塔里木盆地三道桥北地区古近系-白垩系油气成藏模式

李涛，佟伟桀*，胡忠贵，丁辉，梁利侠

1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100

2.中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011

塔里木盆地古近系-白垩系碎屑岩地层厚度大，储集物性好，油气储量巨大[1]，是油气勘探的重要领域。自20世纪80年代沙参2井获得重大油气突破以来，塔里木盆地北部雅克拉断凸附近先后开发了雅克拉、丘里、轮台、大涝坝等多个凝析气藏，中新生界碎屑岩有工业油气流投入生产，古近系-白垩系砂岩是主力产层，有利储层主要集中在库车坳陷南缘[2-10]。近年来，在塔北雅克拉断凸中段的三道桥北地区钻探的XL6井、X84井在库姆格列木群试气获得工业气流，显示该区具有勘探潜力。众多学者针对三道桥北及周缘地区油气成藏模式开展了一系列研究[11-18]，在构造演化、地层特征及储层预测等方面取得了重要进展，如曹远志等[13]通过对三维地震资料精细解释的方法，刻画分析断裂展布及构造演化，确定了三道桥北地区构造活动时期位于加里东中晚期-印支期；何文渊等[14]在断层演化基础上，明确了该区古近系-白垩系发生负反转构造；韩强等[15]通过对三道桥北地区油气井的原油物性、生物标志物及流体包裹体进行对比分析，确定该区油气主成藏期次均为喜山期；安海婷等[16]对塔北地区各构造单元特征和演化及对油藏的控制作用进行了整体认识。

在前期研究中，学者们主要将目光集中在寒武系潜山层段，而对于上覆古近系-白垩系相对研究较少，针对三道桥北地区古近系-白垩系构造演化及油气成藏模式缺乏系统性研究。受限于前期地震资料缺乏，对于该层段断裂分布认识有待加强；且前期区块内钻井较少，该区储层仅能通过邻区进行延展对比。为此，笔者在明确断裂分布的基础上，结合区内新钻井测井、录井资料等，对三道桥北地区古近系-白垩系油气成藏条件与模式进行研究，以期为该区下一步油气勘探打好基础。

1 区域地质概况

三道桥北地区位于塔里木盆地沙雅隆起北部，在构造位置上位于雅克拉断凸和沙西凸起两个二级构造单元的结合部位，北为库车凹陷南缘的秋里塔格构造带，南部与哈拉哈塘凹陷相连接，其演化主要受沙雅隆起及库车凹陷控制(见图1)。雅克拉断凸是塔里木盆地北部沙雅隆起的一个次级断凸，南部与阿克库勒凸起相邻，北部与库车凹陷相接，是一个历经长期的古隆起，南北受断裂作用影响呈近东西走向展布，以亚南及轮台断裂为边界。该区受加里东中晚期-海西早期、海西晚期-印支期、燕山期-喜山早期及喜山晚期等多期构造运用作用影响，古生界大量缺失，中-上奥陶统、志留系-泥盆系、上石炭统-二叠系均被剥蚀。三叠系-侏罗系分布于亚南及轮台断裂以南局部地区，大部分地区白垩系直接覆盖于下奥陶统-前震旦系之上，至古近纪转为北侧库车坳陷的斜坡。

图1 三道桥北地区区域构造位置及XL6井库姆格列木群及巴什基奇克组综合柱状图

研究区目的层系自上而下分为古近系库姆格列木群、白垩系巴什基奇克组、白垩系巴西盖组、白垩系舒善河组和白垩系亚格列木组，其中古近系库姆格列木群与白垩系巴什基奇克组呈角度不整合接触，为重点研究层位。研究区库姆格列木群底部为薄-中层膏盐岩，与下伏巴什基奇克组顶部的厚层砂岩分界，表现为不整合接触关系；顶部为石膏质泥岩，上覆苏维依组底部的泥岩，电性上有自然伽马降低、电阻率降低的变化趋势。库姆格列木群内部根据岩性和电性变化可以分为膏泥岩段和底砂岩段两段：库姆格列木群膏泥岩段以膏泥岩为主，底部普遍含泥质，夹有薄砂层，具有高自然伽马、高电阻率的特征；库姆格列木群底砂岩段以砂岩为主，上部发育膏岩、泥岩，中部发育砂岩，下部发育白云岩、膏岩。通过对研究区及邻区单井层序地层综合分析以及对关键地震剖面界面进行识别，可将库姆格列木群划分为2个三级层序，底砂岩段与中砂岩段划分为低位体系域，底砂岩段之上均为湖侵体系域(见图1)。

2 构造特征

2.1 区域构造演化

三道桥北地区位于雅克拉断凸西部，其构造演化与雅克拉断凸的形成阶段密切相关。雅克拉断凸是受其北部亚南断裂及南部轮台断裂两条逆冲断裂所控制形成的背冲断块构造[19]。受断裂活动影响，其内部断裂发育活动剧烈，具有长期性、多次性、不均一性等活动特点。断凸西部与东部相比，断距小、剥蚀作用弱，尚保存有大部分震旦系-古生界地层，整体地层呈南倾单斜格局。中生界沉积之后，发育相对简单的褶皱变形作用，形成了现今的潜山构造和披覆背斜。喜山运动早-中期，区域发生南部地层抬升，北部地层下降的构造翻转作用，导致断凸之上出现拉张效应，促使早期逆冲作用形成的逆断层发生负反转作用，形成一系列由逆转正的生长正断层。研究区古近系-白垩系主要受到加里东中晚期-海西早期、海西晚期-印支期、燕山期-喜山早期及喜山早期等多期构造运动影响，形成如今的分布格局。

1)加里东中晚期-海西早期构造运动。在中-晚奥陶世至泥盆纪晚期，分属特提斯洋一部分的南、北天山洋开始俯冲于中天山-哈萨克斯坦板块下，控制雅克拉断凸的主要断裂活动，此时雅克拉断凸开始形成，应力表现特征为右行压扭性质。

2)海西晚期-印支期。海西晚期-印支期为强冲断期，压扭性应力发育相对前一时期更强，发育有压扭性断裂，地层发生强烈剥蚀并控制了古生界赋存和白垩系舒善河组的超覆沉积。早期北掉逆断层控制潜山地层赋存，断层以北为上寒武统-下寒武统白云岩，以南为变质岩。南倾逆断层控制了潜山地层，断层走向与牙哈逆断层一致，主要由近东西走向的多条雁列式展布断层组成。

3)燕山期-喜山早期。侏罗纪末期的燕山早期运动，亚南断裂的逆冲活动再次减弱，在侏罗系中逐渐消退，研究区断裂的逆冲活动基本结束。燕山晚期沉降速度加快，下白垩统逐层自南北向断凸顶部超覆，前中生界潜山在这一时期最终成型。喜山运动早期，地层持续稳定接受沉积，此时库车前陆盆地沉降中心发生南移，导致差异压实作用产生，研究区应力反转产生派生张扭性应力场，形成应力形式表现为右旋张扭性应力的一系列正断层[20]。区域内白垩系巴西盖组及巴什基奇克组沉积时，在左旋拉张扭性应力作用下发育正断层，控制了巴西盖组与巴什基奇克组的厚度；喜山早期古近系库姆格列木群沉积时，正断层继续发育，一般沿逆断层位置发育正断层，为典型负反转特征，具有良好的镜像关系。

4)喜山晚期。喜山晚期运动是天山隆起，对研究区影响相对前期活动相对较小，属于远程效应，表现为挤压应力特点[21]。该区实际为北倾沉降期，地层向北加厚，滑脱型逆冲断裂活动，膏岩聚集加厚；同时在挤压应力大的区域，对之前燕山期形成的正断层特征进行了改变，表现为逆断层特征，该特征主要发生在苏维依组之上。

2.2 断裂特征

2.2.1 断裂形成期次及机制

根据上述对区域构造演化进行研究，结合地震剖面表现各时期构造特征(见图2，剖面位置见图1)可知，该区断层演化期次可分为3期。

注：为前中生界顶界；为舒善河组顶界；为白垩系顶界；为库姆格列木群顶界。

1)Ⅰ期。加里东中晚期-印支期，主要在近北西向压扭性应力作用下形成了控制古生界及三叠系、白垩系舒善河组分布的逆断层。区内主要发育北北东、北东走向逆断层，断层从寒武系基底断至白垩系舒善河组。

2)Ⅱ期。燕山期-喜山早期，主要在张扭性应力作用下形成了控制白垩系和古近系亚格列木组分布的雁列式展布正断层。该断层沟通了库车凹陷与三道桥北地区，是油气运移的有利通道。

3)Ⅲ期。喜山晚期，在天山隆起挤压应力的远程效应作用下，形成了控制苏维依组以上地层的断裂展布，形成逆断层。

2.2.2 断裂展布特征

通过人机联作地震三维数据解释进行了高精度计算，分别对白垩系库姆格列木群底砂岩段-寒武系潜山顶界面不同反射层进行了沿层属性提取。结果表明，断裂的平面展布特征呈线性关系，断裂展布特征清晰。该区断层可分为3层结构：深层逆断层、中层及浅层断层。深层逆断层主要表现为背冲式和“Y”字形，中层断层表现为阶梯式和垒堑式，浅层表现为逆冲式。Ⅱ期形成的正断层沿地层薄弱带下切至潜山地层，具有明显的上隆下堑的特点。中层断层主要分布在白垩系、古近系下部，是该研究的重点地层，主要发育为雁列式展布的正断层。

3 油气成藏条件

3.1 油源特征

根据前人对三道桥北地区的研究，认为其不具备生烃潜力，北部库车凹陷三叠系-侏罗系陆相烃源岩与南部轮台坳陷寒武系海相烃源岩共同对该区进行油气供给，形成了“南海北陆，双向供烃”的格局[15]。依据王培荣等[22]研究，认为类异戊二烯烃的姥植比Pr/Ph与D值(Ph/nC18-Pr/nC17)关系可以用来判断有机质沉积环境，进而区分海陆相油气来源。即Pr/Ph>1.3、D<-0.025为陆相原油，Pr/Ph<1.3、D>-0.025为海相原油。原油轻重比(nC21-/nC22+)与OEP值(奇偶优势比)用于判定组分成熟度，根据原油“较轻”和“较重”组分成熟度不一致，来判断是否有混源的情况出现。根据三道桥北地区XL6井产出的原油取样进行了原油饱和烃色谱分析及碳同位素的判别，三道桥北地区产出油气流的饱和烃色谱呈前锋型，正构烷烃碳数以C17为主，原油轻重比分布于1.584～2.712；原油的奇偶优势不明显，OEP值分布于0.989～1.039。根据该指标，结合邻区井位对比制作图版(见图3)，认为该区油气来源为喜山中-晚期成藏的陆相原油。

图3 原油Pr/Ph与D值判识原油成因图

3.2 储层特征

研究区库姆格列木群-巴什基奇克组主要发育砂岩储层，结合前人对三道桥北地区沉积相研究，综合该区X84井、XL6井测、钻井资料及地震资料，对目的层段储层特征进行进一步分析。

3.2.1 储集相带分布

在前期邻区沉积相研究成果的基础上，综合该区X84井、XL6井等测、钻井资料及地震资料，对该区的沉积相进行了分析刻画，确定了三道桥北地区巴什基奇克组及库姆格列木群的沉积相展布(见图4)。认为该区沉积相具有以下特点：通过碎屑岩重矿物组合、成熟度分析资料确定古近纪-白垩纪主要物源方向主要为北东方向[23]，发育三角洲-湖泊沉积体系，三角洲类型主要为为扇三角洲相，区内以扇三角洲前缘亚相为主，水下分流河道微相发育，其次为席状砂微相和河口坝微相，均为有利储集微相类型，对研究区成为油气储层提供了有利条件。

图4 三道桥北地区沉积相展布

3.2.2 储层岩石学及储集空间特征

根据三道桥北地区XL6井各层段岩石薄片资料(见图5)进行分析，认为研究区目的层岩石类型主要为岩屑长石砂岩及长石岩屑砂岩两种类型(见图6)。三道桥北地区古近系-白垩系碎屑颗粒以细-中细粒为主，见粉砂。碎屑颗粒分选差至较好，颗粒磨圆度多为次棱角状、次圆状，接触关系以颗粒支撑为主。胶结类型以孔隙式胶结为主，胶结物为硬石膏、白云质及铁泥质胶结。储层孔隙类型发育粒间孔、残余粒间孔、粒内溶孔及微裂缝等4种类型(见图5)。其中以粒间孔、残余粒间孔、粒内溶孔3种孔隙类型最为常见，约占90%，溶蚀岩石组分主要是长石及岩屑。

3.3 圈闭发育特征

通过区域构造演化分析，目前三道桥北地区古近系-白垩系构造形态主要为侏罗纪末期的燕山期运动导致，库车凹陷前陆盆地沉积中心前移导致差异压实作用使三道桥北地区在古近系-白垩系发生构造反转，产生一系列派生正断层。这些正断层自白垩系舒善河组断至古近系苏维依组，对圈闭的形成起到控制作用，导致圈闭整体沿断裂展布。

三道桥北地区整体发育近东西走向和北东走向雁列式展布的南掉断裂带，以断裂带为构造界限，构造北倾。北东走向断裂及其构造带属于应力转换带，其断层延伸相对近东西走向断裂较短，因此导致构造圈闭面积相对较小。三道桥北地区构造圈闭均发育在断层上升盘，以断鼻圈闭为主，背斜圈闭为辅。

前期研究认为该区域圈闭幅度较低，对圈闭的识别较差，因此对三道桥北地区库姆格列木群及巴什基奇克组地层进行PSDM(叠前深度偏移处理)时间域速度转换变速成图分析，获得层位的精细构造[24]，落实了X84南构造圈闭、XL6构造圈闭、XL6东1圈闭及XL6东2圈闭等4个圈闭。三道桥北地区古近系-白垩系内发育的4个圈闭均为构造圈闭，亚南断裂与燕山期-喜山早期发生的负反转构造运动是形成圈闭的主要因素。圈闭要素如表1、表2所示。圈闭均沿三道桥断裂带近东西走向及北东走向雁列式展布的南掉主干断裂分布，充分说明了断裂活动对圈闭分布的控制作用(见图7)。

表1 巴什基奇克组圈闭要素表

表2 库姆格列木群底砂岩段圈闭要素表

图7 圈闭平面展布图

在XL6井前期试油过程中，在库姆格列木群泥岩段的3号层(5 893～5 895 m)试油成功，获得天然气显示。根据图1中XL6井测井曲线结果显示，3号层位于库姆格列木群泥岩段，其厚度为2 m的砂体部分。针对这一现象，认为三道桥北地区库姆格列木群泥岩段存在一套薄含气砂岩。而薄砂岩储层不可能会全区分布，因此可能存在砂岩尖灭形成岩性圈闭。基于以上观点，对库姆格列木群泥岩段3号层开展地震反演[25]，运用薄互层储层预测技术来对泥岩段中的薄砂体储集层展布范围进行识别(见图8)。从识别结果可以看出，该套薄砂岩在三道桥北地区断层的上下盘均有发育，其面积为：XL6构造区，分布面积1.22 km2；XL6东1构造区，分布面积7.1 km2；XL6东2构造区，分布面积8.5 km2；总共砂体分布面积16.82 km2。从砂体展布识别来看，其分布范围与构造圈闭展布范围对应效果较好。根据构造演化研究，推断应在库姆格列木群底砂岩段构造圈闭聚集的油气沿断裂垂向向上运移至薄砂岩储层中聚集成藏，导致油气显示与圈闭预测成果不一致。

图8 库姆格列木群泥岩段3号层砂体识别反演结果图

4 成藏控制因素分析

三道桥北地区北部受地层活动影响，古生界剥蚀严重，区域地层发育不全。根据上述油源特征分析可以看出，三道桥北地区油气成分与陆相油气相近，因此判断是来源于库车凹陷的陆相油气。根据构造演化分析，在白垩纪末期塔里木盆地及周缘发生剧烈的构造运动，广泛发育了古近系与下伏地层间的不整合。该不整合自库车凹陷延续至三道桥北地区，为油气自库车凹陷向三道桥北地区远距离横向运移提供条件。依据韩强等[15]进行的包裹体分析可以明确三道桥北地区的成藏期次集中在喜山期，该时期三道桥北地区古近系-白垩系构造运动基本停止，与现今构造样式基本一致，因此沿不整合运移至三道桥北地区的油气可以沿早期形成的断裂进行纵向运移，而库姆格列木群泥岩段则作为有利盖层对运移至此的油气起到了良好的保存作用。

研究区主要受控于地层的展布及区域构造活动，发育构造圈闭及岩性圈闭。其中构造圈闭主要分布在库姆格列木群底砂岩段及巴什基奇克组上部，可以形成构造油气藏。岩性圈闭主要分布在库姆格列木群泥岩段3号层，形成岩性油气藏。

4.1 燕山运动时期形成的断裂控制油气成藏的空间展布特征

三道桥北地区存在加里东中晚期-海西期形成的北东走向的逆冲断裂、燕山期-喜山早期形成的近东西向张性或张扭性断裂及喜山晚期形成的小型逆冲断裂组成的断裂系统。其中控制古近系-白垩系构造的断层为Ⅱ期形成的雁列式展布正断层。断裂系统中的主干断裂直接沟通了生油岩与储集岩，是外供油气运移的良好通道。这些断裂不仅控制了圈闭的分布情况，使圈闭沿断裂展布，在平面上形成了沿断裂成带展布的油气田，并且使油气从纵向上穿过层位，对油气的垂向输导起到控制作用。在这些主干断裂引导下，库车凹陷的三叠系陆相煤系烃源岩由低势区向高势区的碎屑岩低幅度构造圈闭中聚集成藏。这些正断层自巴什基奇克组断开至库姆格列木群膏泥岩段，对沿白垩系顶界不整合运移的油气进行了垂向输导，控制了油气在纵向上的分布范围。三道桥北地区在库车凹陷生油高峰期之前，已不同程度地存在了相应的断裂系统和各种类型的圈闭，以及中新生界不整合面的长期广泛发展，为匹配良好的圈源条件提供了足够的运移通道。目前三道桥北地区的XL6井油气藏位于近北东向断裂带上，这一现象也为断裂作为油气运移的通道提供了证据。其中，库姆格列木群底砂岩段与库姆格列木群泥岩段3号层薄砂岩段中聚集的油气主要是受这些断裂的控制。因此，这些断裂不仅是油气运移尤其是外供油气运移的良好通道，并且对圈闭的空间展布起到重要作用。

4.2 白垩系顶界不整合是远距离成藏运移的重要通道

4.3 库姆格列木群膏盐岩盖层是油气远距离运聚成藏的重要保障

三道桥北地区古近系-白垩系为扇三角洲-湖泊相沉积，以泥岩、砂岩为主，储集层主要为扇三角洲相的水下分流河道、席状砂和河口坝微相等。库姆格列木群泥岩与砂岩储层分界明显，前期研究认为库姆格列木群厚层膏泥岩段是三道桥北地区良好的区域盖层，与下伏地层形成一套“自储自盖，下砂上泥”的组合。在这一基础上对三道桥北地区地层进行具体分析，认为库姆格列木群底砂岩段底部区域性分布有一套厚度为3～5 m的膏盐岩段，具有极好的封盖性能，对下伏巴什基奇克组砂岩起到了直接盖层的作用，迫使油气沿不整合面进行运移，对油气的远距离成藏起到良好的保障作用；同时，由断层垂向运移至库姆格列木群的油气有区域性盖层的发育，也导致了油气成藏位置的调整。

5 油气成藏模式

来源于库车凹陷的侏罗系-三叠系煤系烃源岩在喜山晚期开始成藏。因成藏期次要晚于三道桥北地区的构造演化阶段，因此其成藏期地质格局与现今并无太大分别。三道桥北地区燕山晚期的地质运动，导致白垩系巴什基奇克组上部地层剥蚀，形成不整合，上伏库姆格列木群底砂岩段下部膏盐岩与巴什基奇克组顶部砂岩段形成了下砂上膏的储盖组合，控制了来自于库车坳陷的烃源岩沿该不整合进行油气运移。沿该不整合运移的油气由于燕山期-喜山早期形成的正断层的输导作用，导致部分应在巴什基奇克组成藏的油气沿垂向进行了成藏位置的调整，至库姆格列木群底砂岩段砂岩或膏泥岩段砂岩层中进行成藏。早期断裂多为雁列式展布，多形成背斜圈闭或受控于构造作用形成断鼻圈闭。由于燕山期-喜山期地质活动减弱，导致圈闭形成的闭合幅度较低，控制了油气的富集程度。库姆格列木群膏泥岩段及底砂岩段的膏盐岩可以作为油藏的盖层为油气成藏起到重要保障(见图9)。

图9 油气成藏模式图

油气自库车凹陷向三道桥北地区沿不整合进行横向运移成藏，沿燕山晚期形成的正断层进行垂向运移调整油气成藏位置，断裂、不整合以及储盖组合三者相互影响，对油气成藏起到控制作用。构造活动控制了含油气圈闭的闭合幅度及面积，对油气的富集起到了控制因素。因此，三道桥北地区油气成藏模式可以总结为“横向运移，垂向调整，三元控藏，构造控富”的成藏模式。

6 结论

1)三道桥北部古近系-白垩系经多期构造运动，断裂分多期展布，自老而新发育逆断层-正断层-逆断层，深层逆断层主要表现为背冲式和“Y”字形，中层正断层表现为阶梯式和垒堑式，浅层逆断层表现为逆冲式。该区断层控制了构造圈闭的展布区带，圈闭均发育在断层上升盘。

2)来自库车凹陷中运移而来的油气通过不整合运移至巴什基奇克组顶部中成藏，而部分油气由于断裂的控制作用，运移至库姆格列木群膏泥岩段中的薄砂岩进行成藏。

3)断裂、不整合、储盖组合共同对三道桥北地区油气成藏起到控制作用：断裂控制了构造圈闭的平面展布区带，对油气的垂向运移起到了控制作用；不整合是油气远距离横向运移的重要输导通道；泥岩与膏盐岩盖层是油气成藏的重要保障。综合成藏条件及其控制作用建立了“横向运移，垂向调整，三元控藏，构造控富”的成藏模式，指示了三道桥北地区断控复合圈闭是有利的勘探方向。