塔中古隆起碳酸盐岩断裂破碎带构造样式及其石油地质意义

能源，杨海军，邓兴梁

（1. 中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒 841000；2. 中国石油大学（北京）克拉玛依校区，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

塔中古隆起是塔里木盆地重要的油气富集区之一，经过多年勘探，在其古生界碳酸盐岩地层内发现了多个油气藏[1-4]。目前研究认为构造演化及断裂活动对油气运聚具有重要影响[5-11]。塔中古隆起主要形成于中晚加里东期—海西期，喜马拉雅期再次活动[5]，受区域应力场控制，古生界内发育北西向、北东向及近东西向等多组断裂，表现出逆冲断层与走滑断层交织发育的复杂构造变形特征[6-10]。切割至寒武系内的深大断裂不但是油气向上运移的有效通道[9-11]，同时断裂及裂缝的改造作用还可以有效提高低孔低渗碳酸盐岩储集层储集性能[12-17]。目前对断裂的研究仍主要集中在断裂样式[8-11]、活动期次[10]、应力分布[18]、成岩作用[15]及其对油气的输导作用等方面[9,11,19]，针对断裂带周缘破碎带发育规律及有效储集层分布特点研究仍然较少[17]。国外学者在 20世纪 80年代就发现了断裂破碎带（fault damage zone）的存在[20-21]，Chester等通过对 San Andreas大断裂的研究后将断裂带内部结构划分断层核（fault core）和破碎带（damage zone）两部分[22]，两者的区别在于断层核内部岩石在原地破碎混杂严重，先存沉积及构造特征均被破坏，因此形成低渗透的致密带；而破碎带则发育分支断层及裂缝，地层面及构造内部组构均得到保留[23]。早期一系列呈斜列式排列的裂缝带经过进一步演化可形成断裂带，因此破碎带的样式与断裂带的演化相关，不同断裂带不同演化阶段可形成不同的破碎带样式[24-26]。前人基于裂缝的成因，将破碎带分为冲断型[27-29]、走滑型[30]、侵入型[31]、伸展型[32]等多种类型。Annette G M等通过野外露头观察，总结了碳酸盐岩地层小尺度正断层、走滑断层与逆断层产生的破碎带样式，将破碎带划分为与断层连接型和斜列展布型，同时指出走滑和逆冲断层形成的破碎带样式相对于正断层破碎带样式更为复杂[24]。Young-Seo等则根据破碎带相对断层的位置将破碎带划分为尾端型、岩墙型和连接型[33]。目前断裂破碎带的研究方法主要有野外露头观察[34]、岩心观察[35]、薄片鉴定[36]、构造模拟实验[37-38]等多种手段。总体而言破碎带的宽度与断层的位移成正相关关系，即断层的位移越大，破碎带的宽度亦越大[26,39-41]，Johri等应用地震资料及成像测井资料对井下裂缝及断裂发育特征进行研究，为地下断裂破碎带研究提供了定量预测方法[42]。破碎带除了受断层活动影响以外，还受地层岩性、成岩作用、构造演化、地层流体等多种因素影响，具有一定复杂性[23-24,27, 30,33-38]。

塔中古隆起奥陶系碳酸盐岩地层埋深超过 6 000 m，其内部发育缝洞型储集层，在三维地震剖面上可以形成串珠、杂乱、丘状反射等特征[43-44]，大量的钻井资料也为超深层破碎带建模提供了基础。本文基于塔中古隆起三维地震资料，综合岩心、野外露头等地质资料开展断裂破碎带建模及储集层分布规律研究，同时根据油、气、水等流体分布及地球化学指标的差异讨论破碎带对油气运聚的控制作用。

1 区域地质概况

塔中古隆起位于塔里木盆地中东部，呈北西—南东走向，其北部紧邻北部坳陷，南部与西南坳陷相接（见图1a）。塔中古隆起垂向上可划分为3层结构（见图 1b、图 1c），上构造层（石炭系—第四系）主要沉积陆相碎屑岩地层，以砂泥岩沉积为主，下石炭统内发育生屑灰岩，地层沉积厚度稳定，覆盖于奥陶系潜山之上；中构造层（上寒武统—泥盆系）为海相碳酸盐岩、碎屑岩沉积，志留系、泥盆系砂岩及奥陶系桑塔木组泥岩向古隆起之上超覆沉积，上寒武统—奥陶系碳酸盐岩地层主要沉积了海相白云岩、灰岩，奥陶系碳酸盐岩地层顶面为连续强反射界面（TOs），在全区可追踪（见图 1b、图 1c）；下构造层（中下寒武统及以下地层）沉积中寒武统膏盐岩地层与下寒武统白云岩地层。断裂和潜山是塔中古隆起构造活动的主要表现形式，地震剖面显示（见图 1b、图 1c），在中下构造层内主要发育逆冲与走滑两类断裂，其中逆冲断裂主要为北西—南东走向，集中在塔中 1号坡折带、塔中10号带及塔中主垒带（见图1a红色）；走滑断裂呈北东—南西走向（见图 1a蓝色），在两类断裂控制下，沿断裂带形成了多类型的碳酸盐岩破碎带，破碎带内多发育缝洞型储集体，为油气富集提供了有利场所。

2 碳酸盐岩断裂破碎带特征

2.1 野外露头碳酸盐岩断裂破碎带发育特征

受构造活动影响，塔中古隆起古生界被巨厚的中、新生界所覆盖，且地表为沙漠区，鲜有古生界出露。而塔里木盆地西北部柯坪构造带受南天山造山带影响（见图2），古生界碳酸盐岩地层被推覆至地表后又经受了走滑应力改造，因此该地区可见一系列不同类型的断裂破碎带，具有如下特征。

①断裂破碎带具有较强的结构性，由断层核、分支断层和破碎带 3部分组成，破碎带由次级断层和大量裂缝带组成，断层核可以是狭长的线性断裂（见图2a、图2b），也可能是具有一定宽度的复杂岩性带（见图 2c、图 2d）。

②沿单一断裂，破碎带的分布具有明显的差异性，破碎带主要集中发育于断裂的交会部位（见图2a）、转折部位（见图2e）、叠置部位（见图3）及尾端（见图2d）等。

图1 塔中古隆起奥陶系碳酸盐岩顶面断裂系统（a）及典型地震剖面图（b、c）

图2 柯坪地区野外断裂破碎带发育特征图（岩性为灰岩、含泥灰岩及鲕粒灰岩）

③走滑断裂与逆冲断裂可以形成不同的破碎带类型，走滑断裂破碎带范围较大，断裂两盘均有分布，破碎带规模受控于主断层及分支断层样式（见图 2e、图 3），逆冲断裂破碎带主要发育于逆冲断层断面附近及其上盘，破碎带规模不但受控于逆冲断裂断面产状，同时也受控于上盘断背斜样式（见图2c、图2d）。

④多种断裂交织形成的复杂断裂系统内（见图3），破碎带的分布状态受控于断裂的组合样式，可以表现出羽状、“十”字状、“V”状、线性等多种样式，裂缝发育密度、张开程度和储集层发育程度均有差异。

⑤断裂破碎带内储集层的发育存在差异，断层核内如果发育断层角砾（见图 2c）或被硅质充填（见图3），储集层性质变差，如果发育张裂缝或溶蚀孔洞，则储集层较好（见图2b）。破碎带内储集层主要受破碎带规模、裂缝性质、溶蚀作用及原岩岩性影响。图 2a中断层核两侧岩性存在差异，左侧发育大量藻丘和生物碎屑，因此破碎带内储集层较好，而右侧则以纯灰岩为主，因此虽然裂缝发育规模较大，但是储集层发育规模较小。图2b则可见断层核两侧存在不同的破碎溶蚀带，其中断层上部溶蚀带多集中于分支断层上，而下部溶蚀带则表现为呈透入性的大规模分布特征。图2d在逆冲断裂的尾端，地层破碎程度明显增大，储集层相对较发育。

2.2 塔中古隆起深层碳酸盐岩断裂破碎带特征

塔中古隆起碳酸盐岩灰岩顶面（TOs）地震相干属性揭示（见图4a），北东向走滑断裂与北西向逆冲断裂相互交织形成复杂断裂系统，主断层带附近可见明显的“串珠”反射及地震波组变化（见图 4b、图 4c），表明主断层带附近发育次级断层及断层相关破碎带。

中古10断裂为典型的北东—南西走向的走滑断裂（见图 4a断裂④），具有明显的分段特征。断裂西南段主要表现为线性断裂特征，中段与塔中10号带相交，东北段呈羽状撒开。地震剖面显示西南段走滑断裂断面平直，向上切割至志留系，向下切穿寒武系，该段碳酸盐岩顶面分支断层较少，发育深浅两组破碎带，破碎带围绕断裂带呈对称分布（见图4b，剖面A）。中古10断裂与塔中10号带相交部位地震剖面上发育两条断裂，受断裂活动影响碳酸盐岩地层浅部发育围绕着断裂分布的两组破碎带，深部则只发育一组破碎带但规模大于浅层（见图4b，B剖面）。越过塔中10号带走滑断裂活动明显加强，主断裂形成深浅两组破碎带且规模明显大于次级断裂（见图4b，C剖面）。中古10断裂中段与北段连接处，断裂活动微弱，仅在深部发育规模较小的破碎带（见图 4b，D剖面）。中古10断裂东北段尾端次级断裂呈羽状撒开，沿着分支断层断裂破碎带规模明显加大（见图 4b，E、F剖面），在破碎带内可见“串珠”、丘状及杂乱状地震反射特征。

图3 野外露头典型走滑断裂破碎带照片（a）及素描图（b）

中古12断裂带为典型的逆冲断裂带，断裂带上盘形成背斜构造样式，自西向东随着逆冲断层的活动性逐渐减弱，背斜构造样式由两翼近对称的高陡断背斜转换为北翼陡、南翼缓的非对称背斜，最终过渡为单斜构造。逆冲断裂破碎带可以发育在背斜核部（见图4c，G剖面）、逆冲断层带周缘（见图4c，H、I剖面）及背斜两翼转折端（见图 4c，H、I剖面）。在背斜样式转换为单斜样式部位（见图4c，J剖面）走滑断裂活动加强，形成拉分掉块，在掉块内产生破碎带。

3 塔中古隆起断裂破碎带样式

根据野外露头及地震剖面特征，认为塔中古隆起发育“走滑型”、“冲断型”及“叠合型”3种破碎带类型。

3.1 走滑型断裂破碎带

塔中典型地震剖面（见图 5a）显示，走滑断裂破碎带具有垂向分层与平面分带特征。由于塔中古隆起内地层分为 3层结构，地层岩性变化较大，中寒武统膏盐岩、上寒武统—奥陶系碳酸盐岩、上奥陶统泥岩及泥盆系、志留系碎屑岩垂向叠置，地层相干性差异明显，在岩性变化的界面易于发生破碎形成分支断层，因此走滑断裂在剖面上表现为“三花六带”结构特征（见图5b）。在中下寒武统内主要由底根带及底花带组成了走滑断裂的“底带”，奥陶系碳酸盐岩地层内则由中花带及中根带组成“中带”，而上奥陶统泥岩及泥盆系、志留系内则由顶根带及顶花带组成了“顶带”。由分支断裂与主断裂共同组成的 3个“花带”控制了破碎带的分布，特别是在碳酸盐岩地层内，底花带和中花带均形成一定规模的破碎带，带内缝洞和裂缝发育（见图5a）。

图4 塔中古隆起奥陶系碳酸盐岩顶面地震相干属性图（a）及中古10（b）、中古12（c）断裂带典型地震剖面图

图5 走滑型断裂破碎带结构模型

走滑断裂破碎带在平面上可以划分为 4个带（见图5c），分别为“线性带”、“斜列带”、“羽状带”及“马尾带”，其中线性带分支断裂不发育，构造变形主要集中于主断裂带，剖面上可见主干断裂向下切入寒武系，向上切穿碳酸盐岩顶面，因此该带内断裂周缘地层破碎程度较低、储集层规模较小。斜列带内发育较大规模分支断裂，构造应力分别集中于主断层及分支断裂之上，剖面上分支断裂与主断裂相距较远，且交于深部，平面上分支断层与主干断层大角度相交。破碎带仍然表现为围绕着断层面分布的特征，随着分支断层与主断层距离增大，两条断层间的破碎带规模也逐渐减少。羽状带分支断层数量多、规模小且围绕着主断层分布，该区域应力呈大面积释放状态，可形成大面积裂缝带，储集层连通性最好。马尾带主要发育在断层末端，分支断层向主断层一侧散开，平面上形成马尾状构造样式（见图5c），该带内储集层围绕着分支断层发育，集中在断层撒开的一侧。

3.2 冲断型破碎带

冲断型破碎带是在挤压应力作用下形成的逆冲断裂及相关破碎带，主要由逆冲断裂及其上、下盘褶皱共同组成（见图 6）。根据逆冲断裂与褶皱的关系可以划分为 3大类，分别为断背斜型、背斜型及斜坡型。断背斜型破碎带主要发育于逆冲断裂上盘及背斜构造内，根据断裂样式可以分为双断式及单断式。双断式逆冲断裂主要表现为两条对倾逆冲断裂，因此断裂破碎带剖面上呈“V”型分布，主要集中在断层带附近。单断式逆冲断裂破碎带虽然沿断面分布，但是破碎带不完全平行断层，既可以发育于断层上盘，也可见于断层下盘。背斜型破碎带主要发育于背斜构造内，由于断裂不发育，构造应力主要在背斜核部及翼部地层产状变化部位释放，因此产生了核部型和翼部型两种亚类。斜坡型破碎带则与坡折带的发育和地层翘倾相关，塔中Ⅰ号带是典型的构造坡折带，陡坡型破碎带地层倾角变化强烈，因此破碎带表现为横向宽度小而垂向深度大的特点，特别是坡折带的高部位为碳酸盐沉积的优势相带，更易暴露溶蚀形成缝洞体。缓坡型破碎带则主要表现为地层的起伏，受构造背景、古水流侵蚀等多种作用影响，可以形成大面积的破碎带，发育多层“串珠”地震反射。

图6 冲断型断裂破碎带及叠合型断裂破碎带分类图（地震剖面位置图见图1a的a—f）

从定义上讲，背斜型与斜坡型破碎带不属于断裂破碎带的范畴，两者是地层发生挠曲变形后，因局部应力集中而破碎，但从断裂破碎带演化来看，两者的形成又属于断裂破碎带的早期产物，因此本文将两者划入了冲断型破碎带中，并与断背斜型断裂破碎带加以区分。

3.3 叠合型断裂破碎带

叠合型破碎带的本质是走滑型破碎带与冲断型破碎带的叠加，因此根据走滑断裂与逆冲断裂的关系可以划分为交叉型，围绕型和透入型3类（见图6）。

交叉型破碎带形成于走滑断裂活动强于逆冲断裂并将逆冲断裂切穿的构造部位。走滑断裂在与冲断褶皱交切部位形成大量分支断层，破碎带沿走滑断裂走向分布，与褶皱破碎带形成近十字状分布的交叉型破碎带。该类型破碎带具有分布范围较大、裂缝发育相对集中、裂缝带走向复杂等特征，对碳酸盐岩储集层改造较强，塔中 ZG25井东南部、TZ11井区及 ZG41井区西部破碎带均属于交叉型破碎带（见图4a）。

围绕型破碎带则形成于逆冲断层上盘褶皱沿走向逐渐消失的构造部位。受褶皱影响，走滑断裂的分支断层围绕着褶皱分布，向褶皱方向撒开，呈现出不对称分布特征，断裂破碎带也呈现出围绕褶皱发育特征。在褶皱的末端仍然表现出较密集裂缝带发育特征。ZG15井东部、ZG12井西北部、ZG6井西南部均表现出该类型破碎带发育特征（见图4a）。

透入型破碎带则表现为逆冲断裂活动强于走滑断裂活动，走滑断裂未能将逆冲断裂切穿而中止于逆冲断裂上盘褶皱的后翼（或前翼）。受褶皱的阻挡作用，走滑断裂在褶皱前活动终止，分支断层分布范围较小，对褶皱内部的裂缝带发育影响有限。破碎带内裂缝主要围绕着主断裂及分支断裂分布，破碎带的分布范围要明显弱于交叉型和围绕型。该类型破碎带主要分布于塔中古隆起东部ZG41井区南部、TZ16井区南部及TZ5井区南部等（见图4a）。

4 塔中古隆起断裂破碎带对油气的控制作用

4.1 断裂破碎带对储集层的控制作用

对于超深碳酸盐岩地层，特别是致密灰岩地层，断裂形成的相关破碎带可以有效改善储集层性能[27-28]，主要表现为沿断层分布的裂缝带和缝洞体。塔中西部ZG15—ZG25井区裂缝地震属性预测图揭示了断裂破碎带分布特征与主干断裂的关系（见图7），其中走滑断裂破碎带样式表现为线性带（ZG27井区、ZG25井区）、斜列带（ZG162井区、ZG171井区）、羽状带（ZG151井区、ZG262井区）及马尾带（TZ45井区）（见图7）。冲断型断裂破碎带则表现为断背斜型（TZ63井区，ZG163井区）、背斜型（ZG262井区东南部）、斜坡型（TZ88井区）等，叠合型破碎带主要位于TZ86井区、ZG15井区及ZG24井区。

不同类型破碎带岩心裂缝发育特征与地表露头观察的破碎带发育特征具有一定相似性。ZG19井与ZG29井均远离主断裂带，位于破碎带不发育区，岩心较为致密，破碎程度低，未见大规模裂缝发育，储集层物性较差。ZG151井位于走滑断裂带羽状断裂发育区，岩心上可以观察到高角度裂缝发育，同时沿裂缝带形成的溶蚀孔又进一步改善了储集层物性。ZG171井位于走滑断裂带斜列破碎带发育区，裂缝同样表现为较高角度，同时伴生多条次级裂缝，沿裂缝同样可见溶蚀现象。冲断型破碎带岩心裂缝整体表现为中低角度，同时受挤压应力影响，岩心多沿层理面裂开，形成多条近水平低角度裂缝。TZ88井岩心位于斜坡型破碎带内，沿层理面的低角度裂缝较发育，而垂直层理面的裂缝不发育，虽然也存在局部溶蚀现象，但是溶蚀规模较小。TZ63井岩心可见一条中低角度裂缝，受沉积作用影响，生物碎屑和泥砾较发育，因此裂缝面曲折不平，裂缝规模较小。叠合型破碎带兼有走滑和挤压两种应力场的作用，因此TZ86井岩心较破碎，裂缝呈现出高低角度混杂的现象，表现出网状缝特征，裂缝张开程度大、溶蚀作用强，对储集层物性的改善作用明显。

4.2 断裂破碎带对油气成藏的控制作用

图7 塔中西部碳酸盐岩顶面裂缝地震属性及典型岩心图（O3l—上奥陶统良里塔格组）

钻井揭示塔中西部多发育凝析气藏，通过油气地球化学指标分析发现（见表1），油气运移主要表现为沿断裂带走向运移和向断层带两侧运移两种方式。沿ZG16-H1井—ZG162井—TZ86井方向，天然气干燥系数逐渐增大，原油密度逐渐减小，原油日产量也逐渐减少，这表明油气沿走滑断裂及破碎带向北运移。沿ZG162井—ZG16井方向，天然气干燥系数增大，原油密度降低，油气日产量降低，这表明油气发生侧向运移。虽然ZG15井与TZ63井位于不同类型的断裂带内，但是两井的原油密度、天然气干燥系数及单井日产量均相似，表明两者距油源断裂位置相近。ZG17井与TZ86井气油比明显高于其他井，表明了沿Ⅰ号坡折带天然气充注量较大，可能与塔中北坡油气活动相关。

塔中古隆起单井日产量表明（见表1），断裂破碎带样式是控制该区域高产井分布的重要因素之一。其中走滑型断裂破碎带中羽状带容易高产，主要原因有3点：①羽状带围绕着深大断层分布，邻近油气运移的主要通道；②羽状带数量多、规模小、应力相对集中，虽然羽状带内裂缝延伸长度不如斜列带，但是该带内裂缝连通性好，可以形成呈带状分布的裂缝网络；③羽状带内分支断层平面延伸距离短、垂向切割层位较浅，油气运聚成藏后不易散失，利于油气保存。冲断型破碎带中断背斜型破碎带利于油气聚集，主要原因有以下3方面：①断背斜型破碎带受控于大规模基底卷入或盖层滑脱逆冲断层，有效沟通了奥陶系储集层与寒武系油源；②断背斜型破碎带形成了构造高部位，是优势的油气运聚区，油气高效聚集；③冲断作用主要活动期为晚加里东期，志留纪之后活动微弱，利于油气的保存。叠合型破碎带兼具走滑断层与逆冲断层两种破碎带特征，具有储集层发育、油气高效输导优势，其中交叉型破碎带裂缝分布面积广、连通性好，对储集层的改造作用最强，如果顶部盖层可以有效封挡则成藏效果较好，反之油气垂向散溢风险较大，在生产实践中应加以识别。

表1 塔中古隆起西部单井油气产量及地球化学指标

5 结论

断裂破碎带系统由断层核、分支断层与破碎带共同组成，受断层性质、样式及分段性影响，断层破碎带样式及规模具有明显差异。三维地震剖面揭示塔中古隆起碳酸盐岩地层内发育走滑型、冲断型及叠合型3种类型断裂破碎带，走滑型破碎带剖面上表现为“三花六带”的结构特征，平面上可以划分为线性带、斜列带、羽状带及马尾带 4种亚类；冲断型可以划分为断背斜型、背斜型及斜坡型 3个亚类；叠合型包含交叉型、围绕型及透入型 3类。单井岩心及油气地球化学资料反映出断裂破碎带内储集层发育规模受控于断裂破碎带样式，油气具有沿主断层走向及向断层两侧运移两种方式。钻井成果证实走滑型破碎带内的羽状带、冲断型破碎带内的断背斜型及叠合型破碎带内交叉型是高产高效井部署的有利区域。

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