塔里木盆地顺北及邻区主干走滑断裂带差异活动特征及其与油气富集的关系

邓 尚，李慧莉，张仲培，吴 鲜，张继标

(1.中国石化 石油勘探开发研究院， 北京 100083； 2.中国石化 西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

近年来，塔里木盆地油气勘探在顺南与顺托地区相继实现突破，尤其是在顺北地区(图1)的重大油气发现，揭示了走滑断裂带对奥陶系碳酸盐岩具有明显的“控储、控藏、控富”作用[1]，塔里木盆地顺北及邻区也因此成为我国在西部原油增储上产的主要阵地之一。前人对顺南地区、顺托地区、哈拉哈塘地区和托普台等地区的断裂分层性、分段性、力学成因[2-6]以及储层地震预测[7-8]等方面开展了详尽的研究工作，但对顺北地区及邻区主干走滑断裂带几何学和运动学精细解析，多期活动差异性及其力学机制尚未见系统研究。本文选取顺北地区与托普台地区重点走滑断裂带为研究对象，解剖研究活动差异性，探讨其对油气富集的控制作用，旨在为深化认识该地区油气分布规律以及提高钻井成功率提供参考和借鉴。

1 地质背景

1.1 地质概况

顺北地区所在的顺托果勒低隆南北向位于塔中隆起和塔北隆起之间,东西向位于阿瓦提坳陷与满加尔坳陷之间，褶皱变形弱，是塔里木盆地相对稳定的古构造单元[4]。基于前人对塔北隆起及其南坡与塔中隆起及其北坡的构造演化研究，顺北地区可能经历了至少4个构造演化阶段：加里东早期(寒武纪—中奥陶世)克拉通边缘拗拉槽与克拉通内弱伸展背景阶段、加里东中晚期—海西早期(中奥陶世—中泥盆世)克拉通隆起形成演化与整体强烈挤压阶段、海西晚期—印支期(早二叠世—侏罗纪)塔北隆起持续抬升与挤压阶段和燕山期—喜马拉雅期古隆起与断裂调整定型阶段[3,9-12]。

目前顺北地区勘探开发主要目的层为奥陶系一间房组和鹰山组上部碳酸盐岩。顺北地区奥陶系地层发育齐全，自下而上为下统蓬莱坝组(O1p)，中-下统鹰山组(O1-2y)，中统一间房组(O2yj)，上统恰尔巴克组(O3q)、良里塔格组(O3l)和桑塔木组(O3s)。若干钻井在钻进过程中均钻遇放空，表明储层类型为缝洞型，或为孔洞-裂缝型[1,13]。与顺北地区相比，托普台地区因其位于隆起区，上奥陶统等层系遭受剥蚀更为强烈[14]。

1.2 走滑断裂体系分布特征

对大量二维、三维资料的地震-地质解析表明，顺北及邻区主要发育有两大断裂体系。在塔中隆起北坡主要发育NNE向近平行走滑断裂体系，走向约为NE30°[1,4],局部同时发育NEE向次级走滑断裂[15]。在塔北地区主要发育“X”型似共轭断裂体系，平面走向为NNE向和NNW向，呈菱形状相互交切，比如托普39断裂及其次级断裂体系(图 1)。NE向顺北1断裂和NNW向-NS向顺北5断裂位于两大断裂体系过渡区域，已有研究认为北部“X”型断裂体系发育至顺北1断裂附近逐渐减弱并终止，且顺北5断裂东部和西部断裂在走向上呈现明显差异[1,6]。

图1 塔里木盆地顺北及邻区下古生界主要断裂Fig.1 Distribution of major faults in the Lower Paleozoic of Shunbei area and its surroundings in Tarim Basin

2 主干走滑断裂带活动特征以及油气富集特征

经过对研究区三维地震资料进行处理并提取相干属性，结合多层位相干对托普39断裂体系、顺北1断裂带和顺北5断裂带的精细解析，明确了断裂的几何学特征与运动学特征，厘定了活动期次。此外，通过对断裂带上多口单井生产动态资料分析解剖，明确了不同断裂与油气富集的关系。

2.1 托普39断裂体系

2.1.1 几何学特征

2.1.2 运动学特征

基于托普39断裂体系在深层呈现出的共轭特征，该体系NNE向断裂和NNW向断裂在形成初期应分别以左行走滑和右行走滑为主。托普39断裂带浅层发育的雁列正断层表现为左阶展布，指示右行走滑特征[18]。该特点表明，托普39断裂带在演化过程中出现了滑移方向的反转，即早期左行走滑转变为晚期的右行走滑。除托普39断裂带外，NNW向断裂与其它NNE向次级断裂未发育明显浅层构造，说明在早期的共轭活动之后，晚期没有明显活动。

2.1.3 活动期次

前人多运用断距分析、雁列正断层生长指数方法识别走滑断裂带活动期次[4,19]。本研究结合断裂不同构造样式发育层位以及与不整合面接触关系，识别出托普39断裂带3个阶段的多期活动。

图2 塔里木盆地托普台地区托普39断裂体系多层位相干与断裂分布(三维资料研究范围见图1)Fig.2 Tuopu 39 fault array on the coherence slices of various reflecting interfaces in Tuoputai area,Tarim Basin(see Fig.1 for the location of the 3D seismic acreage)

图3 塔里木盆地托普台地区托普39断裂体系典型剖面A-A′(剖面位置见图2)Fig.3 Representative 2D seismic section A-A′of the Tuopu 39 fault system in Tuoputai area,Tarim Basin(see Fig.2 for the location of section A-A′)a. A—A′解释剖面；b. A—A′原始未解释剖面

第二阶段活动在印支期，表现为沿托普39断裂带局部发育弧形正断层。该系列正断层多数断至T64界面(三叠系顶面)，造成地层明显下凹(图3)。整个哈拉哈塘地区在该时期剥蚀作用不强烈，三叠系稳定沉积，但在三叠纪末期经历了明显的小规模构造活动[12]，弧形正断层的形成可能与该构造活动有关。

第三阶段活动在喜马拉雅期，表现为上覆地层在深层走滑断裂再活动时引起的盖层变形，形成贯穿中生界地层的雁列正断层。该系列正断层与深层基底走滑断裂夹角约为45°，表明其在上覆地层中形成时深层走滑断面未受到垂直于断面的张应力作用，主要在剪切应力作用下活动[20-21]。托普39断裂带在该阶段活动强度比上述第一、第二阶段活动强度大，早期左行活动特征被完全改造，其深层走滑分段现今的右行右阶展布方式(图2b)在该活动阶段形成，由此可判断喜马拉雅期是托普39断裂的主活动期。

2.1.4 油气差异富集特征

在托普39断裂体系所在区域共选取了51口单井进行分析，其中，12口井位于托普39断裂带叠接拉分段上，11口井位于其平移段上，9口井位于相邻NNE向次级断裂上，19口井位于相邻NNW向次级断裂上(图4a)。对单井资料运用箱线图分析表明，托普39断裂叠接拉分段累计产液量明显高于平移段，其次是相邻NNE向次级断裂，再次是相邻NNW向次级断裂(图4b)。因此，托普39断裂带相对相邻的次级断裂油气更富集，且拉分段是油气富集更有利部位。

2.2 顺北1与顺北5断裂带

2.2.1 几何学特征

图4 塔里木盆地托普台地区托普39断裂与邻近次级断裂单井产能统计对比Fig.4 Comparison of single well production of Tuopu 39 fault system and its adjacent secondary faults in Tuoputai area,Tarim Basina.托普39断裂与邻近次级断裂平面解释与井组分类;b.不同类别井组累计产液量对比;c.不同类别井组平均每日产油量对比

剖面上，顺北1断裂带深层走滑断裂对同相轴不造成明显错断，而顺北5断裂带深层走滑断裂明显错段同相轴，局部可见串珠状强反射(图6)。

2.2.2 运动学特征

2.2.3 活动期次

结合不同构造样式揭示的不同古应力环境、发育层位以及与不整合面接触关系，识别出顺北1与顺北5断裂带至少有三个阶段的活动。

图5 塔里木盆地顺北地区顺北1与顺北5断裂带多层位相干与断裂平面解释(三维资料研究范围见图1)Fig.5 Coherence slices of various reflecting interfaces for Shunbei 1 and Shunbei 5 faults and planar interpretation of faults in Shunbei area,Tarim Basin,(see Fig.1 for the location of the 3D seismic acreage)a.顺北1、顺北5断裂带界面断裂分段平面解释;b.顺北1、顺北5断裂带界面雁列正断层平面解释;c.顺北1、顺北5断裂带界面雁列正断层平面解释

对比上述三个阶段的活动特征，顺北5断裂带深层走滑段现今的右行右阶展布方式在加里东中期Ⅲ幕活动时就已形成，顺北5断裂晚期活动虽然经历了滑移方向的反转，但其对深部走滑段改造程度低，由此可判断加里东中期Ⅲ幕为顺北5断裂带主活动期。顺北1断裂带在上述活动阶段始终保持左行走滑，其在加里东晚期活动强度大于海西中晚期活动强度(图6)，因此，加里东晚期为顺北1断裂带主活动期。

2.2.4 油气差异富集特征

顺北地区内目前建产井总体沿走滑断裂带分布，其中沿顺北1断裂已钻开发井均获得高产和稳产，但单位压降产油量有较大差异(图7)。比如，位于顺北1断裂带北段的X6井单位压降产油量甚至高于南部X1井与中部X3井单位压降产油量的总和(图7b)。因此，油气沿顺北1断裂带差异富集，断裂带北段富集程度相对好于南段。

3 讨论

3.1 走滑断裂差异活动力学机制

托普39断裂体系在第一阶段共轭走滑活动时(图8a)，依据库伦-安德森(Coulomb-Anderson)模型[23]，该阶段最大主应力方向应平分断裂共轭角，约为NE5°(图8b)。该主应力方向大致垂直于塔北隆起整体走向，进一步说明托普39断裂共轭体系的形成与塔北隆起隆升背景相关。根据Anderson断裂理论，最大主应力与共轭断裂夹角为45°-φ/2(φ为内摩擦角)，由此得出φ等于56°，内摩擦系数μ(μ=tanφ)等于1.48。这一数值在灰岩常见实测内摩擦系数范围内(0.5～1.8)[24-25]。依据摩尔-库伦准则，临界应力状态下的共轭断裂体系与主应力关系可用摩尔圆表示(图8c)。托普39断裂带在第三阶段的活动表现为雁列正断层(张性T破裂)在基底断裂上覆盖层中发育(图8d)，符合简单剪切构造几何学模型[26](图8e)。在喜马拉雅期，受印度板块和欧亚板块碰撞作用的影响，塔里木盆地整体受北东-南西方向水平挤压应力场控制[27-28]。塔中地区现今地应力场分析表明，最大主应力方向为NE45°[29]，未发表数据同样显示托普台地区最大主应力方向也大致在NE45°。当最大主应力方向从NE5°旋转至NE45°，根据阿蒙顿摩擦定律(假设摩擦角φ等同于内摩擦角)，NNE向断裂在破坏包络面以内，而NNW向断裂处在稳定的地应力状态，因此未活动。托普39断裂体系附近的其它共轭断裂体系,也具有NNE向断裂在喜马拉雅期再活动而NNW向断裂未活动的特征[3,30]，同样也受上述力学机制控制。

顺北1与顺北5断裂体系与托普39断裂体系存在显著差异。顺北5断裂带走向在三维区内有明显偏转，且进入塔中地区后可能进一步偏转至NNE走向(图1)，其可能由先存的多组不同走向的高角度区域节理在加里东中期Ⅲ幕的斜压应力环境中右行活动拼接而成，最大主应力方向应为NNE向或NE向。加里东晚期，顺北1断裂带深层走滑断裂在斜拉应力环境中形成并左行活动，顺北5断裂带在同样的应力环境中右行活动，说明该时期最大主应力方向在两条断裂锐夹角内分布，即NNE向。海西中、晚期，顺北1断裂带与顺北5断裂带同时左行活动，说明最大主应力方向偏转至NNW向，此时最大主应力与顺北5断裂带三维区内NNW段小角度相交或近似平行，所以该段剪切活动弱，形成的雁列正断层发育规模小，其雁列角小于10°，指示该阶段最大主应力方向与深层走滑断裂近似平行[31]。

图7 沿塔里木盆地顺北地区顺北1断裂带单井产能以及雁列活动强度对比Fig.7 Single well production of Shunbei 1 fault zone in Shunbei area,Tarim Basin,and their cross-relationship with the verical separation of the en echelon normal faults located right above界面相干属性图与雁列正断层平面解释;b.已钻井单位压降产油量对比;c. X6井与X7井雁列正断层剖面解释；d.单井产能与雁列正断层平均落差交会图

图8 塔里木盆地托普台地区托普39断裂体系差异活动力学机制Fig.8 Differential activity mechanics of the Tuopu 39 fault system in Tuoputai area,Tarim Basina.托普39断裂体系简化几何学模型界面);b.库伦-安德森(纯剪切)构造几何学模型;c.摩尔-库伦准则与临界应力状态下的共轭断裂体 系;d.托普39断裂浅层简化几何学模型界面);e.简单剪切构造几何学模型;f.阿蒙顿摩擦定律与不同应力状态下的不同走向断裂

综上所述，顺北1断裂带与顺北5断裂带的构造演化经历了不同的应力环境与主应力方向的变化，与托普39断裂体系的早期共轭走滑活动以及晚期差异活动在力学机制与演化过程上有根本差异，该差异应该受塔北-塔中区域构造演化以及边界条件差异的控制。

3.2 走滑断裂差异活动对油气差异富集的控制作用

前人对托普台地区邻区(跃参区块)走滑断裂控藏机制的研究表明，NNE向主干断裂因其与轻质油气在喜马拉雅期充注方向一致，是油气运移的主要通道，因此高产、稳产井均分布在NNE向主干断裂带附近，而NW向次级走滑断裂带上油气充注程度低[12]。本研究对托普39断裂带活动期次与力学机制的分析表明，托普39断裂带主活动期为喜马拉雅期，与主成藏期匹配，因而油气充注强，油气沿托普39断裂优势富集，叠接拉分段相比平移段对碳酸盐岩储层改造程度更高[32]，因此是更有利的富集部位。相邻的NNE向与NNW向次级断裂在新生界中未形成明显的雁列正断层(图2，图8)，未见明显活动特征，因此油气充注弱，富集程度低。

4 结论

2) 托普39断裂体系至少经历了3个阶段的活动，分别是加里东中期-海西早期多期活动、印支期活动以及喜马拉雅期活动。托普39断裂作为NNE向主干断裂，早期在共轭走滑状态下左行活动，晚期反转为右行走滑，而同体系中的NNW向次级断裂晚期几乎未活动。断裂力学分析表明，该断裂体系的差异活动受最大主应力方向的控制。

3) 顺北1和顺北5断裂带至少经历了3个阶段的活动，分别是加里东中期Ⅲ幕、加里东晚期以及海西中、晚期。顺北5断裂带先于顺北1断裂带在加里东中期Ⅲ幕形成，两者的构造演化经历了不同的应力环境和最大主应力方向的变化，与托普39断裂体系中NNE与NNW向断裂早期的共轭活动在力学机制上存在根本差异。

4) 结合托普39断裂体系、顺北1断裂带单井动态资料与断裂活动强度的关系研究表明，主活动期与油气成藏期匹配的主干断裂带是油气富集的更有利部位。此外，深层走滑段上覆雁列正断层活动越强，对应的深部平移走滑段和叠接拉分段对储层改造程度越高，油气在相应部位更富集。