走滑斷裂對碳酸鹽巖儲層和油氣藏的控制作用
——以塔里木盆地北部坳陷為例

汪如軍 王 軒 鄧興梁 張銀濤 袁敬一 謝 舟 李 婷 羅 梟 馬小平

中國石油塔里木油田公司

0 引言

塔里木盆地油氣資源量豐富，經過多年的油氣勘探，塔北隆起及中央隆起先后發現了輪古、塔河、哈拉哈塘及塔中Ⅰ號等大中型碳酸鹽巖油氣田群[1-2]，探明油氣儲量超過5×108t，油氣年產量逾370×104t，但塔北隆起與中央隆起之間的北部坳陷勘探程度卻較低，勘探進展緩慢。

2004 年，塔中隆起中西部部署三維地震后，發現北東向走滑斷裂，并認為走滑斷裂對奧陶系礁灘體碳酸鹽巖儲層的發育與油氣分布具有影響作用[3-4]。2007 年，在塔北隆起南緣哈拉哈塘地區也發現了走滑斷裂并對巖溶儲層與油氣分布具有一定的控制作用[5-6]。通過近年來的研究與油氣藏勘探開發實踐，發現礁灘型與風化殼型油氣藏中高產井多位于走滑斷裂帶上，走滑斷裂對碳酸鹽巖儲層的改造及油氣充注具有積極作用，并形成了走滑斷裂控藏的觀點[4-6]。在斷控成藏理論的指導下，勘探領域從隆起、斜坡向坳陷拓展[7]，研究方向從潛山巖溶、礁灘巖溶、層間巖溶向以斷控巖溶為主的碳酸鹽巖油氣藏轉變，油氣勘探也開始大規模地向坳陷區轉移，并不斷獲得新發現，尤其是近期北部坳陷中間部位的MS1 井在埋深7 535 m 的中奧陶統一間房組碳酸鹽巖獲得重大突破，表明塔北隆起與塔中隆起之間北部坳陷超深層（埋深大于7 000 m）具有良好的油氣勘探前景，揭示了塔中—滿西—塔北地區可能形成連片含油氣的環滿西走滑斷裂斷控油氣區，從而成為塔里木盆地的油氣勘探接替領域。勘探開發實踐表明，不同性質的走滑斷裂、同一性質的走滑斷裂的不同段對儲層的控制作用具有明顯的差異，同時也表現出油氣差異富集的特征。由于該盆地北部坳陷儲層埋藏深、勘探成本高，為了進一步提高勘探成功率及開發效益，筆者提出了針對塔里木盆地北部坳陷弱走滑斷裂的識別方法，并在此基礎上開展了走滑斷裂分級、分段研究，同時根據不同類型走滑斷裂控儲控藏規律提出了9 種油氣富集模式，有效地推動了該盆地北部坳陷斷控碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發進程。

1 地質背景

塔里木盆地是我國面積最大的復合疊合盆地[5]，面積為56×104km2。塔里木盆地中部發育晚新元古代裂谷、古—中生代克拉通內坳陷與新生代前緣隆起，南華系—第四系沉積厚度約15 000 m；中部下古生界沉積碳酸鹽巖厚度逾3 000 m，在奧陶系內部形成了多套儲蓋組合與含油氣層段[5]。目前，已發現的油氣藏主要分布于塔北隆起南斜坡與中央隆起北斜坡（圖1），隨著走滑斷裂控儲成藏理論認識的推動，當前的油氣勘探工作主要向北部坳陷深層地區擴展[8-9]。

北部坳陷位于塔里木盆地北部（圖1），北鄰塔北隆起，南側為中央隆起，主要包括阿瓦提凹陷、阿滿過渡帶、滿加爾凹陷等二級構造單元。北部坳陷構造整體上處于塔北隆起向塔中隆起延伸的低梁，是塔北隆起與塔中隆起的過渡帶，構造沉積演化長期受塔北隆起和中央隆起影響控制。阿滿過渡帶油氣資源豐富，先后發現了順北、富滿等大中型下古生界碳酸鹽巖油氣田群，是我國目前最大的斷控碳酸鹽巖油氣藏油氣生產基地，年產油氣當量約300×104t。

北部坳陷沉積地層較為完整，從上至下發育新生界第四系、新近系、古近系，中生界白堊系、侏羅系、三疊系，古生界二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系。奧陶系可細分為上統鐵熱克阿瓦提組（O3tr）、桑塔木組（O3s）、良里塔格組（O3l）及吐木休克組（O3t），中統一間房組（O2y）及下統鷹山組（O1-2y）和蓬萊壩組（O1p）。其中，志留系以及上奧陶統桑塔木組由南向北逐漸減薄，良里塔格組逐漸加厚，吐木休克組、一間房組厚度變化不大，全區分布穩定。目前主力勘探區域為北部坳陷阿滿過渡帶，主力勘探層系為一間房組，巖性以亮晶砂屑灰巖、亮晶顆粒灰巖為主。

2 斷裂特征

2.1 弱走滑斷裂識別

塔里木盆地斷裂構造的研究以往集中于隆起構造單元和周邊褶皺沖斷帶，盆地坳陷構造單元不是勘探的重點領域，斷裂構造研究非常薄弱。主要原因有3 個方面：①前期勘探以構造圈閉為主要方向，認為油氣運移的方向是隆起，油氣藏特別是大型、特大型油氣藏多形成于含油氣盆地的隆起部位，早期的油氣勘探的重點也集中在塔北隆起和中央隆起，并發現了一系列大中型油氣藏；②塔北隆起、中央隆起主體部位構造變形強烈，斷裂多發育于隆起及其邊緣，北部坳陷是一個大型早古生代沉降區，阿瓦提凹陷與滿加爾凹陷之間存在鞍狀低梁帶，基本是逐漸過渡，斷裂發育較隆起區明顯減少，為數不多的斷裂規模也較小，識別和研究難度較大；③北部坳陷儲層埋藏較深，普遍超過7 000 m，勘探成本較高，三維地震采集面積較小，主要是二維覆蓋，同時地表為高大沙丘，地震資料品質較差，對奧陶系深層的研究條件不夠成熟[10]。隨著勘探方向的轉移，北部坳陷的斷裂構造研究迫在眉睫。

圖1 塔里木盆地北部坳陷平面分布及奧陶系地質柱狀簡圖

該區早期常用的走滑斷裂解釋方法是相干技術配合手工解釋，但北部坳陷奧陶系目的層埋藏較深，超過7 000 m，相比淺層碎屑巖能量較弱，主頻小于20 Hz。另外，地表條件從塔北隆起的農田水網已經過渡到沙漠覆蓋區，早期采集參數沒有考慮地表條件及地下地質情況，從北向南采用同一套采集參數，致使部分區塊目的層信噪比、分辨率較低，最常用的反映斷裂的相干屬性品質較差，難以有效表征斷裂的實際展布特征，表現出斷裂成像不清晰，平剖面解釋難度較大，宏觀展布特征難以描述的特點[11]（圖2-a）。同時不同時期、不同應力環境下形成的斷裂體系縱向疊置、平面切割，斷裂體系組合關系尤為復雜，且走滑斷裂的活動較弱，錯斷不明顯，剖面上幾乎看不到斷距，常規的技術手段難以有效刻畫。

圖2 北部坳陷走滑斷裂剖面圖

為了提高地震資料對走滑斷裂的識別能力，在原始資料上通過疊后處理，改善地震資料對斷裂的刻畫精度，采用了構造導向濾波技術[12]。該技術是針對疊后地震數據體的一種特殊去噪方法，是針對平行于地震同相軸信息的一種平滑操作技術，其目的是沿著地震反射界面的傾向和走向，利用有效濾波方法去噪，增加同相軸的連續性，提高同相軸終止處（斷層）的側向分辨率，保存或改善斷層的尖銳性[13]（圖2-b）。為了進一步提高斷裂的成像精度，筆者提出了雙重濾波的概念，即在構造導向濾波的基礎上再次進行基于擴散方程的構造導向濾波，處理之后的地震數據同相軸的連續或間斷特征更加突出，地震數據的信噪比有明顯改善，斷層斷點更加干脆（圖2-c）。通過雙重濾波的疊后處理，地震資料斷裂特征更加清楚，對走滑斷裂的成像能力得到了進一步加強。同時，在北部坳陷斷控巖溶區，儲層與斷裂伴生發育，利用振幅類屬性可以反映儲層的變化規律。筆者采用振幅變化率屬性，利用濾波之后的數據體提取振幅變化率屬性，將儲層與斷裂信息融合，進一步凸顯了斷裂特征。構造導向濾波疊加基于擴散方程的構造濾波之后的數據基礎上提取振幅變換率屬性，從3 次處理平面圖結果來看，未進行濾波處理的原始資料提取的振幅變化率，噪音背景較強，基本看不到斷裂信息（圖3-a）；經過構造導向濾波處理之后提取的振幅變化率屬性，噪音有所壓制，斷裂特征已經凸顯（圖3-b）；圖3-c是利用二次濾波的資料提取的振幅變化率屬性，斷裂特征清晰可見，有效解決了弱走滑斷裂區斷裂識別的問題。

利用該方法對塔北隆起—北部坳陷—中央隆起走滑斷裂進行了精細刻畫，共識別大型走滑斷裂70條，斷裂長度一般介于30 ～80 km，最大長度為290 km。其中北部坳陷發育走滑斷裂34 條（圖1），以北東走向為主，斷距較小，介于10 ～60 m，FⅠ5及FⅠ17 斷距較大，但不超過100 m，34 條斷裂總長度為1 369 km，是目前勘探的主要對象。

2.2 走滑斷裂分層、分段特征

2.2.1 斷裂縱向分層

北部坳陷走滑斷裂縱向上具有明顯的分層特征[14-16]。走滑斷裂主要形成于寒武紀—奧陶紀，志留紀—二疊紀早期形成的走滑斷裂持續活動，局部活動至三疊紀—古近紀，縱向上形成3 套不同的斷裂組合：第一期從寒武紀到奧陶紀，該期主要為南北向純剪走滑斷裂應力場，以壓扭為主，平面位移小，斷裂垂向斷距一般不超過30 m，在地震剖面上表現為撓曲特征，以高角度線性走滑為主（圖4 紅色斷裂）；第二期從志留紀到二疊紀局部發育半花狀構造，大部分斷裂繼承性發育，向下與早期走滑斷裂合并，但性質從壓扭轉向張扭發生轉換，局部改造早期的斷壘帶（圖4 藍色斷裂）；第三期從三疊紀—古近紀斷裂沿早期大型走滑斷裂發育帶局部活動，形成雁列構造，地震剖面上表現為“花上花”的特征，向下收斂合并與主斷裂帶重合（圖4 粉紅色斷裂）。

2.2.2 斷裂平面分段

圖3 北部坳陷弱走滑斷裂平面分布圖

圖4 北部坳陷走滑斷裂縱向分層組合特征圖

走滑斷裂在平面上具有分段性[15-17]。通過區域構造成圖與斷裂要素分析，大型走滑斷裂在橫向上變化較快，通常很小的范圍就會發生性質的轉化，出現明顯的分段性，平面上主要表現為3 種特征：壓扭段、張扭段及平移段。如圖5 所示：壓扭段在平面上形成局部構造高點，地震剖面上表現為正花狀；張扭段一般表現為明顯地塹特征，地震剖面上呈現負花狀；平移段斷距明顯變小，一般不超過10 m，斷裂活動強度最弱。

3 走滑斷裂控儲

隨著塔里木盆地地震工程技術的進步，越來越多的學者研究認為構造演化、斷裂構造分期差異及走滑斷裂系統等對碳酸鹽儲層物性的改造、油氣運移通道、控制油氣圈閉等方面具有重要影響[18-24]。北部坳陷尤其是以富滿油田、順北油田為代表的阿滿過渡帶，儲層主要受大型走滑斷裂控制。斷穿至基底的古生界深大走滑斷裂不僅是油氣向上運移的有效通道[25]。在構造應力的擠壓作用下，脆性的碳酸鹽地層形成錯綜復雜的斷裂系統，成為具有一定規模的斷裂破碎帶。溶蝕作用進一步改造早期的斷裂破碎帶，巖溶水沿斷裂方向下滲，對碳酸鹽巖進行溶蝕改造。同時，大型走滑斷裂使深部及周圍地層變得脆弱，局部深部熱液上涌，更進一步的溶蝕改造斷裂破碎帶以及附近地層，形成不同空間結構的縫洞系統儲集體[26]。

斷控巖溶儲集體巖性主要為亮晶砂屑灰巖、亮晶顆粒灰巖、亮晶生屑灰巖、泥晶顆粒灰巖[27]。巖心薄片分析表明，碳酸鹽巖原生孔隙幾乎消失殆盡，以次生孔隙為主，占比大于95%，儲集空間主要為次生溶蝕及構造破裂作用形成的孔、洞與裂縫，鏡下多見粒間、粒內溶孔、鑄模孔及微裂縫（圖6）。巖心物性分析結果表明，巖心孔隙度介于0.54%～7.46%，平均值為2.17%，主峰位于1.80%～4.50%；滲透率介于0.008 ～391.000 mD，主峰位于0.100 ～1.000 mD，均屬特低孔—低孔、超低滲—低滲儲層，孔滲相關性很差。由于大型縫洞發育段難以取心，且巖心易破碎，巖心樣品物性整體偏低，僅能代表儲層基質物性。

圖5 北部坳陷斷裂平面剖面分段特征圖

圖6 奧陶系碳酸鹽巖斷控巖溶儲層特征照片

斷控巖溶儲層類型有4 類：裂縫型、孔洞型、裂縫—孔洞型及洞穴型儲層。常規測井和成像測井顯示裂縫、孔洞、洞穴都十分發育，測井解釋孔隙度一般介于2%～6%，縫洞發育段孔隙度大于10%。盡管測井解釋能在一定程度上反映井筒周圍的儲層特征，但不能完全代表碳酸鹽巖縫洞型儲層的儲集空間。鉆井統計分析表明，大部分高產油氣井多是鉆遇了大型縫洞體及裂縫發育帶，儲集空間以大型洞穴和構造裂縫為主，在目的層鉆進中往往會發生大量的鉆井液漏失、鉆時加快或鉆井放空現象[28]，地震剖面上儲層具有明顯“串珠”反射。大型縫洞體儲層是高產油氣層段，目前北部坳陷碳酸鹽巖油氣藏的評價開發基本以這類儲層為主，鉆井放空、漏失占比達67.5%。

基于對斷控巖溶碳酸鹽巖儲層的地質認識，通過多屬性地震儲層預測技術與鉆井分析相結合，優選振幅變化率屬性預測奧陶系斷控巖溶碳酸鹽巖縫洞體儲層，平面上優質儲層主要以斑點狀沿大型走滑斷裂呈條帶狀分布，橫向寬度介于500 ～2 000 m（圖7-a）。剖面上縫洞體儲層垂直走滑斷裂呈“串珠狀”，縱向深度可達500 m，沿走滑斷裂呈“板狀”分布（圖7-b、c）。

4 走滑斷裂控藏

斷控巖溶區奧陶系油氣藏具有沿斷裂帶整體含油氣、局部富集的特征，油氣成藏具有“寒武供烴、多期成藏、斷裂控儲、垂向運聚”的特點。油氣主要來源于中下寒武統玉爾吐斯組烴源巖，走滑斷裂是油氣縱向運聚的主要通道，由于斷裂的多期活動，表現為多期次成藏的特征；走滑斷裂在形成過程中由于機械破碎形成斷裂破碎帶，后期流體溶蝕改造作用形成洞穴、孔洞等有利儲集體，上覆吐木休克組泥巖、巨厚的桑塔木組泥巖及碳酸鹽巖儲層周圍的致密石灰巖均可作為良好的油氣運移遮擋層[29]，在斷裂活動末端形成油氣藏。

綜合區域構造演化、流體包裹體、伊利石定年等多資料分析，玉爾吐斯組主要存在3 期生排烴，伴隨不同時期的構造運動，奧陶系碳酸鹽巖主要對應3期油氣充注，分別為加里東晚期、海西晚期原油充注和喜馬拉雅期天然氣充注（圖8）。加里東中晚期，北部坳陷走滑斷裂體系雛形基本形成，玉爾吐斯組烴源巖大量生油，形成的油氣主要沿斷穿寒武系的深大走滑斷裂帶垂向運移，在巨厚的上奧陶統桑塔木組覆蓋之下的碳酸鹽巖斷裂破碎帶中形成斷控油氣藏。海西晚期，北西向走滑斷裂被激活，繼承性活動，玉爾吐斯組烴源巖第二次大量生油，形成的油氣沿著北西向深大走滑斷裂帶垂向運移，對中上奧陶統形成的油氣藏第二次充注。喜馬拉雅期，北東向走滑斷裂繼承性活動，此時玉爾吐斯組烴源巖埋深接近10 000 m，進入生氣階段，大量天然氣主要沿著北東向深大走滑斷裂帶向上運移并成藏，由于北部坳陷現今主應力方向為北東向，致北東向斷裂較北西向斷裂更容易接受喜馬拉雅期天然氣的充注，勘探開發實踐也證實北東向斷裂上的井氣油比普遍較北西向斷裂上的井高。

圖7 北部坳陷振幅變化率屬性平面分布及儲層地震剖面圖

圖8 北部坳陷奧陶系碳酸鹽巖斷控巖溶油氣藏成藏模式圖

北部坳陷走滑斷裂控制的油氣藏，平面上主要受斷裂帶控制，呈帶狀分布，橫向分布范圍小。統計分析結果表明，絕大多數高產穩產井在斷裂2 km 范圍內；縱向上油氣沿斷裂帶多層段分布，沒有統一的油氣水界面，油氣縱向分布與斷裂斷開層位密切相關，奧陶系頂部斷裂最為發育，油氣顯示與發現集中在奧陶系碳酸鹽巖。目前油氣的產出主要集中在一間房組，同時在鷹山組內部、蓬萊壩組頂面也有分布，井間油氣層段分布具有一定的差異。局部斷裂向上斷至中生代，雖然斷裂活動的強度明顯減弱，分布也較局限，但沿斷裂帶也可能形成碎屑巖油氣藏，目前尚未規模發現，零星見到良好油氣顯示。

塔里木盆地北部坳陷斷控碳酸鹽巖油氣藏是該盆地碳酸鹽巖勘探的主要油氣藏類型。根據北部坳陷走滑斷裂在平面上的表現特征，壓扭、張扭和平移3 種不同性質的斷裂控制了3 種不同類型的油氣藏。其中，壓扭型斷裂控制的油氣藏，沿斷裂展布，集中發育在距離斷裂200 m 以內，少數油氣藏分布在距離斷裂200 ～1 200 m 范圍，最大距離可超過2 000 m，一般發育局部構造高點，剖面上斷裂呈正花狀貫穿寒武系至奧陶系碳酸鹽巖頂面，斷裂周緣破碎程度較高、破碎帶規模大，但由于應力呈擠壓狀態，儲層橫向連通性相對較差，易形成相對孤立的局部油氣藏；張扭型斷裂控制油氣藏橫向分布在距離斷裂200 m 以內，少數油氣藏分布在距離斷裂200 ～600 m 范圍內，一般在局部地區形成地塹特征，區域應力呈大面積釋放狀態，可形成大面積裂縫帶，帶內斷裂周緣破碎程度高、儲集體規模最大，儲層橫向連通性最好，油氣相對富集，易形成儲量規模較大的油氣藏；平移型斷裂控制的油氣藏，油氣藏平面展布范圍較小，一般在距離斷裂200 m 范圍內，由于斷裂活動較弱，儲層欠發育，地層破碎程度較低、儲集層規模相對較小，油氣藏橫向規模較小，主要依靠縱向裂縫體系供液。

根據3 種不同類型斷裂控制的油氣藏特征，結合勘探開發實踐綜合分析，建立了9 種油氣藏模式（表1）。壓扭性質的走滑斷裂，斷裂破碎帶的寬度較大，油氣沿縱向充注，斷裂破碎帶內高點聚集成藏，平面上表現為局部構造高或者正花狀構造特征，按照壓扭型斷裂平面的組合樣式，壓扭型斷裂控制的油氣藏分為壓扭隆升、壓扭辮狀及壓扭正花3 種油氣藏模式，其中，壓扭隆升和壓扭辮狀兩種模式的斷裂活動相對較強，油氣藏開發效果優于壓扭正花。張扭性質的走滑斷裂的活動程度略低于壓扭型斷裂，斷裂破碎帶平面寬度相對較窄，但由于局部拉張的應力環境，斷裂帶平面連通關系較好，是目前最好的鉆探目標，按照張扭型斷裂平面分段特征，張扭型斷裂控制的油氣藏也可劃分為張扭拉分高部位、張扭斜列及張扭馬尾3 種油氣藏模式，3 種油氣藏模式儲層縱、橫向連通范圍廣，但由于張扭馬尾段處于斷裂活動末端，油氣充注強度大稍弱，油氣充柱高度小于其他兩種類型的油氣藏。平移性質的走滑斷裂活動強度最小，斷裂破碎程度有限，儲層規模與充注強度要整體弱于張扭型、壓扭型斷裂控制的油氣藏，按照平移型斷裂的分段特征及對油氣的控制作用，平移型斷裂控制的油氣藏模式可進一步細分為平移線性、平移正花、平移負花3 種類型油氣藏模式。

在北部坳陷斷控9 種油氣藏模式指導下，第一輪儲備鉆探目標超過300 口，有效地指導了近年的井位部署。2018 年以來，鉆井成功率由75%提高至96.7%，高效井比例由20%提高68%，新井單井日產油量從35 t 提高至78 t；2019 年，北部坳陷高效建成了100×104t 大油氣田；2020 年部署在北部坳陷東部的MS1 井獲得重大發現，采用10 mm 油嘴測試獲得日產油量600 m3、日產氣量37×104m3，10×108t 級資源量基本落實，夯實了塔里木油田公司持續上產的資源基礎，規劃在十四五期間北部坳陷建成600×104t 大油氣田。

5 結論

1）塔里木盆地北部坳陷走滑斷裂活動較弱，在雙重濾波基礎上提取振幅變化率屬性，大幅度提高了走滑斷裂識別精度，在塔里木盆地北部坳陷識別出34 條走滑斷裂，并落實了斷裂的展布特征及規模，為該區下一步的油氣勘探部署明確了方向。

2）北部坳陷走滑斷裂具有縱向分層、分段特征。縱向上形成寒武紀—奧陶紀以高角度線性走滑為主、志留紀—二疊紀以線性構造半花狀構造為主、三疊

紀—古近紀以雁列構造為主的3 套斷裂組合，平面上形成構造高點呈正花狀的壓扭段、明顯地塹特征呈負花狀的張扭段和斷裂活動強度最弱的平移段。

表1 北部坳陷油氣藏模式表

3）北部坳陷走滑斷裂控儲控藏特征明顯，平面上油氣主要沿斷裂帶呈條帶狀分布，縱向上油氣沿斷裂帶呈多層段分布，并提出了9 種油氣藏模式。

4）針對斷控碳酸鹽巖油氣藏提出的9 種油氣藏模式有效地指導了塔里木盆地北部坳陷的斷控油氣藏的勘探開發部署，實現了該區的高效開發，對類似油氣藏斷裂識別和油氣勘探開發具有一定的推廣價值。