川东南地区典型走滑断裂带特征及断控缝洞型储层发育潜力

Typical strike-slip fault zones in southeastern Sichuan: Fault characteristics and potential for fault-controlled fractured vuggy reservoirs

摘要

受中-小尺度基底走滑断裂带内部构造破裂作用控制,塔里木盆地顺北地区发育典型的断控缝洞型储层,近年来已于多条断裂带实现勘探突破。近期研究发现,四川盆地川东南地区NW向基底断裂也具有典型的走滑作用特征,需进一步针对是否发育断控缝洞型储层进行分析。本文基于连片三维地震资料,从基底走滑断裂几何学和运动学特征入手,对比分析塔里木顺北地区与川东南地区典型走滑断裂带附近不同时期地层变形特征。同时根据走滑断裂运动方向、不同构造层断裂活动的同步性分析,结合构造背景还原川东南地区基底断裂形成演化过程,并与顺北地区进行对比。最终参考顺北地区已证实的储层地震反射特征,对川东南地区典型走滑断裂带附近地震异常进行梳理,综合分析储层发育潜力。分析认为,川东南地区NW向基底走滑断裂带相关几何学、运动学特征参数与顺北地区类似;顺北地区经历多期同向叠加走滑作用,涪陵地区走滑断裂经历3期不同性质的活动。此外川东南地区也可识别出与顺北地区典型储层对应的地震反射特征,综合认为涪陵地区典型走滑断裂带断控缝洞型储层发育潜力较大,綦江地区也具有一定发育潜力。

关键词

川东南地区 / 走滑断裂带 / 几何学特征 / 运动学特征 / 断控缝洞型储层

Key words

southeastern Sichuan / strike-slip fault / geometric characteristics / kinetic characteristic / fault-controlled fractured vuggy reservoirs

0 引言

近年来,针对四川盆地油气勘探,盆内中-小尺度基底走滑断裂的研究越来越被重视,在下二叠统热液白云岩、断控岩溶、断控浅滩白云岩等领域取得一定突破^{[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9]}。但对于川东南地区,实钻揭示上述几类储层厚度较薄,非均质性强,预测难度较大,目前勘探效果不佳。在进一步开展主控因素分析及预测技术方法探索的同时,围绕走滑断裂带还可能发育何种类型储层也需加强研究。

相较而言,塔里木盆地主要发育两类与基底走滑断裂相关的储层,其中“断溶体”储层以塔河和塔中地区最为典型,主要受控于岩溶作用较强的古隆起和斜坡等地貌单元以及作为地表流体下渗溶蚀通道的走滑断裂带^[10-11]。自2016年以来顺北地区断控缝洞型储层持续实现大规模突破,该类储层受走滑断裂带控制,储集空间类型主要为构造破裂作用产生的沿断裂带展布的碳酸盐岩缝洞储集体^{[12⇓⇓-15]},受岩溶作用背景的影响较小。

对于四川盆地,由于东吴期暴露岩溶作用时间较短^[16],目前与岩溶作用有关储层的勘探突破主要集中于古地貌高部位及其周缘,即川中地区和川南地区中部,而川东南和川北地区多处于岩溶斜坡、岩溶盆地等地貌单元^[17-18],岩溶储层分布范围相对局限,仅有利岩溶微古地貌与晚期强烈构造改造作用的叠合区有望取得高产。与此同时,川东南地区发育多条基底断裂带,其中NW向断裂带走滑位移量明显,平面分段性特征显著,为典型的基底走滑断裂带。针对该类走滑断裂带内部是否发育类似顺北地区断控缝洞型储层值得探索。因此,本文着力于塔里木盆地顺北地区与川东南地区的对比研究,基于连片三维地震资料及前人研究成果,重点针对基底走滑断裂开展几何学、运动学特征和形成演化过程分析^{[19⇓⇓-22]},确定川东南地区典型基底走滑断裂带规模、走滑作用强度和叠接区特征是否符合发育该类储层条件。同时结合顺北地区典型储层地震响应特征与川东南地区进行对比,对断控缝洞型储层的发育潜力进行判别,以期为川东南地区下一步勘探方向提供新的思路。

1 基底断裂几何学特征对比

顺北地区位于塔里木盆地二级构造单元顺托果勒低隆的中北部,中部以NNE向走滑断裂为主,向北逐渐过渡为一组NNW-NNE向共轭的走滑断裂体系。中石化西北油田分公司于该区域共识别出近20条主干断裂带(图1),其中1、4、5和8号等断裂带成功钻遇断控缝洞型储层。

川东南地区横跨川东高陡构造带和川南低陡构造带两个二级构造单元(图1),其中涪陵地区主要发育NW向基底断裂,自南向北依次发育14、15、16和17号基底断裂带(图2),其中15号断裂带最易识别,走滑断裂特征最为典型。而綦江地区发育3种走向基底断裂,其中NW向基底断裂带主要在塘河构造西南侧、中梁山-四面山东地区和新场构造西南侧分布;NE向断裂展布范围最广,自西向东横跨栗子、石龙峡、中梁山和隆盛三维工区,至新场构造西侧开始减弱(图2)。

断控缝洞型储层与走滑断裂沿主位移带发生的纯剪切或斜剪切作用有关,走滑位移量明显,沿走向不同性质叠接区(拉分段、压隆段和平移段)交替分布^[23⇓-25]。川东南地区NW向断裂两侧地层可见明显相对错动,同时平面分段性明显,为基底走滑断裂。而NE、NE和近东西向基底断裂走滑位移量较小(TS界面滑移量小于200 m),同时剖面特征主要以断裂带内部地层下凹或平移为主,压隆段不发育,认为与东吴期古隆起造成的差异隆升作用有关,不具备典型走滑断裂特征或剪切作用较弱。因此本文选取川东南地区走滑作用特征最明显的NW向基底断裂(涪陵地区选取15号断裂带,綦江地区选取中梁山-四面山东地区NW向断裂带)与顺北地区进行对比分析(图2)。

1.1 剖面特征

顺北地区走滑断裂深部进入基底,向上可断至上二叠统,寒武系及以下地层剖面断裂样式以单条直立状主断裂带为主;分支断裂多于奥陶系底部或奥陶系内部开始发育,断裂样式以正花状、负花状和直立状为主^[22]。同时纵向上在中奥陶统顶界和志留系内部存在断裂不连续发育的现象,表现出主位移带多期活动作用下的盖层变形特征。

针对川东南涪陵地区15号断裂带和綦江中梁山-四面山东地区NW向断裂带,本次研究以连片叠前时间偏移地震数据为主,同时参考叠前深度偏移数据和OVT域数据开展断裂发育特征分析。在识别技术方面,综合利用走滑断裂典型剖面和平面展布构造样式、多层相干切片、曲率及最大似然体等多种技术方法进行断裂刻画。由于两条断裂带断面清晰,重要地震层界面断距明显,且受到晚期挤压改造作用较弱,因此基于以上方法能够落实断裂的几何学特征。其中,涪陵地区15号基底走滑断裂带深部断至基底,向上多消失于下三叠统嘉陵江组膏盐层附近(图3)。与顺北地区类似,寒武系及以下地层断裂以单条直立状为主,分支断裂于奥陶系或志留系下部开始发育,构成正花状、负花状和直立状多种断裂样式。与顺北地区相比,15号基底走滑断裂在纵向分层变形特征明显,志留系及深部地层以压扭变形为主,而二叠系以上地层则张扭、压扭变形交替发育,表明断裂存在多期演化过程。

綦江地区NW向基底走滑断裂深至基底,向上多消失于志留系内部,近局部可见断至下二叠统(图4)。与顺北及涪陵地区不同的是,该类断层分支断裂于寒武系以下地层即开始发育,但同样也发育正/负花状构造和直立状多种断裂样式。同时受晚期盆缘挤压作用影响,断裂带两侧及内部寒武系膏盐层或出现明显加厚特征,表明剖面形态一定程度上受到挤压-滑脱作用的叠加影响。

1.2 平面展布特征

顺北地区走滑断裂带平面上总体表现为深部地层线状展布,奥陶系内部界面叠接区交替分布,以及浅部地层雁列状展布的特征。其中以4号断裂带为例,一间房组顶界沿主位移带共发育13个几何分段,其中拉分段9个,压隆段4个,平均长度约2.78 km,平均宽度约0.81 km^[26]。分支断裂间左阶排列对应拉分段,右阶排列对应压隆段,反映了叠接段形成期断裂具有明显的左行走滑性质。

川东南涪陵地区15号断裂带平总长度约34.2 km,深部寒武系底界断裂为线状展布,志留系底界分支断裂逐渐开始发育,但与主位移带间距较小,平面上具有较紧闭的叠接区发育。同时志留系底部五峰-龙马溪组泥页岩为区域滑脱层,受晚期盆缘挤压作用明显,沿15号断裂带整体表现为弱压扭特征,因此叠接区整体为压隆性质(图3)。而下二叠统顶界(东吴面)断裂的平面分段特征相对明显,共发育6个几何分段,拉分段与压隆段各3个,平均长度约2.47 km,平均宽度约1.39 km。与顺北地区4号断裂带类似,涪陵15号走滑断裂分支断裂间为左阶排列均发育拉分段,右阶排列均为压隆段,指示分支断裂发育期主位移带具有明显的左行走滑特征。

綦江地区中梁山-四面山东NW向断裂带延伸长度约32.6 km,与顺北及涪陵地区不同的是,该断裂带各地层界面主位移带均非线性展布,整体为左阶斜列状分布,局部分支断裂间为右阶排列(图4)。断裂于志留系底界面共发育14个几何分段,其中压隆段8个,拉分段6个,分支断裂间或主断裂间均可能发育叠接段,平均长度约8.56 km,平均宽度1.03 km。

2 基底断裂运动学特征对比

2.1 垂直断距

各地层界面的垂直断距可以反映分析走滑断裂变形的同步性。以顺北地区4号断裂带为例,深部 {{\mathrm{T}}_9}^0界面(寒武系底界)与浅部 {{\mathrm{T}}_7}^4界面(中奥陶统顶界)在断裂中部两盘相对运动方向不同步,表明该断裂具有多期活动特征,而 {{\mathrm{T}}_8}^1界面(中寒武统顶界)为膏盐层顶界,在多期挤压应力场背景下沿主位移带发生膏盐层弱压扭流动加厚,因此整体上表现为压扭特征^[26]。此外, {{\mathrm{T}}_7}^4界面断裂两侧的垂直断距相对较大,其中压隆段上隆幅度主要集中在10~40 ms,拉分段下凹幅度主要为20~60 ms。

涪陵地区15号断裂带与顺北4号断裂带类似,深部奥陶系和以下地层界面与二叠系及以上地层界面于断裂两盘的相对运动性质不具备同步性(图5),表明该断裂至少存在两期活动,第一期为加里东早—中期;考虑到该断裂向上断至下三叠统嘉陵江组膏盐,因此至少在印支中期以后至今还发生过强烈活动。而志留系底界由于靠近五峰组-龙马溪组泥页岩滑脱层,因此整体表现为弱压扭特征。下二叠统顶/底界面在压隆段的上隆幅度为10~25 ms,拉分段下凹幅度为5~35 ms,与顺北4号断裂带 {{\mathrm{T}}_7}^4界面相比减小约1/3,表明该断裂走滑作用强度略弱于顺北地区,但差距不大。

綦江中梁山-四面山东地区NW向断裂带寒武系至三叠系各重要地层界面在断裂两侧的相对位置变化整体上表现出明显的一致性(图6),因此仅能确定在二叠系沉积期至今至少发生过一次断裂活动。志留系底界面断裂拉分段与压隆段的垂向变形幅度主要集中在10~35 ms范围内,与涪陵地区15号基底断裂下二叠统顶/底界面的变形幅度相似,整体略小于顺北地区。就基底断裂向上消失于韩家店组,同时二叠系上拱、志留系和深部地层下凹的分层变形特征而言,该断裂存在加里东期形成的可能性,但缺乏断裂对沉积微古地貌、剥蚀微古地貌控制的证据和相关定年数据,具体形成时间还有待进一步研究。

2.2 走滑作用方向及位移量

顺北地区基底断裂向北可延伸至盆缘造山带,以皮羌断裂为例,对近东西向山体有明显的左行错断作用,利用出露同时期地层的相对位置关系进行分析,皮羌断裂自南向北越靠近盆缘,滑移量越大,从南段约0.7 km增大至北段约4.2 km(图7)。针对顺北地区隐伏基底断裂带,邓尚等^[27]利用倾斜地层同向轴断错法、分段平均长度与滑移距的拟合关系等方法,测得顺北5号断裂北段 {{\mathrm{T}}_7}^4界面左行滑移距约0.3 km,中段北部滑移距约0.5 km,南部约1.2 km。

涪陵地区15号基底断裂的左行滑移距在志留系底界最易进行识别,本文利用断裂带两侧志留系底界构造线的相对错动距离和该界面附近时间切片两种方法对滑移距进行估算。根据构造线错动位置估算15号断裂带主位移带北段左行滑移距约为1.2 km,在时间切片进行测量约为1.3 km;近南北向分支断裂利用两种方法测得滑移距分别为0.6 和0.7 km(图8)。而南段靠近苟家场构造位置左行滑移距相对明显,两种方法估算滑移距均约0.6 km。整体上15号断裂带的左行走滑位移量与顺北地区相近。

针对中梁山-四面山东NW向断裂带,利用不同方向断裂交切关系和志留系底界附近时间切片即可对滑移方向和滑移量进行分析,结果显示该断裂带具有明显的右行走滑特征,在志留系底界向下偏移150 ms处具有明显的错断早期NE向断裂的特征,而断裂带南部时间切片也明显表现出志留系底界同向轴北右行错断的走滑作用特征。利用上述两种方法对滑移距进行估算,整体上北段滑移距为0.4~0.6 km,南部滑移量为0.4~1.1 km(图9),与顺北地区较为接近。

3 基底断裂形成演化过程对比

3.1 顺北地区

前人相关学者对顺北地区基底走滑断裂带的形成演化过程进行过系统分析,主流观点认为断裂带的多期构造活动主要受控于盆缘古洋壳闭合、板块俯冲和造山带活动等构造事件的影响,对顺北地区产生局部多期挤压应力场^[26,28]。

其中,早加里东期Ⅰ幕为基底断裂形成期,西南部受到西昆仑洋闭合对盆缘的NE向压应力影响,北部受被动大陆边缘影响形成近南北向挤压,形成NE和NW向共轭区域节理。至加里东中期Ⅲ幕,盆地东南缘受阿尔金造山带的影响在顺北地区形成NW向挤压应力场,同时北部由于古洋壳向南天山地块俯冲,形成近南北向挤压应力,区域性节理带继承性活动,顺北地区NW和NE向分别进行右行、左行走滑运动。加里东晚期,北部南天山洋扩张,自北向南对顺北地区进行挤压,基底走滑断裂继承性活动,走滑作用方向保持不变。至海西运动中—晚期,塔里木盆地内部处于NE-SW方向伸展应力场背景,走滑断裂再次沿之前的滑移方向发生走滑作用,盖层被深部断裂活动拖拽形成雁列式正断层。总体上,顺北地区基底走滑断裂的形成演化主要发生于加里东运动期,NW和NE向断裂带分别经历了3次右行/左行叠加的走滑作用,运动方向保持一致。

3.2 川东南地区

川东南涪陵地区基底断裂同样形成于加里东运动早期,但与顺北地区不同的是,断裂形成机制非盆缘挤压应力场作用,而是受绵阳-长宁海槽不均衡拉张作用影响^[29]。海槽于震旦系灯影组沉积期由北向南张应力逐渐减弱,此时发育多条NW向转换断层以调节不均衡的局部应力场,同时这些调节断层具备右行走滑性质,对近南北向展布的灯影组二段台缘相带进行错断^[30]。而川东南地区距离海槽较远,调节断层发育至涪陵地区活动性减弱,虽现无明显证据表明寒武系和震旦系重要界面在15号断裂带附近具有明显的右行走滑作用,但根据前文分析,深部/浅部地层的形变具有不一致性,结合早期构造背景,认为此时涪陵地区基底断裂就已发育,但活动性较弱,可能具有较小滑移量的右行走滑作用(图10)。

东吴运动期,四川盆地分别受到北部南秦岭洋持续扩张和西南部峨眉地幔柱活动两种构造运动影响,前者在四川盆地中部和北部产生近NE-SW方向的区域性伸展应力背景,盆内先存NWW和NW向走滑断裂带全面活化,并保持长时间继承性活动,相互平行展布的走滑断裂带构成了隆坳相间的古地貌格局。该阶段走滑断裂带活化作用控制了同期诸如下二叠统茅口组、上二叠统长兴组等海相碳酸盐岩地层的沉积相带展布范围,走滑断裂带以张性为主,走滑分量较小,断面依然保持直立,分支断裂不发育。而南部受东吴期古隆起活动影响,构造变形以纵向差异隆升作用有关。川中地区(高石梯-磨溪)发育NWW向基底断裂,川南地区西部(自贡东部地区)、中部(云锦地区)和东部(荷包场地区、綦江地区)分别发育NW、近东西和NE向基底断裂,整体上构成了川中-川南地区“环带状”展布的基底断裂体系^[9,11]。同时环带中心基底断裂发育程度低,且与古隆起核部高度重合。这种环带状断裂滑移量不明显,主要以两盘地层纵向相对运动为主,非典型基底走滑断裂,是否具备断控缝洞型储层的发育条件需进一步研究,本文不进行讨论。

至晚燕山期—喜马拉雅期,川东南地区东部主要受江南-雪峰造山带及南部大娄山造山带隆升对盆缘的挤压应力作用影响。其中前者对盆缘的挤压作用由川东向川东南地区逐渐减弱,因此涪陵地区先存NW向走滑断裂具备左行走滑作用性质,而随着压应力向川中地区传递时衰减,现今川中地区基底断裂浅部地层尚无明显的左行走滑证据,近磨溪地区于中—上三叠统发现NNW向左阶排列的层间断裂,或可证明川中地区晚期也发生过左行走滑运动^[13]。而大娄山造山带在早喜马拉雅期对盆内的挤压主要影响川南地区南部、綦江地区中部和西南部,为调节高陡构造带变形强度,发育具有右行走滑性质的NW向基底断裂。

顺北地区、川东南涪陵和綦江地区典型走滑断裂的演化过程差异较大,顺北地区NE向断裂为3期同方向走滑作用叠加,涪陵地区则经历了早期弱右行走滑、中期拉张和晚期强左行走滑3个阶段,而綦江地区NW向断裂带仅为晚期右行走滑活动。从走滑作用期次的角度,认为断裂带内部地层多期破碎程度应为顺北地区>涪陵地区>綦江地区。而对比分析走滑断裂几何学和运动学参数,认为川东南地区走滑断裂地层变形程度与顺北地区接近(表1),仅拉分/压隆段地层下凹/上隆幅度略低于顺北地区,整体上走滑作用强度与其相差不大,表明从走滑作用结果的角度具备发育类似顺北地区断控缝洞型储层的条件。

4 储层地震响应特征

前人学者对顺北地区断控缝洞型储层的地震响应特征进行过详细研究,总结出3种主要的响应特征。其中,中-下奥陶统内幕串珠状反射是钻遇储层率最高的地震响应类型,储层主要集中于串珠亮点中的多层波谷的中下部,主要对应洞穴型储层;内幕杂乱反射也是较为典型的响应特征类型,主要对应裂缝-洞穴型储层,顺北1号和5号断裂带该类型响应实际钻遇漏失率为78%^{[31⇓⇓⇓-35]},但储层发育位置在空间上难以进行确定;另一种储层响应类型为内幕线性弱反射,主要对应裂缝型储层,钻遇漏失概率为67%。

基于顺北地区断控缝洞型储层典型地震反射特征,利用连片三维地震资料对涪陵地区15号断裂带和綦江中梁山-四面山东地区NW向断裂带内部的地震异常进行梳理,同样也可识别出内幕串珠型、内幕杂乱反射型和内幕线性弱反射3种疑似储层发育的反射特征(图11,图12)。区别在于15号基底断裂由于分支断裂主要在二叠系内部发育,因此地震异常主要出现于下二叠统内部,同时由于东吴面具有短期暴露溶蚀背景,且茅口组台内滩相储层在该区域亦有所分布,因此认为该条断裂带发育断控缝洞型储层的潜力较大。而中梁山-四面山东地区NW向走滑断裂带内部地震异常主要集中于奥陶系和志留系石牛栏组内部。

需要注意的是,顺北地区断控缝洞型储层和川东南两条典型走滑断裂带疑似储层发育段的岩性组合及上覆封堵层特征存在一定差异。顺北地区中奥陶统一间房组、鹰山组以发育石灰岩和白云岩为主,厚度较大,满足走滑物理磨碎所需厚层脆性地层条件。同时上奥陶统发育巨厚泥岩区域盖层,厚度可达上千米,保存条件优越。涪陵15号断裂带疑似储层异常主要发育在下二叠统,自下而上发育栖霞组和茅口组两套海相碳酸盐岩地层,主要以石灰岩和白云岩为主,局部为含泥或泥质沉积(如茅一段),厚度超过400 m,因此也具备厚层碳酸盐岩的基础条件。但上覆龙潭组泥岩层厚度小于200 m,同时断裂向上消失于嘉陵江组顶部膏盐岩,因此纵向封堵能力较顺北地区弱。而綦江NW向断裂带储层异常集中在奥陶系顶部和志留系中部,分别发育宝塔组-湄潭组顶部石灰岩和石牛栏组顶部灰岩,但两套灰岩层厚度均小于50 m,可能一定程度上影响破碎增容形成的储集空间规模。

5 结论

(1)川东南涪陵和綦江地区NW向基底断裂带为典型走滑断裂,与顺北地区类似,断裂样式以正/负花状构造和直立断层为主,平面上断裂分段性明显。几何学、运动学特征参数与顺北地区相近,从走滑作用结果的角度分析认为具备发育断控缝洞型储层的条件。

(2)顺北地区和川东南地区典型走滑断裂的形成演化过程存在较大差异,顺北地区的断裂活动主要与盆地北部和南部构造事件对盆内造成的挤压应力场有关,至少经历了3期走滑作用叠加变形,且运动方向统一。涪陵地区走滑断裂活动与海槽不均衡拉张及造山带对盆缘的挤压有关,主要经历了早期弱右行走滑、中期继承性拉张和晚期强烈左行走滑3个阶段。而綦江地区NW向断裂仅晚燕山—早喜马拉雅期活动具备右行走滑性质。总体上,断裂带内部地层多期破碎程度应为顺北地区>涪陵地区>綦江地区。

(3)涪陵地区和綦江地区NW向基底断裂内部也可识别出类似顺北地区储层对应的3种地震反射类型。其中涪陵地区地震异常主要集中在下二叠统内部,叠加东吴面短期暴露溶蚀作用及一定分布范围的滩相白云岩储层,认为断控缝洞型储层的发育潜力较大。綦江地区NW向断裂带内部反射异常主要集中在奥陶系和志留系内部,由于紧邻志留系龙马溪组优质烃源岩,上覆韩家店组厚层泥岩区域盖层稳定发育,也具备一定储层发育潜力。

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基金资助

中国石化股份有限公司项目“四川盆地及周缘资源评价”(P23221)