斷控碳酸鹽巖油氣藏開發地質認識與評價技術
——以塔里木盆地為例

江同文 昌倫杰 鄧興梁 李世銀 鄔光輝 萬效國 關寶珠

1.中國石油勘探與生產分公司 2.中國石油塔里木油田公司勘探開發研究院 3.西南石油大學

0 引言

深層、超深層油氣資源潛力巨大，具有重要的能源安全戰略地位，但目前也面臨著一系列重大的勘探開發難題[1-4]。塔里木盆地臺盆區深層、超深層海相碳酸鹽巖油氣資源豐富，在奧陶系已發現輪南—塔河風化殼型油田和塔中礁灘體—風化殼型凝析氣田，二者分別是目前我國最大的海相碳酸鹽巖油田與凝析氣田。在塔里木盆地前期油氣勘探過程中，已經對奧陶系碳酸鹽巖沉積儲層與油氣藏進行了大量的研究，建立了風化殼與礁灘體的“相（層）控準層狀”油氣藏模型[5-8]，揭示了“古隆起控油、斜坡富集”的油氣分布規律[6-10]。

自20 世紀80 年代塔里木盆地碳酸鹽巖油氣藏被發現以來，先后開展了多輪次的油氣藏評價與開發攻關研究。初期以構造油氣藏的理論模式開展油氣藏評價，但油氣發現少、探明難[7]。2000 年以來，在塔北與塔中地區開展了巖溶儲層與礁灘體儲層的研究，以儲層控油的大型“準層狀”油氣藏理論模型指導碳酸鹽巖油氣藏的評價，通過技術進步探明了大量的油氣資源[7,11-13]，并逐步開展了開發試驗與建產。但是，塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖油氣藏特征極為復雜，油氣分布極不均勻、產出極不穩定，難以形成高效穩產井組，開發難度極大[11-13]。中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）礦權范圍內早期開發過程中的高產穩產井比例不足30%、產量自然遞減率大于20%，難以規模建產與效益開發。近10 年來，通過創新走滑斷裂斷控油氣藏地質理論認識與開發方法技術，采取相適應的油氣藏評價與開發方案，取得了超深（埋深超過6 000 m）走滑斷裂斷控油氣藏開發的重大突破，實現了碳酸鹽巖油氣藏的效益開發，引領了我國超深復雜碳酸鹽巖油氣藏開發示范工程。

為此，基于塔里木盆地超深復雜碳酸鹽巖油氣藏的研究與開發實踐，筆者系統總結了走滑斷裂斷控油氣藏地質理論、評價方法、開發技術及其成效，以期為同類復雜碳酸鹽巖油氣藏的評價與開發提供借鑒。

1 研究背景

塔里木盆地是由周緣新生代前陸盆地與古—中生代克拉通盆地組成的大型復合疊合盆地[14]，經歷多期構造運動并形成了多套儲蓋組合與含油氣層段，油氣資源豐富[7]。盆地內油氣主要分布于塔北隆起南斜坡與塔中凸起北斜坡的中下奧陶統鷹山組（O1-2y）、中奧陶統一間房組（O2y）及上奧陶統良里塔格組（O3l）[7,10]。奧陶系碳酸鹽巖儲層以次生溶蝕孔、洞與裂縫組成復雜的三重孔隙空間[7]，基質孔隙度多小于4%、滲透率一般小于2 mD；但鉆遇大型縫洞體的孔隙度高達10%～50%、滲透率多大于5 mD。前期研究認為塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖油氣藏是大型準層狀風化殼型與礁灘型油氣藏[5-8]，油氣藏埋深介于5 000 ～8 000 m。

近年來，在塔北隆起與塔中凸起之間的北部坳陷奧陶系碳酸鹽巖不斷獲得新發現[15-16]，勘探開發已突破古隆起控油的范圍，并不斷向坳陷區超深層延伸。隨著油氣藏評價與開發實踐的深入，發現碳酸鹽巖中油氣雖然大面積分布，但基質儲層致密，優質縫洞體儲層主要沿斷裂帶分布[17-18]，并成為開發的主要對象。同時，油氣主要沿斷裂帶富集，流體分布和流動方式復雜，油氣井開采動態特征差異大，無統一的油水界面，難以準確刻畫油氣藏的邊界，不同于“相控”準層狀礁灘體與風化殼油氣藏。為了實現對這類復雜斷控碳酸鹽巖油氣藏的規模與效益開發，需要重新認識與構建碳酸鹽巖油氣藏理論，建立相適應的油氣藏評價與開發方法技術。

2 油氣藏地質特征

塔里木盆地下古生界海相碳酸鹽巖油氣藏極為復雜，開發地質認識經歷了構造控油—儲層控油—斷裂控油等3 個階段。前期提出的“古隆起控油”與“相（層）控準層狀”油氣藏理論難以有效指導油氣藏的評價與開發[12,17-18]，近年來通過開展走滑斷裂構造解析及其控儲控藏作用研究，逐步構建斷控油氣藏理論模型，取得了坳陷區斷控油氣藏勘探開發的重大突破。

2.1 大型環滿西走滑斷裂系統

在充分應用塔北隆起—塔中凸起大面積三維地震資料的基礎上，通過走滑斷裂構造建模與工業成圖，沿塔北隆起—塔中凸起發現環滿西走滑斷裂系統，面積達9×104km2（圖1）[15-16,19]。

圖1 塔里木盆地環滿西走滑斷裂平面分布圖

平面上，地震資料識別出70 條大型走滑斷裂帶。其中長度超過50 km 的Ⅰ級走滑斷裂帶有25 條，最大規模的FⅠ5 斷裂的長度達300 km，將研究區走滑斷裂系統從東西方向劃分為2 個區帶。南北方向上，可劃分為差異分布的塔北隆起、北部坳陷與塔中凸起3 個區塊[19]。塔中凸起發育北東向走滑斷裂，部分向北部坳陷延伸。塔北隆起南斜坡則出現北東與北西向兩組走滑斷裂，中部哈拉哈塘地區以共軛“X”形走滑斷裂為主，東部以北東向斷裂為主，西部則發育北西向走滑斷裂。北部坳陷已發現的走滑斷裂較少，多數斷裂向北撒開，多條斷裂向南收斂與FⅠ5 斷裂相交，或南北方向上與塔中凸起、塔北隆起斷裂連接。環滿西走滑斷裂帶具有分段性，主要體現在斷裂的構造樣式與高差變化[19-20]。需要說明的是，由于北部坳陷二維地震解釋的走滑斷裂精度較低，斷裂識別難度大，可能還存在斷裂尚未解釋，因此斷裂分布范圍可能更大。

剖面上，走滑斷裂復雜多樣，通常呈現不同特征的花狀構造[16-20]。走滑斷裂主要分布于寒武系—奧陶系碳酸鹽巖，向上可能繼承發育至志留系—泥盆系，局部斷至石炭系—二疊系及古近系[19-22]，從奧陶系向上走滑斷裂的數量突然減少（圖2）。不同層位的斷裂性質、樣式、規模與分布差異大，形成寒武系—奧陶系、志留系—泥盆系、石炭系—二疊系、中生界—古近系等4 大構造層差異分布的走滑斷裂系統[16-22]。奧陶系走滑斷裂最發育，以壓扭斷裂為主，構成了走滑斷裂系統的基本格局；一系列主干斷裂繼承性發育至志留系—泥盆系，以張扭斷裂為主，并在向上擴張的基礎上形成雁列構造[20]；僅有局部主干斷裂向上繼承性發育至石炭系—二疊系，主要分布在塔北隆起，以張扭斷裂為主，斷裂帶狹窄，但斷距可大于200 m。中生界—古近系的走滑斷裂主要為分布于塔北隆起的主干斷裂，以北東向密集發育的小型雁列斷裂為主[23]。

圖2 塔北隆起走滑斷裂地震剖面圖

根據斷裂膠結物U-Pb 測年（距今時間為460 Ma）結合走滑斷裂向上終止的層位分析，環滿西走滑斷裂系統形成的時間為中奧陶世末期[20]。根據地震剖面上走滑斷裂分布的層位及其特征，在晚奧陶世、志留紀—泥盆紀、石炭紀—二疊紀、中生代—古近紀存在多期走滑斷裂活動[19-23]，其斷裂樣式、分布均不同于下部寒武系—奧陶系碳酸鹽巖的斷裂。初步研究認為，環滿西走滑斷裂系統以連接生長機制為主，通過分段斷裂的連接加長而形成“小位移”（小于2 km）的長斷裂，其成因受控于區域與局部應力場、先存基底構造與巖相差異[20]。

綜上所述，塔里木盆地發育面積為9×104km2的環滿西走滑斷裂系統，具有分級、分區、分段、分層與分期的差異性，形成復雜多樣的走滑斷裂特征。走滑斷裂主要分布在下古生界碳酸鹽巖，志留系—泥盆系、石炭系—二疊系、中生界—古近系有繼承性發育，其形成演化與成因機制復雜。

2.2 斷控碳酸鹽巖儲層

塔里木盆地寒武系—奧陶系發育多期多類型的臺緣礁灘體，形成疊合面積達2×104km2的礁灘體儲層發育區[7]，同時還發育大面積的臺內灘。但礁灘體基質儲層致密，難以形成有效儲層，斷裂對儲層發育具有重要作用[15-18]。統計分析表明，80%以上缺少斷裂與巖溶改造的礁灘體儲層油氣產量極低[10,24]，而90%以上高效井位于斷裂帶上，多是鉆遇大型縫洞體，并發生大量的鉆井液漏失與放空現象。塔里木盆地中晚奧陶世發育多期短暫的層間巖溶[25]，有利于沿走滑斷裂破碎帶發育巖溶縫洞體儲層，并有助于后期埋藏溶蝕作用，形成多期多種類型的斷裂破碎帶縫洞體儲層。一般而言，縫洞體儲層的規模隨與走滑斷裂距離的增加而降低，油氣產量也隨之降低。塔北隆起哈拉哈塘地區一間房組礁灘體中縫洞體儲層主要分布在距離走滑斷裂1 300 m 范圍內，構成了油氣產量的主體；塔中凸起中西部鷹山組風化殼受古巖溶作用影響，縫洞體儲層的分布可能遠離斷裂，但大型縫洞體也主要分布在距離走滑斷裂2 300 m 范圍內，表明走滑斷裂對縫洞體儲層的發育十分重要。地震儲層預測與鉆探揭示8 000 m 以深的超深層碳酸鹽巖仍有儲層發育，主要也是沿走滑斷裂分布。

斷裂與表生巖溶、埋藏期溶蝕作用形成的大型縫洞體的發育密切相關[10,15-18]，斷裂附近、斷裂交匯處是大型縫洞體儲層發育的有利部位。沿斷裂可能發生多種類型流體—巖石相互作用，形成不同特征的溶蝕孔洞[15-18,24-25]。斷裂對儲層發育的控制作用主要表現在3 個方面：①形成裂縫網絡，使儲層滲透率提高1 ～3 個數量級；②有利于暴露期大氣淡水透鏡體的形成與地下水流動，成為溶蝕孔洞發育的優勢部位；③斷裂具有多期繼承性活動，有利于晚期斷裂與埋藏溶蝕作用的發生。由于復雜的斷裂網絡影響，形成沿斷裂非均勻分布的復雜縫洞系統，目前發現的大規模縫洞系統多沿斷裂破碎帶多層段差異分布。

2.3 斷控油氣藏模式

早期研究認為坳陷內幕區缺乏高能相帶與風化殼，碳酸鹽巖儲層整體不發育。近年油氣藏評價實踐表明，北部坳陷阿滿過渡帶走滑斷裂帶也發育碳酸鹽巖儲層[15-18]，并獲得高產工業油氣流。塔中凸起鷹山組風化殼的高效井大多位于距離主斷裂2 km 內；哈拉哈塘地區的油氣分布與走滑斷裂更為密切，高效井基本分布在距走滑斷裂600 m 范圍內。哈拉哈塘及鄰區統計資料分析表明，153 口工業油氣產量井中124 口（占比為81%）沿走滑斷裂分布，走滑斷裂之間的189 口井中低效井與失利井高達160 口（占比為85%）。綜合近年來的研究成果，建立了不同于“相控”準層狀油氣藏的走滑斷裂斷控碳酸鹽巖油氣藏模式（圖3），形成“先斷后溶、斷裂促溶、多期充注、復式成藏”的成藏認識。

圖3 塔里木盆地環滿西走滑斷裂油氣藏模式圖

下寒武統是塔里木盆地臺盆區主力烴源巖[7,10]，通過走滑斷裂的溝通，形成下寒武統—上奧陶統良里塔格組海相碳酸鹽巖為主的多套含油氣層系（圖3）。環滿西走滑斷裂系統經歷中晚加里東期、早海西期、晚海西期、印支—燕山期與喜馬拉雅早期等多期繼承性斷裂活動[19,20]，與中加里東期、晚加里東期及早海西期的風化殼巖溶及層間巖溶作用[10]，以及中晚加里東期、晚海西期及喜馬拉雅期油氣充注期匹配良好[7,26-27]。通過斷裂、溶蝕與充注3 要素的時空配置與演化，油氣沿斷裂帶縱向多層段聚集成藏，從而形成了油氣富集“甜點”沿斷裂分布的走滑斷裂斷控復式成藏系統[18]（圖3），不同于“相控”準層狀油氣藏。通過走滑斷裂的識別與評價，目前已發現大型走滑斷裂帶70 條，構成斷控油氣系統面積達9×104km2。其中奧陶系碳酸鹽巖斷裂破碎帶的寬度一般介于200 ～1 500 m，最寬達3 000 m，有利油氣運聚與成藏面積逾5 000 km2，成為塔里木盆地當前勘探開發的重點領域。

總之，通過重新認識油氣成藏理論，構建不規則分布的一系列小型隱蔽成巖圈閉組成的“小油氣藏群”組成大油氣田的斷控油氣藏模式，在坳陷區發現了逾10×108t 級的超深層走滑斷裂斷控大油氣田。

3 油氣藏評價與開發技術

塔里木盆地走滑斷裂斷控油氣藏位于沙漠腹地，地震資料品質差，單個油氣藏規模小、儲層與流體分布極為復雜，油氣產出極不穩定，業界沒有相關的油氣藏開發經驗可供借鑒，效益開發挑戰極大。通過近年來的探索發展，集成創新形成了一系列超深層走滑斷裂斷控碳酸鹽巖油氣藏評價與開發的技術，支撐了塔里木盆地復雜斷控油氣藏的效益開發與規模建產。

3.1 基于高精度地震采集處理的斷控油氣藏描述技術

3.1.1 高密度地震采集技術

由于塔里木盆地臺盆區地表多為沙漠，碳酸鹽巖油氣藏埋藏深、儲集體規模小，常規地震資料信噪比低，難以有效刻畫微小走滑斷裂及其相關縫洞體儲層[28-29]，因此開展了高密度地震采集攻關。針對表層沙丘厚度大而疏松、地震波吸收衰減嚴重、碳酸鹽巖內幕信噪比低的難題，深入開展了不同觀測系統、不同激發與接收組合的實驗，實現了地震采集設計由窄方位向寬方位、由低密度向高密度的轉變。同時，完善并形成了碳酸鹽巖縫洞疊前成像觀測系統設計技術、寬方位＋高密度采集系列技術，有效壓制了干擾，大幅提高了地震資料信噪比及分辨率（圖4）。通過高密度資料應用，發現大量常規地震相干體上難以識別的微小斷裂、主干斷裂更加清晰，為走滑斷裂精細描述提供了資料基礎。高密度資料相比常規地震資料，深層走滑斷裂的地震成像更為清晰，斷裂帶縫洞體儲層的識別數量成倍增加，奠定了油氣藏描述的資料基礎。

3.1.2 走滑斷裂精細識別與刻畫技術

在斷裂精細刻畫方面，前期通過地震剖面與相干平面圖，識別出一系列大型走滑斷裂帶，但斷裂的內部結構復雜，微小斷裂判識困難。針對地震剖面上斷裂多解性強，微小走滑斷裂難以識別，結合地震剖面斷裂建模，集成應用相干、曲率、振幅變化率、自動斷裂拾取（AFE）、螞蟻體、最大似然屬性等技術，形成“雙重濾波＋振幅變化率”為核心的多尺度弱走滑斷裂識別技術（圖5），解決了埋藏深、地表差、位移小、火成巖發育造成的斷裂成像難題，實現了對次級斷裂的精細刻畫，為斷裂描述與圈閉評價提供了基礎。

3.1.3 超深層走滑斷裂縫洞體儲層預測技術

針對超深層復雜斷裂及其儲層識別面臨的問題，開展了多種處理技術的攻關，在地震資料處理上實現了由疊后向疊前、由時間域向深度域、由各向同性向各向異性處理思路和技術的轉變，形成了一系列針對性的去噪技術、保幅各向異性處理技術、速度建模技術、偏移處理技術等[29]。通過一系列地震處理技術攻關，不僅發現更多縫洞體儲層，而且縫洞體儲層的空間位置更為準確，為目標評價奠定了基礎。

圖4 常規地震資料（左）與高密度地震資料（右）成像對比圖

圖5 原始資料振幅變化率（左）與多重濾波后的振幅變化率（右）對比圖

針對縫洞體儲層預測面臨的問題，在走滑斷裂精細解釋的基礎上，集成創新了多種地震屬性與井控反演技術，進行走滑斷裂縫洞體儲層的識別與刻畫[29-31]。在儲層反演方面，形成了振幅、頻率、波阻抗、相干技術等疊后預測技術，發展了基于反射角的振幅隨方位角變化（AVAZ）裂縫預測技術、分方位裂縫儲層描述（FRS）技術和偏移距矢量片域（OVT）的五維地震疊前裂縫預測技術[29]，提高了不同尺度的裂縫預測精度，初步實現了縫洞單元中各縫洞體的空間形態及相互連通關系的刻畫。在儲層量化雕刻方面，通過對地震疊前疊后儲層約束反演，進行多尺度斷裂及縫洞體三維可視化量化雕刻。這些方法技術高效地支撐了走滑斷裂帶的井位部署與油氣藏評價。

3.2 斷控油氣藏開發方法與關鍵工程技術

3.2.1 走滑斷裂斷控碳酸鹽巖油氣藏3 級評價方法體系

在油氣藏評價過程中，評價思路從以區塊（或油氣藏）為評價單元轉到以斷裂破碎帶為評價單元，進行逐條斷裂評價、逐段滾動開發，建立了碳酸鹽巖評價單元、儲量單元與油/氣藏單元的3 級評價體系[32]（圖6）。通過同一區塊內不同斷裂帶找準富集帶，在同一斷裂帶找準富集段，在同一油氣藏單元內研究確定“主干油源斷裂＋正地貌＋油柱高度大（長串珠）”的高效井定井方法，形成定帶、定段、定井的高效井部署思路，提高了鉆井成功率與高效井比率。中國石油礦權內富滿油田2018 年以來完鉆35 口，日產油量超100 t 的井達到29 口。

3.2.2 斷裂破碎帶水平井開發技術

圖6 塔里木盆地中古8 開發單元走滑斷裂油氣藏3 級評價體系圖

由于走滑斷裂存在大漏后易噴的情況，而且部分區塊高含硫化氫，在后期試油及完井工作中都有巨大的井控安全風險。在前期超深碳酸鹽巖水平井鉆井技術的基礎上[30]，針對碳酸鹽巖斷裂破碎帶復雜的內部結構與滲流特征，通過技術攻關，形成了穿斷裂破碎帶的大斜度＋水平井的鉆井技術，發展完善了精細控壓鉆井技術，實現了貫穿斷裂帶多套縫洞體油層的目標，同時實現了穿斷裂帶安全快速鉆進。為了實現鉆井地下靶點的精準導航，探索引入了隨鉆地震導向鉆井（SGD）技術，利用垂直地震剖面（VSP）隨鉆測井實時動態監測結果約束井旁三維地震數據，快速修正速度模型和各向異性參數，實現快速深度偏移處理，指導鉆頭軌跡，顯著提高了深層碳酸鹽巖鉆井中靶率。

3.2.3 碳酸鹽巖儲層分段改造技術

鑒于大位移水平井可鉆揭多個縫洞儲集單元，而每個縫洞儲集單元的規模、儲層的物性、偏離井眼的距離各不相同，采用了分段改造技術。通過地質、地震、測試資料對儲層進行改造前的綜合評估，確定不同類型斷控儲層改造方案，集成發展了綜合地質評估技術、分段改造工藝與技術[33-34]。通過攻關與應用，實現了溝通多套縫洞體系，數倍提高單井產能，并控制產量遞減速度的目標，達到了高效開發斷控碳酸鹽巖縫洞型復雜油氣藏的目的。

3.2.4 斷控油氣藏高效開發與開采技術

針對斷裂帶油氣產量不穩定，遞減率高的難題，創新形成了產量增量—壓降損耗速度拐點法、產量—動態儲量數學關系法、類比產能試井法等方法，綜合確定合理工作制度，優化單井產能并進行分類管理[35]，確保長期穩定生產。創新利用奧陶系油氣藏上部非目的層巨大的承壓水層直接作為自流注水水源，研發了一套能應用于陸上油氣田的自流注水新技術，解決了一系列大沙漠區碳酸鹽巖油氣藏注水開發提高采收率的難題。同時，開展了一系列注水與注氣開采的試驗與實踐，并已初見成效，為進一步高效開發提供了技術條件。

總之，通過油氣藏評價與開發方法技術的進步，實現了塔里木盆地超深層走滑斷裂斷控碳酸鹽巖油氣藏的效益評價與開發。

4 油氣藏評價與開發效果

通過走滑斷裂斷控油氣藏理論認識的突破，塔里木盆地超深層碳酸鹽巖走滑斷裂斷控油氣藏評價與開發取得了重大成效：①構建了斷控油氣藏模式，突破了傳統的“古隆起控油”與“相控”準層狀油氣藏理論，指出縱向斷穿寒武系、平面延伸到生油氣凹陷的斷裂是更優的通源斷裂，發現與落實了70 條主干走滑斷裂帶，開辟了9×104km2環滿西走滑斷裂斷控油氣藏的增儲上產新領域，已為北部坳陷的MS1 井等鉆探所證實。②形成“斷裂破碎帶差異富集”的評價與開發部署思路，制定了圍繞斷裂破碎帶尋找“甜點”的3 級評價部署體系，使塔里木盆地超深層斷控碳酸鹽巖油氣效益開發成為可能。③集成形成了適用于油氣藏評價與開發的配套方法技術系列，塔里木油田碳酸鹽巖鉆井成功率從73%增長到90%以上，高效井比例增加近20%。④2013 年以來，哈拉哈塘地區碳酸鹽巖新建產能超過100×104t/d，塔中凸起穩步新建天然氣年產能逾10×108m3；尤為突出的是，阿滿過渡帶北部富滿地區高效井比例高達70%，平均單井原油產能超過70 t/d，新建產能達150×104t/d，成為塔里木盆地碳酸鹽巖油氣藏效益開發的典范。塔里木盆地海相碳酸鹽巖油氣藏開發開始進入快速增長期，近10 年來油氣年產量當量增加300×104t，預計“十四五”末油氣年產量當量可達到800×104t。

5 結論

塔里木盆地海相碳酸鹽巖油氣藏地質條件極為復雜，通過近10 年評價與開發實踐，逐漸形成走滑斷裂斷控油氣藏的理論認識與評價開發技術。

1）發現了面積為9×104km2的環滿西走滑斷裂系統，明確了走滑斷裂的分布與基本特征，厘定了走滑斷裂控儲作用與縫洞體儲層的分布規律，提出了走滑斷裂斷控油氣系統并建立了走滑斷裂斷控油氣藏模式。

2）形成了高密度地震采集處理技術、走滑斷裂精細識別技術、斷裂帶縫洞體儲層地震刻畫技術為代表的走滑斷裂斷控油氣藏描述技術，支撐了高效井位部署與油氣藏評價。

3）形成了油氣藏3 級評價方法、斷裂破碎帶水平井開發技術、水平井碳酸鹽巖儲層分段改造技術、斷控油氣藏合理開采方法技術等適用的斷控油氣藏開發方法技術，支撐了超深層斷控碳酸鹽巖油氣藏的高效開發。

4）突破了傳統的“古隆起控油”與“相控”準層狀油氣藏理論，開辟了環滿西走滑斷裂斷控復式成藏系統的增儲上產新領域，實現了塔里木盆地超深層復雜碳酸鹽巖油氣藏效益開發與規模建產。