鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部斷裂體系的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義

馮保周，于長錄，何太洪，王玉善，馮 琦，劉永濤，常 圓

(1.中國石油集團東方地球物理公司研究院 長慶分院，陜西 西安 710021； 2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 蘇里格分公司，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300； 3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 蘇里格氣田分公司，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300； 4.中海石油(中國)有限公司 海南分公司，海南 海口 570312)

引 言

在鄂爾多斯盆地北部發(fā)現(xiàn)了蘇里格、大牛地、東勝等多個千億立方米級大氣田，具有廣闊的勘探前景。前人認(rèn)為斷裂僅發(fā)育于盆地周緣的構(gòu)造單元，對盆地北部的相關(guān)研究主要集中于泊爾江海子斷裂帶及以北的杭錦旗探區(qū)，對于該斷裂帶以南的伊陜斜坡等盆地本部地區(qū)仍以斷裂構(gòu)造不發(fā)育、尋找?guī)r性油氣藏為主要的勘探思路[1-7]。然而，在伊陜斜坡北部天然氣的勘探開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)氣水關(guān)系復(fù)雜，氣藏賦存與優(yōu)勢砂體的展布并不吻合。在鉆探過程中有多口井因鉆遇斷裂而發(fā)生井漏，此外，近年新采集處理的二維地震剖面中可明顯觀察到Tc2(對應(yīng)石炭系煤層)等主要標(biāo)志層被錯斷，這些證據(jù)均表明，伊陜斜坡北部存在較為復(fù)雜且未被前人重視的斷裂體系，并且對上古生界天然氣的運聚、成藏有重要影響。

本文以位于伊陜斜坡北部的蘇里格氣田東區(qū)為主要研究區(qū)，根據(jù)最新的地震、鉆測井資料，對該地區(qū)斷裂系統(tǒng)進行精細(xì)構(gòu)造解釋，發(fā)現(xiàn)了巴音—木肯走滑斷裂帶和多組小斷層，明確了該地區(qū)斷裂體系特征和構(gòu)造樣式，對斷裂體系的成因和對上古生界天然氣賦存的控制進行相應(yīng)的分析，以期為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡、 天環(huán)向斜等地區(qū)的油氣勘探開發(fā)提供新的思路。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是一個多旋回疊合的克拉通盆地，經(jīng)歷了復(fù)雜、多期次的構(gòu)造運動。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部(圖1)，北接由近EW走向的三眼井?dāng)鄬?、烏蘭吉林廟斷層、泊爾江海子斷層及李家渠斷層等組成的泊爾江海子斷裂帶。該斷裂帶具有多期活動的特點，研究區(qū)經(jīng)歷了相似的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用過程，具備發(fā)育斷裂體系的應(yīng)力條件[8-10](圖2)。

圖1 研究區(qū)位置(據(jù)文獻[8]修改)

圖2 Y6-DPM測線地震剖面(剖面位置見圖1)

受隆起控制，鄂爾多斯盆地北部古生界向北減薄并逐漸尖滅。研究區(qū)早古生代沉積寒武、奧陶系海相碳酸鹽巖，此后，華北克拉通整體抬升、剝蝕。至晚石炭世短暫接受海侵后進入陸相沉積階段，廣覆式沉積石炭系本溪組、二疊系山西組、太原組煤層及暗色泥巖，這是鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏的主力烴源巖。二疊系山西組、下石盒子組的砂巖與上石盒子組、石千峰組的泥巖為天然氣藏提供了儲集層、封蓋層[11]。目前開發(fā)主力層系仍以上古生界氣藏為主，盆地北部大規(guī)模開發(fā)的天然氣藏主要以這幾套沉積地層為生儲蓋組合。

2 斷裂發(fā)育特征

姚宗惠[12]曾提出沿蘇里格廟—烏審召—伊金霍洛旗—東勝發(fā)育近北東向斷裂體系，本次研究借助最新處理解釋的二維地震剖面，證實研究區(qū)發(fā)育較為復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)(圖3)。研究區(qū)地震剖面中Tc2、Tj9地震反射層分別對應(yīng)石炭系煤層、侏羅系延安組煤層底，是研究區(qū)特征明顯的區(qū)域標(biāo)志層。此外，借助研究區(qū)大量井位，對于主要目的層段二疊系盒8段、千5段也進行了層位標(biāo)定，對應(yīng)Tp8、Tpq5地震反射層。通過研究區(qū)較為密集的二維測網(wǎng)進行構(gòu)造解釋，在剖面上解釋斷層、平面組合斷點，能夠真實地刻畫研究區(qū)的斷裂發(fā)育特征。

圖3 盒8氣水分布與斷裂系統(tǒng)疊合圖

2.1 剖面特征

區(qū)內(nèi)南北向剖面可明顯觀察到Tc2反射層被錯斷，斷點反射較為清晰，并可觀察到斷層兩盤與之伴生的褶皺；東西向剖面斷點較不發(fā)育，但依舊可觀察到Tc2反射層發(fā)育的褶皺、撓曲。從斷裂性質(zhì)上看，走滑斷層、正斷層、逆斷層及反轉(zhuǎn)斷層均有發(fā)育，斷距較小，多在10～40 m，斷層傾角普遍較大，不同斷層所切割的層位不同，自基底至白堊系地層均被斷層錯斷。其中，逆斷層切割層位較少，一組斷至下石盒子組并在兩盤伴生撓曲褶皺，一組斷至侏羅系地層；正斷層較逆斷層更為陡立，多斷穿至近地表；還存在一些上部為正斷層下部伴生擠壓褶皺的反轉(zhuǎn)斷層，表明此種斷裂多期次活動，早期為逆斷層，后期改造過程中發(fā)生了負(fù)反轉(zhuǎn)。

筆者在對南北向剖面解釋的過程中，還發(fā)現(xiàn)一組傾向不定、樣式獨特的斷裂，該斷裂向上撒開為多條正斷層，且各斷裂斷穿層位自二疊系至白堊系不等，向下合并歸一為一條插入基底的陡立斷裂，符合花狀構(gòu)造的樣式，在其底部隱約可見中—新元古界裂陷槽。將斷點進行平面組合后，發(fā)現(xiàn)其為一組橫貫研究區(qū)的走滑斷裂，由4條不連續(xù)的呈NW—近EW走向的斷裂所組成(圖4)，將之命名為巴音—木肯斷裂帶。鄂爾多斯盆地內(nèi)部一般發(fā)育多組小尺度走滑斷裂，此種斷距較大、發(fā)育典型花狀構(gòu)造的走滑斷層在鄂爾多斯盆地本部較少被發(fā)現(xiàn)。該斷裂的發(fā)現(xiàn)有益于揭示鄂爾多斯盆地斷裂構(gòu)造成因機制及控藏作用。

圖4 花狀構(gòu)造特征

2.2 平面展布特征

本區(qū)密集發(fā)育規(guī)模小且復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)，斷裂平面走向以EW向最多，其次發(fā)育部分NE、NW向斷裂。除中部走滑斷裂單條可達(dá)14 km以外，其余斷裂平面延伸距離較短，以2～5 km居多。研究區(qū)內(nèi)斷裂平面分布差異性較大，北部斷裂發(fā)育密集、復(fù)雜，向南斷裂發(fā)育程度減弱。本區(qū)北側(cè)為斷裂發(fā)育程度較高的北緣杭錦旗地區(qū)，南部為較為穩(wěn)定的伊陜斜坡，研究區(qū)恰好處于其交接部位，故南北斷裂展布呈現(xiàn)一定差異。

3 成因機制分析

3.1 斷裂活動期次及形成機制

根據(jù)地震剖面解釋成果，按照斷裂性質(zhì)、展布、切割層位等特征進行劃分，研究區(qū)斷裂至少可分為3個活動期次：Ⅰ期斷裂為切割基底至石盒子組的逆斷層；Ⅱ期斷裂以逆斷層為主，切割層位向上可至下白堊統(tǒng)，并發(fā)育少部分?jǐn)啻┤B系—侏羅系的層間斷裂；Ⅲ期斷裂為斷穿基底至近地表的正斷層、走滑斷層及負(fù)反轉(zhuǎn)斷層。Ⅰ期斷裂發(fā)育時間主要為海西期中晚二疊世，以南北向擠壓應(yīng)力為主；Ⅱ期斷裂定型時期對應(yīng)于燕山期晚侏羅世—早白堊世，主要受NW向擠壓；Ⅲ期斷裂形成于新生代喜山期，受拉張及走滑影響。由于研究區(qū)三疊系在剖面上反射較為雜亂，缺乏連續(xù)可追蹤的同相軸，而且工區(qū)內(nèi)斷裂規(guī)模較小，斷裂性質(zhì)、延伸和斷穿層位也不易識別，故而不作詳細(xì)討論。Yang[8]、Xu[9]等學(xué)者對北部泊爾江海子等斷層生長指數(shù)的分析結(jié)果顯示， 三疊系多條斷層生長指數(shù)均在0.9～0.98，說明這一時期研究區(qū)及臨區(qū)也受一定的擠壓應(yīng)力作用。

筆者認(rèn)為，研究區(qū)斷裂主要有2種成因模式。第一種是受擠壓作用，地層以煤層、泥巖、不整合面為滑脫面發(fā)生逆沖，發(fā)育逆斷層，此類斷層兩盤常伴生牽引構(gòu)造、斷層相關(guān)褶皺，形成低幅度背斜；第二類則是由基底斷層后期活化所形成的調(diào)節(jié)斷層。前人研究認(rèn)為，鄂爾多斯盆地基底非均質(zhì)性較強，發(fā)育多組基底斷層，并在盆地后期演化中重新活動，對蓋層沉積、構(gòu)造起到一定控制作用[13-14]。本區(qū)斷裂呈有規(guī)律的帶狀分布，尤其是中部走滑斷層與其底部中—新元古界裂陷槽在空間上匹配關(guān)系較好，這一走滑斷裂或受基底斷層隱性活動的控制，由于深部基底斷層發(fā)生錯斷、走滑，應(yīng)力向上傳遞至蓋層使其發(fā)生被動變形，從而形成有一定規(guī)律呈帶狀展布的斷裂體系。

3.2 斷裂形成的區(qū)域動力學(xué)背景

鄂爾多斯盆地北部構(gòu)造演化經(jīng)歷了多期次復(fù)雜的地質(zhì)作用過程，控制著研究區(qū)及鄰區(qū)的斷裂發(fā)育。研究區(qū)斷裂的形成演化主要經(jīng)歷了加里東—海西期逆沖褶皺、印支—燕山期擠壓、喜山期走滑拉張三大階段。加里東—海西期，華北板塊南、北分別受揚子板塊向北俯沖、西伯利亞板塊碰撞的影響[15]，研究區(qū)及鄰區(qū)受南北向擠壓作用，發(fā)育大量規(guī)模較小、EW走向的逆斷層。印支期，揚子板塊與華北板塊沿秦嶺造山帶呈“剪刀狀”碰撞拼合[16-17]，燕山期，古太平洋板塊、西伯利亞板塊分別以NW、SN向與歐亞板塊碰撞，研究區(qū)經(jīng)受多期次的區(qū)域擠壓作用，位于北側(cè)的泊爾江海子、李家渠等斷裂經(jīng)受強烈擠壓逆沖[18-19]，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)發(fā)育NE走向的逆斷層和NW走向的調(diào)節(jié)斷層。喜山期，受太平洋板塊及印度板塊向歐亞板塊俯沖、碰撞的共同影響，鄂爾多斯盆地周緣斷陷，內(nèi)部塊體之間沿基底斷裂扭動走滑，研究區(qū)受走滑拉張應(yīng)力最終形成現(xiàn)今的斷裂構(gòu)造格局。

4 油氣地質(zhì)意義

4.1 斷裂與天然氣運移通道

處于開啟狀態(tài)的斷裂為天然氣的垂向運移提供通道，后期改造過程中形成的斷裂對原始?xì)獠仄鹫{(diào)節(jié)和再分配作用，而通天斷裂造成天然氣的逸散。伊陜斜坡北部及伊盟隆起南部上古生界主要儲集層是山2—盒8段砂體，其上有泥巖蓋層封蓋。然而研究區(qū)多口井上石盒子組地層均發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣藏，上覆石千峰組甚至三疊系的氣測錄井也出現(xiàn)異常，說明上古生界天然氣發(fā)生了一定規(guī)模的垂向運移調(diào)整與再分配。由于上覆沉積多套區(qū)域性泥巖封蓋層，且儲層砂體非均質(zhì)性較強，故斷裂為天然氣垂向運移提供通道，使天然氣向遠(yuǎn)離烴源巖的層段中運移。此外，在伊盟隆起地區(qū)天然氣大規(guī)模向北運移的過程中，斷裂與優(yōu)勢砂體及不整合面共同組成油氣運移的疏導(dǎo)體系。

Ⅰ期斷裂主要錯斷至下石盒子組儲層，并有少部分?jǐn)嗔严蛏锨懈钪辽鲜凶咏M、石千峰組；Ⅱ期斷裂中也存在大量溝通烴源巖與上覆地層的斷裂。這兩期斷裂的形成時間均早于主要排烴階段或與主要排烴階段同期。在排烴期，處于開啟狀態(tài)的斷層能夠溝通烴源巖與有利儲層，使得天然氣垂向運移至有利砂體中成藏，對于天然氣成藏具有一定的建設(shè)性作用。后期改造過程中形成的Ⅲ期斷裂則對原始天然氣藏主要起再分配或破壞性作用，該期斷裂包括張性及張扭應(yīng)力形成的正斷層、走滑斷層及負(fù)反轉(zhuǎn)斷層，錯斷自基底至近地表的地層，早期成藏的天然氣藏沿該期斷裂向上運移從而被破壞。研究區(qū)中部的走滑斷裂兩側(cè)儲層出現(xiàn)的無氣水帶就是氣藏被該走滑斷層破壞的結(jié)果。由于前期對這一問題認(rèn)識不清，忽視了對斷裂控藏的研究，導(dǎo)致該走滑斷裂周邊部署的井位接連失利。

4.2 斷裂對儲層的改造作用

鄂爾多斯盆蘇里格氣田為典型的“先成型”氣藏，儲層的致密化過程優(yōu)先于天然氣的充注過程。研究區(qū)儲層時代較老、埋深較大，前期經(jīng)歷強烈的壓實作用，具“低孔低滲致密”的物性特征，但斷裂對儲層有明顯的改造作用。研究區(qū)內(nèi)儲層有溶孔、晶間孔、殘余粒間孔等孔隙類型，并有微裂縫發(fā)育。王曉晨[20]在鏡下觀察到召48井鑄體薄片中山23段儲層發(fā)育微裂縫，但并未考慮到儲層中裂縫的形成與斷裂相關(guān)。事實上，過召48井南北向剖面可以明顯觀察到其上古生界儲層被斷裂錯斷(圖5(a))，而斷裂及其伴生的節(jié)理對儲層物性有較強的改善作用。鉆探結(jié)果證實，召48井山23段儲層孔隙度為8.83%，滲透率高達(dá)30.35×10-3μm2，對于致密砂巖儲層來講這明顯異常，試氣結(jié)果顯示其山23段無阻流量高達(dá)13.7×104m3/d。

圖5 研究區(qū)典型地震剖面(剖面位置見圖3)

通過觀察研究區(qū)內(nèi)主要儲集層段巖心薄片，發(fā)現(xiàn)微裂縫普遍存在，部分較發(fā)育的地區(qū)可達(dá)60條/cm2(圖6)。鏡下微裂縫寬度不等，主要縫寬多在0.1～15 μm，最寬200 μm，產(chǎn)狀多為定向平行或低角度斜交，顯示微裂縫的形成與斷裂活動相關(guān)。這些裂縫沿顆粒與填隙物接觸處分布，或切穿石英顆粒和高嶺石、伊利石膠結(jié)物，對于儲層物性有良好的改造作用，拓展了儲層儲集空間，提高了滲透能力。

圖6 研究區(qū)儲層類型及微裂縫特征(Frac-裂縫；Qtz-石英；Deb-巖屑；Or-鉀長石；Kln-高嶺石)

無論何種類型的斷裂，其往往以發(fā)育破裂帶的方式存在，周圍巖石完整性遭到破壞，形成規(guī)模不等的節(jié)理、裂縫。因此，對于研究區(qū)內(nèi)主要儲層，不論斷裂性質(zhì)及形成的期次，凡切割儲層的斷裂，均對儲層物性有建設(shè)性的改造作用，但這一過程是否有利于天然氣成藏，還需結(jié)合斷裂封閉性等方面進行綜合研究。

4.3 斷裂與構(gòu)造圈閉的關(guān)系

研究區(qū)除巖性圈閉外，還發(fā)育河道砂體與低幅度構(gòu)造疊合的巖性—構(gòu)造圈閉(圖5(b))。同Ⅰ期逆沖斷裂相伴生的斷層相關(guān)褶皺及逆斷層上盤形成的牽引構(gòu)造使研究區(qū)上古生界地層發(fā)育低幅度背斜，形成背斜圈閉，當(dāng)斷裂側(cè)向封閉性較強時，還可形成斷背斜圈閉。這一認(rèn)識解釋了研究區(qū)氣水關(guān)系異常、氣藏與優(yōu)勢儲層并不完全吻合的原因。巖性圈閉形成于二疊紀(jì)，低幅度構(gòu)造圈閉主要發(fā)育于二疊紀(jì)，并最終定型于燕山期，圈閉形成時間早于大規(guī)模排烴期或與之同期，為有效圈閉。

4.4 上古生界天然氣成藏模式

分析熱史及埋藏史，認(rèn)為晚三疊世盆地進入快速沉降階段，烴源巖進入生烴門限，隨著埋深的不斷加大，中侏羅世烴源巖達(dá)到成熟，天然氣藏進入連續(xù)充注階段[21-22]。而進入白堊紀(jì)后，受古太平洋板塊俯沖的影響，華北克拉通發(fā)生大規(guī)模的巖漿活動和巖石圈減薄，鄂爾多斯盆地深部熱活動增強，發(fā)生大規(guī)模沉降。隨著這一構(gòu)造熱事件的發(fā)生，烴源巖進入過成熟階段而大量生氣，具有廣覆式生氣的特點。這一時期也是研究區(qū)儲層基本完成致密化、斷裂活動較強的階段，構(gòu)造活動、成巖作用、天然氣成藏在時空上耦合。鄂爾多斯盆地北部存在兩次大規(guī)模運移期，第一次為中—晚侏羅世，第二次為早白堊世至今[23-25]。

綜上所述，鄂爾多斯盆地北部天然氣運移與成藏具有3種模式：第1種為排烴后直接運移至緊鄰烴源巖的儲層中成藏，這種模式是伊陜斜坡地區(qū)天然氣最主要的成藏模式；第2種為沿砂體、不整合面、斷裂等疏導(dǎo)體系先后向北、北東運移，以側(cè)向運移為主、垂向運移為輔，最終被圈閉捕獲的遠(yuǎn)源成藏模式，這種模式被認(rèn)為是伊盟隆起杭錦旗等地區(qū)天然氣成藏的主要模式；第3種模式是以斷裂為主要疏導(dǎo)體，天然氣垂向運移至上石河子組的砂體中成藏，包括后期改造過程形成的斷裂使原始?xì)獠卣{(diào)整再分配的過程。此外，喜山期張扭形成的走滑斷層與伸展拉張形成的通天斷層使天然氣沿垂向散逸，導(dǎo)致一部分氣藏被破壞。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)可識別出EW、NE、NW走向的斷裂，正、逆及走滑斷層均有發(fā)育，斷距較小、傾角較陡，具有多期次活動的特點。斷裂大致分為3期：Ⅰ期斷裂為切割基底至石盒子組、形成于海西期的逆斷層；Ⅱ期斷裂為切割至白堊系底，定型于燕山期；Ⅲ期斷裂為喜山期發(fā)育的正斷層、走滑斷層及負(fù)反轉(zhuǎn)斷層，切割層位自基底至白堊系，斷裂成因主要有沿滑脫面擠壓逆沖和基底斷層后期隱性活動。

(2)斷裂垂向上溝通烴源巖與砂巖儲集層，提供運移通道；斷裂及其伴生節(jié)理可形成微裂縫，改善致密砂巖儲層物性；斷裂兩盤形成的低幅度背斜、牽引構(gòu)造及封閉性較好的斷層可控制構(gòu)造圈閉的發(fā)育。后期活動的斷裂對于原始?xì)獠鼐哂姓{(diào)整和再分配作用，部分?jǐn)嗔哑茐脑細(xì)獠?，?dǎo)致氣水關(guān)系異常。伊陜斜坡北部地區(qū)天然氣存在3種成藏模式：第1種為天然氣直接運移至與烴源巖相鄰的儲層；第2種是以橫向運移為主，即沿優(yōu)勢砂體、不整合面、斷裂向北遠(yuǎn)距離運移成藏；第3種是沿斷裂垂向運移至遠(yuǎn)離烴源巖的砂體中成藏。

(3)斷裂構(gòu)造不僅在鄂爾多斯盆地邊緣地區(qū)發(fā)育，伊陜斜坡也有較多斷裂存在，并對上古生界氣藏具有顯著影響。

在鄂爾多斯盆地本部下一步勘探開發(fā)過程中，應(yīng)轉(zhuǎn)變思路，不僅要著重儲層預(yù)測，尋找有利砂體，也要重視對斷裂構(gòu)造和構(gòu)造-巖性復(fù)合油氣藏的研究，并注意規(guī)避斷層帶來的風(fēng)險。