走滑断裂对碳酸盐岩储层和油气藏的控制作用——以塔里木盆地北部坳陷为例

汪如军 王 轩 邓兴梁 张银涛 袁敬一 谢 舟 李 婷 罗 枭 马小平

中国石油塔里木油田公司

0 引言

塔里木盆地油气资源量丰富，经过多年的油气勘探，塔北隆起及中央隆起先后发现了轮古、塔河、哈拉哈塘及塔中Ⅰ号等大中型碳酸盐岩油气田群[1-2]，探明油气储量超过5×108t，油气年产量逾370×104t，但塔北隆起与中央隆起之间的北部坳陷勘探程度却较低，勘探进展缓慢。

2004 年，塔中隆起中西部部署三维地震后，发现北东向走滑断裂，并认为走滑断裂对奥陶系礁滩体碳酸盐岩储层的发育与油气分布具有影响作用[3-4]。2007 年，在塔北隆起南缘哈拉哈塘地区也发现了走滑断裂并对岩溶储层与油气分布具有一定的控制作用[5-6]。通过近年来的研究与油气藏勘探开发实践，发现礁滩型与风化壳型油气藏中高产井多位于走滑断裂带上，走滑断裂对碳酸盐岩储层的改造及油气充注具有积极作用，并形成了走滑断裂控藏的观点[4-6]。在断控成藏理论的指导下，勘探领域从隆起、斜坡向坳陷拓展[7]，研究方向从潜山岩溶、礁滩岩溶、层间岩溶向以断控岩溶为主的碳酸盐岩油气藏转变，油气勘探也开始大规模地向坳陷区转移，并不断获得新发现，尤其是近期北部坳陷中间部位的MS1 井在埋深7 535 m 的中奥陶统一间房组碳酸盐岩获得重大突破，表明塔北隆起与塔中隆起之间北部坳陷超深层（埋深大于7 000 m）具有良好的油气勘探前景，揭示了塔中—满西—塔北地区可能形成连片含油气的环满西走滑断裂断控油气区，从而成为塔里木盆地的油气勘探接替领域。勘探开发实践表明，不同性质的走滑断裂、同一性质的走滑断裂的不同段对储层的控制作用具有明显的差异，同时也表现出油气差异富集的特征。由于该盆地北部坳陷储层埋藏深、勘探成本高，为了进一步提高勘探成功率及开发效益，笔者提出了针对塔里木盆地北部坳陷弱走滑断裂的识别方法，并在此基础上开展了走滑断裂分级、分段研究，同时根据不同类型走滑断裂控储控藏规律提出了9 种油气富集模式，有效地推动了该盆地北部坳陷断控碳酸盐岩油气藏的勘探开发进程。

1 地质背景

塔里木盆地是我国面积最大的复合叠合盆地[5]，面积为56×104km2。塔里木盆地中部发育晚新元古代裂谷、古—中生代克拉通内坳陷与新生代前缘隆起，南华系—第四系沉积厚度约15 000 m；中部下古生界沉积碳酸盐岩厚度逾3 000 m，在奥陶系内部形成了多套储盖组合与含油气层段[5]。目前，已发现的油气藏主要分布于塔北隆起南斜坡与中央隆起北斜坡（图1），随着走滑断裂控储成藏理论认识的推动，当前的油气勘探工作主要向北部坳陷深层地区扩展[8-9]。

北部坳陷位于塔里木盆地北部（图1），北邻塔北隆起，南侧为中央隆起，主要包括阿瓦提凹陷、阿满过渡带、满加尔凹陷等二级构造单元。北部坳陷构造整体上处于塔北隆起向塔中隆起延伸的低梁，是塔北隆起与塔中隆起的过渡带，构造沉积演化长期受塔北隆起和中央隆起影响控制。阿满过渡带油气资源丰富，先后发现了顺北、富满等大中型下古生界碳酸盐岩油气田群，是我国目前最大的断控碳酸盐岩油气藏油气生产基地，年产油气当量约300×104t。

北部坳陷沉积地层较为完整，从上至下发育新生界第四系、新近系、古近系，中生界白垩系、侏罗系、三叠系，古生界二叠系、石炭系、泥盆系、志留系、奥陶系。奥陶系可细分为上统铁热克阿瓦提组（O3tr）、桑塔木组（O3s）、良里塔格组（O3l）及吐木休克组（O3t），中统一间房组（O2y）及下统鹰山组（O1-2y）和蓬莱坝组（O1p）。其中，志留系以及上奥陶统桑塔木组由南向北逐渐减薄，良里塔格组逐渐加厚，吐木休克组、一间房组厚度变化不大，全区分布稳定。目前主力勘探区域为北部坳陷阿满过渡带，主力勘探层系为一间房组，岩性以亮晶砂屑灰岩、亮晶颗粒灰岩为主。

2 断裂特征

2.1 弱走滑断裂识别

塔里木盆地断裂构造的研究以往集中于隆起构造单元和周边褶皱冲断带，盆地坳陷构造单元不是勘探的重点领域，断裂构造研究非常薄弱。主要原因有3 个方面：①前期勘探以构造圈闭为主要方向，认为油气运移的方向是隆起，油气藏特别是大型、特大型油气藏多形成于含油气盆地的隆起部位，早期的油气勘探的重点也集中在塔北隆起和中央隆起，并发现了一系列大中型油气藏；②塔北隆起、中央隆起主体部位构造变形强烈，断裂多发育于隆起及其边缘，北部坳陷是一个大型早古生代沉降区，阿瓦提凹陷与满加尔凹陷之间存在鞍状低梁带，基本是逐渐过渡，断裂发育较隆起区明显减少，为数不多的断裂规模也较小，识别和研究难度较大；③北部坳陷储层埋藏较深，普遍超过7 000 m，勘探成本较高，三维地震采集面积较小，主要是二维覆盖，同时地表为高大沙丘，地震资料品质较差，对奥陶系深层的研究条件不够成熟[10]。随着勘探方向的转移，北部坳陷的断裂构造研究迫在眉睫。

图1 塔里木盆地北部坳陷平面分布及奥陶系地质柱状简图

该区早期常用的走滑断裂解释方法是相干技术配合手工解释，但北部坳陷奥陶系目的层埋藏较深，超过7 000 m，相比浅层碎屑岩能量较弱，主频小于20 Hz。另外，地表条件从塔北隆起的农田水网已经过渡到沙漠覆盖区，早期采集参数没有考虑地表条件及地下地质情况，从北向南采用同一套采集参数，致使部分区块目的层信噪比、分辨率较低，最常用的反映断裂的相干属性品质较差，难以有效表征断裂的实际展布特征，表现出断裂成像不清晰，平剖面解释难度较大，宏观展布特征难以描述的特点[11]（图2-a）。同时不同时期、不同应力环境下形成的断裂体系纵向叠置、平面切割，断裂体系组合关系尤为复杂，且走滑断裂的活动较弱，错断不明显，剖面上几乎看不到断距，常规的技术手段难以有效刻画。

图2 北部坳陷走滑断裂剖面图

为了提高地震资料对走滑断裂的识别能力，在原始资料上通过叠后处理，改善地震资料对断裂的刻画精度，采用了构造导向滤波技术[12]。该技术是针对叠后地震数据体的一种特殊去噪方法，是针对平行于地震同相轴信息的一种平滑操作技术，其目的是沿着地震反射界面的倾向和走向，利用有效滤波方法去噪，增加同相轴的连续性，提高同相轴终止处（断层）的侧向分辨率，保存或改善断层的尖锐性[13]（图2-b）。为了进一步提高断裂的成像精度，笔者提出了双重滤波的概念，即在构造导向滤波的基础上再次进行基于扩散方程的构造导向滤波，处理之后的地震数据同相轴的连续或间断特征更加突出，地震数据的信噪比有明显改善，断层断点更加干脆（图2-c）。通过双重滤波的叠后处理，地震资料断裂特征更加清楚，对走滑断裂的成像能力得到了进一步加强。同时，在北部坳陷断控岩溶区，储层与断裂伴生发育，利用振幅类属性可以反映储层的变化规律。笔者采用振幅变化率属性，利用滤波之后的数据体提取振幅变化率属性，将储层与断裂信息融合，进一步凸显了断裂特征。构造导向滤波叠加基于扩散方程的构造滤波之后的数据基础上提取振幅变换率属性，从3 次处理平面图结果来看，未进行滤波处理的原始资料提取的振幅变化率，噪音背景较强，基本看不到断裂信息（图3-a）；经过构造导向滤波处理之后提取的振幅变化率属性，噪音有所压制，断裂特征已经凸显（图3-b）；图3-c是利用二次滤波的资料提取的振幅变化率属性，断裂特征清晰可见，有效解决了弱走滑断裂区断裂识别的问题。

利用该方法对塔北隆起—北部坳陷—中央隆起走滑断裂进行了精细刻画，共识别大型走滑断裂70条，断裂长度一般介于30 ～80 km，最大长度为290 km。其中北部坳陷发育走滑断裂34 条（图1），以北东走向为主，断距较小，介于10 ～60 m，FⅠ5及FⅠ17 断距较大，但不超过100 m，34 条断裂总长度为1 369 km，是目前勘探的主要对象。

2.2 走滑断裂分层、分段特征

2.2.1 断裂纵向分层

北部坳陷走滑断裂纵向上具有明显的分层特征[14-16]。走滑断裂主要形成于寒武纪—奥陶纪，志留纪—二叠纪早期形成的走滑断裂持续活动，局部活动至三叠纪—古近纪，纵向上形成3 套不同的断裂组合：第一期从寒武纪到奥陶纪，该期主要为南北向纯剪走滑断裂应力场，以压扭为主，平面位移小，断裂垂向断距一般不超过30 m，在地震剖面上表现为挠曲特征，以高角度线性走滑为主（图4 红色断裂）；第二期从志留纪到二叠纪局部发育半花状构造，大部分断裂继承性发育，向下与早期走滑断裂合并，但性质从压扭转向张扭发生转换，局部改造早期的断垒带（图4 蓝色断裂）；第三期从三叠纪—古近纪断裂沿早期大型走滑断裂发育带局部活动，形成雁列构造，地震剖面上表现为“花上花”的特征，向下收敛合并与主断裂带重合（图4 粉红色断裂）。

2.2.2 断裂平面分段

图3 北部坳陷弱走滑断裂平面分布图

图4 北部坳陷走滑断裂纵向分层组合特征图

走滑断裂在平面上具有分段性[15-17]。通过区域构造成图与断裂要素分析，大型走滑断裂在横向上变化较快，通常很小的范围就会发生性质的转化，出现明显的分段性，平面上主要表现为3 种特征：压扭段、张扭段及平移段。如图5 所示：压扭段在平面上形成局部构造高点，地震剖面上表现为正花状；张扭段一般表现为明显地堑特征，地震剖面上呈现负花状；平移段断距明显变小，一般不超过10 m，断裂活动强度最弱。

3 走滑断裂控储

随着塔里木盆地地震工程技术的进步，越来越多的学者研究认为构造演化、断裂构造分期差异及走滑断裂系统等对碳酸盐储层物性的改造、油气运移通道、控制油气圈闭等方面具有重要影响[18-24]。北部坳陷尤其是以富满油田、顺北油田为代表的阿满过渡带，储层主要受大型走滑断裂控制。断穿至基底的古生界深大走滑断裂不仅是油气向上运移的有效通道[25]。在构造应力的挤压作用下，脆性的碳酸盐地层形成错综复杂的断裂系统，成为具有一定规模的断裂破碎带。溶蚀作用进一步改造早期的断裂破碎带，岩溶水沿断裂方向下渗，对碳酸盐岩进行溶蚀改造。同时，大型走滑断裂使深部及周围地层变得脆弱，局部深部热液上涌，更进一步的溶蚀改造断裂破碎带以及附近地层，形成不同空间结构的缝洞系统储集体[26]。

断控岩溶储集体岩性主要为亮晶砂屑灰岩、亮晶颗粒灰岩、亮晶生屑灰岩、泥晶颗粒灰岩[27]。岩心薄片分析表明，碳酸盐岩原生孔隙几乎消失殆尽，以次生孔隙为主，占比大于95%，储集空间主要为次生溶蚀及构造破裂作用形成的孔、洞与裂缝，镜下多见粒间、粒内溶孔、铸模孔及微裂缝（图6）。岩心物性分析结果表明，岩心孔隙度介于0.54%～7.46%，平均值为2.17%，主峰位于1.80%～4.50%；渗透率介于0.008 ～391.000 mD，主峰位于0.100 ～1.000 mD，均属特低孔—低孔、超低渗—低渗储层，孔渗相关性很差。由于大型缝洞发育段难以取心，且岩心易破碎，岩心样品物性整体偏低，仅能代表储层基质物性。

图5 北部坳陷断裂平面剖面分段特征图

图6 奥陶系碳酸盐岩断控岩溶储层特征照片

断控岩溶储层类型有4 类：裂缝型、孔洞型、裂缝—孔洞型及洞穴型储层。常规测井和成像测井显示裂缝、孔洞、洞穴都十分发育，测井解释孔隙度一般介于2%～6%，缝洞发育段孔隙度大于10%。尽管测井解释能在一定程度上反映井筒周围的储层特征，但不能完全代表碳酸盐岩缝洞型储层的储集空间。钻井统计分析表明，大部分高产油气井多是钻遇了大型缝洞体及裂缝发育带，储集空间以大型洞穴和构造裂缝为主，在目的层钻进中往往会发生大量的钻井液漏失、钻时加快或钻井放空现象[28]，地震剖面上储层具有明显“串珠”反射。大型缝洞体储层是高产油气层段，目前北部坳陷碳酸盐岩油气藏的评价开发基本以这类储层为主，钻井放空、漏失占比达67.5%。

基于对断控岩溶碳酸盐岩储层的地质认识，通过多属性地震储层预测技术与钻井分析相结合，优选振幅变化率属性预测奥陶系断控岩溶碳酸盐岩缝洞体储层，平面上优质储层主要以斑点状沿大型走滑断裂呈条带状分布，横向宽度介于500 ～2 000 m（图7-a）。剖面上缝洞体储层垂直走滑断裂呈“串珠状”，纵向深度可达500 m，沿走滑断裂呈“板状”分布（图7-b、c）。

4 走滑断裂控藏

断控岩溶区奥陶系油气藏具有沿断裂带整体含油气、局部富集的特征，油气成藏具有“寒武供烃、多期成藏、断裂控储、垂向运聚”的特点。油气主要来源于中下寒武统玉尔吐斯组烃源岩，走滑断裂是油气纵向运聚的主要通道，由于断裂的多期活动，表现为多期次成藏的特征；走滑断裂在形成过程中由于机械破碎形成断裂破碎带，后期流体溶蚀改造作用形成洞穴、孔洞等有利储集体，上覆吐木休克组泥岩、巨厚的桑塔木组泥岩及碳酸盐岩储层周围的致密石灰岩均可作为良好的油气运移遮挡层[29]，在断裂活动末端形成油气藏。

综合区域构造演化、流体包裹体、伊利石定年等多资料分析，玉尔吐斯组主要存在3 期生排烃，伴随不同时期的构造运动，奥陶系碳酸盐岩主要对应3期油气充注，分别为加里东晚期、海西晚期原油充注和喜马拉雅期天然气充注（图8）。加里东中晚期，北部坳陷走滑断裂体系雏形基本形成，玉尔吐斯组烃源岩大量生油，形成的油气主要沿断穿寒武系的深大走滑断裂带垂向运移，在巨厚的上奥陶统桑塔木组覆盖之下的碳酸盐岩断裂破碎带中形成断控油气藏。海西晚期，北西向走滑断裂被激活，继承性活动，玉尔吐斯组烃源岩第二次大量生油，形成的油气沿着北西向深大走滑断裂带垂向运移，对中上奥陶统形成的油气藏第二次充注。喜马拉雅期，北东向走滑断裂继承性活动，此时玉尔吐斯组烃源岩埋深接近10 000 m，进入生气阶段，大量天然气主要沿着北东向深大走滑断裂带向上运移并成藏，由于北部坳陷现今主应力方向为北东向，致北东向断裂较北西向断裂更容易接受喜马拉雅期天然气的充注，勘探开发实践也证实北东向断裂上的井气油比普遍较北西向断裂上的井高。

图7 北部坳陷振幅变化率属性平面分布及储层地震剖面图

图8 北部坳陷奥陶系碳酸盐岩断控岩溶油气藏成藏模式图

北部坳陷走滑断裂控制的油气藏，平面上主要受断裂带控制，呈带状分布，横向分布范围小。统计分析结果表明，绝大多数高产稳产井在断裂2 km 范围内；纵向上油气沿断裂带多层段分布，没有统一的油气水界面，油气纵向分布与断裂断开层位密切相关，奥陶系顶部断裂最为发育，油气显示与发现集中在奥陶系碳酸盐岩。目前油气的产出主要集中在一间房组，同时在鹰山组内部、蓬莱坝组顶面也有分布，井间油气层段分布具有一定的差异。局部断裂向上断至中生代，虽然断裂活动的强度明显减弱，分布也较局限，但沿断裂带也可能形成碎屑岩油气藏，目前尚未规模发现，零星见到良好油气显示。

塔里木盆地北部坳陷断控碳酸盐岩油气藏是该盆地碳酸盐岩勘探的主要油气藏类型。根据北部坳陷走滑断裂在平面上的表现特征，压扭、张扭和平移3 种不同性质的断裂控制了3 种不同类型的油气藏。其中，压扭型断裂控制的油气藏，沿断裂展布，集中发育在距离断裂200 m 以内，少数油气藏分布在距离断裂200 ～1 200 m 范围，最大距离可超过2 000 m，一般发育局部构造高点，剖面上断裂呈正花状贯穿寒武系至奥陶系碳酸盐岩顶面，断裂周缘破碎程度较高、破碎带规模大，但由于应力呈挤压状态，储层横向连通性相对较差，易形成相对孤立的局部油气藏；张扭型断裂控制油气藏横向分布在距离断裂200 m 以内，少数油气藏分布在距离断裂200 ～600 m 范围内，一般在局部地区形成地堑特征，区域应力呈大面积释放状态，可形成大面积裂缝带，带内断裂周缘破碎程度高、储集体规模最大，储层横向连通性最好，油气相对富集，易形成储量规模较大的油气藏；平移型断裂控制的油气藏，油气藏平面展布范围较小，一般在距离断裂200 m 范围内，由于断裂活动较弱，储层欠发育，地层破碎程度较低、储集层规模相对较小，油气藏横向规模较小，主要依靠纵向裂缝体系供液。

根据3 种不同类型断裂控制的油气藏特征，结合勘探开发实践综合分析，建立了9 种油气藏模式（表1）。压扭性质的走滑断裂，断裂破碎带的宽度较大，油气沿纵向充注，断裂破碎带内高点聚集成藏，平面上表现为局部构造高或者正花状构造特征，按照压扭型断裂平面的组合样式，压扭型断裂控制的油气藏分为压扭隆升、压扭辫状及压扭正花3 种油气藏模式，其中，压扭隆升和压扭辫状两种模式的断裂活动相对较强，油气藏开发效果优于压扭正花。张扭性质的走滑断裂的活动程度略低于压扭型断裂，断裂破碎带平面宽度相对较窄，但由于局部拉张的应力环境，断裂带平面连通关系较好，是目前最好的钻探目标，按照张扭型断裂平面分段特征，张扭型断裂控制的油气藏也可划分为张扭拉分高部位、张扭斜列及张扭马尾3 种油气藏模式，3 种油气藏模式储层纵、横向连通范围广，但由于张扭马尾段处于断裂活动末端，油气充注强度大稍弱，油气充柱高度小于其他两种类型的油气藏。平移性质的走滑断裂活动强度最小，断裂破碎程度有限，储层规模与充注强度要整体弱于张扭型、压扭型断裂控制的油气藏，按照平移型断裂的分段特征及对油气的控制作用，平移型断裂控制的油气藏模式可进一步细分为平移线性、平移正花、平移负花3 种类型油气藏模式。

在北部坳陷断控9 种油气藏模式指导下，第一轮储备钻探目标超过300 口，有效地指导了近年的井位部署。2018 年以来，钻井成功率由75%提高至96.7%，高效井比例由20%提高68%，新井单井日产油量从35 t 提高至78 t；2019 年，北部坳陷高效建成了100×104t 大油气田；2020 年部署在北部坳陷东部的MS1 井获得重大发现，采用10 mm 油嘴测试获得日产油量600 m3、日产气量37×104m3，10×108t 级资源量基本落实，夯实了塔里木油田公司持续上产的资源基础，规划在十四五期间北部坳陷建成600×104t 大油气田。

5 结论

1）塔里木盆地北部坳陷走滑断裂活动较弱，在双重滤波基础上提取振幅变化率属性，大幅度提高了走滑断裂识别精度，在塔里木盆地北部坳陷识别出34 条走滑断裂，并落实了断裂的展布特征及规模，为该区下一步的油气勘探部署明确了方向。

2）北部坳陷走滑断裂具有纵向分层、分段特征。纵向上形成寒武纪—奥陶纪以高角度线性走滑为主、志留纪—二叠纪以线性构造半花状构造为主、三叠

纪—古近纪以雁列构造为主的3 套断裂组合，平面上形成构造高点呈正花状的压扭段、明显地堑特征呈负花状的张扭段和断裂活动强度最弱的平移段。

表1 北部坳陷油气藏模式表

3）北部坳陷走滑断裂控储控藏特征明显，平面上油气主要沿断裂带呈条带状分布，纵向上油气沿断裂带呈多层段分布，并提出了9 种油气藏模式。

4）针对断控碳酸盐岩油气藏提出的9 种油气藏模式有效地指导了塔里木盆地北部坳陷的断控油气藏的勘探开发部署，实现了该区的高效开发，对类似油气藏断裂识别和油气勘探开发具有一定的推广价值。