塔里木盆地順北地區中下奧陶統走滑斷裂差異成巖作用

陳菁萍， 趙 騰， 肖重陽， 韓 俊， 趙 銳， 鄧 尚

( 1. 中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011； 2. 中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083； 3. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083 )

0 引言

塔里木盆地順北油氣田為奧陶系超深層斷控碳酸鹽巖油氣田，油氣資源主要蘊藏于臺盆區中下奧陶統海相碳酸鹽巖7.3～8.5 km地層[1]。順北油氣田前期部署的鉆井沿主干走滑斷裂帶排布，鉆井軌跡多設計為大斜度井，鉆穿主干斷裂或以縫洞為目標。在鉆穿斷裂位置若發生大規模漏失，隨即裸眼完井，通常獲得較高的油氣產量。因此，高滲透性的斷裂—裂縫體系是順北油氣田主要的油氣存儲空間和流動通道，優質縫洞型儲集體是順北油氣田后期增產最重要的支撐[2]。走滑斷裂帶成巖作用研究對于油藏描述、井位部署、井軌跡設計和酸壓儲改等具有指導意義。

成巖作用多用于輔助探討儲層物性，在流體活躍的斷裂帶中成巖作用的貢獻更為突出[3]。目前，順北地區研究主要集中于走滑斷裂幾何學、運動學、動力學特征及斷裂帶對儲層的控制作用[4-8]，水巖作用對斷裂帶內部碳酸鹽巖儲層影響機制不明。成巖作用是儲集體發育和形成的必經過程,是決定儲集體性能優劣的主要因素之一[9]。

碳酸鹽巖地層中斷裂帶通常發育由斷層核、破碎帶、裂縫帶等組成的復雜三維空間結構[10-11]。成巖作用對于斷層核、破碎帶等分異結構的影響機制明顯不同。斷層核通常是一個狹窄、高度變形的區域，形成于斷層滑動面周圍，是粉碎、溶解、沉淀、礦物反應等過程發生的主要場所之一。受成巖作用影響，碳酸鹽巖地層中斷層核部多致密，內部裂縫充填程度高[12]。破碎帶位于斷層核周圍，包含大量的裂縫、滑動面及可識別的圍巖碎片。破碎帶中裂縫發育，是流體運移的主要通道。WENNBERG O P等觀察巖心和露頭，表明碳酸鹽巖張開裂縫中的流體傾向于在通道內流動而非通過微裂縫滲流，大多數流體流動沿少量主體通道發生，通道位于裂縫面內，大多數裂縫面對流體流動是無效的，水力學性質受控于溶蝕作用和膠結作用[13]。張麗娟等以塔中Ⅰ號斷裂帶為研究目標，表明斷層破碎帶受壓溶作用影響而發育多期低角度縫合線與高角度構造縫合線，部分具有滲透性；不同類型膠結作用沿裂縫帶發育，大氣淡水膠結較多，膠結程度相對較弱；準同生期大氣淡水溶蝕與局部風化殼巖溶主要沿斷層破碎帶發育，埋藏溶蝕作用較強，發育大型縫洞體與溶蝕孔洞；塔中Ⅰ號斷裂帶上的裂縫充填程度比圍巖部分的低，圍巖以早期較強區域應力場形成的裂縫為主，長期穩定埋藏期間裂縫充填程度高[14]。尤東華研究超深層斷裂帶與流體相互作用，沿走滑斷裂帶發育的白云巖儲層類型為裂縫—孔隙型，主要儲集空間為破碎帶和裂縫帶中發育的裂縫—擴溶縫、晶間孔—晶間溶孔，孔隙發育與裂縫具有明顯相關關系，一方面熱液流體沿破碎帶進入，改造白云巖而形成儲集空間，另一方面以螢石與方解石為代表的熱液礦物充填裂縫與孔隙，伴隨構造運動發生的熱液流體活動在一定程度上影響白云巖儲集空間的形成。硅化碳酸鹽巖主要由石英和方解石組成，儲集空間主要為晶洞、晶間孔及部分裂縫。熱液硅化作用受走滑斷裂控制，流體沿斷裂帶及分支斷層自下而上進入碳酸鹽巖地層，水巖相互作用發生在斷層的破碎帶和裂縫帶部位[15]。

在構造解析和儲層描述基礎上，筆者分析塔里木盆地順北油氣田走滑斷裂帶的內部結構及其相關的成巖作用差異，借助巖心觀察、掃描電鏡、電子探針等資料，研究走滑斷裂帶內部的古流體成分及多類型成巖作用，探討成巖作用對斷裂帶內部不同結構儲集空間的改造與影響機制。

1 區域地質概況

順北油氣田位于塔里木盆地順托果勒低隆起北部。順托果勒低隆起位于塔里木盆地中部，北鄰沙雅隆起，南接卡塔克隆起，西鄰阿瓦提凹陷，東接滿加爾凹陷(見圖1)。震旦紀末期的柯坪運動擴大塔中和塔西南的剝蝕區，形成震旦系與上覆寒武系之間的構造不整合面，在卡塔克隆起和順托果勒隆起中東部，寒武系與震旦系呈角度不整合接觸，在塔中中西部為平行不整合接觸。早寒武世，受塔里木板塊周緣快速拉張裂陷作用影響，海平面快速上升，廣泛沉積玉爾吐斯組，形成塔里木盆地臺盆區第一套主力烴源巖。順托果勒隆起處于斜坡—陸棚相區，發育斜坡相烴源巖。奧陶紀以來，順托果勒隆起及鄰區經歷碳酸鹽巖臺地發育、臺地內隆起—斜坡形成、北西向與北東向斷裂改造、巖漿活動、區域翹傾變動及早期斷層再活動等階段[16-18]。早—中奧陶世，塔中地區廣泛發育碳酸鹽巖臺地。晚奧陶世，塔中地區臺盆分異，卡塔克隆起持續隆升，順托果勒隆起處于構造斜坡部位，穩定沉降，主要是北西向逆沖斷層活動；志留紀—早中泥盆世，卡塔克隆起定型，順托果勒隆起穩定沉降，北東向走滑斷層活動；石炭紀—二疊紀，順托果勒隆起經歷埋藏到東部再次抬升，早期斷層再次活動，巖漿活動強烈。中—新生代，順托果勒隆起整體沉降，發生多次區域翹傾，局部斷層活化調整[19]。

順北油氣田奧陶系地層發育齊全，自下而上為下統蓬萊壩組(O1p)、中—下統鷹山組(O1-2y)、中統一間房組(O2yj)、上統恰爾巴克組(O3q)、良里塔格組(O3l)和桑塔木組(O3s)。主要目的層為一間房組和鷹山組上部碳酸鹽巖。順北油氣田儲層類型為“縫洞型”儲層，儲層沿斷裂帶發育[20-21]。順北7斷裂帶為順北油氣田內部一條NW向的走滑斷裂帶。走滑斷裂體系具有斷層“核帶”結構：斷裂帶具有對稱的分帶結構特征，中間為斷層核，兩邊為破碎帶，再過渡到正常圍巖。其中斷層核包括斷層滑動面及斷層泥、斷層角礫巖、碎裂巖等斷層巖的充填部分。順北7斷裂帶發育的“縫洞”型儲層本質上為走滑斷裂帶“核帶”結構形成的破碎體系。油氣主要富集在斷層角礫巖和裂縫中。在斷裂帶內部及附近裂縫受流體溶蝕作用影響[20-22]，從而影響儲集空間。

2 研究方法

2.1 巖石學觀察

順北地區中下奧陶統(一間房組和鷹山組上段)碳酸鹽巖地層經歷多期次構造活動和成巖作用的疊加改造，儲集體的形成、演化與不同期次的成巖作用(尤其是破裂作用)有密切關系。通過井震標定、巖心觀察，結合顯微鏡、陰極發光鑒定描述，對走滑斷裂帶內部結構進行分類，包括斷層核部、破碎帶和裂縫帶等，在巖石學特征描述的基礎上，探討不同結構的成巖作用特征，對取自走滑斷裂帶不同部位的巖心樣品進行手標本描述；對重點樣品磨制薄片進行鏡下觀察，借助掃描電鏡和電子探針研究樣品裂縫中膠結物及其他充填物的化學性質，確定流體對順北地區儲集空間的影響。

圖1 塔里木盆地順北地區構造位置Fig.1 Tectonic location of Shunbei Area, Tarim Basin

2.2 巖心取樣

后續取樣與地球化學測試在巖石學觀察基礎上開展。共取4口井的巖心樣品，每口井主探的斷裂帶部位有所不同，揭示不同結構單元的成巖作用特點。其中，A1井取心部位為斷層核，取心起止深度為7 265～7 295 m，共7回次。A2井取心部位為斷層核，取心起止深度為7 331～7 333、7 425～7 428 m，共2回次。A3井取心部位為破碎帶，取心起止深度為7 465～7 490 m，共3回次。A4井取心部位為破碎帶，取心起止深度為7 078～7 092 m，共2回次。

通過巖心描述、薄片鏡下觀察明確樣品的巖石學特征，通過電子探針測量不同部位的微量元素含量，研究流體對儲集空間的影響作用。

3 巖石學及地球化學特征

3.1 斷層核

A1井沿主斷面核部鉆入，井底遇到放空漏失并見產，表明鉆遇物性極好的儲集空間。該井在一間房組頂部取心，原巖為砂屑灰巖，受斷層的破碎作用影響，成為斷層角礫狀灰巖。測井資料顯示，在7 265～7 267 m段鉆遇縫洞，在7 267～7 295 m段為圍巖。巖心手標本觀察顯示，A1井樣品具有“斷層泥”(見圖2)和碎裂巖—破碎角礫體系，大量裂縫將原本完整的碳酸鹽巖地層切碎而形成角礫巖(目前已重新壓實成巖)，角礫碎塊粒徑為5～10 cm，邊緣呈棱角狀，角礫之間被黑色瀝青全充填—半充填(見圖3-4)，主要特征(見圖2)：(1)產狀呈高角度近垂直彎曲、似網狀、角礫縫合狀；(2)通常瀝青或黏土混雜充填；(3)微觀下有方解石脈填充，CL(陰極發光)下橙紅色發光；(4)呈剪切性質，開度小；(5)A1井裂縫密度為0.4條/m。

圖2 A1井樣品巖石學特征Fig.2 Petrological characteristics of well A1 specimens

圖3 A1井巖心裂縫填隙物光學顯微鏡下特征Fig.3 Optical microscope characteristics of core fracture fillings in well A1

斷層泥掃描電鏡及能譜分析結果(見圖5)表明，斷層泥成分以瀝青為主，兼含少量石英、金紅石和伊利石等黏土礦物，顯示陸源碎屑充填特點。這種碳酸鹽巖地層中含有大量陸源碎屑現象，通常指示外源流體沿斷層滲入。結合地層疊置關系，陸源物質最有可能的來源是上覆的恰爾巴克組，其巖性為含灰質的泥巖或粉砂質泥巖，富含黏土礦物。

圖4 A1井巖心(7 265.43 m)裂縫填隙物掃描電鏡下特征Fig.4 Scanning electron microscope characteristics of fracture interstitial in core(7 265.43 m) of well A1

圖5 A1井巖心掃描電鏡能譜

A2井取心段為斷層核部的破碎角礫巖，巖心發育破碎—膠結/充填等成巖作用(見圖6)。破碎角礫之間的充填物為亮晶方解石及瀝青，與A1井樣品具有相似性。薄片觀察顯示，黃褐色物質為硅質，白色條帶為亮晶方解石，黑色團塊為灰質(見圖6(e))。硅質受破碎作用而形成碎片，隨后被亮晶方解石膠結(見圖6(f))。

破碎角礫及裂縫伴生流體性質見表1，借助電子探針對裂縫膠結物、裂縫壁、圍巖分別進行原位測試，可檢測11種元素(Na、K、Mg、Ca、Mn、Fe、Ni、Al、Cr、Si、Ti)，比較流體的性質、成分和不同元素的豐度。首先，在裂縫中亮晶方解石膠結物上檢測3個點，其中Fe質量分數為-0.030 3%～0.100 1%，K質量分數為-0.010 1%～-0.002 5%，Al質量分數為-0.003 7%～0.013 3%，Si質量分數為-0.010 5%～0.004 7%。其次，在裂縫旁邊的圍巖上檢測2個點，其中Fe質量分數為0～0.020 9%，K質量分數為0.003 6%～0.007 4%，Al質量分數為0.042 9%～0.085 4%，Si質量分數為0.063 7%～0.212 7%。最后，在裂縫壁(膠結物和圍巖)的過渡部位上檢測7個點，其中Fe質量分數為-0.002 3%～1.931 3%，K質量分數為-0.006 7%～4.518 3%，Al質量分數為0.005 6%～11.350 3%，Si質量分數為0.014 3%～22.107 1%。

亮晶方解石膠結物的黏土信號元素(K、Fe、Al、Si)與圍巖相比沒有明顯區別，裂縫壁與圍巖相比明顯更富含黏土信號元素(K、Fe、Al、Si)，表明裂縫壁上的黏土礦物質量分數要高于圍巖的，說明最早流入裂縫的流體攜帶一定質量分數的黏土礦物。這一現象與A1井的高黏土礦物質量分數吻合，說明斷層核部在破碎作用發生后，不但發生方解石膠結，而且伴隨一定黏土礦物的充填。

圖6 A2井樣品巖石學特征Fig.6 Petrological characteristics of well A2 specimens

3.2 裂縫帶

A4井巖心取自斷層核附近的強破碎區域，發育破碎—溶蝕—半充填成巖作用。在手標本上可以觀察到發育大量高角度開啟裂縫，裂縫壁上附著一層黑色物質，不溶于酸(見圖7(c))。裂縫壁明顯有擴溶現象，表面形狀不規則，局部發育港灣狀孔洞(見圖7(b))，有黑色物質充填。薄片觀察表明，沿裂縫壁附著黑色不溶物質前，還有一期亮晶方解石膠結物(見圖7(d))，亮晶方解石膠結物被后期開啟的裂縫切穿(見圖7(e))，裂縫壁上很干凈，沒有發現膠結物，但有極少量黑色不溶物質附著。

裂縫的擴溶現象見圖7(e)，電子探針分析結果見表1和圖8，可檢測11種元素(Na、K、Mg、Ca、Mn、Fe、Ni、Al、Cr、Si、Ti)。首先，在裂縫壁內殘余的亮晶方解石膠結物上檢測2個點，其中Fe質量分數為0.053 8%～0.215 0%，K質量分數為-0.006 8%～0.003 1%，Al質量分數為0.005 5%～0.017 5%，Si質量分數為0.017 5%～0.052 0%。其次，在圍巖上檢測4個點，其中Fe質量分數為0.002 3%～0.067 9%，K質量分數為-0.016 5%～0.010 8%，Al質量分數為-0.003 8%～0.107 4%，Si質量分數為0～0.568 0%。方解石膠結物的元素成分、質量分數與圍巖的一致，表明裂縫中流體很可能來自圍巖，并且在元素組成上與圍巖達到平衡。最后，在裂縫壁的溶蝕區域檢測4個點，其中Fe質量分數為-0.004 7%～0.030 4%，K質量分數為-0.006 8%～0.058 5%，Al質量分數為-0.006 5%～0.160 5%，Si質量分數為0～2.345 5%。溶蝕區域與圍巖相比在無機元素組成上基本一致，沒有檢測到明顯的新生或蝕變礦物。

圖7 A4井樣品巖石學特征Fig.7 Petrological characteristics of well A4 specimens

同位素測試表明，溶蝕區域與圍巖相比具有偏低的碳、氧同位素值(見圖9)，可能與裂縫作為儲集空間有油氣浸染有關。受有機碳質量分數升高的影響，碳同位素大幅降低，與裂縫壁上附著黑色不溶物質(很可能是瀝青)的結果吻合。

A4井樣品可能受到兩期流體影響。第一期影響A1、A2井的流體，CaCO3過飽和，富含黏土礦物元素，析出的黏土礦物、亮晶方解石充填在早期開啟的裂縫中。第二期流體成分單一，CaCO3欠飽和, 為酸性流體，對晚期開啟的裂縫具有溶蝕作用，晚期開啟的裂縫壁內可見瀝青，瀝青作為油氣顯示，說明酸性流體是伴隨油氣的，明顯為深部來源。

A3井取心在走滑斷裂裂縫帶位置，具有破裂—溶蝕—半充填成巖序列(見圖10)，樣品可見高角度裂縫，沿裂縫壁出現擴溶現象(見圖10(a))。此外，巖心上還發育高角度縫合線，縫合線邊緣為黃鐵礦，中間為泥質，縫合線又被高角度裂縫切穿并發生溶蝕，即黃鐵礦縫合線上疊加破裂—溶蝕。在裂縫邊緣也可見亮晶方解石膠結物(見圖10(c))，成巖現象與A4井的一致。薄片觀察結果與巖心完全吻合，黑色團塊為黃鐵礦，黃鐵礦被早期裂縫切開，早期裂縫被亮晶方解石膠結(見圖10(d))，可能指示A3與A4井樣品受相似的兩期流體影響。

表1 A2、A4井樣品電子探針元素檢測 Table 1 Test of elements in well A2 and well A4 specimens %

圖8 A2、A4井樣品電子探針取點位置Fig.8 Electron probe point location of well A2 and well A4 specimens

4 討論

走滑斷裂帶內部的差異成巖作用或差異性流體改造普遍存在，在一定程度上影響不同部位的物性。研究意大利Majella背斜北部邊緣斷層變形機制和內部構造，斜向正斷層橫切中新世碳酸鹽顆粒灰巖。在斷層內部，瀝青不僅存在于斷層核的角礫，還存在于周圍裂縫和破碎帶。此外，在斜向正斷層兩側的多孔碳酸鹽巖地層中也存在瀝青。提出斷層成核與發育的概念模型，初期的斷層特征是壓溶縫受到剪切，形成兩套主要的尾部壓溶縫。隨Majella背斜的斷層活動、剝蝕和發育，在演化的斜向正斷層中，主要的變形機制轉變為以尾部節理、礦脈為主要形式的開啟模式裂縫。這一過程使單一的滑動面與相鄰的碳酸鹽巖層相連，并沿不斷演化的斷層形成獨立的破碎巖石。角礫化和碎裂作用僅局限于斜向正斷層的主滑動面，形成強烈的變形帶，即斷層核，可以將瀝青分布作為斷層和裂縫滲透性的指標。發育良好的斜向正斷層在整體上形成流體流動的屏障—通道結構。碎裂巖如果沿斷層核連續分布，則形成斷層間流體流動的遮擋物，斷層角礫巖和周圍的碳酸鹽巖破壞帶充當流體流動的通道。缺乏演化的斜向正斷層可能形成流體流通的局部通道，取決于滑動面周圍是否存在碎裂碳酸鹽巖[23]。

圖9 A4井樣品碳氧同位素分析Fig.9 Carbon and oxygen isotope analysis of well A4 specimens

在蘇格蘭西北部，分米到米級位移的斜滑斷層切割前寒武紀巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖和寒武紀石英砂巖。盡管兩套砂巖單元在斷裂過程中存在相同的滑動史和熱史，但具有不同的斷裂核和破碎帶屬性。斷層核狹窄(小于1 m)，主要為巖屑長石砂巖/長石巖屑砂巖中的低孔隙度碎裂巖。破碎帶平行開啟的裂隙長度在米或米級以上，長度和孔徑范圍較小，裂縫密度低，有少量石英膠結物，且為開啟裂隙。相比之下，石英砂巖盡管有豐富的石英膠結物，但斷層核含有多孔角礫巖和密集的條紋狀滑動帶。破碎帶裂縫的長度范圍為米到厘米級別或更小。受大量的石英膠結影響，裂縫通常是封閉的。這些屬性反映在長石和巖屑顆粒上自生石英的堆積受到抑制，不利于沉淀基質，但有利于碎屑石英的堆積。在石英角礫巖中，大于0.04 mm寬的大孔隙持續存在，周圍是緩慢生長的自形石英。石英產狀和粒度分布的差異與沉積物改造裂縫重新活化的概率一致。在石英堆積量低、孔隙度高的集中生長區，現有裂縫很容易重新活化。新的裂縫地層中石英堆積量較高，只有部分已存在的半膠結裂縫重新活化，部分裂縫發生變形。沿走滑斷層走向的斷層核、破碎帶在滲透率、流體流動軌跡及斷層強度上有差異[24]。

圖10 A3井樣品巖石學特征Fig.10 Petrological characteristics of well A3 specimens

在走滑斷層核帶結構(見圖11)中，不同部位儲集空間受流體影響不同。斷層核以A1、A2井樣品為代表，以破碎—膠結體系為主。破碎帶以A3、A4井樣品為代表，不僅具有破碎—膠結體系，還可見明顯的擴溶現象。核帶結構儲集空間沿斷裂帶受流體影響，共有兩期流體影響儲集空間：第一期流體自上向下流動，CaCO3過飽和，為堿性環境，富含Al、Si、K、Fe元素，引起圍巖礦物蝕變，離子來源與恰爾巴克組泥巖有關。斷層核、破碎帶、圍巖受這一期流體的影響，隨深度增加，地層中流體析出的黏土元素(Al、Si、K、Fe)逐漸減少。第二期流體成分明顯單一，CaCO3欠飽和,為酸性環境，可能含少量Al、Si元素，引起圍巖輕微礦物蝕變。晚期開啟的裂縫壁上的油氣顯示(瀝青)表明流體伴隨油氣屬于深部來源。

圖11 走滑斷層核帶結構地質模型(據文獻[25]修改)Fig.11 Structural geology model of strike-slip fault that composed of fault core and damage zone(modified from reference[25])

5 結論

(1)流體對塔里木盆地順北地區中下奧陶統走滑斷裂帶核帶結構中不同部位的儲集空間影響作用不同。斷層核上的儲集空間主要為破裂形成的破碎角礫。

(2)受第一期流體影響，在破碎角礫中以膠結作用和充填作用為主。膠結物為亮晶方解石，隨深度增加，充填物先可見黏土礦物(伊利石、金紅石、石英)和瀝青，后未見黏土礦物，可檢測到黏土元素。

(3)破碎帶上儲集空間先后受到兩期流體影響，除受膠結作用影響外，還可見破碎—擴溶現象，成為油氣運移的通道。裂縫壁上的殘余物質可見瀝青且富含有機質，為裂縫作為油氣運移通道的重要依據。