平衡剖面技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用

平衡剖面技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用

0地震資料解釋的隨意性地震剖面的解釋是勘探過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。從勘探到開(kāi)發(fā)，油田必須解釋大量地震剖面。在剖面解釋過(guò)程中，解釋人員通常根據(jù)自己的主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的褶皺帶和其他區(qū)域，這種解釋方法具有很大的隨機(jī)性，不同的地質(zhì)條件會(huì)得出完全相反的結(jié)論。因此，平衡剖面技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，如何提高剖面解釋的精度，可以盡量減少解釋的隨機(jī)性。目前，平衡剖面技術(shù)是地震數(shù)據(jù)解釋過(guò)程中的一項(xiàng)重要技術(shù)。1.1平衡剖面的概念1969年Dahlstrom提出了平衡剖面方法,并在阿帕拉契亞(Appalachians)構(gòu)造區(qū)帶研究中應(yīng)用.從此,這一方法逐漸在地震地質(zhì)解釋中被推廣.平衡剖面指的是遵循層長(zhǎng)或面積變形前后不變的原則,可以恢復(fù)到原始沉積地層狀態(tài)的變形剖面,或從沉積地層依據(jù)變形原理得到的變形剖面,它是一條可以接受的、合理的剖面,與未平衡的剖面相比滿足了大量合理的限制條件,因而,也是更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)剖面;相反,一條難以平衡的剖面一定是錯(cuò)誤的.1.2剖面解釋的隨意性平衡剖面遵守體積守恒法則,即巖石變形只是形態(tài)發(fā)生變化,而體積保持不變,但由于實(shí)際地質(zhì)情況復(fù)雜,為便于應(yīng)用,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化.平衡地質(zhì)剖面提出了面積守恒、層長(zhǎng)守恒、位移量守恒等一系列幾何法則,以此來(lái)制約剖面解釋的隨意性.(1)面積守恒:對(duì)于一條剖面而言,其變形前后的面積不變,指在變形過(guò)程中,沒(méi)有物質(zhì)的流入和流出.(2)層長(zhǎng)守恒:變形前后的層長(zhǎng)不變,前提是變形過(guò)程中巖層厚度不發(fā)生變形.(3)位移量守恒:沿同一條斷層,各層的位移應(yīng)保持一致,前提是斷層形成于沉積之后,沒(méi)有同生變形.(4)縮短量一致:指沿構(gòu)造走向各剖面計(jì)算的縮短量大致相等.(5)斷層軌跡合理恢復(fù):指剖面復(fù)原后斷層跡線遵循一定的軌跡.1.3剖面平衡的原則由現(xiàn)今剖面通過(guò)反演過(guò)程可以獲得地層原始沉積剖面,這一點(diǎn)是肯定的.但是,對(duì)現(xiàn)今剖面可以有各種不同的解釋方案,而每種方案都可以經(jīng)過(guò)不同的反演步驟和順序獲得地層原始沉積剖面,就是說(shuō),對(duì)于同一條剖面,反演過(guò)程和結(jié)果不是唯一的,即存在多解性問(wèn)題.平衡只是其中一種模式,平衡了的剖面并不一定代表地層沉積和變形的真實(shí)過(guò)程,但與未平衡的剖面相比,它滿足了大量合理的限制條件,因此,它更接近正確.對(duì)于一條現(xiàn)今剖面,不同的人可以得出不同的平衡結(jié)果,即使同一個(gè)人也可以得出幾種可能的結(jié)果,關(guān)鍵的問(wèn)題是從中選出最合理的、最接近真實(shí)情況的結(jié)果.總之,正確的解釋方案一定是能使剖面平衡的方案,而平衡的剖面未必就是正確的解釋;相反,一條不能平衡的剖面,其解釋方案一定是錯(cuò)誤的,這就是平衡過(guò)程的唯一性.2平衡剖面正演模擬平衡剖面技術(shù)為解釋人員提供了一條驗(yàn)證各種地質(zhì)模式和解釋方案的有效途徑,地質(zhì)解釋人員可以得心應(yīng)手地反復(fù)驗(yàn)證自己的解釋方案,無(wú)論是在擠壓環(huán)境還是在拉張環(huán)境,最終都可以得到滿意且合理的結(jié)果.為了驗(yàn)證各種復(fù)雜的地質(zhì)解釋方案,用于平衡恢復(fù)的變形機(jī)制有兩大類(lèi):即彎滑轉(zhuǎn)換和垂向/斜向滑移轉(zhuǎn)換,彎滑轉(zhuǎn)換機(jī)制適用于擠壓環(huán)境.圖1上部分是彎滑轉(zhuǎn)換的變形機(jī)制過(guò)程,即原始沉積地層受到擠壓應(yīng)力作用后發(fā)生變形,在變形過(guò)程中,層間存在滑動(dòng),變形前后的剖面其面積和層長(zhǎng)保持不變(表1).垂向/斜向滑移轉(zhuǎn)換機(jī)制適用于拉張環(huán)境(圖1下部分),將變形后的剖面由若干平行直線將剖面劃分成許多小塊,每一小塊近似為簡(jiǎn)單剪切,如果剪切角為90°,則為垂向滑移,如果剪切角小于90°,則為斜向滑移,變形前后的剖面面積保持不變(表1).平衡剖面正演過(guò)程是將未變形的狀態(tài)一步步向變形狀態(tài)進(jìn)行模擬,在模擬變形的每一個(gè)過(guò)程中,都滿足平衡剖面的約束條件.因此,在變形的每一個(gè)過(guò)程中所獲得的剖面都是平衡的.2.1不同斷面型斷坡斷展褶皺的形態(tài)平衡剖面技術(shù)的正演模擬過(guò)程包括三種(表1):(1)斷彎褶皺:它是在擠壓應(yīng)力作用下,上盤(pán)斷塊沿非平面狀斷層面滑移時(shí)發(fā)生彎曲的一種作用,在斷層的上盤(pán)形成一系列褶皺,褶皺的形態(tài)與斷坡具有一定關(guān)系(圖2左部分).(2)斷展褶皺(又稱斷層傳播褶皺):在擠壓應(yīng)力作用下,上盤(pán)斷塊沿?cái)鄬右苿?dòng)發(fā)生變形形成褶皺,其特點(diǎn)表現(xiàn)為斷距由下向上逐漸減小,直到消失,表明斷層是多期發(fā)育的;根據(jù)斷坡的多少又分單階斷展褶皺和多階斷展褶皺.(3)斷滑褶皺:在拉張應(yīng)力作用下,首先產(chǎn)生大的基底鏟式正斷裂,由于地層調(diào)節(jié)作用,再次發(fā)生次級(jí)的同向或反向斷裂;地層總的拉張面積與各個(gè)小斷陷面積之和相等(圖2右部分).表1平衡剖面技術(shù)的變形機(jī)制及守恒原則表2.2疊瓦扇構(gòu)造演化擠壓環(huán)境中主要有兩構(gòu)造變形樣式:疊瓦扇構(gòu)造和雙重構(gòu)造.(1)疊瓦扇構(gòu)造:圖3左部分是由三個(gè)逆沖席組成的疊瓦扇構(gòu)造,三個(gè)逆沖斷裂向下收斂于同一個(gè)逆沖斷裂,各自向上消失且互不相交.根據(jù)各逆沖席發(fā)育先后,疊瓦扇構(gòu)造分為首疊瓦扇和尾疊瓦扇構(gòu)造兩種.(2)雙重構(gòu)造:它是由頂板逆沖斷層、底板逆沖斷層和中間夾有的斷塊組成的一種構(gòu)造樣式(圖3右部分).3平衡截面技術(shù)的應(yīng)用3.1次級(jí)斷層發(fā)育情況圖4是中國(guó)華北油田的一條地震剖面,從剖面上可以看出基底的一條大的鏟式正斷層和眾多小的次級(jí)斷層發(fā)育情況,這是一個(gè)典型的小型萁狀斷陷盆地.圖5是該地震剖面的地質(zhì)解釋結(jié)果和剖面平衡過(guò)程(Eg沉積后的平衡過(guò)程省略).在拉張環(huán)境下,地層具有邊沉積邊變形的特點(diǎn),因此,在平衡過(guò)程中,采用逐層拉平、層層平衡的辦法完成剖面的平衡過(guò)程或復(fù)原過(guò)程.3.2剖面位置及構(gòu)造在擠壓環(huán)境下應(yīng)用平衡剖面技術(shù)最能發(fā)揮其特長(zhǎng),因?yàn)閿D壓環(huán)境構(gòu)造變形劇烈、構(gòu)造樣式復(fù)雜多變,剖面解釋困難,易出現(xiàn)多解性情況,特別是山前擠壓褶皺帶的構(gòu)造解釋.圖6是一條來(lái)自美國(guó)懷俄明州(Wyoming)的地震剖面,從剖面上看,地層擠壓變形強(qiáng)烈、構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜,發(fā)育多條逆沖斷裂,對(duì)這樣的地震剖面進(jìn)行解釋,其難度可想而知.圖7是該地震剖面現(xiàn)今地質(zhì)解釋及剖面復(fù)原過(guò)程,剖面由6條大的逆沖斷裂組成,將剖面分割成6部分,利用平衡剖面技術(shù)將每部分都進(jìn)行平衡轉(zhuǎn)換,得到最終的復(fù)原剖面,它是由水平地層組成的,即處于原始沉積狀態(tài),但某些地方存在地層缺失,可能的原因有兩種:一是地層沉積后的水流侵蝕或風(fēng)化剝蝕造成地層缺失;二是擠壓變形褶皺成山后,遭受風(fēng)化雨淋使地層缺失.通過(guò)整個(gè)剖面復(fù)原過(guò)程,可以證明現(xiàn)今的地質(zhì)解釋是合理可信的(圖7的最上部分為現(xiàn)今地質(zhì)解釋剖面).3.3深部斷層軌跡預(yù)測(cè)圖8是美國(guó)南阿帕拉契亞(SouthernAppalachians)的一條地震剖面,從剖面上只能看到淺層的褶皺形態(tài)和一條水平斷層,初步判斷現(xiàn)今構(gòu)造為一斷彎褶皺,但由于深部地震資料品質(zhì)差,無(wú)法準(zhǔn)確解釋出深部斷層.然而,利用平衡剖面技術(shù)能夠?qū)ι畈繑鄬榆壽E進(jìn)行預(yù)測(cè).圖9是該剖面斷層軌跡預(yù)測(cè)的全部過(guò)程.將圖9中的圖A作為變形后的狀態(tài),利用斷彎褶皺平衡法則,求出變形前的狀態(tài)圖B,得到變形前的一段斷層軌跡,將這一段斷層軌跡加到圖C上,圖C再作為另一期變形后的狀態(tài),再求出這期變形前的狀態(tài)圖D,得到另一段斷層軌跡.這樣一期期進(jìn)行恢復(fù),就得到最終的深部斷層軌跡,圖I所示(圖E、F、G、H過(guò)程省略,圖9的右下角為現(xiàn)今地質(zhì)解釋剖面).3.4地震地質(zhì)解釋塔里木盆地塔北庫(kù)車(chē)坳陷為一個(gè)中、新生代的前陸盆地,天然氣資源十分豐富,但2001年以前的油氣勘探都沒(méi)有重大突破,其原因在于:(1)地表為山地、地下復(fù)雜的高陡褶皺-逆沖構(gòu)造造成地震采集、處理和成像十分困難.(2)第三系膏鹽巖橫向變化大,鹽上(淺層)和鹽下(深層)構(gòu)造不一致,對(duì)鹽下構(gòu)造缺乏地質(zhì)解釋模型,構(gòu)造難以落實(shí).(3)巨厚的膏鹽巖層及高的地層壓力使鉆井十分困難.近年來(lái),隨著新理論和新技術(shù)的不斷應(yīng)用,油氣勘探取得了重大進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)了克拉2特大型整裝氣田.新理論主要是斷層相關(guān)褶皺理論,而新技術(shù)則以平衡剖面技術(shù)為核心;以新理論和新技術(shù)為指導(dǎo),構(gòu)建塔北庫(kù)車(chē)坳陷地震地質(zhì)解釋模型.庫(kù)車(chē)前陸盆地逆沖斷層組合樣式包括雙重構(gòu)造、被動(dòng)頂板雙重構(gòu)造、疊瓦扇逆沖構(gòu)造等;褶皺樣式包括斷彎、斷展和斷滑三種基本類(lèi)型.構(gòu)造樣式橫向分帶、垂向分層,空間分布十分復(fù)雜.依據(jù)斷層相關(guān)褶皺理論和構(gòu)造模式進(jìn)行地震剖面解釋,其解釋結(jié)果合理、構(gòu)造樣式可信,提高了圈閉落實(shí)程度(圖10).新理論和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷的油氣勘探取得了突破性進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)了克拉2大氣田.克拉2氣田發(fā)現(xiàn)于下第三系膏鹽巖下的被動(dòng)頂板雙重構(gòu)造中,鹽上為斷層傳播褶皺,鹽下為頂板雙重構(gòu)造(圖11,左下角為斷展褶皺模型,右下角為雙重構(gòu)造模型);目的層為白堊系、第三系底砂巖;圈閉面積47km2,閉合高度400m,氣柱高度400m,氣層厚度達(dá)200m;為常溫超高壓大型氣藏,天然氣探明儲(chǔ)量2506.1×108m3.克拉2氣田是“西氣東輸”世紀(jì)工程的最主要?dú)庠吹豙12,13,14,15,16,17].4平衡剖面技術(shù)的應(yīng)用前景雖然平衡剖面概念的提出已有很多年,但平衡剖面技術(shù)相對(duì)而言卻是一種新穎技術(shù),特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用后,平衡剖面技術(shù)才真正意義上作為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)在地震資料解釋中被推廣應(yīng)用.地震、地質(zhì)解釋人員可以借助平衡剖面技術(shù)所具有的各種正演模型去驗(yàn)證自己的地質(zhì)假設(shè),同時(shí),由于地震資料解釋本身屬于反演范疇,而反演必然存在多解性問(wèn)題,這樣面對(duì)同一條地震剖面,特別是山前逆沖褶皺帶,構(gòu)造變形劇烈,加之地震資料品質(zhì)