褶皺型潛山內(nèi)幕形態(tài)與勘探方向
——以白音查干達(dá)-錫地區(qū)為例

張放東，齊仁理，2，周杰，王學(xué)軍，孔海瑞

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450017）

褶皺型潛山內(nèi)幕形態(tài)與勘探方向
——以白音查干達(dá)-錫地區(qū)為例

張放東1，齊仁理1，2，周杰1，王學(xué)軍1，孔海瑞1

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司博士后科研工作站，河南 鄭州 450017）

基巖潛山油藏是深層油氣勘探的一個(gè)重要領(lǐng)域。二連盆地白音查干凹陷達(dá)-錫地區(qū)發(fā)育基巖褶皺型潛山，具有形成油氣藏的良好條件。達(dá)-錫潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)與我國(guó)東部的潛山有較大差異，目前鉆探資料較少，應(yīng)用常規(guī)方法勘探難度較大。文中以定量造山動(dòng)力學(xué)為指導(dǎo)，建立數(shù)學(xué)模型，通過模擬褶皺型潛山的形成及演化過程，發(fā)現(xiàn)褶皺型潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)主要受擠壓縮短量與地表剝蝕強(qiáng)度二因素控制。對(duì)于擠壓與剝蝕較小的區(qū)域，基底的高部位是基巖油藏勘探的主要方向；對(duì)于擠壓程度較大、剝蝕程度較重的地區(qū)，基巖隆起的腰部是基巖油藏勘探的主要方向。結(jié)合白音查干凹陷的實(shí)際勘探情況，BD11井西部白音翁特?cái)嗔褞隙蔚貐^(qū)是未來白音查干凹陷基巖油藏的勘探方向。

基巖油藏；潛山內(nèi)幕；數(shù)學(xué)模型；白音查干凹陷

0 引言

鉆探證實(shí)，許多基巖內(nèi)含有工業(yè)油氣流［1-3］，如美國(guó)得克薩斯州、委內(nèi)瑞拉、阿爾及利亞、烏克蘭、西西伯利亞及澳大利亞都有基巖油藏的發(fā)現(xiàn)［1，3］。中國(guó)冀中任丘古潛山、遼河凹陷大民屯凹陷基巖潛山、大港油田北大港構(gòu)造帶東北斜坡的千米橋潛山等地區(qū)［4-8］也相繼發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較大的基巖油藏?；鶐r油藏作為未來深層油氣勘探的一個(gè)重要領(lǐng)域，正在引起石油地質(zhì)學(xué)家和勘探工作者的關(guān)注［1-7］。由于基巖內(nèi)幕油藏埋藏深、構(gòu)造復(fù)雜、裂縫發(fā)育不規(guī)則等因素，其勘探及開發(fā)都有很大的難度［8-11］。

二連盆地白音查干凹陷達(dá)-錫地區(qū)屬于基巖褶皺型潛山，潛山內(nèi)幕具有形成油氣藏的良好條件。由于對(duì)基巖內(nèi)幕的認(rèn)識(shí)尚不清晰，雖然在D50井基巖中測(cè)試獲得低產(chǎn)油流，但未取得基巖油藏的勘探突破。主要面臨2個(gè)難題：一是本區(qū)發(fā)育的基巖褶皺型潛山與高先志、趙賢正等［12-13］總結(jié)的，適用于我國(guó)東部地區(qū)的潛山內(nèi)幕地質(zhì)模式有很大差異；二是針對(duì)潛山內(nèi)幕鉆井較少，覆蓋潛山區(qū)域的地震資料主要是20世紀(jì)80年代采集的二維測(cè)線，不足以刻畫潛山內(nèi)幕的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要探索新的方法，研究基巖內(nèi)幕。

1 白音查干凹陷基巖勘探現(xiàn)狀與啟示

白音查干凹陷位于二連盆地西緣，是川井坳陷中最大的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。它是發(fā)育在海西褶皺基底之上的中生代沉積盆地，油氣資源豐富，多種類型隱蔽油氣藏共同發(fā)育［14-16］。目前，在盆地南坡超覆帶、基底達(dá)-錫潛山的基巖中，D50鉆井測(cè)試獲得了低產(chǎn)油流，引起了石油專家的重視。

鉆井證實(shí)，白音查干凹陷南坡達(dá)-錫潛山帶基底巖性較為單一，為一套寒武—下志留系形成的、以片巖為主的變質(zhì)巖，基巖內(nèi)幕裂縫發(fā)育。基巖頂面構(gòu)造面貌為單斜背景上的溝梁相間格局，發(fā)育褶皺型殘留潛山。野外露頭觀察也證實(shí)，該套變質(zhì)巖裂縫普遍發(fā)育，只要有較好的潛山內(nèi)幕圈閉，就有形成潛山油藏的可能。

2014年以基巖潛山低凸起為目標(biāo)設(shè)計(jì)部署了BD11井，位于地震剖面顯示為低幅度構(gòu)造背斜處。該井鉆遇多套裂縫儲(chǔ)層，多處裂縫中見瀝青充填，但由于鉆探位置圈閉遭到破壞，油氣逸散。對(duì)基巖段進(jìn)行取心發(fā)現(xiàn)，地層傾角很陡，普遍大于60°，部分層段近乎垂直（見圖1）。

圖1BD11井巖心照片

這一現(xiàn)象說明，之前按照基巖包絡(luò)面刻畫的潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)不能代表基巖內(nèi)幕形態(tài)，白音查干凹陷褶皺型潛山的內(nèi)幕與其風(fēng)化殼形態(tài)有很大的差異，基巖內(nèi)幕并非簡(jiǎn)單的層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與玉帶山剖面非常相似，基巖風(fēng)化殼為低凸起，而內(nèi)幕為復(fù)合褶皺（見圖2）。如何認(rèn)識(shí)白音查干凹陷基巖風(fēng)化殼與內(nèi)幕的差異、確定潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)，在基巖內(nèi)幕中尋找保存相對(duì)完整的圈閉，是今后研究區(qū)基巖油藏勘探的重點(diǎn)。

圖2 玉帶山剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)

2 建立數(shù)學(xué)模型

在基巖潛山鉆井少、地震分辨率不足，難以刻畫潛山內(nèi)幕的情況下，采用定量數(shù)值模擬的方法，建立數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)值模擬［17-21］，定量研究褶皺形成的過程，對(duì)地質(zhì)分析具有一定的指導(dǎo)意義。因此，在已知白音查干凹陷的基底為片巖的條件下，采用數(shù)值方法求解有關(guān)變量，可以從力學(xué)解析的角度確定擠壓褶皺的形成與演化過程。

2.1 數(shù)學(xué)模擬方法原理

白音查干凹陷達(dá)-錫地區(qū)的基巖以片巖為主，片巖褶皺形成前多為平行等厚沉積。片巖內(nèi)部褶皺的形成與演化過程屬于連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題。白音查干凹陷基底演化經(jīng)過了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間，在這一過程中，基底片巖的運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循動(dòng)量守恒定律。應(yīng)用材料力學(xué)中的動(dòng)量守恒原理——單位質(zhì)量流體微團(tuán)的加速度等于它所受到的體積力、表面上作用的壓力與黏性應(yīng)力之和——描述這類材料的流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程就是納維-斯托克斯方程，應(yīng)用這一方程可以描述白音查干凹陷基巖的運(yùn)動(dòng)過程。片巖具有高黏滯性和低速流動(dòng)特征，其雷諾數(shù)近于0，在直角坐標(biāo)系下，可將斯托克斯方程簡(jiǎn)化為［19］

式中：σij為應(yīng)力，Pa；xi為水平方向應(yīng)變量，cm；ρ為密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；f為垂直方向增加的載荷，N；下標(biāo)i，j為運(yùn)動(dòng)過程中的方向及不同階段。

在白音查干凹陷基巖褶皺形成的過程中，高部位地表物質(zhì)被剝蝕以后，就近在低部位沉積，整個(gè)過程中物質(zhì)是守恒的。物質(zhì)守恒方程可表示為

式中：K為體積模量，Pa；p為巖石壓力，Pa；u為巖石速度，m/s；t為時(shí)間，s。

在白音查干凹陷基巖褶皺的形成過程中，還涉及到變形過程中力的平衡。因?yàn)槠瑤r或板巖的流變是黏彈性的，所以擠壓形變過程的偏分量符合Maxwell彈性方程［19］：

以白音查干的基底片巖為例，當(dāng)受到較小的擠壓應(yīng)力時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形；在擠壓過程中，當(dāng)壓力大于片巖的塑性屈服應(yīng)力時(shí)，地層會(huì)發(fā)生破裂。據(jù)Simpson［19］的研究結(jié)果，巖石是否破裂可以根據(jù)摩爾-庫侖臨界楔形理論公式判別。

式中：F為巖石破裂應(yīng)力，N；c為巖石黏性強(qiáng)度，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；下標(biāo)x，y分別為坐標(biāo)系的2個(gè)方向。

在白音查干凹陷基巖演化過程中，伴有褶皺形成。由于局部隆升、山體坡度變化、大氣降水、地表巖體的巖石風(fēng)化等因素，褶皺的表層會(huì)發(fā)生巖崩、滑坡、河流沖刷、盆地沉積等作用。在造山動(dòng)力學(xué)中，這些過程統(tǒng)稱為地表過程。地表過程對(duì)褶皺帶的形成及其最終形態(tài)并不起決定作用，但由于地表作用導(dǎo)致褶皺帶不同位置的質(zhì)量重新分布，這影響著局部重力均衡，進(jìn)而影響褶皺形成及后續(xù)變形過程。據(jù)Simpson等［22-23］的研究成果，地表過程可應(yīng)用線性擴(kuò)散方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：

式中：κ為表面物質(zhì)擴(kuò)散率，m2/s；h為表面高程，m。

在白音查干凹陷褶皺的變形過程中，基底的片巖經(jīng)歷了擠壓縮短、表面隆升的構(gòu)造演變，剝蝕區(qū)地層擠壓變厚的程度影響了之后的撓曲變形，而表面沉積物搬運(yùn)效率控制了變形結(jié)構(gòu)的空間分布。

這一問題可以通過受力平衡的數(shù)學(xué)求解來計(jì)算。在褶皺形成的過程中，物質(zhì)保持應(yīng)力平衡的狀態(tài)，表層物質(zhì)的剝蝕與卸載，影響之后的結(jié)構(gòu)變形，主要有2種方式：第1種與均衡應(yīng)力有關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致剝蝕區(qū)的回彈與沉積區(qū)的沉降，這個(gè)程度主要與下伏地層巖石的剛性有關(guān)；第2種與動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡有關(guān)，由于擠壓加厚的方向與重力方向相反，剝蝕導(dǎo)致的表層變化順應(yīng)了重力的趨勢(shì)，在擠壓的過程中一直處于動(dòng)態(tài)平衡［19］。

式中：ε˙為應(yīng)變率，s-1；下標(biāo)z為坐標(biāo)系方向。

式中：D為垂直方向地層彈性強(qiáng)度，Pa·m3；w為垂向形變量，m；Δρ為密度差異，kg/m3；q為負(fù)載，N。

2.2 數(shù)學(xué)物理方程的邊界條件

據(jù)蔣飛虎等對(duì)白音查干凹陷地層的研究，本區(qū)基巖褶皺形成的地質(zhì)條件與單側(cè)擠壓模型比較相似。即：推動(dòng)地層的右側(cè)，地層向左側(cè)移動(dòng)，結(jié)果在施加壓力的右側(cè)形成褶皺帶。剪切應(yīng)力根據(jù)式（8）設(shè)定為恒定值。下邊界受內(nèi)摩擦力作用，頂面為自由表面。這樣的邊界條件與McClay［24-25］曾經(jīng)做過的沙箱物理實(shí)驗(yàn)的邊界條件非常類似。

式中：τb為邊界剪切應(yīng)力，N；σn為正應(yīng)力，N；φb為邊界摩擦角，（°）。

為了準(zhǔn)確描述地質(zhì)過程及方便求解，引入無量綱參數(shù)E，并將其定義為剝蝕強(qiáng)度，表示表層物質(zhì)搬運(yùn)率與形變率的比值，即單位變形量的時(shí)間內(nèi)表層物質(zhì)的搬運(yùn)量。E由小變大表示表層物質(zhì)剝蝕的速度快于擠壓變形的速度，剝蝕對(duì)變形的貢獻(xiàn)逐漸增大。本文采用拉格朗日方法，采用迭代法求解上述方程。

數(shù)學(xué)模擬的優(yōu)勢(shì)在于可以連續(xù)調(diào)整剝蝕強(qiáng)度，模擬不同剝蝕強(qiáng)度下構(gòu)造變形與剝蝕地層的再沉積過程，這是沙箱物理實(shí)驗(yàn)中很難控制的。

3 模型設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果分析

針對(duì)白音查干凹陷基底的片巖特征，設(shè)計(jì)了一個(gè)片巖層狀模型，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬。地層模型的初始狀態(tài)為3層片巖平行等厚分布，其右邊界施加水平壓力，垂直方向初始速度為0；左邊固定，不施加應(yīng)力，垂直與水平初速度均為0（見圖3）。本文模擬了3種擠壓條件下，不同變形率與表層物質(zhì)搬運(yùn)率的比值變化時(shí)，基巖褶皺的內(nèi)幕結(jié)構(gòu)。

圖3 未擠壓的基底結(jié)構(gòu)模型

3.1 弱擠壓情況下的褶皺內(nèi)幕

在擠壓開始時(shí)，剖面的右邊出現(xiàn)褶皺背斜隆起。當(dāng)擠壓造成剖面縮短量為10%時(shí)，在E=1，10，100三種情況下，褶皺頂面的包絡(luò)面差異不大（見圖4），但褶皺內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大。圖中綠色為原始層狀地層，藍(lán)色代表褶皺頂部遭剝蝕后沉積的地層。

圖4 弱擠壓條件時(shí)褶皺內(nèi)幕結(jié)構(gòu)

當(dāng)E=1時(shí)，剖面右側(cè)出現(xiàn)一個(gè)完整的背斜，頂部保存完整，在頂面背斜的腰部之下也發(fā)育一個(gè)低幅度的背斜（見圖4a）。當(dāng)E=10時(shí)，剖面右側(cè)的背斜頂部遭到嚴(yán)重剝蝕，3層模型的頂層多半被剝蝕，剖面內(nèi)幕出現(xiàn)復(fù)合褶皺的雛形，但沒有完全發(fā)育（見圖4b）。E=100時(shí)，剖面右側(cè)出現(xiàn)背斜，頂部遭到嚴(yán)重剝蝕，3層模型的頂部2層被剝蝕，剖面內(nèi)幕出現(xiàn)直立褶皺 （見圖4c）。遭剝蝕后沉積的地層分布范圍增大，造成褶皺左側(cè)較大的構(gòu)造沉降量。

3.2 中等擠壓情況下的褶皺內(nèi)幕

隨著擠壓程度的增大，擠壓背斜的幅度明顯增大。在擠壓造成剖面縮短量由10%增加到20%的過程中，水平方向上早期形成的背斜趨于穩(wěn)定，在擠壓過程中，活動(dòng)構(gòu)造的前端向左移動(dòng)（見圖5）。

圖5 中等擠壓時(shí)褶皺內(nèi)幕結(jié)構(gòu)

當(dāng)擠壓造成剖面縮短量為20%時(shí)，E=1的剖面右側(cè)出現(xiàn)3個(gè)背斜，最早形成的背斜遭到的剝蝕最為嚴(yán)重，左邊的背斜頂部保存完整，褶皺之間被剝蝕的地層充填。如果只從頂面傾角觀察，會(huì)出現(xiàn)背斜成谷、向斜成山的特征（見圖5a）。當(dāng)E=10時(shí)，剖面右側(cè)的早期背斜向左傳導(dǎo)，形成密集的復(fù)合褶皺剖面，右側(cè)模型頂部3層遭到嚴(yán)重剝蝕，最為嚴(yán)重的位置第1層全部被剝蝕。而其最左側(cè)的背斜保存完整（見圖5b）。E=100時(shí)，剖面右側(cè)的背斜內(nèi)幕出現(xiàn)復(fù)雜的沖斷結(jié)構(gòu)，其頂部遭到嚴(yán)重剝蝕（見圖5c）。

3.3 較強(qiáng)擠壓情況下的褶皺內(nèi)幕

隨著擠壓程度的進(jìn)一步增大，擠壓背斜的幅度明顯增大，剝蝕更加明顯（見圖6）。

在擠壓造成剖面縮短量由20%增加到30%的過程中，水平方向上活動(dòng)構(gòu)造的前端繼續(xù)向左移動(dòng)。在擠壓造成剖面縮短量為30%的條件下：E=1時(shí)的剖面右側(cè)出現(xiàn)4個(gè)背斜，最早形成的背斜遭到的剝蝕最為嚴(yán)重，左邊的3個(gè)背斜頂部保存完整（見圖6a）；E=10時(shí)的剖面右側(cè)密集的復(fù)合褶皺被繼續(xù)擠壓，形成陡立的直立褶皺，只有最左側(cè)的背斜保存完整（見圖6b）；E= 100時(shí)的剖面右側(cè)背斜內(nèi)幕復(fù)雜的沖斷結(jié)構(gòu)規(guī)模繼續(xù)增大，頂部遭到嚴(yán)重剝蝕（見圖6c）。被剝蝕的物質(zhì)沉積在褶皺沖斷帶與未變形的地區(qū)之間，形成類似前陸盆地的結(jié)構(gòu)。

圖6 較強(qiáng)擠壓時(shí)褶皺內(nèi)幕結(jié)構(gòu)

3.4 褶皺內(nèi)幕結(jié)構(gòu)與有效圈閉位置

基巖油藏勘探的關(guān)鍵是尋找保存完整的圈閉，通過對(duì)白音查干凹陷基巖褶皺的數(shù)學(xué)模擬證實(shí)，在擠壓程度、剝蝕強(qiáng)度不同時(shí)，褶皺型潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)有很大的差異。對(duì)于擠壓變形較小的區(qū)域，基巖的高部位褶皺內(nèi)圈閉保存完整，是基巖油藏勘探的主要方向（見圖5右側(cè)）。對(duì)于擠壓程度較大、剝蝕程度較高的地區(qū)，基巖隆起的腰部基巖內(nèi)幕復(fù)合褶皺底部的圈閉保存完整，是基巖油藏勘探的主要方向。

4 白音查干凹陷的基巖勘探方向

據(jù)蔣飛虎等人對(duì)白音查干凹陷地層的研究，白音查干凹陷達(dá)-錫地區(qū)基巖表層褶皺的壓縮量約為20%，結(jié)合BD11井的巖心觀察到的潛山內(nèi)幕地層傾角與基巖包絡(luò)面形態(tài)等地質(zhì)信息，認(rèn)為白音查干凹陷的基巖發(fā)育規(guī)律與模擬參數(shù)為E=10的數(shù)值模擬情況類似。按照該數(shù)學(xué)模型推演的結(jié)果，對(duì)84-817二維地震剖面進(jìn)行了重新解釋（見圖7），認(rèn)為BD11井以西的達(dá)-錫地區(qū)發(fā)育內(nèi)幕為低凸起背斜，是圈閉的高部位，很有可能形成油氣富集。

而此前D50井在基巖地層中獲得低產(chǎn)油流的位置是處于這個(gè)低幅度圈閉邊部的底部位。

圖7 過BD11井—84-817井二維地震剖面新解釋方案

5 結(jié)論

1）通過模擬白音查干凹陷基巖褶皺的形成與演化，確定了褶皺型潛山的內(nèi)幕形態(tài)與構(gòu)造特征，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上建立地質(zhì)模式，結(jié)合實(shí)際資料能夠有效確定基巖油藏勘探的有利方向。

2）數(shù)值模擬證實(shí)，褶皺型潛山內(nèi)幕結(jié)構(gòu)主要受擠壓程度、剝蝕強(qiáng)度兩因素影響。對(duì)于擠壓變形較小的區(qū)域，基底的高部位是基巖油藏勘探的主要方向。對(duì)于擠壓程度較大剝蝕程度較高的地區(qū)，在基巖隆起的中部，基巖內(nèi)幕復(fù)合褶皺底部的背斜保存完整，是基巖油藏勘探的主要方向。

3）白音查干凹陷基巖發(fā)育模式與E=10時(shí)的數(shù)學(xué)模擬非常類似，D50井已經(jīng)證實(shí)了這種類型潛山的存在。而BD11井以西基巖包絡(luò)面隆起的中部基巖內(nèi)幕背斜圈閉保存完整，是白音查干凹陷基巖油藏勘探突破的有利方向。

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（編輯 高學(xué)民）

Inner structure of fold-type buried hill and hydrocarbon exploration direction:an example of Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag

ZHANG Fangdong1,QI Renli1，2,ZHOU Jie1,WANG Xuejun1,KONG Hairui1
(1.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China; 2.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Zhengzhou 450017,China)

The basement reservoir is an important oil and gas exploration domain.Recent drilling shows that the fold-type basement reservoir of inner buried hill is developed in Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag.Because the inner structure is quite different from the buried hill in the eastern of China,and up till now there are quite few wells drilled into basement and seismic data is unable to get clear image in inner buried hill.The exploration of inner buried hill reservoir is very hard.Mathematical physics equations were built by mathematical simulation of fold structure evolution.The inner buried hill is better understood by the mathematical simulation. Mathematical model shows that inner structure is controlled by the shorten ratio caused by compression and erosion intensity.In low compression area,top of the fold is the favorable exploration direction,while in high compression area,the middle of the fold is the favorable exploration direction.Combined with regional drilling data in Baiyinchagan Sag,it is concluded that the west of BD11 is the favorable exploration area.

basement oil pool;inner buried hill;mathematical model;Baiyinchagan Sag

TE122.2+1

A

10.6056/dkyqt201606007

2016-04-28；改回日期：2016-08-17。

張放東，男，1962年生，高級(jí)工程師，主要從事油氣勘探綜合研究工作。E-mail：zfdzfdnew@163.com。

張放東，齊仁理，周杰，等.褶皺型潛山內(nèi)幕形態(tài)與勘探方向：以白音查干達(dá)-錫地區(qū)為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：716-720.

ZHANG Fangdong,QI Renli,ZHOU Jie，et al.Inner structure of fold-type buried hill and hydrocarbon exploration direction:an example of Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：716-720.