昆北斷階帶斷裂形成機制構(gòu)造模擬實驗

王海琦，竇小雨，王林

（1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)勘查基金管理中心，蘭州 730000；3.中國石油 新疆油田分公司 監(jiān)理公司，新疆 克拉瑪依 834000）

截至2012年，昆北油田累計探明石油地質(zhì)儲量1.07×108t，目前已建成產(chǎn)能50.00×104t[1]，其意義不僅僅是柴達木盆地繼尕斯庫勒油田發(fā)現(xiàn)后的又一個億噸級油田，更成功明確了“富烴凹陷周緣古隆起”、“盆內(nèi)晚期構(gòu)造帶”、“盆地基巖”及“古斜坡致密巖性區(qū)”四大潛在油氣勘探領(lǐng)域，為青海油田具備規(guī)模發(fā)現(xiàn)和可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[2]。由于斷裂配置關(guān)系和儲集層條件是昆北斷階帶油氣富集成藏的主要控制因素[3-4]，探究斷裂特征，恢復(fù)斷裂形成、演化過程，了解其形成機制尤為重要。因此，筆者從構(gòu)造模擬的角度，設(shè)計2組實驗，探究昆北斷階帶區(qū)域構(gòu)造演化模式，剖析油氣富集規(guī)律，為油氣勘探工作提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

昆北斷階帶位于柴達木盆地西南緣昆侖山前，隨著中—新生代以來昆北地區(qū)西側(cè)阿爾金山的走滑作用和南緣昆侖山的強烈擠壓作用，特別是受喜馬拉雅運動期南北向構(gòu)造動力的控制，發(fā)育了一系列壓扭性多級斷裂體系[4]，在平面上呈向北凸出的弧形，近平行分布[5]。昆北斷階帶斷裂總體有2個特點：①一、二級主控斷裂均為逆斷裂，普遍規(guī)模大，在平面上呈弧形或反“S”形展布，主要為北西—南東向和北西西—南東東向；②由一、二級主控斷裂派生的三級及次級斷裂，主要為近南北向和北東—南西向，是控制研究區(qū)構(gòu)造圈閉的主要斷裂（圖1）。

圖1 昆北斷階帶區(qū)域構(gòu)造綱要與油氣富集區(qū)

昆北斷階帶基底主要為古生代變質(zhì)巖和海西運動期花崗巖，其上自下而上發(fā)育古近系古新—始新統(tǒng)路樂河組（E1+2l）、漸新統(tǒng)下干柴溝組（E3xg），新近系中新統(tǒng)上干柴溝組（N1sg）以及第四系更新統(tǒng)七個泉組（Q1+2q）。研究區(qū)切16井區(qū)、切6井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)均已證實為油氣富集區(qū)，油氣主要賦存于路樂河組—下干柴溝組[5-6]。

2 構(gòu)造模擬實驗原理、儀器和材料

構(gòu)造模擬實驗是構(gòu)造地質(zhì)研究的一個重要方面。國內(nèi)外構(gòu)造模擬實驗主要有2類裝置：第一類是離心機模擬裝置，此類裝置一般多采用具有黏性的物質(zhì)作為材料，主要用來模擬褶皺、各種重力構(gòu)造以及黏性熔巖的侵入等；另一類裝置主要是砂箱，是傳統(tǒng)的平臺變形裝置，可以用來進行擠壓、伸展、剪切等構(gòu)造模擬，在研究盆地構(gòu)造演化方向應(yīng)用廣泛，其形態(tài)一般呈無蓋的箱狀體[7]。

大量研究證明，對于構(gòu)造模擬實驗，在實驗過程中只需遵循相似性原則，盡可能在邊界幾何學(xué)形態(tài)的拾取、材料的選擇及運動學(xué)特征、動力學(xué)機制等重要因素上相似；簡化模型，提高可操作性，忽略次要因素[7-11]。

選擇合適的模型材料是模擬實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過對昆北斷階帶的巖性統(tǒng)計得出，古近系—新近系多以砂泥巖組合為主，陸源泥巖發(fā)育[12]。本次實驗根據(jù)具體儲集層巖性的差異，多次調(diào)整材料的配比，確定了最優(yōu)選方案。模擬砂層總厚度為6 cm，劃分為4層，模擬材料主要為粒徑0.3 mm的石英砂、染色石英砂及黏土，內(nèi)摩擦角約為31°，橡皮泥粉和凡士林可以增加材料的塑性，更易形成褶皺；滑石粉和熟石膏粉可以讓材料松散，易形成裂縫、斷層。具體砂層劃分和材料配比方案如表1所示。

3 構(gòu)造模擬實驗

如圖1所示，昆北斷階帶北緣的昆北斷裂形態(tài)為弧形，南緣的昆前斷裂相對平直，原因主要是盆山及古構(gòu)造邊界條件、基底及上覆沉積地層巖石力學(xué)性質(zhì)等均為不均衡，同時受喜馬拉雅運動期昆侖山由南向北不均衡的強烈擠壓及西側(cè)阿爾金山左行走滑斷裂體系的制約[13]。為提高構(gòu)造模擬實驗精度，通過區(qū)域資料研究和多次實驗?zāi)M，盡可能在邊界幾何形態(tài)、運動學(xué)特征及動力學(xué)機制等重要因素滿足相似性原則。有關(guān)構(gòu)造模擬實驗參數(shù)見表2.

昆北斷階帶發(fā)育復(fù)雜多級構(gòu)造格局，為研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形的應(yīng)力作用機制，筆者針對一、二級主控斷裂和三級及次級斷裂分別設(shè)計了2組構(gòu)造模擬實驗，都是利用砂箱，通過液壓步進電機帶動推覆模塊模擬昆侖山由南向北的擠壓作用。不同的是，模擬三級及次級斷裂的第二組實驗以昆北斷裂作為先存邊界斷裂，依據(jù)其形態(tài)制作了砂箱的邊界作為限制條件，主要依據(jù)有2點：一是昆北斷裂由基底斷裂繼承發(fā)育而來，活動期次多、時間長，對次級斷裂的形成有重要的控制作用[14-15]；二是前人研究證實邊界形態(tài)的差異直接關(guān)系到構(gòu)造應(yīng)力作用強度與作用機制。

表1 構(gòu)造模擬實驗砂層劃分及材料配比方案

表2 構(gòu)造模擬實驗參數(shù)

3.1 一、二級主控斷裂構(gòu)造模擬實驗

構(gòu)造模擬實驗砂箱內(nèi)徑400 mm×700 mm×10 mm（圖2a），液壓步進電機帶動砂箱活動擋板，另一端設(shè)定為砂箱固定擋板，模擬地層嚴格按表1的材料配比制作。地貌上昆侖山邊界明顯向柴達木盆地方向凸出（圖1），設(shè)計使用聚苯塑料制作的模塊固定在活動擋板端模擬昆侖山先存剛性邊界條件。研究區(qū)長度、推覆體長度、密度、擠壓速度、擠壓時間等數(shù)據(jù)見表2.由于不均衡擠壓的應(yīng)力學(xué)和模擬地層的材料力學(xué)的差異，推覆體外的1號和5號縱切剖面與推覆體上的2號、3號和4號縱切剖面（圖2b）分別產(chǎn)生了2種構(gòu)造形式：第一種以1號縱切剖面為例，變形較弱，樣式相對簡單，為疊瓦狀逆沖斷裂組成的前展式單斜斷塊樣式，在各模擬砂層中均有發(fā)育，其發(fā)育表現(xiàn)為擠壓開始時，推擠段至砂層中段先出現(xiàn)整體的褶皺，隨著位移不斷增加，模擬地層進一步縮短，褶皺的波長變短，軸面傾角變小，開始發(fā)育楔形體，隨楔形體不斷向前進展，形成低角度逆沖推覆斷裂F1，隨著地層縮短量進一步加大，沖斷作用逐漸向盆地方向發(fā)展，并發(fā)育逆沖推覆斷裂F2，與F1近平行分布，構(gòu)成前展式單斜斷塊；第二種以3號縱切剖面為例，變形更加強烈，其逆沖推覆斷裂F1和F2的發(fā)育過程與1號縱切剖面基本一致，在逐漸增強的水平剪切應(yīng)力與垂向剪切應(yīng)力持續(xù)作用下，F(xiàn)1上盤淺部地層低角度滑脫，F(xiàn)1上盤深部地層高角度反沖，構(gòu)成高角度沖起斷裂F3，滑脫層對推擠段的構(gòu)造有明顯的調(diào)節(jié)作用，隨著地層縮短量繼續(xù)增加，F(xiàn)1斷裂產(chǎn)狀變陡，在塑性較強的Ⅲ—Ⅳ模擬砂層中（對應(yīng)路樂河組—上干柴溝組下段）發(fā)育多套背斜，產(chǎn)生了斷裂—皺褶疊加的組合樣式（圖2c—圖2g），為溝通油源提供了良好的條件。

圖2 實驗?zāi)M昆北斷階帶前展式逆沖斷裂不均衡發(fā)育模式

圖3 昆北斷階帶地震構(gòu)造解釋剖面

昆北斷階帶自西向東5條地震構(gòu)造解釋剖面（圖3）顯示，西側(cè)98182測線和CDM07測線反映在不均衡前陸沖斷應(yīng)力作用下發(fā)育簡單斷裂，構(gòu)造變形弱，樣式較簡單，為一系列疊瓦狀逆沖斷裂；中東部Line2500測線和Line3200測線反映擠壓作用明顯增強，構(gòu)造變形強烈，除疊瓦狀逆沖斷裂外，還發(fā)育褶皺斷裂沖斷體系，并在構(gòu)造的一翼沉積生長層序[14]。表明昆北斷階帶構(gòu)造變形存在明顯的不均衡性。根據(jù)昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面，計算得到98182測線、CDM07測線、Line2500測線、Line3200測線和070測線地震構(gòu)造解釋剖面的平均縮短率分別為12.21%，16.03%，18.12%，17.20%和13.09%.由于不均衡推覆體的存在，構(gòu)造模擬實驗設(shè)計的5條縱切剖面的實際水平縮短量并不一致，變形程度不同。推覆體外的1號和5號縱切剖面水平縮短量為14 cm，水平縮短率為20.90%；推覆體上的2號、3號以及4號縱切剖面的水平縮短量為17 cm，水平縮短率為25.40%.通過與昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面平均縮短率對比得出，昆北斷階帶西部98182測線和東部070測線與模擬實驗1號和5號縱切剖面的水平縮短率均偏低，反映構(gòu)造變形較弱；中東部的Line2500測線和Line3200測線與模擬實驗2號、3號和4號縱切剖面水平縮短率均明顯增大，反映擠壓作用明顯增強，構(gòu)造變形更加強烈。

綜上所述，昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面與構(gòu)造模擬實驗縱切剖面對比，無論是平均縮短率的不均衡特征還是形成的構(gòu)造樣式，均高度相似，實驗?zāi)M效果較好。

3.2 三級及次級斷裂構(gòu)造模擬實驗

以不均衡擠壓模擬實驗為基礎(chǔ)，除利用模塊模擬的邊界條件（A型、B型）不同以外，砂箱的其他設(shè)計參數(shù)和硬件配置保持不變（圖4）。通過研究不均衡擠壓推覆體在不同邊界作用下造成的應(yīng)力差異，進一步研究其他展布方向的三級及次級斷裂特征和形成機制。

圖4 2種邊界形態(tài)砂箱的構(gòu)造模擬實驗示意圖

三級及次級斷裂構(gòu)造模擬實驗所使用的應(yīng)力分析方法以滑移線場理論為基礎(chǔ)，即通過構(gòu)造模擬實驗，在介質(zhì)層面上均勻分布應(yīng)變橢圓（圖5），應(yīng)變橢圓長短軸的單位長度一致，原始方位一致，遍布應(yīng)變橢圓的介質(zhì)層面構(gòu)成了一個平面應(yīng)變場。構(gòu)造模擬實驗使各應(yīng)變橢圓發(fā)生了變形，變形后長軸的方位代表主正應(yīng)力方位，連接起來為主正應(yīng)力跡線，跡線上任何一點的切線方位，代表該點的主正應(yīng)力方位；短軸的方位代表主剪切應(yīng)力方位，連接起來為主剪切應(yīng)力跡線，跡線上任何一點的切線方位，代表該點的主剪切應(yīng)力方位；主正應(yīng)力跡線與主剪切應(yīng)力跡線為正交關(guān)系[9-10]。構(gòu)造模擬實驗結(jié)果如圖5所示，基于A型、B型邊界形態(tài)砂箱產(chǎn)生共軛型（A型）和撕裂型（B型）2種特征的最大剪切應(yīng)力。

圖5 2種砂箱構(gòu)造模擬的主應(yīng)力軌跡場（據(jù)文獻［16］）

昆北斷階帶T800ms時間切片上的斷裂系統(tǒng)（圖6），可明顯劃分出多組共軛型斷裂系統(tǒng)和撕裂型斷裂系統(tǒng)，較好地吻合了上述先存剛性邊界條件下不均衡擠壓模擬實驗的分析結(jié)果。

圖6 2種最大剪切應(yīng)力模式與研究區(qū)T800 ms時間切片斷裂系統(tǒng)分布

通過Marc三維構(gòu)造應(yīng)力分析軟件對昆北斷階帶先存弧形邊界的擠壓沖斷進行了數(shù)值模擬。先存弧形邊界不均衡擠壓可產(chǎn)生一組共軛型的最大剪切應(yīng)力（圖7）。進一步用3Dmove構(gòu)造模擬軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶下干柴溝組下段底面最大剪切應(yīng)力場，得到多組共軛型和撕裂型的最大剪切應(yīng)力（圖8）。

圖7 Marc軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶三級及次級斷裂形成機制

圖8 3Dmove軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶下干柴溝組下段底面最大剪切應(yīng)力場

Marc和3Dmove軟件的數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，表明共軛型和撕裂型2種次級斷裂系統(tǒng)是由最大剪切應(yīng)力控制。無論是共軛型還是撕裂型，應(yīng)力大量集中均能產(chǎn)生多組次級斷裂，使儲集層產(chǎn)生更多的微裂縫，間接促進次生溶蝕，使儲集層的儲集性能顯著改善，這與切6井區(qū)、切16井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)富油氣的事實較為吻合。

4 結(jié)論

（1）昆北斷階帶構(gòu)造格局較為復(fù)雜，構(gòu)造的形成與發(fā)展受多種條件的限制，控制構(gòu)造變形的應(yīng)力作用機制也各有不同，因此，針對一、二級主控斷裂和三級及次級斷裂分別設(shè)計了2組構(gòu)造模擬實驗。

（2）通過一、二級主控斷裂構(gòu)造模擬實驗揭示了喜馬拉雅運動期，昆北斷階帶在南北向構(gòu)造動力不均衡擠壓作用下，發(fā)育了一系列多級壓扭性沖斷斷裂體系，主要有2種構(gòu)造形式：一種樣式較簡單，由疊瓦狀逆沖斷裂組成的前展式單斜斷塊模式；另一種產(chǎn)生了斷裂—皺褶疊加的組合樣式，變形更為強烈；5條模擬實驗的縱切剖面與5條地震構(gòu)造解釋剖面平均縮短率特征擬合較好，發(fā)育的斷裂對溝通油源起到了積極作用。

（3）先存邊界控制的不均衡擠壓模式實驗顯示，最大剪切應(yīng)力隨著邊界形態(tài)不同，表現(xiàn)為共軛型和撕裂型2種特征，與昆北斷階帶T800 ms時間切片上斷裂系統(tǒng)特征吻合；數(shù)值模擬結(jié)果進一步驗證了實驗結(jié)果，2種次級斷裂系統(tǒng)均改善了儲集層的儲集性能。

（4）昆北油田切16井區(qū)、切6井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)均已證實為油氣富集區(qū)，實驗結(jié)論與現(xiàn)實有較好的一致性，對油氣勘探有較好指導(dǎo)和借鑒意義。

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