塔河油田走滑断裂与古岩溶耦合关系研究及其对奥陶系储层发育的影响

Coupling relationship between strike-slip fault and paleokarst in Tahe Oilfield and its influence on the development of Ordovician reservoirs

摘要

走滑断裂与古岩溶作用耦合关系方面的研究报道较少。本文通过对TH12518走滑断裂在奥陶系一间房组地层内构造样式时空叠加改造特征和不同期岩溶作用的研究,明确不同期次走滑断裂内幕结构与古地貌、古水系间的耦合关系。在TH12518走滑断裂在多期构造活动改造下,一间房组地层构造样式多次差异叠加,形成5种分段类型:Ⅰ型,拉分+平移+拉分段;Ⅱ型,拉分+平移+平移段;Ⅲ型,平移+挤压+拉分段;Ⅳ型,平移+挤压+平移段;Ⅴ型,逆冲推覆改造段。即加里东中期Ⅰ~Ⅲ幕形成平移段和拉分段;加里东晚期形成平移+挤压段、拉分+平移段、逆冲推覆段3种样式;海西早期发生“弯曲效应”,形成平移+挤压+平移段、拉分+平移+平移段、平移+挤压+拉分段、拉分+平移+拉分叠加构造样式。不同期岩溶地貌差异大。加里东中期Ⅰ幕岩溶台地水系欠发育;加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕,北部抬升形成岩溶准平原,南部岩溶斜坡区发育近南北向地表水系及暗河;加里东晚期,岩溶斜坡区发育多组水系,沿北东东向断裂新形成北东东向暗河和地表水系。海西早期,岩溶斜坡发育大型曲流河。一间房组地层在不同岩溶期,不同区域不同类型段的岩溶作用不同。加里东中期Ⅰ幕整体发育开发式裸露型岩溶,沿断裂带下渗溶蚀,北北东向断裂拉分段溶蚀较强。加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕北部发育开发式裸露型岩溶,南部为半开放式承压型岩溶,拉分段溶蚀进一步增强,Ⅱ幕还发育“下降型”埋藏断控岩溶。加里东晚期发育开发裸露型岩溶、半开放承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶,北部受岩溶基准面控制,向下在寒武系顶面-白云岩岩性界面岩溶作用受阻。南部不受基准面控制,向下至少溶蚀至寒武系阿瓦塔格组顶面,纵向上岩溶缝洞体分层明显。海西早期,发育半开放式承压型岩溶,除弯曲效应拉分段外,岩溶作用较弱。在空间上存在某一区域储层由某一期或多期关键岩溶期和关键岩溶方式控制决定,如覆盖区加里东中期Ⅱ幕“下降型”埋藏断控岩溶作用是奥陶系一间房组顶面缝洞型储层形成的关键因素。研究成果有助于为滚动开发实践提供地质依据。

关键词

塔河油田 / 分段类型 / 古地貌 / 岩溶期次 / 岩溶作用

Key words

Tahe Oilfield / segmentation type / ancient landforms / karst period / karstification

0 引言

不同于构造、岩性和地层类碳酸盐岩油气藏^[1-2],断溶体油气藏具有走滑断裂“控储、控圈、控输、控藏和控富”特征^[3⇓⇓-6]。其中,塔里木盆地塔北和顺北地区储层成因机制及储层发育模式等 “控储”研究方面有所推进。顺北超深层油气田证实走滑构造破裂成储机制,并建立了4种平面分段样式的储集体发育模式^[4];其断控裂缝—洞穴型储层的分布受断层控制,后期岩溶作用改造弱^[7]。塔河地区基于不同期区域应力场变化导致TP12CX走滑断裂运动方式转变,造成构造样式在空间上多次差异叠加改造,划分为4种分段样式及相应的储集体发育模式^[8]。任一期构造活动均伴随着相应的岩溶作用,并在空间上形成开放式裸露型岩溶、半开放式承压型岩溶和深循环承压型岩溶,组成完整的岩溶系统^[9]。塔北地区奥陶系地层岩溶系统较为完整,不同岩溶区岩溶水循环系统主控因素和溶蚀特征存在差异。如塔河裸露区岩溶缝洞型储层发育主要受不整合面与岩溶基准面控制,呈沿断裂带准层状分布,纵向多期缝洞层状叠置,溶蚀特征明显^[4,10-11];浅覆盖区海西早期岩溶缝洞型储层发育主要受多套隔水层和断裂控制,侧向供给的岩溶水以半承压-承压水方式沿网格状断裂扩溶形成溶蚀程度高的迷宫状缝洞系统,发育4种典型岩溶缝洞模式^[12];西部斜坡深埋藏区加里东中期Ⅱ幕岩溶缝洞型储层主要受断裂控制,承压岩溶水沿走滑断裂带以上升泉的形态排泄,形成可溶层补给、上行断控岩溶和上升泉排泄的“上升型”埋藏型断控岩溶系统^[13]。塔北地区经历五幕岩溶作用对应的是五幕构造运动^[14]。不同岩溶地质背景下,走滑断裂在岩溶作用过程中扮演的角色及控制的缝洞体发育模式不同。实际上,新的构造活动在岩溶作用下产生新的岩溶系统,其会继承、改造前期岩溶系统,而多套岩溶系统在深层时空上如何叠加改造有待进一步研究。

每期构造活动产生相应的断裂体系,后期构造活动形成新的断裂体系,并改造前期断裂体系。断裂体系控制喀斯特地貌形态和地下水网络的发育;如贵州省独山南部经历3期构造活动,形成3组共轭节理。断裂与节理控制喀斯特谷地和大型洼地发育方向,地下河的主流方向与区域最大主压应力的方向基本一致,地下河的支流则主要沿着节理的方向发育^[15]。与流线方向低角度斜交的断裂是导水断层,断裂带为集中式径流带,岩溶作用沿断裂带较发育。沿汇流方向存在阻水断层,中-深循环弱,浅循环作用导致阻水断层迎流面一侧可溶性岩溶层中浅部岩溶较发育。张扭性为主的断层控制了地下河的主流和主要支流的展布,以压性和压扭性特征为主的断层具有一定的阻水作用,地下河往往沿断层带的一盘发育^[15]。总体来说,由于岩溶系统的研究主要用于寻找地下水、地热能、矿物、旅游资源和工程地质灾害评价等方面^{[16⇓⇓⇓-20]},因此关注点多集中于中、浅层现代岩溶,把走滑断裂与岩溶作用空间演化关系结合起来研究的报道很少。同时,受资料和手段的限制,难于对深埋古岩溶开展深入研究。而塔河高精度三维地震资料有助于走滑断裂与深层多期岩溶耦合作用的研究,多期断溶体内部结构刻画,不同期次断裂的演化及其空间叠置关系研究,及对储层建造和改造的控制作用研究。

本文利用高精度三维地震资料,对典型北东向走滑断裂带TH12518精细解析,结合区域地质背景认识,重点厘定奥陶系一间房组地层走滑断裂演化特征及不同幕次岩溶系统特征,明确不同期次走滑断裂结构与古地貌、古水系间的耦合关系。结合钻井、开发动静态资料,探索不同期断裂裂缝与多期岩溶作用二者对缝洞体储层的影响,以期为井网部署、开发方案设计及提高采收率措施优化提供地质依据。

1 地质概况

北东东向TH12518大型走滑断裂位于塔里木盆地塔北隆起中石化及中石油工区内(图1),北部位于中石化工区内,与轮台断裂相接,受轮台断裂活动的影响,靠近轮台断裂区域北东东向渐变为北东向,向南进入中石油哈拉哈塘油气田。

平面延伸34 km,其与北西向走滑断裂组成多组“X”型共轭断裂。研究区主要经历了加里东中期—加里东晚期多幕次、海西早期、海西晚期、印支—燕山期和喜山期构造运动^{[21⇓⇓-24]}。TH12518断裂经历了多期构造运动,断裂持续活动,保留了各期运动的痕迹,它对于研究塔里木盆地走滑断裂演化过程中各期构造特征具有代表性。研究区地层发育较为齐全(图2),自下而上沉积震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系,其中奥陶系自上而下可细分为上统桑塔木组(O₃s)、良里塔格组(O₃l)和恰尔巴克组(O₃q),中统一间房组(O₂yj),中-下统鹰山组(O_1-2y),下奥陶统蓬莱坝组(O₁p)。由南向北桑塔木组、良里塔格组逐渐被剥蚀缺失。临近轮台断裂处,志留系地层缺失。塔河地区发育中-下奥陶统鹰山组和一间房组的水动力地层格架:下隔水层(鹰山组下段)、洞穴层(鹰山组上段)、中隔水层(一间房组底部)、洞穴层(一间房组)和上隔水层(恰尔巴克组-良里塔格组)^{[21⇓⇓-24]}。

前人认为本区中-上奥陶系地层经历了5幕岩溶作用^[25-26]:一间房组沉积末期(加里东中期Ⅰ幕)、良里塔格组沉积末期(加里东中期Ⅱ幕)、桑塔木组沉积末期(加里东中期Ⅲ幕)、海西早期(泥盆纪早期)和海西晚期(石炭纪晚期),基于邻区哈拉哈塘岩溶系统研究认为,对奥陶系一间房组岩溶储层贡献最大的是加里东中期第Ⅱ幕和第Ⅲ幕岩溶^[14]。而TH12518断裂带由南向北桑塔木组和良里塔格组逐渐被剥蚀缺失。在加里东中期Ⅱ幕和Ⅲ幕,从北到南可能发育较完整的开放式裸露型、半开放式承压型和深循环承压型岩溶系统。临近轮台断裂处,志留系地层缺失,很显然发育加里东晚期开放式裸露型和半开发式承压型岩溶作用;而海西早期、海西晚期本区被泥盆系、石炭系地层覆盖,整体位于水下可能发育半开放式-深循环承压型岩溶系统。

2 数据与方法

本文利用的数据包括高精度三维地震数据体、沿断裂带分布的钻井测井资料和钻井生产数据。三维地震数据是塔河2020年处理的叠前深度偏移高精度资料,满叠面积共计1 600 km²,面元15 m×15 m,采样率2 ms,双程旅行时7 s。钻井测井资料用来标定地震层位,钻井生产数据用来分析油气富集规律。

研究思路与方法如下:(1)通过相干、蚂蚁和断裂增强属性等,识别关键构造层走滑断裂分布,其中,相干属性刻画断裂轮廓,蚂蚁属性代表骨架断裂,断裂增强属性用来识别小断裂。(2)利用区域应力变化造成走滑断裂运动方式转变的原理,恢复TH12518走滑断裂关键构造期构造演化特征^{[21⇓⇓-24]}。(3)古地貌主要利用残厚法或印模法恢复^[13],微地貌则利用趋势面法求得,地表河道主要根据相干属性和趋势面残丘共同确定。利用均方根振幅属性体中强振幅间接反映岩溶强度^[27]。在此基础上,结合断裂分布特征,判断古水系流向和岩溶系统特征。

3 TH12518走滑断裂特征

3.1 TH12518走滑断裂特征

TH12518走滑断裂带周边,即塔河油田西北部发育4组断裂体系:北北东、北北西、北西西和北东东向(图3)。断裂相互交错,形成多套、多方向叠加切割的复杂断裂体系。除北部北东东向轮台断裂为逆冲断裂外,其余均为走滑断裂。其中,除北北东向具张扭性质外,其余3组断裂均为压扭性质。

TH12518走滑断裂带在奥陶系一间房顶面呈“S”形,断裂走向NNE5°~NE52°变化较大。由挤压和拉分断裂样式可断裂带分为48小段(图3),包括24个张扭段和24个挤压段,各小段呈左阶排列。由断距和断裂走向又可分为3大段(图4):北东向段(㊱~㊽)、逆冲改造段(㉚~㊱)和北北东向段(①~㉚)。

北东向段(图4中1~14剖面位置)受轮台断裂剧烈活动的影响,断距大,西盘高,东盘低(图5a)。从断距分布特征来看,由于加里东晚期强烈的剥蚀改造作用,西盘地层遭受强烈剥蚀,因此浅层 {{\mathrm{T}}_7}^4界面断距从南到北差异小,北部平均断距13 ms,南部8 ms。而构造活动未造成深层地层剥蚀,保留了原始断距特征。深层断距北东向段和逆冲改造段断距较大(图5b),其中北东向段 {{\mathrm{T}}_9}^0平均断距54 ms,逆冲改造段24 ms,北北东向段8 ms。北北东段深、浅层断距上下一致且较小。说明受轮台断裂形成演化的影响,北东向段和逆冲改造段在加里东晚期之后的继承活动中,活动强度较大,断距较大。无论直立正花状断背斜或背斜为特征挤压段,还是直立负花状地堑或半地堑为特征拉分段分层特征明显, {{\mathrm{T}}_9}^0- {{\mathrm{T}}_8}^1层褶曲变形,断点不清晰; {{\mathrm{T}}_8}^0- {{\mathrm{T}}_8}^1层断点较清晰,杂乱、弱反射直立状; {{\mathrm{T}}_8}^0- {{\mathrm{T}}_7}^4层向上逐渐撒开呈断背斜或背斜状,杂乱、“串珠”状强反射特征增强(图5),挤压段平面相干连续中断或迹象较弱区,如8和13段等(图3)。不同于拉分段直插基底,向上直立负花状呈地堑或半地堑状,杂乱、强反射为特征(图5c,e),挤压段向下断点不清,断裂不明显,以褶曲变形为主,向上直立断背斜杂乱、弱反射为特征(图5d)。在运动方式上,至少经历了加里东中期左行走滑运动和加里东晚期右行走滑运动。左行走滑是拉分段形成的主要原因,右行走滑是挤压段形成的主控因素。

3.2 TH12518走滑断裂构造演化特征

前人研究认为塔北低隆起主要经历了加里东早期、加里东中—晚期、海西早期、海西晚期、印支—燕山和喜山运动^{[21⇓⇓-24]}。北北东与北北西向走滑断裂于加里东中期形成“X”型共轭走滑断裂,北北东以左行左阶、北北西以右行左阶为特征。在加里东晚期断裂差异活动较大,北北东向走滑断裂变为右行左阶走滑特征,在原平移段变为挤压段,拉分段变为平移段,其他走向走滑断裂基本保持右行左阶特征。北西西向走滑断裂受塔西南构造运动影响,于“X”共轭体系同期形成。北东东向走滑断裂形成期晚于其他3组断裂,其形成期为加里东中期Ⅱ幕(图6)。本文重点厘定岩溶作用期,断裂各段演化特征与古地貌、古水系间的耦合关系。因此考虑加里东中—晚期和海西晚期TH12518构造带构造演化特征^[23-24]。

3.2.1 加里东中期Ⅰ幕

塔里木盆地中部寒武系-奥陶系地层北北西、北北东向组成“X”形共轭走滑断裂形成机制为近南北向挤压应力,主形成期为中奥陶世末期^[28-29]。

中奥陶世,古昆仑洋开始向塔里木地块俯冲消减,受到来自南西-北东向到南南东-北北西向的挤压隆升^[30-31],应力均衡为南北向挤压,使得塔北地区形成近东西向水下低幅隆起。在中奥陶世末,南阿尔金洋盆最终闭合,陆-陆碰撞造山作用强烈,致使本区中下奥陶统顶面遭受剥蚀,故将鹰山组云质灰岩顶面(地震反射波组 {{\mathrm{T}}_7}^6)近似作为中上奥陶统顶面原始沉积面来消除剥蚀影响,利用 {{\mathrm{T}}_7}^8- {{\mathrm{T}}_7}^6残厚图表示加里东中期Ⅰ幕古地貌(图7a)。地貌北北西高南南东低,北部地势陡高,南部地势平缓。从古地貌判断,加里东中期Ⅰ幕末期主应力为北北西向,说明东南缘的北西向挤压应力可能已经存在,也就是说加里东中期Ⅰ幕始,南阿尔金洋已经开始向塔里木地块碰撞拼贴。加里东中期Ⅱ幕,平行于阿尔金造山带的系列北东东向台缘带发育,如巴楚隆起北东东向良里塔格台缘发育^[32]、哈拉哈塘北东东向良里塔格台缘发育,说明来自阿尔金方向的应力使地层发生规模较大的北东东向坡折或者断裂。因此,认为北东东向断裂主形成期为加里东中期Ⅱ幕。同时,从加里东中期形成的北西向和田古隆起^[33],以及卡塔克隆起北西向边界断裂规模与级别较大^[32],平行于阿尔金走向的轮台-亚南、玉北-玛东^[33]等断裂体系,主形成期在加里东晚期,所以加里东中期Ⅰ幕来自南西-北东向应力要远大于南南东-北北西向应力,这种应力状态使共轭断裂现雏形的同时,受远程效应的影响北西西向走滑断裂开始发育。

北北西向断裂呈右行左阶,北北东向断裂呈左行左阶,北西西向断裂呈左行右阶(图6a)。北北西向断裂左阶叠接段具压扭性质,北北东断裂左阶叠接段具张扭拉分性质,北西西向断裂右阶叠接段具压扭性质,平移段为直立线性断裂。

3.2.2 加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕

一般认为加里东中期Ⅲ幕末期—加里东晚期,阿尔金造山运动开始大规模活动^[31]。但是从地貌北高南低(图7b,c),沉积相带呈东西向条带分布^[13],以及塔里木盆地北东东向良里塔格台缘的形成,说明阿尔金造山运动在加里东中期Ⅱ幕已较强,产生了北东东向压扭性走滑断裂(图6b),平面上可见连续的断裂迹象,如A4井北部;也见北北东、北北西断裂突然中断,中断点连线呈北东东向,如A11井北部(图3)。北北西、北北东向断裂继承上阶段活动方式继续活动。同时,造成北部中下奥陶统地层整体抬升,良里塔格组地层向北超覆沉积。而良里塔格组与桑塔木组尖灭线犬牙交错的现象说明良里塔格组沉积超覆线与其剥蚀线可能较近。对于整合或假整合接触的两套地层,后期剥蚀形成的两条尖灭线一般呈近平行分布,不会产生犬牙交错的现象。只有不整合存在的情况下,即下伏地层尖灭线在上覆地层尖灭线附近的情况下,两套地层尖灭线才会发生犬牙交错分布的情况。故北部中下奥陶统地层在良里塔格组沉积期处于较高部位,良里塔格组地层在加里东中期Ⅱ幕末已经被剥蚀尖灭线南移,或者向北未超覆沉积,桑塔木组地层被剥蚀后,二者呈犬牙交错状。因此,加里东中期Ⅱ幕良里塔格组剥蚀线北部一间房组地层接受强烈的开发裸露式岩溶作用。同时,加里东中期Ⅲ幕末,轮台断裂的活动,使得TH12518断裂西侧块体整体被抬升,一间房组地层遭受强烈剥蚀,东西两盘呈夷平状(图5a,b),由北向南远离轮台断裂剥蚀作用逐渐减弱。

3.2.3 加里东晚期

加里东晚期—海西早期断裂活动以塔北隆起最为强烈^[31],在北西-南东向挤压应力场所产生的北东向和北东东向剪切应力下^[23],地貌北东高, 南西低(图7d),TH12518断裂再次活动,运动方式由左行变为右行走滑,导致早期左行走滑形成的左行左阶断裂在右行走滑过程中内部结构发生改变。即左行左阶被改造为右行左阶断裂阶段。原左行左阶叠接拉张段为破碎薄弱带,后期率先以线性走滑方式活动;而左阶平移线性段在右行反向走滑过程中,受压逐渐转变为压扭正花状样式(图6c)。此外,来自阿尔金方向的强烈挤压作用,使逆冲断裂轮台断裂大规模活动的同时,沿TH12518断裂局部形成了逆冲断裂,并造成TH12518断裂被逆冲断裂切割。

3.2.4 海西早期

海西早期,受南天山活动影响,塔里木盆地的持续挤压应力引发自北向南的冲断活动,形成了以轮台断裂为主的逆冲断裂体系,对塔北古隆起造成了破坏^[34],造成地貌北东高,南西低(图7e)。随着右行走滑持续活动,整条断裂带发生弯曲效应呈“S”型,也可以理解为由多条左阶断裂组成的区域右行右阶弧形断裂(图6d),北部逆冲断裂又被走滑断裂反切割。

3.2.5 海西晚期

受南天山洋闭合和造山活动影响,南天山褶皱带与库车早期前陆盆地形成并在前陆盆地之下形成一系列叠瓦状逆冲断裂带,塔北隆起继续遭受由北向南的强烈挤压作用,发生大规模构造变形,基底断层活动减弱,塔北地区的轮台断裂继续活动^[34]。在由南向北远程挤压力的作用下,TH12518断裂以右行运动方式活动,右行右阶区域弧形断裂包含多个左阶小断裂进一步强化。

3.3 TH12518走滑断裂分段特征

由上述断裂演化特征可知,不同期区域应力场变化导致走滑断裂运动方式转变,其断裂性质、排列方式不断发生变化,造成构造样式在空间上多次差异叠加改造,可划分为5种分段样式:Ⅰ型,拉分+平移+拉分段;Ⅱ型,拉分段+平移段+平移段;Ⅲ型,平移+挤压+拉分段;Ⅳ型,平移+挤压+平移段;Ⅴ型,逆冲推覆改造段(图8)。即加里东中期走滑断裂运动方式和排列特征为左行左阶特征,以平移段和拉分段为主;加里东晚期则以右行左阶为特征,形成平移段+挤压段、拉分段+平移段和逆冲推覆段叠加样式;海西早期断裂活动发生分异,次级断裂弱活动或不活动,主干断裂发生“弯曲效应”,形成5种叠加构造样式。

3.3.1 Ⅰ型:左阶拉分+左阶平移+右阶拉分段

整体表现为“负”花状特征,呈直立类小型半地堑或地堑特征,向下合并收敛,加里东中期左行运动方式下形成的左阶拉分段,在加里东晚期右行作用下,作为破碎薄弱带以类平移段的方式率先活动,断裂裂缝较发育,破碎程度高,断裂带内杂乱、串珠状强反射普遍发育。海西早期在持续右行走滑作用下,叠加“弯曲效应”的弱拉张性质。断裂破碎程度最高,串珠状强反射最发育。拉分段以高角度张性似地堑或半地堑为特征,断裂带破碎程度高,普遍发育串珠状强反射,断层上下连通性好,分层不明显。沿断裂带强异常区,相干属性和残丘低部位是其重要特征。

3.3.2 Ⅱ型:左阶拉分段+左阶平移段+右阶平移段

与加里东晚期Ⅰ型断裂特征类似。不同之处在于海西早期在右行走滑作用下,位于区域右行右阶平移段,也可以理解为仍处于上一阶段左阶平移活动状态,断裂破碎程度高,串珠状强反射沿断裂带分层发育,断层上下连通性好。

3.3.3 Ⅲ型:左阶平移+左阶挤压+右阶拉分段

整体表现为“正”花状特征,向上大角度逆冲撒开,向下合并收敛,加里东中期左行运动方式下形成左阶平移段,在加里东晚期右行作用下,左阶排列方式未变,原拉分段作为破碎薄弱带率先活动,至左阶平移段处活动受阻,平移段逐渐变为“正”花状挤压段,断裂裂缝欠发育,仅在断背斜两侧断裂发育,整体以杂乱、弱反射为主,断裂处见串珠状强反射。海西早期在右行走滑作用下,断裂局部发生“弯曲效应”,即形成区域右行右阶叠接段,表现为弱拉张性质,正花状背斜轴部新形成直立走滑断裂,未改变正花状样式,背斜轴部见串珠状强反射。

3.3.4 Ⅳ型:左阶平移+左阶挤压+右阶平移段

与加里东晚期Ⅲ型断裂特征类似。不同之处在于海西早期在右行走滑作用下,位于区域右行右阶平移段,仍处于上一阶段左阶挤压活动状态。断背斜两翼或一翼沿断裂面发育串珠状强反射,轴部多以杂乱、弱反射为特征,辅以沿断裂发育串珠状强反射。沿断裂带弱异常或空白区相干属性是其特征。

3.3.5 Ⅴ型:逆冲推覆改造段

加里东晚期TH12518断裂被逆冲断裂截切,逆冲段倾向南东,向下沿寒武系阿瓦塔格组膏盐岩层滑脱,向上断至中下奥陶统与志留系顶面,逆冲断裂与TH12518断裂围限区形成了背斜高部位,整体杂乱强反射,逆冲断裂背景下,断裂带破碎程度高,沿直立走滑断裂和节理普遍发育串珠状强反射,整体呈杂乱弱、强反射特征,断层上下连通性好,串珠状强反射分层不明显。沿断裂带强异常区相干属性是其特征。

4 岩溶特征

塔河油田奥陶系一间房组可溶性碳酸盐岩岩溶作用的发生取决于水的物理、化学、水动力条件和循环体系,同时还受不同地质时期古构造、断裂发育等古岩溶发育地质条件的控制。本次依据不同地质时期中下奥陶统地层与上覆地层接触关系,即根据上覆地层缺失、浅覆盖、厚覆盖区将某一构造期岩溶类型划分为3个区域^[14,35]:开放式裸露型岩溶区、半开放式承压型岩溶区和深循环承压型岩溶区。奥陶系一间房组裸露区发育裸露型岩溶,古地貌控制的古水系一般顺与其交角小的导水断裂流动,遇阻水断裂后,汇集形成岩溶湖,向下、侧向流动,同时受岩溶基准面控制,垂向上潜流带向下水动力强度变小,溶蚀变弱。浅覆盖区发育半开发式承压岩溶,尖灭线附近高流量岩溶水沿导水断裂-裂缝密集层或易溶层向前渗流,形成多层岩溶洞穴系统,不受岩溶基准面控制,浅覆盖区地表水系强烈的垂向侵蚀作用,下切溶蚀至中下奥陶统顶面一间房组,形成“下降型”埋藏断控岩溶。深覆盖区发育深循环承压型岩溶,尖灭线附近高流量岩溶水沿导水断裂向前多层渗流,随着深度的增加和温度的升高,压力随之增强,遇导流能力强的断裂,可向上流至地表。

4.1 岩溶类型

由于多期岩溶作用空间上的叠加改造,沿TH12518断裂带可以划分为4个不同的岩溶叠加类型(图7f、图9)。

Ⅰ型区:志留系尖灭线以北地区。以加里东中期Ⅰ幕—加里东晚期开放式裸露岩溶作用为主,叠加海西早期半开放式承压岩溶作用。加里东中期Ⅰ幕—加里东Ⅲ幕水流主方向由北北西至南东东向渐变为北-南向,加里东晚期水流方向由于轮台断裂逆冲抬升的影响,水流方向仍为由北向南。海西早期TH12518断裂带构造再活动,使其在泥盆系地层成为一条低隆带,且位于迎水面,扮演阻水断裂的角色,使得断裂两侧水系各成体系。

Ⅱ型区:桑塔木组尖灭线与志留系尖灭线夹持区。加里东中期Ⅰ~Ⅲ幕开放式裸露岩溶作用为主,叠加加里东晚期半开放式承压和“下降型”埋藏断控岩溶,以及海西早期半开放式承压岩溶作用。

Ⅲ型区:桑塔木组尖灭线与良里塔格组尖灭线夹持区,加里东中期Ⅰ-Ⅱ幕,裸露型岩溶,加里东中期Ⅲ幕—海西早期,半开放式承压岩溶,其中,加里东中期Ⅲ幕,导水断裂。加里东晚期,由于志留系尖灭线北北西30°,故地貌倾向为北东向60°,地貌倾向与北北东22°间夹角38°,由于其为拉分性质,可作为导水断裂。

Ⅳ型区:良里塔格组尖灭线和桑塔木组尖灭线围限的南部区域。加里东中期Ⅰ幕,裸露型岩溶,加里东中期Ⅱ幕,半开放式承压和“下降型”埋藏断控岩溶。加里东中期Ⅲ幕—海西早期半开放式承压岩溶。

本文重点厘定岩溶作用期,断裂各段演化特征与古地貌、古水系间的耦合关系。因此重点考虑加里东中—晚期及海西早期断裂特征与岩溶空间耦合关系^[23-24]。

4.2 岩溶演化特征

不同期次不同区域岩溶方式、古水系优势路径、岩溶叠加方式存在时空差异,缝洞型储层是复合作用的结果,某一区域缝洞型储层由某一或多期关键岩溶期、关键岩溶方式控制决定。覆盖区加里东中期Ⅱ幕“下降型”埋藏断控岩溶作用是奥陶系一间房组顶面缝洞型储层形成的关键因素。

4.2.1 加里东中期Ⅰ幕

加里东中期Ⅰ幕整个塔北位于局限台地^[36],即裸露型岩溶区,普遍接受大气降水溶蚀,地表水系不明显,岩溶地貌以溶丘洼地为主,岩溶普遍发育,较弱。以中下奥陶统顶面残丘分布来表征岩溶地貌特征(图10a),从而间接反映岩溶作用的强弱。由于北部遭受多期剥蚀和溶蚀,其岩溶地貌和地表河流不能代表加里东中期Ⅰ幕岩溶地貌。良里塔格组覆盖区经历本期岩溶作用和加里东中期Ⅱ幕下切溶蚀,由于下切一间房组顶面深度较小(0~10 m),将加里东中期Ⅱ幕下切河道之外区域可近似看作是本期岩溶地貌,良里塔格组覆盖区呈北北西-南南东向微倾伏地貌,地势平坦,TH12518断裂带西盘明显高于东盘。残丘幅度绝大部分小于20 m,以溶丘为主,明河、暗河欠发育(图10b,c),残丘受断裂控制,沿断裂走向分布延伸,残丘走向以北北西向为主,北西西、北北东向为辅,近东西向少见,这与本期除近北东东向断裂欠发育外,其余几组断裂已形成和认识相符。沿TH12518断裂发育负地形洼地,拉分段和平移段接收自上而下的溶蚀改造。由于拉分段向下及走向调整范围和规模较大,溶蚀程度较平移段佳。

4.2.2 加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕

利用 {{\mathrm{T}}_7}^4- {{\mathrm{T}}_7}^2残厚图表示加里东中期Ⅱ幕古地貌(图7b)。古地貌呈北高南低,北部遭受剥蚀,加里东中期Ⅱ幕残留岩溶台地部分以溶丘洼地为主;岩溶斜坡以丘丛沟谷为主(图11a),地表水系非常发育(图9b,c),表现为北北西和近南北向树枝状特征^[13]。残留溶蚀台地地表径流总体为北北西-南南东向树枝状水河,河流宽度200~300 m,下切深度20~40 m,局部下切至一间房组,残丘幅度20~40 m,明显小于岩溶斜坡区,主要沿北北西、北北东展布。岩溶斜坡地表水系非常发育,河流宽带最宽处达1.5 km,下切深度可达150 m,切穿良里塔格组和恰尔巴克组的同时,可下切溶蚀一间房组^[13]。主干河道由北北西向北北东向改道,北西西与北东东向分支河道向主干河道汇流,如TH12518井北北西向主干河道两侧由北西西与北东东向分支河道汇流,其中西侧以北西西向为主,东侧以北东东向为主。北西西向压扭性断裂由地貌控制,为主要的导水断裂,由于北东向为张扭性断裂,其向下及走向调整范围和规模较大使主河道由北北西向向北东东向调整改道。而由北北西压扭性走滑断裂形成的向斜区,水流沿其他几组断裂向向斜区汇流。

对于中-下奥陶统地层来说,发育裸露型岩溶、半开发承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶(图9)。裸露型岩溶为良里塔格组地层缺失区。裸露型岩溶可能与良里塔格组残留岩溶台地类似,以溶丘洼地为主,南部岩溶斜坡水系非常发育,水源来自岩溶台地,说明本区裸露型岩溶作用非常强,可见残留的近南北向暗河管道,如A6井北部近南北向暗河管道(图10c)。半开发承压岩溶是指中-下奥陶统灰岩被上覆恰尔巴克组和良里塔格组覆盖区域,上覆地层厚度为20~100 m,分布于良里塔格组尖灭线与桑塔木组尖灭线之间,以及桑塔木组往南4~7 km。浅覆盖区处于半开放式承压岩溶环境,尖灭线附近高流量岩溶水沿导水断裂带顺层补给,形成由3套隔水层控制的双层岩溶洞穴系统,下隔水层(鹰山组下段)、洞穴层(鹰山组上段)、中隔水层(一间房组底部)、洞穴层(一间房组)、上隔水层(恰尔巴克组-良里塔格组)^[12]。同时,中下奥陶统顶面和良里塔格组叠合区域相干属性图(图11b,10b)河道特征相似,说明良里塔格组地表水系强烈的垂向侵蚀作用下切溶蚀至中下奥陶统顶面一间房组,形成“下降型”埋藏断控岩溶系统,发育地表河道的区域,发育自奥陶系一间房组顶面向下的地震强反射,岩溶程度大(图12)。如在A12井钻至断裂带第7段Ⅰ型样式处,其经“下降型”埋藏断控岩溶作用改造,地震强反射特征明显,累产油气达18万t,而沿断裂带未经“下降型”溶蚀改造的Ⅰ型段平均累产油仅4.75万t,如第11段Ⅰ型样式处,A13井累产油气仅5.23万t。从尖灭线21段至5段钻井揭示表层与深部存在差异水淹通道,证明两套顺层岩溶洞穴存在,从图12b中可明显看出岩溶缝洞体是分层发育的。

加里东中期Ⅲ幕古地貌( {{\mathrm{T}}_7}^4- {{\mathrm{T}}_7}^0)呈北高南低(图7c),桑塔木组覆盖区以北北西、北北东为主,北西西、北东东向为辅组成南北向网状交错的树枝状河流,河谷宽120~160 m,下切深度5~20 m(图13a-c),北部地层厚度急剧减薄,同时从一间房组顶面残丘和古水系发育情况来看(图10a,b),北部一间房组地层遭遇强烈的抬升剥蚀,形成岩溶准平原,使表层缝洞体和暗河管道大部分被剥蚀,同时残余表层缝洞体及地下暗河缝洞体被充填,如位于地表明河区(图10c)的A1井进入一间房顶面12 m钻遇15 m泥质全充填。这期岩溶作用对于TH12518断裂带尖灭线北部油气开发来说,具有较强的破坏性,沿断裂带储层多被充填,低产、未见产情况常见。即北部为岩溶台地,南部为碎屑岩斜坡控制的地表径流,残丘幅度小,宽度大的平缓分布特征。A8-A9井这段地表水系沿北西向断裂发育展布,A10井北北东向作为其支流河道。水系以小型蛇曲状,沿北北西、北北东频繁改道,说明加里东中期Ⅲ幕北北西、北北东、北东东和北西西向这几组断裂仍然在继承活动。地表河道下切深度有限,不能为下伏一间房组从上到下直接提供岩溶水补给。

对于中-下奥陶统地层来说,发育开放裸露岩溶和半开放承压岩溶(图13c)。开放裸露岩溶为桑塔木组地层缺失区,覆盖区网状交错水系较发育,说明水源丰富,岩溶作用较强,但弱于加里东中期Ⅱ幕,这是因为河谷宽度和下切深度等都不及良里塔格组水系。桑塔木组泥岩覆盖区往南4~7 km发育半开放承压岩溶,由于本期古地貌特征与加里东中期Ⅱ幕相仿,北高南低,在其尖灭线附近沿加里东中期Ⅱ幕岩溶通道和导水断裂顺层扩大溶蚀。

4.2.3 加里东晚期

利用 {{\mathrm{T}}_7}^4- {{\mathrm{T}}_6}^0残厚图表示加里东晚期古地貌特征。志留系覆盖区古地貌呈北东高、南西低的特征(图7d),离志留系尖灭线越近,地表径流越发育,远离尖灭线,水系规模渐弱以至不发育。北部地表水系明显较南部发育,北部水系与中下奥陶统顶面水系特征基本一致,南部与桑塔木组地表水系特征基本一致。北部残丘特征相似于中下奥陶统顶面残丘,南部相似于桑塔木组顶面残丘(图14a)。志留系地层厚度自西往东减薄,如A3井仅5 m、A7井85 m、A5井104 m;越临近尖灭线附近,越易受志留系石英砂岩地层极易下渗及下伏地表河道压实垮塌等的影响,志留系顶面水系基本沿下伏层水系发育,北部以一间房顶面水系为主,南部以桑塔木地表水系为主。由于北部一间房组顶部遭受加里东中期Ⅰ-Ⅲ幕和加里晚期3期岩溶作用,地表水系特征较南部发育,多组水系呈凌乱交切特征,除南北向特征外,还发育沿北东东向导水断裂延伸的北东东向河道(图14b,c)和近东西向暗河岩溶管道(图7a)。如,A4-A6井区发育北西向密集汇水带(图14b),其由北北西向、近东西向和北西西向3段组成,3段水系控因存在明显差异。北北西向段:地表水由北北东和北东东向导水断裂向北北西向先存河道汇流,北北西向水系河床较宽和树枝状分支河道特征与加里东中期Ⅱ幕河道特征类似,说明是在加里东中期Ⅱ幕河道基础上发育的。近东西向段:此处桑塔木尖灭线北部出现多组北东东向、北西西向组成的近东西向网状水系,水网整体与桑塔木尖灭线平行。即在桑塔木组地层不断抬升,往南不断被剥蚀的过程中,桑塔木组尖灭线附近泥岩阻挡水系南进而汇流于此,其沿多组北东东、北西西向断裂形成近东西向水系网络,在加里东晚期地表水系沿已有水系网络下渗继承发育。北西西向段:进入桑塔木组覆盖区,沿加里东中期Ⅲ幕北西西河道继承发育。加里东晚期岩溶斜坡发育北北西、北东东向、北东东向、北西西向多组地表水系和近北东东向暗河群。盆地内部地表水系和暗河不发育。

对于中-下奥陶统地层来说,发育开放裸露岩溶、半开放承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶(图14c)。即开放裸露岩溶为志留系地层缺失区,发育多体系水网,近南北向水网主要在加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕形成,北东东在加里东晚期形成。半开放承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶区位置重叠,前者是指在志留系地层较薄(砂泥岩互层地层厚度不超过100 m)区,在志留系尖灭线附近岩溶水沿北东东向和北北东向导水断裂顺层溶蚀,形成双层岩溶洞穴系统,近北东东向暗河管道群(图10c)是本期岩溶的产物。后者指薄层志留系石英砂岩下渗溶蚀。裸露式岩溶受岩溶基准面控制,同时也受岩性界面约束,向下仅能够溶蚀至寒武系顶面(地震反射波组 {{\mathrm{T}}_8}^0),而半开发式岩溶不受岩溶基准面控制,向下可以溶蚀至寒武系阿瓦塔格组顶面(地震反射波组 {{\mathrm{T}}_8}^1),甚至更深(图12)。桑塔木组尖灭线以北除逆冲推覆段背斜区外,沿TH12518断裂带油气产能差。这是因为TH12518断裂逆冲推覆段是本期形成,上覆志留系地层薄,沿逆冲背斜区节理及断裂地表水极易下渗溶蚀,储层规模较大,油气产量较高,最高产井9.4万t。而桑塔木组尖灭线以北其他段上覆地层较厚,新形成缝网较逆冲断裂少,所以溶蚀程度不高,油气产量较低,小于1万t。

4.2.4 海西早期

利用 {{\mathrm{T}}_7}^4- {{\mathrm{T}}_5}^7残厚图表示海西早期古地貌特征(图7e)。岩溶古地貌呈现东高西低、北高南低的格局。地表水系分区特征明显。TH12518断裂东西两侧地表水系自成体系,连系少,同时,沿TH12518断裂发育较独立的水系(图15)。TH12518断裂东侧A1-A2北部南北向树枝状河流,东侧分支河道多于西侧。A1-A2南部多套北东东水系自东向西向南北向宽缓曲流河汇流;南北向河流受北西向断裂约束,改道为北西向。南北向宽缓,曲流河河床宽度200~300 m,下切深度2~6 m。北东东向地表河床宽度50~100 m,下切深度小于10 m。沿TH12518断裂发育北北东向水系,河床宽度30~200 m,拉分段河床宽度100~200 m,下切深度10~15 m;在挤压段和平移段一般小于80 m,下切深度小于10 m。西侧北部水系较南部发育,北部水系沿北东东、北北东向组成水网向南部汇流,受北西向断裂约束,改道北西向。地表河床宽度50~80 m,下切深度小于10 m。TH12518断裂在海西早期的继承活动,使得整个断裂带隆起,特别是A1-A5段隆起特征较明显。而隆起两翼向斜区形成相对水势低势区,隆起轴线成为地表分水岭,分水岭东侧与来自东部和北部的水向低势区汇流,形成南北向宽缓曲流河。分水岭西侧,只有北部水源和隆起西翼水供给,水网由北向南规模变小。TH12518断裂可能由于先存张扭性断裂的影响,在压扭应力下释放后,在主断裂面处形成负地形,为沿整个断裂带发育的由北向南水系创造了条件。对于中-下奥陶统地层来说,仅发育半开发承压岩溶(图15c)。地表水沿断裂带下渗溶蚀,溶蚀规模有限。

综上所述,残丘分布呈现明显分区、分带性。分区主要是由古构造活动差异叠加和相应古地貌、古水系的差异改造造成岩溶地貌在空间上形成区域相似性。分带性是指残丘长轴方向受断裂带控制,与其走向基本一致,不同区域存在优势残丘走向,其受控于古地貌控制下的古水系相关的岩溶作用。不同岩溶期岩溶地貌不同,不同地貌控制相应的水势方向和导水断裂。奥陶系一间房组地层在不同岩溶期在不同区域发生的岩溶作用不同,对不同类型段岩溶作用也不同。

5 讨论

从断裂的角度出发,塔河地区奥陶系一间房组地层内断裂性质主要发育走滑断裂和逆冲断裂,二者的断-缝空间结构存在差异。逆冲断裂在背斜、后翼向斜,前翼断片区,裂缝密度、裂缝性质差异较大。比如,背斜轴部从上到下发育张性节理、应力中和面和压性节理,向斜区恰好相反,从上至下发育压性节理至张性节理。

走滑断裂破裂从下至上花状撒开式发育,张性较压性走滑断裂裂缝密度大,闭合程度小,纵横向连通程度大。同时,走滑断裂表现出分区、分带、分级、分段和分层的特征。分区主要由区域应力背景下的局部应力差异造成,比如顺北地区来自阿尔金方向的挤压应力形成了以北北东-北东向为主的走滑断裂,而塔河地区三向挤压形成了北北西和北北东“X”共轭走滑断裂,同时,距离轮台断裂越近的走滑断裂,产状变化越大。分带是指走滑断裂走向不同,如北北东、北北西、北东东和北西西走向走滑断裂等,同一应力体系下的断裂,其断裂走向、内部结构等较为一致。分级是指在多期构造活动中,同一走向走滑断裂的继承活动的差异性,如TH12518北北东向走滑断裂喜山期仍然在继承活动,而部分北北东向走滑断裂在加里东中期—海西早期就停止了发育,从而造成走滑断裂产状的差异。分段是指同一条走滑断裂,其内部差异化表现,同期相同应力条件下,遵循里德尔剪切模型沿断裂带形成相应的分段结构模式,常见的有拉分段、挤压段和平移段,但是多期应力作用下,应力来源、先存断裂结构的差异复杂化,将原来分段结构模式复杂化,可见的现象有“隆中凹,凹中隆”,正花状中发育负花状,负花状中发育正花状。分层是指地层岩性、厚度等形成的能干性差异,造成裂缝产状、密度等在纵向上的差异现象。

从岩溶作用出发,裸露区,古地貌控制的古水系一般顺与其交角小的导水断裂流动,遇阻水断裂后,汇集形成岩溶湖,向下、侧向流动,同时受基准面控制,潜流带向下水动力强度变小,溶蚀变弱。浅覆盖区,尖灭线附近高流量岩溶水沿导水断裂-裂缝密集层或易溶层向前渗流,形成多层岩溶洞穴系统;浅覆盖区地表水系强烈的垂向侵蚀作用,下切溶蚀至中下奥陶统顶面一间房组,形成“下降型”埋藏断控岩溶。深覆盖区,尖灭线附近高流量岩溶水沿导水断裂向前多层渗流,随着深度的增加,温度的升高,压力随之增强,遇导流能力强的断裂,可向上流至地表。

总之,某一地质时期,古构造活动控制了古地貌和断裂的性质和展布,这二者共同控制了古水系流向和分布,而古水系与古岩溶作用息息相关,即导水断裂和张性断裂岩溶程度强,最终,断裂的内幕结构和古岩溶作用共同决定了储层空间特征。而后期的构造运动,导致先存断裂结构发生改变,同时产生新的断裂系统,匹配新的古地貌,产生新的岩溶优势通道,这些岩溶优势通道有的是继承发育,有的是新形成的,从而产生了复杂的新的储层空间特征。同时,还有一部分原有利岩溶缝洞型储层由于后期构造活动、水系改道等原因,发生废弃、垮塌和充填等情况,造成储层有效性差。因此,针对岩溶作用区储层有效性评价,断裂内幕结构的演化特征与匹配的岩溶作用的耦合关系是一个非常重要的方面。

6 结论

(1)TH12518走滑断裂在多期构造活动改造下,中下奥陶统地层构造样式多次差异叠加,形成5种分段类型:Ⅰ型,拉分+平移+拉分段;Ⅱ型,拉分+平移+平移段;Ⅲ型,平移+挤压+拉分段;Ⅳ型,平移+挤压+平移段;Ⅴ型,逆冲推覆改造段。即加里东中期形成平移段和拉分段、加里东晚期形成平移+挤压段、拉分+平移段和逆冲推覆段3种样式;海西早期发生“弯曲效应”,形成平移+挤压+平移段、拉分+平移+平移段、平移+挤压+拉分段和拉分+平移+拉分叠加构造样式。

(2)不同岩溶期岩溶地貌不同,不同地貌控制相应的水势方向和导水断裂。加里东中期Ⅰ幕岩溶台地水系欠发育;加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕,北部抬升形成岩溶准平原,残留缝洞体充填程度高,不同类型段均为低产井,南部岩溶斜坡区沿北北西向和北北东向断裂发育近南北向地表水系及暗河;加里东晚期,岩溶斜坡区发育多组水系,沿北东东向断裂新形成北东东向暗河和地表水系。海西早期,岩溶斜坡发育大型曲流河。

(3)奥陶系一间房组地层在不同岩溶期,不同区域、不同类型段的岩溶作用不同。加里东中期Ⅰ幕发育开发裸露型岩溶,沿断裂带下渗溶蚀,北北东向断裂张扭段溶蚀较强。加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕北部发育开发裸露型岩溶,南部为半开放承压岩溶,张扭段溶蚀进一步增强,Ⅱ幕还发育“下降型”埋藏断控岩溶,接收“下降型”岩溶的张扭段溶蚀程度最高。加里东晚期发育开发裸露型岩溶、半开放承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶,北部受岩溶基准面控制,向下难溶蚀至寒武系顶面-白云岩岩性界面。南部不受基准面控制,向下至少溶蚀至寒武系阿瓦塔格组,纵向上岩溶缝洞体分层明显。海西早期,发育断控岩溶,除弯曲效应拉分段外,岩溶作用较弱。

(4)不同期次不同区域岩溶方式、古水系优势路径、各期岩溶叠加方式决定缝洞型储层发育特征,在空间上存在某一区域缝洞型储层由某一或多期关键岩溶期、关键岩溶方式控制决定,如覆盖区加里东中期Ⅱ幕“下降型”埋藏断控岩溶作用是奥陶系一间房组顶面缝洞型储层形成的关键因素。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42372171)

国家自然科学基金项目(42072173)