前陸沖斷帶構造逆沖推覆作用與巖石響應特征*
——以庫車坳陷東部中-下侏羅統為例

張榮虎 魏國齊 王珂 魏紅興 楊釗 余朝豐 智鳳琴

1.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院，北京 100086 2.中國石油天然氣股份有限公司杭州地質研究院，杭州 310023 3.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000

對構造逆沖推覆與成巖作用相互關系的研究，前人主要在高溫變質領域開展了較多的工作。例如，將構造作用引起巖石、礦物的物質調整而產生的巖相和建造過程稱為構造動力成巖成礦作用，強調在高溫條件下巖石變形或者巖漿結晶時的地球化學作用，并將礦物中元素的調整與應力有機地結合起來，對指導金屬礦藏的形成和勘探具有重要意義(楊開慶, 1986；邱小平等, 1993)。國外學者認為構造成巖作用主要研究變形作用和變形構造與沉積物化學變化之間的相互關系，并用于研究和評價儲層天然裂縫的孔隙度演化過程(Eichhubletal., 2009；Laubachetal., 2010)。天然裂縫是構造成巖作用的典型產物，其孔隙演化及有效性主要取決于構造作用形成裂縫以后發生的成巖膠結及溶蝕作用(Fossenetal., 2007；Englishetal., 2017)。構造和成巖作用之間相互作用的認識在包括預測注入深部地層的流體行為和非常規深部儲層中開發油氣資源等在內的大范圍的應用中越來越重要(Ferraroetal.,2019；Weisenbergeretal., 2019)。化學和力學過程的相互作用在含有熱反應流體和遭受溶解作用、膠結物沉淀和其他化學反應的沉積巖中并不罕見，在變質作用的高溫條件下，這些相互作用十分重要(Fossen, 2010；ábalos and Elorza, 2012)。

塔里木盆地是中國面積最大的含油氣盆地，也是油氣分布與地質成因最復雜的盆地(Zhuetal., 2012a, b，2015，2018，2020)。庫車坳陷北部構造帶位于塔里木盆地北部南天山山前帶(圖1)，西從克拉蘇河開始，東至陽霞凹陷北緣野云2井，北始于南天山前，南至克拉蘇構造帶，勘探面積為5900km2；東西長280km，南北寬約30km，自東向西可劃分為東段(吐格爾明構造帶)、中段(迪北構造帶)、西段(巴什構造帶)(賈承造等, 2002；汪新等, 2010；王招明, 2014)；庫車東部包括迪北構造帶、吐格爾明構造帶、迪那構造帶和陽霞凹陷及周緣地區。全國第四次資源評價表明北部構造帶(含巴什構造帶)天然氣資源量為1.73萬億m3，石油資源量為1.74億t。持續的勘探發現使得侏羅系成為“西氣東輸”的儲備層系、庫車天然氣勘探的戰略接替領域。前人對這一領域研究認為：北部構造帶構造樣式具有東西分段特征，總體構造單一，以斜坡背景下的斷背斜、斷鼻及斷塊圈閉為主(魏紅興等，2016；張榮虎等，2019)；中-下侏羅統阿合組發育寬緩湖盆辮狀河三角洲平原-前緣巨厚河道砂體(何宏等，2002；張惠良等，2002；黃克難等，2003；顧家裕等，2004)；山前帶中淺層、深層-超深層砂巖巖石非均質性強，既受沉積微相巖相控制(張榮虎等，2008；高志勇等，2013)，也受構造擠壓控制，特別是構造擠壓應力控制巖石物理性質特征明顯(壽建峰等，2003，2004；李軍等，2004，2011；李忠等，2009；韓登林等，2015；楊憲彰等，2016)，而且在常規巖石及致密砂巖巖石均存在(陳子炓等，2001；楊帆等，2002；壽建峰等, 2007；張妮妮等，2015)；巖石構造擠壓主要受控于巖礦特征、構造樣式和最大有效古應力(孫寶珊等，1996；鮑洪志等，2009；季宗鎮等，2010；張榮虎等，2011；張惠良等，2012)。為了明確在庫車坳陷東部中-下侏羅統構造演化、逆沖推覆擠壓古應力與巖石非均質性的關系，明確規模有效巖石成因及其空間展布，本文開展了基于露頭、鉆井、測井和微觀實驗的的綜合研究，為優選有利儲集性巖石方向提供重要依據。

圖1 庫車坳陷東部中-下侏羅統地質特征綜合圖

1 地質概況

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，是在晚二疊世之前的古生代褶皺基底上歷經晚二疊世-三疊紀前陸盆地、侏羅紀-古近紀伸展坳陷盆地和新近紀-第四紀再生前陸盆地演化而形成的。庫車坳陷中東部經歷多期構造運動，尤其是喜馬拉雅運動晚期以來的構造運動導致構造變形強烈，逆沖斷裂發育。中-下侏羅統包括阿合組(J1a)、陽霞組(J1y)和克孜勒努爾組(J2kz)，其中阿合組自上而下為第一段(砂礫巖夾泥巖段)、第二段(上砂礫巖段)、第三段(下砂礫巖段)；陽霞組自上而下為第一段(炭質泥巖段)、第二段(上泥巖煤層段)、第三段(砂礫巖段)和第四段(下泥巖煤層段)；克孜勒努爾組自上而下為第一段(上泥巖段)、第二段(砂泥巖互層段)、第三段(下泥巖段)和第四段(煤層砂泥巖段)。阿合組主要為辮狀河三角洲上平原沉積，陽霞組主要為辮狀河三角洲下平原-前緣沉積，克孜勒努爾組主要為辮狀河三角洲前緣沉積。烴源巖主要為三疊系塔里奇克組、侏羅系克孜勒努爾組-陽霞組煤系烴源巖，具有分布廣、厚度大、有機質豐度高，現今成熟度普遍較高(Ro>1.0%，處于成熟-高成熟階段)，以生氣為主的特征，為多種類型油氣藏發育提供了充足物質基礎。儲層累計厚度巨大，其中阿合組厚度250～430m，儲層厚150～200m，巨厚砂巖疊置連片分布，埋深為1200～8500m，巖石非均質性強；陽霞組厚度380～450m，巨厚-中薄層砂巖有效儲集厚度100～150m，克孜勒努爾組厚度500～550m，中-薄層砂巖有效儲集厚度80～100m(張榮虎等，2019)。新近系吉迪克組巨厚膏泥巖和膏鹽巖可作為良好區域蓋層，中-上侏羅統厚層泥巖可作為直接蓋層，天然氣保存條件好(圖1)。

2 構造演化及逆沖擠壓古應力特征

2.1 中-下侏羅統構造演化特征

庫車坳陷東部吐格爾明背斜新生代構造活動主要經歷三期構造演化：第一期構造活動是古新世，吐格爾明背斜核部發育古隆起，下白堊統和中侏羅統克孜勒努組(J2kz)遭受剝蝕，構造高部位缺失，古新世庫姆格列木群(E1-2km)在背斜南北兩翼超覆沉積，背斜北翼蘇維依組(E2-3s)直接超覆于下白堊統之上，吐格爾明背斜中部靠近當時古隆起的構造高點，較晚接受沉積。第二期構造活動是漸新世末，吐格爾明背斜局部斷裂重新活動；中新統吉迪克組(N1j)與下伏古近系的局部角度不整合接觸；中新統吉迪克組(N1j)與康村組(N1k)的沉積連續，厚度均勻。第三期為上新世庫車組(N2k)沉積晚期，南天山隆起，對盆地強烈逆沖推覆擠壓產生斜向剪切作用，古老基底斷裂發生活化，派生出數條次級斷裂，與主斷裂共同控制了吐格爾明背斜現今的形態特征，構造高點相對北移。古隆起構造演化總體呈早期北西-南東向，中期持續隆升，晚期最終定型(圖2)。迪北地區經歷兩期構造變形，分別為古新世、上新世，表現為區域性的古近系與下伏下白堊統之間不整合接觸。中新世吉迪克組(N1j)發育膏鹽巖塑性流動形成的低幅鹽構造，造成迪那背斜帶頂部的吉迪克組厚度變化大，同時由于膏鹽地層的存在，導致上下構造滑脫，形成兩套不同的褶皺和沖斷構造；迪北背斜與其南側的單斜帶從成因上是一個大型基底沖斷褶皺，迪那背斜屬于該沖斷帶南側的伴生小型滑脫褶皺，膏鹽的賦存導致深-淺層變形的差異，將該區的構造樣式復雜化(圖3)。

圖2 庫車坳陷東部吐格爾明地區過MN1井南北向構造演化剖面

圖3 庫車坳陷東部迪北地區過依南2井南北向構造演化剖面

2.2 逆沖擠壓推覆古應力特征

庫車坳陷南天山隆起造山期，強烈的逆沖推覆活動產生巨大的側向構造擠壓，其最大古應力值通常由聲發射法Kaiser效應獲取，其與巖石性質和裂縫密度等相關性良好(孫寶珊等, 1996；鄭榮才, 1998；鮑洪志等, 2009；季宗鎮等, 2010；張榮虎等, 2011)。本次研究通過南天山露頭定向大樣品(巖樣30cm×30cm×30cm)和鉆井大樣品(巖心10cm×10cm)共12塊聲發射法古應力分析，結合測井定量最大有效古應力計算表明(表1)，庫車河地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為60～120MPa，最大可達142MPa；迪北地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為60～90MPa；吐格爾明地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為60～90MPa。最大有效古應力值總體呈東西帶狀展布，自北向南減弱降低趨勢明顯，其中吐格爾明地區受基底卷入古隆起遮擋，背斜北翼侏羅系最大有效古應力值明顯比南翼高，二者相差約30～70MPa(圖4)。

表1 侏羅系巖石構造擠壓古應力與巖石微觀特征鑒定表

圖4 庫車坳陷東部侏羅系最大有效古應力等值線分布圖

3 巖石構造動力作用響應特征

通過對巖石的埋藏演化的漸進式微觀結構表征和物理性質實測，砂巖巖石在埋藏成巖中晚期，受構造動力擠壓作用，主要有4個方面的響應特征：孔隙減小/喉道消失，直至巖石致密化；巖石破裂/裂縫產生，形成應力變形帶和裂縫帶；地層流體壓力快速提高，形成異常高壓；加速水-巖相互作用，縫網溶蝕帶和膠結充填帶。

3.1 構造擠壓減孔急劇降低基質孔隙度

構造擠壓造成山前帶侏羅系巖石基質孔隙快速降低，殘余粒間孔大量消失，通過構造古應力、壓實減孔模擬、巖石物性測試、微觀結構鑒定漸進式實驗分析表明，侏羅系阿合組的構造減孔量為8.8%/100MPa(表1、圖5)。自北向南隨著多級次逆沖斷裂的滑脫釋壓、古隆起基底巖層的遮擋削弱等因素，構造擠壓應力逐漸減弱，巖石基質孔隙逐漸得到保存(圖6)。以迪北地區DQ06-268剖面為例，主體部分為擠壓推覆背景下形成的南傾斜坡帶，發育由逆沖斷層和反沖斷層控制的一系列斷鼻和斷背斜；構造擠壓的最大古應力由北向南從112MPa減小到30MPa左右，而巖石孔隙度與最大古構造應力分布相反，由北向南有逐漸增加趨勢，物性趨于升高。同時由于砂泥巖薄互層中泥巖和煤層的順層和斜向塑性滑脫泄壓作用，構造擠壓在煤系地層中的中-薄層砂體遭受構造擠壓減孔作用明顯減弱，巖石基質孔隙度相對較高，如吐格爾明背斜周緣北翼構造擠壓最大有效古應力明顯高于南翼，縱向上克孜勒努爾組、陽霞組中薄層砂巖由于泥巖和煤層的廣泛順層滑脫釋力作用，經受的最大有效構造擠壓古應力弱于阿合組巨厚砂巖，同等巖礦類型(如粗粒長石巖屑砂巖、含礫粗粒長石巖屑砂巖、中粒巖屑砂巖)條件，其巖石儲集性能(如孔隙度)也相對好于阿合組(圖7、圖8)。

圖5 庫車坳陷東部侏羅系巖石構造擠壓減孔量與最大有效古應力關系

圖6 庫車坳陷不同構造樣式下侏羅系阿合組構造擠壓與巖石性質模擬圖

圖7 庫車坳陷吐格爾明地區侏羅系不同層段構造擠壓最大有效古應力變化圖

圖8 庫車坳陷吐格爾明地區吐西1、明南1井侏羅系不同層段最大有效古應力變化曲線

3.2 構造擠壓破裂造縫大大增加滲透率

逆沖推覆構造擠壓致使中-下侏羅統巖石形成大量顆粒貫穿縫、線性排列縫、顆粒破碎縫，庫車河地區裂縫線密度一般在6～8條/米，面密度一般在4～11m/m2；吐格爾明地區陽霞煤礦阿合組構造裂縫線密度約3.3條/米，面密度約0.7m/m2；迪北地區阿合組構造裂縫線密度一般低于0.7條/米，平均約0.2條/米，面密度低于9.0m/m2，平均約2.9 m/m2(圖9)。根據迪北地區890塊巖石物性分析、微觀結構鑒定資料表明：巖石裂縫連通呈網狀，可提高巖石滲透率10～100倍，提高巖石基質孔隙度、滲透率使其分別達5%～8%、0.1～1mD，使含裂縫巖石孔隙度達7%～8%、滲透率達1～100mD(最高可達2667.28mD)(圖9、圖10)。

圖9 庫車坳陷東部迪北地區侏羅系阿合組巖石物性對比圖

圖10 庫車坳陷東部侏羅系阿合組含裂縫巖石微觀特征圖

3.3 構造擠壓快速提高地層流體壓力值

晚喜山期南天山隆升而產生的側向構造擠壓持續時間短(5Ma以來)、構造變形強烈，致使巖石形變特征明顯、快速致密化，地層流體承受構造應力，難以快速流動而趨于保持平衡，在構造背斜、斷背斜和斜坡背景上形成壓力封存箱，造成異常地層流體超壓。實測數據表明迪北地區侏羅系阿合組巖石地層壓力為68.59～83.47MPa，壓力系數為1.73～1.78；吐格爾明地區背斜低部位阿合組巖石地層壓力為1.0～32MPa，壓力系數為1.1～1.6，背斜高部位因地層暴露地表油氣藏泄壓而壓力系數降低，一般為0.4～1.0(圖11)。

圖11 庫車坳陷東部侏羅系阿合組地層壓力系數圖

3.4 構造擠壓加速水-巖相互作用強度

巖石在構造擠壓作用下變得致密化、裂縫化、地層流體異常高壓，在此背景下富含碳酸鹽的地層流體，煤系地層演化過程中的酸性流體和有機質沿裂縫網絡形成高效地層水-巖石作用體系。根據迪北地區800余塊巖石薄片鑒定和微觀結構掃描資料表明：主要表現在高溫高壓條件碳酸鹽類溶解度提高，趨于欠飽和，基質孔隙中沉淀膠結作用減弱，酸性地層水溶蝕作用增強，縫網系統連通性更好，沿裂縫網絡系統的溶蝕作用和伴生膠結作用更加活躍，顯微鏡下見大量溶蝕縫、溶擴縫和縫孔溶蝕帶，局部見裂縫中充填碳酸鹽膠結物或交代產物(圖12)。

圖12 庫車坳陷東部侏羅系阿合組含裂縫巖石微觀特征圖

4 逆沖推覆帶規模有效儲集性巖石空間分布

4.1 巨厚砂體致密儲集性巖石

侏羅系阿合組沉積巨厚砂體，主要為辮狀河三角洲上平原辮狀河道沉積，復合砂體鑲嵌疊置連片累計厚度一般為280～350m(楊憲彰等, 2016)。由上所述，根據對吐格爾明地區侏羅系阿合組巖石大量微觀特征及儲集性能分析表明，巖石主要受控于構造逆沖推覆擠壓、古隆起抬升暴露時期發生的表生溶蝕作用和順斷裂的大氣水溶蝕作用，自北向南發育裂縫-溶蝕孔隙型、溶蝕孔隙型、殘余原生孔隙型三種類型儲集性巖石(圖13)。背斜北翼以Ⅳ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為4%～6%，背斜鼻狀構造帶以Ⅰ-Ⅱ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為9%～20%，背斜南翼至陽霞凹陷區以Ⅲ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為6%～9%(圖14)。逆沖推覆構造擠壓致使阿合組巖石演化晚期快速致密化，非均質性急劇增強，東西向上主要受不同強度應力擠壓帶控制，如在庫車河-克孜勒努爾溝20km內，阿合組巖石儲集性能對比模型圖中表明由弱逆沖推覆構造擠壓區(庫東Ⅳ剖面、庫東Ⅲ剖面)的平均孔隙度9%～14%，降至強逆沖推覆構造擠壓區(庫東Ⅱ剖面、庫東Ⅰ剖面)的6%～9%(圖15)。

圖13 庫車坳陷東部吐格爾明地區阿合組巖石成因模式圖

圖14 庫車坳陷東部吐格爾明地區阿合組儲集性巖石評價預測圖

圖15 庫車坳陷東部庫車河-克孜勒努爾溝侏羅系阿合組巖石儲集性對比圖

4.2 陽霞組-克孜勒努爾組中-薄層砂體相對優質儲集性巖石

侏羅系陽霞組陽二段、四段沉積中薄層砂體，垂向不連續加積，橫向呈透鏡狀延伸較遠，累計厚度一般為100～120m，復合砂體橫向延伸一般超過1.5km；陽三段巨厚復合砂體分布穩定，累計厚度100～130m，橫向延伸超過4km(張榮虎等, 2019)。由上所述，受煤系地層中煤層、泥巖層頻繁互層的順層滑脫釋力作用，逆沖推覆構造擠壓作用對中-薄層砂體影響較小，巖石儲集性能主要受控于巖性和多期溶蝕作用(表生大氣水和埋藏酸性水)吐格爾明背斜北翼陽霞組三段(主要目的層)以Ⅲ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為6%～9%，背斜鼻狀構造帶以Ⅱ類巖石為主，孔隙度主要為9%～20%，背斜南翼至陽霞凹陷區以Ⅲ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為6%～9%(圖16)。克孜勒努爾組砂泥巖互層段沉積8個旋回，8套復合薄層砂體，主要為辮狀河三角洲前緣沉積，砂體垂向上不連續發育，最厚為30～35m，一般為5～20m，橫向上呈透鏡狀分布且延伸較近，一般小于1.8km，主要為500～1000m(楊憲彰等，2016)；背斜主體部位克孜勒努爾組二段(主要目的層)以Ⅰ～Ⅱ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為9%～20%，背斜北翼、南翼至陽霞凹陷區以Ⅲ類儲集性巖石為主，孔隙度主要為6%～9%，自東向西巖石儲集性質變差趨勢明顯。

圖16 庫車坳陷東部下侏羅統陽霞組二段儲集性巖石分布圖

5 結論

(1)庫車坳陷東部侏羅系在喜山晚期南天山隆起強烈地逆沖推覆活動產生巨大的側向構造擠壓，庫車河地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為60～120MPa，最大可達142MPa；迪北地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為90～120MPa；吐格爾明地區侏羅系阿合組所受最大有效古應力為60～90MPa。

(2)巖石構造擠壓效應有4種典型特征：急劇降低基質孔隙度，構造減孔量為8.8%/100MPa；破裂造縫大大增加滲透率，網狀裂縫大大提高了巖石的滲透率10～100倍；快速提高地層流體壓力值，形成異常高壓；加速水-巖相互作用強度，沿縫網系統溶蝕作用增強，局部有利于膠結物發育和富集。

(3)構造擠壓致使砂巖巖石微觀結構、宏觀非均質性增強，吐格爾明地區中-下侏羅統發育2類規模有利儲集性巖石，阿合組儲集性巖石累計厚度超過200m，一般孔隙度6%～10%，吐格爾明背斜南翼儲集性巖石孔隙度可達15%～20%；克孜勒努爾組-陽霞組發育中-厚層相對優質儲集性巖石，累計厚度大于150m，孔隙度一般9%～15%。