塔中北斜坡奥陶系走滑断裂带与岩溶储集体发育模式

塔中北斜坡奥陶系走滑断裂带与岩溶储集体发育模式
韩俊;曹自成;邱华标;尤东华;张仲培
【摘要】塔里木盆地塔中北斜坡奥陶系发育多条北东-南西向走滑断裂带,沿这些走滑断裂带多口钻井在奥陶系碳酸盐岩中获得油气发现.研究碳酸盐岩内幕储集体特征、成因及其与走滑断裂带的关系,是塔中北斜坡奥陶系油气勘探面临的关键问题之一.通过对4口典型钻井奥陶系储集体发育特征、岩石学和地球化学资料的综合分析,结合区域地质背景及火成岩发育特征,提出储集体发育可能与不同性质的深成岩溶流体改造有关,其中A井可能与区域火成岩侵入体相关流体有关,而B井、C井和D井可能与深部含硅质地层热液流体有关.通过对4口井所在的3条走滑断裂带的分段性和变形强度进行半定量解剖,并与实钻情况对比,提出走滑断裂带分段性可能控制了储集体发育部位,张扭部位较压扭部位更为有利,而变形强度控制了储集体发育规模,变形强度大的断裂带储集体规模更大.建立了塔中北斜坡奥陶系走滑断裂带与深成岩溶储集体的发育模式,为奥陶系断裂带碳酸盐岩内幕储集体的油气勘探与评价提供了新的思路.
【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2016(037)002
【总页数】7页(P145-151)
【关键词】塔里木盆地;塔中北斜坡;走滑断裂;变形强度;分段性;深成岩溶;储集体;发育模式
【作者】韩俊;曹自成;邱华标;尤东华;张仲培
【作者单位】中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,乌鲁木齐830011;中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,乌鲁木齐830011;中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,乌鲁木齐830011;中国石化无锡石油地质研究所,江苏无锡214151;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE122.14
塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩是油气勘探的重要目标，在塔北隆起和塔中隆起，奥陶系碳酸盐岩油气勘探已取得丰硕的成果[1-3]，在两大隆起周缘斜坡，尤其是塔北隆起南斜坡和塔中北斜坡，也逐渐成为碳酸盐岩油气勘探开发的重点区域[4-5]。

但斜坡区深层碳酸盐岩埋深大，勘探程度低，储集体非均质性强，有效储集体识别与预测难度大，其成因与传统风化壳岩溶、礁滩体岩溶等迥异，断裂和深部流体改造往往扮演着更为重要的角色。

因此，开展斜坡区深层碳酸盐岩储集体发育模式研究，对于把握低勘探程度区的储集体宏观展布规律，客观认识深部资源规模，进而优化勘探评价部署具有十分重要的理论和现实意义。

为探讨塔中北斜坡走滑断裂带与奥陶系碳酸盐岩内幕储集体的关系，本文以3条走滑断裂带上的A井、B井、C井和D井4口典型钻井为例（图1），对实钻井储集体发育特征及其成因进行分析，对走滑断裂带进行半定量解剖，结合区域地质背景及火成岩发育特征，建立了塔中北斜坡走滑断裂带深成岩溶储集体发育模式，为后期断裂带附近储集体的预测提供依据。

塔中北斜坡位于塔中隆起塔中Ⅰ号断裂带之东北，西南接塔中隆起，东北邻满加尔坳陷，包括顺托果勒低隆、顺南斜坡和古城墟隆起3个次级构造单元（图1）。

塔中北斜坡寒武系—中奥陶统发育厚达3 000 m的碳酸盐岩。

其中，寒武系厚约1 800 m，岩性以白云岩为主，中—下寒武统局部还发育潟湖相膏盐岩和含膏碳酸
盐岩；中—下奥陶统碳酸盐岩地层厚约1 200 m，自下往上可划分为下奥陶统蓬
莱坝组（O1p）、中—下奥陶统鹰山组（O1-2y）、中奥陶统一间房组（O2yj），总体以厚层灰岩为主，在蓬莱坝组和鹰山组下部局部发育白云岩。

上奥陶统却尔却克组厚约2 000 m，主要为混积陆棚相泥岩，是极好的区域性盖层。

塔中隆起中—下奥陶统与不整合有关的大气水岩溶储集体是油气勘探开发的主要
目标[3]，与深部热液活动有关的储集体也多见报道[6-12]，而塔中北斜坡中—下
奥陶统碳酸盐岩表层大气水岩溶储集体欠发育，对与深部热液活动有关的储集体的认识程度较低。

研究区内发育多条北东—南西向基底走滑断裂带，断裂带向西南
延伸到塔中隆起，切穿了塔中Ⅰ号断裂带，向东北可能延伸到满加尔坳陷，断裂纵向断穿了寒武系—中奥陶统的巨厚碳酸盐岩地层，为深成岩溶储集体的发育提供
了优越条件。

2012年以来，中国石化西北油田分公司沿塔中北斜坡不同的走滑断裂带，针对中—下奥陶统碳酸盐岩内幕储集体部署了多口钻井。

钻井揭示其储集
体分布与表层大气水岩溶储集体迥异，不同走滑断裂带或者同一走滑断裂带的不同部位，其储集体发育特征有明显差异。

2.1储集体发育部位纵向差异大
所选择的4口钻井中，A井和B井中—下奥陶统储集体发育，但两井储集体发育
位置与产层位置差异大（图2）。

A井在一间房组顶面之下27 m即揭示良好储集体，钻井漏失，测试获高产天然气（含凝析油），产层为一间房组中部—鹰山组
顶部；B井在一间房组顶面之下340 m钻遇放空和强烈漏失，测试获高产天然气，产层为鹰山组上部。

C井和D井钻井揭示一间房组—鹰山组碳酸盐岩地层厚度大
于A井和B井，其中C井进入一间房组顶面之下深度为630 m，D井进入一间房组顶面之下深度为495 m，但两口井储集体不发育，而且无油气显示（图2）。

A井、B井、C井和D井位于同一构造背景，且均紧邻北东—南西向走滑断裂带，但实钻储集体纵向发育位置差异极大，表明其储集体发育特征与塔河—塔中隆起
奥陶系表层大气水岩溶储集体明显不同。

前人对大气水岩溶热力学和动力学条件的研究表明，塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩的岩溶作用多数在不整合面之下200 m范
围内发生，再往深处则会沉淀碳酸盐岩矿物，不利于岩溶储集体发育[13]。

显然，塔中北斜坡奥陶系内幕储集体发育可能并非受层状大气水岩溶作用控制，需要从储集体特征、成因及走滑断裂带的特征进一步分析。

2.2储集体发育特征横向变化明显
岩心及薄片资料揭示，A井与B井主要储集空间为孔洞和裂缝，但储集层岩性及
成岩改造有明显差异；C井与D井储集层不发育。

（1）A井储集层岩性主要为灰岩，见有亮晶藻屑灰岩、泥晶藻屑灰岩等，发育高角度裂缝和溶蚀孔洞，孔洞为沥青质及巨晶方解石充填（图3a），部分孔洞具
有蚀变的“蜂窝状”特征（图3b），镜下可见重结晶方解石和硅质（图3c），部分重结晶方解石发育溶蚀孔隙（图3d）。

（2）B井储集层岩性为硅化岩，硅化岩沿高角度共轭裂缝发育溶蚀孔洞、裂缝，常被柱状石英和巨晶方解石半充填（图3e），溶蚀孔洞大多沿裂缝发育，局部可
见明显港湾状溶蚀（图3f），说明硅质热液流体对灰质有明显溶蚀，部分缝洞为
冰洲石和巨晶方解石半充填（图3g），扫描电镜下还见有板条状石膏（图3h）。

（3）C井与B井位于同一条走滑断裂带的不同部位，但是C井储集层发育程度差，在与B井硅化岩的对应位置，C井仅发现灰岩中有白云化斑块（图3j），镜
下可见白云石和少量隐晶质石英（图3i）。

（4）D井发育高角度裂缝，裂缝被方解石全充填（图3k），缝壁较平直，缝宽一般为2～3 cm，裂缝中充填方解石晶体较大，未见明显的溶蚀特征。

总体表现
为构造裂缝发育，但裂缝后期被方解石强烈胶结充填。

2.3储集体成因差异大
为查明研究区奥陶系碳酸盐岩内幕储集层的成因，对部分缝洞充填物和灰岩围岩进
行了碳氧同位素、稀土元素和流体裹体测温分析。

其中，碳氧同位素测定在中国科学院地质与地球物理研究所同位素实验室进行，稀土元素分析在核工业北京研究院实验室进行，流体包裹体分析在中国地质大学（武汉）资源学院石油系微观烃类检测实验室进行。

在上述各钻井的储集体岩石学特征分析基础上，结合地球化学数据分析认为，A井储集体发育可能与区域火成岩侵入体相关的深成岩溶流体改造有关，而B井可能与深部地层含硅质热液流体改造有关，两井深成岩溶流体与储集层改
造微观机理可能不同。

而C井和D井虽位于深部地层含硅质热液流体改造区，但
尚未揭示储集层发育段。

A井岩心可见斑块或蜂窝状的大理岩化蚀变现象，且发育蚀变孔洞（图3a，图
3b），孔洞内为重结晶巨晶方解石、沥青质（图3a）、白云石、隐晶硅质或微晶石英（图3b），重结晶方解石具有明显双晶（图3d），灰岩基质中见藻砂屑残余结构（图3c），表明其藻屑颗粒间的硅质或石英为后期交代形成。

实钻表明，A
井储集层发育段距离灰岩顶面仅27 m，这27 m井段录井显示差，储集层不发育，且岩心和薄片均未见明显的大气水溶蚀特征或砂泥质充填孔洞现象，表明A井奥
陶系一间房组顶面与大气水溶蚀有关的储集层不发育。

而A井实钻揭示中—上奥
陶统发育辉绿岩侵入体，综合A井岩心揭示的蜂窝状溶蚀孔洞特征（图3b），以及重结晶方解石（图3a）及其双晶（图3d）、交代成因隐晶硅质-微晶石英（图
3c）。

因此，A井储集体成因，可能与区域火成岩侵入体相关的深成岩溶流体改
造有关[14-16]。

B井储集体发育位置在一间房组灰岩顶面之下340 m（图2），储集体之上为致密灰岩，储集体岩性与A井明显不同，为交代灰岩形成的硅化岩储集体，在岩心及
薄片中未见砂泥质充填孔洞或渗滤粉砂等特征，表明储集体发育与大气水溶蚀关系可能不大。

B井裂缝及缝间角砾表明，缝洞发育可能与走滑断裂有关（图3e），
沿缝溶蚀港湾状表明流体对围岩有明显溶蚀（图3f）。

硅化岩储集体基质石英、
缝壁石英两相流体包裹体分析均一温度最高达260℃，远高于正常地温演化阶段
的最高温度（即现今温度191.81℃），表明其石英为低温热液成因；对缝壁充填
的巨晶方解石、冰洲石分别进行了碳氧同位素分析，其δ13C集中在-2.60‰～-1.90‰，而δ18O为-14.40‰～-10.67‰，与灰岩基质相比，其δ13C变化不大，但氧同位素有明显偏负（灰岩基质δ18O为-9.10‰～-7.20‰），表明沉淀方解石流体可能受到温度影响，导致其氧同位素的明显分馏。

偏高的石英包裹体均一温度、明显偏负的缝洞方解石的氧同位素特征，都表明硅化岩储集体成因可能与深部含硅质地层热液流体的改造有关，而扫描电镜下含硅质灰岩中板条状石膏（图3h）的存在，表明流体可能来源于下部地层，且经历了中—下寒武统膏盐岩的改造。

C井在对应B井的硅化岩储集层发育位置，未见到硅化岩储集层发育，表明含硅
质流体对储集层改造较弱，其改造程度远小于B井，流体以微弱交代基质为主，
未见明显溶蚀。

D井岩心中发育高角度构造裂缝，但裂缝为巨晶方解石全充填，表明流体以方解
石胶结充填为主。

通过对D井方解石脉碳氧同位素和稀土元素测定，分析其流体
成岩环境和来源。

对井底附近取心段同一条裂缝，从缝壁到缝中5个碳氧同位素
测定，其δ13C由-1.775‰降低到-2.351‰，变化较小，而δ18O为-
11.858‰～-10.197‰，δ18O与B井硅化岩的裂缝中的方解石较为相似，其方
解石脉可能受到温度效应影响。

对方解石脉与灰岩基质的稀土元素测定表明，其灰岩基质稀土元素总含量（∑REE）为2.69～3.89 μg/g，而方解石脉中稀土元素总
含量明显偏高，为12.34～17.19 μg/g，但二者稀土元素配分模式相似，轻稀土
元素（LREE）相对重稀土元素（HREE）略微亏损；Ce正异常且δCe比围岩要高；而Eu也为正异常，但δEu比围岩略高，表明方解石脉主要为成岩流体形成，其成因与B井硅化岩缝壁中的方解石相似。

为进一步分析裂缝发育程度和深成流体成岩改造作用的空间变化，需要对不同走滑断裂带特征进行解剖。

研究区走滑断裂带为小尺度滑移走滑断层，主要表现出2
期活动特征（图2）。

第1期为中奥陶世末—中泥盆世压扭走滑断裂发育阶段，
剖面上呈正花状构造和直立断层，中奥陶统顶面以上拱为主；第2期为晚泥盆世—早石炭世张扭走滑断裂发育阶段，剖面上呈负花状构造，是走滑断裂带主活动期，受断裂分段性和变形强度控制，不同断裂、同一断裂的不同部位其碳酸盐岩顶面表现形式不一，张扭走滑性断裂变形强度较大，其碳酸盐岩顶面可能表现为下掉，反之则在碳酸盐岩顶面可能表现为上拱。

此外，晚二叠世末发育挤压/压扭断裂系统，主要发育压扭性断裂，部分逆冲断裂与二叠系火成岩相关。

沿塔中I号断裂带差异推挤和基底剪切滑动两种构造地质作用，是系列北东向左行走滑断层形成的主要机制。

对这4口井所在的3条走滑断裂带的分段性、主活动期的变形强度进行了半定量
解剖（图4），B井与D井在中奥陶统顶面和志留系顶面均表现为下掉，2口井都位于走滑断裂带的张扭部位，实钻其裂缝均较发育。

其中B井下掉更为明显，而
A井与C井虽然2个面上的表现趋势一致，但C井在碳酸盐岩顶面上拱特征发育（图2）。

4.1深成岩溶流体性质控制储集体发育的微观机理
综合4口井奥陶系储集层发育特征、岩石学及其地球化学特征，结合区域地质背
景及火成岩发育特征，认为研究区储集层成因与走滑断裂带相关的深成岩溶流体改造有关，但流体性质及改造微观机理可能有差异，其中A井火成岩侵入体发育，
大理岩化特征明显，内幕储集体发育可能与火成岩侵入体相关的深成岩溶流体蚀变改造有关；B井、C井、D井区奥陶系内幕火成岩侵入体欠发育，显微镜下大理岩化特征也不明显，其硅化岩储集层与深部上行含硅质地层热液流体有关。

B井深部含硅质热液流体对储集层改造表现为对灰岩的溶蚀、交代以及对裂缝和孔
洞的胶结充填，其中溶蚀与胶结作用的强度决定了储集体发育程度。

B井位于塔中古隆起附近，寒武系沉积前发育古隆起，寒武系下伏震旦系碎屑岩地层，源自震旦系碎屑岩地层的含硅质地层热液流体，沿走滑断裂向上运移并对碳酸盐岩进行改造。

受不同的岩性影响，在寒武系—下奥陶统白云岩中，流体以重结晶和少量溶蚀为
特征。

当流体进入灰岩时，由于流体对灰岩围岩中的方解石是不饱和的，流体会对灰岩进行溶蚀和交代改造，这可能就是B井硅化岩储集层发育在灰岩底部的原因；随着交代和溶蚀作用的不断进行，流体对石英和方解石会逐渐饱和，后期逐渐胶结沉淀石英-巨晶方解石，B井硅化岩储集体缝洞中先沉淀石英、后沉淀方解石也说
明了流体对灰岩早期有溶蚀，而后期则以胶结充填为主；当流体改造末期，其浓度相对围岩灰岩过饱和，表现为对裂缝强烈充填而几乎无任何溶蚀，如D井中—下
奥陶统，钻井揭示发育平直的构造裂缝，但裂缝均被方解石强烈胶结。

4.2走滑断裂带性质控制储集层的发育部位和规模
与走滑断裂带相关的深成岩溶储集层的张扭部位是储集层横向最有利的发育区。

据前人文献，北美热液白云岩储集层中，走滑断裂带张扭部位是储集层发育的有利区[17-18]，而走滑断裂桥流泵吸机制也有利于流体运移和改造[19]。

显然，对于上
行流体为主形成的深成岩溶储集层，张扭部位更有利于储集层发育。

上述4口钻
井中，B井和D井在中奥陶统顶面和志留系顶面均表现为拉张，均位于走滑断裂
带的张扭部位，高角度裂缝均较发育，只是D井钻揭井段方解石充填严重而使得
储集体遭受到破坏；A井在志留系顶面表现为明显的张扭，在中奥陶统顶面却表现为挤压特征，但由于其储集体成因机制与B井有差异，其蚀变孔隙和溶蚀孔洞没
有被方解石全部充填，保留了部分储集空间；而C井在中奥陶统顶面表现为明显
上拱，位于走滑断裂带的压扭部位，实钻岩心中裂缝不发育，含硅质流体改造较弱，表明同一条走滑断裂带不同部位储集层发育程度差异较大，压扭部位不利于深成岩溶储集层发育。

除走滑断裂带的分段性，从流体运移和储集层改造规模分析，断裂变形强度可能对深成岩溶储集体规模至关重要。

变形强度大，其内幕断裂、裂缝或破碎带就更为发育，更有利于深成流体改造和储集体发育。

从上述4口钻井所在的3条走滑断裂
带的变形强度分析，A井水平位移明显大于B井，其储集体规模可能更大，而D
井变形强度尤其是水平距离，均小于A井和B井，其储集体规模可能较为有限。

综上所述，深成岩溶储集层的发育受断裂的分段性和变形强度两方面控制，其中，走滑断裂-裂缝体系为深成岩溶储集层发育提供了通道，与构造热液白云岩储集层
发育模式类似，其断裂张扭部位对储集层发育更为有利，而压扭部位不利于深成流体改造和储集体发育，而变形强度可能对储集体规模有重要影响。

4.3走滑断裂带与深成岩溶储集体发育模式
以塔中北斜坡3条不同走滑断裂带上的4口典型钻井为例，基于对奥陶系内幕储
集层特征、储集层成因及走滑断裂带的解剖，探讨性提出了斜坡区奥陶系走滑断裂带内幕碳酸盐岩储集体发育的控制因素：深成岩溶流体性质控制储集体发育的微观机理；走滑断裂带分段性控制储集体发育的部位；走滑断裂带变形强度控制储集体潜在规模。

在上述基础上，探讨性初步建立了研究区走滑断裂带与深成岩溶储集体的发育模式（图5）。

此模式主要反映了内幕储集体的发育受控于3个因素。

一是不同的区域地质背景可能提供了不同的深成流体，研究区在花岗岩基底上依次发育了下震旦统碎屑岩，上震旦统—下奥陶统中下部白云岩为主的碳酸盐岩地层，下
奥陶统上部—中奥陶统以石灰岩为主的碳酸盐岩地层，上奥陶统巨厚泥质岩盖层。

研究区发育多条北东—南西向走滑断裂带，为深成流体向上运移和改造储集体提
供了通道，但是，A井与B井、C井和D井的深成流体来源可能有所不同，A井
火成岩侵入体发育，流体可能为与火成岩相关的热液流体，由于是基性辉绿岩侵入体，显微镜下可见大理岩化现象，而B井、C井和D井火成岩侵入体可能欠发育，含硅质地层热液流体可能来源于下伏碎屑岩地层，大理岩化现象不发育。

二是深成
流体向上运移可能受到纵向岩性结构（下部白云岩，上部灰岩）、温度及压力降低影响，流体在不同地层中的改造作用可能发生了明显变化，其中，寒武系—奥陶
系蓬莱坝组以厚层白云岩为主，流体以弱溶蚀、重结晶和少量石英、鞍型白云岩胶结为特征；而鹰山组中下部白云岩向灰岩过渡层段，伴随岩性结构及温度、压力的变化，流体沿断裂-裂缝体系对灰岩（或白云石晶间灰质）进行溶蚀和交代，晚期
伴随少量微晶石英-柱状石英胶结，以B井为代表，而鹰山组中上部—一间房组为厚层致密灰岩，随着温度进一步降低和溶蚀作用持续进行，流体对方解石逐渐饱和，粗—巨晶方解石沿断裂-裂缝系统大量胶结，以D井为代表。

三是走滑断裂带的分段性和变形强度，对储集体的发育程度与规模可能有重要影响，走滑断裂的张扭部位储集体更为发育，而变形强度大的走滑断裂带其储集体规模可能更大。

（1）4口钻井奥陶系储集体发育部位纵向差异大，储集体特征横向变化明显，根
据储集层岩石学及碳氧同位素、稀土元素流体包裹体地球化学分析，初步认为储集体成因与走滑断裂带相关的深成岩溶流体改造有关，其中A井可能与区域火成岩
侵入体相关深成流体改造有关，而B井、C井和D井可能与深部含硅质地层低温
热液流体改造有关，深成流体对围岩改造作用在不同地层中有变化，早期改造以溶蚀和交代作用为主，晚期以胶结作用为主。

（2）对3条走滑断裂带分段性、主活动期变形强度进行了半定量解剖，并与各井储集体发育特征进行了对比分析，提出走滑断裂带分段性控制储集层发育部位，张扭部位是储集层横向最有利的发育部位，断裂变形强度控制储集体发育潜在规模，变形强度大的走滑断裂带其储集体规模可能更大。

（3）初步建立了塔中北斜坡奥陶系走滑断裂带与深成岩溶储集体的发育模式，为斜坡区断裂带奥陶系内幕储集体评价提供了新的思路，但由于该类型储集体成岩作用与分布均具有相当的复杂性，仍需进一步深入研究。

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