基于离散元数值模拟的构造变形机制分析方法——以准噶尔盆地南缘为例

受多期构造运动影响,准噶尔盆地南缘前陆冲断褶皱带具横向东西分段、南北分带,纵向构造叠置的变形特征。但该区构造变形机制及样式的不同认识在一定程度上制约了油气勘探的深入。为探究准南缘新生代以来构造变形机制及其变形过程,本文利用高精度地震、钻井和岩石力学等资料,根据实际地质条件,重点考虑滑脱层的数量、强度及厚度变化,结合滑脱层纵向组合、横向分布范围及同沉积作用、先存构造等因素,共设计了10组模型,并采用离散元数值模拟方法开展了对比实验。实验结果表明,滑脱层强度、厚度及其组合主要控制冲断褶皱带构造纵向叠置关系及构造样式,滑脱层分布及同沉积作用主要控制其横向变形范围,先存构造主要影响后期构造的继承性发育。在此基础上,分段开展了多因素组合模拟实验并与实际地震剖面进行对比,重构了准南缘构造变形过程,揭示了新生代以来其构造变形机制,即先存断裂、古凸起、三套不同性质滑脱层纵向叠置关系和同沉积作用共同控制了西段构造的形成与演化,“下强上弱”“下薄上厚”两套纵向叠置滑脱层控制了中段构造的形成与演化,先存断裂及单套较弱滑脱层控制了东段构造的形成与演化。该方法可为类似的复杂构造变形区提供参考。

准噶尔盆地南缘西部山前褶皱—冲断带构造分带特征及形成演化

准噶尔盆地南缘西部构造呈新的构造叠置特征和复杂的复合叠加构造样式,叠加构造在空间分布上具有明显的分带特征。根据野外地质调查和地震解释资料,采用平衡剖面恢复、楔型构造理论和构造地质学分析方法,研究复杂叠加构造变形差异及分带特征。结果表明:准噶尔盆地南缘西部发育受基底卷入与顺层滑脱联合与差异控制下的空间断褶体系,褶皱发育受断层控制,褶皱与断层相互叠加形成构造楔、双重构造、突发构造等复合构造样式,表现为多期活动特征。研究区按构造变形性质及变形差异可划分为山前逆冲推覆构造带、基底卷入型褶皱—冲断带、盖层滑脱型褶皱—冲断带3个构造带;其中,基底卷入型褶皱—冲断带与第一排断褶带重合,受控于基底卷入型断裂体系,发育基底卷入式大型构造楔、背形堆垛式双重构造与前倾双重构造,背斜轴线与断层线平面重合度高;盖层滑脱型褶皱—冲断带包括第二和第三排断褶带,受控于顺层滑脱型断裂体系,发育断展褶皱,背斜轴线与断层线平面重合度低,构造垂向上具有分层差异,构造变形程度自南向北表现为由强至弱。挤压应力作用的时期和强度、滑脱断层的向北滑脱、构造楔的楔入长度及推挤距离、滑脱层的厚度和上覆地层厚度,以及沉积时代、沉积速率和岩性差异等因素是引起研究区构造垂向分层、南北分带的原因。该结果对明确研究区构造发育及下一步油气地质勘探具有指导意义。

准噶尔盆地四棵树凹陷多期应力场作用下的构造演化特征

准噶尔盆地南缘四棵树凹陷位于北天山山前冲断带西段,盆地自古生代以来经历了多期、多向的构造运动;明确研究区构造系统特征及其演化过程,对此类含油气盆地的油气勘探开发具有重要意义。在前人地质研究的基础上,结合详细的地震资料解释、地质调查与地层发育特征,根据研究区构造发育背景,以四棵树凹陷构造格局的变动和多期应力场为线索,对四棵树凹陷构造演化过程进行了系统性分析。研究表明,四棵树凹陷深部发育挤压反转-走滑构造层、浅部发育推覆-滑脱构造层;平面上根据构造样式发育特征可划分为南部挤压断褶带、中部走滑压扭带、北部隆起带;凹陷经历了2期强烈的构造隆升期,对应2期断裂活动高峰期;构造环境及应力场条件发生了多次转变,晚石炭世至早中二叠世为弧后裂陷背景下的NNW-SSE向伸展裂陷期、晚二叠世至三叠纪为扎伊尔山造山运动下NNW-SSE向挤压的断坳转换期、晚侏罗世至古近纪为周缘造山带与车排子凸起的共同作用下NNW-SSE向挤压陆内坳陷期、新近纪为北天山强烈的造山活动背景下NS向挤压作用的复活前陆盆地期。通过探讨多期应力场作用下四棵树凹陷的构造演化特征,进一步深入认识了此类含油气盆地整体构造格局的变动过程,也为研究区油气资源下一步勘探提供了新思路。

准南地区前陆冲断带晚新生代构造变形特征与油气成藏

准南地区前陆冲断带晚新生代构造活动始于约24Ma,主要形成于10Ma以来,在此期间,前陆冲断带持续扩展,形成现今地表可见的三排褶皱冲断带,其中二、三构造带主要形成于近3Ma以来。准南冲断带晚新生代以来的变形强度自南向北逐渐减弱,变形时间由南向北逐渐接近现今,其中,齐古—喀拉扎地区的构造变形较弱,向两侧变形有所增强。准南前陆冲断带晚新生代构造变形特征显示,冲断带前缘、推覆体下盘和隐伏背斜及具有早期构造背景、晚期构造变形较弱的构造是油气成藏的有利部位,但二、三排构造带的构造形成时间较晚,可能是其油气丰度的制约因素之一。

天山南缘与北缘前陆冲断带构造地质特征对比及油气勘探建议

在区域构造、盆地演化与沉积充填特征分析的基础上,对天山南、北缘地震大剖面进行了精细构造变形几何学与年代学的解析。揭示出中—新生代以来天山南、北缘虽然具有相似的构造演化过程、沉积充填特征和油气地质条件,但是受沉积地层介质的力学性质差异和印—藏碰撞远距离效应的空间位置差异的影响,天山南、北缘新生代构造变形启动的时间与构造变形样式存在明显的差异,并在一定程度上导致油气聚集的不同。新生代天山隆升并向两侧扩展,冲断构造沿滑脱层向克拉通盆地内传播,构造形成的时间从造山带向克拉通方向依次变晚。库车前陆冲断带的构造变形时间早于准南,因此库车冲断带内构造圈闭的油气充注时间长、充满程度高,容易形成高丰度大型气藏。库车冲断带盐下发育多个切过中生界煤系烃源岩的逆冲断层,它们不仅控制了多个褶皱侧向上台阶状叠置,形成盐下堆垛的构造样式,而且成为深部中生界油气向浅层运移聚集的通道;膏盐岩保证了盐下构造圈闭的完整性和封盖条件。准南冲断带主要的构造变形样式是层间滑脱与构造位移量反向冲断的楔形构造,水平滑脱断层封隔了上、下含油气系统,限制深部油气向中浅层运移;大型背斜内部发育多个小型叠置的楔形构造,破坏了构造圈闭的完整性。因此准南山前东端隐伏的燕山期古构造与二、三排新生代构造核部以及库车秋里塔格西段中生界印支期古构造和克拉苏—依奇克里克新生代较早形成的构造带是成藏的有利部位;库车盐下储盖组合是油气富集的有效构造层,准南深层中生界中的大型、完整的构造圈闭是油气勘探大突破的场所。

准噶尔盆地南缘霍玛吐构造带油气水分布主控因素及其勘探启示

针对准噶尔盆地南缘霍玛吐构造带古近系油气藏油气水差异性分布特征,结合前人对该区油气成藏演化研究成果,探讨了该地区油气水分布主要控制因素。研究认为构造转换带、楔形叠加构造样式、有利储层发育与新构造运动下的保存条件是控制霍玛吐构造带油气水差异性分布的4大主要因素。油气水分布主控因素的研究不仅可以为探索霍玛吐构造带复杂油气分布规律提供借鉴,而且还可以对该地区下一步的油气勘探工作有所启示。

准噶尔盆地南缘前陆冲断带油气成藏差异性分析

准噶尔盆地南缘前陆冲断带构造演化与成藏过程复杂。为深化对这种复杂性的认识,以给区域油气勘探和基础石油地质研究提供参考信息,针对区域构造上存在东西分段、南北分带的特点,从不同角度详细分析了不同区段油气成藏的特征及其差异,包括烃源、储层、圈闭、输导、保存、成藏模式和主控因素。结果表明,不同区段的油气藏分布层位和成藏特征均不同,展示出油气成藏的差异性。其中,东段阜康断裂带主要是二叠系(包括侏罗系)的油气聚集于侏罗系储层中,成藏主控因素是圈闭、保存条件和储层;中段山前冲断带主要是侏罗系和二叠系(包括白垩系)的油气聚集于古近系和白垩系储层中,成藏主控因素是烃源岩、油源断裂和储层;西段四棵树凹陷地区主要是侏罗系(包括古近系)的油气聚集于古近系—新近系和白垩系储层中,油气成藏主控因素是运移通道和储层条件。

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带变形特征及成因机制模拟

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带发育于北天山和博格达山北侧的准噶尔盆地南部的山前地区,构造变形具有明显的横向分带、纵向分段、垂向分层特征,其主控因素在于挤压应力的作用方式和滑脱层的空间分布规律。西段受北天山斜向挤压应力作用影响,发育北西西向四排雁列式褶皱-冲断带,构造变形样式为基底卷入式厚皮构造和盖层滑脱式薄皮构造,变形过程受侏罗系煤层和白垩系、古近系高塑性泥岩层等多滑脱层控制。滑脱层及其上覆岩层厚度决定变形的强度和应力向前传递的远近程度,厚度越大,褶皱变形强度越大。东段受博格达山正向楔冲挤压应力作用影响,发育近东西向向北凸出的弧形基底卷入式褶皱-冲断带,滑脱构造不发育。根据构造变形特征和相似理论,利用沙箱模拟实验分别对正向挤压和15°、30°、45°等斜向挤压平面变形进行了模拟,结果表明正向挤压和15°斜向挤压是形成东段和西段变形特征的主控应力条件,并设计了斜向和正向挤压组合边界平面模拟实验进行了验证,合理地解释了东、西段构造变形的差异。利用双滑脱层剖面模型实验对西段四排褶皱-冲断带的演化过程进行了模拟再现。

准噶尔南缘新生代断裂的形成机制

准南有三条走向东西右列的新生代冲断褶皱带,是天山北麓右行走滑兼走逆冲断层的尾端冲断扇构造。各冲断褶皱带的西端与天山北麓断层相接触处形成最早,在中新世中期开始形成,主体在中新世晚期约10Ma开始形成,其末端在第四纪才开始形成,表现出挤压的构造动力和变形自南向北扩展。准南逆冲构造带的初始时间比天山南麓的库车逆冲构造带晚约8Ma,说明天山造山带因为塑性较高,构造动力传播是耗时的,这与塔里木盆地刚性高、瞬时传递的特征形成对照。瞬时传递构造应力和耗时传递构造动力在空间上的交替出现是印藏陆陆碰撞导致陆内变形传播形式的基本原因。

准南前陆冲断带剩余油气资源评价

准南前陆冲断带油气资源认识与勘探实际之间存在矛盾,亟需开展油气资源的重新评价.根据油藏规模序列法存在的不足,采用改进的油藏规模序列预测模型,应用最新勘探成果数据,对准南前陆冲断带的油气资源进行预测.结果表明:准南前陆冲断带未发现油气藏89个,剩余可探明油气储量约为11 543.6×104t,是已探明地质储量的近2倍.准南已发现油气藏8个,已探明的最大油藏规模为1 732.4×104t,是预测最大油藏规模5 130.7×104t的1/3,结合构造演化及圈闭类型特征,综合分析认为该区的勘探重点应转向规模更大、勘探难度更高的隐蔽类圈闭上.

准噶尔盆地南缘褶皱冲断带断裂输导石油效率评价

为了评价准噶尔盆地南缘褶皱冲断带断裂输导原油效率,通过定义断裂输导系数和分析原油成藏过程有效性,建立了断裂输导石油效率评价方法。评价结果表明,断裂输导系数沿着褶皱冲断带呈带状分布,高效断裂输导区主要位于托斯台背斜、独山子背斜、安集海背斜、霍尔果斯背斜及其以南、吐谷鲁背斜、清水河断鼻和齐古背斜等地区。高效断裂输导区内,第一排构造带断裂输导效率最高,第二排构造带次之,第三排构造带相对最低。研究区独山子油田、霍尔果斯油田、吐谷鲁油田、齐古油田等均分布在高效断裂输导范围内,表明高效断裂输导是准南褶皱冲断带原油成藏的重要条件之一。

准南逆冲褶皱带逆冲断层构造活动与油气运聚

准噶尔盆地南缘逆冲褶皱带为新生代以来一直活动的逆冲构造带,因此该地区的油气勘探必须以此为重点而非古逆冲带。据地面地质、地震和钻井数据分析,准南逆冲带的逆冲断层倾角主要集中在30°±5°和50°±5°.应力分析表明,主压应力与断层为30°±5°夹角,最大主应力与最小主应力比最小,表明存在最大的流体压力,断层周围的流体沿着最大主应力方向发生流动,断层成为流体运移的通道。而为主压应力与断层倾角在50°±5°夹角时,断层重新活动需要更高的流体压力,导致断层封闭性相对较好。准南逆冲褶皱带在构造挤压作用下逆冲断层向北扩展,作为断层滑脱面的古近系安集海河组泥岩形成更高的构造超高压,同时造成安集海河组之下紫泥泉子组砂岩水平渗透性远大于垂直方向渗透性,可以发育有利储集层,成为南缘地区主要勘探目的层。

准南前陆冲断带构造分段及其与油气关系

通过大量地面地质、地震和非地震资料的综合解释,分析了准南前陆冲断带的构造分段特征。认为乌鲁木齐—米泉断裂和红车断裂等盆内大型基底断裂是控制构造分段的主要因素,其形成演化决定了构造分段特征的出现或消失;盆缘调节构造是造成次级构造分段的主要原因。准南前陆冲断带构造分段对该区主要烃源岩与生储盖组合的形成及分布、对油气成藏期等方面具有重要的控制作用。

准噶尔盆地南缘霍—玛—吐构造带构造建模与玛河气田的发现

霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁构造带属于准噶尔盆地南缘前陆冲断带第二排含油气构造单元,构造变形强烈,构造圈闭高点难以落实。为指导该区油气勘探工作,基于断层相关褶皱几何模型的构造解析方法,从玛纳斯背斜构造形成与演化分析入手,以地面地质和钻井构造数据为约束条件,建立了与实际构造特征吻合的几何模型,将复杂构造带构造解释的多解性限制在合理的范围内;通过正演平衡地质剖面制作,再现了霍—玛—吐构造几何变形的运动学过程,准确刻画了玛纳斯背斜构造形态,为玛河气田的发现提供了可靠的技术支持,指导了准噶尔盆地南缘冲断带霍—玛—吐构造的下一步油气勘探。

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带的构造变换带特征

研究区的横向构造变换带根据其对区域构造分段作用的规模分为3个级别,分别控制了相邻区块的构造-沉积演化和构造线展布、构造样式与变形程度的差异;纵向变换带的特征主要表现为主逆冲断层和背斜系斜列分布、逆冲位移纵向斜列传递;构造变换带形成的主控因素主要与基底构造、先存构造、滑脱断层在走向和倾向上沿多层次滑脱的转变、沉积相和岩性差异以及挤压力的作用方式等有关;它的纵向分带、横向分段作用,控制了褶皱-冲断带不同区带、区段的变形样式,从而控制了油气勘探的有利构造分布。

准噶尔盆地南缘前陆褶皱冲断带构造滑脱层厘定

准噶尔盆地南缘前陆褶皱冲断带位于天山造山带北侧,经历了多期构造演化的叠加,形成了不同类型的构造滑脱层。构造滑脱层的存在不仅是制约该区盖层滑脱型构造样式形成演化的关键因素,而且也是造成深层与浅层构造不协调的主要原因。通过大量地表露头的观察和地震资料的解释,系统识别和厘定了中二叠统芦草沟组和红雁池组、下侏罗统八道湾组、中侏罗统西山窑组、白垩系吐谷鲁群、古近系安集海河组和新近系塔西河组等共6个与大套泥岩、膏泥岩和煤系地层相关的主要构造滑脱层。不同地区往往发育有一个或多个构造滑脱层,层位上具有自东向西逐渐变新的趋势。构造滑脱层的识别和厘定对该区构造建模和准确落实地下含油气构造具有重要意义。

天山南北前陆冲断带油气地质条件对比及有利勘探领域分析

天山造山带南北两侧分布着库车和准噶尔南缘两个中、新生代前陆冲断带。天山造山带的形成与演化对于其两侧盆地的展布、基底性质、沉积盖层的规模、盆地整体结构特征、后期破坏等具有重要的影响和控制作用。在同一区域构造应力场的作用下,库车前陆冲断带和准噶尔盆地南缘地区构造演化和石油地质条件均表现出许多相似的特征,两者皆发育多套成熟烃源岩,叠置了多套优质储盖组合,发育多种类型的圈闭,生储盖条件配套良好,具备形成大型油气田的物质基础。

微生物地球化学勘探技术在准噶尔盆地的应用

准噶尔盆地南缘冲断带油气资源丰富,发育下、中、上3套油气成藏组合,中、上成藏组合(上白垩统—渐新统、中新统)已发现多个中小型油气田,但下成藏组合(下侏罗统八道湾组—下白垩统吐谷鲁群)油气勘探尚未取得重大突破。为了确认该冲断带四棵树凹陷高泉东背斜的含油气性、为下组合目标井(GT1井)的钻探提供依据,采用常规实验室培养微生物油气检测、烃氧化微生物现场快速检测、土壤吸附烃检测等微生物地球化学勘探技术预测了其含油气性,识别了该背斜油气藏的分布范围及油气性质,并且检验了最新研发的微生物现场快速检测新技术的适用性和有效性。研究结果表明:(1)微生物油气检测技术与微生物现场快速检测技术的检测结果一致,均指示高泉东背斜高部位存在着较强的轻烃微渗漏,构造低部位渗漏强度明显降低,该构造具有较好的含油气性;(2)土壤吸附烃检测技术指标评价高泉东背斜地下流体性质,其结果表现出以油为主兼有天然气的特征;(3)GT1井测试获高产油气流,与微生物地球化学勘探技术预测结果一致。结论认为,微生物地球化学勘探技术在准噶尔盆地四棵树凹陷油气勘探中具有较好的适用性,先部署微生物现场快速检测测线、发现异常后再加密微生物测网的油气勘探新模式为提高该盆地油气预测效率、降低预测成本提供了新的有效途径。

准噶尔盆地南缘前陆冲断带深层地质结构及对油气藏的控制作用:以霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁褶皱冲断带为例

准噶尔盆地南缘前陆冲断带位于天山北麓,在晚新生代强烈的挤压作用下,地表发育数排背斜带。由于构造变形复杂、地震反射成像质量较差,对深层地质结构争议较大,另外前新生代盆地原型对晚新生代以来的褶皱冲断带构造格局的影响也尚未探讨。霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁(简称霍-玛-吐)褶皱冲断带位于准噶尔盆地南缘前陆冲断带地表第二排背斜带,利用最新采集和处理的地震反射资料,并结合地表地质露头建立深层构造模型;利用平衡地质剖面复原和构造物理模拟实验的方法探索早侏罗世盆地原型结构对现今褶皱冲断带构造格局的影响;在此基础上分析霍-玛-吐褶皱冲断带深层天然气富集规律。霍-玛-吐褶皱冲断带垂向上发育古近系—第四系逆冲推覆构造、中上侏罗统—白垩系构造楔和下侏罗统半地堑断陷结构。控制早侏罗世半地堑系统的高角度正断层在晚期挤压构造变形体系中充当逆断坡,并控制上覆构造楔和浅层逆冲推覆构造的发育。早侏罗世半地堑系统具有分段性,并通过侧向断坡进行连接,侧向断坡上覆地层发育南北向走滑调节断层。油气勘探现状表明,霍-玛-吐褶皱冲断带内部南北向走滑调节断层具有高效沟通下侏罗统烃源岩的特点,是控制天然气的富集的重要因素。以上研究表明,中西部陆内前陆冲断带前新生代古构造对于晚新生代挤压冲断构造格局和深层天然气富集规律具有重要意义。

准南冲断带横断层形成机制及地质意义

利用区域地质、地貌遥感和地球物理等多方面的证据,标定出准南冲断带横断层。在分析米泉-乌鲁木齐-永丰和红车-巴音沟东等横断层特征及分布基础上,探讨了横断层的形成机制及地质意义。研究认为:准南冲断带横断层有先存区域性断裂和主断裂逆冲差异调节断层两种成因类型,在调节冲断带各段构造的活动性、构造变形的强度等方面具有重要的作用,并且在与主逆冲断裂联合发震、主震发生后控制余震分布等方面也扮演重要的角色。