塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系碳酸盐岩储层结构表征及三维地质建模

陈叔阳，何云峰，王立鑫，尚浩杰，杨昕睿，尹艳树

（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，乌鲁木齐 830000；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉 430100）

0 引言

塔里木盆地顺北油田的勘探实践表明，断裂破碎带既是油气输导通道又是成藏的有利空间，围绕该地区主干断裂带及次级断裂带的油气钻探均取得了较好的成果［1-2］。众多学者对顺北地区走滑断裂的构造特征［3-6］、成藏特征［7-8］以及储集体特征［9］等方面展开了大量的研究攻关，已经认识到该地区岩溶缝洞体的发育与断裂带、构造变形带等均具有较好的匹配关系，且具有明显的断控岩溶特征，这种特殊的圈闭类型被定义为断溶体［3］。围绕断溶体的发育和分布特征，结合地震正、反演及不同属性的融合分析，逐步形成了基于地震资料的断控缝洞体雕刻与量化描述技术，有效地支撑了规模储集体预测和动态连通性分析评价［13-15］；综合分析断层破碎影响带、断溶体及其内部洞穴发育的成因与规模间的联系，形成了断溶体表征与建模策略［16-17］；围绕岩溶洞穴及内部充填特征，通过露头、地震、测井以及动态资料构建了洞穴充填模式，采用多点地质统计学方法构建了洞穴内部结构三维模型［18-19］，有力地指导了顺北地区油气藏的开发与调整。随着勘探与开发的深入，顺北地区断裂因素对油藏的控制作用越发突显，断控型储层主要表现为断裂系统发育，溶蚀作用弱，储集空间主要为断层破碎带和裂缝发育区，其规模较断溶体的溶蚀孔洞小，储层非均质性更强，连通性也更复杂，给油藏开发带来极大的挑战。尤其是现有的研究对走滑断裂带及破碎带结构特征的认识与实际钻井及生产动态表现出来的特征存在较大差异，导致实际油藏的动用情况不明确，对破碎带连通关系和模式也认识不清，剩余油挖潜效果较差，严重制约了油藏的高效开发和调整。因此，亟需对断控型储集体进行精细刻画并建立三维地质模型，揭示储集体内部复杂的结构特征和连通关系，助力油藏剩余油准确预测与开发调整。

以塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系油藏为例，在断控型碳酸盐岩储层内部结构划分与表征的基础上，建立定量化三维地质模型，以期服务于油藏剩余油挖潜，为该区及顺北地区其他相似储集体的开发提供参考。

1 地质概况

顺北油气田主体位于顺托果勒低隆起，东南延伸至古城墟隆起的顺南斜坡，北连沙雅隆起，南接卡塔克隆起，东邻满加尔坳陷，西接阿瓦提坳陷，处于构造相对较低的“鞍部”，整体表现出北高南低、东高西低、相对平缓的特征。顺托果勒低隆起区褶皱变形强度较弱，发育多期活动的走滑断裂，地层发育较为齐全，仅部分组段有不同程度的缺失。受构造沉积演化控制，寒武纪—中奥陶世发育厚度约3 000 m 的碳酸盐岩地层，后期经走滑断裂改造，形成了规模发育的断控型储集体（图1）［9］。

图1 塔里木盆地顺北1 号断裂带构造位置（a）及岩性地层综合柱状图（b）（根据文献［9］修改）Fig.1 Tectonic setting（a）and stratigraphic column（b）of Shunbei No.1 fault zone in Tarim Basin

顺北1 号断裂带位于顺北一区，目前共有21 口钻井，目的层为奥陶系鹰山组—一间房组，岩性主要为碳酸盐岩，埋深为7 200～8 800 m，属于深层—超深层油气藏，钻探揭示油气藏沿区内主干走滑断裂带分布［8］，储集空间主要为构造破裂作用形成的缝洞体系。目前，1 号断裂带共开井16 口，其中采油井10 口，注水井6 口，在开发过程中存在单井开井生产后压力下降速率快、压力不足、水窜情况严重以及主力储层的动用程度低等问题。

2 断控型储层结构层级划分

顺北1 号断裂带断控型碳酸盐岩储集体与在塔河油田等地区发现的断溶体成因相似，都是受走滑断裂的影响和控制，只是在岩溶作用的强弱上存在差异。因此，该断控型碳酸盐岩储集体的精细解剖可以借鉴断溶体的研究思路和方式。同时，为了突出与断溶体的差别及对比，将断控型碳酸盐岩储集体定义为断控体。张文彪等［17］依据成因约束和规模控制将断溶体划分为走滑断裂影响带、断溶体、断溶体内部缝洞带以及洞内充填等4 个层级。采用类比方法，将断控体划分为走滑断裂影响带、断控体、断控体内部类洞穴、类洞穴内簇充填和裂缝带共5 个层级，各层级单元之间具有一定的约束和控制关系，不同层级的储层结构、规模及分布具有明显差异。

2.1 走滑断裂影响带

走滑断裂影响带是走滑断裂形成过程中受扭应力或剪切应力作用所形成的、从断裂根部至顶部呈现的具有一定影响范围的大型破碎带，为断控体的第1 层级。走滑断裂影响带在平面上具有一定的宽度，一般为百米级至千米级，走向延展规模较大，一般为数万米，受应力差异的影响表现出一定的分段性，在研究区内可识别出挤压段、拉分段和平移段，通常交替出现。各段具有一定的特征差异，在挤压段和拉分段，从断裂根部到顶部因应力释放呈现出“Y”形或花状，破碎带宽度整体呈“下窄上宽”的特征；在平移段，从断裂根部到顶部破碎带的宽度变化不大，呈柱状或单支状，垂向上延伸距离较长，甚至穿越了基底，通常为几千米。走滑断裂影响带在垂向上穿越了奥陶系鹰山组和一间房组，不同段具有不同的断裂结构。

2.2 断控体

断控体是指在走滑断裂影响带范围内地层破碎程度高、裂缝密度大的轮廓范围，为断控体的第2层级。走滑断裂带的分段性使得岩石破碎程度与裂缝发育程度均呈现明显差异，其内部发育的断控体形态也具有不同的组合样式。综合构造背景、地震及钻井资料分析，将断控体细分为6 类，其中拉分段包含叠接段断裂交会型和桥接段单只走滑型2类；平移段分为双断裂交错型和两段裂交会型2类；挤压段也分为2 类，为双断裂扭曲型和双断裂交会型（表1）。不同断控体的破碎带发育位置及断层组合方式均存在差异，破碎带一般集中在断裂交会处或局部拉分点，而断层多位于破碎带的两侧，一般不穿越破碎带。整体上，由于溶蚀作用较弱，大型溶蚀孔、洞不发育，破碎带构成了断控体的主体储集空间。

表1 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层6 类断控体模式特征Table 1 Characteristics of six types of fault-controlled bodies of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

2.3 类洞穴

断控体内部一般由破碎带和基岩组成。破碎带作为储集层是开发对象，基岩是非渗透层，阻碍流体交换。由于岩溶作用较弱，储集空间主要是断裂破碎形成的断面空腔、角砾间孔隙以及构造缝，其中断面空腔通过断裂面和裂缝进行沟通。为了突出与断溶体内部大型洞穴以及小型溶蚀孔、洞、缝的类比，将断控体内部破碎程度高、储集空间发育好、规模较大的区域定义为类洞穴；将破碎程度低、储集空间发育差、规模较小的区域定义为杂乱体，为断控体的第3 层级。与岩溶形成的大型洞穴和孔缝系统相比，断控体内部储集体规模较小，非均质性更强。研究区发育多个类洞穴，在地震剖面上具有典型串珠状反射特征，如SHB1-23H 井在主干断裂边岩层破裂形成破碎带，在地震能量梯度剖面上显示为椭球状，垂向上沿断裂发育多个椭球状，组成类似串珠的形态特征（图2）。

2.4 簇充填

顺北1 号断裂带的勘探实践表明，类洞穴内部储集体的发育具有分段分带性。其中规模较大的类洞穴（有效储层）在地震剖面上具有典型的串珠状形态，钻井时常发生漏失，电阻率曲线和声波时差曲线一般有明显增大或跳跃现象，成像测井显示裂缝发育；角砾发育区（角砾带）储集空间以洞穴和裂缝为主，多竖直发育，宽度较均匀，充填物主要是断层角砾岩，物性较好；基岩区储集空间以基岩-裂缝带组合为主，主要为水平缝和高角度缝，宽度较小，储层物性相对较差；角砾带与基岩区通常间互发育（图3）。将此类储层结构定义为栅状结构，角砾带为簇，基岩-裂缝带为簇间，簇和簇间构成的簇充填为断控体的第4 层级结构。

基于顺北1 号断裂带钻井资料分析，建立了类洞穴内簇充填模式（图4）。由于1 号断裂带穿过储集体的钻井较少，仅5 口，而邻近的4 号断裂带发育的断控体与1 号断裂带具有相似性，为了更好地对簇充填进行分析，将4 号断裂带13 口穿过储集体的井信息一起进行统计。结果表明：簇的规模和发育频率在不同部位略有差异，在类洞穴核部，簇的平均宽度为5.40 m，发育频率为8.4 个/100 m；在类洞穴边部，簇的平均宽度为3.80 m，发育频率为12.4 个/100 m；簇间整体宽度更大，平均为7.10 m，发育频率为39.8 个/100 m。

图4 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层类洞穴内簇充填栅状结构模式Fig.4 Patterns of intra-cave-like cluster-filling structures of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

2.5 裂缝带

裂缝带为类洞穴主要的储集空间，在栅间基岩充填体内部、簇内部以及簇间均发育裂缝带，为断控体的第5 层级结构。通过取心资料和成像测井对簇内部、簇间及基岩带裂缝进行识别与统计发现，岩心裂缝主要为水平缝和高角度缝，另有少量斜缝和网状缝（图5）。对研究区16 口井的解释资料进行统计分析可知，一间房组发育的高角度裂缝长度为0.70～14.70 m，平均为3.65 m，宽度为0.10～4.00 mm；高角度缝在基岩带发育频率为0.07 条/m，在簇内的发育频率为0.21 条/m，表明一间房组簇内受力更多，裂缝更发育。鹰山组发育的高角度缝长度为0.40～5.30 m，平均值为2.21 m，宽度为0.02～2.00 mm，发育频率与一间房组一致。在一间房组与鹰山组交界区域，倾角小于20°的裂缝数量占比为42%，倾角大于70°的裂缝数量占比达28%，倾向为120°～180°的裂缝占比20%，倾向为270°～360°的裂缝占比达64%；高角度缝不发育，水平缝和高角度缝的总数量占比约为70%，以水平缝为主，水平缝长度为1.80～5.20 m，平均值为2.81 m，宽度为0.01～0.30 mm，发育频率为2.26 个/m。

图5 塔里木盆地顺北1 号断裂带典型井奥陶系断控型碳酸盐岩储层裂缝带特征Fig.5 Characteristics of fracture zones of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs of typical wells in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3 断控型储层分层次建模

在断控体层级划分和表征的基础上进行储层建模。从断控体主控因素及规模特征来看，碎屑岩储层中“层次建模、成因约束”的建模思路也适用于断控体储层建模［20-21］。走滑断裂影响带经历多期次构造活动后形成了不同规模的断裂或裂缝，多期构造活动具有继承性，造成岩层破裂，组合形成次级断控体。断面空腔、角砾间孔隙和构造缝构成了断控体内部的主要储集空间，为第3 层级的类洞穴。钻井资料显示类洞穴内部具有多段间互漏失的特征，指示栅状结构发育。栅状体的物性差异明显，在裂缝-洞穴带，储集体以裂缝、断层角砾带以及孔洞组合为特征，为类洞穴的簇充填。在簇间，储集空间主要为基岩-裂缝带，如果裂缝发育较好，横向连通性好，则可将簇连通；如果裂缝不发育，则簇间连通性差，流体不发生交换。簇充填预测与裂缝表征分别是第4 层级和第5 层级表征。由此，形成了从走滑断裂影响带到簇内裂缝带的层次约束体系，在建模过程中采用层次建模的手段逐级进行反映。

断控体受控于断裂系统及其影响范围，发育特征和规模与碎屑岩沉积相略有不同。由于研究区埋藏深，钻井资料有限，地震资料覆盖面广，对宏观断裂体系、断控体以及类洞穴的刻画，主要是对地震资料进行属性提取与转换，采用确定性的方法开展建模工作，而对类洞穴内部簇充填以及裂缝带的分布则主要采用随机建模方法。最终将不同层级的模型进行融合，形成了研究区反映不同层级的储层三维地质模型。建模流程如图6 所示。

图6 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩建模流程Fig.6 Modeling process of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3.1 走滑断裂影响带模型

张文彪等［18］采用地震相干体解释成果，结合走滑断裂发育模式，对顺北1 号断裂带走滑断裂影响带的主干断裂及包络线进行了解释，采用确定性方法建立了模型。本文在此基础上，基于地震张量蚂蚁和地震相进行走滑断裂影响带刻画。首先以张量表征的整体断裂带破碎程度来表征宏观断裂破碎带的分段和连通特征；然后采用多个与断裂相关的地震属性，运用聚类分析算法进行裂缝地震相分析，根据断裂带破碎程度对断裂系统的宏观轮廓进行表征，刻画出走滑断裂的宏观发育特征，构建三维框架模型（图7）。

图7 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层走滑断裂影响带模型Fig.7 Model of strike-slip fault-influenced zones of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3.2 断控体模型

断控体为走滑断裂影响带内的储集单元，其分布受走滑断裂影响带的约束，发育规模相对较小，组合样式较多。不同断裂系统与破碎带组合构成了6 种断控体模式。传统方法通常以地震张量蚂蚁进行断控体轮廓的刻画，但生产实践表明张量蚂蚁在走滑断裂发育、破碎程度较高的区域识别准确率高，而在走滑段断裂不发育的区域（弱走滑断裂段）识别准确率较低。因此，引入深度学习技术对弱走滑断裂段的断控体进行预测，通过构建典型断控体的训练数据，采用U-net 图像分割深度卷积神经网络进行学习和训练，并对断控体进行识别。以SHB1-25H 井区为例，在SHB1-23H 井注水开采前期张量蚂蚁表征井区内发育的断裂不连续，注采井组不连通，而采用U-net 构建的断控体三维模型预测为连续的断裂（图8），注水期间，井区内SHB1-5H 井发生了水窜现象，这一生产动态证明了U-net构建的三维模型预测结果的可靠性，这也说明引入深度学习方法改善了张量蚂蚁局部断裂识别不足的问题，较好地刻画了弱走滑断裂带的断控体。

图8 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层断控体三维模型Fig.8 Three-dimensional model of fault-controlled bodies of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3.3 类洞穴模型

顺北1 号断裂带的地震勘探实践表明，地震能量梯度属性对类洞穴有很好的响应，同时钻井钻遇类洞穴边缘时会发生漏失、放空现象。利用钻井漏失、放空点的位置信息逐步确定地震能量梯度的截断区间为46.0～133.8，进而从地震能量梯度属性体中雕刻出类洞穴轮廓，再利用轮廓边界与地质模型开展布尔运算，最终建立三维类洞穴模型（图9）。

图9 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层类洞穴模型Fig.9 Cave-like model of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3.4 簇充填模型

类洞穴内部发育簇充填及簇间充填，储集体质量存在差异，这也是影响注水开发的重要因素。由于类洞穴内部簇的栅状结构形态较简单，且仅有少量钻井钻遇，因此采用基于目标示性点过程模拟方法开展模型建立。

采取层次建模思路，针对每一个类洞穴，先将簇间基岩-裂缝带作为背景相，再进行簇充填的洞穴-裂缝带建模。由于洞穴和裂缝带难以区分，将洞穴-裂缝带作为一个整体，其形态接近为长方体，刻画主要取决于洞穴-裂缝带的相对位置和宽度参数。步骤如下：①根据簇充填的栅状特征，从统计的簇充填发育频率随机抽样获得簇充填的数量；②通过图像学方法确定类洞穴的中线，以中线为基准，向两侧随机抽样确定簇充填宽度及中心点位置，确保2 个簇充填不重合；③对簇充填边界进行随机扰动，使其边部不再平整，略微变形能更好地逼近簇充填形态样式，实现簇充填模型建立（图10）。

图10 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层类洞穴内部簇充填结构特征Fig.10 Structure characteristics intra-cave-like clusterfilling of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

簇充填体的走向受应力作用影响，在平移段时，与断裂方向一致，而位于挤压段和拉分段时，与断裂方向发生偏移。因此，在建模过程中，还需要参考应力模型中平移段、挤压段与拉分段的应力方向，确定挤压段与拉分段应力场与簇充填体走向的偏移角度。应力场分析表明，研究区挤压段与平移段相比，簇充填体走向逆时针偏移10°，拉分段与平移段相比，簇充填体走向逆时针偏移16°。在模型建立过程中，对类洞穴内部簇充填体进行相应角度的旋转，以符合应力场特征，能更准确地表征簇充填的分布（图11）。

图11 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层类洞穴内部簇充填模型Fig.11 Model of intra-cave-like cluster-filling of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

3.5 裂缝带模型

建立裂缝模型主要采用离散裂缝网络模拟（DFN）方法［22］，其核心是确定不同部位裂缝发育密度以及裂缝几何学参数。研究区一间房组上部、鹰山组下部均发育高角度缝和水平缝，在2 套地层之间的接触带不发育高角度缝，仅发育水平缝。因此，建模时根据裂缝发育规律在垂向上自下而上划分为鹰山组、接触带和一间房组3 段，设置不同裂缝的产状数据。

类洞穴内部的测井解释表明，簇内洞穴-裂缝带的裂缝发育频率明显高于簇间基岩-裂缝带，裂缝的统计特征参数也存在差异，因此在裂缝建模时以类洞穴模型作为约束条件，分别对簇内洞穴-裂缝带以及簇间基岩-裂缝带进行裂缝预测。如图12 中模型所示，研究区小尺度裂缝非常发育，对油藏渗流起到了明显的改善作用；垂向上不同层组中裂缝类型的分布差异、簇和簇间裂缝的分布频率都得到了很好的体现。

图12 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型碳酸盐岩储层裂缝带模型（a）与裂缝带截面投影（b）Fig.12 Fracture zone model（a）and fracture zone cross-section projection（b）of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

4 模型检验

在上述地质模型的基础上，采用序贯高斯模拟方法，利用相控的方式建立储层物性模型与含油饱和度模型。利用地质模型计算顺北1 号断裂带奥陶系油气储量为1 628×104t，而地质分析计算的储量为1 600×104t，模型预测的油气储量绝对误差为28×104t，误差率为1.75%，表明建立的地质模型可以较好地反映地质分析成果，具有较高的精度。

基于地质模型成果开展研究区油藏数值模拟，对油井的地层压力趋势、累产液等指标进行拟合，并与实际生产数据进行对比，拟合误差小于10%，模型准确度高。以重点井组SHB1-25H 井组为例，对其中3口生产井SHB1-4H井，SHB1-4HCH井和SHB1-5H 井的井底流压和累产液曲线进行对比（图13）。其中，SHB1-4H 井前期累产液拟合效果好，后期的拟合结果比实际生产结果高，井底流压整体拟合较好，仅在局部与实际有偏差；SHB1-4HCH 井的压力和累产液曲线的拟合效果均较好，局部区域略有偏差，最大偏差低于5%；SHB1-5H 井累产液拟合结果整体较好，只在研究期的末期存在一定误差，但拟合的压力在后期偏差较大，分析认为这可能与区内SHB1-23H 井开始注水有关。井组分析表明模型较好地再现了断控体的连通性，模拟后期误差的存在也表明断控体非均质性强，导致局部结构预测存在不确定性，需要进一步深化地质认识并改进预测方法，以提高模型精度，更好地服务于油田开发。

图13 塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系断控型储层模型拟合3 口典型井油藏数值与实际生产数据对比Fig.13 Comparison of model-fitted reservoir values and actual production data from three typical wells of Ordovician fault-controlled carbonate reservoirs in Shunbei No.1 fault zone，Tarim Basin

5 结论

（1）塔里木盆地顺北1 号断裂带奥陶系发育断控型碳酸盐岩储层，主要受控于断裂体系，溶蚀作用弱，与断溶体储层存在明显差别；基于成因约束与规模控制，可将断控型储集体从大到小划分为走滑断裂影响带、断控体、类洞穴、类洞穴内簇充填以及裂缝带等5 个层级单元；大尺度的层级单元对小尺度层级单元具有约束和控制作用。

（2）走滑断裂影响带受应力差异影响具有分段性，可细分为挤压段、拉分段和平移段。断控体在拉分段发育断裂交会型、单支走滑型，在平移段发育双断裂交错型和两断裂交会型，在挤压段发育双断裂扭曲型和双断裂交会型，共有6 种平面组合样式。类洞穴在地震剖面上呈串珠状反射特征。类洞穴内部簇充填分为簇（角砾带）与簇间（基岩裂缝带），簇充填呈栅状结构，簇间宽度更大（平均为7.10 m）、发育频率更高（39.8 个/100 m）；簇的规模和发育频率在不同部位略有差异，在类洞穴核部平均宽度为5.40 m，发育频率为8.4 个/100 m；在类洞穴边部，平均宽度为3.80 m，发育频率为12.4 个/100 m。裂缝带在簇内部比簇间更发育、在一间房组比鹰山组更发育，在一间房组和鹰山组均以发育高角度裂缝为主，在二者的连接处则以发育水平缝为主。

（3）对顺北1 号断裂带奥陶系断裂影响带、断控体以及类洞穴采用地震资料（如地震相干体解释、地震张量蚂蚁、地震相、地震能量梯度属性等），结合深度学习技术进行确定性建模；对类洞穴内簇充填进行地应力约束，采用基于目标的随机建模方法；对裂缝带通过DFN 方法建模，最终建立的三维地质模型计算的储量与地质分析确定储量间的误差为1.75%，模型拟合油井地层压力和累产液与实际生产数据的误差均小于10%，模型准确度高。