭示其平剖样式及不同位置的特征，总结其不同垂向分期、平面分段演化规律。在此基础上，开展走滑断裂对成藏流体差异富集及开发流体分布的影响，总结流体差异富集、分布模式。研究成果可以揭示研究区走滑断裂结构特征及其对流体分布的影响，为下一步有利目标寻找及开发调整提供地质指导。

1 研究区概况

本次研究工区位于鄂尔多斯盆地苏里格气田东二区北部，构造上属于伊盟隆起与伊陕斜坡过渡带，工区东西长约50 km，南北跨度约45 km，总面积在2000 km2以上。研究区整体呈现北东高、南西低的单斜构造特征，北部发育近东西走向的泊尔江海子断裂(简称PF)，如图1(a)和(b)所示，该断裂具有三期活动特征并以走滑性质为主，控制着区内地层、沉积及断裂的发育[19-21]。区内主断裂近东西向贯穿整个研究区，其内部由一系列羽状、菱块状或辫状剪切带组成，为典型的走滑断裂(图1(c))；次级断裂多呈北西、北东向分布，与主断裂相伴生，整体呈现低角度斜交的特征。研究区上古生界发育本溪组、太原组、山西组、石盒子组、石千峰组5套地层，自下而上经历了滨海相到河流相的沉积演化。其中，本溪组、太原组和山西组均发育有煤层、暗色泥岩及炭质泥岩，为区内良好的烃源岩；山西组—下石盒子组盒8段内部河流相储层发育，形成多套“自生自储、下生上储”储盖组合(图(2))，这也是研究区的主要产气层段。

图1 研究区构造位置、构造特征及盒8下亚段气水平面分布图(图(a)修改自文献[12])

图2 研究区地层综合柱状图

图3 研究区构造应力变化

研究区的构造演化受整个鄂尔多斯盆地构造演化的控制，自古生代以来，其构造演化主要经历了4个阶段(图(3))：加里东期—海西期，北部西伯利亚板块与南部秦岭板块先后在鄂尔多斯北缘、南缘发生“汇聚碰撞”形成区内南北向的挤压应力；印支期—早中燕山期，在继承南北应力的基础上，阿拉善地块向东推出，区内构造应力场发生一定偏转，但整体仍表现为近南北向；燕山晚期，古太平洋板块北西向俯冲，与先前的构造应力叠加，进而在研究区形成右旋走滑剪切；喜山期，构造应力反转，研究区早期基底断裂发生活化改造[20-25]。受构造演化过程控制，苏里格地区侏罗世进入生油阶段，早白垩世进入生气阶段[26-28]，成藏流体经历了早期成藏富集到后期调整、再富集的过程。先期形成的气藏受后期走滑断裂及断裂活化的影响发生调整，导致复杂的气水关系或者次生气藏的形成[29]。目前，研究区主力含气层山西组—下石盒子组盒8段具有上气下水、上水下气等多种流体赋存模式，断裂带周缘气水关系复杂(图1(c))，生产井生产特征差异大，断裂对气水分布的控制作用有待进一步研究。

2 断裂识别及分期分段特征分析

2.1 断裂结构解析

针对研究区走滑断裂结构特征复杂及其对气水分布控制作用不明等问题，本次研究在区域构造演化认识的基础上，利用地震资料通过剖面解释的方式对走滑断裂结构进行了精细解析，共识别出单断类和组合类共2类5型剖面构造样式，组合出5种平面结构样式(图(4))。

单断类主要有高陡直立型和倾向摆动型2种构造样式(图4中AA’和BB’)。地震剖面上，该类断裂均表现为直立高陡状的特征，垂直断距小，纵向断至基底。高陡直立型断裂倾向基本不变，断面近似直立，近东西向发育，平面延伸距离短，沿走向断距“时隐时现”。倾向摆动型断裂倾向沿走向发生变化，倾角往往大于80°，断面沿走向或南或北倾斜，空间上表现为典型的“丝带效应”[30]。平面上，高陡直线型断裂和倾向摆动型断裂在深层均表现为直线型特征，在浅层仍可继承直线型特征或由多个断裂组合成雁列状特征。

图4 研究区走滑断层地震剖面特征及平面组合示意图

图5 研究区走滑断裂结构解析模式图

组合类由数量不等的派生R、P剪切断层组成，主要的构造样式有Y字型、半负花状和负花状3种，均表现为走滑背景下的拉伸构造，变形样式由简单到复杂。地震剖面上，Y字型断裂由两组倾向相反的分支断层构成，表现为分叉状的特征(图4中CC’)。半负花状断裂一侧为多个派生剪切断层组合，与主断裂斜交，表现为向上撒开向下汇聚的特征(图4中EE’和FF’)；负花状断裂两侧均发育派生剪切断层，同半花状特征相似(图4DD’和GG’)。平面上，Y字型断裂在深层与浅层均表现为叠置状特征，且叠置面积向上逐渐变大；半花状和负花状在深层表现为直线型、羽状、菱块状或辫状，浅层继承性发育且向上规模有增大趋势。整体上，组合类断层倾角和断距较单断类明显增大，派生剪切断层发育程度更高。

在走滑断裂结构解析的基础上，进一步分析了走滑断裂不同位置不同结构样式断层的分布特征。对于主走滑带而言，断裂端部应力相对分散，分支断层不发育，平面上表现为直线型、叠置状或斜交型。断裂主体部位应力集中，原主干断层随着纵向位移量增大，两侧发育派生剪切断层，构造变形样式也更加复杂，从单一直线型变化为羽状、辫状，其中辫状构造内部发育小幅隆升的压扭区和局部沉陷的张扭区(图(5))。

2.2 断裂分期分段演化特征

2.2.1 断裂分期演化特征

在走滑断裂结构分段解析的基础上，结合研究区的构造演化特征进一步对断裂的分期分段演化特征进行了总结。研究区经历了4期构造演化过程，前两期以南北向挤压为主，第三期以右旋剪切为主，而第四期则表现为北东—南西向拉张。因此，总体上可将断裂的垂向分期演化划分为三个阶段，自下而上可划分为深、中、浅3个构造层(图(6))。深层构造层对应于加里东期—早燕山期构造发展阶段，中构造层对应于燕山中晚期构造发展阶段，浅构造层对应于喜山期构造发展阶段。

加里东期—海西期，受南北向挤压应力作用的影响，早期基底断裂开始活动。此时断裂在剖面上多表现为高陡直立状，断层两侧地震同相轴错断不明显，平面上呈近东西向线性短距离延伸。印支期—早燕山期，研究区继承近南北向的挤压应力，断裂继续发育，规模逐渐变大。平面上，这些继承性断裂仍线性延伸，是后期主位移带的基础(图6(a))。

图6 研究区不同构造层断裂演化序列特征

图7 走滑断层平面分段特征

燕山中晚期，古太平洋板块向北西向俯冲，阿拉善地块受西南侧祁连褶皱带和北侧兴蒙褶皱带的共同作用向南东向挤压，这两个方向的构造应力共同构成了研究区北西—南东向的剪切作用。该剪切作用使研究区发生右旋走滑，走滑断层的形成是在深层构造层断裂发育的基础上，沿断层破裂点向上延伸，在主断裂周围发育多个派生剪切断层。剖面上，该时期断层由早期单断型断层变成Y字型和负花状。平面上，由早期的单一线性延伸向羽状、菱块状或辫状演化(图6(b))。

喜山期，印度—欧亚板块碰撞导致的远程效应使研究区发生构造应力反转，北东—南西向的拉张应力使该时期整个盆地进入断陷阶段，剖面上表现为部分未受改造的逆断裂反转为正断层，平面上沿主走滑断裂带伴随发育雁列式的正断层(图6(c))。

综合断裂的分期演化特征及断裂结构样式可以发现，不同结构样式断裂在不同构造层的分布特征存在明显差异。深层构造层断层向下断至基底，向上延伸至三叠系，断层两侧地层变化幅度小，主要发育单断类断层。中层构造层断层在早期发育断层的基础上，受右旋张扭作用改造表现为走滑性质，在断裂主体部位，主干断层与分支断层呈花状向上撒开，向下分支断层汇聚到主干断层，剖面上表现为Y字型、半负花状和负花状等典型构造样式；而在断裂端部，分支断层不发育，剖面上表现为高陡直立状特征。浅层构造层受拉张应力作用影响，一部分在原先断层的基础上发生构造反转，另一部分浅层断裂呈现雁列状分布特征。

2.2.2 断裂分段发育特征

在走滑断裂分期演化特征分析的基础上，结合研究区的断层平面分布特征及派生断层组合模式，进一步对断层的分段发育特征进行了总结。走滑断裂的主位移带在平面上表现为线性延伸的剪切段，在局部也可以形成由派生断层组成的剪切段。本文根据断裂解释结果，将研究区断裂依据平面分布及成因组合划分为“三段式”(图(7))。

线性拉分西段(图(7)中①—②)。该分段主位移带主要以两组线性延伸并近似平行于走滑方向的剪切段共同构成，在剖面上发育单断类断层，均表现为高陡直立状，平面上线性或叠置状分布，两侧伴生断裂不发育。在两组断层的阶状重叠区，是两组走滑断层共同形成的右阶右旋走滑断裂带，剖面上可见两组走滑断层内部发育局部低的构造，属于典型的拉分构造。这类拉分构造内部往往伴生因拉张作用所形成的张破裂，是油气有利富集的区域，同时高陡断层的封闭性作用也有利后期稳产开发。

派生剪切中段(图(7)中③—⑤)。该分段符合里德尔剪切模型，主位移带由一系列次级断裂组成：R剪切、P剪切和分支断层等，在剖面上均表现为组合类断层，平面上对应羽状构造、辫状。从实际解剖图可以发现，P剪切发育于两个R剪切的重叠处，是局部应力重新分配的结果，分支断层存在R剪切两侧。与纯剪切作用相比，不同之处在于主位移带随着应力增强，走滑量增加，由单一的线性延伸逐渐演化为多剪切作用所构成的派生剪切带。这些派生剪切断层相互交汇，沿走向改造作用强，断块内部及两侧一定距离内储层物性质量得到改善，是油气有利的富集区域。同时这类派生剪切作用因为断层发育密集，导致断层封闭性弱，在后期开发过程中可能会出现产量高开低走或见水率高的特征。

混合剪切东段(图(7)中⑥—⑦)。该分段主位移带由一组线性剪切段和一组派生剪切段构成，剖面上既发育高陡直立断层，也发育负花状断层，平面上对应为直线型和斜交型。混合剪切段处在主断裂带的端部，构造应力相对分散，派生剪切发育规模相较派生剪切中段变小，花状构造向上撒开幅度也相应变小。与此同时，该分段内部可见明显的构造凸起，可以作为油气有利的富集区。

综合断层垂向分期和平面分段特征来看(表1)，在加里东期—早中燕山期，断裂受区域挤压应力控制，各个分段断层在平面及剖面上构造变形无明显差异；燕山期发生右旋走滑，以派生断层发育为典型特征，走滑断层中段和东段发育半负花状和负花状构造，沿断层走向平面组合呈规律性变化，断层两端由于应力发散派生构造以线性或雁列状居多，中段剪切作用强，多形成辫状、羽状和辫状组合。喜山期构造反转，剖面上在浅层发育部分正断层，同时部分早期断裂发生断层性质发转，平面上均以雁列状展布为主。

表1 断层平剖面分期分段演化差异结构

3 断裂带对流体的差异控制作用

复杂的断裂结构及其分期分段演化特征对研究区的流体分布具有重要的控制作用。现今的断裂结构控制了现今流体的分布及其开发特征，断裂的分期分段特征对油气的成藏和调整具有重要的控制作用。

3.1 不同成因及构造样式断裂对流体差异富集的控制

本文结合断裂的不同结构样式和断裂带附近现今流体分布及生产动态特征，对主力产气层段的流体差异富集模式进行了总结，主要归纳为以下4类：

单断-封闭-稳产上升型。该类型主要发育在西段和东段，高陡直立型断层发育，断层封闭性强，流体在断层两侧均有富集，但构造高点一侧富集程度相对更高。通过对多口生产井的数据统计发现，处于构造高点一侧的生产井属于稳产快速上升型，具有日产气量高，见水率低，生产措施调整少，累产气量高的特征；而断层另一侧构造相对低部位的井则表现为累产气反“Z”变化，产能低、稳产时间短的特征，表明天然气富集程度较低(图8(a))。

图8 不同成因及构造样式断裂流体分布及生产差异

组合-开启-低产速降型。该类型在研究区的中、东段均有分布，由于负花状断层整体呈现出阶梯状，断层封闭性差，使得早期形成的天然气藏容易沿着断裂发生调整，主断裂一侧的花状分支改变了成藏期的流体分布，沿着断裂向上油气的富集程度也逐渐变高。断裂附近实际开发井的生产数据表明，该断裂样式下的生产井生产情况不稳定，具有“高开低走”或“间续”生产特征，累产曲线呈现出“L”型，通过关井复压等调整措施，后续生产状况也未能得到显著提高，现今的流体分布呈现“富集水、零星气”的特征(图8(b))。

拉分-半开启-高产缓降型。该类型主要出现在西段，由两条主断层控制形成拉分构造，内部同时伴生张破裂。拉分构造的形成对早期成藏流体进行了重新分配，同时对早期沉积储层也进行了重新改造，在拉分构造内部局部高部位或未受改造作用影响的早期有利成藏位置是天然气的富集区。实际生产资料表明，位于该位置处的生产井具有初期高效生产、待能量减弱后也能保持稳定生产的特征，属于“两段式”开发，总产气量处于高位(图8(c))。

剪切-半开启-低产缓降型。该类型常见于中、东段，分布在Y型或花状断层一侧，同样处于半开启状态。与拉分构造内的张破裂改造作用不同，该类型构造样式流体更多聚集在构造高部位。产气量提升依赖于多次关井调整，补充地下开采能量，相同生产时间内，总产气量相对较低，日产气能力也是呈阶梯状递减趋势(图8(d))。R剪切与P剪切改造的羽状和辫状构造，平面流体分布复杂，羽状形成的断鼻构造富集少量流体，辫状构造内部由于沉积储层改造程度较高，也是流体聚集的有利场所。实际生产资料表明，位于羽状和辫状构造样式附近生产井的累产气量相当，生产情况具有相似性，呈现先上升后陡降的特征(图8(e))。

综合各类流体富集模式可以看出，研究区单断-封闭型和拉分-半开启型断裂发育区是主要的天然气聚集区，开发井实际生产情况最稳定；剪切-半开启型断裂主要位置，天然气沿剪切带两侧均出现聚集，内部仅部署了少量生产井，后期可优选目标进行进一步的开发部署；组合-开启型主要发育在断层密集的中段，断层开启状态下，流体易发生二次调整，生产情况不理想。

3.2 派生剪切段流体差异分布实例解剖

在明确不同成因及构造样式断裂对流体差异富集控制作用的基础上，本文以研究区中段走滑断层为例，结合其本身分期分段发育特征，抽象出研究区派生剪切段的流体差异分布模式。

根据已知气测资料显示，CH4含量在垂向上总体表现为递增的现象(图(9))。断层作为天然气垂向运移的有效路径，往往会出现天然气顺断层向上“甲烷化”的趋势[31-32]。例如，W11井位于派生剪切带上，天然气沿着断层发生垂向运移，导致上部层位的CH4含量略高于下部层位(图9(a))，但由于该部位无法形成有效圈闭，导致轻质组分继续向上逸散；而对于距离派生剪切带有一定距离的W10井而言，上部层位的气测数据与实钻含气厚度均证实了该井的高部位发育次生气藏，轻质组分含量显著增加(图9(b))。

图9 研究区目的层段天然气纵向组分变化

盒8下亚段天然气干燥系数及全烃含量平面分布表明(图10(a)和(b))，派生剪切段断层的改造作用使得早期成藏富集的天然气难以保存，天然气具有从断裂发育位置向两翼方向疏导运移的趋势，并且随着距离增加，天然气干燥系数和全烃含量逐渐增加，天然气富集程度越来越高。结合现今流体分布模式可知，现今的流体分布主要受控于成藏后期断层的调整，早期形成的油气藏受晚燕山期走滑断层和喜山期构造应力反转的影响，经历了大规模二次调整。此外，根据实际生产井的生产情况可知，部署在派生剪切段花状构造一侧的生产井实际开采效果欠佳，属于典型的组合-开启-低产速降型富集，试气无产能。综上分析可知，沿断裂带走向部署的生产井无产能或低效生产，同时产水率异常高，这是因为该部位后期的断裂活动导致天然气发生逸散，气藏压力降低，地层水充注原先气藏，从而使生产井表现为低产气、高产水的特征(图10(c))。而断裂带两侧的有利成藏区生产井具有高产的特征，这是因为早期形成的气藏经过走滑断层及后期正断层的调整，可以在上覆有效圈闭中形成次生气藏。

图10 派生剪切段天然气运移趋势及流体分布模式

4 结 论

(1)苏里格东二区走滑断裂在剖面上共发育2类5型构造样式，分别为单断类的高陡直立型、倾向摆动型，以及组合类的Y字型、半负花状以及负花状。平面上发育直线型、叠置状、斜交状、羽状、辫状5种平面结构样式。

(2)走滑断裂具有“三期三段”发育特征。线性拉分西段在剖面上主要表现为单断类断层向上继承性发育的特征，由于构造应力相对分散，平面上结构样式表现为直线型和叠置状。派生剪切中段自下而上经历了早期单断类、向上花状及雁列状的演化，该分段构造应力集中，导致平面上构造样式表现为复杂的羽状、辫状。混合剪切东段兼具前两个分段的构造样式特点。

(3)不同构造样式的断裂控制了4类流体富集发育模式。其中，单断-封闭型和拉分-半开启型断裂发育区具有日产气量高、见水率低、累产气量高的特征。剪切-半开启型断裂发育区具有日产气能力递减、总产气量相对较低的特征。组合-开启型断裂发育区具有富集水、零星气的特征。沿断裂带走向的花状构造导致原生气藏遭受破坏作用明显，天然气顺断层向上可能形成局部次生气藏或沿连通砂体发生进一步的横向运移调整。