DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.12.025

塔北哈拉哈塘地区古生代断裂-裂缝系统特征及其与奥陶系岩溶储层关系

石书缘，刘伟，姜华，徐兆辉，黄擎宇，陶小晚

 (中国石油勘探开发研究院，北京，100083)

摘要：以岩心、成像测井和地震数据为基础，采用岩心分析、成像测井分析、蚂蚁体追踪和地震剖面解释等技术手段研究塔北哈拉哈塘地区古生代断裂-裂缝系统特征及其与奥陶系岩溶储层的关系。研究结果表明：奥陶系碳酸盐岩储层以大型溶洞、溶蚀孔洞和溶蚀裂缝为主。通过地震解释，将研究区断裂进行分期、分级，划分成加里东中期I幕、II幕、III幕和海西早期、海西晚期5个幕次，与不同级次断裂匹配明确I级断裂主要是指海西期断裂，包括部分加里东中期断裂再次活动的断裂；II级断裂包括加里东中期II幕和加里东中期III幕断裂；III级断裂对应加里东中期I幕断裂。以哈6区块取心井完整裂缝统计为基础，将研究区内裂缝划分成构造溶蚀缝、成岩缝和缝合线3种类型。建立岩心、成像测井、蚂蚁体的3级尺度裂缝，多尺度断裂-裂缝连通网络体系，多期次发育的构造溶蚀缝和缝合线对岩溶储层的形成具有重要影响。明确断裂系统与大型溶洞储层主方位走向基本一致，且溶洞发育与其距断裂的距离密切相关，距离约为300 m时，溶洞系统密度发育最大。

关键词：塔里木盆地；奥陶系；裂缝；断裂系统；岩溶储层；缝合线

中图分类号：TE122.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)12-4568-10

Characteristics of Paleocene fault-fracture system and their relationship with Ordivician Paleokarst reservoirs in Halahatang area, north Tarim Bain

SHI Shuyuan, LIU Wei, JIANG Hua, XU Zhaohui, HUANG Qingyu, TAO Xiaowan

 (Petrochina Research Institution of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

Abstract: Based on the core, image logging and seismic data, using the core analysis, image logging processing, ant tracking and seismic interpretation, the characteristics of Paleocene fault-fracture system and their relationship with Ordivician Paleokarst reservoirs in Haalahatang area, north Tarim Bain were studied. The results show that the reservoir types mainly consist of large cavity, corrosion pore system and corrosion fracture. The Paleozoic fractures of the study area are divided into middle Caledonian movement and Hercynian movement which contained five episodes. Class I fracture mainly refers to the Hercynian faults, which includes reactive rupture of the middle Caledonian fracture, and Class II fracture is mainly the middle Caledonian act II and mid Caledonian act III fracture, Class III fracture is mainly the middle Caledonian act I fracture. Combined with achievements of core, well logging and ant tracking, a multi-scale fault-fracture model is built. The tectonic seam corrosion and structures have important impact on the development of karst reservoir. The large solution cavities developed along the fractures, and paleocave density reaches maximum about 300 m away from the fractures.

Key words: Tarim Basin; Ordivician; fracture; fault system; Paleokarst reservoir; stylolite

断裂系统内部结构特征及其与岩溶储层的关系一直都是国内外研究的热点。国外学者对断裂-裂缝系统与岩溶关系、裂缝成因等进行了大量研究^[1-4]。国内学者针对具体研究工区，也提出了一些新的观点。刘红岐等^[5]研究了塔河油田12区块奥陶系裂缝分布规律，既是地层流体的存储空间，又是连通孔洞缝的主要通道，对一间房和鹰山组的储层中起了关键作用。艾合买提江·阿不都热和曼等^[6]研究了碳酸盐岩中裂缝与岩溶作用的关系，构造裂缝为岩溶发育提供岩溶作用进行的有利通道，非构造裂缝则可以加速溶蚀作用的进行，促进岩溶的发育。倪新锋等^[7]研究认为塔北地区奥陶系灰岩段发育有3类成岩缝和3期构造溶蚀缝，不同期次裂缝与不同的构造运动相结合，提高流体渗流能力，加速岩溶作用的发生。潘文庆等^[8]以塔里木盆地为例，探讨了碳酸盐岩构造裂缝发育的模式。周文等^[9]以塔河油田为例，提出了控洞断裂和断裂控洞的观点。乔占峰等^[10]以英买力为例，提出了断裂控制大气水岩溶作用的发育模式。而具体到哈拉哈塘地区，由于其位于塔北隆起的围斜部位，经历了加里东运动、海西运动等多期构造运动的改造。长期以来被认为是一个生烃凹陷，其周缘的原油主要来自哈拉哈塘奥陶系烃源岩，奥陶系不发育储层或者储层品质较差，勘探工作一直停滞不前，但近年来通过地质构造的重新解释，确定其属于轮南低凸起奥陶系潜山背斜西部围斜带，从而推动了该区的勘探进程，促进了大油田的发现。在勘探突破后，前人已经在岩岩溶储层特征、形成机理及控制因素，裂缝特征方面取得相应成果^[11-18]。但相关研究未能详细阐述断裂系统与岩溶发育之间的关系，如Zeng等^[12]对哈拉哈塘三维地震体分析，进行古岩溶地震建模，但地质解释不透。张学丰等^[16]认为哈拉哈塘发育5期岩溶，但缺乏足够证据支撑。高计县等^[17]解剖哈6区典型井，从岩心尺度上分析了一间房组裂缝发育特征、成因类型和发育期次，但缺乏与断裂之间的关系对比。因此，本文作者系统地划分哈拉哈塘地区断裂的期次及级次，并阐述两者之间的对应关系，研究断裂-裂缝系统网络特征，建立断裂-裂缝网络模式，明确裂缝是岩溶发育的基础，建立相应裂缝与岩溶之间关系模式。

1  断裂系统特征

哈拉哈塘地区相对位置图如图1所示。哈拉哈塘凹陷的现今构造面貌是多期构造运动叠加、改造的结果，断裂展布及发育受控于多期次的构造运动。通过解释三维地震资料，明确各期次、各级次断裂的展布特征；通过岩心观察、成像测井解释和蚂蚁体裂缝追踪，明确裂缝的空间分布特征。

1.1  断裂特征

1.1.1  断裂期次划分

以哈6区三维地震资料为基础，将研究区古生代断裂划分加里东中期(包括I，II，III幕)、海西早期、海西晚期5期断裂。断裂期次划分以错断的层位为主要依据。从单个地震剖面上看，加里东中期断裂主要错段T_S(志留系时间反射底界面)之下的地层，终止于志留系地层界面上。该期断裂主要在NW-SE方向主应力的作用下，发育加里东中期I幕、加里东中期II幕、加里东中期III幕，各期断裂相对级别较小，以奥陶系时期活动为主，少量是基底断裂再次活动的结果，在整个三维区中均有分布，是早期岩溶发育的主要控制因素。平面上以NNW和NNE方向为主，纵向上，以错开奥陶系内各组为特征。海西期断裂包括海西早期和海西晚期断裂。从单个地震剖面上，海西早期断裂错断了T_P(二叠系时间反射底界面)之下的地层，向上终止于二叠系地层界面上，部分断裂是加里东期断裂再次活动的结果，总体上，海西早期断裂在研究区数量并不多，包括加里东期断裂的再次活动和海西期直接形成的断裂，走向以NNW方向为主，少量NW方向。

图1  哈拉哈塘地区相对位置图

Fig. 1  Relative tectonic zoning map in Halahatang area

1.1.2  断裂级次划分

将解释的不同期次断裂分成I，II，III级断裂。其中，I级断裂主要是指延伸长度在3 km以上，穿过了一个系地层的断裂；II级断裂主要是指延伸长度为2~3 km的切割2组以上地层的断裂；III级断裂主要是指延伸长度小于2 km的断裂，基本为层间断层^[19]。将不同级别断裂与断裂期次对比后发现，I级断裂主要指海西期断裂；II级断裂以加里东中期II幕和加里东中期III幕为主；III级断裂主要指加里东中期I幕断裂(图2)。

1.2  裂缝特征

由于裂缝尺度不一，且分类方法多样，从岩心、成像测井和蚂蚁体3个方面探讨研究区裂缝特征。在岩心尺度上，有不同的分类方法，如根据成因类型可以分为构造缝和非构造缝2种；根据裂缝产状可分成垂直缝、倾斜缝和水平缝3种；根据破裂面形态及充填程度可以分为开启缝、半充填缝、全充填缝和闭合缝。按照力学性质可分成张性裂缝和剪性裂缝^[11]。综合前人分类方法，将研究区裂缝分成构造溶蚀缝、成岩缝和缝合线3种。其中构造溶蚀缝又分成近竖直缝、高角度斜角缝、低角度斜角缝和水平缝4种；成岩缝包括水平成岩缝、低角度斜交成岩缝和网状成岩缝3种；缝合线包括锯齿状缝合线、网状缝合线和条带状缝合线3种。

图2  哈6区一间房组顶面断裂系统分期分级平面分布图

Fig. 2  Fracture system horizontal distribution in Yijianfang formation, H6 area

1.2.1  岩心裂缝特征

以裂缝的成因分类为主，将13口井从取心深度、裂缝宽度、长度、类型、条数、密度及充填程度等角度统计，建立了3口典型井裂缝密度特征表(表1)。从表1可得：岩心中构造溶蚀缝(包括近竖直缝、高角度缝、低角度缝和水平缝)和缝合线密度相对较大，无规则状的成岩缝相对不发育。从岩心观察中充填物的角度，得出统计的岩心裂缝以沥青质和泥质充填物为主，少量含方解石，部分未充填。从成因角度得出研究区以构造溶蚀缝和缝合线为主，成岩缝相对不发育，密度较小，为0.5~3条/m，仅H601-18井、H6-1井、H12-1井和H12-2井中达到30条/m。

1) 构造溶蚀缝。通过对岩心的详细观察、描述和统计，研究区构造溶蚀缝具3个方面的特征：①以剪性缝为主，张性缝较少。剪性缝可以直接通过肉眼观察，延伸长，宽度变化大，一般在1 mm以内，裂缝面较平直规则，以近竖直缝为主，具有明显的组系特征。而张性缝以高角度缝为主，充填程度不一，缝宽可达2 mm以上。②裂缝充填物具多样性。构造溶蚀缝包括全充填、半充填和未充填3种。其中，充填缝中有蓝色泥质充填物、巨晶方解石充填物、微晶方解石充填物、黄铁矿和沥青质残渣等多种类型。总体上，近竖直缝以方解石充填张性缝和沥青质充填剪性缝为主，而高角度斜交缝充填物类型多样，包括泥质、方解石、黄铁矿和沥青质等，少量未充填。低角度斜交缝充填物性质与高角度缝相似。水平构造缝以未充填缝居多，可以看到明显的溶蚀现象，是典型构造溶蚀缝特征。③裂缝具有多期性。可明显观察到不同类型裂缝之间相互切割，且充填物性质不同，根据充填物结合地球化学特征可基本判别裂缝期次(图3(a)和图3(b))。

2) 缝合线。缝合线是研究区发育最普遍的裂缝类型，多数井中密度高达30条/m以上。按照成因，分别对锯齿状缝合线、条带状缝合线和网状缝合线进行叙述。总体上，研究区内以锯齿状缝合线为主，网状缝合线次之，条带状缝合线相对较少。从充填物角度，以泥质和沥青质充填为主，少量泥晶方解石充填。但网状缝合线中沥青质充填相对更多；锯齿状缝合线中以沥青质，泥质为主，部分未充填；条带状缝合线则以泥晶方解石充填为主。从切割关系上可判别缝合线多期发育，具体表现在部分缝合线限定高角度斜交缝和近竖直缝，而有些则被高角度斜交缝、近竖直缝及低角度斜交缝所错开(图3(c))。

3) 成岩缝。成岩缝是沉积物在成岩过程或者后期成岩作用改造过程中发育的与构造作用无关或者只存在间接相关的裂缝，也可称为原生的非构造缝^[17]。在研究区以不定向缝为主，少量水平缝，后期溶蚀形成(图3(d))。

表1  哈6区典型井裂缝特征

Table 1  Fracture characteristics on typical well in H6 area

图3  典型的构造溶蚀缝特征

Fig. 3  Sructural corrosion fracture characteristic

总体上，构造溶蚀缝在H801井、H802井、H803井、H15井中相对更发育，且以近竖直缝和高角度缝为主，未充填缝较少，以沥青质-泥质半充填，主要分布在一间房组和鹰山组中；水平缝较发育，以未充填为主，H15井中水平缝密度达27.5条/m。缝合线发育密度最大。H12-1井中缝合线密度最高，达到每米发育60多条，多数井中缝合线密度为10~30条/m。H801井、H601-4井、H6-1井、H902井、H804井、RP4井等以生物碎屑灰岩为主的取心中缝合线密度低于10条/m，这反映岩性是影响缝合线发育的一个重要因素。总体上，缝合线中充填物以泥质-沥青质为主，少量纯泥质充填，黄铁矿分布较多。

1.2.2  成像测井裂缝特征

在没有定向取心井的情况下，成像测井成为确定裂缝走向的一个主要手段^[20]，且通常情况下成像测井中识别的裂缝可与岩心中裂缝有较好地对应关系^[23]。通过成像测井，基本可以得出岩心中难以反映的裂缝真实走向。为研究断裂与裂缝之间关系，统计了前人对成像测井的数据分析，得到不同井中裂缝发育优势方位，发现研究区多数井中裂缝的优势方位以85°和95°为主(图4)。

1.2.3  蚂蚁体裂缝特征

岩心观察的裂缝可与成像测井裂缝较好地对应，但缺少了连接成像测井裂缝与断裂尺度的工具。“蚂蚁追踪算法”是常用于识别介于地震剖面和成像测井之间较大尺度裂缝的一种工具。该算法是斯伦贝谢公司研发的一种可以提取具有边缘变异特性的地震属性提取方法，克服了解释主观性，有效提高了断层解释精度，可大幅缩减人工解释时间。采用王军等^[21]提出的基于蚂蚁体方位各向异性的裂缝表征方法，对哈7井区做出裂缝蚂蚁体，得到哈7井区裂缝展布特征(图5)。从图5可知，裂缝在各个方位上都有分布，以NNW为主，经计算裂缝的延伸长度一般分布在50 m以内，以30 m左右为主，个别可达到100 m以上。

1.3  断裂与裂缝关系

1.3.1  裂缝在纵向上的分布受断裂控制

断裂对于裂缝的控制作用主要体现在地球物理方法预测上。如针对塔中地区，由于断裂是该区岩溶风化壳裂缝型储层的主要控制因素，有学者提出利用曲率分析法预测的无效裂缝较多，相干预测的裂缝方位与断裂走向具有较好的一致性，古应力场分析法主要用于预测断裂、裂缝的发育趋势，叠前AVO梯度法对于大断裂周围的裂缝发育带或者岩溶缝洞体的边缘地带预测效果较好^[22]。本文综合岩心裂缝、成像测井裂缝、蚂蚁体裂缝和地震剖面解释的各级断裂，从纵向展布和横向展布2个角度进行研究。纵向上，断裂对裂缝的影响主要体现在其中裂缝发育深度与断裂级别密切相关，且靠近断裂的井，构造溶蚀缝密度越大。

图4  部分井裂缝发育优势方位

Fig. 4  Fracture development main directions on some wells

图5  哈7井区蚂蚁体识别的一间房组顶面大尺度裂缝分布图

Fig. 5  Large scale fracture identified by ants tracking on top of Yijianfang formation in H7 area

1) 裂缝发育长度、密度与断裂级别密切相关。研究区内H601-1井、H803井、H601-18井、RP4井位于I级断裂附近；H802井、H902井、H12-3井位于II级断裂附近；H15井、H7-1井、H601-4井等位于III级断裂附近。岩心观察裂缝统计表明，H803井中近竖直缝和高角度斜交缝发育，其中近竖直缝有张性缝和剪性缝2种，张性缝较宽，可达到15 mm，不光滑平直，以沥青质和方解石充填为主；剪性缝在构造应力的影响下，缝宽度多在0.1 mm左右，光滑平直，延伸较长，以沥青质充填为主。在深度6 602.5~6 599.2 m之间有1条宽度为3~5 mm的张性近竖直缝，延伸长度从岩心上可超过1 m以上，其中缝旁伴生有多个沥青质充填溶孔。剪性竖直缝在H803井中密度约20条/m。而在H12-3井中仅为3.03条/m，且几乎不可见长度超过20 cm的裂缝，以缝合线为主。说明在I级断裂旁的井中裂缝长度较大，密度较高，而在III级裂缝旁的井中构造溶蚀缝较短、且密度较低。得出断裂级别越高，井中构造缝长度越大，裂缝密度越高。I级断裂附近井中裂缝长度要大于II级断裂附近井中裂缝的长度，II级断裂附近井中裂缝长度大于III级断裂附近井中裂缝长度。

2) 裂缝发育长度、密度与其距断裂距离密切相关。统计结果表明，越靠近断裂井，构造溶蚀缝越发育。通过测量三维地震工区井与解释断裂之间距离，发现位于大断裂附近的H803井、H802井、H801井、H601-18井中均可见到宽度在2 mm以上的方解石充填近竖直缝或者高角度斜交缝(图6)，而其他井中见到的裂缝宽度一般在0.5 mm以下，且延伸长度较小。

1.3.2  断裂对裂缝在横向上的控制

裂缝的有效性与现今的地应力方向关系不密切，主要受早期断层活动的影响，与主断层平行的裂缝有效性更高。本文主要明确发育在古生代的加里东中期断裂和海西期断裂对裂缝的控制。利用15口井的裂缝走向玫瑰花图与断裂分布图进行叠合分析，发现其中H803井、H12-3井、H12-2井、H603井、H601-6井、H601-1井、H601-4井、H7-4井、H7-2井、H7-1井与距离最近的加里东中期断裂走向吻合较好，吻合率达到了67%，表明加里东中期断裂对裂缝发育具有较好的控制。是裂缝发育的一个重要控制因素。其中加里东中期断裂以NNE和NNW方位为主，在研究区全区均有分布。由于海西期断裂主要集中分布在研究区西南角，以海西早期为主，走向以NNW为主，在东北角有少量发育，控制H15井、H7-2井、H601-1井、H7-4井、H12-2井和H803井等，吻合率为33%(图7)。与加里东中期断裂的高吻合率对比表明，研究区裂缝主要受加里东中期断裂控制，裂缝主要形成于加里东中期，与裂缝期次研究结论较一致^[17]。

图6  H803井裂缝特征

Fig. 6  Fracture characteristic in H803

1.3.3  断裂-裂缝体系网络的空间分布特征

岩心资料可明确裂缝特征及成因，但不能反映裂缝发育的整体趋势，成像测井裂缝基本可与岩心裂缝标定，并利用其主方位与断裂联系起来。通过蚂蚁体表征方法可确定哈6区大尺度裂缝的分布，与解释的多级次断裂叠合，可得到哈6区块断裂-裂缝网络特征。综合了岩心资料、成像测井资料、蚂蚁体裂缝资料，得出裂缝在横向上延伸距离的长短与裂缝发育的级别呈正相关。成像测井识别出的裂缝方位与蚂蚁体识别的大尺度裂缝可得出大尺度裂缝的主要优势方位基本吻合，均以NNW和NNE方向为主，与断裂方位也基本一致，得出上一级断裂(裂缝)控制了下一级断裂(裂缝)的分布。将断裂、裂缝分级，建立综合蚂蚁体识别的大尺度裂缝和I，II，III级断裂构成的断裂-裂缝网络(图8)。从图8可知：断裂-裂缝网络的主要优势方位为NNE和NNW方位，该网络系统为流体的流动提供了空间通道，为岩溶储层发育分析提供了条件。

图7  哈6区不同期次断裂与裂缝优势方位走向的叠合图

Fig. 7  Couple relationship between different period fault and fracture main directions in H6 area

图8  哈6区断裂-裂缝系统平面特征分布

Fig. 8  Fault-fracture characteristic and its distribution in H6 area

2  断裂-裂缝系统与岩溶储层发育关系

构造溶蚀缝(包括近竖直缝、高角度缝、低角度缝和水平缝)和缝合线对岩溶发育起重要作用，它们与断裂一起构建成断裂-裂缝网络控制岩溶储层的分布。

2.1  裂缝是岩溶储层发育的基础

岩心观察表明，沿高角度缝和近竖直缝发育大量溶蚀孔洞；在裂缝交汇处，溶蚀孔洞最发育。且构造溶蚀缝和缝合线有2种关系，构造溶蚀缝可切割缝合线，后期的高角度缝也可能被缝合线限定和切割。在加里东中期I幕、II幕、III幕、海西早期和海西晚期5幕断裂及其与多期裂缝的关系的基础上，提出裂缝与岩溶发育模式(图9)。第1个阶段，加里东中期I幕，仅受加里东中期I幕断裂影响，主要发育大量无规则构造缝，少量缝合线；第2个阶段，加里东中期II幕，受加里东中期II幕断裂的影响，大量高角度缝、近竖直缝，沿着裂缝发育大量溶蚀孔，溶蚀孔中充填泥质或者微晶方解石，缝合线开始大量发育；第3个阶段，加里东中期III幕，在上一阶段的基础上，新发育有大量网状裂缝；第4个阶段，网状裂缝发育后，流体溶蚀进一步增强，溶蚀孔洞扩大，新增大量溶蚀孔洞，同时受海西早期断裂的影响，海西早期裂缝发育，伴生大量溶蚀孔，以沥青质充填为主，少量未充填；第5个阶段，多期裂缝网络沟通流体，形成了大量的溶蚀孔洞。

2.2  断裂控制岩溶储层的发育

2.2.1  断裂走向与串珠连线基本一致

通过统计哈6区块解释断裂的走向，叠合串珠反射之间的连线，建立了断裂走向与溶洞串珠连线走向的叠合分布图，发现溶洞串珠连线走向与断裂走向基本一致(图10)。

2.2.2  溶洞密度与断裂距离密切相关

通过统计断裂的名称、坐标和串珠的坐标，计算解释断裂与串珠之间的最近距离。对统计的279组数据分析，串珠在距离断裂300 m附近最发育，其中，距离100 m以内的串珠占5%，距离在100~  200 m之间的串珠占18%，距离在300 m左右的串珠占30%以上，随着距离增加，比例又下降到20%以下(图11)。

2.2.3  断裂控制溶洞在哈6区成带发育

将岩溶串珠与断裂在一间房组顶面叠合，发现断裂与岩溶串珠有很好的相关性，沿着断裂走向，岩溶串珠成带分布(图12)。

图9  裂缝与岩溶储层发育模式

Fig. 9  Patterns between fracture and paleokarst reservoir development

图10  串珠连线与断裂走向叠合分布图

Fig. 10  Beaded wire composite profile with strike of fault

图11  断裂与串珠之间距离的变化关系

Fig. 11  Distance variation relationship between fault and beads

图12  岩溶串珠与古生代断裂分布关系

Fig. 12  Relationship between beaded Karst and Paleozoic fault distribution

3  结论

1) 将研究区古生代断裂划分成加里东中期I幕、II幕、III幕和海西早期、海西晚期5个幕次，通过断裂级次与断裂期次的匹配，得出I级断裂主要是指海西期断裂，也包括部分加里东中期断裂再次活动的断裂。II级断裂主要是加里东中期II幕和加里东中期III幕的断裂。III级断裂主要是加里东中期I幕断裂。

2) 综合岩心、成像测井和蚂蚁体3个尺度的裂缝研究成果和解释的多级次断裂，建立多尺度断裂-裂缝网络体系，控制岩溶储层的分布。明确了多期次发育的构造溶蚀缝和缝合线对岩溶储层的形成起着重要影响，建立了构造溶蚀缝和缝合线与岩溶储层之间的关系。

3) 明确断裂系统与大型溶洞储层主方位走向基本一致，溶洞发育密度受其距断裂距离的控制，两者距离约为300 m时，溶洞发育密度最大。

致谢：感谢王军和李艳东等提供蚂蚁体裂缝上的指导和帮助！感谢塔里木油田岩心库的工作人员为岩心观察提供的帮助！

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2015-01-18；修回日期：2015-03-30

基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2011ZX05004)(Project (2011ZX05004) supported by the National Science and Technology Major Program of China)

通信作者：石书缘，工程师，从事碳酸盐岩储层沉积学及地质建模研究；E-mail：shi18yuan@163.com