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柯深—柯东地区位于塔西南坳陷西昆仑山前冲断带东段，是塔里木盆地较早进行油气勘探的地区之一。1977年和1994年先后在柯克亚背斜的新近系中新统和古近系始新统卡拉塔尔组获得高产油气流，同时发现了白垩系内多套优质碎屑岩储层（程晓敢等，2011），柯克亚凝析油气田的建成为随后该区油气勘探方向奠定了良好的实践基础。2010年在柯东1井在上白垩统获得工业油气流，并在始新统卡拉塔尔组和下白垩统发现良好油气显示（莫午零等，2013）。柯克亚凝析油气田和柯东油气藏的成功发现，不仅确定了古近系和白垩系为柯深—柯东地区今后主要的油气勘探层位，而且表明该地区具有良好的油气勘探前景。
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西昆仑山前柯深—柯东地区自新生代以来构造活动十分剧烈，地层压力分布十分复杂。如柯东101井古近系卡拉塔尔组埋深仅2500 m处实测地层压力系数高达2.05; 但在柯深地区同深度的地层却表现为静水压力，超压在新近系底部才开始发育（吴根耀等，2013）。前人研究认为，研究区压力的保存现状与中新统克孜洛依组（N1k）和渐新统巴什布拉克组（E3b）巨厚的泥岩有关（孙龙德等，2003; 吴根耀等，2013），超压的形成主要受侧向构造挤压、断裂垂向传递以及构造基底样式的控制（朱木山，2007; 王海芳等，2014）。不同于其他成因的超压，断裂传递作用往往在浅层形成压力系数很高的超压，由于超压形成时间往往在地层压实之后，超压识别难度较大，严重阻碍钻井进度（罗晓容，2004）。此外，压力沿断裂传递的同时往往伴随大规模的烃类垂向运移，与油气成藏关系紧密。相比于塔里木盆地其他地区，西昆仑山前冲断带地层压力研究较少，仅有的研究仅对压力分布特征与基本地质条件的关系等方面作了简单描述（杨正文等，1985; 孙龙德等，2003; 朱木山，2007; 王海芳等，2014; 洪峰等，2018），而对压力成因尤其是传递型超压的探讨却非常薄弱。断裂传递型超压的准确识别与估算在研究区钻井安全和油气运聚的研究中具有极其重要的意义。
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本文以断裂传递型超压形成机制和分布特征为切入点，通过对西昆仑山前柯深—柯东地区实际地质条件和压力分布特征的分析，并结合测井、钻井资料，对研究区断裂传递型超压进行识别。基于超压形成前后地层力学性质的变化特征，评估地层压力传递增压量。最后结合断层发育和压力保存条件，分析了柯深、柯东两个地区断裂传递增压量的差异性。
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1 地质背景
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柯深—柯东地区位于塔西南前陆盆地的山前褶皱冲断带。塔西南前陆盆地是在晚二叠世—三叠纪弧后前陆盆地的基础上，先后经历了侏罗纪—古近纪的断陷、坳陷阶段，新近纪以来造山带再次活化而形成的陆内前陆盆地（贾承造，2000; 何登发，2013）。依据构造变形特征，由南向北可依次划分出西昆仑山前冲断带、塔西南坳陷、麦盖提斜坡以及巴楚隆起。研究区共发育石炭系、二叠系和侏罗系三套烃源岩，依据油气聚集层位和岩性组合，储集层在纵向上可分为下白垩统克孜勒苏群（K1kz）和新近系安居安组（N1a）碎屑岩储层、古近系卡拉塔尔组（E2k）碳酸盐岩储层，幕式开启性断裂在油气运聚成藏过程中起到重大作用（何登发等，1997; 莫午零等，2013）。研究区发育的古近系阿尔塔什组（E1a）、乌拉根组（E2w）以及新近系阿图什组（N2a）三套主要盖层，将纵向上不同的含油气层隔离开来。
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依据构造发育空间特征和变形时间，将西昆仑山前冲断带划分为三排构造带（图1a），自南向北依次为柯东构造带、柯克亚-苏盖特构造带、固满-棋北-英吉莎构造带，展布方向总体呈北西—北西西向。受昆仑山挤压作用控制，三排构造带分别于上新世早期、上新世中晚期以及更新世早中期依次形成（程晓敢等，2012; 陈政，2017）。柯深、柯东地区分别属于柯克亚构造带和柯东构造带。柯克亚构造带位于第二排构造单元的西端，为一北翼稍陡、南翼稍缓、近于对称的短轴背斜（王海芳等，2014）。柯东地区位于第一排构造带东段，受深部断层的控制形成断层转折褶皱，其上盘断坪斜切中生界和古近系（陈政，2017）。
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喜马拉雅运动期印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应，使塔里木陆块与其南侧的陆块之间的昆仑山造山带再次受到挤压。昆仑山的挤压隆升使山前冲断带在水平挤压作用的基础上叠加了垂直向上的剪切作用，导致盆山过渡带发生挠曲构造变形，在西昆仑山前的柯东构造带发育一系列倾向山脉且与冲断带走向一致的后缘基底卷入式高角度逆冲断层（图1b）。这些断层向上一般延伸至古近系，个别可到新近系。其中，柯东背斜是在早期逆断层F1的控制下开始形成，在构造活动晚期，走滑逆冲断层F2切穿柯东背斜核部并在断层两侧形成次级断裂，这些由压扭断层派生的次级断裂向上穿过新近系（范小根等，2015）。高角度逆冲断层进一步位移导致在距离西昆仑山稍远的冲断前缘（柯克亚地区）形成低角度逆冲断层，但由于古近系滑脱层的存在，在柯克亚构造带形成了断层转折褶皱，滑脱层之下为低角度逆冲断层，滑脱层及以上地层发育背斜构造（曾昌民等，2011; 程晓敢等，2012）。在柯克亚背斜的轴部，与挤压作用相关的张应力较为集中，从而在古近系—新近系形成了大小不一的断层和裂缝（朱木山，2007; 凌东明等，2018）。前人依据生长地层沉积时间，并结合其与构造带形成演化的关系（程晓敢等，2012），认为柯深—柯东地区断裂主要是在上新世中晚期以后形成，与背斜形成发育时间一致。
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2 柯深—柯东地区压力分布特征
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柯深—柯东地区实测压力数据主要来自于试油地层压力测试，且主要集中在古近系—白垩系的含油气地层中。为了获取能够真实反映地层压力的试油数据，本次研究在仔细审读试油日志的基础上，剔除了由于钻井严重污染、测试关井恢复时间过短以及纯井储阶段测试等原因导致的无效压力点，选取关井压力恢复较为完整的真实压力数据。已有的实测压力数据显示（图2），研究区普遍发育异常高压。柯东地区2500~4500 m地层实测压力为34.7~48.7 MPa，剩余压力主要分布区间为26.3~34.6 MPa，压力系数为1.77~2.05; 柯深地区4000 m以深地层实测压力为83.7~132.6 MPa，剩余压力主要集中在49.2~58.9 MPa，压力系数为1.82~2.10。各地区在古近系—白垩系层系内地层压力均大致沿静水压力梯度增长。从压力系数上看，两个地区的浅层压力系数均较高，例如柯东101井2550.5 m埋深处压力系数高达2.05，向深部压力系数呈现略有降低趋势; 但是两个地区相比较来看，柯深地区实测剩余压力整体大于柯东地区，说明二者分布在两个不同的压力系统内。
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图1 西昆仑山前次级构造单元（a）及典型剖面结构（b）（据程晓敢等，2012）
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Fig.1 Division of tectonic units (a) and typical structural profile (b) in the front of the western Kunlun Mountains (after Cheng Xiaogan et al., 2012)
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平衡深度法常被用来计算泥质地层中由机械不均衡压实作用引起的那部分地层压力。压力计算中使用的声波时差数据易受井眼几何形状及钻井液侵入等钻井环境的干扰而出现误差，例如井眼的突然扩径、与钻井液侵入有关的滤饼的形成，均会导致测井数据的失真而不能反映地层真实的物理性质（樊洪海，2016）。基于上述认识，本文依据岩屑录井、伽马、电阻率和井径测井等数据识别出泥岩段，选择厚度较大且岩性较纯的泥岩读取声波数据，并从中避免井径扩大5 cm以上或滤饼厚度大于0.5 mm的泥岩数据，最后制作泥岩压实曲线。综合考虑钻井泥浆换算压力变化特征、地层纵向岩性组合以及泥岩声波时差变化趋势，拟合确定正常压实趋势，在此基础上计算泥岩压力。柯中104井和柯东1井分别位于柯克亚、柯东两个背斜的核部，钻遇地层较为齐全（均钻至白垩系储层）且油气显示较好，钻井附近的主断裂及其派生断裂穿过背斜核部或两翼，并将不同深度的层系相互沟通。此外，断裂形成时间距现今较短（上新世中晚期以来），断裂传递型超压特征更为显著。综上所述，本次研究选取柯中104井和柯东1井作为本区断裂传递型超压研究的代表井。
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平衡深度法计算结果表明，柯中104井（图3a）和柯东1井（图3b）的泥岩超压顶界面分别位于新近系克孜洛依组（N1k）中上部和古近系巴什布拉克（E3b）底部的厚层泥岩中，向下压力虽总体上呈增大趋势，但同时具有较大起伏的特征。砂岩层内的实测压力构成了较强的超压系统，并基本以静水压力梯度随深度增大，表明在该深度段的流体相互连通而形成相对统一的压力系统。对于同一口井而言，砂岩层的实测压力明显大于同深度上由压实曲线估算得到的泥岩压力，这与我们通常所认为的砂岩压力与相邻泥岩压力相等的认识相悖，说明研究区砂岩中地层压力存在非相邻泥岩传递的增压成因。综合单井砂、泥岩压力分布特征及二者之间的差异，推测研究区砂岩中的超压极有可能与沟通上下不同压力系统的断层传递作用有关。
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图2 柯深—柯东地区实测压力与压力系数
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Fig.2 Distribution of measured pressures and coefficients in Keshen-Kedong area
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3 断裂传递型超压的识别与计算方法
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3.1 超压形成机制和压力特征
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在碎屑岩填充的盆地中，断裂形成前地层受多种因素（如垂向不均衡压实和构造挤压等）的影响，超压一般先开始于低渗透性的泥质岩地层中，并向周围渗透性较高的砂岩中扩散直至二者的剩余压力达到平衡。幕式构造活动过程中，地层因局部应力集中而超过岩石破裂极限形成断裂，其将上下剩余压力极不相同的地层相互连通，开启性断面高效率的水力传导能力使得两个原本隔绝的压力系统发生快速地流体流动和压力调整，其结果是上部地层产生很高的压力，而下部地层压力因与上部地层的压力平衡而降低。在断裂所沟通的压力系统内，剩余压力基本相等，地层压力以静水压力梯度增加。此外，下部高压流体经断裂传递至上部渗透性地层后压力迅速调整，而在与之互层的非（低）渗透性地层内压力传递较慢。因此在断裂沟通的压力系统内，渗透性地层的压力往往大于相邻的非渗透性地层（罗晓容，2004; 范昌育等，2014）。
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图3 柯中104井（a）及柯东1井（b）泥岩声波时差曲线及压力分布特征
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Fig.3 Depth profiles of mudstone compaction and formation pressures of Well Kezhong 104 (a) and Well Kedong1 (b)
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N2a—阿图什组; N1p—帕卡布拉克组; N1a—安居安组; N1k—克孜洛依组; E3b—巴什布拉克组; E2—始新统; E1—古新统; K2yn—英吉莎群; K1kz—克孜勒苏群
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N2a—Artushi Formation; N1p—Pakabulake Formation; N1a—Anju'an Formation; N1k—Keziluoyi Formation; E3b—Bashibulake Formation; E2—Eocene; E1—Paleocene; K2yn—Yingjisha Group; K1kz—Kizilsu Group
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3.2 成因识别及计算方法
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测井声波速度作为岩石的传导属性之一，对于沉积颗粒之间的有效应力变化十分敏感度，当岩石有效应力减小时，声波速度会显著降低（Bowers et al.，2002）。基于以上原理，声波速度-垂直有效应力交会图通常被用来判定超压的成因。沉积物在地表沉积后逐渐埋藏的过程中，孔隙度随颗粒之间有效应力的增大而逐渐减小，地层声波速度逐渐增大，因此在交会图中正常压实的沉积物沿着正常加载线变化。在地层埋藏并压实到一定程度后，开启性断裂将上下原本相互隔绝的水动力系统连通，下部压力通过断裂向上传递至浅层形成超压，相比于相同埋深的正常压力的地层，超压地层沉积颗粒间的垂直有效应力较小，其声波速度显著降低，在交会图中表现为偏离正常加载线（图4a）。依据超压成因与岩石物理属性变化关系（Tingay et al.，2009），交会图中所表现出的这种卸载型超压成因主要包括断裂传递和生烃增压两种。研究区超压发育在浅部的古近系—白垩系，而烃源岩位于石炭系、二叠系和侏罗系等深部层系中，因此可以排除烃源岩自身的生烃作用导致超压的可能性。来自深部的烃源岩流体（包括地层水和油气）沿开启性断裂垂向运移至浅部渗透性较好的砂岩中而导致的孔隙压力增大，可算作断裂传递型超压的一部分。
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图4 断裂传递型超压判识（a）及断裂传递增压量计算示意图（b）
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Fig.4 Recognition of overpressure transferred by fault (a) and calculation of overpressure associated with faulting (a)
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流体沿断层由下至上传递时，会引起增压地层沉积颗粒之间的垂直有效应力减小，因此在声波速度-垂直有效应力交会图中（图4b），实测超压点偏离正常加载线的程度常被用来估算断层传递的压力量（Tingayet al.，2013; 范昌育等，2014）。
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ΔP为断裂传递引起的增压量（MPa）; σe，m为实测超压点（图4b中B点）的垂向有效应力，MPa; σe，n为正常加载线上常压点（图4b中A点）的垂向有效应力，MPa。依据Terzaghi有效应力原理，σe，m为静岩压力σl减去实测压力P:
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σe，n可由正常加载线的声波速度vs与垂向有效应力σe的关系得到，柯中104井和柯东1井计算结果分别如下:
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4 结果和讨论
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4.1 柯深—柯东地区断裂传递型超压的识别
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利用上述超压成因与岩石物性的关系，在明确地层压实规律的基础上（图3），分别绘制两口典型单井的声波速度-垂直有效应力交会图对研究区断裂传递型超压成因进行了识别。垂直有效应力等于由密度积分得到的上覆岩层重力减去孔隙压力。其中正常压实点和超压点的孔隙压力分别取静水压力和实测地层压力。如图5所示，正常压实泥岩随埋深的增大，垂直有效应力和声波速度有规律地增加从而构成了正常加载线，线条的局部起伏是由于岩性的变化所致。古近系—白垩系实测超压点明显偏离了正常加载线而位于其左侧，表现出声波速度随垂直有效应力的减小而降低。依据超压判识模型（图4a）可以初步认为柯中104井和柯东1井的超压存在断层传递成因。传递型超压在浅部砂岩中形成之初，砂岩中的压力大于相邻泥岩压力，断裂闭合后压力传递活动停止，此后若有足够长的地质时间使得砂岩和相邻泥岩之间发生压力调整作用，最后二者的压力又趋向于一致。而研究区逆冲断层主要形成于上新世中晚期以后，考虑到较短的压力调整时间和砂-泥岩渗透率的差异，砂岩的压力仍然大于周围的泥岩，因此在交会图中的超压点仍然表现为卸载特征。
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受西昆仑山挤压作用，柯东背斜被克里阳-甫沙断裂改造（图6a），作为一条高角度基底卷入型逆冲断裂，高陡直立的断面穿过了下伏古生界与上覆中生界、新生界，跨越深度范围和地层原始压差均较大，存在断裂传递型压力发育的地质条件。柯东1井在分支断层附近的白垩系钻遇工业油气流，进一步证实了深部流体（烃类）确实可以沿开启性断裂向浅部传递。在冲断带后缘基底卷入式逆冲构造的诱导下，柯克亚背斜南侧以及古近系滑脱层之下均发育逆冲断裂（如阿尔塔什断裂），这些断裂联合背斜轴部发育的大量近垂直的小断层共同形成的断裂系统（图6b），也可以为深部流体快速运移到浅部地层提供水力通道（陈俊湘等，1996; 张敏等，2008; 凌东明等，2018）。
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图5 柯深—柯东地区断层传递型超压识别
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Fig.5 Recognition of overpressure transferred by fault in Keshen-Kedong areas
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（a）—柯中104井;（b）—柯东1井; vs—声波速度; σe—垂向有效应力
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(a) —Well Kezhong104; (b) —Well Kedong1; vs—acoustic velocity; σe—vertical effective stress
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Fig.6 Schematic diagram of fluid transfer along fault in Keshen-Kedong areas (after Mo Wuling et al., 2013; Fan Xiaogen et al., 2015)
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除了从压力纵向发育特征、岩石物理属性与力学性质的关系、断裂发育情况等之外，研究区油气运聚成藏的现象也可佐证断裂传递的可能性。在没有断裂发育的情况下，一个含油气系统分布范围一般局限在单一沉积构造层内（何登发等，2001）。若后期发育的断裂将分布在不同沉积构造层的烃源岩与储层相互沟通，那么超压沿断裂向上传递的过程中往往伴随油气的大规模运聚，或者是早期油藏再调整。因此可从断裂构造活动与油气运聚的关系间接证明流体通过断裂发生传递。研究区已发现油气主要聚集在白垩系和第三系，主力烃源岩分布在石炭系—二叠系以及侏罗系内。总结前人已有的油气成藏模式（何登发等，1997; 朱木山，2007; 张敏等，2008），尽管在各含油气层的油气来源及充注时间上存在争议，但对油气运聚路径的认识基本一致:早期生成的油气首先聚集在白垩系和古近系阿尔塔什组（E1a）膏盐层之下，之后断裂构造活动引起古油藏的第一次调整，油气沿断裂穿过膏盐层垂向运移至古近系，随着烃源岩的进一步成熟及构造活动的加剧，古近系的古油藏中的烃类沿开启性断裂发生了第二次调整，至新近系中新统圈闭中聚集成藏。研究区古油气藏沿断裂发生了两次垂向运移调整，在断裂沟通的渗透性储层内部，较短时间内即可形成向着断层的强流体势差，从而促进下部油气沿着断裂快速运移至上部地层，压力正是以流体（烃类）的流动为媒介实现了不同层之间的调整。
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4.2 超压传递量的计算及影响因素
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计算结果显示（表1），柯中104井断裂传递增压量为15.0~34.0 MPa，在实测总剩余压力中的占比为24.2%~67.2%; 柯东1井断裂传递增压量为8.1~16.5 MPa，在实测总剩余压力中的占比为23.4%~53.7%。就每口单井而言，断层传递增压量由深至浅呈增大趋势。
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柯东和柯深两个地区的构造演化背景基本一致，但柯东地区断裂传递增压量却明显小于柯深地区，比较两个地区的断裂发育及其与地层的空间配置关系（图6），认为压力保存条件是影响两个地区现今传递增压量差异的主要因素。在挤压构造活跃期，克里阳-甫沙主断裂向上切穿柯东背斜核部，并在主断裂两侧派生数条次级断裂，柯东背斜核部被上述不同级次的断裂强烈改造且遭受进一步的抬升剥蚀，导致新近系大部分的地层缺失，松散的第四系直接覆盖在残余的新近系之上。深部的高压流体沿主断裂传递至浅层的白垩系—古近系后，部分压力会因断裂再次开启而向上继续传递释放至新近系和第四系，如此，柯东背斜白垩系—古近系保存的传递型超压整体减小。相比之下，柯克亚背斜下伏主断裂向上只延伸至白垩系底部，背斜核部古近系以上地层发育完整，只在古近系—新近系内部由于张应力集中而形成了小规模破裂，未有大型断裂穿过压力系统的封盖层，来自于深部的高压在柯克亚背斜的白垩系—古近系得以较好保存。
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5 结论
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（1）柯深—柯东地区活动的开启性断裂将古近系与中生界及以下层系相互连通，使得纵向上不同的水力系统之间发生流体流动和压力调整，最终在同一地区不同深度的储层中形成相对统一的异常压力系统，系统内部剩余压力基本相等，地层压力梯度总体与静水压力梯度相似。古近系—白垩系实测的渗透性地层压力明显大于相邻的泥岩压力以及浅部地层中压力系数高达2.1的强超压，均是压力沿断裂传递的结果。
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（2）柯深—柯东地区的超压表现出声波速度和垂直有效应力均减小的特征，与断裂传递型超压判识模板相一致; 上新世中晚期以来发育的高角度逆冲断层及其在冲断前缘诱导形成的断层转折褶皱中的小型断裂，为压力传递提供良好通道。
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（3）柯深地区断裂传递的超压整体大于柯东地区。柯深地区传递增压量为15.0~34.0 MPa，占实测总剩余压力的24.2%~67.2%; 柯东地区传递增压量为8.1~16.5 MPa，占实测总剩余压力的23.4%~53.7%。两个地区传递增压量的差异主要是由断裂发育及其与地层的空间配置关系以及由此决定的压力保存条件控制的。
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摘要
西昆仑山前柯深—柯东地区断裂构造活动剧烈,在浅部地层中存在压力系数高达2.1的极高超压,对于这种超压分布特征和形成机制的研究和认识对钻井工程和油气运移研究具有十分重要的意义。综合储层实测压力、间接估算的泥岩地层压力以及超压地层岩石力学与物性的关系等资料,并结合研究区断裂发育条件和油气运移史,分析了地层压力分布特征和主控机制。结果表明,西昆仑山前柯深和柯东两地区在古近系—白垩系储层中各自形成了相对统一的异常压力系统,系统内地层压力向深部以静水压力梯度增加,储层压力大于附近泥岩压力。研究区储层压力分布特征与深部流体沿开启性断裂的向上传递密切相关。在此基础上,估算了压力传递量,并探讨了影响压力传递量的地质因素。柯深和柯东地区断裂传递增压量分别为15.0~34.0 MPa和8.1~16.5 MPa,与实测总剩余压力的比值分别为24.2%~67.2%和23.4%~53.7%。两个地区断裂传递增压量的差异主要受断裂发育及其与地层的空间配置关系的影响。
Abstract
The recent tectonic activity, in the Keshen-Kedong areas in the piedmont of the western Kunlun Mountains, is intense, and there is a very high overpressure with a pressure coefficient of 2.1 in the shallow sequences. The research and understanding of the distribution and mechanism of this overpressure is of great significance for the study of drilling engineering and hydrocarbon migration. Based on the data of measured reservoir pressures, ones estimated from mudstone and the relationship between rock mechanics and physical properties, the distribution characteristics and main control mechanism of formation pressure are analyzed, combined with fault development conditions and hydrocarbon migration history in the study area. The results show that the Paleogene-Cretaceous reservoirs form a relatively unified abnormal pressure system. The formation pressure in this system increases with a hydrostatic pressure gradient, and the reservoir pressure is greater than the neighbouring mudstone. The reservoir pressure distribution are closely related to the upward transmission of deep fluid along the open faults. Finally, the overpressures transfer by fault is estimated, and the related geological factors are discussed. The ratios of the fault transmitted pressure to the measured total overpressure in Keshen and Kedong areas are 24.2%~67.2% and 23.4%~53.7%, respectively. The difference of transferred amount between the two areas is controlled by fault development and its spatial relationship with the formation.
