2. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
3. 中国石化西北油田分公司, 乌鲁木齐 830011;
4. 中国石化西北油田分公司雅克拉采气厂, 新疆 库车 842003
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
3. Sinopec Northwest Oilfield Company, Urumqi 830011, China;
4. Yakela Gas Production Plant of Sinopec Northwest Oilfield Company, Kuche 842003, Xinjiang, China
0 引言
走滑断层是自然界普遍存在的一个断层构造,其主要以水平滑动区别于正断层和逆断层的垂向滑动。早期地质学家对走滑断层的关注主要集中在板块运动或洋壳拉伸等构造活动相关的大型走滑断层方面[1-6]。随着地质矿产勘探的技术的提高,前人认识到在大型盆地内部发育了一种板内中-小尺度走滑断层,其空间结构和多期构造活动对其附近的构造热事件、固体金属矿产及油气分布具有重要的控制作用[7-10]。近些年,中石化在塔里木盆地顺托果勒南部(简称“顺南”)地区和顺托果勒北部地区(简称“顺北”)相继获得油气突破,尤其是顺托果勒北部地区的重大油气突破,揭示了克拉通内的中-小尺度走滑断层体系对奥陶系致密碳酸盐岩地层具有“控储、控藏、控富”的作用[11-13]。前人[11]通过奥陶系碳酸盐岩顶界面上走滑断层侧接方式、断层走滑性质和断层在剖面上的构造形态三者之间的关系对顺北1号断层和5号断层开展了断层分段研究工作,揭示了断层的分段性是断层演化的基本属性。顺北地区沿着断层带不同分段的钻井单井产能差异显著,表明走滑断层的平面分段性制约着储层规模及油气富集程度。前人[11]对顺北地区主干走滑断层的分段性研究只关注了奥陶系碳酸盐岩顶界,并未涉及其他重要层系的断层分段性研究;且研究方法主要为断层构造特征解析和地震属性优选等,研究手段相对单一。本文选取顺北5号断层中北段作为研究对象,对其开展断层构造特征解析,并利用断层垂向断距统计法对断层进行平面分段性研究,旨在查明走滑断层重点层系分段特征和纵向叠置关系对油气富集的控制作用,为油气勘探提供一定的理论支撑。
1 地质概况顺托果勒低隆起位于塔里木盆地中部,其南、北分别与塔中隆起和塔北隆起相接,东、西与满加尔坳陷和阿瓦提坳陷相邻(图 1),褶皱变形弱,古生代地层接受稳定沉积,仅少量地层存在一定程度的剥蚀,是塔里木盆地二级单元中相对稳定的古构造单元[9]。顺托果勒及其邻区发育了多套古生界走滑断层体系[13],依据其在平面上的走向、剖面上的构造特征及成因机制可将其细分为X型似共轭体系、调节体系、北东向体系、北北西向体系4个走滑断层体系[13-16]。顺北5号断层活动强度大,在剖面上贯穿古生界多个地层,并具有深层直立走滑断层叠加浅层雁列正断层的纵向空间结构特征。断层在碳酸盐岩顶界面上呈弧形延伸,主体由NNW20°北段、近NS向中段和NNE15°南段组成,其延伸距离长约270 km,贯穿了塔北隆起、顺托果勒低隆起和塔中隆起3个二级构造单元。同时在顺北5号断层东西两侧的走滑断层产状具有明显的差异,其西侧的断层主体以NNW走向为主,东南侧以NE向走滑断层为主,北东侧以X型似共轭走滑断层为主,能见到多条NNE向走滑断层终止在5号断层东侧,并与5号断层呈反Y字型结构。顺北5号断层北段和中段北端的典型分段叠接段的单井产能明显强于直立分段非叠接段,同时在北段的叠接挤压段上的3口钻井单井产能差异大,均揭示了断层平面分段特征对油气井产能差异具有重要的控制作用。
2 研究方法断层在空间上并不是一个孤立的平面,而是一个复杂的三维空间结构地质体,其形成演化过程和空间结构对后期的地质活动具有重要的控制作用,如断层空间结构中岩石的物性条件制约着断层内部流体的疏导性。国内外学者基于岩石破裂力学特征及野外地质特征,结合数值模拟和物理模拟结果,认为断层并非由一个次级断层无限扩张演化而成,而是由多条走向相近的次一级断层逐渐破裂、扩张、生长、汇聚拼贴而成[17-18]。同时研究发现在不同尺度下分段断层(裂缝)的叠接部位或端部发育更多的次级断层(裂缝),表明断层发育过程中断层两端应力更为集中,具有由中间向两端逐渐破裂扩展演化的特点,并在此基础上提出了断层形成过程具有分段演化的特性[10, 17, 19-21],具体包括以下4个阶段:1)首先在岩石薄弱位置随着应力的增加逐渐形成一系列近平行的岩石破裂面(图 2a),随着持续的应力作用,断层逐渐由断层中心向两侧扩张的同时断距也逐渐增大,值得注意的是断距最大位置始终都在断层平面横向断层长度的中间位置;2)当单一断层持续扩张演化,与相邻的两条扩张断层逐渐侧接时,两条断层的端部开始相互作用,在侧接位置逐渐发育大量小角度相交的次级断层或马尾构造(图 2b);3)在两条断层侧接初期时,其叠接位置的垂向断距最小,后随着次级断层持续演化逐渐拼贴,断层的垂向断距逐渐增大,其演化阶段可分为软连接阶段(图 2c)和硬连接阶段(图 2d);4)当两条断层扩张演化为硬连接后,随着应力的持续增加,两条断层形成一条新的孤立断层,并再度开始新的扩张演化过程,值得注意的是断层的断距最大位置并非原始断层中间位置,而是新断层平面长度的中心位置。结合断层演化过程中断距与断层长度的动态变化关系和断层长度与最大断距的关系,前人利用断层走向上不同位置的断距变化特征来定量研究断层的分段性规律[16-17]。
前人对不同尺度断层长度与断距相关性分析发现,断层长度与其最大断距具有很好的线性关系,同时不同类型断层的线性关系存在一定的差异,但均在一定范围内波动(图 3a)[17, 22]。走滑(剪切)断层(裂缝)的形成过程也可以用分段演化模式来解释(图 3):1)在岩石相对薄弱的位置开始发生剪切破裂,形成未成熟的破裂面,此时断层没有明显的断距变化;2)随着持续应力作用,断层长度和断距逐渐增大,当演化成熟时,其断层长度与最大断距呈线性关系,同时断距最大的位置也位于分段的中间位置(ST1阶段);3)当多条走向一致的断层(裂缝)侧接时,在叠接位置会发育大量小角度相交的次级断层,值得注意的是,该阶段的断层长度近似两条断层长度之和减去侧接长度,但侧接段的断距却接近于0,导致断层长度与断距的相关性发生偏离(ST2阶段);4)持续的剪切应力并不能使断层的长度增加,而是在断层侧接位置发育一系列的次级断层,并不断地造成叠接段的断距逐渐增加,当两个断层形成硬连接后,断层长度与最大断距再次回归为线性关系(ST3阶段、ST4阶段);5)叠接段继续演化,彻底贯通后形成一条新的断层后,将再次向两端继续扩张,断距最大处位于新断层延伸长度的中间位置,其断层的长度与最大断距将再次回归到线性相关关系(ST1阶段)。基于断层分段演化时断层长度与最大断距规律的变化特征,认为单一成熟断层的断距具中间大两边小的特点,并在此提出利用沿断层走向上等间距的断距统计剖面图的变化规律来进行断层分段性研究。
前人[18, 23-24]对不同尺度的岩石薄片裂缝、岩心裂缝、米级断层、千米级断层和盆地级断层等构造进行了系统的研究工作,认为断层(裂缝)在不同尺度或维度中的几何学特征及其构造变形特征具有一致性。顺北5号断层北段在奥陶系碳酸盐岩顶(T74)界面为右行左阶分段排列(图 4a),在剖面上为典型的分段叠接挤压构造样式(图 4b),揭示了走滑断层在千米级断层中具有明显的分段特征。在塔里木盆地的柯坪断隆地区发育了大量北东向走滑断层体系,大湾沟剖面中的大湾沟组碳酸盐岩层面上可见多组剪切裂缝(图 4c),其中北东向裂缝在平面上延伸距离长,呈右行右阶分段叠接排列,并在叠接位置见到明显的拉分地堑结构,揭示了在米级尺度中的走滑断层具有明显的分段特征。在SHB5-1X一间房组灰岩中见高角度裂缝右阶排列,其裂缝被后期的有机质或方解石充填,表明裂缝的分段性在分米级尺度中普遍存在(图 4d)。与此同时,在SHB5井的岩心薄片中见方解石充填的裂缝呈右阶排列,指示着裂缝的分段性在毫米级尺度中同样存在(图 4e)。塔里木盆地走滑断层(裂缝)在不同尺度下均具有分段性,揭示断层的分段演化是断层构造的基本属性,不受断层性质和规模的控制。
顺北5号中北段平面延伸长度近45 km,而水平位移在300~500 m之间,揭示走滑断层在平面上有“延伸距离长,水平位移小”的特点[15]。顺北走滑断层在剖面上具有深层走滑叠加浅层雁列的空间结构特征,其中顺北5号断层北段深层线性走滑与浅层雁列正断层的夹角小于45°,为倾滑拉张走滑断层,而中段深层线性走滑与浅层雁列正断层夹角大于45°,为倾滑挤压走滑断层。同时顺北5号断层在古生界重点层系均具有一定程度的垂向位移,尤其是碳酸盐岩顶界面的垂向断距最大,整体介于20~150 m之间,即使是分段非叠接走滑段的垂向断距也介于20~40 m之间,进一步证明了顺北5号断层是具有明显垂向滑动特征的倾滑断层。同时,顺北走滑断层作为古生界盆缘板块俯冲造山等事件的远程响应,断层在同一构造事件时限内区域应力场变化不大,因此,本文提出在不能准确测量顺北5号断层的水平位移的情况下,利用其垂向位移量来间接判断走滑断层的活动强度是可行的,这一认识在国内外不少学者的物理模拟和野外现象中均能得到证明[25-27]。基于倾滑断层的垂向位移来判断断层活动强度这一认识,结合走滑断层分段性这一基本属性,提出利用沿着断层走向垂向断距的变化来研究走滑断层的平面分段性这一方法。
综合顺北地区走滑断层构造特征,利用垂向断距来开展倾滑断层分段性研究需满足一定的先决条件:1)走滑断层在平面上必须呈线性延伸,不具明显的断层走向突变的特征,顺北5号断层中北段平面走向发生近20°偏转,没有走向突变;2)断层在同一地质历史时期内的区域应力方向没有发生改变,确保断层在发生走滑活动时为同一应力背景,顺北地区先后经历了加里东早期近南北向拉伸应力、加里东中期北东向挤压应力、加里东晚期—海西早北东向挤压应力和海西中晚期北西向挤压应力[28-30],在每个构造时期构造应力方向基本保持一致;3)沿着断层走向延伸方向具有一定的垂向断距变化,顺北5号断层的直立走滑段也具有一定的垂向断距;4)必须对断层开展合适的密间距垂向断距统计工作,才能确保断层分段性的合理性。
顺北5号断层中北段构造特征均能满足这些前提条件,因此提出了基于高精度三维地震资料的断层垂向断距统计工作,统计工作面临两种情况:1)针对在重点层系上断层敏感属性不能明确识别分段叠接特征的断层直接按照400 m的间距统计响应断距。2)针对在重点层系上断层敏感属性能识别分段特征的断层,对非叠接段还是按照400 m间距统计;而分段叠接段的断距统计则按照400 m的间距分别统计两边界断层的垂向断距,同一侧的看上去连续的断层分段,先将其强行划分为两个断层分段,再通过断层断距变化的差异性来判断两个断层是否为同一断层。该方法既考虑了断层垂向的构造形态和活动强度等构造特征,也充分利用了断层敏感属性识别方法,并首次从断层演化的角度进行断层分段研究,具有充分的科学性。
3 顺北5号断层分段特征前人研究发现顺北走滑断层在古生界不同地层具有不同的构造变形特征,在剖面上主体表现为深层走滑断层叠加浅层雁列正断层,纵向空间叠置关系复杂[13, 15-16, 31]。顺北地区沉积了巨厚的寒武系—上奥陶统海相碳酸盐岩,并在中寒武统发育了一套膏盐岩层和膏盐岩滑脱构造,值得注意的是,顺北5号断层在膏盐岩层上下海相碳酸盐岩地层中的构造样式具有明显的差异性,基于这一认识可将其划分为膏盐岩层下(简称“盐下”)碳酸盐岩构造层和膏盐岩层下(简称“盐上”)碳酸盐岩构造层。顺北5号断层中北段在盐下碳酸盐岩构造层顶部(T81)界面由中段的近NS走向断层和北段的NW18°走向断层组成,不具明显的分段特征,在剖面上主体表现为高陡直立走滑断层和膏盐岩层滑脱逆断层;而在盐上碳酸盐岩构造层顶部(T74)界面由中段NW2°走向断层和北段的NNW16°走向断层组成,在碳酸盐岩顶界面有明显的分段特征,在剖面上继承了盐下构造层的直立走滑构造样式,并向上在碳酸盐岩顶面呈直立走滑或发散成正(负)花状构造,其界面构造样式与走滑性质及分段侧接的方式有关。走滑断层在上奥陶统泥岩及其以上的碎屑岩地层的构造变形特征与深层具有明显的差异,在剖面上表现为小型地堑向上发散的雁列正断层构造,终止于石炭系地层内。顺北5号断层的实钻井常常钻遇不同层系的雁列正断层,在浅层的志留系中却常钻遇放空漏失和出盐水等复杂井况,但在深层的上奥陶统泥岩中并未钻遇这些复杂井况,指示着不同地层中的雁列正断层在纵向上可能不连通。与此同时,在上奥陶统泥岩和志留系中可观察到代表走滑性质改变的两组雁列正断层,这进一步验证了雁列正断层在空间上并未连通(图 5)。
邓尚等[11, 16]从剖面构造样式、断层活动机制及相干等敏感属性出发,将顺北5号断层中北段在奥陶系碳酸盐顶界面分为12个断层分段;而本文利用沿断层走向的垂向断距统计图将其划分为14段(图 6),其中每个断层分段都具有由分段两端向中间断距增大的特点,符合走滑断层分段演化特征(图 3、图 6b)。顺北5号断层的14个分段在长度位于3.0~8.0 km之间,主体介于3.0~5.0 km范围内,最大垂向断距介于90~150 m之间,揭示每个断层分段均达到了成熟阶段。顺北5号断层的14个断层分段在平面上呈左阶排列,结合其右行走滑性质,可知叠接段在剖面上为挤压隆升构造形态; 但顺北5号断层中段则因加里东晚—海西早雁列正断层的改造作用呈下凹构造形态(图 5d)。5号断层北段的非叠接位置在剖面上表现为逆断层构造样式,揭示了北段斜向挤压走滑性质;5号断层中段的非叠接位置在剖面上表现为正断层构造样式,而非典型的平移走滑特征,指示其斜拉走滑断层的构造属性。结合加里东中期北东向区域应力作用、断层活动强度可知, 5号断层中段较北段的活动强度更弱。顺北5号断层中北段在寒武系膏盐岩层顶(T81)界面的分段性不明显,并未受到过多的关注,利用其垂向断距变化可将其划分为10段(图 6e)。走滑断层的分段长度位于2.0~8.5 km之间,主体集中在4.0~6.0 km范围内,最大垂向断距介于45~90 m。断层的整体走向与盐上碳酸盐岩顶界面断层走向保持一致,仅在中段发育了两条NE 20°走向、长约5.0 km的分支断层,揭示了走滑断层在纵向空间上的演化具有继承性(图 5、图 6)。但基于断层在剖面上的构造样式和垂向断距可知, 盐下碳酸盐岩层中北段的活动强度明显弱于中段,与盐上碳酸盐岩层活动强度相反,从而造成走滑断层在两个构造层中的构造样式和活动强度具有明显的不一致性,揭示了断层在垂向发育过程中也具明显的差异演化。综合盐上和盐下碳酸盐岩层走滑断层分段特征可知,走滑断层在走向上没有变化,指示着断层在垂向空间上演化具有继承性。同时盐下的F2′断层分段对应着盐上的F3和F4的分段叠接位置,F4′分段对应着F5和F6的分段叠接位置,F10′对应着F12、F13和F14分段,揭示了断层在不同构造层的分段在空间上不具明显的对应性,断层的演化具有分层变形的构造特征。
4 讨论顺北5号断层是顺北地区重要含油气断层带,断层的空间结构和关键层系的分段性对断控油气藏差异富集具有重要的控制作用。前人[11, 16, 32]研究认为走滑断层在碳酸盐岩顶界面的分段叠接段的产能明显强于分段非叠接段,其中分段叠接拉分段的产能最强,同时发现在深层同一分段上的浅层雁列正断层的活动强度越大,井的产能越好,揭示了后期断层的活动对早期断层分段的储层有明显的改造作用,控制着油气富集的程度。结合顺北地层格架和断层构造变形特征,笔者提出了一种新型断控油气藏的立体评价方法,认为断层在盐下碳酸盐岩层中控制着通源性和油气疏导性,在盐上碳酸盐岩层控制着断控缝洞型储层的规模,在海相巨厚泥岩中制约着盖层的封闭性,在浅层碎屑岩层中决定了储层改造强度和油气充注强度[33]。本文主要对深层的盐下和盐上碳酸盐岩构造层的分段特征开展了系统的研究,重点讨论这两构造层的分段性及其对油气成藏过程中的控制作用。
顺北5号断层北段在盐下碳酸盐岩顶部(T81)界面能划分为4个NNW18°的断层分段和1个NNW10°的断层分段,其具有中等偏小的正(负)位移,指示走滑断层在空间上产状多变;中段也能划分为5个NNW2°的断层分段,其具有中等偏大的正向位移,指示断层的垂向活动强于北段,推测该现象与膏盐滑脱构造活动强度的中强北弱有关。顺北5号断层中:4口高产井中的2口位于北段的F2′、F3′分段,2口位于中段的F6′、F7′断层分段,高产井在剖面上表现为小—中活动强度的(正)断层构造(图 7);4口中产井中的3口分布在北段F1′、F2′、F3′分段,1口位于中段的F10′分段,中产井在剖面上为中-大活动强度的逆(正)断层构造;6口低产井中的3口在北段的F1′、F2′分段上,3口分布在中段的F9′、F10′分段上,低产井在剖面上活动强度没有明显差异。对不同产能的钻井地震剖面精细解释后发现,高产井在盐下碳酸盐岩层的膏盐滑脱构造活动弱,在剖面上呈挤压构造形态,而低产井的在盐下碳酸盐岩膏盐滑脱构造活动强,因膏盐逃逸呈小凹构造形态(图 7)。综上可知,顺北5号断层的走滑断层在纵向均不存在通源问题,而井的产能差异主要与膏盐滑脱构造的活动强度有关,尤其与膏盐逃逸造成断层破碎带物性参数变差有重要关系。
顺北5号断层北段在盐上碳酸盐岩层顶部(T74)界面能划分8个NNW16°的断层分段和1个NNW5°的断层分段,其中F3和F4与F5、F6和F7断层形成2个典型的分段叠接挤压段;而中段能划分为5个NW2°的断层分段,其中F9和F10、F10和F11、F11和F12形成3个明显的叠接段,因斜拉走滑断层和后期雁列正断层改造而呈下凹的构造特征(图 5d、图 6c)。上述研究表明中北段的分段长度相近,但北段不同分段的侧接段长度明显大于中段,同时北段的叠接段宽度也明显强于中段,推测是北东向区域应力差异作用的结果。结合顺北5号断层上的油气井产能情况及单位压降特征分析(图 7)可知:北段的2口高产井均位于F3和F4与F5和F6的叠接段中间位置,中段的2口高产井位于北端的F9、F10和F11分段之间,均对应着垂向断距最大的位置,揭示着断层的活动强度制约着断控缝洞型储层的规模;中产井主要分布在北段F1、F4和F5分段的尾端或两个分段叠接位置的尾端,中段的中产井也分布在F12分段的尾端,揭示分段尾端的断控缝洞型储层发育规模可观,但较分段叠接段的储层规模差;北段2口低产井位于F3和F4与F4和F5分段叠接的尾端,1口位于F3分段非叠接段中部,而中段的低产井则主要分布在F12、F13和F14非叠接段的中部位置,揭示了非叠接段中部储层规模不如尾端和叠接段,同时分段叠接段内的储层发育具有极强的非均质性,尤其是挤压叠接段内的裂缝虽异常发育,但多为无效挤压缝,储层连通性差。在顺北5号断层北段F3和F4断层分段叠接段分布着低产、中产和高产井,其中高产井位于叠接段中部,而中低产井则分布在分段叠接段的尾端,指示着分段叠接段内部断控缝洞型规模强于叠接段尾部。顺北5号断裂典型叠接带上的4口井(A1、B2、C1和C2)均需要酸压建产,同时其虽均分布在叠接段内,但测试资料表明井与井并未连通,揭示叠接段内部储层非均质性强,储层连通性差。同时在纵向结构上,这4口井在盐下碳酸盐岩层均位于F2′分段上,高产井位于F2′中部,中低产井均位于尾端,揭示走滑断层活动强度大小制约通源性和疏导性能力。
综合分析可知,顺北地区的走滑断层不同构造层的分段特征研究需充分考虑断控油气藏成藏过程,盐下碳酸盐岩构造层中断层分段位置及膏盐滑脱构造的活动强度制约着通源和油气疏导能力。盐上碳酸盐岩构造层断层的活动强度越大,储层规模越可观;同一断层分段的尾端较中部储层更为发育,其中叠接段的产能差异与叠接构造样式、分布位置和裂缝开启程度有关。
5 结论与建议1) 对于板内走向未明显突变的中小尺度走滑断层,在水平位移不明确的前提下,可利用断层的垂向断距变化对断层分段性开展研究。该方法综合了断层活动强度、构造形态和演化特征,对典型分段和非典型分段的断层均具有较好的应用,可将顺北5号断层在盐下构造层顶界面分为10段,而盐上构造层顶界面分为14段。同时顺北5号断层在盐下碳酸盐岩层和盐上碳酸盐岩层的演化过程中有继承性的同时也具有差异性演化的特点。
2) 顺北5号断层在纵向空间上不同构造变形特征控制着断控裂缝型油气藏的成藏,断层基本能贯穿盐下碳酸盐岩层膏岩层,指示该油藏通源条件好。油藏的疏导性受控于膏盐岩滑脱构造的活动强度,滑脱构造活动越强,膏盐逃逸现象越明显,油藏的疏导能力越差。盐上碳酸盐岩层的断层分段性和活动强度制约着断控缝洞型储层规模,其中断层分段叠接位置较非叠接段储层更为发育,而同一分段上端部的储层规模较中部更为发育。走滑断层深层空间结构对油气藏的通源性、疏导性和成储性具有重要的控制作用,明确不同构造层的断层构造特征,并对不同构造层的分层分段评价有利于断控裂缝油气藏成藏过程分析,为油气井的勘探部署提供一定的指示意义。
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