DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.025

塔中断层交汇与岩溶缝洞体系控制的油气成藏效应

王建忠^{1, 2}，向才富^{2, 3}，庞雄奇^{2, 3}

(1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京，100083；

2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249；

3. 中国石油大学(北京) 地球科学学院盆地中心，北京，102249)

摘要：塔中45井区奥陶系礁滩体储层、塔中83井区鹰山组储层受岩溶作用以及断层交汇的多重影响，孔缝洞体系中油气水分布关系复杂，断层交汇部位是本区油气的注入点。油气沿断层交汇部位运移受岩石的破裂作用、断层对储层物性的改善作用、断层的多期活动和断层的内部结构4个因素共同控制。基于碳酸盐岩岩溶的相关研究成果，建立断层输导的岩溶缝洞体系基本模型。复杂孔-缝-洞体系中油气的差异运聚原理是分析油气在岩溶缝洞体系中运聚过程的关键，断层交汇平面上增加了岩溶体系作用范围，垂向上更易沟通多层岩溶缝洞体系，油气成藏表现出受断层交汇及岩溶作用形成的孔-洞-缝体系联合控制的差异运聚效应。

关键词：差异运聚；岩溶作用；孔缝洞单元；碳酸盐岩；断层交汇部位；塔中

中图分类号：P618.13           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)03-0952-10

Combined effects of fault intersections and karstification fracture-cavity systems on hydrocarbon accumulation in Tazhong area

WANG Jianzhong^{1, 2}, XIANG Caifu^{2, 3}, PANG Xiongqi^{2, 3}

(1. Department of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;

2. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China Petroleum University, Beijing 102249, China;

3. Center of Basin and Reservoir Research, China Petroleum University, Beijing 102249, China)

Abstract: The production, gas/oil ratio and the composition of the crude oils and natural gas in the TZ45 and TZ83 Well blocks are high at the intersection point of the NE and NW-strike fault and decrease gradually along the ridge of the structure. Thus, it can be inferred that the intersection zone is the hydrocarbon charging position. Hydrocarbon migration along faults intersection zone is jointly controlled by the effect of rock fracture, the improvement of physical properties by fault, the repeated fracturing during multi-stage tectonic movements and the internal structure of fault four factors. A complicated model of the pore-cavity-fracture system conducted by fault resulted from karstification was built according to the related research results about the carbonate karstification. The processes of the hydrocarbon migration and entrapment in that system were analyzed, which indicates that the complicated differential hydrocarbon migration is the key to interpreting this phenomenon. Under the joint control of fault intersections and karstification in the pore-cavity-fracture systems, the karstification system plane range increases, and in vertical are more likely to connect multilayer karstification systems, and the hydrocarbon migration shows the differential accumulation manners.

Key words: differential hydrocarbon migration and entrapment; karstification; pore-cavity-fracture unit; carbonate reservoir; fault intersection zone; central Tarim

叠合盆地油气勘探进入下构造层以后，勘探对象由碎屑岩转向碳酸盐岩，由高孔高渗转入低孔低渗甚至特低孔特低渗储层^[1-2]。碳酸盐岩储层总体为受岩溶和裂缝作用控制的复杂孔洞缝储层^[3-4]，由于高孔渗储层与围岩的特低孔渗储层间毛细管力有效阻碍了不同缝洞体系之间物质的交换，使每一个相对高孔渗储层形成相对独立的孔洞缝单元^[5-7]，是油气勘探的重点目标。低—特低渗透储层的特性必然使油气运移与成藏表现出一定的特性，在多期构造运动的影响下，成为叠合盆地油气勘探独立的科学问题^[8]。Gussow提出的油气差异运聚原理是解释油气分布的最基本的原理之一，并发展成为碎屑岩中的背斜型油气差异运聚原理和断层差异运聚原理。Loucks^[9-10]建立了碳酸盐岩岩溶缝洞体系的基本模式。向才富等^[7]通过对塔中83井区油气运聚规律的分析，提出碳酸盐岩复杂缝洞体系中存在明显的油气差异运聚作用，为分析复杂孔洞缝体系中油气运移成藏过程提供了新的思路。塔中碳酸盐岩油藏受岩溶作用及断层分布尤其是多期断层交汇的控制作用明显，油气分布和油气性质具有明显的分区分带性，油气沿断层交汇部位注入成藏是塔中地区油气成藏的普遍规律^[11]。因此，开展塔中地区断交汇部位与岩溶缝洞体系联合控制下的油气运移成藏效应研究，对于丰富油气成藏机理，指导油气勘探具有重要意义。

1  地质背景

图1所示为塔中地区地质特征图。塔里木叠合盆地形成演化经历了加里东期、海西期、印支-燕山期和喜山期等多期的复杂构造变动。塔中地区受NW向及NE向走滑断层的控制，形成了“南北分带，东西分块”的构造格局。塔中I号构造带是塔中低凸起与满加尔凹陷分界的边界，为一北西西走向、平面上呈近反“S”型的复杂构造带(图1(a))，是塔中地区奥陶系碳酸盐岩油气最富集、勘探地位最重要的一个区带^[12-13]。

在塔中I号构造带上，油气藏类型及分布明显受岩溶作用及断层分布的控制^[11-14]。而塔中45井区及塔中83井区位于多期断层的交汇部位，油气资源丰富，油气藏类型多样^{[11, 13]}，是分析碳酸盐岩层系受断层交汇部位与岩溶缝洞体系联合控制下油气成藏机理的极好典范。塔中45井区位于塔中低凸起I号坡折带西段，总体由塔中Ⅰ号主断裂和两组次级断裂控制，奥套系灰岩顶面构造图显示本区东南高，西北低，存在2个构造陡坡带(图1(b))，主要的勘探目的层为上奥陶统良里塔格组的良一到良三段。塔中83井区位于塔中Ⅰ号坡折带中段，鹰山组顶面构造图显示本区是1个北西倾的鼻状构造(图1(c))，主要的勘探目的层为下奥陶鹰山组的表生岩溶不整合面。

图1  塔中地区地质特征图

Fig. 1  Geologic setting of Tazhong area

塔中45井区良里塔格组礁滩复合体岩溶地貌规模发育，垂向上孔洞层集中发育段的位置受潜流岩溶带发育位置控制，潜水面的波动变化形成多套孔隙层叠置^[15]。在沉积相带控制的基础上，同生期大气淡水溶蚀、埋藏(热液)溶蚀以及断层活动等多种因素的作用下使储层的连通性变好，裂缝及溶蚀孔洞非常发育。塔中83井区鹰山组储层已发现的油气资源受表生岩溶作用的水平潜流带控制，储层物性总体以特低孔—特低渗透储层为主，储层结构受裂缝改造的控制，形成高渗透率低孔隙度的特征，是典型的裂缝型储层。塔中83井区油气水关系复杂，这主要表现在3个方面：1) 油气勘探频繁见水；2) 试采出水，即使高产井也存在复杂的出水现象；3) 无统一的油水界面和边界。上述3种现象说明本区所形成的油气藏并不是受断鼻控制的构造油气藏，而是受储层控制的地层岩性油气藏。这些在地震剖面上具有特征“羊肉串”状反射的相对独立的孔-洞-缝单元(图2(a))，是油气勘探的重点目标，而油气水在孔-洞-缝单元中的复杂分布关系迫切需要从成藏机理的角度对其进行合理解释。

2  油气运移示踪分析

准确确定油气的运移方向和路径是进行油气运聚机理分析的基础。受地质色层效应的影响，原油和天然气在运移过程中将表现为系统的原油组分和性质的变化，如芳烃、沥青质因为极性较强，在水中的溶解度大，所以在油气运移过程中其含量逐渐减小，而随着化学成分有规律的变化，必然导致其物理性质的变化，如密度、黏度、含蜡量等的减小等^[16]，因此，油气性质发生系统变化的方向代表油气的主要运移方向^{[11, 17]}。塔中45井区、83井区反映油气运移的气油比、天然气干燥系数、H₂S含量和原油含蜡量等参数(表1~2，图2~3)存在以下几个特点：1) 断层交汇部位含量异常高：所有的参数都显示在NE向走滑断层的一侧与NW向断层交汇部位异常高，而传统的背斜型油气运聚规律认为天然气总是倾向于聚集在构造高部位，从而造成构造核部的气油比、干燥系数和H₂S含量高；2) 原油和天然气的性质存在系统的变化趋势：随着远离断层交汇部位，反映天然气运移的气油比、干燥系数和H₂S含量大幅度降低，且在走滑断层两侧差异明显，同时由于喜山期的气侵作用导致远离交汇部位原油的密度也逐渐增大，而且变化趋势总体沿本区的构造脊展布。油气性质和组份的异常并不是覆盖了断层交汇形成的整个“T”型区域，而是仅仅在断层交汇部位的一侧出现，特别是在断层交汇的构造上倾部位。这些特性表明NE向断层与NW向断层的交汇部位是油气的注入口，断裂是油气运移成藏的关键因素。

图2  TZ83井区波阻抗及油藏剖面(图1中P-P′连井剖面位置)

Fig. 2  Acoustic impedance and hydrocarbon reservoir section in TZ83 district (Section P-P′ in Fig. 1)

表1  塔中83井区原油地化特征参数

Table 1  Geochemical parameters of crude oil in TZ83 Well

表2  塔中83井区天然气地化特征参数

Table 2  Geochemical parameters of natural gas in TZ83 Well

图3  塔中油气运移示踪分析

Fig. 3  Tracer analysis of hydrocarbon migration in Tazhong area

3  断层连通的岩溶缝洞体系油气的差异运聚作用

岩溶缝洞体系空间的刻画是世界性的难题^[18-20]。但是塔中地区储层类型给了非常有益的启发，即几乎所有的储层物性均为裂缝孔隙型，储层物性具有非常低的基质孔隙，但具有很高的相对渗透率。这表明晚期活动的断层对储层的改善可能形成相对较好的油气侧向联通的通道。这一点是碳酸盐岩地区非常独特之处，因为一般来说断层所主导的都是油气的垂向运移，而本区断层同样表现出明显的油气侧向运移，其原因需从断层及其导致的成岩作用进一步深入研究。

图4所示为近地表现代岩溶系统模式。根据Loucks^[9-10]提出的岩溶模型(图4)，表生岩溶地区的主要圈闭类型已建立了较为合理完善的模式^[7]，任何复杂的岩溶过程均可归纳为此简化模式的叠加和复合，因此通过已有简单模型油气运移过程的分析，可以探究碳酸盐岩复杂缝洞体系的油气成藏过程。断层作为沟通深部油气的通道，一方面改造了储层形成裂缝孔隙型储层，同时也是深部热液上升的通道，复杂的热液溶蚀作用进一步改造了储层^[21]。受断层控制，岩溶体系的分布具有平面分带性，在断层交汇部位尤为明显^[22]。同时，多期交切断层更容易联通垂向分层的岩溶体系，因此断层活动所伴随的封闭-疏导效应等多种地质过程对碳酸盐岩缝洞体系的改造使油气运聚过程更加复杂化^[23]，但从地质解析的角度，可以将该系统理解为受断层沟通的多层碳酸盐岩缝洞体系的油气运移。

区别于碎屑岩的断层油气差异模式，碳酸盐岩缝洞体系中的断层不会形成规则的下部油藏，中间油气藏和上部油藏的分布模式。油气藏的空间分布模式与断裂带中是否充满了地层水密切相关。若储层中充满了地层水，则可以与表生岩溶体系中储层充满地层水的运移模式相对应，总体在临近断裂带附件形成气藏，随着远离断裂带形成油气藏和油藏，规模取决于断层输导油气的量；相反，若储层为干层，则可与表生岩溶体系中储层中地层水不充满的运移模式相对应，其区别是在垂向上存在多个油气的注入点，从而在垂向上形成多层缝洞体系成藏过程。

图5所示为断裂复杂化的溶缝洞体系模式及其油气运移过程。图5(a)所示为储层中充满地层水，早期原油充注充足而晚期有限气侵的油气分层聚集模型。油气的注入点位于早期油源充足时，油气在浮力的作用下沿断裂系统垂向输导，在上、下2层缝洞体系中同时形成油藏，油水界面同样受局部圈闭溢出点的控制；晚期有限气侵时，天然气在浮力的作用下对两层孔洞缝体系同时气侵，由于圈闭的规模不同，导致每一个圈闭的充满度不同，因此，在每一个缝洞单元中均形成了复杂的油气界面。

图5所展示模型的油气注入点的特别之处在于：油气在浮力的作用下正好可以同时沿AA′和AB′运移。因此，若油气的注入点偏向A点的左侧，则油气只能向下层缝洞体系充注，只有将下层缝洞体系充满后才能逐渐向上层扩展(图5(b))；反之，若油气注入点位于A点的右侧，则油气主要沿AB′运移，只有将上层缝洞体系充满后才能向下层缝洞体系充注(图5(c))。可见，断层倾角和油气注入点的相互关系及原始储层中的含水情况将会强烈影响所形成油气藏的分布模式。

图4  近地表现代岩溶系统模式(据文献[10]修改)

Fig. 4  A near-surface modern karst system (Revised by Ref.[10])

图5  断裂复杂化的溶缝洞体系模式及其油气运移过程

Fig. 5  Hydrocarbon migration process in a multi-layer pattern of pore-cavity-fracture system connected by faults

虽然岩溶缝洞体系具有复杂的网状结构，但这并不意味着油气运移同样具有网状运移和成藏的特点，相反，油气的运移是具有高度的选择性的，仅仅利用了岩溶缝洞体系中的有限通道。这主要是油气运移受浮力作用的控制，而地层水的流动主要受重力作用控制这一本质区别决定的。

4  断层交汇部位的成藏效应

4.1  油气沿断层交汇部位点状注入

4.1.1  断层改善了储层物性，断层交汇部位改善尤为强烈

油气沿断层运移的必然性是断层强烈改造了储层物性，从而形成油气选择性运移的物性良好的输导通道。塔中Ⅰ号坡折带的储层物性总体以特低孔—特低渗透储层为主，储层的孔隙度(体积分数)＜5%，渗透率＜1 mD(图6)。储层物性总体受原始的沉积环境和后期改造储层物性的多种因素控制，其中最重要的控制作用是海平面下降所造成的岩溶作用和多期构造活动的影响^[25]。孔渗关系统计结果表明，储层孔隙结构主要表现为孔隙型、裂缝型和裂缝-孔隙型3种类型。在塔中45井区和83井区断层附近钻井的孔渗关系进行综合分析发现靠近断层交汇点的钻井储层特征更多表现为裂缝型储层，而远离断层交汇点的储层特征逐渐表现为孔隙型储层(图6)。储层渗透率在断层的交汇部位相对于Ⅰ号坡折带的背景值来说提高了1~2个数量级，并且这种渗透率的变化在断层的交汇部位最为明显，普遍提高了2个数量级，而在远离断层交汇部位的Ⅰ号坡折带提高效果明显下降^[12]。这说明断层交汇部位比单条断层更易形成裂缝型储层，而正是裂缝型储层对油气的侧向和垂向运移产生了至关重要的影响。

4.1.2  断层交汇部位是多期构造运动中应变集中的 部位

断层交汇部位的储层物性大幅度提高的另外一个原因是该部位是多期构造活动应力和应变集中的部位。从岩石力学的角度来说，断层交汇部位的岩石力学性质强度更小，在相同的构造应力和流体动力条件下，更容易造成断层的复活和活动，从而形成油气垂向运移的通道。吴立新等^[25]在垂直交汇断层组合事件的物理模拟实验中发现，凡主次断层交汇的部位都出现高温辐射，说明断层交汇部位更容易发生断层的错动，从而导致岩石的破碎。从构造变形的角度来说，断层交汇部位是多期构造活动中构造应力集中的部位，有利于岩石的构造变形和反复破碎，形成油气运移的高孔渗通道。塔中地区发生了多期多幕构造活动，储层物性在断层的交汇部位改善最为明显。

图6  塔中储层孔渗特点及其平面分布图(据文献[12]修改)

Fig .6  Plane distribution of reservoir porosity and permeability properties in Tazhong area (Revised by Ref.[12])

分形理论是揭示成矿体系时空结构特征的有效方法。断裂构造的分维值可以定量描述断裂分布的复杂性和构造演化的成熟度。用容量维(盒维数)的方法对塔中83井区断裂进行研究，结果表明该区断层的分布符合分形特征(图7(a))。如果从断层交汇部位向远离断层交汇部位的TZ722井区作1条断层分维数的剖面PP′(剖面位置见图1)，会发现在交汇部位断裂分维数高，随着远离交汇部位，分维数(1.6＜D＜1.9)大体呈指数曲线降低(图7(b))。这一断层密度的分布特征与前述的渗透率随着远离断层而逐渐降低的规律大致吻合。

图7  塔中83井区断裂分形特征

Fig. 7  Fractal feature of fault systems in Well TZ83 block

4.1.3  多期构造活动有利于断层的交汇

叠合盆地多期多幕构造运动有利于同期或者不同期次断层形成交汇切割。断层交汇存在以下几个成因机制：

1) 共轭断层。在同一应力场作用下同期形成的两组相交断层；

2) 调节断层(或转换断层)。转换断层是具有较大走滑运动分量的横向断层，正断层和伸展构造体系在走滑断层内终止^[26]。调节断层还经常出现在断层走向发生改变的部位，导致该部位成为重要的油气聚集场所。塔中Ⅰ号坡折带在塔中45井区所处的构造部位正是断层走向发生改变的部位，相交断层的形成可能与这种机制有关。

3) 不同期次断层的交切。塔中Ⅰ号坡折带断层形成于中加里东时期，此后断层的活动微弱。但是相应的NE向断层系却形成于晚加里东期。晚加里东期受阿尔金洋俯冲消亡的影响，塔中地区发生了强烈的东西向的构造翘倾作用。志留纪末期的构造运动形成了塔中地区南北分带、东西分块的构造格局，塔中45井区、塔中83井区断层即属于这种成因机制。断层交汇不仅在平面上增加了岩溶体系作用范围，在垂向上更易沟通多层岩溶缝洞体系，从而导致油气在更广泛的孔-洞-缝体系中的分布。

4.2  油气沿断层的差异运聚效应

受断层变形机制和断裂带充填物质的影响，油气沿断层发生运移时会造成在断层不同构造部位的聚集效应差异明显。断层结构及对渗透率的影响大致分为3类^[27](图8)。考虑油气注入点与断层涂抹层之间的相互关系，就会发现油气在断层不同构造部位注入会导致不同的油气聚集效果。在前2种情况下，受断层涂抹作用的影响，油气沿A(或者B)中的1点注入时，总是倾向于利用高孔渗的有限通道运移，因而不会穿越低孔渗的断层涂抹层，导致油气总是在油气注入点相应的一侧断块聚集。而对第3种情况来说，油气总是倾向于沿整个断裂带运移，受浮力的影响，油气总是倾向于在构造的上倾部位聚集。

塔中45井区和83井区油气沿断层的这种差异运聚现象非常明显，所有油气性质异常的部位同时也是相对高孔渗的部位。油气运聚的效果及其产生的异常幅度在构造上倾和下倾部位存在明显的差异，说明油气在沿断层进入碳酸盐岩复杂孔洞缝体系时，总是优先进入构造上倾部位的孔洞缝体系，导致在构造的上倾方向上油气富集，而相应的构造下倾方向的孔洞缝体系不会受到油气的充注或者充注很少。这可能说明断层的交汇部位不存在明显断层涂抹，断裂带的渗透率高于围岩，这一点与本区孔渗关系的平面分布特点一致(图6)。

图8  断层带渗透率结构及其产生的差异运聚效应(据文献[28]修改)

Fig. 8  Permeability structures of fault belts and corresponding differential migration and accumulation effects (Revised by Ref.[28])

油气沿断层交汇部位注入成藏并在断层交汇部位附近的孔洞缝体系中富集对油气勘探的启发是：在同一断层带中，勘探应首先围绕断层交汇部位展开。确定油气的注入点就确定了油气的勘探区带，而研究油气沿走滑断层垂向运移过程及在孔洞缝体系中的分配作用即确定了油气勘探的目标。

5  结论

1) 塔中Ⅰ号坡折带45井区及83井区NE向断层与NW向断层的交汇部位是油气主要注入点，油气运移导致本区原油和天然气性质参数随着远离油气注入点而系统降低。碳酸盐岩复杂孔缝洞体系中存在独特的油气差异运聚作用，断层交汇平面上增加了岩溶体系作用范围，垂向上更易沟通多层岩溶缝洞体系，岩溶缝洞体系中油气运聚路径具有高度的选择性。

2) 油气沿断层交汇部位注入有其深刻的理论依据，在叠合盆地多期多幕构造活动中容易导致不同期次或者同期不同方向断层的交切，形成断层交汇部位；形成的断层交汇部位在后期构造活动中更易导致应力和应变的集中；频繁的断层活动导致断层交汇部位的储层物性高于平均水平1~2个数量级，提高了油气的运聚效率。

3) 受断裂带内部结构的影响，油气沿断层运移存在差异运聚作用。当断裂带存在断层涂抹层时，油气的注入点决定了油气富集的部位，反之，油气在浮力的作用下在构造的上倾方向富集。油气勘探中确定了油气的注入点即确定了油气的勘探区带，了解油气沿断层垂向差异运移过程及在孔洞缝体系中的分配作用即确定了油气勘探的目标。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-05-17；修回日期：2014-08-10

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB202308，2011CB201100)；国家科技重大专项(2011ZX05007-002) (Projects(2006CB202308, 2011CB201100) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2011ZX05007-002) supported by the National Science and Technology Major Project)

通信作者：向才富，副教授，从事地质流体及其成矿与成藏作用研究；E-mail: xcf@cup.edu.cn