山地復雜構造倒轉背斜地震剖面反射特征及油氣成藏分析

梁順軍 梁 霄 陳江力 孫 甫 游李偉 鄧紹強李金芝 樊 軍 高懷軍 韓友平 吳育林 吳增友

（1 中國石油集團東方地球物理勘探公司西南物探研究院；2 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發(fā)研究院；3 成都理工大學；4 中國石油集團東方地球物理勘探公司西南物探分公司）

0 引言

倒轉背斜是高陡復雜構造中的一種特殊類型，同時也是重要的構造圈閉類型。在新疆三大盆地(塔里木、準噶爾、吐哈)周緣、青海柴達木盆地周緣、鄂爾多斯盆地西緣、湘鄂西及四川東部發(fā)育大量倒轉背斜，其構造成因相似或相同[1-5]。倒轉背斜在四川東部鉆遇眾多、研究程度高，地震資料解釋積累了豐富的經驗，本文主要以四川東部倒轉背斜油氣勘探為主線展開論述。

四川東部石炭系倒轉背斜是天然氣氣田重要構造類型之一[6-7]，有許多石炭系失利井與倒轉背斜地震剖面反射特征認識不足有關[8-12]。例如，預鉆探石炭系地面背斜高點，實鉆落入倒轉翼的失利井有WQ1井、C17井、C55井及YA5井等28口井；預鉆探石炭系潛伏背斜高點，實鉆落入下二疊統(tǒng)陡帶的失利井有BD1井、LH2井、LD1井及F001-2井等30余口井。

勘探證實，能否在地震剖面上對不同類型的倒轉背斜做出合理的解釋和判定，關系到地震剖面解釋方案與構造模型建立是否符合地質規(guī)律，以及構造圈閉與圈閉油氣資源量評估的可信度。因此，對倒轉背斜進行地震、地質及測井等方面資料的綜合分析，建立識別和判定地震剖面上倒轉背斜的方法和流程，在鉆井部署之前，提前預報背斜是否發(fā)生倒轉及其類型，具有實際意義。

1 倒轉背斜形成機理

水平巖層在單向擠壓力作用下（圖1a），形成不對稱開闊背斜后，在X剪切節(jié)理基礎上發(fā)育一組破裂逆斷層[1]。在持續(xù)單向擠壓力作用下，背斜發(fā)生倒轉。伴隨著背斜持續(xù)擠壓，倒轉翼巖層有減薄現(xiàn)象，而背斜轉折端加厚。倒轉翼在持續(xù)變形過程中，沿剖面中一組X剪裂面斷開形成逆斷層，并逐步發(fā)育成逆掩推覆斷層，斷層上盤發(fā)展成為平臥背斜，進而形成推覆體。扇狀背斜可認為是背斜兩翼同時發(fā)生倒轉的特殊倒轉背斜，形成機理是背斜兩翼持續(xù)受到對向水平擠壓的結果（圖1b）。

室內巖層物理模擬自然界條件下，地層持續(xù)受單向擠壓可形成倒轉背斜和平臥背斜（圖2）。造山帶前緣、前陸盆地及擠壓性盆地周緣，往往受持續(xù)單向擠壓力作用，形成倒轉背斜和平臥背斜是很常見的，特別是在軟硬相間地層中最為發(fā)育。

圖1 倒轉背斜發(fā)育過程示意圖Fig.1 A sketch graph of the development process of reversed anticlines

圖2 倒轉背斜單向擠壓模擬試驗Fig.2 Simulation of unidirectional compression of reversed anticlines

在中國西部盆地周緣和造山帶，地面都可觀察到大量的倒轉背斜，形態(tài)各異。地下倒轉背斜的構造特征和幾何形態(tài)，可依據地面地質、鉆井和測井資料，結合地震資料綜合解釋發(fā)現(xiàn)和落實[6-10]。四川東部倒轉背斜形態(tài)各異，可謂“千姿百態(tài)、五彩繽紛”（圖3），華鎣山、方斗山、云安廠、明月峽、大天池、大池干井、蒲包山、涼水井和南門場等40余個高陡復雜構造中，二疊系和石炭系均不同程度地發(fā)生倒轉。地面構造和潛伏構造都可能發(fā)生地層倒轉，形成倒轉背斜，前者發(fā)生的概率比后者大。

圖3 四川東部倒轉背斜典型特征（部分）Fig.3 Typical characteristics of reversed anticlines in eastern Sichuan(part)

2 倒轉背斜類型及地震反射特征

雖然倒轉背斜形態(tài)各異，但按兩翼傾角和軸面傾角，可劃分為平臥背斜、倒轉背斜(Ⅰ)、倒轉背斜(Ⅱ)、微倒轉背斜、不對稱背斜、扇狀背斜及箱狀背斜（圖4）。一般情況下，倒轉背斜頂部轉折端地層厚度增大，正常翼厚度保持穩(wěn)定，而倒轉翼地層厚度減薄。因倒轉翼地層陡傾，地震剖面缺失倒轉翼反射。

2.1 倒轉背斜井下地質特征和測井特征

高陡復雜構造鉆井過程中，通過鉆井分層和深度數(shù)據，了解地下地層層序變化，當?shù)貙佑尚碌嚼?、再由老到新有?guī)律地重復時，可判斷鉆井從背斜的一翼鉆到背斜的另一翼，由此可確定該背斜可能發(fā)生倒轉（圖3）。倒轉背斜地層在測井資料上也具有明顯的特征。

2.1.1 常規(guī)測井

常規(guī)測井資料表明，以倒轉點為中心，自然伽馬、電阻率及聲波時差測井曲線具一定鏡像對稱關系，表現(xiàn)出地層重復(圖5)。對于同一層段，只是因為倒轉翼地層傾角比正常翼大，倒轉翼地層視厚度增加，導致其測井曲線相應層段的長度比正常翼大。

圖4 倒轉背斜類型Fig.4 Classification of reversed anticlines

圖5 倒轉背斜常規(guī)測井曲線Fig.5 Regular well logging curves of reversed anticlines

2.1.2 地層傾角測井

根據文獻[13]，一般倒轉背斜兩翼向同一方向傾斜，正常翼地層傾角平緩(10°～30°），倒轉翼傾角陡峭(40°～90°)，倒轉點附近地層傾角、方向雜亂，上下地層層序相反(有一定對稱關系)。對稱平臥背斜地層傾角基本相等，傾向相反(圖6a、b)；倒轉背斜（Ⅰ、Ⅱ）的倒轉翼和正常翼地層傾向相同，一般正常翼傾角小于倒轉翼(圖6c、d)。利用這些特征，在地震剖面上可恢復和解釋倒轉翼地層。

圖6 平臥背斜和倒轉背斜（Ⅰ、Ⅱ）地層傾角模式Fig.6 Dip pattern of strata in recumbent anticline and reversed anticline(type I, type II)

2.2 倒轉背斜地震響應

模型正演和偏移技術是了解倒轉背斜在地震剖面反射特征的有效方法[14]。參考地面出露的倒轉背斜，設計平臥背斜、倒轉背斜(Ⅰ)、倒轉背斜(Ⅱ)和不對稱背斜的構造模型，采用有限差分波動方程進行模型正演和偏移，得到其地震響應（圖7至圖10），有助于加深理解高陡構造在實際地震剖面上的表現(xiàn)形式。不同類型倒轉背斜的正常翼均有良好的反射。

圖7 平臥背斜地面露頭、模型及地震響應Fig.7 Outcrops, patterns and seismic responses of recumbent anticlines

圖8 倒轉背斜（Ⅰ）地面露頭、模型及地震響應Fig.8 Outcrops, patterns and seismic responses of reversed anticline(type I)

(1）因平臥背斜和倒轉背斜(Ⅰ)的倒轉翼地層傾角較小，一般地震正演（或偏移）剖面上具明顯的反射特征，資料解釋可以識別（圖7e、圖8e）。

(2）對于其他類型倒轉背斜，當?shù)罐D翼或陡翼地層傾角大（45°～90°），在地震正演（或偏移）剖面上表現(xiàn)為資料空白帶，缺失倒轉翼反射（圖9e、圖10e）。

關于平臥背斜和倒轉背斜(Ⅰ)的地震反射特征，后文將結合實際地震剖面解釋進行詳細分析。

圖9 倒轉背斜（Ⅱ）地面露頭、模型及地震響應Fig.9 Outcrops, patterns and seismic responses of reversed anticline(type II)

圖10 不對稱背斜地面露頭、模型及地震響應Fig.10 Outcrops, patterns and seismic responses of asymmetric anticlines

3 倒轉背斜在實際地震剖面上的甄別和解釋

不對稱背斜、倒轉背斜（Ⅰ、Ⅱ）和平臥背斜在地震剖面上有不同表現(xiàn)形式，如何根據地震剖面反射特征和地面資料，提前預報和恢復出倒轉背斜形態(tài)及其圈閉形態(tài)、高點位置，為鉆井提供可靠的井底靶心就顯得十分重要，也是地震資料解釋的難點。

3.1 利用淺層地面地質剖面形態(tài)，判斷深層倒轉背斜類型

勘探證實，四川東部高陡復雜構造雖然垂向變異大，但構造形態(tài)的垂向變異基本符合同心褶曲變化規(guī)律[15-16]。地面地質剖面在地震資料處理解釋中具有重要的指導和幫助作用，背斜地下形態(tài)與地面形態(tài)有著密切的內在聯(lián)系和對應關系，可借助淺層上三疊統(tǒng)須家河組底界（T3x）地面背斜形態(tài)及其對稱性，判斷深層上二疊統(tǒng)—石炭系(P2—C)背斜是否倒轉及倒轉類型(圖11)，以指導下一步在地震剖面上重建倒轉翼(或陡翼)形態(tài)。例如，大池干井構造過C7井地震剖面，上三疊統(tǒng)須家河組底界對稱背斜對應深層上二疊統(tǒng)—石炭系對稱背斜(圖11a)；云安廠構造過YA5井地震剖面，上三疊統(tǒng)須家河組底界倒轉背斜（Ⅱ）對應深層上二疊統(tǒng)—石炭系平臥背斜(圖11d)。

圖11 四川東部淺層須家河組構造與深層上二疊統(tǒng)—石炭系構造關系Fig.11 Relationship between shallow Xujiahe Formation structure and deep Upper Permian-Carboniferous structure in eastern Sichuan

3.2 以斷背斜的“地震斷層”作為軸面恢復倒轉翼地層

在倒轉背斜模型上做簡單的射線追蹤（圖12a），正演剖面上緩翼（正常翼）反射和背斜頂部（轉折端）繞射波連在一起，形成寬大的“背斜反射”（圖12b）；受地震勘探方法限制，陡翼地層為反射盲區(qū)，在偏移剖面上形成資料空白帶，缺失倒轉翼反射（圖12c）。在常規(guī)地震資料解釋中（圖12c），緩翼上傾方向反射同相軸能量突然衰減，其能量突變點被確定為“地震斷點”，進而解釋成“地震斷層”［17］，與緩翼反射形成“斷背斜”，與完整的倒轉背斜形態(tài)差異很大。

從圖12d可以看出，地震斷點可視為背斜軸點，斷面即為背斜軸面，斷面的產狀反映了背斜軸面的產狀。根據背斜軸面具有平分兩翼的對稱性質，便可恢復斷面下盤的陡傾地層形態(tài)，從而判斷背斜是否倒轉及其類型。

依據圖12所述方法，可以在地震剖面上恢復缺失的上二疊統(tǒng)—石炭系倒轉地層或陡傾地層（圖13），再現(xiàn)地下構造形態(tài)全貌。經鉆井及測井資料證實，該方法簡單易行，切實可靠。

圖12 倒轉背斜（Ⅰ）倒轉翼地質恢復理論模式Fig.12 Theoretical geology restoration model for reversed limb of a reversed anticline(type I)

圖13 四川東部倒轉背斜（Ⅰ、Ⅱ）地震剖面地質恢復Fig.13 Geologic restoration of seismic sections of reversed anticlines in eastern Sichuan(type I, type II)

4 平臥背斜地震剖面識別

4.1 云安廠構造YA5井鉆探失利分析

平臥背斜由于它的特殊性，在地震剖面上甄別較為困難。早期（20世紀80—90年代），四川東部云安廠構造倒轉背斜解釋（圖14），將R段（層位確定具有多解性的反射段）反射同相軸解釋為石炭系反射（圖14d），延長了石炭系反射長度（向陡翼方向），部署石炭系探井YA5井，實鉆進入到上二疊統(tǒng)—石炭系倒轉地層（圖14b），井—震層位不相符，未鉆入石炭系目的層而失利。在井位跟蹤分析時，有的解釋人員將R段反射解釋為石炭系反射，有的解釋為斷面波（圖14e）或上二疊統(tǒng)倒轉翼反射（圖14f），其多解性大。

圖14 四川東部云安廠構造平臥背斜地震剖面反射特征Fig.14 Reflection characteristics of seismic section of a recumbent anticline in Yun’anchang structure in eastern Sichuan

4.2 YA5井失利井跟蹤分析

針對R段解釋的多解性，分析倒轉背斜（Ⅰ）、平臥背斜模型正演和偏移特征（圖15a、圖16a），兩者正常翼具有有相同的反射特征，表現(xiàn)為“大背斜”（圖15b、圖16b），而倒轉翼的反射特征相差較大。

（1）對于倒轉背斜（Ⅰ）（圖15a），在偏移剖面上，上二疊統(tǒng)底界倒轉翼反射與石炭系頂界正常翼反射之間斷開，倒轉背斜容易識別（圖15c）。

（2）對于平臥倒轉背斜（圖16a），上二疊統(tǒng)底界倒轉翼de段與石炭系頂界正常翼no段地層傾角相近(或相等)且傾向相同。在偏移剖面上（圖16c），由于受地震勘探橫向分辨率及偏移歸位方法的影響，一般no段及de段的反射得不到有效歸位(特別是在實際偏移剖面中)，no段與de段相連。也就是說，上二疊統(tǒng)底界倒轉翼與石炭系正常翼相接，極容易誤將上二疊統(tǒng)底界倒轉翼反射解釋成石炭系背斜正常翼反射，夸大了石炭系背斜頂部范圍，形成解釋陷阱，導致鉆探失誤。

模型正演和偏移表明，將圖14c中地震剖面上R段解釋為上二疊統(tǒng)底界倒轉翼反射是合理的（圖14f），解釋成石炭系正常翼反射或上二疊統(tǒng)底界—石炭系斷面波是不合理的（圖14d、e）。

因此在實際地震資料解釋時，在地震偏移剖面上，根據石炭系頂界背斜正常翼反射和上二疊統(tǒng)底界背斜倒轉翼反射相接處的相位、頻率和振幅等地震波動力學特征（圖17，黃色箭頭所指是正常翼與倒轉翼分界處），結合地震屬性（波阻抗剖面，圖18a）建立識別模式，就能區(qū)分兩者的反射，克服解釋陷阱，對上二疊統(tǒng)底界—石炭系平臥背斜做出合理的解釋和判斷。

圖15 倒轉背斜（Ⅰ）正演剖面、偏移剖面反射特征精細分析Fig.15 Fine analysis of reflection characteristics of forward section and migration section of a reversed anticline(type I)

圖16 平臥背斜正演剖面、偏移剖面反射特征精細分析Fig.16 Fine analysis of reflection characteristics of forward section and migration section of a recumbent anticline

圖17 四川東部平臥背斜上二疊統(tǒng)倒轉翼與石炭系正常翼接觸點的地震反射特征Fig.17 Seismic reflection characteristics of contact point between upper Permian reversed limb and Carboniferous normal limb of a recumbent anticline in eastern Sichuan

圖18 四川東部平臥背斜兩種地震剖面反射特征Fig.18 Reflection characteristics of two types of recumbent anticlines in eastern Sichuan

4.3 疊前深度偏移剖面識別平臥背斜

中國西部山地復雜構造信噪比普遍較低，一般采用疊前時間偏移或疊后時間偏移方法，在其偏移剖面上可反映出平臥背斜形態(tài)。在信噪比較高的山地復雜構造，疊前深度偏移剖面能夠很好地反映或再現(xiàn)倒轉背斜形態(tài)。但疊前深度成像質量的好壞，取決于構造+速度模型是否合理，是否符合區(qū)域構造地質特征，層速度結構能否反映區(qū)域構造速度縱橫向變化等。依據圖14f和圖18b，分別設計平臥背斜和倒轉背斜（Ⅰ）構造+速度模型（圖19a、b），疊前深度偏移剖面中上二疊統(tǒng)底界倒轉翼反射與石炭系正常翼反射都能完全分離，之間形成“空白段”（圖19c、d）。所不同的是，平臥背斜疊前深度偏移剖面中上二疊統(tǒng)底界正常翼背斜轉折端地震成像好于倒轉背斜（Ⅰ）（紅色橢圓），前者和后者上二疊統(tǒng)底界倒轉翼地層傾角分別為15°和40°。結合地面地質剖面分析，認為過YA5井云安廠構造疊前深度偏移剖面解釋成平臥背斜是合理的。

圖19 疊前深度偏移剖面識別倒轉背斜Fig.19 Reversed anticline identification on prestack depth migration section

5 倒轉背斜的油氣地質意義

中國西部前陸盆地或造山帶前緣的山地復雜構造，多屬于喜馬拉雅運動晚期形成或定型的現(xiàn)今構造。喜馬拉雅運動早期或喜馬拉雅運動前期（或燕山運動晚期）形成的背斜油氣田被改造或破壞，形成次生油氣藏，地表多發(fā)現(xiàn)瀝青與油苗。倒轉背斜一般發(fā)生在強烈擠壓斷褶區(qū)，油氣勘探主要以擠壓性背斜圈閉為主。據文獻分析[18-19]，強烈擠壓斷褶區(qū)生油巖生成的油氣沒有發(fā)生大規(guī)模水平運移，以垂向運移為主，通過裂縫和斷層直接運移到儲層，而被蓋層封堵?！吧?、儲、蓋、運、圈、?！?個成藏條件中，優(yōu)質的背斜圈閉和良好的保存條件是強烈擠壓斷褶區(qū)油氣發(fā)現(xiàn)和突破的重要基礎。

5.1 倒轉背斜成藏條件

一般，當?shù)孛娴罐D背斜正常翼埋藏深度適中，儲層的上覆地層沒有遭到嚴重剝蝕，直接蓋層沒有被破壞，有利于油氣聚集成藏而被有效保存，正常翼拱曲寬緩，裂縫發(fā)育，可成為大中型油氣田(圖20a)；當?shù)罐D背斜正常翼拱曲頂部狹窄，可形成小型油氣田(圖20b)。

當?shù)孛娴罐D背斜正常翼儲層的上覆地層剝蝕嚴重，地層壓力降低，油氣逃逸到地表，形成地面油氣苗，原先形成的油氣藏遭到破壞(圖20c、d)。

根據文獻[18]，川東高陡復雜構造區(qū)地面背斜約55個，背斜陡翼不同程度地發(fā)生直立、倒轉和平臥，出露下三疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）及其以下老地層的地面背斜40余個，間接蓋層侏羅系—二疊系遭到嚴重剝蝕，油氣保存條件降低，目前只在云安廠、明月峽及溫泉井等8個背斜中發(fā)現(xiàn)石炭系含氣構造或小型低效氣田，油氣勘探效果差；出露中三疊統(tǒng)雷口坡組(T21)及其以上新地層的地面背斜共10余個[20-21]，間接蓋層侏羅系—二疊系剝蝕程度低，油氣保存條件好，目前在臥龍河、大池干井、鐵山、福成寨及相國寺等8個背斜中發(fā)現(xiàn)大中型石炭系氣田，油氣鉆探效果良好。

圖20 倒轉背斜油氣成藏地質模式Fig.20 Geological models of hydrocarbon accumulation in reversed anticlines

5.2 倒轉背斜倒轉翼下方潛伏構造成藏條件

當?shù)貙佣竷A、倒轉和直立時，因斷層發(fā)育，背斜圈閉稀少，不利于油氣成藏。當?shù)孛娴罐D背斜陡翼下方構造是潛伏背斜時，因離生油凹陷近，遭受后期構造運動影響小，埋藏深度大，保存條件良好，十分有利于油氣聚集，例如庫車克深—大北白堊系潛伏背斜氣田群(圖21a)[22-28]、川西龍深（雙魚石）下二疊統(tǒng)潛伏背斜氣田群、川東高陡倒轉背斜斷層下盤石炭系潛伏背斜氣田[7]。當?shù)孛娴罐D背斜陡翼下方構造為潛伏疊瓦狀單斜斷塊時，油氣圈閉條件差，在中國西部山前帶至今少有工業(yè)性油氣田發(fā)現(xiàn)，多見少量油氣顯示或低效油氣層，例如西昆侖山前帶柯東段、蘇蓋特—齊姆根段、普西段、普東段及桑株段單斜疊瓦狀斷塊(圖21b)，以及四川龍門山北段①斷層以西單斜疊瓦狀斷塊、米倉山①斷層以北單斜疊瓦狀斷塊。

圖21 庫車克拉蘇構造帶與昆侖山前柯東構造帶油氣成藏對比Fig.21 Comparison of hydrocarbon accumulation between Kelasu structural belt in Kuqa depression and Kedong structural belt in Kunlun piedmont

6 結論

實踐證明，采用模型正演和偏移技術，分析倒轉背斜的地震響應特征，有利于指導地震資料構造解釋，解釋出逼近實際的倒轉背斜形態(tài)，為探井部署提供可靠的構造圈閉形態(tài)和靶心。

倒轉背斜發(fā)育于強烈擠壓構造區(qū)，油氣保存條件一般較差，油氣勘探效果較差。倒轉翼下方潛伏背斜成排成帶分布， 保存條件好，是油氣聚集有利場所，油氣勘探效果良好。