車鎮(zhèn)凹陷大1斷層對區(qū)域油氣成藏控制作用的三維數(shù)值模擬

戴黎明, 李三忠, 3, 劉 澤, 胡夢穎, 劉連啟, 楊彥峰

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266061; 4.中國石化 勝利油田分公司 河口采油廠, 山東 東營 257200)

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車鎮(zhèn)凹陷大1斷層對區(qū)域油氣成藏控制作用的三維數(shù)值模擬

戴黎明1, 2, 李三忠1, 2, 3, 劉 澤1, 2, 胡夢穎1, 2, 劉連啟4, 楊彥峰4

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100; 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266061; 4.中國石化 勝利油田分公司 河口采油廠, 山東 東營 257200)

摘 要:采用有限元方法模擬了大王莊地區(qū)的應(yīng)力場分布狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果, 對比已知油氣藏的分布位置, 定量分析了大1斷層對區(qū)域壓應(yīng)力分布的控制性作用, 并以此為基礎(chǔ)探討了區(qū)域油氣運(yùn)聚成藏過程的主要影響因素。模型的構(gòu)建主要基于車鎮(zhèn)凹陷大王莊地區(qū)精細(xì)三維數(shù)據(jù)體, 包括三個(gè)主要地層界面及近真實(shí)的大1斷層產(chǎn)狀。據(jù)此, 得出以下研究結(jié)果: (1)通過調(diào)整邊界條件發(fā)現(xiàn), 模型在NE-SW向的伸展作用下壓性應(yīng)力場低值區(qū)的分布與已知油藏的分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系, 均圍繞大1斷層呈斜對稱式分布; (2)認(rèn)為這種油藏斜對稱式分布特征應(yīng)與大1斷層在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力背景下對油氣的溝通、疏導(dǎo)作用密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞:車鎮(zhèn)凹陷; 大1斷層; 構(gòu)造應(yīng)力場; 油氣成藏過程; 有限元數(shù)值模擬

項(xiàng)目資助: 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402172, 41190072, 41072152)和山東省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(ZR2012DQ012)聯(lián)合資助。

0　引 言

大王北洼陷位于車鎮(zhèn)凹陷中部, 地處華北克拉通的破壞中心(Li et al., 2012a, 2012b), 因此區(qū)內(nèi)斷層廣泛發(fā)育。其中, 北東向的大1斷層不僅控制了大王北洼陷的構(gòu)造演化進(jìn)程以及沉積、沉降中心的遷移(Su et al., 2010), 而且還控制了區(qū)域油氣藏的分布, 這說明大1斷層的動(dòng)力學(xué)過程很可能為大王莊鼻狀構(gòu)造帶油氣的運(yùn)移及成藏提供了基本的動(dòng)力源。但對于是如何提供的以及斷層與油藏分布的關(guān)系, 目前還不清楚。由此可見, 研究大1斷層與已知油氣藏分布間的內(nèi)在聯(lián)系, 對于解釋大王莊地區(qū)油源的分布特征以及預(yù)測渤海灣盆地中其他凹陷油氣的前景區(qū)都具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

在沉積盆地中, 油氣的成藏與盆地的構(gòu)造特征和油氣運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力密切相關(guān)。其中, 斷裂及其組合是沉積盆地中重要的控油構(gòu)造(戴黎明等, 2013),其不但控制了烴源巖的形成過程, 而且還溝通了盆地中生油層和儲(chǔ)層兩個(gè)相對獨(dú)立的體系域, 為油氣的運(yùn)移、保存提供了有效通道(Hooper, 1991; Handle, 1997)。對于油氣運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力, 一般認(rèn)為浮力、水動(dòng)力、異常壓力等都能夠驅(qū)使油氣發(fā)生運(yùn)移(Hunt, 1990; 華保欽, 1993; Barry et al., 1998), 但無論是哪一種因素, 都離不開盆地宏觀的構(gòu)造背景, 即, 構(gòu)造應(yīng)力對油氣運(yùn)移的影響。這是因?yàn)橛蜌獾某醮芜\(yùn)移主要取決于石油分子結(jié)構(gòu)和毛管壓力的性質(zhì), 當(dāng)差應(yīng)力達(dá)到閾值后可以導(dǎo)致烴源巖排烴，形成油氣的初次運(yùn)移。與此同時(shí), 盆地中構(gòu)造應(yīng)力的橫向不均勻性能導(dǎo)致不斷排出包含烴類的孔隙流體沿?cái)嗔鸭傲严蹲愿邏?、高流體勢區(qū)流向低壓低流體勢區(qū),從而實(shí)現(xiàn)油氣的二次運(yùn)移(Rouchet, 1981)。由此可見,構(gòu)造應(yīng)力作用于油氣從生成到賦存的整個(gè)過程, 而斷裂在這個(gè)過程中起到了重要的疏導(dǎo)或封堵作用(Hooper, 1991; 羅曉容, 2003; 羅群等, 2005; 付廣等, 2008)。

為了研究油氣的運(yùn)移過程, 前人使用了多種方法, 包括流體示蹤法(陳踐發(fā)等, 2000; 吳楠等, 2007)、物理實(shí)驗(yàn)法(康永尚等, 2003; 張發(fā)強(qiáng)等, 2004;周波等, 2005; 呂延防等, 2005)以及數(shù)值模擬方法(許忠淮和吳少武, 1997), 等等。其中, 數(shù)值模擬法能夠較為直觀地反映出構(gòu)造應(yīng)力與盆內(nèi)斷裂間的相互作用對油氣二次運(yùn)移的影響(Dai et al., 2014, 2015), 其有效性也能夠得到相關(guān)研究成果的證實(shí)(譚成軒等, 1997; 王紅才等, 2002; 馬寅生等, 2002;趙義來和劉亮明, 2011)。本文基于研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體及鉆井資料構(gòu)建包括大1及周邊斷層在內(nèi)的精細(xì)三維有限元模型, 探討在構(gòu)造應(yīng)力背景下斷裂對油氣藏分布控制的一種成藏模式。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

車鎮(zhèn)凹陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷北部的一個(gè)次級凹陷(圖1), 其北、西、南三面分別被埕寧隆起和義和莊凸起所圍限, 東端與沾化凹陷相鄰, 整體呈NE走向。由于它位于濟(jì)陽坳陷的內(nèi)部, 因此, 其形成和演化過程與濟(jì)陽坳陷乃至整個(gè)華北克拉通早期的構(gòu)造格局和后期破壞密切相關(guān)(張林等, 2012)。同時(shí), 中國東部著名的深大斷裂——郯廬斷裂不同時(shí)期的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對凹陷的形成也起著至關(guān)重要的控制作用。印支運(yùn)動(dòng)以后, 太平洋板塊朝NW方向運(yùn)動(dòng), 魯西地塊在NW-SE向擠壓作用下, 發(fā)生向西南方向的擠出逃逸并上升隆起, 從而導(dǎo)致剛性地塊破裂, 形成一些單斷箕狀斷陷構(gòu)造, 凹陷內(nèi)沉積最老的地層是下侏羅統(tǒng)坊子組(周立宏等, 2003; 劉建忠等, 2004; 李三忠等, 2004)。晚侏羅世–白堊紀(jì), 受郯廬斷裂左行走滑影響, 濟(jì)陽坳陷前期形成的NW向逆沖斷層發(fā)生構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn), 形成一系列半地塹。進(jìn)入新生代構(gòu)造演化階段, 早期郯廬斷裂仍然為左行走滑(李理等, 2008a), 擠出構(gòu)造依然明顯。而在42～35 Ma之后, 由于印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)(Liu et al., 2004)和太平洋板塊由NNW向俯沖轉(zhuǎn)為NWW向(表現(xiàn)在夏威夷島鏈的拐彎), 郯廬斷裂由左旋變?yōu)橛倚?漆家福等, 2010), 此時(shí), 濟(jì)陽坳陷及其內(nèi)部的次級凹陷區(qū)形成了一個(gè)受NNE、NE向斷層和基底滑脫面(李理等, 2008b)聯(lián)合控制的半地塹式復(fù)合盆地, 疊置于中生代盆地之上 如車鎮(zhèn)凹陷。

圖1　車鎮(zhèn)凹陷構(gòu)造和大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic and structural map of the Chezhen Depression

從盆地結(jié)構(gòu)特征來看, 車鎮(zhèn)凹陷自北向南可劃分為北部陡坡帶、中部洼陷帶和南部緩坡帶3個(gè)次級構(gòu)造單元。中部洼陷帶自東向西又可劃為三個(gè)次級洼陷, 分別為郭局子、大王北和車西洼陷。其中,大王北洼陷位于車鎮(zhèn)凹陷中部, 西接車西洼陷, 南以大1斷層為界, 東以大90斷層為界, 與郭局子洼陷相接, 北為埕子口凸起, 總體呈近EW向展布, 是車鎮(zhèn)凹陷中一個(gè)重要的生、儲(chǔ)油洼陷。大王北洼陷主要經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段。第一階段為盆地?cái)嘞萜?65～24 Ma), 在該階段由于魯西地塊的不斷隆起和濟(jì)陽凹陷的快速沉降(李理等, 2008b)導(dǎo)致區(qū)域形成了以河流相、深湖–半深湖相以及濱湖相為主的巨厚沉積。其中, Es3段主要由深湖–半深湖相的油頁巖及暗色泥巖組成(王秉海和錢凱, 1992; 張永輝等, 2010;魏海泉等, 2012), 為主要的烴源巖層。而Es4、Es2段則主要由河流相和濱湖相的砂巖和灰?guī)r組成, 為主要的含油氣層。巖層的厚度變化明顯受控于大1斷層的活動(dòng)。主要表現(xiàn)在, 在不同的演化階段, 洼陷沉積、沉降中心伴隨大1斷層不同段落間活動(dòng)性差異而不斷發(fā)生遷移(劉麗萍, 2010), 并由此形成了一系列較好的構(gòu)造圈閉, 如, 大65斷裂鼻狀構(gòu)造、大王北斷裂鼻狀構(gòu)造和大35單斜構(gòu)造等。第二階段為盆地坳陷期(24～2 Ma), 大規(guī)模的斷陷活動(dòng)基本結(jié)束,濟(jì)陽凹陷處于整體的拗陷階段, 并沉積了一套中新世–上新世河流相碎屑巖和泥巖, 為很好的蓋層。同時(shí), 該時(shí)期也是大王莊洼陷主要的排烴期和油氣運(yùn)聚期(李理等, 2008b)。

2　模型設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇

圖2　大王莊洼陷的三維結(jié)構(gòu)模型(圖中紫色線對應(yīng)圖5中的五條剖面位置)Fig.2 3D model of the Dawangzhuang Sag

本文模型(圖2)研究區(qū)范圍, 北起大王北洼陷,南至義和莊凸起, 西接車西洼陷, 東至郭局子洼陷,主要包括三套地層, 分別為Ed底至Es2底、Es2底至Es3底、Es3底至模型底部。

其中, 為了能夠更加真實(shí)地模擬應(yīng)力場在地層中的分布特征, 利用已有地震剖面擬合出了各套地層的空間形態(tài)(圖2)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 研究區(qū)內(nèi)大小斷層約一百多條。在不影響計(jì)算精度的情況下, 為了簡化起見, 本文選取了三條主要斷層加入到模型當(dāng)中,分別為NE向的大1斷層、大19斷層以及NW向的大104斷層。由于大1斷層對研究區(qū)內(nèi)的油氣分布具有重要的控制作用, 因此, 為了能夠準(zhǔn)確描述其形態(tài)變化對應(yīng)力場的影響, 在這里同樣利用地震剖面擬合出大1斷層的空間形態(tài)并加入模型中(圖3)。從圖3可以看到, 大1斷層是一條上陡下緩, 斷面略有起伏的東西向正斷層, 而由西向東斷面傾角則逐漸變小。通過庫侖摩擦模型來描述上述3條斷層的

接觸行為, 對于斷層兩盤間的抗剪切應(yīng)力τ可表達(dá)為(Wang et al., 2008; He and Chery, 2008; Zhu and Zhang, 2010, 2013; 戴黎明等, 2010, 2011, 2013):

其中p表示斷層接觸面間的垂向應(yīng)力, μ表示斷層接觸面間的摩擦系數(shù)。為了防止模擬過程中斷層兩盤的穿透量過大而影響計(jì)算結(jié)果, 本文的有限元接觸算法主要采用了懲罰函數(shù)(朱守彪等, 2010), 其表達(dá)式為:

其中n表示接觸面法線方向, fn表示接觸力, kn表示懲罰函數(shù), hn表示穿透距離。由于此模型為準(zhǔn)靜態(tài)模型, 因此忽略了地震等其他可能因素對斷層及其周邊地區(qū)位移場造成的影響。

圖3　大王莊洼陷中大1斷層的空間形態(tài)Fig.3 Spatial model of the Da 1 fault in the Dawangzhuang Sag

同時(shí), 需要強(qiáng)調(diào)的是, 由于大1斷層貫穿了整個(gè)模型, 因此模型在伸展拉伸過程中有可能造成斷層兩盤塊體的分離, 從而對模擬結(jié)果造成影響。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生, 本文模型將大1斷層斷面設(shè)置為允許滑動(dòng)的不分離接觸, 并設(shè)置了阻止接觸面分離的接觸張開剛度。

在模擬過程中, 不同的材料參數(shù)、單元屬性的選擇對最終結(jié)果的影響十分巨大。因此如何選擇模型材料參數(shù)十分重要。在本文的模型中, 材料和單元的選擇主要基于以下三個(gè)條件。首先, 由于模擬的時(shí)間尺度較短、地層厚度較薄, 且考慮到盆地在長時(shí)間的演化過程中, 已經(jīng)充分壓實(shí), 因此忽略了材料的非線性行為(如塑性、粘彈性等材料行為)、溫度變化以及重力對應(yīng)力、應(yīng)變場的影響。其次, 研究區(qū)各套地層均以泥巖、砂巖為主, 并伴隨地層厚度的變化兩種沉積巖所占比例有所不同, 因此模型中材料參數(shù)的選擇主要基于前人對地層樣品測試分析的結(jié)果(表1), 具有一定的可信度(于來剛, 2007;胡才志等, 2010)。最后, 單元的選擇。對模型中沉積巖而言, 本文主要采用solid185單元; 而對沉積中斷層接觸面的選擇, 則分別選取ANSYS接觸單元中的contact170和target173。模型中總的有限單元數(shù)約15萬個(gè), 其中斷層及其周緣區(qū)占總數(shù)的2/3, 每千米約含200至300個(gè)單元, 這種分辨率完全滿足計(jì)算精度要求, 并接近于實(shí)際地質(zhì)情況。

表1　各主要地層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of major stratum in the model

邊界條件的選擇。根據(jù)前人的研究成果(劉麗萍, 2010; Li et al., 2012a), 大1斷層的形成主要經(jīng)歷了燕山、喜山兩期運(yùn)動(dòng)。其中, 燕山期是大1斷層形成的雛形階段, 在該期運(yùn)動(dòng)早期整個(gè)大王莊洼陷處于左旋剪切應(yīng)力場的作用下, 而在晚期則變?yōu)槭芙麼EE向扭動(dòng)伸展應(yīng)力場作用, 因此大1斷層及其周緣地區(qū)在燕山期可能表現(xiàn)為近NW向或NE向的拉張(圖4b); 喜山期是大1斷層的最終形成階段, 在該期運(yùn)動(dòng)早期(65～40 Ma)大1斷層表現(xiàn)為左行張扭性特征, 說明研究區(qū)很可能處于NW-SE向的伸展環(huán)境之中(圖4b) (劉麗萍, 2010)。而在該期運(yùn)動(dòng)中后期(40 Ma～至今), 研究區(qū)周緣NE向基底大型走滑斷層多為右行走滑特征(李理等, 2008a; Li et al., 2012a;索艷慧等, 2012), 如, 郯廬斷裂、聊城-羊二莊斷裂等, 那么在該種應(yīng)力環(huán)境下可導(dǎo)致近EW走向的大1斷層處于右行張扭環(huán)境之中(如圖4a); 除此之外,還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為渤海灣盆地在新生代是受到了區(qū)域性近SN向的拉張作用而形成(周建生和楊長春, 2007), 那么在該種應(yīng)力環(huán)境下, 大1斷層同樣處于南北向的拉張作用之中(圖4c)。由此可知, 模型所研究區(qū)域無論處于那一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程或成因模式,都無法準(zhǔn)確地確認(rèn)其拉張方向。因此本文對模型進(jìn)行了三種拉張條件下的有限元模擬(圖4)。并以此探討在這三種邊界條件作用下, 大1斷層、大19斷層以及大104斷層如何調(diào)整研究區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場分布,從而確定一種可能的油氣運(yùn)移模式。

圖4　模型的三種邊界條件Fig.4 Three kinds of boundary conditions of the model

3　模擬結(jié)果

區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)由空間中任意三個(gè)相互垂直的主應(yīng)力組成, 而三個(gè)主應(yīng)力的大小及方向決定了區(qū)域上的構(gòu)造變形特征, 如, 差應(yīng)力的大小及性質(zhì)決定了區(qū)域斷裂的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征, 壓應(yīng)力的大小及方向決定了褶皺的展布形態(tài)等。由此可見, 在不同應(yīng)力及其組合環(huán)境下, 不同類型的構(gòu)造對區(qū)域的變形特征起到重要的控制作用, 但單就對盆地中具有流體性質(zhì)的油氣資源而言, 壓應(yīng)力的大小決定了油氣運(yùn)移的基本方向, 即, 由高勢(高壓區(qū))區(qū)向低勢區(qū)(低壓區(qū))沿主要斷裂發(fā)生運(yùn)移(于來剛, 2007)。由于本文主要探討在構(gòu)造應(yīng)力作用下沉積盆地中先存斷裂對油氣運(yùn)移的控制作用, 因此下文中所使用的應(yīng)力場統(tǒng)一用第三主應(yīng)力(壓應(yīng)力)表示, 而其他兩種方向的主應(yīng)力及其組合關(guān)系, 并不做論述。

圖5　三種邊界條件下大王莊洼陷5條剖面壓應(yīng)力的分布特征Fig.5 Compressive stress distribution of the three models with difference boundary conditions in the five profiles

3.1過大1斷層壓應(yīng)力分布的剖面特征

圖5a表示在第一種邊界條件下過研究區(qū)五條剖面壓應(yīng)力的分布特征。從圖中可以看到, 區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力圍繞大1斷層總體展現(xiàn)出對稱式分布特征。在斷層上盤, 靠近大王莊洼陷一側(cè), 壓應(yīng)力值表現(xiàn)為東高西低。而在斷層下盤, 靠近義和莊凸起一側(cè), 壓應(yīng)力總體表現(xiàn)出西高東低的分布特征, 但局部地區(qū)又受到了NE和NW向兩組次級斷層的影響。其中, 在義和莊凸起的西部, NE向大19斷層上盤的低壓應(yīng)力導(dǎo)致了高壓區(qū)緊鄰大1斷層分布。與之相對, 在義和莊凸起的東部, NW向斷層上盤的高壓應(yīng)力同樣導(dǎo)致了低壓區(qū)緊鄰大1斷層分布。而縱觀五條剖面, 大1斷層的中部可認(rèn)為是東、西兩種壓應(yīng)力環(huán)境的轉(zhuǎn)換帶, 這是因?yàn)閿鄬觾杀P的壓應(yīng)力值基本相等。從圖中還可以看到, 伴隨深度的變化不同剖面壓應(yīng)力值的分布有所變化, 而這種改變可能與地層的起伏、材料參數(shù)的改變以及大1斷層傾角的變化有關(guān)。

圖5b表示在第二種邊界條件下過研究區(qū)五條剖面壓應(yīng)力的分布特征。從圖中可以看到, 在該種條件下壓應(yīng)力值的分布恰好與第一種邊界條件相反。在大1斷層下盤表現(xiàn)為西高東低, 而在其上盤則呈現(xiàn)出西低東高的分布特征。同樣, NE向大19斷層的上盤表現(xiàn)為高壓應(yīng)力, 而NW向斷層的上盤則表現(xiàn)為低壓應(yīng)力。圖5c表示在第三種邊界條件下過研究區(qū)五條剖面壓應(yīng)力的分布特征。與前兩種邊界條件不同, 此種拉張環(huán)境下壓應(yīng)力高值區(qū)普遍發(fā)育于模型中斷層上盤, 而下盤的應(yīng)力值卻明顯偏低。

圖6　三種模型Ed、Es2和Es3地層界面的主壓應(yīng)力分布特征Fig.6 Compressive stress distribution of the Ed、Es2and Es3stratum interface of the three models, respectively

3.2邊界拉張方向?qū)^(qū)域壓應(yīng)力分布的影響

從以上五條剖面的模擬結(jié)果來看, 不同模型間壓應(yīng)力的分布特征明顯不同。而造成這種現(xiàn)象的原因, 應(yīng)與模型邊界拉張方向的不同密切相關(guān)。

在第一種邊界條件下, 區(qū)域處于NE-SW向的拉伸環(huán)境, 那么該拉伸方向可分解為SN向的伸展以及EW向的剪切。在SN向伸展位移的作用下, 大1斷層上盤的大王莊洼陷沿?cái)嗝婢哂邢蛳禄频内厔?這在本文的模型中體現(xiàn)在三個(gè)地層界面中大1斷層發(fā)育處出現(xiàn)了明顯的斷距(圖6a), 從而造成了模型地層界面的不連續(xù)。而在EW向剪切位移的作用下, 大1斷層的上、下兩盤沿近EW走向的斷面能夠發(fā)生相對滑移, 表現(xiàn)出右旋走滑特征。根據(jù)走滑斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì), 在斷層滑移過程中物質(zhì)的堆積能夠形成高壓應(yīng)力, 而物質(zhì)的逃逸則形成低壓應(yīng)力或張應(yīng)力, 這就解釋了為什么大王莊洼陷各主要地層界面的壓應(yīng)力值會(huì)沿大1斷層表現(xiàn)為東高西低, 而義和莊凸起則展現(xiàn)出西高東低的分布特征。同時(shí), 這種伸展環(huán)境對區(qū)域次級斷裂也具有重要的影響。其中, NE向大19斷層由于與區(qū)域伸展方向近平行, 因此活動(dòng)性不強(qiáng), 只是在斷層上盤形成了低壓應(yīng)力。而NW向的次級斷裂由于與區(qū)域伸展方向近垂直,從而導(dǎo)致斷層上盤下降形成較高的壓應(yīng)力, 進(jìn)而影響了義和莊凸起東部低壓應(yīng)力區(qū)的分布(圖5a)。

在第二種邊界條件下, 區(qū)域處于NW-SE向的拉伸環(huán)境, 同樣該拉伸方向可分解為SN向的伸展以及EW向的剪切。其中, SN向的伸展導(dǎo)致了模型中大1斷層斷距的形成(圖6b), 而EW向的剪切則導(dǎo)致了斷層兩盤的左旋滑移, 進(jìn)而在大1斷層上盤大王莊洼陷形成了西高東低的壓應(yīng)力分布, 以及在大1斷層下盤義和莊凸起形成西低東高的壓應(yīng)力分布特征, 這與第一種邊界條件正好相反。在第三種邊界條件下, 區(qū)域處于SN向伸展的環(huán)境之中。在該環(huán)境下, 模型中無論是近EW走向的大1斷層,還是近NE走向的大19斷層以及NW向斷層, 其斷層上盤都具有沿?cái)嗝嫦禄内厔? 這表現(xiàn)在三個(gè)地層界面中斷層發(fā)育處都具有明顯的斷距(圖6c), 這一特征進(jìn)而導(dǎo)致了斷層上盤靠近斷層處高壓應(yīng)力的形成。

3.3壓應(yīng)力分布與已知油層層位的對比

通過前文論述可知, 不同拉張方向區(qū)域壓應(yīng)力分布特征明顯不同, 但哪一種條件更加符合區(qū)域?qū)嶋H情況呢？本文將通過壓應(yīng)力分布與已知油氣藏的對比加以討論。

圖7　模型1中大王莊洼陷Ed地層界面壓力分布特征與已知油藏的對比Fig.7 Compressive stress distribution of the Ed stratum interface of the first model compared with the position of oil reservoirs in the Dawangzhuang Sag

在第一種邊界條件下, Ed地層底面大1斷層上盤(大王莊洼陷)西部的壓應(yīng)力與周緣區(qū)域相比明顯偏低, 那么在這種應(yīng)力環(huán)境下, 周緣油氣資源很可能會(huì)沿大1斷層向該區(qū)域不斷運(yùn)聚, 這將有利于油氣的最終成藏。對比研究區(qū)Es2段已知油氣的分布圖可見, 這一低壓應(yīng)力區(qū)與大王莊洼陷的大王北油田具有較好的對應(yīng)關(guān)系(圖7)。與之相對, 大1斷層下盤義和莊凸起東部的低壓應(yīng)力區(qū)則可對應(yīng)于義和莊斜坡帶上的大王莊油田(如圖7所示)。在Es3地層頂面(圖6), 雖然壓應(yīng)力分布與Ed地層底面相似, 但由于Es3段為主要的烴源巖層, 因此, 包含烴類的孔隙流體壓力很可能大于區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力, 從而導(dǎo)致油氣沿大1斷層向張應(yīng)力較大的區(qū)域不斷運(yùn)移, 這將不利于油氣在該層位的成藏。在Es4地層頂面, 低壓應(yīng)力區(qū)的分布特征與Ed地層頂面相比, 分布范圍明顯減小, 但這與Es4段已知油藏的分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系。通過對比還可發(fā)現(xiàn), 在第二種和第三種邊界條件下, 不同地層界面的低壓應(yīng)力分布特征與已知油藏的分布均沒有較好的對應(yīng)關(guān)系。

由此可見, 第一種邊界條件可能更加符合大王莊地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力分布的真實(shí)情況。

4　討論與結(jié)論

關(guān)于構(gòu)造應(yīng)力場與盆地中油氣運(yùn)聚關(guān)系的數(shù)值模擬分析, 前人已做了大量的工作(譚成軒等, 1997;王紅才等, 2002)。在這些工作中, 他們都強(qiáng)調(diào)了在特定的邊界條件下斷裂的空間形態(tài)、組合樣式以及地層橫向不均勻性對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力以及油氣運(yùn)聚的影響(戴黎明等, 2013)。在本文的模擬結(jié)果中, 車鎮(zhèn)凹陷大王莊地區(qū)在NE-SW向的伸展環(huán)境之下, 低壓應(yīng)力分布與已知油氣藏的分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系,且圍繞大1斷層呈對稱式分布(圖7), 這無疑再次說明了斷裂對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力以及油氣藏分布的控制作用。但依然存在一個(gè)重要問題, 即, 大1斷層是如何影響區(qū)域油氣藏成藏的動(dòng)力學(xué)過程？而這一過程對于解釋大王莊地區(qū)油藏的分布特征以及預(yù)測渤海灣盆地中其他凹陷油氣分布前景都具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)前文的模擬結(jié)果, 本文提出了大王莊地區(qū)油氣資源圍繞大1斷層對稱式成藏的一種可能動(dòng)力學(xué)模型, 如圖8所示。

圖8　大王莊洼陷油氣成藏過程模式圖Fig.8 Oil and gas accumulation process model of the Dawangzhuang Sag

根據(jù)區(qū)域勘探開發(fā)結(jié)果(張本琪等, 2004; 王蛟等, 2005; 劉麗萍, 2010), 大王莊洼陷沙三段為一套厚層的油頁巖, 而沙二和沙四段則主要由砂巖和灰?guī)r組成。雖然這種地層組合既為油氣的成藏提供了物質(zhì)來源, 又提供了存儲(chǔ)空間, 但如果兩者間缺乏有效的溝通通道, 同樣不利于油氣的成藏。例如, 黃驊坳陷中的歧口主洼, 雖然該洼陷具有生油層和儲(chǔ)層, 但由于缺乏溝通, 至今無較好的油氣藏顯示。而在車鎮(zhèn)凹陷大王莊洼陷中, 通過地震剖面(張家震等, 2005; 侯方輝等, 2005)以及前文的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn), 大1斷層不但有效溝通了沙河街組各套地層, 為油氣的運(yùn)移提供了通道, 同時(shí)還為油氣的成藏提供了有利的動(dòng)力學(xué)背景。這主要體現(xiàn)在以下的油氣成藏的動(dòng)力學(xué)過程: 大1斷層是大王莊洼陷的主要控洼斷層, 活動(dòng)性較強(qiáng), 且表現(xiàn)為正斷的性質(zhì)。因此, 當(dāng)其切過沙三生油層時(shí), 在異?？紫秹毫Φ淖饔孟履軌?qū)е驴紫读黧w(包括烴類)沿微小裂隙不斷匯入具有張裂性質(zhì)的大1斷層斷面空隙之中, 從而完成初次運(yùn)移; 當(dāng)進(jìn)入大1斷層斷面中流體量過大時(shí), 在壓力驅(qū)動(dòng)下, 流體會(huì)沿?cái)嗝婊蛳蛏?、或向下不斷擴(kuò)散。由于大1斷層存儲(chǔ)空間的有限, 這些流體最終會(huì)向周緣高孔隙度的儲(chǔ)層運(yùn)聚。此時(shí), 在NE-SW向的伸展環(huán)境之中, 大1斷層上盤西部的大王莊洼陷處于低壓應(yīng)力, 而下盤的義和莊凸起卻處于高壓應(yīng)力(圖6a)。兩者相比, 斷層通道內(nèi)的流體勢必會(huì)運(yùn)移至大王莊洼陷沙二和沙四段中, 形成大王北油田,完成二次運(yùn)移。同理, 在大1斷層流體通道內(nèi)東部的流體同樣會(huì)運(yùn)移至義和莊凸起的沙二和沙四段中,形成大王莊油田。最終, 在區(qū)域上形成圍繞大1斷層對稱式成藏的分布特征。通過對大王北洼陷精細(xì)的油源對比發(fā)現(xiàn), 大王北油田的原油類型主要來自于沙三段(任擁軍等, 2010), 這無疑證明了本文模型的有效性。

致謝： 中國石化勝利油田分公司河口采油廠為本研究提供了可靠的地震數(shù)據(jù), 在此表示衷心感謝。同時(shí)感謝兩位審稿專家為本文的最終完成提供了寶貴的修改建議。

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3D Numerical Modeling of Oil and Gas Accumulation Process Controlled by Da 1 Fault, Chezhen Depression

DAI Liming1, 2, LI Sanzhong1, 2, 3, LIU Ze1, 2, HU Mengying1, 2, LIU Lianqi4and YANG Yanfeng4
(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, Shandong, China; 3. Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, Shandong, China; 4. Hekou Oil Production Plant of Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257200, Shandong, China)

Abstract:The stress state of the Dawangzhuang sag is modeled using finite element numerical analysis. Comparing with the position of oil deposit, we quantitatively analyze the distribution characteristics of the compressive stress controlled by the Da 1 fault, and then the main factor influencing the oil and gas accumulation process in the Dawangzhuang sag is discussed based on the simulation results. Construction of the model is mainly based on 3D seismic data in the Dawangzhuang area of Chezhen Depression, including three sequence boundaries and spatial occurrence of the Da 1 fault. The faults in the model are introduced as Coulomb-type frictional zones that refer to contact analysis of finite element modeling (FEM). The results are as followings: (1) by adjusting the boundary condition of model, we found out that under the environment of NE-SW extension, the distribution of low compressive stress is somewhat consistent with that of oil deposits, which are skew-symmetrical distribution around the Da 1 fault; (2) We suggest that the oil distribution is closely related to the communication between source and reservoir bed controlled by the Da 1 fault in the regional tectonic stress background.

Keywords:Chezhen Depression; Da 1 fault; tectonic stress field; oil and gas accumulation; FEM

中圖分類號:P542; TE121.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-1552(2016)01-0047-011

收稿日期:2013-06-03; 改回日期: 2013-07-16

第一作者簡介:戴黎明(1980–), 男, 副教授, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及其數(shù)值模擬研究。Email: dlming.geo@gmail.com