古地磁學(xué)在我國油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

程 鑫,姜 南,2,周亞楠,張 睿,張東海,范昌育,屈怡倩,王建強(qiáng),吳漢寧

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710069;2.延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境學(xué)院, 陜西 延安 716000)

古地磁學(xué)是地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的一個(gè)交叉學(xué)科,通過測定巖石或某些古物的天然剩余磁性,分析它們的磁化歷史,研究導(dǎo)致它們磁化的地磁場的特征[1-2]。古地磁學(xué)的研究始于19世紀(jì)中葉,20世紀(jì)50年代以后繁盛起來。隨著古地磁學(xué)理論和研究方法完善,被廣泛應(yīng)用在大地構(gòu)造學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地層學(xué)、古地理學(xué)和考古學(xué)等研究領(lǐng)域中,成為這些學(xué)科的重要支柱和必不可少的內(nèi)容,并衍生出許多新興方向[3]。石油和天然氣在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位,近幾十年來，眾多學(xué)者利用古地磁學(xué)科本身特有的一些優(yōu)勢，在石油和天然氣勘探開發(fā)實(shí)踐中進(jìn)行探索,提出了一些新的研究思路，并取得了較好的應(yīng)用效果,為石油和天然氣的勘探與開發(fā)帶來了實(shí)際效益[4-5]?？傮w來講,當(dāng)前古地磁學(xué)在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①利用剩磁,包括利用剩磁傾角、偏角及其變化，對盆地形成演化的大地構(gòu)造背景以及盆地的后期改造歷史進(jìn)行研究,利用地磁極性倒轉(zhuǎn)進(jìn)行地層劃分與對比,利用黏滯剩磁恢復(fù)鉆井巖心的原始方位,利用古地磁方法測定油氣成藏時(shí)限等等。②利用巖石磁組構(gòu)信息，如利用磁化率各向異性判定古水流方向和埋藏砂體延伸方位,恢復(fù)沉積盆地古構(gòu)造應(yīng)力場等等。本文基于現(xiàn)有研究，重點(diǎn)介紹了古地磁學(xué)在我國油氣勘探開發(fā)中幾個(gè)重要應(yīng)用場景的基本原理、技術(shù)方法和新進(jìn)展,并對其應(yīng)用前景進(jìn)行展望,以期為未來的交叉學(xué)科發(fā)展和油氣勘探開發(fā)實(shí)踐提供參考。

1 構(gòu)造磁學(xué)：研究油氣資源富集構(gòu)造背景的重要手段

全球油氣資源的富集和分布與板塊構(gòu)造有著極其密切的關(guān)系[6-7],含油氣盆地的形成與演化[8-11]、油氣成藏要素的發(fā)育[12]、油氣資源的聚集成藏等均與板塊構(gòu)造息息相關(guān)[13]。翟光明等認(rèn)為富油氣區(qū)形成的關(guān)鍵在于有利的區(qū)域板塊構(gòu)造背景和沉積地質(zhì)演化[7],提出將“塊體”視為相對獨(dú)立的勘探單元,從區(qū)域構(gòu)造背景出發(fā)考慮塊體之間相互作用的影響,來宏觀、整體地探尋和解剖一個(gè)地區(qū)的油氣生成、運(yùn)移和富集規(guī)律。靳久強(qiáng)等闡述了中國板塊構(gòu)造對油氣盆地演化和油氣分布特征的控制[8],認(rèn)為中國的板塊構(gòu)造演化表現(xiàn)為小陸塊拼合、多旋回運(yùn)動(dòng)以及強(qiáng)烈的陸內(nèi)構(gòu)造變動(dòng)等特征，多旋回的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多期次的盆地疊加使中國的盆地多具疊合盆地的特征,影響到烴源巖的演化及油氣的運(yùn)移和分布，因此,中國的含油氣系統(tǒng)多為復(fù)合油氣系統(tǒng)。賈承造等認(rèn)為中國海相沉積盆地的形成與演化主要經(jīng)歷了兩大構(gòu)造期和5個(gè)構(gòu)造演化階段[9],構(gòu)造演化過程控制了中國海相沉積盆地的石油地質(zhì)特征,古生代海相沉積盆地的形成奠定了油氣藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ),中新生代的構(gòu)造疊加與改造決定了油氣成藏與保存的關(guān)鍵條件。何登發(fā)立足于油氣勘探的新資料,分析了中國多旋回疊合沉積盆地的形成演化、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與油氣成藏模式及分布規(guī)律[11]，認(rèn)為中國大陸是歷經(jīng)古亞洲洋、特提斯洋和環(huán)太平洋3個(gè)前后相繼的地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)演化而形成的全球最新大陸,中國疊合沉積盆地經(jīng)歷了中新元古代、寒武紀(jì)—泥盆紀(jì)(或中泥盆世)、(晚泥盆世—)石炭紀(jì)—三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)—第四紀(jì)4個(gè)構(gòu)造旋回的演化。中國沉積盆地的多階段發(fā)展、多旋回結(jié)構(gòu)特征，決定了油氣成藏要素發(fā)育、匹配關(guān)系的多樣性與油氣成藏時(shí)-空分布的復(fù)雜性,具有長期成藏、多機(jī)制聚集與晚期調(diào)整定位等特點(diǎn),油氣分布具有明顯的有序性和層次性。李江海等依據(jù)古地磁方法對不同時(shí)期的全球古板塊進(jìn)行再造,開展不同時(shí)期古板塊格局下的全球烴源巖分布研究[12]，認(rèn)為烴源巖的沉積和保存受到超大陸旋回的控制,超大陸匯聚過程中陸架和適宜陸緣的消失，不利于烴源巖的沉積和保存,反之亦然。張光亞等在全球古板塊重建基礎(chǔ)上,探討了全球原型盆地演化規(guī)律及其與烴源巖發(fā)育和油氣富集的關(guān)系(見圖1)[13]，認(rèn)為全球原型盆地的形成與板塊構(gòu)造演化密切相關(guān):① 羅迪尼亞(Rodinia)超大陸裂解、分離階段,主要形成克拉通盆地和被動(dòng)陸緣盆地;② 岡瓦納(Gondwana)大陸漂移與潘基亞(Pangea)超大陸的形成控制古生代被動(dòng)陸緣盆地、弧后盆地和前陸盆地的共同發(fā)育;③ 潘基亞(Pangea)超大陸的裂解，主要控制了裂谷盆地和被動(dòng)陸緣盆地的發(fā)育。全球烴源巖發(fā)育與大陸裂解、海平面上升和海侵廣泛有關(guān),主要發(fā)育于拉張環(huán)境下形成的被動(dòng)陸緣盆地和裂谷盆地,以侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)最為發(fā)育。并提出針對多期疊加型盆地,通過分別恢復(fù)不同期次的盆地原型,預(yù)測其生-儲(chǔ)-蓋組合分布與油氣富集有利區(qū)。

A 前寒武紀(jì)(630 Ma); B 奧陶紀(jì)(480 Ma); C 二疊紀(jì)(270 Ma); D 白堊紀(jì)(80 Ma)圖1 全球古大陸再造和原型盆地[13]Fig.1 Reconstruction of global paleo-continents and proto-type basins

古地磁學(xué)可以定量確定出板塊(地塊)的古緯度、古方位及相對位置關(guān)系,是研究大陸漂移、板塊構(gòu)造和古板塊重建的重要手段[1-2，14]。構(gòu)造磁學(xué)研究基于軸向地心偶極子場(geocentric axial dipole,GAD)的假說,利用巖石中的剩磁記錄獲取古地磁視極移曲線(apparent polar wander path,APWP)，確定地質(zhì)體在地質(zhì)歷史時(shí)期的古緯度和運(yùn)動(dòng)學(xué)過程,定量半定量地重建地質(zhì)體之間的碰撞拼合關(guān)系和造山帶的形成演化歷史,為分析含油氣盆地形成的構(gòu)造背景、成盆機(jī)制以及地球動(dòng)力學(xué)背景提供重要依據(jù)。基本原理如下:假設(shè)研究的目標(biāo)板塊都為剛性,并可簡化為一個(gè)剛性質(zhì)點(diǎn),那么當(dāng)我們獲得了一個(gè)板塊在不同時(shí)代的可靠古地磁極之后,可以對其進(jìn)行連續(xù)投影到現(xiàn)代地理坐標(biāo)系中,這個(gè)隨時(shí)代變化的古地磁極漂移曲線就叫作古地磁視極移曲線[15]。根據(jù)軸向地心偶極子場(GAD)假設(shè),古地磁視極移曲線應(yīng)該代表了地球旋轉(zhuǎn)軸相對于觀測大陸的視運(yùn)動(dòng),因此，真正漂移的并不是古地磁極,而是板塊在運(yùn)動(dòng)[1]。目前已有多位學(xué)者通過穩(wěn)定大陸高質(zhì)量的古地磁數(shù)據(jù)、海底磁異常條帶及板塊回路旋轉(zhuǎn)方法，建立了全球主要板塊古地磁視極移曲線[16-18]。Torsvik等對300 Ma以來的主要板塊進(jìn)行了一系列古地理重建[17],并進(jìn)一步將這一時(shí)限提前到了500 Ma[18],他們總結(jié)了來自岡瓦納(Gondwana)大陸主要組成陸塊、勞倫(Laurentia)大陸、波羅地/歐洲(Baltica/Europe)板塊、西伯利亞(Siberia)板塊的古地磁數(shù)據(jù),并分別建立了其各自的視極移曲線,隨著加里東造山作用結(jié)束,勞倫(Laurentia)與波羅地(Baltica)完成碰撞拼合,利用主路徑(master path)方法可以將二者的視極移曲線整合為勞倫西亞(Laurasia) APWP,大陸從晚二疊世開始勞俄大陸(Laurussia) 與西伯利亞(Siberia)板塊完成拼合,從而整合為一條完整的勞亞大陸(Laurasia) APWP。另外,自320 Ma以后,岡瓦納大陸(Gondwana)與勞俄/勞亞大陸(Laurussia/Laurasia)開始拼合形成潘基亞(Pangea A2),因此，可以將二者從晚古生代之后的視極移曲線整合為全球視極移曲線(GAPWaP)。同時(shí),中外古地磁學(xué)者為了研究中國大陸的起源、構(gòu)造演化和碰撞拼合過程,在中國大陸各主要塊體上積累了大量古地磁數(shù)據(jù),相繼建立了華北、華南、塔里木及柴達(dá)木等塊體較完整的顯生宙古地磁視極移曲線[19-28],為定量研究中國大陸的板塊構(gòu)造演化及含油氣盆地的形成演化做出了重要貢獻(xiàn)。李江海等基于古板塊再造的古地磁方法,在對全球不同時(shí)期古板塊構(gòu)造格局和演化綜合研究的基礎(chǔ)上[29],編制了11個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的全球古板塊再造系列圖,闡述了顯生宙以來全球板塊構(gòu)造演化的主線及其重大地質(zhì)事件。最近,楊風(fēng)麗等嘗試?yán)弥袊箨憠K盆地(鄂爾多斯、四川、塔里木盆地)古生界鉆井巖心樣品開展構(gòu)造磁學(xué)研究[30],對華南、華北和塔里木三大陸塊在全球洋陸格局中的古地理位置進(jìn)行重建和定位,這是古地磁學(xué)與油氣勘探實(shí)踐深度結(jié)合的有益探索。

2 地層單元?jiǎng)澐峙c對比

巖石地層學(xué)和生物地層學(xué)作為傳統(tǒng)地層學(xué)兩大分支,無論是在地層學(xué)研究的理論范疇,還是油氣勘探的生產(chǎn)實(shí)踐中,曾經(jīng)一直是地層劃分和對比最基本和最廣泛的比較方法,在沉積穩(wěn)定、富含生物化石的海相地層中發(fā)揮的作用最為顯著。但對于陸相沉積盆地而言,沉積層序常有橫向相變,生物化石呈點(diǎn)狀分布且時(shí)常缺乏,傳統(tǒng)方法已難以正確比較和劃分盆地間沉積相關(guān)系,從而導(dǎo)致油氣勘探過程難以為油氣開發(fā)提供正確的地層指導(dǎo)依據(jù)。借助最新的理論科學(xué)探索,特別是不斷更新和確立的全球地磁極性倒轉(zhuǎn)序列的時(shí)間標(biāo)尺,以及利用行星間軌道周期性變化對沉積記錄影響的天文年代標(biāo)尺,磁性地層和旋回地層更容易還原區(qū)域地層的時(shí)間序列,為進(jìn)一步的陸相地層劃分和勘探開發(fā)助力。

2.1 磁性地層學(xué)

磁性地層學(xué)(magnetostratigraphy)也稱古地磁地層學(xué),是以地質(zhì)歷史記錄中古地磁極(場)的頻繁、不規(guī)則倒轉(zhuǎn)記錄研究為主要任務(wù),進(jìn)而厘定沉積序列的地層學(xué)分支,是古地磁學(xué)與地層學(xué)的交叉學(xué)科?，F(xiàn)在的磁性地層學(xué)研究不僅關(guān)注于巖石和沉積物的極性倒轉(zhuǎn),還由此引申,聚焦于綜合層序特征劃分與對比[31],尤其是已經(jīng)建立了較為完整的國際層序?qū)Ρ鹊闹行律貙?。在前沿科學(xué)領(lǐng)域,磁性地層學(xué)的研究工作作為地質(zhì)時(shí)間尺度的核心線索和標(biāo)志,代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石地層學(xué),起到將生物地層、同位素地層和絕對年齡等證據(jù)有序銜接的作用[32]。由于地磁極性倒轉(zhuǎn)記錄具有全球同時(shí)性的特點(diǎn),并且沉積地層中磁性礦物的剩磁可靠性較少受巖石類型和沉積相變影響,也不像生物化石經(jīng)常受環(huán)境干擾而缺乏,在研究對象為具有上述變化的“啞層”時(shí),其綜合優(yōu)勢更可以得到充分發(fā)揮。因此,現(xiàn)代地層學(xué)往往將磁性地層(和旋回地層)的最終確立作為區(qū)域性地層工作全面完善的標(biāo)志。

據(jù)美國《油氣雜志》(Oil&GasJournal)最新統(tǒng)計(jì),中東、委內(nèi)瑞拉和加拿大已探明石油儲(chǔ)量占全球總量的90%以上,油藏主要為古生界—中生界的海相沉積層序[33-34]。這些地區(qū)引入磁性地層學(xué)已有30多年的歷史,并不斷開展油藏儲(chǔ)層的劃分和對比研究[35-36]。此外,在北海油田[37]、巴黎盆地[38]和日本西部沿海含油氣盆地[39-41]中,也有關(guān)于磁性地層學(xué)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。由于之前研究理論、應(yīng)用工具的不完善以及絕對年齡尺度僅限于晚新生代的限制,與其他層序地層方法相比,磁性地層學(xué)在我國含油氣盆地勘探研究開展的工作還相對較少。

我國原油產(chǎn)量在千萬噸級的十大油田中,儲(chǔ)層主要以中—新生代陸相沉積為主。僅有的含海相油藏(非單一的海相)發(fā)育在塔里木油田和西南油田的古生代地層中[34]。這些分布于陸相中—新生界的廣闊油田，為引入磁性地層學(xué)開展更深入的國際間地層劃分和對比提供了必要性和可能性。近年來,我國學(xué)者逐步在渤海灣盆地[42-43]、塔里木盆地[44-45]、柴達(dá)木盆地[46-47]等新生代含油氣盆地開展磁性地層學(xué)工作。磁性地層學(xué)作為地層尺度的核心,明顯引領(lǐng)著全球中—新生代地層精細(xì)化研究。因此適時(shí)實(shí)現(xiàn)我國油氣田地層的國際化劃分和對比尤為重要。全面有序開展磁性地層工作,有望深入地解決盆地沉積構(gòu)造演化、古環(huán)境和古生態(tài)恢復(fù)等一系列綜合性問題。以目前在研的松遼盆地鉆探等項(xiàng)目為切入點(diǎn)[48-50],可以預(yù)測我國北方廣泛分布的中—新生代陸相沉積物中蘊(yùn)含的古東亞季風(fēng)演化、青藏高原隆升環(huán)境效應(yīng)、亞洲內(nèi)陸干旱化等學(xué)術(shù)熱點(diǎn)信息。不斷深入開展的超精細(xì)磁性(和旋回)地層的研究也將為油藏建立可靠的高分辨率時(shí)間標(biāo)尺。

2.2 旋回地層學(xué)

年代地層格架的建立在石油的勘探中具有重要的作用。地層的絕對年齡主要來自巖漿巖中所含鋯石的放射性同位素測年,但巖漿巖在沉積地層中相對稀少，而且年齡跨度相對較大,因此，通過旋回地層學(xué)來重建該沉積地層的高精度連續(xù)天文年代標(biāo)尺,可彌補(bǔ)同位素年齡數(shù)據(jù)不足的問題[51-53]。旋回地層學(xué)研究的理論基礎(chǔ)是米蘭科維奇旋回理論(Milankovitch cycles),這是從全球尺度上研究太陽輻射量與地球氣候波動(dòng)之間關(guān)系的天文理論。該理論認(rèn)為,由于太陽系行星之間的相互作用，導(dǎo)致地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)軌道參數(shù)發(fā)生了(準(zhǔn))周期性變化,這種變化導(dǎo)致了地質(zhì)歷史時(shí)期全球氣候的(準(zhǔn))周期性的變化,并且這種氣候變化信息被記錄在沉積地層中,對這種天文信號(hào)的恢復(fù)，可以用來確定或校準(zhǔn)沉積地層的年代[54-56]。在目標(biāo)地層的生物地層、磁性地層或同位素測年的研究基礎(chǔ)上,從地層剖面的古氣候環(huán)境變化的替代指標(biāo)中通過小波分析等手段提取出相關(guān)的天文周期,將相關(guān)周期的濾波曲線與理論目標(biāo)曲線直接進(jìn)行對比,通過天文調(diào)諧來建立天文地質(zhì)年代標(biāo)尺[57-58]。天文調(diào)諧是旋回地層學(xué)中建立天文年代標(biāo)尺的關(guān)鍵。天文調(diào)諧是指將古氣候變化的替代性指標(biāo)直接校準(zhǔn)到偏心率、斜率、歲差或日照量理論目標(biāo)曲線上(見圖2)[59]。

v為近日點(diǎn)和地球位置間的角度;w為升交點(diǎn)方向與近日點(diǎn)間的角度;Ω為晝夜平分點(diǎn)Y與升交點(diǎn)方向的夾角;i為日黃道面與固定參考系的夾角，固定參考系為平均黃道面;φ為地球自轉(zhuǎn)角;ε為黃道面法線和自轉(zhuǎn)軸之間的夾角;Ψ表示了地球自轉(zhuǎn)軸繞黃道面法線的運(yùn)動(dòng)。A 偏心率; B 歲差和斜率圖2 地球角度參數(shù)示意圖[59]Fig.2 Schematic diagram of earth angle parameters

古氣候替代指標(biāo)指的是能夠反映過去氣候變化的各類地球物理、地球化學(xué)等參數(shù),常用的古氣候變化替代指標(biāo)包括巖性變化、古生物指標(biāo)、氧(碳)穩(wěn)定同位素、測井曲線、及磁化率和環(huán)境磁學(xué)參數(shù)等多種巖石磁學(xué)指標(biāo)[58]。各種磁性參數(shù)似乎都在一定程度上反映了軌道的周期性。其中,磁化率(magnetic susceptibility)由于其易于測量，且可對巖心或野外露頭高分辨率連續(xù)采樣,被作為一種氣候變化替代指標(biāo)，在黃土序列、湖泊相以及海相地層研究中廣泛應(yīng)用[60-62]。雖然影響磁化率的因素有很多,但磁化率對于沉積物中磁性物質(zhì)的含量具有很高的敏感性,而盆地內(nèi)磁性物質(zhì)的輸入很可能是對天文軌道驅(qū)動(dòng)的氣候變化的響應(yīng)[63]。

目前,旋回地層學(xué)的主要研究范圍覆蓋了整個(gè)新生代[57,63-66]。由于太陽系行星運(yùn)動(dòng)軌跡的擾亂[67-68],很難對60 Ma之前的行星軌道運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的確定,因此，對新生代之前的地層進(jìn)行旋回地層學(xué)研究是相對困難的,但是，405 kyr穩(wěn)定周期的出現(xiàn)使其變成現(xiàn)實(shí)[69-70],米蘭科維奇旋回也正不斷地從不同地質(zhì)歷史時(shí)期的海、陸相地層中揭示出來[57,71-77],在進(jìn)行高分辨率地層劃分對比和建立高分辨率地層格架方面展示出巨大應(yīng)用潛力。

3 鉆井巖心原始方位恢復(fù)

在油氣勘探開發(fā)過程中,鉆井巖心作為地下地質(zhì)信息的直接載體，具有重要的研究價(jià)值。然而,在鉆探工程中獲取的鉆孔巖心絕大部分為非定向取心,需要對巖心重定向才能使得一些重要的地質(zhì)信息能夠被充分利用[4]。如巖心樣品上觀測到的儲(chǔ)層裂縫特征,不僅是判斷油氣運(yùn)移通道和追蹤油氣儲(chǔ)集場所的重要資料,還是儲(chǔ)層壓裂改造和注水開發(fā)工藝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[78-79]；又如用巖石的最小磁化率主軸方向來確定沉積盆地古構(gòu)造應(yīng)力場的最大主壓應(yīng)力方位[80];再如利用巖心磁組構(gòu)分析古水流方向[81-83]。上述研究方法均需要在巖心定向的基礎(chǔ)上才能發(fā)揮作用，古地磁巖心定向方法以其經(jīng)濟(jì)、高效、定量化等特點(diǎn)，逐漸成為巖心定向的重要手段,在油氣等礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)過程中受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用[84-93]。古地磁巖心定向方法基于對巖心樣品的剩磁測量確定巖心方向,對巖心鉆取工藝和巖心鉆取時(shí)限均無明確限制,無論是新近鉆取的巖心還是很久以前取出的巖心，都可實(shí)現(xiàn)定向[85，90]。

古地磁學(xué)巖心定向的基本原理是巖石中記錄的穩(wěn)定剩磁方向與巖石獲取該剩磁時(shí)的地球磁場方向一致,且地球磁場具有地心偶極子場特征[4,94]。一般來說,巖心樣品記錄的黏滯剩磁分量(viscous remanent magnetization,VRM)方向通常與現(xiàn)代地磁場方向一致,原生剩磁方向與巖石形成時(shí)期的地磁場有關(guān)[95]。因此,使用磁清洗方法分離巖心樣品中的各剩磁成分,通過矢量擬合提取黏滯剩磁分量和特征(原生)剩磁分量,再將這些分量與現(xiàn)代地磁場方向或露頭區(qū)樣品記錄的原生剩磁方向比對，即可實(shí)現(xiàn)巖心定向(見圖3)[85,90,96-97]。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于:①巖心樣品中多磁成分的分離、剩磁分量擬合及剩磁分量性質(zhì)的判定;②巖心定向結(jié)果的精準(zhǔn)度判斷。

A 巖心坐標(biāo)系; B 巖心定向圖3 古地磁巖心定向示意圖Fig.3 Schematic diagram of the paleomagnetic core-orientation technique

目前已有許多文章對古地磁巖心定向的原理、 實(shí)驗(yàn)方法和定向結(jié)果的可靠性展開研究和討論[85,89-90,97], 并有學(xué)者嘗試構(gòu)建古地磁巖心定向新方法[91]。 總體來講, 為保障定向結(jié)果的可靠性有如下建議： ①需有足量的測試樣品(在同一巖心至少測試3塊樣品)[85]; ②需結(jié)合巖石磁學(xué)研究和地層情況設(shè)計(jì)合理的退磁方案， 并提取穩(wěn)定剩磁分量; ③需結(jié)合一定的地質(zhì)檢驗(yàn)方法判定穩(wěn)定剩磁分量的性質(zhì)[89-90], 如可使用擬合得到的黏滯剩磁分量傾角與采樣地地磁場傾角期待值比對， 判定該分量是否與現(xiàn)代地磁場關(guān)聯(lián), 可使用褶皺檢驗(yàn)或倒轉(zhuǎn)檢驗(yàn)等方法判定特征剩磁分量是否為原生剩磁信息; ④最好能同時(shí)使用黏滯剩磁和原生剩磁信息進(jìn)行巖心定向, 2種方法相互驗(yàn)證。 使用與現(xiàn)代地磁場相關(guān)的黏滯剩磁分量進(jìn)行巖心定向， 簡單易行、 成本低且預(yù)測的準(zhǔn)確性更好[98]。

4 研究儲(chǔ)層裂縫空間展布

天然裂縫不僅是重要的油氣儲(chǔ)集空間類型,還是油氣滲流的有效通道,并且決定了儲(chǔ)層的有效產(chǎn)能和后期壓裂改造及油氣藏開發(fā)方案設(shè)計(jì)的優(yōu)化,是控制低滲透油氣藏開發(fā)效果的關(guān)鍵性因素[99]。因此,儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征、定量識(shí)別及分布規(guī)律預(yù)測等是國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)實(shí)踐中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[100]。

天然裂縫按照尺度規(guī)模可分為4級,分別為微裂縫、小裂縫、中裂縫和大裂縫[101]。鉆井巖心觀測是表征中小尺度裂縫的重要手段,微裂縫發(fā)育特征也可借助于顯微鏡、掃描電鏡和三維 CT 掃描等微觀分析方法對巖心進(jìn)行觀察描述[102]。但是,常規(guī)無定向巖心無法確定裂縫的產(chǎn)狀。古地磁巖心裂縫定向方法是研究儲(chǔ)層裂縫發(fā)育與空間分布特征的前提和關(guān)鍵技術(shù)。

20世紀(jì)90年代,就有學(xué)者將古地磁巖心定向方法應(yīng)用在油田儲(chǔ)層天然裂縫定向中[97，103-104]。岳樂平等較早闡述了利用古地磁原理與方法確定巖心裂縫方位[97],并通過對長慶油田40口井的含裂縫巖心的定向,揭示了油層地下裂縫展布方位。此后,古地磁巖心裂縫定向方法被廣泛應(yīng)用在遼河潛山裂縫性儲(chǔ)集層[105-112]、松遼盆地火山巖裂縫[113-116]、鄂爾多斯盆地低滲透儲(chǔ)集層[79，87-88，117-124]、渤海油田砂巖儲(chǔ)集層[125]、哈南油田[126-127]、三塘湖盆地[128]及四川盆地[129]等各大油田的裂縫系統(tǒng)研究實(shí)踐中。

王海軍等歸納總結(jié)了各種巖心定向和儲(chǔ)層裂縫探測技術(shù)[86],認(rèn)為古地磁巖心裂縫定向技術(shù)最方便、快捷、經(jīng)濟(jì),是有效且應(yīng)用廣泛的巖心定向技術(shù)。韋樂樂等在深入探討古地磁巖心裂縫定向原理和工作方法的基礎(chǔ)上[78],針對垂直及平行于巖心中心軸的2種樣品加工方式,推導(dǎo)出可直接利用退磁結(jié)果表達(dá)裂縫方向的公式(見圖4)。周亞楠等對古地磁巖心裂縫定向方法的可靠性進(jìn)行了分析[87],并提出可用剩磁傾角和相似地質(zhì)特征的露頭觀測驗(yàn)證定向結(jié)果的可靠性,完善了古地磁巖心定向方法的理論與技術(shù)體系。此外,侯冰等探索了利用交變退磁方法開展頁巖巖心定向[130]，衛(wèi)弼天探討了利用黏滯剩磁(VRM)來對煤心定位的方法[131]?？傊?古地磁法具有經(jīng)濟(jì)、效率、精度較高等優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)前油氣儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)研究的重要方法之一。

A 巖心坐標(biāo)系； B 樣品坐標(biāo)系圖4 巖心裂縫定向樣品采集與坐標(biāo)系示意圖 [78]Fig.4 Core crack reorientation sampling method and coordinate system

5 恢復(fù)沉積盆地古構(gòu)造應(yīng)力場

構(gòu)造應(yīng)力場是沉積盆地成盆、成烴和成藏的主要?jiǎng)恿?對盆地及其內(nèi)部構(gòu)造和油氣礦產(chǎn)資源的形成演化起重要的控制作用[80]。構(gòu)造應(yīng)力不僅為油氣生成和運(yùn)聚提供能量,也是異常壓力形成的重要因素,影響著油氣在地層中的流動(dòng)過程[132-133]。油氣田勘探開發(fā)實(shí)踐中,構(gòu)造應(yīng)力場的研究包括主應(yīng)力方向、大小、作用時(shí)間、應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模擬、構(gòu)造應(yīng)力的起源等方面。目前,對地應(yīng)力方向的確定主要依據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試、地質(zhì)地震資料分析和巖心室內(nèi)測試等方法[134-135]。其中,巖心實(shí)驗(yàn)分析建立在地層取心的基礎(chǔ)上,包括使用波速各向異性[136]、聲發(fā)射[130，137-140]、差應(yīng)變分析[141-142]等不同測定原理。所有基于巖心分析的方法都需要使用定向巖心,故古地磁巖心定向在其中發(fā)揮著重要作用。曹峰等基于波速各向異性、差應(yīng)變及古地磁等實(shí)驗(yàn)測試分析[135],并結(jié)合特殊測井與微地震監(jiān)測資料,開展了各類地應(yīng)力方向測試與解釋方法在致密砂巖儲(chǔ)層中應(yīng)用的適用性評價(jià)研究,表明差應(yīng)變聯(lián)合古地磁的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與微地震和成像測井述評價(jià)結(jié)果具有較高的一致性,更加適用于均質(zhì)且各向異性較弱的砂巖地層。侯冰等結(jié)合古地磁實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)，對取自川南某區(qū)塊2口頁巖氣井的73塊巖心進(jìn)行室內(nèi)測試[130],并將測試結(jié)果與先期地震數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行比較,數(shù)據(jù)結(jié)果吻合度較高,說明在實(shí)驗(yàn)誤差校正后,利用交變退磁結(jié)合聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)測量多裂縫頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力方位的可靠性較高。

另外，利用巖石磁化率各向異性(anisotropy of magnetic susceptibility,AMS)確定地應(yīng)力，是一種方便、快捷的方法,是油氣田地應(yīng)力研究行之有效的手段[4,80，143-144]。磁組構(gòu)為巖石內(nèi)部磁性礦物定向分布排列的特點(diǎn),它決定磁化率(K)在各個(gè)方向上的差異性, 這一特點(diǎn)稱為磁化率各向異性,其特征可由磁化率量值三軸橢球體表征,橢球體的長軸(K1)、中間軸(K2)和最小軸(K3)分別與磁化率的最大、中間和最小值相對應(yīng)[145]。

沉積巖的形成過程中,磁性礦物定向排列主要受重力場、水流和地磁場3個(gè)因素影響[146]。在未變形的沉積物中,重力作用往往使得磁性礦物顆粒以扁平面(Kmax-Kint)平行于沉積層面,礦物優(yōu)選方位長軸的方向取決于水動(dòng)力條件[4]。若沉積物發(fā)生構(gòu)造變形,變形的巖石內(nèi)部因受應(yīng)力作用會(huì)使磁性礦物定向排列,引發(fā)磁化率各向異性特征和參數(shù)的變化,并反映出一定的規(guī)律性[147]。Pares等在比利牛斯南部中始新世泥巖的磁化率各向異性(AMS)研究中[148]，提出了磁組構(gòu)演化的初始變形、鉛筆狀構(gòu)造和弱劈理3個(gè)階段。賈東等在龍門山褶皺沖斷帶前鋒帶的沉積巖層中鑒別出沉積磁組構(gòu)、初始變形磁組構(gòu)、鉛筆構(gòu)造磁組構(gòu)、弱劈理磁組構(gòu)、強(qiáng)劈理磁組構(gòu)和拉伸線理磁組構(gòu)這6種磁組構(gòu)類型(見圖5)[149],豐富了沉積巖中磁組構(gòu)演化的理論基礎(chǔ)。

圖5 沉積巖中6種主要的磁組構(gòu)類型及其代表的應(yīng)變狀態(tài)[148-149]Fig.5 Six elementary types of magnetic fabrics and their representing finite strains in sedimentary rocks

磁化率各向異性因其數(shù)據(jù)獲取具有快速、經(jīng)濟(jì)、無損測量、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于造山帶巖石構(gòu)造變形和古應(yīng)力恢復(fù)[144，150-153]。朱德武首次在張?zhí)烨吞镩_展了磁組構(gòu)結(jié)合古地磁確定地應(yīng)力方向的嘗試[143],并與差應(yīng)變、聲發(fā)射、注采井生產(chǎn)響應(yīng)情況及鄂爾多斯盆地地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行對比,表明磁組構(gòu)法測試簡便、節(jié)省費(fèi)用且結(jié)果可靠,可廣泛用于油田地應(yīng)力研究。曾聯(lián)波等通過磁組構(gòu)實(shí)驗(yàn)與構(gòu)造解析方法所確定的最大主壓應(yīng)力方向?qū)Ρ妊芯縖80],對沉積盆地利用巖石磁組構(gòu)確定主應(yīng)力方向的可靠性進(jìn)行了分析，認(rèn)為在構(gòu)造變形較強(qiáng)的沉積覆蓋區(qū),用巖石的最小磁化率主軸方向來確定沉積盆地古構(gòu)造應(yīng)力場的最大主壓應(yīng)力方位是可行的。該文同時(shí)指出利用磁化率各向異性恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力場需進(jìn)一步探討的問題,如不同巖性中磁性礦物組合類型對磁化率各向異性測試結(jié)果的影響，巖石變形強(qiáng)度與磁化率各向異性應(yīng)用結(jié)果的可信度，磁化率各向異性主軸所反映的古構(gòu)造應(yīng)力場的分期等。由于常規(guī)磁化率各向異性測試結(jié)果揭示的是巖石內(nèi)所有磁性礦物磁化率各向異性疊加的綜合響應(yīng)[150-154],利用磁化率各向異性分離技術(shù)獲得巖石中不同磁性礦物AMS所反映的構(gòu)造信息，是深入開展巖石磁化率各向異性地質(zhì)應(yīng)用的關(guān)鍵[147]。近年來,針對不同磁性礦物組合的磁化率各向異性分離方法有了較多理論和技術(shù)創(chuàng)新[144-152],為解決常規(guī)磁組構(gòu)結(jié)果應(yīng)用于傳統(tǒng)構(gòu)造變形分析時(shí)存在的局限性與復(fù)雜性，提供了新的研究方法與思路。

總之,利用巖石磁組構(gòu)確定主應(yīng)力方向已展示出良好的應(yīng)用前景,尤其是缺少常規(guī)應(yīng)變分析標(biāo)志的地區(qū)(如盆地覆蓋區(qū)),更能顯示這種方法的優(yōu)越性[150]。以古地磁定向加巖心應(yīng)力測試或磁化率各向異性確定地應(yīng)力結(jié)果為約束,以數(shù)值模擬為手段,可恢復(fù)油區(qū)的古、今應(yīng)力場。在此基礎(chǔ)上,利用構(gòu)造擠壓增壓的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行油區(qū)構(gòu)造擠壓增壓評價(jià),以流體動(dòng)力場為紐帶，有利于研究構(gòu)造擠壓增壓與油氣成藏的關(guān)系,以及評價(jià)和預(yù)測有利探區(qū)[155]。

6 判定古水流方向和古沉積環(huán)境

如前所述，沉積物的起始磁化率各向異性(AMS)是磁性礦物在沉積和成巖過程中受地磁場、重力場和沉積動(dòng)力的作用,使其以一定的方式排列而形成。也就是說,成巖過程中巖石內(nèi)部磁性礦物的分布排列特點(diǎn)與造巖礦物具一致性,故而,可利用沉積巖的磁化率各向異性特征進(jìn)行原生沉積(如古流向、古河道和物源方位)信息的恢復(fù)[81,156-160]。

磁化率各向異性識(shí)別古流向的基本原理，是建立在沉積物中磁性礦物顆粒或晶格在其長短軸方向磁化率有所不同,即磁化強(qiáng)度隨方向變化的性質(zhì)[148，150,154，161]。沉積巖在形成過程中,原生磁組構(gòu)特征(未受到后期強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力改造)受到地磁場、重力場和水流3個(gè)要素的影響,其中重力場和水動(dòng)力作用為主要因素,地磁場僅能影響到粒徑微小的磁顆粒。當(dāng)沉積面平緩,水動(dòng)力條件不強(qiáng)時(shí),磁化率橢球體的K1軸方向與水流方向一致,K3軸方向垂直于層面,K1軸的方向指示水流方向。當(dāng)水流速度較大時(shí)(>1 cm/s),顆粒就有可能發(fā)生滾動(dòng),此時(shí)K1垂直于水流方向(見圖6)[81,162-163]。因此,磁顆粒長軸K1的方向與水流方向垂直或平行,通過磁化率測定就可以進(jìn)行古河道、古水流方位恢復(fù),進(jìn)而分析物源方向[82,164]。

利用磁化率各向異性確定沉積巖形成時(shí)的古水流方向,適用于剖面露頭樣品和鉆孔巖心樣品。對于露頭樣品,可直接在采樣剖面量取巖層產(chǎn)狀,但對于井下巖心則需先定向,在其原始方位恢復(fù)之后,磁組構(gòu)特征可以恢復(fù)砂體形成時(shí)的水動(dòng)力條件,判定河道砂體或堤壩砂體以及它們的延伸方位,為油田決策者提供參考。值得注意的是,利用這一方法的前提條件是巖石在搬運(yùn)和沉積過程中,水流要有一定的優(yōu)勢方位，而一些沉積環(huán)境中,如潮坪相沉積,水流交互往復(fù),AMS特征易表現(xiàn)出多方位,因而很難判識(shí)優(yōu)勢方向。在野外觀察識(shí)別非磁古水流標(biāo)志(如沉積構(gòu)造和沉積現(xiàn)象,礫石、古生物化石的定向排列),非磁與磁標(biāo)志相結(jié)合能更準(zhǔn)確地判斷古水流方向和水動(dòng)力條件。另外,該方法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,一定數(shù)量的樣本也是保證數(shù)據(jù)可靠的另外一個(gè)因素。

7 應(yīng)用前景展望

古地磁學(xué)作為一門典型的交叉學(xué)科,在許多研究領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,衍生出如構(gòu)造磁學(xué)、磁性地層學(xué)、古強(qiáng)度、巖石磁學(xué)、海洋磁學(xué)、生物地磁學(xué)、環(huán)境磁學(xué)、行星磁學(xué)等新興研究方向。

A 靜水沉積; B 水流平穩(wěn); C 水流湍急圖6 沉積物的磁化率各向異性(AMS)特征[163]Fig.6 Characteristics of AMS data from sediments deposited

相對而言, 古地磁學(xué)在石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用尚處在將前沿理論科學(xué)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)勘探領(lǐng)域的初期階段,但初步的研究成果已經(jīng)顯示出巨大的潛力和廣闊的前景。除了本文重點(diǎn)介紹的古地磁學(xué)在研究油氣資源富集構(gòu)造背景、地層單元?jiǎng)澐峙c對比、鉆井巖心原始方位恢復(fù)、儲(chǔ)層裂縫空間展布、沉積盆地古應(yīng)力場、判定古流向和古沉積環(huán)境等方面的應(yīng)用,還有學(xué)者探索利用古地磁方法確定油氣成藏時(shí)限[165],約束油氣生成、運(yùn)移和破壞過程[166-169],利用磁組構(gòu)確定隱伏地層產(chǎn)狀[170],利用“煙囪效應(yīng)”圈定地面油氣異常[4]等,均取得了較好的應(yīng)用效果?？梢灶A(yù)見,隨著古地磁理論和研究方法的日趨完善,古地磁學(xué)在石油與天然氣勘探開發(fā)中還有很多新領(lǐng)域有待開發(fā)。古地磁學(xué)在石油與天然氣勘探開發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景。