库车坳陷构造挤压增压定量评价新方法

张凤奇，王震亮，宋 岩，赵孟军，柳少波，方世虎

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069;2.西安石油大学 油气资源学院，陕西 西安 710065;3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

库车坳陷构造挤压增压定量评价新方法

张凤奇1，2，王震亮1，宋 岩3，赵孟军3，柳少波3，方世虎3

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710069;2.西安石油大学 油气资源学院，陕西 西安 710065;3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

依据构造压实作用机制，对真实地层条件下构造挤压增压的定量评价方法进行探讨，通过库车坳陷主要构造带封闭系数的评价和喜马拉雅晚期最大主应力的分布模拟，对库车坳陷构造挤压引起的流体增压及其贡献进行评价。结果表明:库车坳陷喜马拉雅晚期构造挤压增压幅度及其贡献在克拉苏地区最大，增压幅度为10～13 MPa，增压贡献为25% ～30%;克深地区、东秋地区次之，增压幅度为6～10 MPa，增压贡献为12% ～25%;大北地区、迪那地区增压幅度较小，普遍小于3 MPa，增压贡献一般小于5%;塔北隆起英买力地区构造挤压对流体不增压。

前陆盆地;库车坳陷;构造挤压;定量评价;新方法

库车坳陷褶皱冲断带目的层系普遍发育超压、强超压，前人对库车坳陷异常高压的成因机制进行过大量的探讨，已确认构造挤压对库车坳陷褶皱冲断带异常高压的形成发挥了重要作用，并基于系统完全封闭对构造挤压增压进行了定量评价［1-4］，而地下实际地质条件大多数是半封闭流体体系，如何定量评价真实地层条件下的构造挤压增压是目前面临的难题。笔者从探讨构造挤压增压机制出发，提出真实地层条件下构造挤压对流体增压的评价思路，通过评价库车坳陷主要构造带的封闭系数、模拟目的层喜马拉雅晚期最大主应力的分布，利用新提出的构造挤压增压模型，评价主要构造带喜马拉雅晚期构造挤压增压幅度及其贡献。

1 真实地层条件下构造挤压产生流体增压的评价思路

构造应力作为有效的超压机制引起的异常流体压力处处可见［5］。构造挤压作用对超压的影响可以用“构造压实作用”机制来解释［1，5］。

王震亮等［1］基于构造压实作用机制评价的克拉2气田在完全封闭体系情况下构造挤压对流体的增压为

式中，Δp为构造挤压引起的流体增压，MPa;σ1为最大水平主应力，MPa;S为增压前的载荷，MPa。此增压为构造挤压引起流体增加的上限。对于完全开放流体体系，流体压力始终保持静水压力，所以构造挤压不引起流体增压。在最大主应力由垂向变为水平方向经历时间较短的前提下，针对半封闭流体体系拟引入一个封闭系数ξ，此时构造挤压引起流体的增压为

参数ξ涉及流体系统封闭形成和保持的过程，ξ=0～1，“0”代表完全开放流体体系，“1”代表完全封闭流体体系。流体体系的封闭程度取决于该体系包围岩层的封闭性能，可划分为体系顶部盖层封闭性能和体系侧向封闭性能两部分来考虑。因此，ξ主要受流体系统的盖层封闭性能和侧向封闭性能因素的控制。对于同一个流体体系封闭系数相同。

要评价实际地层条件下构造挤压产生的流体增压，需获取3个参数(ξ、σ1、S)。根据评价流体体系的封闭程度可得到封闭系数ξ，通过模拟构造应力场可得到σ1，通过平衡剖面恢复可得到增压前的埋深，进而可得到S。

2 流体系统封闭系数的确定

2.1 评价方法

流体系统封闭系数受盖层封闭性能和系统侧向封闭性能的控制，其中盖层封闭性能与盖层宏观封闭能力和微观封闭能力有关。盖层宏观封闭性主要与盖层的岩性、厚度、分布范围和连续性、韧性等因素有关。库车坳陷区域性盖层岩性主要为膏盐岩、膏泥岩和泥岩等，同时区域性盖层被发育的断层复杂化，因此用盖层总厚度、膏盐岩连通厚度、膏盐岩单层最大厚度及盖层被断层破坏程度来衡量盖层的宏观封闭能力。由于上覆区域性盖层基本不存在烃浓度作用，因此用盖层的毛细管封闭和欠压实封闭程度来评价盖层的微观封闭能力。库车坳陷褶皱冲断带储、盖层被断层所复杂化，断层往往作为流体系统的边界，系统侧向封闭性除了与断层的侧向封闭性有关外，与储层砂体的横向连续性及被盖层封堵情况、系统受力情况等也有关系。选取上述9个参数作为评价系统封闭系数的综合评价指标(图1，其中a为权重)。

图1 库车坳陷系统封闭系数评价参数隶属关系Fig.1 Subordinate relation of system sealing coefficient evaluation parameters in Kuqa depression

结合库车坳陷超压演化，按照图1中各评价参数与系统封闭程度之间的隶属关系对其进行权重分配。库车坳陷欠压实形成较早［1］，是后期形成超压的基础，本次评价的构造挤压增压是在欠压实形成的基础上异常压力幅度的进一步增大。微观封闭能力评价中欠压实封闭作用比毛细管封闭作用大得多。通过计算，同一深度膏泥岩层欠压实形成的过剩压力一般为其产生排替压力的2～4倍，平均约为3倍，为此欠压实封闭赋予的权重为毛细管封闭的3倍。库车坳陷盖层宏观封闭能力的影响因素中，塑性的膏盐岩盖层封盖能力明显优于膏泥岩、泥岩等岩性，为强化膏盐岩在研究区异常压力形成的重要作用，本次赋予膏盐岩连通厚度和膏盐岩单层厚度的权重为盖层总厚度、盖层被断层破坏程度权重的2倍。由于库车坳陷断层较为发育，所以断层的封闭能力尤为重要，侧向封闭能力评价中断层的封闭性赋予的权重为系统受力情况、储层砂体的横向连续性及被盖层封堵情况的2倍。由式

计算盖层封闭能力和侧向封闭能力的综合评价权值Q1，由于盖层封闭能力和侧向封闭能力是彼此并行、相互影响的，所以计算系统封闭能力时，采用并联法则处理，即

式中，ai为第i项评价参数的权值;qi为第i项评价参数的权重分配系数;Q为系统封闭能力综合评价值，即封闭系数;Qg为盖层封闭能力的综合权值;Qc为侧向封闭能力的综合权值;qg和qc分别为盖层封闭能力和侧向封闭能力的权重分配系数。

2.2 评价参数的论证与取值

2.2.1 评价参数标准的制定

在总结前人研究［6］的基础上，依据9个参数的不同取值对封闭系统影响因素进行等级划分，将其划分为好、较好、中等、差4个等级。为了使评价结果更为准确，对各个等级定量化，好为0.75～1.00，较好为0.50～0.75，中等为0.25～0.50，差为0～0.25。

盖层的毛细管封闭主要是依靠盖层与储层之间的排替压力差封闭油气［7］。当盖层与储集层岩石之间的排替压力差为1 MPa时，盖层所能封闭住的最大气柱高度约为100 m，表明其已开始具备封闭工业气流的能力，可作为盖层封闭天然气能力的下限［6］;当盖层岩石与储集层岩石之间的排替压力差为5 MPa时，盖层可封闭住的最大气柱高度约为500 m，表明盖层毛管封闭性较强，完全可以作为工业气藏好封盖层的下限［6］。依靠欠压实引起的异常孔隙流体压力封闭与毛细管封闭天然气的最大高度应相同。因此，制定盖层的毛细管封闭能力和欠压实封闭能力标准见表1。

表1 库车坳陷盖层微观封闭能力评价标准Table 1 Evaluation standard on micro sealing ability of caprock in Kuqa depression MPa

前人对中国大中型气藏的盖层厚度进行了统计(图2)［8］，结果表明天然气聚集效率高的大型天然气藏盖层厚度一般大于300 m，聚集效率较高的大中型天然气藏盖层厚度一般大于150 m，而盖层厚度小于50 m的气藏聚集效率低。因此，制定累积盖层总厚度具有的封闭能力标准见表2。

图2 中国大中型气田天然气聚集效率与盖层厚度的关系Fig.2 Relationship of gas accumulation efficiencies and thicknesses of caprocks in China's large and medium gas fields

表2 库车坳陷盖层宏观封闭能力评价标准Table 2 Evaluation standard on macro sealing ability of caprock in Kuqa depression

本文中对膏盐岩连通厚度和膏盐岩单层厚度的评价主要参考前人对泥岩盖层的评价标准［7］。盖层被断层破坏程度标准的制定参考了文献［9］。

断层封闭性、系统受力情况、储层砂体的横向连续性及被盖层封堵情况的评价均无定量化标准，只通过了定性的描述来界定其评价标准(表3)。

2.2.2 评价参数的取值

库车坳陷发育两套区域性盖层，一套是古近系库姆格列木群膏盐岩、膏泥岩、泥岩层，发育于库车坳陷的中西部，另一套是新近系吉迪克组膏盐岩、膏泥岩、泥岩层，发育于库车坳陷的东部［10］。由于库车坳陷实测排替压力样品较少，故采用研究区实测排替压力与对应点泥岩或膏泥岩的声波时差拟合关系式［6］来计算排替压力，即

式中，pd为泥岩排替压力，MPa;Δt为泥岩声波时差，μs/m。

表3 库车坳陷侧向封闭性评价标准Table 3 Evaluation standard on lateral sealing in Kuqa depression

克拉苏地区、大北地区古近系盖层泥岩或膏泥岩排替压力最大值普遍大于15 MPa，大北地区略大于克拉苏地区;东秋、迪那地区新近系盖层泥岩或膏泥岩排替压力最大值普遍大于12 MPa，两者非常相近;英买力地区古近系盖层泥岩或膏泥岩排替压力最大值普遍较小，约为2～6 MPa。

由于压实作用的不可逆性，现今所保存的欠压实幅度实际上应反映泥岩处于最大埋深时期的状态［1］，库车坳陷普遍在库车组沉积末达到最大埋深［11］，利用等效深度法［1］计算泥岩或膏泥岩地层压力。计算结果表明，库车坳陷盖层中泥岩或膏泥岩欠压实产生过剩压力最大值普遍大于10 MPa，克拉苏地区、东秋地区相对较高，迪那地区、大北地区次之，英买力地区最低。

通过库车坳陷录井及测井资料，统计各单井盖层总厚度、膏盐岩连通厚度、膏盐岩单层最大厚度，膏盐岩连通厚度是通过岩性连井对比评价得到。克拉苏构造带、秋里塔格构造带膏盐岩普遍较为发育，膏盐岩总厚度、单层最大厚度及连通厚度普遍较大;塔北隆起膏盐岩不甚发育，膏盐岩单层最大厚度及连通厚度较小。

盖层被断层的破坏程度计算式［9］为

式中，Lf为断层断距，m。

对于一个流体体系有多条断层切割时，统计的是被断层破坏程度大的盖层，这样才能真正反映断层对流体体系盖层最“致命”的破坏作用。克拉苏构造带、秋里塔格构造带构造挤压强烈，断层较为发育，断层断距相对较大，较厚的膏盐岩盖层遭到不同程度的破坏;塔北隆起构造挤压相对稳定，盖层被断层的破坏程度相对较低。克拉苏地区断裂较为发育，断裂的封闭与否直接关系到整个地区的封闭程度。克拉2地区盐下断裂如没有断穿上覆盐岩层，一般情况下断层垂向是封闭的，穿盐断裂在断裂活动期垂向是开启的，但因没和圈闭大面积接触，不会构成地层压力沿着断裂大量散失，断裂停止活动后断层很快封闭［12］。综合对克拉苏地区断层封闭性评价，总体上认为该地区断层封闭性为中等，其他地区断层封闭性评价主要是基于实际地质条件分析后与克拉苏地区对比得到。库车褶皱冲断带库车期以来一直受到近南北向强烈挤压应力的作用，所以评价系统受力情况为强挤压环境。在强烈挤压应力的作用下，地层发生褶皱，使得下白垩统储层砂体横向不连续，同时由于该区盖层较为发育，砂体侧向封堵性好。塔北隆起多发育正断层，为拉张环境，断层不甚发育，砂体变化较为平缓，横向连续性较好。

2.3 流体系统封闭系数

根据各评价指标的实际取值，参考其评价标准，对各个评价指标赋予等级并赋值(表4)。根据各评价指标的权值利用公式(1)和(2)计算流体系统封闭系数。流体系统封闭系数评价结果显示，克拉苏地区为0.721，大北地区为0.703，英买力地区为0.338，东秋地区为0.697，迪那地区为0.683。

表4 库车坳陷系统封闭系数评价参数Table 4 System sealing coefficient evaluation parameters in Kuqa depression

大北—克拉苏地区封闭性最好，东秋—迪那地区略弱，塔北英买力地区封闭性较差。这导致在同等构造主应力下构造挤压引起的流体增压在大北、克拉苏、东秋、迪那等地区较为明显，而在英买力地区不甚明显。

3 构造应力场的数值模拟

本次主要对目的层位巴什基奇克组喜马拉雅晚期的应力场进行恢复。利用有限单元法数值模拟计算应力场［13］，采用ANSYS 10.0软件进行。选用古近系库姆格列木组底(T8)构造纲要图建立地质模型。根据研究区高温高压三轴岩石力学参数的试验结果［14-17］选取弹性模量和泊松比，由于库车坳陷白垩系巴什基奇克组埋深变化较大，上覆载荷对岩石力学参数有所影响，所以巴什基奇克组埋深较大处的岩石物理参数取值时参考了侏罗系的。

根据上述试验结果和钻井岩性组合资料，用加权平均法得到地质体单元内的实际岩石力学参数。在同一单元内岩石作均质体处理，而各单元之间则为非均质体。断层当作断裂带处理。

库车坳陷在进入新近纪后应力场发生了转变，最大主应力方向从垂向变成水平，之后最大主应力保持水平，但方向可能稍有变化。南天山和盆山边界处的构造变形以近N-S向为主，而坳陷内部则以近N-S向和NW-SE向挤压变形为主［18］。据此，边界受力条件被确定为南北向的挤压应力，且北部大于南部。将东西向设定为X方向，南北向设定为Y方向，为确保由北向南的挤压，将西边X约束，东南角X、Y约束，东北角X约束，在此约束下不断改变模拟过程中的北部、南部边界的挤压应力，直至模型中吐北1、克拉3、大宛101井的受力状况与实际声发射测量［19］的数值相吻合。最终确定北部边界的挤压应力为110 MPa，南部边界的挤压应力为100 MPa。

巴什基奇克组顶面喜马拉雅晚期最大主压应力各构造带大小不等(图3)。

图3 库车坳陷巴什基奇克组喜马拉雅晚期最大主压应力平面分布Fig.3 Plane distribution of maximum principal stress of Bashijiqike formation in Kuqa depression in late Himalaya period

克拉苏构造带大北地区最大主压应力一般为130～150 MPa，在大北2附近出现相对低值区;克拉苏地区最大主压应力一般为115～150 MPa，在克拉203—克拉2处出现相对低值区，为115～120 MPa，克深地区相对较大，为130～150 MPa。依奇克里克构造带为105～120 MPa。秋里塔格构造带中最大主压应力东秋里塔格大于西秋里塔格，东秋里塔格构造带中西部的东秋8、东秋5一带最大主压应力为125～145 MPa，东部的迪那2一带的最大主压应力为115～125 MPa。

4 构造挤压增压的评价结果及意义

利用上述半封闭流体体系构造挤压增压公式计算流体增压(表5)。通过评价得到构造挤压较为强烈的喜马拉雅晚期由于构造挤压产生的流体增压为:克拉2、克拉3地区约为10～13 MPa，增压大多占过剩压力的25% ～30%，个别(如克拉3)达到50%;克深2地区约为10 MPa，增压占过剩压力约25%;大北2地区较小，小于2 MPa，增压占过剩压力约为3%;东秋8、东秋6地区为6～9 MPa，增压占过剩压力的12% ～21%;迪那2、迪那3地区小于3 MPa，增压占过剩压力约为5%;英买力地区构造应力小于上覆载荷，构造挤压对流体不增压。

喜马拉雅晚期为库车坳陷构造挤压最为强烈的时期，此时构造挤压增压在大部分地区达到最大，增压幅度较大的地区普遍约为10 MPa，增压贡献普遍约为20% ～30%，没有前人评价的40% ～50%或60% ～70%［4］那么大。另外，构造挤压增压占构造应力的比例均小于15%(表5)，这与前人通过数值模拟的结果一般小于20%［5］相吻合。本次是基于真实地层条件下的评价，结果更客观，更切合实际，这对库车坳陷乃至中西部前陆盆地此类问题的解决都有较好的借鉴意义。

表5 库车坳陷典型井构造挤压增压定量评价Table 5 Quantitative evaluation of tectonic pressurization of typical well in Kuqa depression

5 结论

(1)大北—克拉苏地区封闭性最好，东秋—迪那地区略弱，塔北英买力地区封闭性较差;在同等大小的构造主应力作用下，构造挤压引起的流体增压在大北、克拉苏、东秋、迪那等地区较为明显，而在英买力地区不太明显。

(2)喜马拉雅晚期，不同部位构造挤压对流体增压幅度及超压的贡献不尽相同。克拉苏地区最大，增压幅度约为10～13 MPa，增压贡献为25% ～30%;克深地区、东秋地区次之，增压幅度约为6～10 MPa，增压贡献为12% ～25%;大北地区、迪那地区增压幅度较小，普遍小于3 MPa，增压贡献普遍小于5%;英买力地区构造挤压对流体不增压。

致谢 在研究过程中得到中国石油集团科学技术研究院卓勤功博士、孟庆洋博士、姜林博士、鲁雪松博士和中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院的大力支持，在此一并表示感谢!

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New method of quantitative evaluation on pressurization resulted from tectonic compression in Kuqa depression

ZHANG Feng-qi1，2，WANG Zhen-liang1，SONG Yan3，ZHAO Meng-jun3，LIU Shao-bo3，FANG Shi-hu3

(1.Department of Geology，Northwest University，Xi'an 710069，China;2.School of Petroleum Resources，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China;3.Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，PetroChina，Beijing 100083，China)

Based on compaction effect of tectonic compression，the quantitative evaluation method of pressurization resulted from tectonic compression under truly stratum conditions was investigated.By means of estimation on the sealing coefficient of the main tectonic zone in Kuqa depression and simulation of the maximum principal stress in Kuqa depression in the late Himalaya period，the pressurization amplitude and the contribution resulted from tectonic compression were estimated.The results show that the pressurization amplitude and the contribution of tectonic compression in the late Himalaya period in Kelasu region are the biggest，and secondly in Keshen and Dongqiu regions，and relatively smaller in Dabei and Dina regions.The pressurization amplitudes are 10-13 MPa，6-10 MPa and generally less than 3 MPa respectively in Kelasu region，Keshen and Dongqiu regions，Dabei and Dina regions.The pressurization contributions of tectonic compression are generally 25%-30%，12%-25%and less than 5%respectively in Kelasu region，Keshen and Dongqiu regions，Dabei and Dina regions.The pressurization resulted from tectonic compression is none in Yingmaili region，Tabei uprift.

foreland basin;Kuqa depression;tectonic compression;quantitative evaluation;new method

TE 121.2

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.001

1673-5005(2011)04-0001-07

2010-12-25

油气重大专项课题(2008ZX05003-02)

张凤奇(1981-)，男(汉族)，河南周口人，讲师，博士研究生，主要从事成藏动力学和油气形成机制、分布规律研究。

(编辑 徐会永)