平衡剖面控制下古構(gòu)造的恢復(fù)

耿捷 ，馮陣東 ，程秀申 ，王霞田 ，張效恭 ，陳世澤 ，黃莉

（1.中油國際（乍得）有限責任公司，北京 100043；2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽 457001；3.中國石油新疆油田勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）基金項目：“十二五”國家科技重大專項課題“東濮凹陷油氣富集規(guī)律與增儲領(lǐng)域”（2011ZX05006-004）

0 引言

古構(gòu)造形態(tài)控制了物源方向、沉積地層巖性及厚度，直接決定了沉積相的類型和砂體的展布［1-4］；所編制的古構(gòu)造圖的準確度直接影響著勘探的成功率［5-7］。以目前常用的工作方法恢復(fù)古構(gòu)造存在3個方面的問題：1）用地層厚度來反映古深度不準確。假設(shè)S段地層可以劃分為 S1，S2，S3等 3個亞段，S段沉積前與 S3亞段沉積前界面相同，且為同一時刻，2種條件下恢復(fù)的構(gòu)造形態(tài)、古深度卻有明顯差異。古構(gòu)造圖作為反映盆地三維空間演化的圖件，與平衡剖面得到的結(jié)果應(yīng)該吻合；而實際工作中，“某段沉積前剖面”頂面近水平，不具備高低起伏，顯然不具備“某段沉積前構(gòu)造圖”所反映的地貌形態(tài)，所包含的地質(zhì)意義需要進一步的探討。2）對影響地層垂向厚度恢復(fù)的主次因素不夠明確。地層在沉積時和沉積后，發(fā)生過一系列地質(zhì)作用，其垂向厚度的恢復(fù)難度較大；影響該數(shù)值的因素是多方面的，需要對其進行分析，確定這些因素的主次關(guān)系。3）忽略了斷層的水平位移，與實際地質(zhì)情況偏差較大。構(gòu)造恢復(fù)所選擇的控制點，在構(gòu)造演化過程中不僅有垂向變化，還有水平向變化，且水平向的變化往往大于垂向變化，因此古構(gòu)造的恢復(fù)需要考慮三維坐標的變化。

1 古構(gòu)造圖的時段概念

某一層段S的沉積演化過程可以拆分為3個階段：1）S沉積之前，經(jīng)受了長期的準平原化作用，不具備高低起伏形態(tài)（見圖1a），對后期沉積厚度、粒度以及沉積相類型基本沒有影響；2）因斷裂活動基底差異沉降，造成了后期沉積厚度的不均勻（見圖1b）；3）經(jīng)歷漫長的沉積過程，初期產(chǎn)生的斷層兩側(cè)被厚度不均的S地層充填（見圖1c），頂面再次恢復(fù)水平。由此可以看出，古構(gòu)造圖反映的是構(gòu)造起伏產(chǎn)生以后、S地層沉積之前的地貌形態(tài)，命名為 “S段地層沉積前構(gòu)造圖”，其深度可用S層的厚度表示。

圖1 S段地層沉積演化過程示意

如果地層 S段可以細分為 S1，S2，S3等 3個亞段（見圖2），S段沉積前與S3亞段沉積前是同一時間界面，所對應(yīng)的古構(gòu)造圖分別為S段沉積前構(gòu)造圖、S3亞段沉積前構(gòu)造圖。根據(jù)厚度不難測算，S段沉積前的剖面構(gòu)造形態(tài)為一箕狀凹陷；而S3亞段沉積時期，斷層F1，F(xiàn)2并未產(chǎn)生，S3亞段沉積前不具備構(gòu)造起伏。2種命名條件下，深度相差較大，所反映的構(gòu)造形態(tài)也完全不同。進一步細化考慮，任何一期構(gòu)造活動都是長期能量積聚的結(jié)果，其經(jīng)歷可以拆分成多次斷裂、差異沉降—穩(wěn)定沉積、能量積聚的旋回。如圖2所示，S2亞段沉積期間，可能經(jīng)歷了多次活動，斷層兩側(cè)同相軸之間的任意一次厚度變化都可能代表一次斷裂—能量聚集的旋回，甚至可以進一步細分，而古構(gòu)造恢復(fù)過程中很難考慮得如此細致。因此，古構(gòu)造圖具有時間段的概念，“S段、S3亞段沉積前構(gòu)造圖”命名雖為“沉積前”，反映的并非這一時刻的地表形態(tài)，而是整個沉積時期構(gòu)造變形的累積結(jié)果。

圖2 S段地層分段示意

總之，古構(gòu)造等值線圖反映的是某套地層沉積后其底界面的構(gòu)造起伏；該套地層沉積過程中，可能經(jīng)歷了多次斷裂—沉降—沉積的旋回，每次變形都會在地層的底界面留下記錄。古構(gòu)造圖是可以反映地層沉積過程中三維構(gòu)造變形累積結(jié)果的圖件。

2 影響古構(gòu)造形態(tài)的因素分析

編制古構(gòu)造圖時選擇的控制點，具有三維空間坐標，任意方向的改變都會造成構(gòu)造形態(tài)的變化［8-12］。古構(gòu)造恢復(fù)的依據(jù)是沉積補償原理，恢復(fù)的對象是斷層兩盤差異沉降造成的地表起伏形態(tài)。根據(jù)沉積補償原理，高低起伏的地表形態(tài)經(jīng)過長期的沉積、抬升剝蝕，頂面趨于水平，統(tǒng)計該套地層的殘余厚度、剝蝕厚度便可以近似代替底界面的深度（垂向坐標）。在統(tǒng)計地層厚度過程中，受井斜、地層傾斜、地層壓實、抬升剝蝕等因素的影響明顯（見表1）。

表1 伸展盆地中影響古構(gòu)造恢復(fù)的要素

井斜、地層傾斜致使地層統(tǒng)計厚度偏大。如真厚度1 000 m的地層，傾角30°時的視厚度為1 154 m，如有井斜存在，則可能遠大于該數(shù)值。地層抬升剝蝕、沉積壓實，都會造成厚度減小，由此換算出的古深度偏小。兩者對地貌的影響程度視具體情況而定：地層整體抬升，剝蝕厚度均勻，此時恢復(fù)得到的古深度偏小，剝蝕校正前后的構(gòu)造形態(tài)十分相似，而在差異抬升剝蝕的條件下，不同區(qū)域具有不同的剝蝕厚度，這對地層的原始厚度、地層底面的古深度影響是不可忽略的；沉積巖的壓實系數(shù)受自身巖性影響，由于深度較大時沉積物以泥巖為主，壓實系數(shù)較大，深度較小時沉積物粒度偏大，成巖過程中保留的孔隙較多，壓實系數(shù)小于泥巖，經(jīng)過壓實校正后的古構(gòu)造圖往往是深處更深，差異幅度增大，而相對的高低起伏往往不變。

實際地質(zhì)情況下，上下地層之間可能是連續(xù)沉積，下部地層沉積完成后，其頂面仍處于水下，盆地的不同部位具有不同水深環(huán)境，控制點地層厚度加上水深才是底面所處的深度。需要說明的是，中國東部的陸相斷陷湖盆中，深部與淺部的古水深差值小于30 m［13-14］，相對于上千米的地層厚度，該數(shù)值對古構(gòu)造等值線的影響幾乎可以忽略。

由于構(gòu)造圖中任意一點都是由三維坐標構(gòu)成的，控制點水平方向的位移甚至?xí)笥诘貙哟瓜虻暮穸龋纱嗽斐傻臉?gòu)造變形是不可忽略的。如圖2所示，假設(shè)現(xiàn)今條件下W4，W5井間的距離為2 000 m，斷層F2的水平斷距為500 m；S3亞段沉積時，F(xiàn)2斷層并未產(chǎn)生，2控制點之間的距離僅為1 500 m，當有多條斷層存在時，所有斷層的水平斷距之和可達數(shù)千米。忽略斷層水平位移得到的古構(gòu)造圖，顯然無法反映該時期真實的構(gòu)造形態(tài)。地層的傾斜不僅可以造成垂向厚度統(tǒng)計數(shù)值的偏差，而且對控制點之間的水平距離也有影響?，F(xiàn)今地層多是傾斜的，通過現(xiàn)今坐標得到的控制點間距一般小于古間距。

由此可以看出，只有在考慮斷層水平位移、地層傾斜、差異剝蝕量等因素時，才能得到反映構(gòu)造起伏的古構(gòu)造圖。壓實校正雖會改變構(gòu)造的幅度，但對構(gòu)造的形態(tài)影響不大；古水深與地層厚度往往不在一個數(shù)量級上，校正與否對古構(gòu)造圖的影響幾乎可以忽略。

3 古構(gòu)造恢復(fù)方法存在的不足

古構(gòu)造恢復(fù)的方法較多，以沉積學(xué)理論為基礎(chǔ)的層序地層學(xué)恢復(fù)法［13-14］、以GIS為平臺的3D暈渲技術(shù)（可實現(xiàn)定性、半定量的三維模型輸出）［15］，以獲取層厚度為基礎(chǔ)的印模法［8-9］、以現(xiàn)今地層構(gòu)造圖為基礎(chǔ)的寶塔圖法等，基本可實現(xiàn)三維模型的量化恢復(fù)。多數(shù)盆地模擬軟件的古構(gòu)造恢復(fù)以印模法、寶塔圖法為基礎(chǔ)［12，14］。

3.1 印模法

印模法以井點厚度計算為基礎(chǔ)，也被稱為厚度法。該方法通過井震結(jié)合、三維建模等技術(shù)，獲取地層厚度在三維空間的分布，對地層厚度作鏡像處理，從而獲取層面的古深度。該方法的工作流程為：統(tǒng)計井點地層厚度；在厚度已知的井點控制下，編制工區(qū)地層等厚圖，或與地震資料相結(jié)合，利用盆地模擬技術(shù)建立地層厚度分布的三維數(shù)據(jù)體；將地層等厚圖作鏡像處理，用地層的厚度作為該層沉積前界面的深度，從而將地層等厚圖變化為古構(gòu)造圖。

圖3為厚度鏡像處理剖面示意。由圖可以看出：井點W1，W2井處沉積前的垂向深度與該層的地層厚度完全相等；沉積厚度大的部位對應(yīng)洼陷區(qū)，地層薄的部位則對應(yīng)凸起區(qū)；各個控制點古深度得到較好的控制，可以近似地反映古構(gòu)造形態(tài)。

圖3 厚度鏡像處理剖面示意

該方法在編制古構(gòu)造圖過程中也存在不足之處：1）在構(gòu)造恢復(fù)過程中，井間距沒有變化，盆地的面積也相對固定，而實際情況并非如此。如圖2中，W4，W5的井間距在S3沉積前明顯小于現(xiàn)今的距離，這一距離等于F2斷層的水平斷距。2）如果在井點厚度統(tǒng)計的基礎(chǔ)上直接繪制地層厚度分布平面圖，則會受到井斜、地層傾斜的影響，統(tǒng)計厚度明顯增大。如圖2中，S3亞段的沉積厚度完全相等，其沉積前的正確構(gòu)造圖中不應(yīng)有起伏；而用該方法統(tǒng)計時，W4，W5井點處S3厚度相差不多。W3井在地層傾斜和井斜影響下，厚度遠大于其他2口井，在此基礎(chǔ)上得到的S3亞段沉積前構(gòu)造圖中W3井點處深度較大，顯然與實際地質(zhì)模型中3個井點處深度相等的事實不符。

3.2 寶塔圖法

寶塔圖法的基礎(chǔ)資料為地層界面的構(gòu)造圖，通過逐層回剝，獲取目的層界面的古深度。其工作流程為：在地震資料解釋的基礎(chǔ)上，將時間域變換為深度域，編制古構(gòu)造圖對應(yīng)界面及其上部各層面的現(xiàn)今構(gòu)造圖；將所需恢復(fù)界面之上的地層逐層回剝，從而得到所需界面的古構(gòu)造形態(tài)。

該方法的缺陷與印模法十分相似：控制點上、下深度的差值仍為視厚度，該數(shù)值受地層傾角的影響，傾角越大，所恢復(fù)的深度偏差越大；不考慮斷層的水平位移，構(gòu)造恢復(fù)前后的盆地面積相差不多，而東部的斷陷盆地發(fā)育過程中，其面積是由小變大的。該方法所得到的圖形與盆地構(gòu)造實際變形過程不符。

在寶塔圖法的基礎(chǔ)上，漆家福等［16］使用平衡剖面對控制點的水平位移進行校正，取得較好的效果，但是操作難度相對較大；因此，本文對該方法加以改進，提出在平衡剖面控制下直接編制古構(gòu)造等值線圖的方法。

4 平衡剖面控制法

4.1 工作流程

以W-K地區(qū)沙三中亞段沉積前構(gòu)造圖編制為例（見圖4、圖5），介紹該方法的工作流程。

圖4 W-K地區(qū)沙三中亞段沉積前構(gòu)造

1）在三維地震工區(qū)中選取12條主干剖面（見圖4），在已知井點的約束下，進行準確的層位標定，并將時間剖面轉(zhuǎn)化為深度剖面。

2）以地質(zhì)平衡觀點為指導(dǎo)，編制構(gòu)造演化剖面；選取每條測線沙三上亞段沉積前剖面（見圖5），讀取P點地層厚度；根據(jù)井點鉆井結(jié)果對厚度進行校正，適當減去紅色地層厚度；結(jié)果作為控制點的垂向坐標。

3）根據(jù)大地坐標，可以標出P點現(xiàn)今剖面的位置（見圖4）；在構(gòu)造相對穩(wěn)定的區(qū)塊選取每條測線參考點，使得變形前后測線參考點之間的平面位置相對不變，或者盡量保持不變。W-K地區(qū)是受斷層F控制下形成的斷陷盆地，斷層下盤是相對穩(wěn)定的隆起區(qū)，如選擇每條測線的右側(cè)端點為參考點B，各參考點在沙三中亞段沉積時期前后位置變化相對較小，恢復(fù)得到的地貌形態(tài)相對真實。

4）將每條測線的控制點（如圖4點B），按照P與參考點B的距離L換算成相應(yīng)的比例，投影到平面上（見圖4），獲取平面坐標。

5）在確定所有控制點三維坐標的條件下，繪制等高線圖，從而恢復(fù)出地層沉積前的構(gòu)造形態(tài)。適當加密測線，觀察主要斷層兩側(cè)沙三中亞段地層的厚度，確定古斷層的端點。

圖5 W-K地區(qū)AB測線沙三上亞段沉積前剖面

4.2優(yōu)點

1）該方法是在井點層位標定的基礎(chǔ)上，使用地震資料對井間層面進行控制，可確保地層界面在二維剖面上深度的準確性；主測線上所有點都可作為構(gòu)造恢復(fù)的控制點，可控制古構(gòu)造的形態(tài)，使其更接近地質(zhì)模型。

2）讀取地層厚度時，選擇的是上部地層沉積前的剖面。編制沙三中亞段沉積前構(gòu)造圖，選擇的是沙三上亞段沉積前剖面，平衡剖面編制過程中，相當于對沙三中亞段頂面進行層拉平處理，從而可以消除地層傾斜造成的厚度偏差。

3）由于讀取到的是控制點處沙三中亞段的鉛直方向深度差，因此不存在井斜造成的地層厚度偏大問題。在控制點的采集過程中，可以確定斷點在每條測線上的平面坐標，測線間相連可以大致恢復(fù)古斷層的形態(tài)。

4）平衡剖面的編制過程中，消除了后期斷層水平位移的影響，在此過程中還可以考慮地層壓實、剝蝕造成的影響。借助于該方法恢復(fù)出的古地貌，與實際地質(zhì)情況更加吻合。

5 結(jié)論

1）古構(gòu)造圖具有時段概念，所得到的“古地貌”并不是某地質(zhì)歷史時刻真實的地面形態(tài)；命名為“某段沉積前”的構(gòu)造圖，反映的卻是該套地層沉積后其底面的構(gòu)造形態(tài)，是地層沉積過程中多期構(gòu)造變形疊加后的響應(yīng)，反映了整個地層沉積期間的盆地在三維空間的構(gòu)造演化。

2）地層傾斜、井斜、抬升剝蝕、沉積壓實、古水深等都可對控制點古深度值產(chǎn)生影響，但對古構(gòu)造圖的影響程度不同。斷層水平位移、地層傾斜、井斜、差異剝蝕是影響古構(gòu)造形態(tài)的主要因素，地層傾斜、斷層水平位移還能改變變形前后的水平坐標；沉積壓實多影響高低差異的幅度，相對的起伏形態(tài)改變不大；古水深與地層厚度不在一個數(shù)量級上，對古構(gòu)造恢復(fù)的影響幾乎可以忽略。

3）采用平衡剖面控制法編制的古構(gòu)造圖，是將地層拉平、水平位置恢復(fù)以后統(tǒng)計得到的厚度數(shù)據(jù)，在準確標出古斷層位置的同時，還可考慮剝蝕、壓實的影響，此方法得到的古構(gòu)造形態(tài)更接近實際地質(zhì)模型。

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