塔北-塔中地区中、下寒武统岩性组合与变形特征及其对油气输导影响

Lithological associations, deformation characteristics of the Lower-Middle Cambrian and their influence on oil and gas migration in the North-central Tarim Basin

摘要

塔里木盆地塔北-塔中地区寒武系勘探生产实践揭示,油气分布严格受控于断裂,不同断裂段之间油气差异性显著,断裂带具有重要的垂向输导作用。因此,加强塔北-塔中地区中、下寒武统的岩性组合与变形特征研究,对判定整体地层变形情况和厘清影响油气输导效率的因素具有重要意义。本研究以塔里木盆地塔北-塔中地区中、下寒武统为研究对象,基于岩心、钻/测井、3D地震及生产动态数据等资料,首先开展岩石类型划分和岩性组合分析,然后通过井-震标定及区域地震剖面追踪,明确岩性组合的地震响应特征,最后指明断裂作用下目的层变形特征,揭示岩性组合与构造变形特征对油气输导效率的影响。研究结果表明:(1)研究区共发育白云岩类、含膏岩类和含泥白云岩类等3种岩石类型,根据叠置样式分为上下分段型、对称型和互层型三种岩性组合;(2)不同岩性组合的地震反射特征存在显著差异性,上下分段型岩性组合对应于上部弱振幅、下部强振幅,呈现席状平行-亚平行反射特征,对称型岩性组合表现为具有中-强振幅且连续性较好的地震反射之间夹持着弱振幅、连续性中等的席状平行反射的特征。互层型岩性组合表现为强振幅、高频率和连续性好的地震反射特征;(3)在不同的应力分段作用下,目的层变形特征分为膏岩层厚度减小、厚度增大及厚度稳定共3种类型。研究揭示出岩性组合与构造变形联合控制着油气输导,顺北区块岩性组合的叠置样式呈现明显的区域差异性,西部以对称型叠置为主,东部以上下分段型-对称型为主。对称型岩性组合的变形程度较高有利于油气输导,上下分段型岩性组合在拉分段更为有利。

关键词

走滑断裂带 / 油气输导 / 岩性组合 / 中、下寒武统 / 塔里木盆地塔北-塔中地区

Key words

strike-slip fault / migration of oil and gas / lithological associations / the Lower- Middle Cambrian / North-central Tarim Basin

0 引言

油气勘探实践表明,塔里木盆地塔北-塔中地区的顺北区块断溶型储集体,因其叠加了上部致密岩性盖层而构成了优质的储盖组合,展现出巨大的勘探潜力。因此,大型走滑断裂带成为顺北区块古生界油气勘探与开发的关键目标区带。前人从断裂带的几何学、运动学以及成藏等方面总结了剖面和平面构造样式,明确了构造活动期次,并借助地球化学分析技术,厘定了油气成藏的主要期次^{[1⇓⇓⇓-5]}。断裂和不整合面是油气在垂向和横向大范围输导运移的主要通道,岩溶缝洞和高孔渗层作为小规模输导调整的通道^[6⇓-8]。随着顺北油田开发的深入,现已明确走滑断裂带具有“控储、控圈、控藏、控运、控富”的特征^[9⇓-11],在下古生界碳酸盐岩“下生上储”式生储盖组合中,样式和规模不同的通源走滑断裂在油气成藏过程中扮演着重要角色^[12]。在不同断裂带之间或同一条断裂带的各段,单井产量及地球化学指标差异性显著。这表明并非断裂带的所有部位均为高效运移通道,输导性的优劣对上部油气成藏具有重要影响。在此背景下,断裂带作为沟通烃源岩与储集体之间垂向输导的大通道,近年来也受到国内外学者的高度关注^{[6⇓⇓-9,13⇓⇓⇓-17]}。

国内外研究表明:作为沟通油源和储层的通道,高角度通源断裂在膏岩层段活动强度越大,越有利于油气输导,膏岩层滑脱构造的活动强度越小,越有利于后期油气充注^[18]。膏盐岩层与油气成藏的关系复杂。膏盐岩层作为致密层,限制油气运移成藏,同时也可作为输导通道,使油气沿膏盐岩层面运移并在相关构造中成藏^[19⇓-21]。在埋藏深度大、高温高压条件下,膏盐岩易流动、不易破裂^[19-20],因构造应力的差异性形成盐丘等相关构造。断裂作用导致膏盐岩厚度较薄的区域形成盐窗、盐枕等,易于下伏油气向上运移并在上部储集层聚集^{[20,22⇓-24]},形成“下生上储式”成藏模式^[21-22],如中国的四川盆地^[25]和巴西的桑托斯盆地^[22]。而在膏盐岩层厚度较大的区域,在构造作用下形成盐被,增加了下伏油气向上运移的难度,从而将油气封盖在膏盐岩层之下^[21],如鄂尔多斯盆地。需要重点关注的是,在我国塔里木盆地塔北-塔中地区的顺北区块油气勘探开发中,基于断裂精细解析与生产数据对比,揭示了中、下寒武统膏岩层强烈地影响油气输导成藏^[2,18],然而其控因机制尚不明晰,成为制约我国深层-超深层碳酸盐岩油气勘探开发的关键科学难题。

因此,本论文基于塔里木盆地塔北-塔中地区钻井,明确中、下寒武统岩石类型与岩性组合特征,通过井-震标定,阐明不同岩性组合的地震响应特征,从而借助三维高精度地震预测塔北-塔中全区域中、下寒武统的岩性组合。然后,挑选断裂较发育的顺北区块作为重点解剖区,厘定断裂带内岩性组合展布与变形特征,建立断裂带不同应力分段下的变形模式,揭示岩性组合与构造变形对油气输导的影响,以期为塔北-塔中地区油气带勘探开发提供理论和技术支撑。

1 地质概况

塔北地区位于塔里木盆地北部,是塔里木盆地油气最富集的构造单元之一^[26]。北部为库车坳陷,西部与阿瓦提坳陷相邻,东侧与满加尔坳陷相接,南接顺托果勒地区。塔中地区位于塔里木盆地中央隆起带^[26⇓-28],西侧为阿瓦提坳陷和巴楚隆起,东接塔东隆起,南邻塘古巴斯坳陷。顺托果勒低隆位于塔北隆起和塔中隆起之间^[29⇓-31],东西两侧分别与满加尔坳陷和阿瓦提坳陷相接,整体呈“马鞍状”展布。顺北区块处于顺托果勒低隆的西北部,见图1B蓝色虚线方框。

研究区经历多期次构造活动^[32⇓-34]。加里东运动早期,研究区处于弱伸展构造背景下的区域性稳定沉降期^[35]。构造应力在加里东运动中期由拉张向挤压转变,塔北和塔中地区地层在加里东运动中期I幕受构造抬升后强烈剥蚀,岩溶作用较为发育,加里东运动中期III幕时,挤压作用更为强烈。在加里东运动晚期—海西早期持续挤压条件下,塔北和塔中隆起继承性发育,而后历经海西运动中晚期和印支—燕山期的持续调整、喜山期的稳定深埋^[33],形成现今的构造格局。

本研究以中、下寒武统为目的层,包括下寒武统吾松格尔组( ₁w)、中寒武统沙依里克组( ₂s)和阿瓦塔格组( ₂a)。吾松格尔组的顶界面(即下寒武统顶界面)和底界面分别对应地震反射界面 {{\mathrm{T}}_8}^3和 {{\mathrm{T}}_8}^4,沙依里克组和阿瓦塔格组之间的地震反射界面为 {{\mathrm{T}}_8}^2,阿瓦塔格组顶界面(即中寒武统顶界面)对应地震反射界面 {{\mathrm{T}}_8}^1,寒武系的顶底界面分别对应地震反射界面 {{\mathrm{T}}_8}^0和 {{\mathrm{T}}_9}^0。吾松格尔组沉积期,研究区整体处于海退背景下的蒸发台地相,以膏盐岩为主,含泥白云岩、纯净白云岩和膏质白云岩次之。钻井揭示,研究目的层在塔北地区大于塔中地区,其中塔北地区厚度约200 m,塔中地区集中分布在80~200 m。沙依里克组沉积期对应于两次海退期之间的短暂海侵阶段,以局限台地相为主,岩性主要为白云岩,夹少量膏质白云岩。沙依里克组整体厚度较薄,其中塔北地区厚度约80 m,塔中地区约为40 m。当阿瓦塔格组沉积期海平面再次下降,研究区处于蒸发台地和局限台地相,岩性主要由膏盐岩、膏质白云岩和泥质白云岩组成,地层厚度自北向南减薄,从塔北地区的普遍大于300 m至塔中地区的约200 m。

2 岩石学特征

2.1 岩石类型划分

塔北-塔中地区现有深井数量有限,仅有钻至中、下寒武统的单井10口。本研究特挑选取心长度大且测井资料丰富的TS5、YS1、LT1、TC1和ZS1井,开展岩石类型划分和岩性组合分析(图1B)。

(1)白云岩类,即不含泥或膏的纯净白云岩,是中、下寒武统最主要的岩石类型。单井统计表明,该类岩性约占总厚度的60%,可细分为灰质白云岩和白云岩。灰质白云岩主要分布于阿瓦塔格组,厚度小,多数呈薄层状发育,仅有少量呈厚层状集中分布在沙依里克组。白云岩集中出现于沙依里克组,厚度一般大于40 m;部分呈“薄层多段”特征,分布于阿瓦塔格组,单层厚度通常为2~3 m(图2~4)。

(2)含膏岩类,主要由膏质白云岩、含膏白云岩和膏岩组成,是中、下寒武统发育的第2类岩石类型。多数单井解释表明,该岩石类型累计厚度一般分布于82.5~168 m(图3A),占地层总厚度的20%~30%(图3B,C,D)。在塔中地区,分布于吾松格尔组的含膏岩类的厚度占该组总厚度的47.5%,分布于阿瓦塔格组的厚度约占该组总厚度的31.5%(图3E,F)。在塔北地区,含膏岩类在吾松格尔组的累计厚度约占该组厚度的21%,在阿瓦塔格组的累计厚度约占该组总厚度的47%(图3G,H)。区域对比揭示,塔北地区和塔中地区含膏岩类的厚度与地层总厚度之比近乎相同,约为32%(图3B,C,D)。垂向分析表明,塔北地区含膏岩类集中在阿瓦塔格组,而塔中地区则更集中在吾松格尔组。

膏质白云岩在含膏盐类占比最大、分布最广,在塔北和塔中地区的阿瓦塔格组和吾松格尔组均有发育。据岩性厚度统计,膏质白云岩在阿瓦塔格组内含量最高达到62.5%,主要呈现两种特征:①大段厚层,单层厚度较大,一般约为15 m,少部分大于25 m,与泥质白云岩、含泥白云岩构成阿瓦塔格组上段的韧性层;②频繁出现的薄层,单层厚度小,约为3 m,与膏岩在垂向上相互叠置,分布于阿瓦塔格组和吾松格尔组(图2,4)。含膏白云岩在含膏岩类中含量较低,主要分布在阿瓦塔格组,在塔北地区表现为大段厚层特征,在塔中地区以薄层为主,并有少量呈现为厚层特征。膏岩在含膏岩类中含量最低,单层厚度变化较大,表现为薄-中层特征。

(3)含泥白云岩类,由含泥白云岩、泥质白云岩和含灰泥质白云岩组成,是第3类主要发育的岩石类型(图3I)。含泥白云岩类主要出现在吾松格尔组。其中,含泥白云岩含量高于泥质白云岩,主要分布在吾松格尔组,厚度普遍大于20 m,在阿瓦塔格组也有少量分布。泥质白云岩集中分布于阿瓦塔格组,呈厚层状,厚度在15~25 m不等(图2,4)。

2.2 岩性组合特征

根据塔北-塔中地区中、下寒武统岩石类型统计,塔北和塔中地区岩石类型存在差异性:塔北地区发育白云岩类、含膏岩类和含泥白云岩类,岩性以膏质云岩、白云岩和泥质云岩为主;塔中地区发育白云岩类和含膏岩类,岩性以膏岩和白云岩为主。按照岩石类型的叠置样式,将中、下寒武统划分为上下分段型、对称型和互层型共3种岩性组合。具体特征如下:

(1)上下分段型表现为具有明显的岩性分层特征,上部岩性以灰质白云岩和白云岩为主,厚度较厚,分布于55~110 m之间;下部为致密岩性,主要包括泥质白云岩和含泥白云岩,层厚约80 m,含膏岩类含量较少(图5A),整体表现为白云岩类与含泥白云岩类/含膏岩类的分段组合。

(2)对称型是以白云岩类为中心,上、下为含泥白云岩类或含膏岩类,具体表现为含膏岩类(含泥白云岩类)-白云岩-含膏岩类(含泥白云岩类),主要由膏质白云岩、泥质白云岩或膏岩和白云岩组合(图5B)。膏质白云岩从薄层至厚层均有发育,厚度变化较大,而泥质白云岩以厚层状为主,厚度集中在35~82 m之间。

(3)互层型是以含膏岩类与白云岩类或含膏岩类与含泥白云岩类的频繁互层为主要特征。岩性主要白云岩、含膏白云岩和膏质白云岩组成,夹少量的膏岩(图5C),呈现出“薄层多段”特点,岩石单层厚度为3~6 m。

3 岩性组合的地震响应特征

3.1 岩性组合约束下的井震对比

井-震标定,即将单井深度域信息对应到地震时间域上,借助地震资料约束地层和构造等信息。井位仅局限于分析某一点位附近的地质情况,而通过三维地震合成记录,实现点—线—面转化^[36]。以塔北地区TS5井和LT1井为例,基于钻井-地震合成记录,实现不同地区层位准确约束,明确 {{\mathrm{T}}_9}^0、 {{\mathrm{T}}_8}^3和 {{\mathrm{T}}_8}^1界面的反射标志,阐明目的层段内不同岩性组合的地震响应特征(图6,表1)。

(1) {{\mathrm{T}}_9}^0界面为震旦系和寒武系的分界,地震剖面呈现强振幅、连续性好的反射特点。该界面之下为震旦系奇格布拉克组,岩性主要为白云岩类,测井响应为低GR值、低AC值和高DEN值的特征,且曲线幅度较为平缓,对应中-弱振幅、连续性较好的特征;界面之上为下寒武统玉尔吐斯组,岩性以黑色泥岩或含泥灰岩为主,测井响应呈高GR值、高AC值和低DEN值的特征,对应为强振幅、中频率和连续性好的特征(图6)。

(2) {{\mathrm{T}}_8}^3界面为下寒武统吾松格尔组和中寒武统沙依里克组的分界,地震剖面呈现中-强振幅、连续性好的反射特点。该界面之下为吾松格尔组,岩性以泥质白云岩、膏质白云岩和含泥白云岩为主,测井响应为GR和AC值较大,指示泥质含量增多,对应于强振幅、连续性好的地震反射特征;而界面之上为沙依里克组,岩性以白云岩和灰质白云岩为主,测井响应为GR和AC值较低,DEN值较高,对应于中-弱振幅、连续性中等的地震反射特征。

(3) {{\mathrm{T}}_8}^1界面为中寒武统阿瓦塔格组和上寒武统下丘里塔格组的分界,地震剖面呈现中-强振幅、连续性好的反射特点。该界面之下为阿瓦塔格组,岩性以膏质白云岩、泥质白云岩和含泥白云岩为主,对应为较强振幅、连续性好的特征;该界面之上为下丘里塔格组,岩性以白云岩为主,对应为中-弱振幅、中频率和连续性较好的特征。

根据井-震标定,不同类型的岩性组合在常规测井和地震上的响应特征呈现差异。其中,白云岩类表现为低GR值、低AC值和高DEN值,对应于弱振幅和连续性中等的地震反射特征。含膏岩类表现为较低的GR值、较低的AC值,对应于强振幅和连续性好的地震反射特征。含泥白云岩类呈现出高GR值、高AC值和较低的DEN值,对应于中-强振幅和连续性较好的地震反射特征。

3.2 岩性组合在地震上的区域追踪

3.2.1 不同区域地震反射特征对比

{{\mathrm{T}}_8}^1界面之下的地层发育膏岩、膏质云岩和含膏云岩,对应着中-强振幅、连续性好的地震反射特征。随着含膏量降低,地震反射特征转变为弱振幅、连续性中-强,指示着白云岩发育层段。该特征在塔北和塔中地区具有相同性。 {{\mathrm{T}}_8}^3界面之下的地层发育膏质白云岩和泥质白云岩,对应着中-强振幅、连续性较好的地震反射特征。与塔北地区相比,塔中地区地震反射特征振幅更强、连续性更好。因此,膏岩具有强振幅和连续性好的反射特征(图7)。

塔北地区的 {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面具有强振幅、连续性好的反射特征。两个界面之间的地层比较稳定,自北向南,埋藏深度逐步增大(图7A)。界面 {{\mathrm{T}}_8}^3和 {{\mathrm{T}}_9}^0之间的地层呈现出上部强振幅,而下部振幅减弱的特征。与此同时,塔北地区的北部和南部的地震反射特征也存在差异,与北部地区相比,南部地区的地层具有较强的振幅、较高的频率和较好的连续性(图7A),指示着该地区的岩性较为致密。

与塔北地区相比,受断裂带和剥蚀作用的影响,塔中地区的地层变化较复杂(图7B)。该区域断裂较为发育,地层错断明显, {{\mathrm{T}}_8}^3- {{\mathrm{T}}_9}^0之间的地层厚度减小,地层厚度自西向东逐渐减薄。西部地层呈现出强振幅和弱振幅频繁交互,东部地层表现为较强振幅和连续性好的反射特征(图7B)。

3.2.2 基于地震反射的岩性组合区域对比

基于以上岩性组合及其对应的地震反射特征分析,借助塔北-塔中的跨区域地震剖面判断顺北区块的地层展布及对应的岩性组合类型。以 {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面为例,在两个界面之下,分别发育1套稳定的膏岩层段,岩性由含膏岩类和白云岩类组成。按不同岩石类型占比的差异性,依据岩性组合的地震响应特征,实现在全盆范围内追踪。

在 {{\mathrm{T}}_8}^1界面之下,塔北地区的北部具有弱振幅和连续性中等的地震反射特征,对应于上下分段型岩性组合。自北向南,振幅逐步增强,对应于对称型岩性组合,向南至顺托果勒地区时,表现为互层型岩性组合。在顺北区块, {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面之间呈现出强振幅夹杂弱振幅反射、连续性好的反射特征,对应于对称型岩性组合,向南逐步变化为对称型和上下分段型交替出现。向南延伸至塔中地区,随着地层厚度的减薄、振幅的增强和频率的增大,对应于互层型岩性组合(图8)。

总体而言,虽然目的层段在顺北区块的厚度稳定,然而在 {{\mathrm{T}}_8}^1与 {{\mathrm{T}}_8}^3界面之下呈现不同的反射特征。从NE至SW方向, {{\mathrm{T}}_8}^1界面之下的地层表现为强振幅反射特征,随着埋深增大,地层稍有增厚,振幅逐渐减弱、频率略微增大,表明岩石类型的渐变特征; {{\mathrm{T}}_8}^3界面之下的地层呈现出强夹弱振幅转变为强振幅反射特征,指示了膏岩含量的增加。结合岩性组合在地震上的反射特征,顺北区块的岩性组合自西向东依次出现对称型、互层型、对称型、互层型和上下分段型(图7C)。

在下寒武统吾松格尔组—中寒武统阿瓦塔格组沉积期,塔里木盆地西部已形成镶边碳酸盐岩台地^[35]。塔北地区处于开阔台地-局限台地沉积背景,发育膏云坪、云坪等微相。塔中地区沉积水体较局限,对应于局限台地-蒸发台地,发育较多的膏岩和膏质云岩等。位于塔北-塔中过渡地带的顺北区块,在加里东运动早期拉张应力作用下处于呈弱伸展状态,构造应力状态较为稳定。顺北区块以对称型岩性组合为主,自下而上依次由膏岩-白云岩-膏岩-膏质白云岩等岩石类型组成。

4 中、下寒武统岩性组合与变形特征及其对油气输导的影响

4.1 断裂带内不同岩性组合分布特征

塔北-塔中地区经过多次构造演化,形成现今的北部共轭走滑断裂体系^{[37⇓⇓-40]}、顺北区块西部NW向走滑断裂体系、中部调节体系及东部NE向走滑断裂体系,具有平面分段、纵向分层、多期活动的特征^[35,41]。断裂带作为垂向上沟通烃源岩与储集体的通道,具有控储、控藏、控运、控富的作用^[42],其中,中、下寒武统发育的两套膏岩层经断裂贯穿后产生不同的变形特征,不仅影响油气垂向运移的输导效率,还影响上部的油气成藏^[43,44]。

顺北5号断裂带属于中部调节体系,贯穿塔北隆起、顺托果勒低隆和塔中隆起3个构造单元,是顺北区块走滑断裂中规模最大、垂向结构最复杂的断裂之一。顺北5号断裂带可辨识长度达到270 km^[1,18],细分为北段、中段和南段。该断裂走向自北至南由NW向逐渐过渡为近NS向(图1),历经加里东中期、加里东晚期—海西早期、海西晚期和燕山—喜山期等多期次构造运动形成。

研究区隶属顺北5号断裂带北段,走向大致为北西向20°,三维工区覆盖面积共计504 km^{2 [44-45]}。根据过该断裂带的地震剖面的结构样式, {{\mathrm{T}}_7}^4的地层变形分为正花状、负花状和简单平移构造(图9A,B,C)。按照局部应力的特征,顺北5号断裂带北段在平面上分为挤压段、拉分段和平移段。挤压段对应于挤压应力活动背景下形成的正花状构造,拉分段对应于拉张应力活动背景下形成的负花状构造,平移段对应于简单平移构造^[46]。基于顺北区块地层格架和垂向剖面特征,划分为直立走滑、膏岩层变形、花状构造、右行雁列正断层、左行雁列正断层等变形特征(图9A,F,G)^[22]。根据 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的相干平面图,判定断裂在加里东中期发生右行活动,而 {{\mathrm{T}}_7}^0界面与 {{\mathrm{T}}_6}^0界面雁列特征相反,反映了下伏断裂活动由右行转变为左行(图9F,G)。

根据不同岩性组合的地震响应特征,分析垂直于断裂带和沿断裂带剖面,确定不同岩性组合在断裂带的分布特征。以顺北区块5号断裂带北段为例,基于断裂带旁截取与断裂带走向一致的地震剖面分析,在目的层的下段呈现出相同的“强振幅夹弱振幅”的地震反射特征,而在目的层的上段的地震响应特征上存在明显差异(图10A)。在断裂带北部, {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面处表现出强振幅、连续性好的反射特征,两个界面中间夹持着弱振幅、连续性中-好的反射特征,对应于对称型岩性组合(图10B)。在断裂带中部, {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面之间表现为强振幅、高频率和连续性好的地震反射特征,对应于互层型岩性组合(图10C)。在断裂带南部, {{\mathrm{T}}_8}^1和 {{\mathrm{T}}_8}^3界面之间的下部地层表现为强振幅、连续性好的反射特征,而上部表现为弱振幅、连续性中等的地震反射特征,对应于上下分段型岩性组合(图10D)。

4.2 岩性组合在不同应力分段下的变形特征

基于地震剖面的构造变形样式精细刻画,分析中、下寒武统目的层变形特征。目的层厚度主要分为减小、增大和基本稳定3类。结合不同岩性组合特征,从定性和定量两个角度分析不同岩性组合下目的层的变形特征(图11)。

(1)对称型岩性组合的变形特征。在挤压段内,对称型岩性组合的地层变形特征明显;在拉分段内,地层发生小规模错断,推测与断裂强度有关;而平移段内,地层变形特征较弱,在 {{\mathrm{T}}_8}^1界面处基本无错断。综合3种应力的分段情况,断裂穿过对称型岩性组合后,地层发生强烈变形,尤以挤压段内最为显著,沿断裂带附近地层破碎程度高。整体厚度呈现出挤压段减小、拉分段增大和平移段基本稳定的特征(图11A,D,G)。

(2)互层型岩性组合的变形特征。在挤压段和拉分段内,岩性组合的上部地层变形较为明显,下部变形较弱;在平移段内,岩性组合的上部地层变形特征较弱,下部变形几乎极弱。综上,与互层型岩性组合的下部相比,上部的变形特征普遍较强(图11B,E,H)。

(3)上下分段型岩性组合的变形特征。在挤压段内,地层变形强度中等,可见小规模错断;在拉分段内,地层发生明显变形;而在平移段内,地层变形特征最弱,仅有微小幅度的错断。综上,地层破碎主要集中在断裂带附近,在拉分段内地层变化最为明显。地层厚度对应挤压段减薄、拉分段增厚和平移段基本稳定3类,但变形幅度都较小(图11C,F,I)。

为实现定量评价岩性组合在不同应力分段内的变形特征,本研究特提出“变形程度”概念,即地层变形前后的厚度之差与地层发生变形之前的原始厚度之比,比值越大意味着变形程度越强。为便于计算和比较不同应力分段下地层的变形程度,进而在后期确定定量评价的界线,取绝对值使厚度差结果为正。研究结果表明:顺北5号断裂带的3种岩性组合的变形特征具有差异性,从变形程度比较可知,对称型岩性组合>互层型岩性组合>上下分段型岩性组合(图12A)。此外,基于每种岩性组合在不同应力分段下的变形特征,绘制变形程度分布图。研究发现:对称型岩性组合的挤压段和上下分段型岩性组合的拉分段的变形程度大,说明应力分段影响着岩性组合的变形程度(图12B,C,D)。

不同岩性组合的变形程度对比表明,具有弱振幅地震反射特征的白云岩地层的变形程度强于具有强振幅、连续性好地震反射特征的含泥白云岩类和含膏岩类。目的层含泥白云岩类和含膏岩类的层段变形程度不同,在挤压段和拉分段的变形程度大,而在平移段小。目的层的白云岩类的层段均发生破裂作用,发育不同规模的错断和滑脱构造。前人研究提出^[22],白云岩类属于刚性岩石,在发生破裂作用下形成不同尺度的裂缝,能显著地改善原始地层的孔隙度和渗透率,而含泥白云岩类和含膏岩类整体塑性较强,不易破碎,对原始地层的物性贡献较小。

4.3 岩性组合与构造变形对油气输导的控制

不同断裂段对应的地层破碎程度差异性强,挤压段和拉分段地层变化较大,断裂带自烃源岩向上通过研究层段,继续通过断裂带及周边裂缝向 {{\mathrm{T}}_7}^4界面附近输导运移、成藏^[14,22]。因此,挤压段和拉分段的地层贯通性依靠断裂和裂缝,裂缝发育程度较好且范围较大;平移段则主要依靠断裂,裂缝发育程度和范围较小。依照前文提出的“变形程度”概念,分析不同应力分段内的地层构造变形对油气输导的影响。研究表明:断裂带不同应力分段之间存在明显差异。挤压段变形程度值大于拉分与平移段,拉分段与平移段之间差别较小(图12A,B)。同时,结合不同应力分段内单井油气生产数据,产量较高的井位多分布在挤压段,如W4和W8井(图13D)。

顺北5号断裂带北段断裂带以对称型岩性组合为主,互层型岩性组合次之,上下分段型岩性组合分布范围最小。自北向南,断裂带北段依次发育互层型、对称型、互层型、对称型和上下分段型岩性组合(图13A)。相比于分段型和互层型岩性组合,在同一挤压分段内,对称型岩性组合在断裂贯穿时破裂程度最大,具有较好的贯通性,而互层型岩性组合地层破裂程度较小,且内部发育滑脱构造,故其贯通性较差(图13B,C)。当油气穿过膏岩层段时,对称型岩性组合可以更好地提供输导通道。此外,挤压段内对称型岩性组合对应的单位压降采油量高于互层型和分段型岩性组合。通过断裂带上的单井产量数据揭示(图13D),高产井分布在挤压段内,且挤压段内的单井产量差别较大,中产井或低产井分布于拉分段与平移段。结合地层变形程度,高产和中产井主要处于大于0.06的区域,小于0.06的区域为中产井和低产井(图13E)。因此,较好的输导通道更有可能位于变形程度较大地层。综上所述,岩性组合与构造变形对油气输导具有联合制约作用,当然单井生产数据也会受储层、盖层和开采技术等因素影响^[14]。

4.4 岩性组合和变形特征控制下的油气输导模式

综合岩性组合、断裂分段和岩性组合的变形特征,建立顺北区块中、下寒武统岩性组合变形与油气输导地质模式(图14)。研究结果表明:(1)顺北区块东西部岩性组合存在明显差异性,在西部区域,岩性组合在纵向以对称型叠置为主,向东渐变为互层型-对称型,东部区域以上下分段型-对称型为主。(2)总体来看,地层厚度的变形符合挤压段减小、拉分段增大、平移段基本稳定的规律,其中厚度整体减小缩短了油气输导通道的长度,更有利于油气向上运移。(3)挤压段和拉分段所产生的地层变形强度强于平移段。在挤压应力分段内,相比于其他两种岩性组合,对称型变形程度更大,而在拉分段内上下分段型岩性组合变形程度更大,地层更加破碎,因此所产生的输导空间会更大,有利于成藏。

5 结论

(1)根据塔里木盆地塔北-塔中地区中、下寒武统岩石类型及叠置样式,划分为3大类岩性组合,分别为上下分段型、对称型和互层型。上下分段型为以白云岩或灰质白云岩为代表的非致密岩性与致密岩性的组合;对称型为含膏岩类或含泥白云岩类-白云岩-含膏岩类或含泥白云岩类的组合;互层型为含膏岩类、含泥白云岩类和白云岩类的薄互层,阿瓦塔格组内互层现象更为明显。

(2)基于地震数据分析及井-震标定,岩性组合与地震反射特征具有良好的对应关系且不同岩性组合的地震反射特征存在差异性。上下分段型对应上部弱振幅,下部强振幅特征,呈现席状平行-亚平行反射特征。对称型表现为“强夹弱”特征,即两组中-强振幅且连续性较好的地震反射之间夹弱振幅、连续性中等的席状平行反射的特征。互层型岩性组合呈现出强振幅、高频率和连续性好的地震反射特征。

(3)通过地震剖面分析,将目的层变形划分为膏岩层厚度增大、减小以及厚度稳定3类,分别与断裂带的拉分、挤压与平移不同应力分段相对应。综合岩性组合类型、断裂应力分段和岩性组合的变形等特征,指明了顺北区块东、西部岩性组合样式呈现显著差异,西部以对称型叠置为主,东部以上下分段型-对称型为主;挤压段内对称型岩性组合和拉分段内上下分段型岩性组合的变形程度更大,在断裂贯穿后,地层更加破碎,因此产生的空间更大,更有利于油气输导成藏,表明油气输导受岩性组合与构造变形的联合控制。

由衷感谢中国石油化工股份有限公司西北油田分公司提供宝贵的基础资料,为本研究的顺利撰写奠定了资料基础,感谢审稿专家提出的宝贵修改意见。在软件使用过程中,得到了中国地质大学(北京)博士研究生刘倩、硕士研究生吴鹏飞和中国石油大学(北京)硕士研究生王岳丰的帮助和指导,在此一并致谢。

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基金资助

国家自然科学基金青年科学基金项目(42102151)

中央高校基本科研业务费“新教师基本科研能力提升项目”(2652022034)