塔里木盆地順北及鄰區(qū)主干走滑斷裂帶差異活動(dòng)特征及其與油氣富集的關(guān)系

鄧 尚，李慧莉，張仲培，吳 鮮，張繼標(biāo)

(1.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院， 北京 100083； 2.中國(guó)石化 西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

近年來(lái)，塔里木盆地油氣勘探在順南與順托地區(qū)相繼實(shí)現(xiàn)突破，尤其是在順北地區(qū)(圖1)的重大油氣發(fā)現(xiàn)，揭示了走滑斷裂帶對(duì)奧陶系碳酸鹽巖具有明顯的“控儲(chǔ)、控藏、控富”作用[1]，塔里木盆地順北及鄰區(qū)也因此成為我國(guó)在西部原油增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要陣地之一。前人對(duì)順南地區(qū)、順托地區(qū)、哈拉哈塘地區(qū)和托普臺(tái)等地區(qū)的斷裂分層性、分段性、力學(xué)成因[2-6]以及儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)[7-8]等方面開(kāi)展了詳盡的研究工作，但對(duì)順北地區(qū)及鄰區(qū)主干走滑斷裂帶幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)精細(xì)解析，多期活動(dòng)差異性及其力學(xué)機(jī)制尚未見(jiàn)系統(tǒng)研究。本文選取順北地區(qū)與托普臺(tái)地區(qū)重點(diǎn)走滑斷裂帶為研究對(duì)象，解剖研究活動(dòng)差異性，探討其對(duì)油氣富集的控制作用，旨在為深化認(rèn)識(shí)該地區(qū)油氣分布規(guī)律以及提高鉆井成功率提供參考和借鑒。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)概況

順北地區(qū)所在的順托果勒低隆南北向位于塔中隆起和塔北隆起之間,東西向位于阿瓦提坳陷與滿加爾坳陷之間，褶皺變形弱，是塔里木盆地相對(duì)穩(wěn)定的古構(gòu)造單元[4]。基于前人對(duì)塔北隆起及其南坡與塔中隆起及其北坡的構(gòu)造演化研究，順北地區(qū)可能經(jīng)歷了至少4個(gè)構(gòu)造演化階段：加里東早期(寒武紀(jì)—中奧陶世)克拉通邊緣拗拉槽與克拉通內(nèi)弱伸展背景階段、加里東中晚期—海西早期(中奧陶世—中泥盆世)克拉通隆起形成演化與整體強(qiáng)烈擠壓階段、海西晚期—印支期(早二疊世—侏羅紀(jì))塔北隆起持續(xù)抬升與擠壓階段和燕山期—喜馬拉雅期古隆起與斷裂調(diào)整定型階段[3,9-12]。

目前順北地區(qū)勘探開(kāi)發(fā)主要目的層為奧陶系一間房組和鷹山組上部碳酸鹽巖。順北地區(qū)奧陶系地層發(fā)育齊全，自下而上為下統(tǒng)蓬萊壩組(O1p)，中-下統(tǒng)鷹山組(O1-2y)，中統(tǒng)一間房組(O2yj)，上統(tǒng)恰爾巴克組(O3q)、良里塔格組(O3l)和桑塔木組(O3s)。若干鉆井在鉆進(jìn)過(guò)程中均鉆遇放空，表明儲(chǔ)層類型為縫洞型，或?yàn)榭锥?裂縫型[1,13]。與順北地區(qū)相比，托普臺(tái)地區(qū)因其位于隆起區(qū)，上奧陶統(tǒng)等層系遭受剝蝕更為強(qiáng)烈[14]。

1.2 走滑斷裂體系分布特征

對(duì)大量二維、三維資料的地震-地質(zhì)解析表明，順北及鄰區(qū)主要發(fā)育有兩大斷裂體系。在塔中隆起北坡主要發(fā)育NNE向近平行走滑斷裂體系，走向約為NE30°[1,4],局部同時(shí)發(fā)育NEE向次級(jí)走滑斷裂[15]。在塔北地區(qū)主要發(fā)育“X”型似共軛斷裂體系，平面走向?yàn)镹NE向和NNW向，呈菱形狀相互交切，比如托普39斷裂及其次級(jí)斷裂體系(圖 1)。NE向順北1斷裂和NNW向-NS向順北5斷裂位于兩大斷裂體系過(guò)渡區(qū)域，已有研究認(rèn)為北部“X”型斷裂體系發(fā)育至順北1斷裂附近逐漸減弱并終止，且順北5斷裂東部和西部斷裂在走向上呈現(xiàn)明顯差異[1,6]。

圖1 塔里木盆地順北及鄰區(qū)下古生界主要斷裂Fig.1 Distribution of major faults in the Lower Paleozoic of Shunbei area and its surroundings in Tarim Basin

2 主干走滑斷裂帶活動(dòng)特征以及油氣富集特征

經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)三維地震資料進(jìn)行處理并提取相干屬性，結(jié)合多層位相干對(duì)托普39斷裂體系、順北1斷裂帶和順北5斷裂帶的精細(xì)解析，明確了斷裂的幾何學(xué)特征與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，厘定了活動(dòng)期次。此外，通過(guò)對(duì)斷裂帶上多口單井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料分析解剖，明確了不同斷裂與油氣富集的關(guān)系。

2.1 托普39斷裂體系

2.1.1 幾何學(xué)特征

2.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

基于托普39斷裂體系在深層呈現(xiàn)出的共軛特征，該體系NNE向斷裂和NNW向斷裂在形成初期應(yīng)分別以左行走滑和右行走滑為主。托普39斷裂帶淺層發(fā)育的雁列正斷層表現(xiàn)為左階展布，指示右行走滑特征[18]。該特點(diǎn)表明，托普39斷裂帶在演化過(guò)程中出現(xiàn)了滑移方向的反轉(zhuǎn)，即早期左行走滑轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥诘挠倚凶呋?。除托?9斷裂帶外，NNW向斷裂與其它NNE向次級(jí)斷裂未發(fā)育明顯淺層構(gòu)造，說(shuō)明在早期的共軛活動(dòng)之后，晚期沒(méi)有明顯活動(dòng)。

2.1.3 活動(dòng)期次

前人多運(yùn)用斷距分析、雁列正斷層生長(zhǎng)指數(shù)方法識(shí)別走滑斷裂帶活動(dòng)期次[4,19]。本研究結(jié)合斷裂不同構(gòu)造樣式發(fā)育層位以及與不整合面接觸關(guān)系，識(shí)別出托普39斷裂帶3個(gè)階段的多期活動(dòng)。

圖2 塔里木盆地托普臺(tái)地區(qū)托普39斷裂體系多層位相干與斷裂分布(三維資料研究范圍見(jiàn)圖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)

圖3 塔里木盆地托普臺(tái)地區(qū)托普39斷裂體系典型剖面A-A′(剖面位置見(jiàn)圖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′解釋剖面；b. A—A′原始未解釋剖面

第二階段活動(dòng)在印支期，表現(xiàn)為沿托普39斷裂帶局部發(fā)育弧形正斷層。該系列正斷層多數(shù)斷至T64界面(三疊系頂面)，造成地層明顯下凹(圖3)。整個(gè)哈拉哈塘地區(qū)在該時(shí)期剝蝕作用不強(qiáng)烈，三疊系穩(wěn)定沉積，但在三疊紀(jì)末期經(jīng)歷了明顯的小規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)[12]，弧形正斷層的形成可能與該構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。

第三階段活動(dòng)在喜馬拉雅期，表現(xiàn)為上覆地層在深層走滑斷裂再活動(dòng)時(shí)引起的蓋層變形，形成貫穿中生界地層的雁列正斷層。該系列正斷層與深層基底走滑斷裂夾角約為45°，表明其在上覆地層中形成時(shí)深層走滑斷面未受到垂直于斷面的張應(yīng)力作用，主要在剪切應(yīng)力作用下活動(dòng)[20-21]。托普39斷裂帶在該階段活動(dòng)強(qiáng)度比上述第一、第二階段活動(dòng)強(qiáng)度大，早期左行活動(dòng)特征被完全改造，其深層走滑分段現(xiàn)今的右行右階展布方式(圖2b)在該活動(dòng)階段形成，由此可判斷喜馬拉雅期是托普39斷裂的主活動(dòng)期。

2.1.4 油氣差異富集特征

在托普39斷裂體系所在區(qū)域共選取了51口單井進(jìn)行分析，其中，12口井位于托普39斷裂帶疊接拉分段上，11口井位于其平移段上，9口井位于相鄰NNE向次級(jí)斷裂上，19口井位于相鄰NNW向次級(jí)斷裂上(圖4a)。對(duì)單井資料運(yùn)用箱線圖分析表明，托普39斷裂疊接拉分段累計(jì)產(chǎn)液量明顯高于平移段，其次是相鄰NNE向次級(jí)斷裂，再次是相鄰NNW向次級(jí)斷裂(圖4b)。因此，托普39斷裂帶相對(duì)相鄰的次級(jí)斷裂油氣更富集，且拉分段是油氣富集更有利部位。

2.2 順北1與順北5斷裂帶

2.2.1 幾何學(xué)特征

圖4 塔里木盆地托普臺(tái)地區(qū)托普39斷裂與鄰近次級(jí)斷裂單井產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)對(duì)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斷裂與鄰近次級(jí)斷裂平面解釋與井組分類;b.不同類別井組累計(jì)產(chǎn)液量對(duì)比;c.不同類別井組平均每日產(chǎn)油量對(duì)比

剖面上，順北1斷裂帶深層走滑斷裂對(duì)同相軸不造成明顯錯(cuò)斷，而順北5斷裂帶深層走滑斷裂明顯錯(cuò)段同相軸，局部可見(jiàn)串珠狀強(qiáng)反射(圖6)。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

2.2.3 活動(dòng)期次

結(jié)合不同構(gòu)造樣式揭示的不同古應(yīng)力環(huán)境、發(fā)育層位以及與不整合面接觸關(guān)系，識(shí)別出順北1與順北5斷裂帶至少有三個(gè)階段的活動(dòng)。

圖5 塔里木盆地順北地區(qū)順北1與順北5斷裂帶多層位相干與斷裂平面解釋(三維資料研究范圍見(jiàn)圖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.順北1、順北5斷裂帶界面斷裂分段平面解釋;b.順北1、順北5斷裂帶界面雁列正斷層平面解釋;c.順北1、順北5斷裂帶界面雁列正斷層平面解釋

對(duì)比上述三個(gè)階段的活動(dòng)特征，順北5斷裂帶深層走滑段現(xiàn)今的右行右階展布方式在加里東中期Ⅲ幕活動(dòng)時(shí)就已形成，順北5斷裂晚期活動(dòng)雖然經(jīng)歷了滑移方向的反轉(zhuǎn)，但其對(duì)深部走滑段改造程度低，由此可判斷加里東中期Ⅲ幕為順北5斷裂帶主活動(dòng)期。順北1斷裂帶在上述活動(dòng)階段始終保持左行走滑，其在加里東晚期活動(dòng)強(qiáng)度大于海西中晚期活動(dòng)強(qiáng)度(圖6)，因此，加里東晚期為順北1斷裂帶主活動(dòng)期。

2.2.4 油氣差異富集特征

順北地區(qū)內(nèi)目前建產(chǎn)井總體沿走滑斷裂帶分布，其中沿順北1斷裂已鉆開(kāi)發(fā)井均獲得高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，但單位壓降產(chǎn)油量有較大差異(圖7)。比如，位于順北1斷裂帶北段的X6井單位壓降產(chǎn)油量甚至高于南部X1井與中部X3井單位壓降產(chǎn)油量的總和(圖7b)。因此，油氣沿順北1斷裂帶差異富集，斷裂帶北段富集程度相對(duì)好于南段。

3 討論

3.1 走滑斷裂差異活動(dòng)力學(xué)機(jī)制

托普39斷裂體系在第一階段共軛走滑活動(dòng)時(shí)(圖8a)，依據(jù)庫(kù)倫-安德森(Coulomb-Anderson)模型[23]，該階段最大主應(yīng)力方向應(yīng)平分?jǐn)嗔压曹椊?，約為NE5°(圖8b)。該主應(yīng)力方向大致垂直于塔北隆起整體走向，進(jìn)一步說(shuō)明托普39斷裂共軛體系的形成與塔北隆起隆升背景相關(guān)。根據(jù)Anderson斷裂理論，最大主應(yīng)力與共軛斷裂夾角為45°-φ/2(φ為內(nèi)摩擦角)，由此得出φ等于56°，內(nèi)摩擦系數(shù)μ(μ=tanφ)等于1.48。這一數(shù)值在灰?guī)r常見(jiàn)實(shí)測(cè)內(nèi)摩擦系數(shù)范圍內(nèi)(0.5～1.8)[24-25]。依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，臨界應(yīng)力狀態(tài)下的共軛斷裂體系與主應(yīng)力關(guān)系可用摩爾圓表示(圖8c)。托普39斷裂帶在第三階段的活動(dòng)表現(xiàn)為雁列正斷層(張性T破裂)在基底斷裂上覆蓋層中發(fā)育(圖8d)，符合簡(jiǎn)單剪切構(gòu)造幾何學(xué)模型[26](圖8e)。在喜馬拉雅期，受印度板塊和歐亞板塊碰撞作用的影響，塔里木盆地整體受北東-南西方向水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)控制[27-28]。塔中地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)分析表明，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E45°[29]，未發(fā)表數(shù)據(jù)同樣顯示托普臺(tái)地區(qū)最大主應(yīng)力方向也大致在NE45°。當(dāng)最大主應(yīng)力方向從NE5°旋轉(zhuǎn)至NE45°，根據(jù)阿蒙頓摩擦定律(假設(shè)摩擦角φ等同于內(nèi)摩擦角)，NNE向斷裂在破壞包絡(luò)面以內(nèi)，而NNW向斷裂處在穩(wěn)定的地應(yīng)力狀態(tài)，因此未活動(dòng)。托普39斷裂體系附近的其它共軛斷裂體系,也具有NNE向斷裂在喜馬拉雅期再活動(dòng)而NNW向斷裂未活動(dòng)的特征[3,30]，同樣也受上述力學(xué)機(jī)制控制。

順北1與順北5斷裂體系與托普39斷裂體系存在顯著差異。順北5斷裂帶走向在三維區(qū)內(nèi)有明顯偏轉(zhuǎn)，且進(jìn)入塔中地區(qū)后可能進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)至NNE走向(圖1)，其可能由先存的多組不同走向的高角度區(qū)域節(jié)理在加里東中期Ⅲ幕的斜壓應(yīng)力環(huán)境中右行活動(dòng)拼接而成，最大主應(yīng)力方向應(yīng)為NNE向或NE向。加里東晚期，順北1斷裂帶深層走滑斷裂在斜拉應(yīng)力環(huán)境中形成并左行活動(dòng)，順北5斷裂帶在同樣的應(yīng)力環(huán)境中右行活動(dòng)，說(shuō)明該時(shí)期最大主應(yīng)力方向在兩條斷裂銳夾角內(nèi)分布，即NNE向。海西中、晚期，順北1斷裂帶與順北5斷裂帶同時(shí)左行活動(dòng)，說(shuō)明最大主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)至NNW向，此時(shí)最大主應(yīng)力與順北5斷裂帶三維區(qū)內(nèi)NNW段小角度相交或近似平行，所以該段剪切活動(dòng)弱，形成的雁列正斷層發(fā)育規(guī)模小，其雁列角小于10°，指示該階段最大主應(yīng)力方向與深層走滑斷裂近似平行[31]。

圖7 沿塔里木盆地順北地區(qū)順北1斷裂帶單井產(chǎn)能以及雁列活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)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界面相干屬性圖與雁列正斷層平面解釋;b.已鉆井單位壓降產(chǎn)油量對(duì)比;c. X6井與X7井雁列正斷層剖面解釋；d.單井產(chǎn)能與雁列正斷層平均落差交會(huì)圖

圖8 塔里木盆地托普臺(tái)地區(qū)托普39斷裂體系差異活動(dòng)力學(xué)機(jī)制Fig.8 Differential activity mechanics of the Tuopu 39 fault system in Tuoputai area,Tarim Basina.托普39斷裂體系簡(jiǎn)化幾何學(xué)模型界面);b.庫(kù)倫-安德森(純剪切)構(gòu)造幾何學(xué)模型;c.摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則與臨界應(yīng)力狀態(tài)下的共軛斷裂體 系;d.托普39斷裂淺層簡(jiǎn)化幾何學(xué)模型界面);e.簡(jiǎn)單剪切構(gòu)造幾何學(xué)模型;f.阿蒙頓摩擦定律與不同應(yīng)力狀態(tài)下的不同走向斷裂

綜上所述，順北1斷裂帶與順北5斷裂帶的構(gòu)造演化經(jīng)歷了不同的應(yīng)力環(huán)境與主應(yīng)力方向的變化，與托普39斷裂體系的早期共軛走滑活動(dòng)以及晚期差異活動(dòng)在力學(xué)機(jī)制與演化過(guò)程上有根本差異，該差異應(yīng)該受塔北-塔中區(qū)域構(gòu)造演化以及邊界條件差異的控制。

3.2 走滑斷裂差異活動(dòng)對(duì)油氣差異富集的控制作用

前人對(duì)托普臺(tái)地區(qū)鄰區(qū)(躍參區(qū)塊)走滑斷裂控藏機(jī)制的研究表明，NNE向主干斷裂因其與輕質(zhì)油氣在喜馬拉雅期充注方向一致，是油氣運(yùn)移的主要通道，因此高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)井均分布在NNE向主干斷裂帶附近，而NW向次級(jí)走滑斷裂帶上油氣充注程度低[12]。本研究對(duì)托普39斷裂帶活動(dòng)期次與力學(xué)機(jī)制的分析表明，托普39斷裂帶主活動(dòng)期為喜馬拉雅期，與主成藏期匹配，因而油氣充注強(qiáng)，油氣沿托普39斷裂優(yōu)勢(shì)富集，疊接拉分段相比平移段對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造程度更高[32]，因此是更有利的富集部位。相鄰的NNE向與NNW向次級(jí)斷裂在新生界中未形成明顯的雁列正斷層(圖2，圖8)，未見(jiàn)明顯活動(dòng)特征，因此油氣充注弱，富集程度低。

4 結(jié)論

2) 托普39斷裂體系至少經(jīng)歷了3個(gè)階段的活動(dòng)，分別是加里東中期-海西早期多期活動(dòng)、印支期活動(dòng)以及喜馬拉雅期活動(dòng)。托普39斷裂作為NNE向主干斷裂，早期在共軛走滑狀態(tài)下左行活動(dòng)，晚期反轉(zhuǎn)為右行走滑，而同體系中的NNW向次級(jí)斷裂晚期幾乎未活動(dòng)。斷裂力學(xué)分析表明，該斷裂體系的差異活動(dòng)受最大主應(yīng)力方向的控制。

3) 順北1和順北5斷裂帶至少經(jīng)歷了3個(gè)階段的活動(dòng)，分別是加里東中期Ⅲ幕、加里東晚期以及海西中、晚期。順北5斷裂帶先于順北1斷裂帶在加里東中期Ⅲ幕形成，兩者的構(gòu)造演化經(jīng)歷了不同的應(yīng)力環(huán)境和最大主應(yīng)力方向的變化，與托普39斷裂體系中NNE與NNW向斷裂早期的共軛活動(dòng)在力學(xué)機(jī)制上存在根本差異。

4) 結(jié)合托普39斷裂體系、順北1斷裂帶單井動(dòng)態(tài)資料與斷裂活動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系研究表明，主活動(dòng)期與油氣成藏期匹配的主干斷裂帶是油氣富集的更有利部位。此外，深層走滑段上覆雁列正斷層活動(dòng)越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的深部平移走滑段和疊接拉分段對(duì)儲(chǔ)層改造程度越高，油氣在相應(yīng)部位更富集。