喜馬拉雅晚期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其與油氣分布的關(guān)系
——以準(zhǔn)噶爾盆地南緣為例

張鳳奇 ，劉偉 ，魯雪松 ，劉陽(yáng) ，周路 ，曹秦智

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716001；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

準(zhǔn)噶爾盆地南緣是我國(guó)最早進(jìn)行油氣勘探的地區(qū)之一［1-4］，近期高探1井深層白堊系碎屑巖儲(chǔ)層的勘探獲得了重大突破，表明該地區(qū)深層具有較大的勘探潛力［5］。晚古生代以來(lái)，準(zhǔn)噶爾盆地南緣經(jīng)歷了晚海西期、印支—燕山期和喜馬拉雅期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［6-7］。其中，喜馬拉雅晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣形成的影響最大［8］，構(gòu)造擠壓最為強(qiáng)烈，而該時(shí)期又是準(zhǔn)噶爾盆地南緣油氣的主要成藏時(shí)期，兩者關(guān)系密切。目前，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布特征及其對(duì)油氣分布的影響研究還較為薄弱。

本文對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬恢復(fù)，總結(jié)了其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布特征及其與油氣的分布關(guān)系，以期為后續(xù)油氣勘探提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西到扎伊爾山，東到博格達(dá)山山前，北與車排子凸起和莫南凸起相鄰，南與天山北緣相鄰［9-11］，東西方向和南北方向上分別形成了東西分段和南北分帶的構(gòu)造特征（見(jiàn)圖1）。東西方向以烏魯木齊—米泉斷裂和紅車斷裂為界，分為東段阜康斷裂帶、中段山前沖斷帶和西段四棵樹凹陷；南北方向以三排背斜帶為界，自南向北劃分為第一排構(gòu)造帶（齊古斷褶帶）、第二排構(gòu)造帶（霍瑪吐背斜帶）和第三排構(gòu)造帶（呼圖壁—安集?！骱承睅В?2-14］（見(jiàn)圖 1）。本次的研究區(qū)域主要是準(zhǔn)噶爾盆地南緣的西段四棵樹凹陷和中段山前沖斷帶。研究區(qū)多發(fā)育向南傾斜的逆斷層，且背斜軸部為斷層發(fā)育的主要位置。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣區(qū)域構(gòu)造特征

2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

建立正確的地質(zhì)模型和力學(xué)模型是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的前提，而研究區(qū)的大地構(gòu)造背景、主要構(gòu)造格局和區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐?，以及前人的地震解釋剖面等，是建立正確地質(zhì)模型和力學(xué)模型的基礎(chǔ)［15-16］。

2.1 地質(zhì)模型的建立

平面和剖面上以準(zhǔn)噶爾盆地南緣的西段四棵樹凹陷和中段山前沖斷帶為主體進(jìn)行模擬，不包含東段阜康斷裂帶。模型建立時(shí)兼顧幾個(gè)相鄰區(qū)域，這是為了方便模擬過(guò)程中載荷的施加和避免邊界效應(yīng)的發(fā)生。

平面上選取了下組合侏羅系齊古組進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖2）。剖面模擬時(shí)共選取了3個(gè)剖面作為本次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的地質(zhì)模型，分別為過(guò)齊古背斜—吐谷魯背斜—呼圖壁背斜的AA′剖面、過(guò)霍爾果斯背斜—安集海背斜的BB′剖面、過(guò)高泉背斜—西湖背斜—卡因迪克背斜的CC′剖面。其中AA′和CC′剖面均為多條地震剖面拼接而成（見(jiàn)圖 3［5，17-18］）。 盡管剖面的拼接會(huì)對(duì)模擬效果產(chǎn)生一些影響，但這種拼接并未改變剖面從南向北的延伸趨勢(shì)；因此，該處理對(duì)模擬結(jié)果影響有限。剖面模擬基本上包含了研究區(qū)石炭系以來(lái)沉積的所有地層。為了方便模型的建立及網(wǎng)格化，平面地質(zhì)模型建立時(shí)還考慮了延伸較長(zhǎng)的主斷層。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古組平面模擬地質(zhì)模型

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣剖面模擬的地質(zhì)模型

2.2 力學(xué)模型的建立

力學(xué)模型的建立在數(shù)值模擬中尤為重要，正確的地質(zhì)模型是力學(xué)模型建立的基礎(chǔ)。由于巖石力學(xué)參數(shù)和邊界條件的選擇是影響模擬結(jié)果正確性的主要因素，因此建立正確的地質(zhì)模型之后，還需要從上述兩方面來(lái)考慮如何建立力學(xué)模型，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.1 巖石力學(xué)參數(shù)的選取

研究區(qū)高溫高壓三軸巖石力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)較少。庫(kù)車坳陷與研究區(qū)分布于天山南北兩側(cè)，兩者在中、新生代經(jīng)歷了相似的構(gòu)造演化，中、新生代的沉積地層雖然存在微弱的差異，但整體上具有較好的相似性［19］，二者的巖石力學(xué)參數(shù)也應(yīng)具有可對(duì)比性；因此，本次研究區(qū)平面和剖面模擬過(guò)程中選取的各地質(zhì)體單元巖石力學(xué)參數(shù)主要來(lái)自于前人有關(guān)準(zhǔn)噶爾盆地南緣和庫(kù)車坳陷的文獻(xiàn)［20-22］（見(jiàn)表 1［23］、表 2）。此外，還需要對(duì)同一構(gòu)造單元的巖石作均質(zhì)體處理，各構(gòu)造單元間則需要作非均質(zhì)體處理，斷層作為斷裂帶進(jìn)行處理。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣各構(gòu)造帶侏羅系齊古組巖石力學(xué)參數(shù)

表2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣各地層巖石力學(xué)參數(shù)

2.2.2 邊界條件的確定

邊界條件的確定及載荷的施加是有限元模擬過(guò)程中的重要步驟。在此之前，應(yīng)對(duì)各構(gòu)造體單元分別賦予相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)和單元類型［15］。有限元模擬之前還需要對(duì)整個(gè)研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力作用進(jìn)行研究，以此設(shè)定邊界約束條件和構(gòu)造作用力，建立正確的力學(xué)模型。新近系以來(lái)，特別是喜馬拉雅晚期，準(zhǔn)噶爾盆地南緣發(fā)生了自南向北的強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用［8，24］。喜馬拉雅晚期最大主壓應(yīng)力方向由前期的垂直方向變?yōu)榻扑椒较颍摃r(shí)期研究區(qū)整體上最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|—南西向，博格達(dá)山北部邊緣為北西—南東向［7，25］。

平面和剖面模型均可將東西向設(shè)定為X方向，南北向設(shè)定為Y方向。在對(duì)平面模型進(jìn)行模擬時(shí)，根據(jù)研究區(qū)的最大水平主應(yīng)力方向，將平面模型的中央坳陷北邊界進(jìn)行X方向約束，東北角與東南角則進(jìn)行X和Y方向約束；在模型的南北邊界施加一定的擠壓應(yīng)力，并不斷改變所施加擠壓應(yīng)力的大小，直至模擬結(jié)果與研究區(qū)典型井聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)最大主壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)值（見(jiàn)表3）非常相近或一致。最終的初始應(yīng)力條件為模型北邊界的中央坳陷處向南施加120 MPa的水平擠壓應(yīng)力，車排子凸起處向南施加90 MPa的水平擠壓應(yīng)力，模型南邊界向北所施加的水平擠壓應(yīng)力從西向東逐漸減小，即從220 MPa到90 MPa。

在對(duì)剖面模型進(jìn)行模擬時(shí)，將其底部設(shè)置為Y方向約束，右邊界設(shè)置為X和Y方向約束，頂面為自由態(tài)，不作任何設(shè)置；由于剖面模型Y方向上各地層在施加應(yīng)力的同時(shí)會(huì)受到重力的影響，因此在該方向施加應(yīng)力時(shí)應(yīng)考慮重力場(chǎng)派生的水平主應(yīng)力，所施加的合應(yīng)力大小應(yīng)是重力場(chǎng)派生的水平應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力之和［15］。結(jié)合前人在庫(kù)車坳陷剖面有限元模擬過(guò)程中所施加的合應(yīng)力值［26］，不斷改變構(gòu)造應(yīng)力的大小，直到典型井的聲發(fā)射實(shí)測(cè)值（見(jiàn)表3）與同一深度的模擬值基本吻合為止（見(jiàn)表 3）［25，27］。最終，在剖面模型左邊界所加載的合應(yīng)力為σH=0.01h+55（其中：σH為加載的合應(yīng)力，MPa；h 為埋藏深度，m），從 AA′剖面到 CC′剖面的合應(yīng)力分別為 55～175，75～195，80～200 MPa。

表3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣典型井聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果

2.3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

基于上述模型，運(yùn)用ANSYS18.1有限元模擬軟件的求解功能，對(duì)研究區(qū)平面模擬最大主壓應(yīng)力（見(jiàn)圖4）與剖面模擬最大主壓應(yīng)力（見(jiàn)圖5）進(jìn)行了求解。

圖4 齊古組喜馬拉雅晚期最大主壓應(yīng)力平面分布

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地南緣典型剖面的最大主壓應(yīng)力分布

對(duì)最大主壓應(yīng)力模擬結(jié)果與聲發(fā)射實(shí)測(cè)值的誤差分析表明：平面上，齊古組Q1，Q009，DS1井的模擬結(jié)果分別為 120～130，100～110，200～210 MPa，Q1 井的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，而Q009井模擬值較實(shí)測(cè)值稍偏大，DS1井模擬值較實(shí)測(cè)值稍偏小（見(jiàn)表3）；盡管個(gè)別地區(qū)平面模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值稍有差異，但模擬結(jié)果的大小變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本吻合。剖面模擬結(jié)果顯示，剖面AA′與Q009井附近處侏羅系頂部最大主壓應(yīng)力為70～90 MPa，剖面BB′與H001井附近安集海河組最大主壓應(yīng)力為100～120 MPa，與實(shí)測(cè)值較為吻合（見(jiàn)表3）。因此，本次平面和剖面模擬結(jié)果整體上較為可靠，可以用來(lái)表示研究區(qū)喜馬拉雅晚期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布狀況。

2.3.1 平面構(gòu)造應(yīng)力分布

從平面模擬結(jié)果（見(jiàn)圖4）可以看出：侏羅系齊古組喜馬拉雅晚期的最大主壓應(yīng)力在東段阜康斷裂帶普遍小于60 MPa；四棵樹凹陷的最大主壓應(yīng)力基本在120～240 MPa，整體上比東段阜康斷裂帶的大；中段的東、中、西部地區(qū)的最大主壓應(yīng)力分別在60～150，90～180，180～240 MPa。

2.3.2 剖面構(gòu)造應(yīng)力分布

在前文的聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果以及平面和剖面的數(shù)值模擬結(jié)果的雙重約束下，剖面的模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。從研究區(qū)各剖面的模擬結(jié)果（見(jiàn)圖5）可以看出：構(gòu)造擠壓變形后，第四系的最大主壓應(yīng)力在研究區(qū)中段東部主要分布于60～90 MPa，中段其他地區(qū)和四棵樹凹陷則主要分布在90～120 MPa。新近系獨(dú)山子組（N2d）、塔西河組（N1t）和沙灣組（N1s）最大主壓應(yīng)力主要在90～120 MPa，僅中段東部第一、二排構(gòu)造帶的背斜軸部附近為60～90 MPa。古近系安集海河組（E2-3a）最大主壓應(yīng)力主要分布在 90～120 MPa，僅中段東部的第一、二排構(gòu)造帶和第三排構(gòu)造帶背斜軸部附近為60～90 MPa。紫泥泉子組（E1-2z）在中段東部和中段其他地區(qū)背斜軸部的最大主壓應(yīng)力主要分布在90～120 MPa，中段的其他地區(qū)和四棵樹凹陷則主要分布在120～150 MPa；該地層在中段的第一排構(gòu)造帶附近最大主壓應(yīng)力主要分布在60～90 MP。白堊系東溝組（K2d）和吐谷魯群（K1tg）在中段東部最大主壓應(yīng)力主要分布在120～150 MPa，第一排構(gòu)造帶和第二排構(gòu)造帶背斜軸部最大主壓應(yīng)力較小，分別分布在60～90，90～120 MPa；該地層在中段其他地區(qū)和四棵樹凹陷最大主壓應(yīng)力主要分布在150～180 MPa，第二、三排構(gòu)造帶背斜軸部最大主壓應(yīng)力主要分布在120～150 MPa，第一排構(gòu)造帶的最大主壓應(yīng)力主要集中在90～120 MPa。 侏羅系中上統(tǒng)喀拉扎組（J3k）、齊古組（J3q）、頭屯河組（J2t）和西山窯組（J2x）在中段東部最大主壓應(yīng)力主要分布在120～150 MPa，在第一排構(gòu)造帶主要分布于 60～90 MPa；下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）和八道灣組（J1b）在中段東部最大主壓應(yīng)力主要分布于150～180 MPa，在第一排構(gòu)造帶主要分布于90～120 MPa；侏羅系在中段除東部的其他地區(qū)和四棵樹凹陷最大主壓應(yīng)力主要集中于180～210 MPa，僅在第一排構(gòu)造帶分布于90～150 MPa。侏羅系之下的三疊系、二疊系和石炭系在研究區(qū)中段東部最大主壓應(yīng)力主要分布在150～180 MPa，該地區(qū)第一排構(gòu)造帶最大主壓應(yīng)力主要集中在90～150 MPa；中段其他地區(qū)和四棵樹凹陷最大主壓應(yīng)力主要分布在180～210 MPa，這些地層在靠近山前的地區(qū)最大主壓應(yīng)力主要集中在120～180 MPa，而四棵樹凹陷部分地區(qū)的石炭系最大主壓應(yīng)力可達(dá)210～240 MPa。

總的來(lái)說(shuō)，同一層位CC′剖面和BB′剖面的最大主壓應(yīng)力比AA′剖面的大，CC′剖面與BB′剖面的最大主壓應(yīng)力基本一致，整體上從東向西逐漸呈遞增趨勢(shì)；而靠近天山的第一排構(gòu)造帶的最大主壓應(yīng)力較小，這主要是構(gòu)造擠壓作用致使天山發(fā)生抬升剝蝕導(dǎo)致應(yīng)力釋放造成的，但整體上從東向西也逐漸呈遞增趨勢(shì)（見(jiàn)圖5）。同一地區(qū)埋深較大地層的最大主壓應(yīng)力相比埋深較淺地層普遍較大，基本上是隨著埋深的增加而增加的，但不同地區(qū)同一深度的最大主壓應(yīng)力是不相同的，這與構(gòu)造應(yīng)力的方向、距離天山的遠(yuǎn)近以及喜山運(yùn)動(dòng)之前地層的構(gòu)造特征等因素有關(guān)（見(jiàn)圖5）。此外，各剖面背斜和斷裂帶處的最大主壓應(yīng)力均比其相鄰地層的小（見(jiàn)圖 5）。

3 構(gòu)造應(yīng)力與油氣分布關(guān)系分析

從最大主壓應(yīng)力的平面和剖面模擬（見(jiàn)圖4、圖5）來(lái)看，同一層位的最大主壓應(yīng)力一般在凹陷處相對(duì)較大，在背斜或斷背斜處一般相對(duì)較小，而斷裂處的最大主壓應(yīng)力相對(duì)圍巖普遍要小。前人研究認(rèn)為，油氣一般由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)運(yùn)移［22，28］。因而，烴源巖生成的油氣在構(gòu)造擠壓作用下向斷裂處匯聚，斷裂一旦開(kāi)啟，匯聚的油氣便會(huì)沿著斷裂向上快速運(yùn)移，充注到鄰近的儲(chǔ)層之中；而同一層中的油氣也會(huì)由向斜部位往背斜或斷背斜運(yùn)移，并且在其內(nèi)部形成聚集。油氣的這種運(yùn)移趨勢(shì)，與其在浮力的作用下由低部位向斜區(qū)往高部位背斜區(qū)的運(yùn)移趨勢(shì)一致。——說(shuō)明在前陸擠壓區(qū)的油氣除了受常規(guī)浮力驅(qū)動(dòng)外，還受到構(gòu)造擠壓作用下的構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，這在一定程度上加速了油氣的運(yùn)聚成藏。

對(duì)于研究區(qū)中上組合發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，一般物性相對(duì)較好，油氣在浮力的作用下便可運(yùn)聚成藏；但對(duì)于研究區(qū)下組合深層來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)層物性相對(duì)較差，在浮力的作用下較難運(yùn)移，這時(shí)構(gòu)造應(yīng)力的驅(qū)油氣作用對(duì)油氣運(yùn)聚的影響更為顯著。研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)油氣主要位于中上組合，而下組合勘探程度較低［5，29-31］。 模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)第二、三排構(gòu)造帶下組合發(fā)育的背斜或斷背斜圈閉，以及第一排構(gòu)造帶的隱伏斷背斜圈閉為油氣的有利運(yùn)聚指向區(qū)?，F(xiàn)有的勘探成果也證實(shí)了這一點(diǎn)：目前，高泉背斜的GT1井下組合已獲得重大突破，西湖背斜XH1井、獨(dú)山子背斜DS1井和呼圖壁背斜DF1 井下組合均獲得油氣顯示［5，29］（見(jiàn)圖 1），而且呼圖壁背斜呼探1井下組合近期又獲重大突破［32］?？梢?jiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構(gòu)造擠壓應(yīng)力在很大程度上控制著油氣的分布。

4 結(jié)論

1）平面上，喜馬拉雅晚期研究區(qū)東段阜康凹陷侏羅系齊古組最大主壓應(yīng)力基本上小于60 MPa；四棵樹凹陷齊古組最大主壓應(yīng)力比東段大，且靠近天山山前地區(qū)的最大主壓應(yīng)力比遠(yuǎn)離山前地區(qū)的大，普遍在120～240 MPa；中段地區(qū)齊古組最大主壓應(yīng)力從東到西逐漸增大，中段東部、中部和西部地區(qū)最大主壓應(yīng)力分別在 60～150，90～180，180～240 MPa。

2）研究區(qū)同一地區(qū)埋深較大地層的最大主壓應(yīng)力比埋深較淺地層的大。中段東部地區(qū)埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應(yīng)力主要分布在60～120 MPa，埋藏較深的侏羅系和二疊系最大主壓應(yīng)力主要分布在120～180 MPa；中段中部地區(qū)埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應(yīng)力主要分布在90～120 MPa，埋藏較深的侏羅系和二疊系最大主壓應(yīng)力主要分布在120～210 MPa；中段西部四棵樹凹陷地區(qū)埋藏較淺的古近系和以上地層最大主壓應(yīng)力主要分布在90～120 MPa，埋藏較深的侏羅系—石炭系最大主壓應(yīng)力主要分布在120～210 MPa。背斜和斷裂帶處的最大主壓應(yīng)力均比其相鄰地層的小。

3）準(zhǔn)噶爾盆地南緣喜馬拉雅晚期的構(gòu)造擠壓應(yīng)力在很大程度上控制著油氣的分布。研究區(qū)油氣除受常規(guī)浮力驅(qū)動(dòng)外，還受到構(gòu)造應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)，并在一定程度上加速了油氣的運(yùn)聚成藏。第一排構(gòu)造帶的隱伏斷背斜圈閉，第二、三排構(gòu)造帶下組合發(fā)育的背斜或斷背斜圈閉均為油氣的有利運(yùn)聚指向區(qū)。