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含油气盆地古构造恢复方法研究及进展

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油气 盆地 构造 恢复 方法 研究 进展
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0 引言在美国地质调查所 1964 年编制的 《地质学辞典 》中 ,将 “古构造 ”一词解释为 :在地质历史中 ,一个地区从前的地质构造或岩石序列 。 崔盛芹[1]把古构造理解为 “既成的现今构造形成之前 ,某一或某些发展阶段 (同沉积期 、造山期 )的构造状况 ”。 古构造的 “古 ”字 ,本身并无绝对的时间概念 ,是相对于现今构造而言的 。 含油气盆地的古构造对油气成烃 、成藏的各种要素起到控制作用 ,对古构造进行恢复可以为含油气盆地的综合分析 、盆地模拟提供可靠的依据 。 中国的含油气盆地多数属于叠合盆地[2],经历过复杂的多旋回演化[3]以及多期次 、多类型盆地的垂向叠置历史 ,因此古构造恢复就显得尤为重要[4多位学者对含油气盆地古构造恢复进行过研究 ,20 世纪 40 年代至 50 年代 ,前苏联石油地质学家卡拉瓦什基娜等提出了 “宝塔图 ”古构造分析方法[7];1969 年 [8]提出了平衡剖面的概念 ;]、[10]、[11]进一步发展了平衡剖面古构造恢复的思想 ,不仅定量研究了古构造的变形过程 ,还探讨了古构造圈闭演化过程中局部变形带的空间分布特点 。 针对我国复杂的多旋回叠合盆地类型 ,漆家福等[12]、杜旭东等[13]对黄骅坳陷中生代古构造进行了探索性恢复 ;毛小平等[14]提出了运用物理平衡剖面法恢复古构造的方法 ;靳久强等[15]探讨了西北地区侏罗纪原型盆地及其演化特点 ;张卫华等[16]提出了利用地震属性恢复古构造的方法 ;薛良清等[17]利用古沉积相 、地层接触关系与构造格架分析研究了西北侏罗纪原始盆地面貌 ;张立勤等[4]利用层序充填特点和古水平面重塑方法对黄骅坳陷乌马营奥陶系古潜山的古构造进行了研究 ;马如辉等[18]提出了利用构造恢复原理来恢复古构造 ,并应用于川西地区 ,取得了良好的效果 。1 古构造恢复方法1. 1 “宝塔图 ”法对于具有多个作图界面的地区 ,用相应较深界面的构造等高值依次减去相应较浅界面的构造等高值 ,编制出不同时期的古构造图 ,并按不同时间第 24 卷 第 1 期2012 年 2 月岩 性 油 气 藏2012含油气盆地古构造恢复方法研究及进展久 凯1,丁文龙1,李春燕2,曾维特1(北京 )能源学院 ; 摘 要 :含油气盆地古构造与油气的成烃 、成藏关系密切 ,但目前已有的古构造恢复方法均具有一定的局限性 ,制约了油气的勘探开发 。 该文分析总结了古构造恢复方法发展至今形成的 “宝塔图 ”法 、厚度图法 、平衡剖面法 、地震属性恢复古构造法 、三维空间古构造恢复法 、同一变形体古构造恢复法等诸多方法 ,并分别指出了各种方法的适用范围和在实际应用中存在的问题 。 剥蚀量恢复 、去断层 、去褶皱 、去压实校正及古水深校正等是古构造恢复中的关键技术 ,能否合理运用这些技术将直接影响到古构造恢复的准确性 。 文中对这些关键技术作了详细分析 ,此外还归纳了古构造恢复中存在的主要问题 ,并指出了古构造恢复方法未来的发展趋势 。关键词 :古构造恢复 ;恢复方法 ;发展趋势 ;含油气盆地中图分类号 :献标志码 :1673012)012011回日期 :2011国家自然科学基金项目 “中国南方下古生界海相富有机质页岩裂缝发育程度与主控因素定量关系研究 ”(编号 :41072098)资助 。第一作者简介 :久凯 ,1986 年生 ,男 ,中国地质大学 (北京 )在读博士研究生 ,主要从事石油构造分析方面的研究工作 。 地址 :(100083)北京市海淀区学院路 29 号中国地质大学 (北京 )能源学院 。 电话 :(010)82320629。 丁文龙 ,1964 年生 ,男 ,副教授 ,博士生导师 ,主要从事石油构造分析与控油气作用方面的教学与科研工作 。 油 气 藏 第 24 卷 第 1 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期平衡剖面复原的方法有 2 种 :一种是正演法 ,另一种是反演法 。 所谓正演法 ,是指从未变形的状态向变形后的剖面模拟的过程[20],其优点是可通过对不同参数的选择 ,利用计算机迅速地检验几个不同的假设 ,为地质学家解释地质现象提供依据 。 比如 ,地震资料反射差的地区其地震剖面上深层的反射排列成宝塔状 ,便构成了所谓的 “宝塔图 ”[12]。 编制“宝塔图 ”实际上是通过地层回剥方法揭示三维构造几何形态的演化过程 ,该方法可以很好地反映某一层位的发展状态和后一阶段对其原始构造的改造状态 。 但是 ,该方法存在以下问题 :①编制 “宝塔图 ”是一项繁重的工作 ,据公式 N=n(n+1)/2[7],其中N 代表图幅总数 ,n 代表分层数 ,若有 10 个分层 ,需编制 55 幅厚度图 ,工作量非常大 ;②该方法对断层和不整合欠考虑 ,不能正确演示断层的形成和演化过程 ,最终图中的厚度值往往与实际值不相符 。1. 2 厚度图法在古构造恢复过程中 ,厚度图的应用非常广泛 。其理论基础是沉积 即认为在沉降速度和沉积速度相对稳定的情况下 ,盆地的古地理环境保持不变 ,盆地内沉积物的堆积厚度与地壳沉降幅度大体相当 。 正是基于这种沉积补偿假设 ,才可能重塑地层的构造发育史[18]。该方法的操作步骤为 :①构造 -地层综合解释和不整合分布样式的识别 。 利用研究区内地质 、钻井 、测井 、地震等资料 ,建立区域构造研究的骨干地震剖面 ,对重点层系进行精细标定和追踪 ,并且结合区域构造演化过程和地球动力学背景进行构造解释 ,建立正确的断裂解释模式 ,同时识别各个地层之间的接触关系和地震反射结构 ,确定不整合样式 ,获得重要不整合面的现今构造图和地层残余厚度图 。 地层残余厚度图反映了现阶段的地层状况 ,不仅可以从中得出有用的古构造信息 ,而且也是编制古构造图的基础资料 。 ②对主要构造不整合面的剥蚀量进行恢复 。 地层剥蚀量的准确性直接影响古构造等高线图的合理性和可靠性 ,因此必须分析地质时期岩层的剥蚀历史 ,编制不同构造期的剥蚀厚度图 。 对主要不整合面剥蚀量的恢复是古构造恢复中最为关键的一步 。 ③去压实校正和古水深校正 。④利用盆地模拟软件制作古构造图 。 在现今构造图和残余厚度图 、剥蚀厚度图编制的基础上 ,考虑去压实 、古水深等参数 ,采用盆地模拟软件计算 、恢复重要层系地震反射层不同构造时期的古埋深 ,编制主要地震反射层关键构造时期的古构造图 。1. 3 平衡剖面法]提出了平衡剖面的概念 ,平衡剖面的概念作了严格定义 :“复原剖面和变形剖面必须同时建立 ,如果一条剖面能够被复原到未变形的状态 ,那么它就是一条合理的剖面 ”[19]。 平衡剖面是根据物质守恒的原理提出来的 ,在其制作过程中 ,需遵循面积守恒 、层长一致 、位移一致和缩短量一致的几何学法则[19 以 “地质平衡 ”为核心的平衡剖面技术是古构造研究的基础 ,已成为油气勘探中的一项重要技术 ,它对于正确判定地下构造 、合理进行盆地恢复有着重要意义 。在古构造恢复中 ,运动学模型限定了构造变形的整个演化条件 。 平衡剖面中经常使用的 4 个运动学模型[22]为 :刚性块体位移模型 、弯曲滑动模型 、斜向剪切模型和纯剪切模型 [图 1(a)]。 运用不同的模型对变形的构造进行恢复后会得到不同的几何形态 。 此外 ,“多米诺 ”骨牌模型和垂直剪切模型在古构造恢复中的应用也越来越多 [图 1(b)]。 近年来 ,断层相关褶皱理论及技术有了进一步的发展 ,为重建地质正演模拟提供了一种方法 ,它将平衡的观念定量化 ,在构造建模与构造解析中给出了一种合理 、可行的方案[23]。图 1 运动学模型[22]1 a) 基本运动学模型 ;(b) 垂直剪切模型和 “多米诺 ”骨牌模型垂直剪切模型“多米诺 ”骨牌模型变形前 变形后刚性块体位移模型纯剪切模型弯曲滑动模型斜向剪切模型变形前 变形后(a) (b)142012 年2012 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年 久凯等 :含油气盆地古构造恢复方法研究及进展① 张小兵 中国石化西北油田分公司 2010 年春季勘探部署会 , 利用构造恢复原理进行古构造恢复的思路①2 of on of a) 原始构造模型 ;(b) 去断层后模型 ;(c) 去褶皱后模型 ;(d) 压实校正后模型通常不清楚 ,在进行解释时存在多解性 ,但是通过对正演模型的合理利用 ,依据浅层反射好的资料 ,运用正演模拟的方法 ,可以对深层的构造进行合理的预测[24]。 所谓反演法 ,是指从复杂的解释剖面入手 ,按照顺序依次将变形的剖面恢复到未变形的状态 ,并对所恢复剖面的合理性作出检验 。 通过确定现今剖面的长度 、恢复后剖面的长度以及地层划分对比的时间 ,对伸展盆地的伸展量 、伸展率和伸展速率进行计算[25对挤压性盆地的缩短量和缩短率进行计算[29从而更加深入地了解盆地的构造演化过程 。1. 4 地震属性恢复古构造法张卫华等[16]提出了利用地震属性恢复古构造的方法 。 该方法的关键是要获得地质上某个时刻的地震数据体 ,然后任意截取该地质时刻的地震剖面并利用三维可视化技术来研究古构造 。 获取地震数据体首先要对地层进行压实校正和剥蚀厚度恢复 ,校正后的地层会有明显的变化 ,而现今的地震资料无法记录这种变化 ,这就需要进行波场重建 ,然后便可获得某一地质时刻的地震记录 ,再利用它计算各种属性 ,进而可得到地质历史时期的构造情况 。该方法将地震属性与计算机技术相结合 ,其优点在于可以应用三维可视化技术对剖面的构造演化过程实现动态显示 ,有助于对含油气盆地古构造的深入理解 。1. 5 三维空间古构造恢复法以往大多数古构造恢复是在剖面图或平面图的二维空间上进行的 ,但实际的构造变形则发生在三维空间上 ,因此常造成恢复结果的精度较低 。 随着钻井 、三维地震勘探的不断深入及计算机技术 、可视化技术的不断提高 ,使古构造的恢复从二维剖面向三维剖面的转化成为可能 。许浚远等[31]较早提出了三维古构造重建的方法 。 基本思想是考虑质点的空间运动轨迹 ,即首先在合适的剖面内恢复二维古构造 ,再将不同方向剖面的二维古构造进行叠加 ,叠加方式视断裂总体变形特征而定 。 多位学者指出 ,对于复杂构造区 ,要想较准确地对某个时期的古构造进行恢复 ,必须考虑到断层和褶皱对古构造的影响 。 构造恢复原理[18]为复杂构造区的古构造恢复提供了有益的思路和方法 ,它实际上是地层沉积演化的逆过程 。 一般地层的沉积演化过程是沉积 —压实 —褶皱 —断裂 ,而运用构造恢复原理对某个时期的古构造恢复过程为去断层 —去褶皱 —去压实 —古构造 (图 2)。 值得一001 0000000001 0000000m 001 0000000深度/001 0000000深度/m(c)(a) (b)(d)15岩 性 油 气 藏 第 24 卷 第 1 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期提的是 ,这种方法在压实校正前必须对重要不整合面的剥蚀量进行恢复 ,所以 ,其关键在于去断层 、去褶皱技术的合理性和剥蚀量恢复的精确程度 。 此后 ,[32]提出了复杂构造三维空间的动力学恢复技术和工作流程 。 此项技术是用连续的动力学方法计算出恢复向量场 ,实现所有的边界条件 ,并且让模拟达到一个全局的最小应力状态 。 证实了此项三维恢复技术在天然复杂地质构造研究中的适用性 ,并且通过改变动力学特征和边界条件对天然断层相关褶皱的动力学演化过程进行了深入研究[33]。1. 6 同一变形体古构造恢复法用传统的方法对挤压褶皱的剖面和平面进行恢复虽然可以取得不错的效果 ,但是这些方法要求剖面是独立的 ,并且对构造面要分层去褶皱 。 为实现统一对同一变形体的恢复 ,[34]提出了对三维空间的弯曲滑动构造复原的新方法 。 该方法遵循三维空间上体积不变的原则 ,即给定的去褶皱方向上的线长和层厚保持不变 。 此外 ,该方法建立在一个弯曲滑动系统形状转换基础之上 。 对于一个具体层位来说 ,弯曲滑动系统是由具体模型的几何形状及固定面计算得来 ,该固定面是由所有指定褶皱方向上三角形网格面的顶点组成 ;然后 ,在几何学面的限制下通过计算 ,整个滑动系统变形成弯曲的或者是平面的形状 ,系统内的所有顶点就被转换到一个新的位置 ,从而产生了一个新的三维模型 。2 古构造恢复中的关键技术2. 1 剥蚀量恢复恢复重要不整合面的剥蚀量是古构造恢复中的一项重要内容 , 许多学者对此做了大量的研究[35图 3)。 然而 ,由于地质情况的复杂性和地质资料的准确性等原因 ,至今还没有哪种方法能够绝对准确地求出剥蚀量 ,且各种方法都有其自身的局限性 。在恢复地层剥蚀量的工作中 ,必须在已有资料的条件下 ,根据地层的沉积 、构造特征 ,选取合适的方法 。 如果研究区具备充足的资料 ,那么针对其特点 ,综合利用多种方法进行剥蚀量恢复 ,可以获得更加精确的数据 。一般地 ,对于中 、新生代沉积盆地 ,可以选择测井技术法和地热指标法相结合进行剥蚀量恢复 。 由于中 、新生代沉积盆地地层压实规律一般较明显 ,测井技术法中的孔隙度法和声波时差法应用效果较好 。 对于显生宙以来的多旋回叠合盆地 ,首先应该对盆地的沉积 、构造演化史进行分析 ,利用地层对比法定性约束剥蚀量的范围 ,然后再应用地热学方法或沉积波动分析法进行定量计算[35]。2. 2 去断层和去褶皱在古构造的恢复过程中 ,需要消除褶皱和断层所导致的构造变形对地层的影响 ,而斜剪切法是目前最常用的去断层和去褶皱的方法 。 该方法针对断层上盘与地层具有一定夹角的定向滑动模型 [图4(a)],通过指定上盘的移动方向和距离 ,然后移动断层上盘来完成去断层 。 断层面和上盘之间的空间由于上盘的移动而形成 ,之后在剪切矢量的控制下 ,上盘向断层面倒塌 ,剪切矢量逐点对应到断层面 ,由于剪切矢量的长度保持不变 ,因此 ,断层面附近的地形变化便作为褶皱传播到了上盘地层中 ,从而完成了断层恢复[18]。 运用斜剪切法对褶皱进行恢复 ,采用平行或近似平行于褶皱轴面的斜剪切恢复矢量 。 恢复矢量通常是基于数据通过对褶皱轴面方位的直接观察得到 ,并且满足平衡剖面的限制[39]。复原的过程中将平行褶皱轴面的恢复矢量向下移动进行逐层复原 ,恢复矢量与褶皱矢量大小相等且方向相反 ,从而反映了原来褶皱应被恢复的方位与大小 [图 4(b)]。[40]提出了综合去断层和去褶皱的方法 ,并利用该方法对三维空间的几组层系进行了恢复 ,分别对其去断层和去褶皱 。 通过用三维有限元法进行去褶皱 ,对三角面的各要素实现了最佳拟合 ,主要是实施了以下几个复原机制 ,包括弯曲滑动 、斜剪切以及对表面局部倾斜定向的三维斜剪切 。 在去褶皱后 ,对图上显示的断层位移进行恢复 ,使刚性平衡地质剖面地质对比法图 3 恢复地层剥蚀量的方法[38]3 of of 2012 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年表 1 古构造恢复方法综合分析表 of 法原理 适用范围 存在问题“宝塔图 ”法 地层回剥原理 具有多个作图界面的研究区 工作量大 ,对断层和不整合欠考虑厚度图法 沉积 造变形相对平缓 、简单的地区 不适用于复杂的构造变形区平衡剖面法 面积守恒 、层长一致 、位移一致和缩短量一致的几何学法则主要为挤压伸展构造区 受地震剖面精度的影响 ,对构造与反转构造的恢复有局限性地震属性恢复古构造法 通过波场重建 ,利用三维可视化技术研究古构造易获得高精度地震数据体的地区波场重建精度不高三维空间古构造恢复法 构造恢复原理 复杂构造变形区 使用的地质模型多简化 ,与实际情况存在误差 ,造成恢复的不准确同一变形体古构造恢复法 三维空间体积不变原则 — 使用的地质模型多简化 ,与实际情况存在误差 ,造成恢复的不准确断块体得到最佳拟合 。 通过多重方向的去断层和去褶皱的联合 ,得到了去断层和去褶皱的优选组合 ,产生了对三维空间表面应力 、质点移动的最佳估计方法 。2. 3 去压实校正与古水深校正地层埋藏深度和岩性的差异造成了地层的不均匀压实 ,为了能更精确地反映古构造形态 ,需要消除这一因素的影响 ,即做去压实校正 。 去压实校正考虑的最关键因素是埋藏深度的变化 ,这种变化主要表现为随着埋深增大 ,孔隙度减小 ,地层厚度变薄 。 因此 ,去压实校正实际是地层孔隙度的恢复 。在正常压实的沉积层中 ,碎屑岩岩层的孔隙度随着深度增加而呈指数减小 。 利用声波时差资料可以获得孔隙度 从而得到不同埋深情况下孔隙度下降的程度 ,进而可对不同埋深的地层进行不均匀压实恢复[41 在内陆小型断陷湖盆中 ,最大古水深可能不超过 100 m,这与厚达数千米的沉积层相比相对较小 ,因此可以不考虑古水深对地层的影响 ;但在被动大陆边缘的陆隆部位及某些特定背景下的大型断陷湖盆的深水区 ,则必须考虑古水深对地层的影响[41]。3 古构造恢复方法中存在的主要问题与发展趋势古构造恢复方法发展至今 ,已形成 “宝塔图 ”法 、厚度图法 、平衡剖面法 、地震属性恢复古构造法 、三维空间古构造恢复法 、同一变形体古构造恢复法等诸多方法 ,以及剥蚀量恢复 、去断层 、去褶皱 、去压实校正及古水深校正等关键技术 。 由于构造演化的复杂性和地质影响因素的多样化 ,目前用于古构造恢复的方法 、技术都存在一定的局限性 ,仍难以达到古构造半定量或定量研究所需的精度 ,见表 1。久凯等 :含油气盆地古构造恢复方法研究及进展图 4 斜剪切法去断层 、去褶皱原理示意图4 of by a) 斜剪切法去断层[18];(b) 斜剪切法去褶皱[39]古构造恢复研究的发展趋势主要表现为 :①剥蚀量恢复 、去断层 、去褶皱 、去压实校正及古水深校正是含油气盆地古构造恢复中的关键技术 ,对这些技术进行改进是古构造恢复研究的关键 ;②综合应原始形状延伸区域上盘移动后上盘沿剪切矢量对应到断层面移动方向上盘下盘下盘不合理区剪切矢量现在的形状褶皱矢量恢复矢量现在的形状初始形状初始形状P(X,Y)0,0(0)P(X,Y)(a) (b)17岩 性 油 气 藏 第 24 卷 第 1 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期用地震 、测井 、地表露头资料的同时 ,增强对计算机技术的应用是古构造恢复研究的重点 ;③在构造演化过程中 ,岩层通常在三维空间上发生变形 ,因此发展适用于三维空间古构造恢复的理论 、方法将成为未来古构造恢复研究的趋势 。4 结束语含油气盆地古构造与油气的关系受到越来越多的关注 ,古构造恢复已成为油气勘探中不可回避的问题 。 进行古构造恢复不仅要有正确的理论作指导 ,还需要借助计算机技术的发展 、现代科学技术的进步和实验手段的多样化等进行研究 。 近年来 ,古构造恢复的理论和方法都不断取得进步 ,古构造恢复研究展示出了良好的前景 。参考文献 :[1] 崔盛芹 C]∥中国地质学会构造专业委员会 北京 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